FI122713B - Polttokennojärjestelmän säätöjärjestely ja -menetelmä - Google Patents

Polttokennojärjestelmän säätöjärjestely ja -menetelmä Download PDF

Info

Publication number
FI122713B
FI122713B FI20105697A FI20105697A FI122713B FI 122713 B FI122713 B FI 122713B FI 20105697 A FI20105697 A FI 20105697A FI 20105697 A FI20105697 A FI 20105697A FI 122713 B FI122713 B FI 122713B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
fuel
asynchronous
synchronous
control
information
Prior art date
Application number
FI20105697A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20105697A0 (fi
FI20105697A (fi
Inventor
Matti Noponen
Kim Aastroem
Original Assignee
Waertsilae Finland Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Waertsilae Finland Oy filed Critical Waertsilae Finland Oy
Priority to FI20105697A priority Critical patent/FI122713B/fi
Publication of FI20105697A0 publication Critical patent/FI20105697A0/fi
Priority to KR1020137001101A priority patent/KR101359318B1/ko
Priority to PCT/FI2011/050316 priority patent/WO2011157887A1/en
Priority to CN201180029433.4A priority patent/CN102947995B/zh
Priority to EP11719589.1A priority patent/EP2583340B1/en
Priority to JP2013513721A priority patent/JP5412007B2/ja
Publication of FI20105697A publication Critical patent/FI20105697A/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI122713B publication Critical patent/FI122713B/fi
Priority to US13/715,102 priority patent/US9673463B2/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N7/00—Computing arrangements based on specific mathematical models
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

Polttokennojärjestelmän säätöjärjestely ja -menetelmä
Keksinnön ala 5 Polttokennolaitteet ovat elektrokemiallisia laitteita, joita syötetään reaktioai-neita sähköenergian tuottamista varten.
Tunnettu tekniikka 10 Polttokennot ovat elektrokemiallisia laitteita, joita voidaan käyttää tehokkaaseen ja ympäristöystävälliseen sähköenergian tuottamiseen. Polttokennotek-nologiaa pidetään yhtenä lupaavimmista tulevaisuuden energian tuotantomuodoista.
15 Kuviossa 1 esitettävä polttokenno käsittää anodipuolen 100 ja katodipuolen 102 ja elektrolyyttimateriaalin 104 niiden välillä. Kiinteän oksidin polttoken-noissa (SOFC) happi 106 syötetään katodipuolelle 102 missä se pelkistyy negatiiviseksi happi-ioniksi vastaanottamalla elektroneja katodilta. Negatiivinen happi-ioni kulkee elektrolyyttimateriaalin 104 läpi anodipuolelle 100, missä se 20 reagoi polttoaineen 108 kanssa tuottaen vettä ja myös tyypillisesti hiilidioksidia (CO2). Anodin 100 ja katodin 102 välillä on ulkoinen sähköpiiri 111 käsittäen kuorman 110 polttokennolle.
£! Kuviossa 2 esitetään kiinteän oksidin polttokennolaite esimerkkinä korkean o ^ 25 lämpötilan polttokennolaitteesta. Kiinteän oksidin polttokennolaite voi hyö- 9 dyntää polttoaineena esim. maakaasua, biokaasua, metanolia tai muita yh- o disteitä sisältäen vetyhiiliseoksia. Kiinteän oksidin polttokennolaite kuviossa 2
X
£ käsittää useamman kuin yhden, tyypillisesti useita polttokennoja pinomuo- σ> dostelmassa 103 (SOFC pino). Jokainen polttokenno käsittää anodin 100 ja
CO
o 30 katodin 102 rakenteen, kuten kuviossa 1 on esitetty. Osa käytetystä polttoai- c3 neesta takaisinkierrätetään takaisinkierrätysjärjestelyssä 109 kunkin anodin kautta.
2
Kuviossa 2 esitettävä kiinteän oksidin polttokennolaite käsittää myös polttoaineen lämmönvaihtimen 105 ja reformerin 107. Lämmönvaihtimia käytetään ohjaamaan lämpötilaolosuhteita polttokennoprosessissa ja niitä voi olla sijoit-5 tuneena useampi kuin yksi kiinteän oksidin polttokennolaitteen eri paikoissa. Kierrätettävässä kaasussa oleva ylimääräinen lämpöenergia otetaan talteen yhdessä tai useammassa lämmönvaihtimessa 105 hyödynnettäväksi kiinteän oksidin polttokennolaitteessa tai ulkopuolisessa lämmöntalteenottoyksikössä. Reformed 107 on laite, joka muuntaa polttoaineen kuten esim. maakaasun 10 sellaiseen koostumukseen, joka on sopiva polttokennoille, kuten esim. koostumukseen sisältäen vetyä ja metaania, hiilidioksidia, hiilimonoksidia ja reagoimattomia kaasuja. Kuitenkin jokaisessa kiinteän oksidin polttokennolaitteessa ei välttämättä ole reformeria.
15 Vain osa polttokennon 103 anodeilla 100 käytettävästä kaasusta takaisinkier-rätetään anodien kautta takaisinkierrätysjärjestelyssä, ja siksi kuvio 2 kuvaa jäljellejäävän osan kaasusta poispäästön 114anodeilta 100. Käyttämällä mittausvälineitä 112 (kuten virtausmittaria, sähkövirran mittaria ja lämpöti-lamittaria) suoritetaan kiinteän oksidin polttokennolaitteen toiminnalle vält-20 tämättömiä mittauksia anodin kautta takaisin kierrätettävästä kaasusta. Tunnetun tekniikan mukainen ohjausprosessori 116 liittyy läheisesti vuorovaikutteiseen yhteistoimintaan mittausvälineiden 112 kanssa.
cvj Maakaasuja kuten metaania ja kaasuja, jotka sisältävät korkeita hiiliyhdistei- w 25 tä, käytetään tyypillisesti polttoaineina kiinteän oksidin polttokennoissa 9 (SOFC), jotka kaasut kuitenkin täytyy esi prosessoida ennen syöttämistä polt-
O
tokennoille hiilen muodostumisen eli koksaantumisen estämiseksi. Koksaan-
X
£ tumisessa hiilivedyt uudelleenpalavat termisesti ja muodostavat hiiltä, joka kiinnittyy polttokennolaitteen pintoihin ja adsorboituu katalysteihin, kuten
CD
g 30 nikkelipartikkeleihin. Koksaantumisessa muodostuva hiili peittää osaa polttoon kennolaitteen aktiivisesta pinnasta, täten heikentäen merkittävästi polttoken- noprosessin reaktiokykyä. Hiili voi jopa täysin sulkea polttoaineen kulkureitin.
3
Koksaantumisen estäminen on erittäin tärkeää, jotta varmistetaan polttoken-noille pitkä huoltoikä. Koksaantumisen estäminen myös säästää katalyyttejä, joita ovat polttokennoissa reaktioiden nopeuttamiseen käytettävät aineet 5 (nikkeli, platina, jne). Kaasunprosessointi vaatii vettä, jota syötetään poltto-kennolaitteeseen. Vettä, jota tuotetaan yhdistämällä happi-ioni ja polttoaine eli anodipuolen kaasu, voidaan myös käyttää kaasun esikäsittelyssä.
Anodipuolilta takaisinkierrätettävän kaasun koostumus takaisinkytkentäjäijes-10 telyssä pitää tuntea riittävällä tarkkuudella, jotta kaasun esikäsittely tunnetussa tekniikassa olisi onnistunutta. Erityisesti happi/hiili (O/C) kerrointa, ja myös jossain määrin vety/hiili (H/C) kerrointa, pitää säätää, jotta vältetään riskialttein reaktioympäristö hiilen muodostumisen kannalta.
15 Niissä polttokennojärjestelmissä, joita ei käytetä niiden toimintakykyalueen rajoille asti, polttoaineen hyödyntäminen (FU) on kriittinen säätöparametri, joka vaikuttaa järjestelmän toimintakykyyn ja elinikään. Lisäksi järjestelmissä, joihin kuuluu hiilivetypolttoaineiden reformointia, tiettyjen polttoainevirta-usten järjestelmäolosuhteet täytyy pitää riittävinä, jotta pienennetään hiilen 20 muodostumisen riskiä järjestelmässä. Normaalit keinot hiilen muodostumisen riskin minimoimiseksi ovat happihiilikertoimen (OC kerroin) säätäminen, ve-tyhiilikertoimen (HC kerroin) säätäminen ja järjestelmälämpötilojen säätäminen, jotka kaikki yhdessä määrittävät todennäköisyyttä hiilen muodostumisel-c\j le järjestelmässä. Tyypillisiin keinoihin riittävän OC-kertoimen js HC- ° 25 kertoimen ylläpitämiseksi kuuluvat anodipäästökaasun uudelleenkierrätys, o polttoaineen reformointi osittaisoksidaatiolla ja veden lisäsyöttö.
o | Koska sekä polttoaineen hyödyntämisen (FU) informaatio ja hiilen muodos- tumisen informaatio ovat vaikeita määrittää suoramittauksilla, ne tyypillisesti cd g 30 määritetään ohjelmistollisesti. Järjestelmissä, joissa polttoa inekoostu m us on ^ riippuvainen pelkästään järjestelmän sisäänsyöttövirtauksista, polttoaineen hyödyntämisen informaation ja hiilen muodostumisen informaation laskenta 4 on melko suoraviivaista. Kuitenkin järjestelmissä, joissa on anodin kautta ta ka isin kierrätys, polttoaineen hyödyntämisen informaatio ja hiilen muodostumisen informaatio tulevat riippuvaiseksi massavirtauksesta ja koostumuksesta takaisinkierrätyssilmukassa, kun osa polttokennojen anodeilta lähteväs-5 tä käytetystä polttoaineesta palautetaan takaisin sisäänsyöttövirtaukseen anodeille. Jos järjestelmässä on ulospäin vuotoa tai ristikkäistä vuotoa anodi-puolelta katodipuolelle, joka on tyypillistä monen tyyppisille korkean lämpötilan polttokennoille, anodikaasun ulostulon koostumus, toisin sanoen takaisin-kierrätettävä koostumus, ei ole määritettävissä tuntematta takaisinkierrätyk-10 sen virtausta ja useita koostumusominaisuuksia.
Mille tahansa annetulle takaisinkierrätyskertoimen arvolle, toisin sanoen se osa anodipäästökaasusta, joka uudelleenkierrätetään takaisin sisäänsyöttövirtaukseen, voidaan laskea atometriset virtaukset anodikierrätyksessä analyyt-15 tisesti välittömän korvauksen kautta. Varsinaisten kaasuaineosien molaariset osat voivat perustua atometrisiin osiin, jotka ovat ratkaistuja annetulle ehdolle. Olettaen, että anodikaasun ulostulon koostumus anodikatalyyttien läsnä ollessa korkeassa lämpötilassa saavuttaa vastaavan lämpötilatasapainon koostumuksen, voidaan anodikaasun ulostulon koostumus täten laskea mai-20 nitulle annetulle takaisinkytkentäkertoimelle. Lämpötilatasapainon koostumuksen ratkaiseminen edellyttää sellaisen höyryreformoinnin reaktionopeuden määittämistä, joka tyydyttää neljännen asteen polynomia, jonka kertoimet ovat lämpötilan ja mainittujen atomisten osien funktiona. Jos polttoai-c\i neen koostumus ei saavuta tasapainoa, voidaan se määrittää kineettisistä c3 25 malleista. Kun anodikaasun ulostulon koostumus on määritetty, voidaan las- o kea varsinainen virtaus anoditakaisinkierrätyksen silmukassa käyttäen anodi- ° kierrätysvälineiden (esimerkiksi pumppu tai ejektori) ominaiskäyriä, tai perus- | tuen kierrätysvirtauksen virtausmittaukseen. Sitä kautta saadaan takaisinkier- rätyskerroin kyseiselle tietylle anodikaasun ulostulon koostumukselle. Jos
CD
g 30 kyseinen takaisinkierrätyskerroin vastaa (järkevän marginaalin puitteissa) g alkuperäistä takaisinkytkentäkerrointa, jota käytettiin mainitun koostumuksen määrittämisessä, on löydetty kunnollinen ratkaisu takaisinkierrätyksen silmu- 5 kan virtauksille, ja täten polttoaineen hyödyntämisen ja hiilen muodostumisen informaatiot ovat löydettyjä. Muussa tapauksessa laskenta pitää toistaa muuttamalla arvoa takaisinkierrätykselle, kunnes kunnollinen ratkaisu löydetään.
5
Esitettyyn menetelmään polttoainevirtausten koostumusten määrittämiseksi kuuluu iteraatio useilla sisäkkäisillä iteraatioaskelilla. Kaikkinensa kunnollisen ratkaisun löytäminen takaisinkytkentäkertoimelle ja täten myös polttoaineen hyödyntämisen informaatiolle (FU, Fuel Utilization) sekä hiilen muodostumi-10 sen informaatiolle voi järjestelmäolosuhteista ja aloitusarvoista riippuen vaatia suuren määrän kelluvan pisteen aritmeettisia operaatioita. Järjestelmissä, joissa on rajoitettu tietokonekapasiteetti, kuten teollisuuden säätöelektronii-kassa esitetty iteraatioprosessi voi vaatia lukuisia sekunteja toteutuakseen. Täten laskentaa sellaisenaan ei voida mukaanlukea polttokennosäätöjärjes-15 telmän sykliseen tehtävien silmukkaan vaikuttamatta kielteisesti säätösyklin toimenpiteiden kokonaisaikaan.
Johtuen esitetyn menetelmän tietokonelaskennan intensiteetistä polttoaine-koostumusten tarkassa määrittämisessä, tunnetun tekniikan ratkaisut ovat 20 käyttäneet yksinkertaistavia keinoja laskenta tarpeen vähentämiseksi, kuitenkin huonontaen tarkkuutta ja/tai käytettävyyden monipuolisuutta. Hakijan omassa patenttihakemusjulkaisussa PCT/FI2009/050503 esitetään menete-mä, jossa on käytetty interpolaatiota look-up taulukosta (LUT, Look-up table) c\i yhdessä ennalta määritellyille polttokennovirtojen, lämpötilojen ja virtausten c3 25 yhdistelmille esilaskettujen ratkaisujen kanssa, jotta vältetään reaaliaikainen o laskenta takaisinkytkentäkertoimen, FU kertoimen ja OC kertoimen määrit- ° tämisessä. Vaikkakin on selvästi vähemmän laskentainsensiivinen, kyseisen | menetelmän käytettävyys on rajoittunut ennalta määritellyille parametrialueil- le, joissa on erittäin rajoitettu määrä vaihdeltavissa olevia parametreja, jotta g 30 look-up taulukon koko pidetään järkevänä. Julkaisun PCT/FI2009/050503 g tunnetun tekniikan ratkaisussa on merkittäviä puutteita erityisesti biokaasu- 6 sovellutuksiin, joissa sisään syötettävän polttoaineen koostumus vaihtelee aiheuttaen lisävapausasteen järjestelmän virtausolosuhteisiin.
Keksinnön lyhyt selostus 5
Keksinnön kohteena on polttokennojärjestelmän ohjaus, joka toimii luotettavasti minimiprosessorikapasiteetilla ja on kykenevä reagoimaan myös nopeisiin muutoksiin polttokennojärjestelmän toimintaolosuhteissa. Tämä saavutetaan polttokennojärjestelmän säätöjärjestelyllä sähkön tuottamista varten 10 polttokennoilla, jokainen polttokennojärjestelmän polttokenno käsittäen ano-dipuolen, katodipuolen ja elektrolyytin anodipuolen ja katodipuolen välissä ja polttokennojärjestelmä käsittää välineet polttoaineen takaisinkierrättämiseksi polttokennojen anodipuolilta ja ainakin yhden järjestelmäsäätimen ohjaus-prosessorissa polttokennojärjestelmän toiminnan hallitsemiseksi. Säätöjärjes-15 tely käsittää välineet olennaisen asynkronisen kemiallisten reaktionopeuksien laskentaprosessin suorittamiseksi ainakin yhdestä laskentakohteista polttoaineen koostumus ja polttoaineen virtausnopeus informaation muodostamiseksi olennaisen iteratiivisessa prosessissa ainakin takaisinkierrätyskertoimesta polttoaineen takaisinkierrätyksessä anodien kautta, välineet informaation 20 muodostamiseksi olennaisen synkronisessa prosessissa järjestelmäsäätimen prosessiin nähden polttoaineen hyödyntämisestä ja hiilen muodostumisesta käyttämällä viimeisintä saatavilla olevaa takaisinkierrätyskertoimen informaatiota, joka on muodostettu mainitussa asynkronisessa prosessissa, välineet c\i aktiivisen syklittäisen järjestelmähäninnan prosessin ja järjestelmäseurannan c3 25 prosessin suorittamiseksi hyödyntämällä mainittua polttoaineen hyödyntämi- o sen informaatiota ja hiilen muodostumisen informaatiota, ja mainitut välineet ° asynkronisen prosessin käsittelemiseksi olennaisen samanaikaisesti synkroni- | sen prosessin kanssa siten, että mainittu aktiivisen syklittäisen järjestelmäkö hallinnan prosessi ja järjestelmäseurannan prosessi suoritetaan suurimman
CD
g 30 sallitun toimintaintervallin alapuolella.
δ
(M
7
Keksinnön kohteena on myös polttokennojärjestelmän säätömenetelmä sähkön tuottamiseksi polttokennoilla, jossa menetelmässä takaisinkierrätetään polttoainetta polttokennojen anodipuolilla. Menetelmässä suoritetaan olennaisen asynkroninen kemiallisten reaktionopeuksien laskentaprosessi ainakin 5 yhdestä laskentakohteista polttoaineen koostumus ja polttoaineen virtausnopeus informaation muodostamiseksi olennaisen iteratiivisessa prosessissa ainakin takaisinkierrätyskertoimesta polttoaineen ta ka isin kierrätyksessä anodien kautta, muodostetaan informaatiota olennaisen synkronisessa prosessissa järjestelmäsäätöprosessiin nähden polttoaineen hyödyntämisestä ja hiilen 10 muodostumisesta käyttämällä viimeisintä saatavilla olevaa takaisinkierrätys-kertoimen informaatiota, joka on muodostettu mainitussa asynkronisessa prosessissa, suoritetaan aktiivisen syklittäisen järjestelmähallinnan prosessia ja järjestelmäseurannan prosessia hyödyntämällä mainittua polttoaineen hyödyntämisen informaatiota ja hiilen muodostumisen informaatiota, ja käsi-15 tellään asynkronista prosessia olennaisen samanaikaisesti synkronisen prosessin kanssa siten, että mainittu aktiivisen syklittäisen järjestelmähallinnan prosessi ja järjestelmäseurannan prosessi suoritetaan suurimman sallitun toimintaintervallin alapuolella.
20 Keksintö perustuu olennaisen asynkronisen kemiallisten reaktionopeuksien laskentaprosessin suorittamiseen järjestelmäsäätimen toimintaan nähden ainakin yhdestä laskentakohteista polttoaineen koostumus ja polttoainevirran nopeus informaation muodostamiseksi olennaisen iteratiivisessa prosessissa c\i ainakin takaisinkytkentäkertoimesta, joka takaisinkytkentäkertoimen infor- c3 25 maatio hyödynnetään olennaisen synkronisessa prosessissa järjestelmäsää- o timen prosessiin nähden polttoaineen hyödyntämisen informaation ja hiilen ° muodostumisen informaation muodostamisessa. Aktiivisyklin järjestelmäsäätö | ja järjestelmän seurantaprosessi hyödyntävät mainittuja polttoaineen hyö- dyntämisen ja hiilen muodostumisen informaatioita. Keksintö perustuu lisäksi
CD
g 30 siihen, että asynkroninen prosessi suoritetaan olennaisen samanaikaisesti g synkronisen prosessin kanssa siten, että aktiivisyklin järjestelmäsäädön ja järjestelmän seurantaprosessin sallittua maksimi toimenpideväliä ei ylitetä.
8
Keksintö tarjoaa erittäin hyvän käytön aikaisen muunneltavuuden ja kyvyn käsitellä muutoksia toimintaolosuhteissa, kuten esimerkiksi sisään syötettävän polttoainekaasun koostumuksen muutoksia kaasusovellutuksissa ilman 5 tarvetta lisätä tietokonekapasiteettia aikaa kuluttavien reaktiotasapainolas-kentojen suorittamiseen. Keksintö myös mahdollistaa järjestelmäsäädön loistavan transienttivastinekyvyn.
Keksinnöllä on se etu, että ei tarvi määrittää ennalta määritettävää toimin-10 talkkunaa tai parametrien vakiojoukkoa, koska varsinainen laskenta suoritetaan reaaliaikaisesti ja rinnakkaisesti säätöalgoritmien kanssa käyttäen niiden kanssa samaa tietokoneprosessorikapasiteettia.
Kuvioluettelo 15
Kuvio 1 esittää yksittäisen polttokennon rakennetta.
Kuvio 2 esittää esimerkinomaisen toteutuksen tunnetun tekniikan mukaisesta ta ka i si n kytkentäjä rjestelystä kiinteän oksidin polttokenno-20 laitteessa (SOFC).
Kuvio 3 esittää keksinnön edullisen toteutusmuodon mukaisen esimerkinomaisen toteutuksen säätöjärjestelystä polttokennolaitteessa.
C\J
25 Keksinnön yksityiskohtainen selostus
O
o
Koska polttokennolaitteen takaisinkierrätettävä virtaus on riippuvainen ta-| kaisinkierrätettävästä koostumuksesta, anodikoostumuksien ratkaisemisesta tulee iteratiivinen prosessi. Keksinnön mukaisessa menetelmässä muodoste- to g 30 taan reaaliaikaista tarkkaa takaisinkytkentäinformaatiota anodipolttoaineen koostumuksesta sellaisten polttokennojärjestelmien säätötarkoituksiin, joissa käytetään anodipolttoaineen takaisinkierrätystä, ilman tarvetta lisätietokone- 9 prosessorikapasiteettiin aikaa kuluttavien reaktiotasapainolaskelmien suorittamiseksi. Koska käytettävä polttoaine on useimmiten kaasua tai kaasumaista, niin täten voidaan käyttää sanan "polttoaine" sijasta sanaa "kaasu". Menetelmään kuuluu laskemista ja takaisinkytkennän muodostamisen metodo-5 logiaa, jossa laskeminen jaetaan kahteen prosessiin; laskentaintensiivinen iteratiivinen osa termodynaamisten tasapainoreaktionopeuksien iteratiiviseksi laskemiseksi kemiallisista reaktioista anodipolttoaineen takaisinkierrätyksessä ja takaisinkytkentäkertoimena laskemiseksi, ja toinen vähemmän laskelmain-tensiivinen osa ensisijaisen takaisinkytkentäinformaation muodostamiseksi 10 järjestelmäsäätimille. Laskentaintensiivinen osa toteutetaan olennaisen asynkronisena rinnakkaisena prosessina järjestelmäohjaukseen nähden, kun taas takaisinkytkentämuodostamisen osa toteutetaan synkronisesti järjestelmäohjaukseen nähden. Termodynaamisten mallien mukaisten termodynaamisten tasapainojen sijaan laskelmaintensiivisen osan laskenta voi myös 15 perustua polttoaineatomien ja molekyylien kineettisiin malleihin anodipolttoaineen takaisinkierrätyksessä. Myös tämä laskenta on edullisesti luonteeltaan iteratiivista.
Keksintö mahdollistaa iteratiivisen algoritmin käyttämisen reaaliaikaisen polt-20 toaineen hyödyntämisen takaisinkytkentäinformaation muodostamisessa ja hiilen muodostumisen informaation muodostamisessa, toisin sanoen sallitun minimiarvon happihiilikertoimen muodostamisessa (OC-kerroin) riittävällä marginaalilla annetulla vety-hiilikertoimella, typpi-hiilikertoimella ja lämpötilal-cm la. Mainittu takaisinkytkentäinformaatio on tarkoitettu hyödynnettäväksi sää- w 25 töjärjestelmissä, joissa on rajoitettu tietokonekapasiteetti osana syklistä to- 9 teutusmenetelmää ilman tarvetta lisätä tietokoneprosessoreita. Menetelmä
O
mahdollistaa reaktionopeuksien laskentakierroksen jakamisen useille säätö-
X
£ toimenpidesykleille samalla, kun muodostetaan päivitettyä polttoaineen hyö- dyntämisen ja OC-takaisinkytkentäsignaalia jokaisen säätösyklin säädölle cd g 30 (esim. kerran jokaisessa sadassa millisekunnissa), täten mahdollistaen nope- ° an säädön. Tämä on mahdollista hyödyntämällä seuraavia välineitä: iteratii vinen algoritmi on muunnettu sisäkkäisestä väliaikaissilmukkatyypistä tilavir- 10 taustyyppiesitykseen, joka on sopiva syklisille toimenpiteille (ts. että yhden syklin aikana suoritetaan vain rajoitettu määrä toimenpiteitä). Säätöohjelmis-to on siten järjestettyä, että kaikki laskenta-aika, mikä jää säätö- ja aputoimi-toimenpiteiden ulkopuolelle käytetään reaktionopeuksien laskentaan algorit-5 millä. Pohjimmiltaan reaktionopeuksien laskenta suoritetaan asynkronisena rinnakkaisena prosessina, vaikkakin sitä muotoillaan ja toteutetaan osana säätösynkronista syklitoimenpiteen menetelmää. Atometriset polttoainevirta-ukset ja täten polttoaineen hyödyntämisen ja OC-arvot, jotka ovat säädölle olennaisia, uudelleen lasketaan jokaiselle säätösyklille perustuen viimeisim-10 pään takaisinkytkentäkertoimeen, joka saadaan reaktionopeuksien laskennasta.
Sen perusteella, että polttoaineen hyödyntämisen arvoja happi-hiilikertoimen arvo uudelleenlasketaan jokaiselle säätösyklille siitä huolimatta, että varsinai-15 nen reaktionopeuksien laskennan ratkaiseminen (ja täten myös takaisinkyt-kentäkertoimen ratkaiseminen) voi viedä merkittävästi pitemmän aikaa, mahdollistaen välittömän takaisinkytkentävastineen toimintaparametrien (sisään tu lovi rtaukset, koostumukset, polttokennon kuormitus) muutoksista. Muutokset sisääntuloparametreissa täten tietenkin myös vaikuttavat varsinai-20 seen takaisinkierrätyksen kertoimeen, joten vanhan takaisinkytkentäkertoi-men perusteella lasketut polttoaineen hyödyntämisen ja happi-hiilisuhteen arvot eivät täten ole tarkkoja. Tästä potentiaalisesta tarkkuuden puutteesta välittömässä vastineessa huolimatta, muutokset sisääntuloparametreissa vai-c\i kutiavat polttoaineen hyödyntämisen arvoon ja happi-hiilisuhteen arvoon c3 25 oikeasuuntaisesti mahdollistaen täten säätövastineen oikeasuuntaisesti sulje- o tun silmukan säätöjärjestelmässä. Suljetun silmukan ohjauksen stabiliteetin ° kannalta on ratkaisevan tärkeää, että takaisinkytkentäviive säätötoimenpi- | teen ja takaisinkytkentävastineen välillä on niin lyhyt kuin mahdollista, ja että ^ se ei vaihtele. Tämä saavutetaan minimoimalla takaisinkytkentäviive siten,
CD
g 30 että säätimien sallitaan välittömästi reagoida äkillisiin muutoksiin toimintapa- ^ rametreissa, ja tämä mahdollistaa kauttaaltaan nopean vastineen liittyvissä säätösilmukoissa. Täten vaihteleva ja pidempi viive takaisinkytkentäkertoi- 11 men ratkaisussa ei edellytä merkittävästi kompromissia kykenevyydessään transienttivastineeseen, koska polttoaineen hyödyntämisen ja happi-hiilikertoimen ensisijainen vastine on välitön.
5 Nopea ja stabiili säätövastine tekee järjestelmästä erittäin kestävän äkilliselle sisäisesti tai ulkoisesti tapahtuville muutoksille, kuten esim. biokaasulähtees-tä käsin tapahtuville kaasun koostumuksen tai paineen vaihteluille. Seuraten äkillistä muutosta olosuhteissa takaisinkytkentäkerroin, joka vastaa uusia olosuhteita, päivitetään, kun reaktionopeuksien laskenta on suoritettu. Tästä 10 seuraava viivytetty vastine takaisinkytkentä kertoimessa vaikuttaa vuorostaan polttoaineen hyödyntämisen arvoon ja happi-hiilikertoimen arvoon, jonka mukaisesti suljetun silmukan säätimet hienosäätävät ulostuloja siten, että säädettävät parametrit löytävät tarkasti asetuspisteensä, kun transienttitilan-ne on ohi.
15
Keksinnöllä on se etu, että ennalta määritettyä toimintaikkunaa tai kiinteästi asetettuja parametreja reaktionopeuksia laskennalle ei tarvitse määrittää, koska varsinainen laskenta suoritetaan reaaliaikaisesti rinnakkaisena säätöal-goritmien kanssa käyttäen samaa tietokone-elektroniikkaa. Kaikki laskentaan 20 vaikuttavat parametrit voidaan vaihtaa reaaliaikaisesti, jonka mutkaan suljetun silmukan säätölogiikka reagoi vastaavasti. Keksintö on erityisesti hyödyllinen vaihtuvan polttoainekoostumuksen sovellutuksessa, kuten esim. biokaa-susovellutuksissa, ja optimoidun vastineominaisuudet tekevät siitä ideaalisen cv sopivan sovellutuksiin, jotka vaativat nopeaa kykyä vastineeseen esim. jollei 25 tuen äkillisestä muutoksesta polttokennokuormassa.
o ° Välineet 204 olennaisen synkronisen prosessin suorittamiseksi ja välineet 202 | olennaisen asynkronisen prosessin suorittamiseksi voivat fyysisesti sijaita ^ samalla prosessorilla 210 kuin järjestelmäsäädin 200. Laskenta ja säätöpro-
CD
g 30 sessit, joita suoritetaan molemmilla mainituilla välineillä 202, 204 ja jäijes- g telmäsäätimellä 200 liittyen polttokennojärjestelmän prosessiin voidaan suo rittaa ohjelmallisesti käyttäen ohjaussäätötietokonetta 210, joka on esim.
12 ohjelmoitavan logiikan (PLC, Programmable Logic Controller) tai muu proses-soripohjainen tietokone.
Kuviossa 3 esitetään keksinnön edullisen toteutusmuodon mukainen esimer-5 kinomainen toteutus säätöjärjestelystä polttokennojäijestelmässä. Kuviossa 3 esitettävää polttokennojärjestelmä on kiinteän oksidin polttokennojärjestelmä (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), jollaista on esitetty edellä esimerkiksi liittyen kuvioon 2. Polttokennojärjestelmä käsittää takaisinkytkentäjärjestelyssä välineet 109 polttokennon takaisinkierrättämiseksi polttokennojen anodipuolien 10 kautta. Polttokennojärjestelmän säätöjärjestely käsittää ainakin yhden järjes-telmäsäätimen 200 ohjainprosessorissa 210 polttokennojärjestelmän toiminnan ohjaamiseksi. Edullisesti mainitussa samassa ohjainprosessorissa sijaitsevat välineet 202 olennaisen asynkronisen kemiallisten reaktioiden nopeuksien laskentaprosessin suorittamiseksi. Mainitussa laskentaprosessissa käyte-15 tään sisäänsyöttöarvoina polttoainemäärää, joka syötetään polttokennojär-jestelmään, sisäänsyötön sähkövirran arvoja, vuotoarvoja ja takaisinkytken-täkertoimen arvoja. Mittauksia voidaan suorittaa mittausvälineillä 112 esim. takaisinkierrätettävän kaasun koostumuksen määrittämiseksi. Kaasun koostumus voidaan myös määrittää laskennallisessa prosessissa tai prosessissa, 20 jossa sekä mittauksia että laskentaa hyödynnetään takaisinkierrätettävän kaasun koostumuksen määrittämisessä. Mainitussa asynkronisessa laskenta-prosessissa muodostetaan informaatiota ainakin takaisinkytkentäkertoimesta perustuen ainakin yhteen mainituista kaasun koostumuksesta ja kaasuvirran c\j nopeudesta. Tämä informaatio muodostetaan edullisesti olennaisen iteratiivi- w 25 sessa prosessissa, ja annetaan sitten järjestelmäsäätimellä 200.
O
o
Kuviossa 3 esitetty säätöjärjestely käsittää välineet 204 polttoaineen hyödyn- | tämisen informaation ja hiilen muodostamisen informaation muodostamiseksi olennaisen synkronisesti järjestelmäsäätimen 200 prosessiin nähden hyödynkö g 30 tämällä viimeisintä saatavilla olevaa takaisinkytkentäkertoimen informaatiota, g joka saadaan mainitusta asynkronisesta prosessista edullisesti järjestel mäsäätimen 200 kautta. Käyttämällä mainittuja välineitä 202 asynkroninen 13 prosessi suoritetaan olennaisen samanaikaisesti synkronisen prosessin kanssa, jossa synkronisessa prosessissa suoritetaan uudelleenlaskentoja ainakin polttoaineen hyödyntämisen informaatiosta ja hiilen muodostamisen informaatiosta jokaisessa synkronisen prosessin säätösyklissä perustuen viimei-5 simpään takaisinkytkentäkertoimen informaatioon, joka saadaan mainitusta asynkronisesta prosessista synkroniseen prosessiin jokaisessa synkronisen prosessin säätösyklissä tai harvemmin.
Kuviossa 3 esitettävä säätöjärjestely käsittää lisäksi välineet 206 aktiivisen 10 syklin järjestelmäsäädön ja järjestelmämonitorointiprosessin suorittamiseksi hyödyntämällä mainittua polttoaineen hyödyntämisen informaatiota ja hiilen muodostamisen informaatiota, jotka saadaan mainitusta synkronisesta prosessista. Käyttämällä mainittuja välineitä 202 asynkroninen prosessi suoritetaan olennaisen samanaikaisesti synkronisen prosessin kanssa siten, että ak-15 tiivisyklin järjestelmäsäädön ja järjestelmän seurantaprosessin maksimaalinen sallittu toimenpideväli ei ylity. Mainittua asynkronista prosessia suoritetaan hyödyntämällä iteratiivisessa prosessissa iteratiivista algoritmia, joka on sopiva sykliseen toteutukseen siten, että rajattu määrä iteratiivisia operaatioita suoritetaan mainitun synkronisen prosessin yksittäisen säätösyklin aikana. 20 Toisin sanoen asynkroninen prosessi antaa lisäinformaatiota synkroniselle prosessille, ei välttämättä jokaisessa säätösyklissä, mutta kun mainittua lisäinformaatiota, toisin sanoen ainakin ta ka isin kytkentä kerroin informaatiota on käsitelty valmiiksi synkronisen prosessin tarpeita varten. Tämänkaltaisella c\i samanaikaisella asynkronisella ja synkronisella prosessoimisella toteutetaan ^ 25 prosessorikapasiteetin tehokas hyödyntäminen.
o ° Kuvatussa keksinnön edullisessa toteutusmuodossa säätöjärjestelmää käsit- | tää mainitut välineet 202, 204 synkronisen ja asynkronisen prosessin suoritin tamiseksi samanaikaisesti muodostamalla asynkronisessa prosessissa ja jois- to g 30 sain synkronisen prosessin säätösykleissä informaatiota kemiallisista reakti- ^ öistä ajankäytön hyödyntämisen tehostamiseksi synkronisessa prosessissa.
Lisäksi järjestely käsittää edullisesti mainitut välineet 202 asynkronisen pro- 14 sessin suorittamiseksi muodostamalla kemiallisten reaktioiden nopeuksia mainittuna informaationa kemiallisista reaktioista. Mainitut kemiallisten reaktioiden nopeudet perustuvat termodynaamiseen tasapainomalliin, mutta keksintöä voidaan myös hyödyntää perustuen kineettisen mallin laskentoihin.
5
Edullisessa toteutusmuodossa mainitut välineet 202, 204, 206 integroidaan samalle säätöprosessorille, ja edullisesti jopa samalle säätöprosessorille 210 järjestelmäsäätimen 200 kanssa.
10 Keksintöä voidaan hyödyntää monissa erilaisissa sovellutuksissa polttokenno-laitteessa, jotka käsittävät polttoaineen kierrätystä. Esimerkiksi yhdessä toteutusmuodossa välineet 202, 204, 206 voivat kukin sijaita erillisellä prosessorille ja prosessorien välinen tietoliikenne järjestetään langallisilla tai langattomilla tietoliikennevälineillä.
15
Kuviossa 3 esitettävä esimerkinomainen toteutusmuoto esittää nuolia, jotka ovat kuten mainittu esimerkinomaisia ja liittyvät edulliseen toteutusmuotoon. Keksintöä voidaan hyödyntää monissa toteutusmuodoissa, joissa esim. synkroninen prosessi 204 vastaanottaa suoraan informaatiota mittausvälineiltä 20 112. Synkroninen prosessi 204 voi myös antaa lisäinformaatiota asynkronisel le prosessille 202. Asynkroniselta prosessilta 202 voi myös olla suora infor-maatiolinkki synkroniseen prosessiin 204, eikä siis välttämättä järjestelmän-säätimien 200 kautta kuten kuviossa 3 on esitetty.
C\J
° 25 Vaikkakin edellä keksintöä esitetään liittyen mainittuihin kuvioihin, ei keksintö o kuitenkaan ole millään tavalla rajoittunut edellä olevaan esitykseen ja kuvioi- ° hin, vaan keksintöä voidaan muunnella patenttivaatimusten määrittämissä | rajoissa.
CD
CD
LO
o δ
CM

Claims (14)

15
1. Polttokennojärjestelmän säätöjärjestely sähkön tuottamista varten poltto-kennoilla, jokainen polttokennojärjestelmän polttokenno käsittäen anodipuo-5 Ien (100), katodipuolen (102) ja elektrolyytin (104) anodipuolen ja katodi-puolen välissä ja polttokennojärjestelmä käsittää välineet polttoaineen ta-kaisinkierrättämiseksi polttokennojen anodipuolilta ja ainakin yhden järjes-telmäsäätimen (200) ohjausprosessorissa (210) polttokennojärjestelmän toiminnan hallitsemiseksi, tunnettu siitä, että säätöjärjestely käsittää 10 - välineet (202) olennaisen asynkronisen kemiallisten reaktionopeuksien las- kentaprosessin suorittamiseksi ainakin yhdestä laskentakohteista polttoaineen koostumus ja polttoaineen virtausnopeus informaation muodostamiseksi olennaisen iteratiivisessa prosessissa ainakin takaisinkierrätyskertoimesta polttoaineen takaisinkierrätyksessä anodien (100) kautta, 15. välineet (204) informaation muodostamiseksi olennaisen synkronisessa pro sessissa järjestelmäsäätimen (200) prosessiin nähden polttoaineen hyödyntämisestä ja hiilen muodostumisesta käyttämällä viimeisintä saatavilla olevaa takaisinkierrätyskertoimen informaatiota, joka on muodostettu mainitussa asynkronisessa prosessissa, 20. välineet (206) aktiivisen syklittäisen järjestelmähallinnan prosessin ja jäijes- telmäseurannan prosessin suorittamiseksi hyödyntämällä mainittua polttoaineen hyödyntämisen informaatiota ja hiilen muodostumisen informaatiota, - ja mainitut välineet (202) asynkronisen prosessin käsittelemiseksi olennai- cvj sen samanaikaisesti synkronisen prosessin kanssa siten, että mainittu aktiivi- ^ 25 sen syklittäisen järjestelmähallinnan prosessi ja järjestelmäseurannan pro- i o sessi suoritetaan suurimman sallitun toimintaintervallin alapuolella. o
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen säätöjärjestely, tunnettu siitä, että sää- töjärjestely käsittää välineet (202, 204, 206) integroituina samalle ohjauspro- g 30 sessorille. δ CM 16
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen säätöjärjestely, tunnettu siitä, että sää-töjärjestely käsittää välineet (202, 204, 206) integroituina samalle ohjauspro-sessorille (210) järjestelmäsäätimen (200) kanssa.
4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen säätöjärjestely, tunnettu siitä, että sää töjärjestely käsittää välineet (202) asynkronisen prosessin prosessoimiseksi olennaisen samanaikaisesti synkronisen prosessin kanssa, jolloin suoritetaan käyttämällä välineitä (204) uudelleenlaskennat ainakin polttoaineen hyödyntämisen informaatiosta ja hiilen muodostumisen informaatiosta synkronisen 10 prosessin jokaiselle säätösyklille perustuen viimeisimpään informaatioon ta-kaisinkierrätyskertoimesta, joka hankitaan asynkronisesta prosessista synkroniselle prosessille sen jokaisessa säätösyklissä tai harvemmin.
5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen säätöjärjestely, tunnettu siitä, että sää-15 töjärjestely käsittää välineet (202) asynkronisen prosessin suorittamiseksi hyödyntämällä iteratiivisessa prosessissa iteratiivista algoritmia, joka on sopiva sykliseen toteutukseen siten, että rajoitettu määrä toimintoja suoritetaan synkronisen prosessin yksittäisessä säätösyklissä.
6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen säätöjärjestely, tunnettu siitä, että sää töjärjestely käsittää välineet (202, 204) synkronisen ja asynkronisen prosessin suorittamiseksi samanaikaisesti muodostamalla asynkronisessa prosessissa ja joissain synkronisen prosessin säätösykleissä informaatiota kemiallisista cvi reaktioista synkronisen prosessin ajankäytön tehostamiseksi. w 25 i
7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen säätöjärjestely, tunnettu siitä, että sää- O töjärjestely käsittää välineet (202) asynkronisen prosessin suorittamiseksi | muodostamalla kemiallisia reaktionopeuksia informaationa kemiallisista raakin tioista. CD § 30 δ C\l 17
8. Polttokennojärjestelmän säätömenetelmä sähkön tuottamiseksi polttoken-noilla, jossa menetelmässä ta ka isin kierrätetään polttoainetta polttokennojen anodipuolilla (100), tunnettu siitä, että menetelmässä: - suoritetaan olennaisen asynkroninen kemiallisten reaktionopeuksien las-5 kentaprosessi ainakin yhdestä laskentakohteista polttoaineen koostumus ja polttoaineen virtausnopeus informaation muodostamiseksi olennaisen iteratiivisessa prosessissa ainakin takaisinkierrätyskertoimesta polttoaineen ta-kaisinkierrätyksessä anodien (100) kautta, - muodostetaan informaatiota olennaisen synkronisessa prosessissa järjes-10 telmäsäätöprosessiin nähden polttoaineen hyödyntämisestä ja hiilen muodostumisesta käyttämällä viimeisintä saatavilla olevaa takaisinkierrätyskertoimen informaatiota, joka on muodostettu mainitussa asynkronisessa prosessissa, - suoritetaan aktiivisen syklittäisen järjestelmähallinnan prosessia ja järjes-telmäseurannan prosessia hyödyntämällä mainittua polttoaineen hyödyntä- 15 misen informaatiota ja hiilen muodostumisen informaatiota, - ja käsitellään asynkronista prosessia olennaisen samanaikaisesti synkronisen prosessin kanssa siten, että mainittu aktiivisen syklittäisen järjestelmä-hallinnan prosessi ja järjestelmäseurannan prosessi suoritetaan suurimman sallitun toimintaintervallin alapuolella. 20
9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että asynkronisten ja synkronisten menetelmävaiheiden suorittaminen ja aktiivisen syklittäisen järjestelmähallinnan prosessin ja järjestelmäseurannan prosessin c\i suorittaminen integroidaan suoritettaviksi samalla ohjausprosessorilla. O -ΜΓ <m 25
10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että asyn- ° kronisten ja synkronisten menetelmävaiheiden suorittaminen ja aktiivisen | syklittäisen järjestelmähallinnan prosessin ja järjestelmäseurannan prosessin suorittaminen integroidaan suoritettaviksi samalla ohjausprosessorilla (210) CD g 30 järjestelmäsäätimen (200) kanssa, δ (M 18
11. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että asynkroninen prosessi prosessoidaan olennaisen samanaikaisesti synkronisen prosessin kanssa, jolloin suoritetaan uudelleenlaskennat ainakin polttoaineen hyödyntämisen informaatiosta ja hiilen muodostumisen informaatiosta synk- 5 ronisen prosessin jokaiselle säätösyklille perustuen viimeisimpään informaatioon takaisinkierrätyskertoimesta, joka hankitaan asynkronisesta prosessista synkroniselle prosessille sen jokaisessa säätösyklissä tai harvemmin.
12. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 10 asynkroninen prosessi suoritetaan hyödyntämällä iteratiivisessa prosessissa iteratiivista algoritmia, joka on sopiva sykliseen toteutukseen siten, että rajoitettu määrä toimintoja suoritetaan synkronisen prosessin yksittäisessä säätö-syklissä.
13. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että synkroninen ja asynkronisen prosessi suoritetaan samanaikaisesti muodostamalla asynkronisessa prosessissa ja joissain synkronisen prosessin säätö-sykleissä informaatiota kemiallisista reaktioista synkronisen prosessin ajankäytön tehostamiseksi. 20
14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että asynkroninen prosessi suoritetaan muodostamalla kemiallisia reaktionopeuksia informaationa kemiallisista reaktioista. C\J δ (M sj- o o X en CL h-· σ> CD m o δ (M 19
FI20105697A 2010-06-16 2010-06-16 Polttokennojärjestelmän säätöjärjestely ja -menetelmä FI122713B (fi)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20105697A FI122713B (fi) 2010-06-16 2010-06-16 Polttokennojärjestelmän säätöjärjestely ja -menetelmä
KR1020137001101A KR101359318B1 (ko) 2010-06-16 2011-04-12 연료 전지 시스템에서의 제어 장치 및 방법
PCT/FI2011/050316 WO2011157887A1 (en) 2010-06-16 2011-04-12 Control arrangement and method in fuel cell system
CN201180029433.4A CN102947995B (zh) 2010-06-16 2011-04-12 燃料电池系统中的控制结构和方法
EP11719589.1A EP2583340B1 (en) 2010-06-16 2011-04-12 Control arrangement and method in fuel cell system
JP2013513721A JP5412007B2 (ja) 2010-06-16 2011-04-12 燃料電池システムにおける制御配置および方法
US13/715,102 US9673463B2 (en) 2010-06-16 2012-12-14 Control arrangement and method in fuel cell system

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20105697 2010-06-16
FI20105697A FI122713B (fi) 2010-06-16 2010-06-16 Polttokennojärjestelmän säätöjärjestely ja -menetelmä

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20105697A0 FI20105697A0 (fi) 2010-06-16
FI20105697A FI20105697A (fi) 2011-12-17
FI122713B true FI122713B (fi) 2012-06-15

Family

ID=42308150

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20105697A FI122713B (fi) 2010-06-16 2010-06-16 Polttokennojärjestelmän säätöjärjestely ja -menetelmä

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9673463B2 (fi)
EP (1) EP2583340B1 (fi)
JP (1) JP5412007B2 (fi)
KR (1) KR101359318B1 (fi)
CN (1) CN102947995B (fi)
FI (1) FI122713B (fi)
WO (1) WO2011157887A1 (fi)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011088120A1 (de) * 2011-12-09 2013-06-13 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen Betrieb
CN107464944B (zh) 2016-05-27 2021-02-02 通用电气公司 燃料电池系统及其操作方法
DE102020116211A1 (de) 2020-06-19 2021-12-23 Audi Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem mit interpolationsbasierter Anodengaszuführung

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4506102B2 (ja) 2003-05-26 2010-07-21 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2005129459A (ja) * 2003-10-27 2005-05-19 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
TWM266556U (en) * 2004-10-18 2005-06-01 Antig Tech Co Ltd Feedback type modular fuel cell device
CN101170177A (zh) * 2006-10-25 2008-04-30 奇鋐科技股份有限公司 具预留信号脚位的燃料电池装置
US8062804B2 (en) 2007-10-31 2011-11-22 Fuelcell Energy, Inc. Flow control assembly for use with fuel cell systems operating on fuels with varying fuel composition
US8920984B2 (en) 2008-02-19 2014-12-30 Ford Motor Company System and method for purging water from a fuel cell stack
US8129056B2 (en) * 2008-05-06 2012-03-06 GM Global Technology Operations LLC System and method for controlling an anode side recirculation pump in a fuel cell system
FI121864B (fi) * 2008-07-10 2011-05-13 Waertsilae Finland Oy Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteeseen
FI122264B (fi) * 2008-10-30 2011-11-15 Waertsilae Finland Oy Mittausjärjestely

Also Published As

Publication number Publication date
FI20105697A0 (fi) 2010-06-16
US20150357662A1 (en) 2015-12-10
CN102947995A (zh) 2013-02-27
EP2583340B1 (en) 2016-01-20
KR101359318B1 (ko) 2014-02-10
CN102947995B (zh) 2015-06-03
FI20105697A (fi) 2011-12-17
JP2013531870A (ja) 2013-08-08
WO2011157887A1 (en) 2011-12-22
EP2583340A1 (en) 2013-04-24
JP5412007B2 (ja) 2014-02-12
US9673463B2 (en) 2017-06-06
KR20130029799A (ko) 2013-03-25
US20160248108A2 (en) 2016-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chang et al. Flow distribution in proton exchange membrane fuel cell stacks
Rahimi-Esbo et al. Design, manufacturing, assembling and testing of a transparent PEM fuel cell for investigation of water management and contact resistance at dead-end mode
EP1834371B1 (en) Method and system of operating molten carbonate fuel cells
JP6883387B2 (ja) 燃料電池システム及びその制御の方法
Kupecki et al. Dynamic numerical analysis of cross-, co-, and counter-current flow configuration of a 1 kw-class solid oxide fuel cell stack
Perez-Trujillo et al. A numerical and experimental comparison of a single reversible molten carbonate cell operating in fuel cell mode and electrolysis mode
JP5645818B2 (ja) 燃料電池デバイス用の方法及び制御構成
US6893756B2 (en) Lambda sensing with a fuel cell stack
FI122713B (fi) Polttokennojärjestelmän säätöjärjestely ja -menetelmä
US7087335B2 (en) H-infinity control with integrator compensation for anode pressure control in a fuel cell stack
US20180248210A1 (en) Fuel cell system and fuel cell control method
CN103299467B (zh) 用于控制燃料电池系统中的燃料供给的方法和装置
Ouyang et al. High-efficiency fuel utilization innovation in microfluidic fuel cells: From liquid-feed to vapor-feed
Chen et al. The analyses of the start-up process of a planar, anode-supported solid oxide fuel cell using three different start-up procedures
EP2870651A1 (en) Method and arrangement for determination of leakage levels in fuel cell system
JP6459063B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池システムの運転方法
Amadane et al. Numerical investigation of temperature and current density distribution on (PEM) fuel cell performance
US20120009492A1 (en) Fuel cell system, control method for the fuel cell system, and state detection method for fuel cell
CN102792507A (zh) 燃料电池系统及其电流控制方法
Liao et al. Numerical simulation and optimization of operating and structural parameters for solid oxide fuel cell
KR101335505B1 (ko) 연료전지용 개질기의 버너 공연비 조절 장치 및 방법
JP2012518887A (ja) 高温型燃料電池システムにおける改良型燃料互換性配置
Gundermann et al. Physically motivated reduction of a 2D dynamic model for molten carbonate fuel cells (MCFC)
Yousefkhani et al. Investigation of the Fuel Utilization Factor in PEM Fuel Cell Considering the Effect of Relative Humidity at the Cathode
JPH0789495B2 (ja) 燃料電池発電プラント

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 122713

Country of ref document: FI

Kind code of ref document: B

PC Transfer of assignment of patent

Owner name: CONVION OY

MM Patent lapsed