FI123172B - Menetelmä ja järjestely rinnakkain kytkettyjen polttokennojen kehittyneeksi ohjattavuudeksi - Google Patents
Menetelmä ja järjestely rinnakkain kytkettyjen polttokennojen kehittyneeksi ohjattavuudeksi Download PDFInfo
- Publication number
- FI123172B FI123172B FI20095776A FI20095776A FI123172B FI 123172 B FI123172 B FI 123172B FI 20095776 A FI20095776 A FI 20095776A FI 20095776 A FI20095776 A FI 20095776A FI 123172 B FI123172 B FI 123172B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- fuel cell
- power
- cell stacks
- stacks
- parallel
- Prior art date
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
-
- 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
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04544—Voltage
- H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
-
- 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
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04574—Current
- H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
-
- 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
- H01M8/04858—Electric variables
- H01M8/04865—Voltage
- H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
-
- 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
- H01M8/04858—Electric variables
- H01M8/04895—Current
- H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
-
- 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
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
-
- 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
-
- 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
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
Menetelmä ja järjestely rinnakkain kytkettyjen polttokennojen kehittyneeksi ohjattavuudeksi
Keksinnön ala 5
Erityisesti ympäristöongelmista johtuen on kehitetty uusia energialähteitä, jotka ovat ympäristöystävällisiä ja joilla on hyvä tehokkuus. Polttokennolait-teet ovat lupaavia tulevaisuuden energiamuunnoslaitteita, joilla polttoaine, kuten esim. biokaasu, muunnetaan suoraan sähköksi kemiallisen reaktion 10 kautta ympäristöystävällisessä prosessissa.
Tunnettu tekniikka
Polttokenno, kuten on esitetty kuviossa 1, käsittää anodipuolen 100 ja kato-15 dipuolen 102 ja elektrolyyttimateriaalin 104 niiden välillä. Kiinteän oksidin polttokennoissa (SOFC) happi syötetään katodipuolen 102, missä se pelkistyy negatiiviseksi happi-ioniksi vastaanottamalla elektroneja katodilta. Negatiivinen happi-ioni menee elektrolyyttimateriaalien 104 läpi anodipuolelle 100, missä se reagoi käytettävän polttoaineen kanssa muodostaen vettä ja myös 20 tyypillisesti hiilidioksidia (CO2). Anodin 100 ja katodin 102 välillä on ulkoinen sähköpiiri 111 käsittäen kuorman polttokennoille.
Kuviossa 2 esitetään kiinteän oksidin polttokennolaite esimerkkinä korkean 0 lämpötilan polttokennolaitteesta. Kiinteän oksidin polttokennolaitteet voivat ° 25 hyödyntää esim. maakaasua, biokaasua, metanolia tai muita yhdisteitä, jotka v sisältävät hiilivety-yhdisteitä. Kiinteän oksidin polttokennolaitejärjestelmä ku- ° viossa 2 käsittää useamman kuin yhden, tyypillisesti lukuisia polttokennoja 1 yhdessä tai useammassa pinomuodostelmassa 103 (SOFC pinot) suurempi «o kiinteän oksidin polttokennolaitejärjestelmä käsittää useita polttokennoja g 30 monissa pinoissa 103. Jokainen polttokenno käsittää anodin 100 ja katodin o ^ 102 rakenteet, kuten on esitetty kuviossa 1. Osa käytetystä polttoaineesta voidaan uudelleen kierrättää ta ka isin kytkentäjärjestelyssä 109. Kiinteän oksi- 2 din polttokennolaite kuviossa 2 myös käsittää polttoaineen lämmönvaihtimen 105 ja reformerin 107. Lämmönvaihtimia käytetään ohjaamaan lämpötila-olosuhteita polttokennoprosessissa, ja lämmönvaihtimia voi sijaita useampi kuin yksi polttokennolaitteen eri sijainneissa. Ylimääräinen lämpöenergia kier-5 tävässä kaasussa otetaan talteen yhdessä tai useammassa lämmönvaihti-messa 105 hyödynnettäväksi polttokennolaitteessa tai ulkoisesti. Reformed 107 on laite, joka muuttaa polttoaineen, kuten esim. maakaasun polttoken-noille sopivaan koostumukseen, kuten esim. koostumukseen sisältäen kaikki tai ainakin joitain seuraavista: vety, metaani, hiilidioksidi, hiilimonoksidi, rea-10 goimattomat kaasut ja vesi. Kuitenkaan jokaisessa kiinteän oksidin polttokennolaitteessa ei välttämättä tarvitse olla reformeria. Käyttämällä mittausvälineitä 115 (kuten polttoaineen virtausmittaria, sähkövirran mittaria ja lämpö-tilamittaria), kiinteän oksidin polttokennolaitteen toiminnan kannalta välttämättömät mittaukset suoritetaan. Vain osa anodipuolella 100 käytetystä polt-15 toaineesta uudelleen kierrätetään takaisinkytkentäjärjestelyssä 109, ja muu osa kaasusta päästetään pois 114 anodeilta 100.
Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka muuttavat reaktioaineiden kemiallisen energian suoraan sähköksi ja lämmöksi. Polttokennojäijestelmillä 20 on potentiaali ylittää merkittävästi sähköinen ja CHP (Combined production of Heat and Power, yhdistetty lämmön ja tehon tuotanto) tehokkuus, joka on vastaavan kokoisilla perinteisillä energiantuotantoteknologioilla. Polttokenno-järjestelmiä pidetään laajasti tulevaisuuden avain energiantuotantoteknologi-o oina.
cv 25 v Jotta maksimoidaan polttokennojärjestelmien suorituskyky ja elinikä vaadi- ° taan polttokennotoimintaolosuhteiden tarkkaa ohjausta. Polttokennot tuotta- | vat tasavirtaa, kun taas korkean tehon järjestelmissä tyypillisesti eriytetään vaihtovirtaa, ja täten tehomuunnos tasavirrasta vaihtovirraksi on väittämäin g 30 töntä. Käytännöllisen liitäntäpinnan mahdollistamiseksi ja virrankeräyksen o ^ polttokennoilta kuten myös siitä seuraavan tehomuunnoksen mahdollistami seksi, polttokennot valmistetaan pinoiksi, jotka sisältävät useita sarjaankyt- 3 kettyjä yksittäisiä kennoja. Polttokennojärjestelmissä, jotka käsittävät useita pinoja, pinojen sähköinen sisäänkytkentätopologia on avain suunnittelupara-metri. Useiden pinojen sarjaankytkentä mahdollistaa pienemmän kaapelointi ja tehomuunnoshäviöt, kuten myös halvemmat komponentit. Sähköisen eris-5 tyksen rajoitukset kuten myös polttokennokuorman edullinen toimintajännite-taso tyypillisesti kuitenkin rajoittaa sopivaa määrää sarjaan kytkettäville pinoille. Siten, mikäli edellytetään korkeampia tehotasoja kuin mitä voidaan saavuttaa yksittäisellä ketjulla sarjaankytkettyjä pinoja, jonkinlainen pinojen tai pinoryhmien rinnakkain kytkentä tulee välttämättömäksi.
10
Kun sähkölähteitä kuten polttokennoja kytketään rinnakkaisesti, epätasaista kuormanjakamista voi ilmetä, jos yksittäisten lähteiden sähköisissä ominaisuuksissa on poikkeamia. Polttokennojen kyseessä ollen tämä on merkittävä asia, koska epätasainen kuormanjakaminen voi vähentää tehokkuutta johtu-15 en vähentyneestä polttoaineen hyväksikäytöstä ja/tai merkittävästi heikentää niitä polttokennoja, jotka toimivat keskimääräistä virtaa suuremmilla virta-arvoilla. Johtuen sarjaresistanssin sisäisistä vaihteluista pinojen välillä kuten myös vaihteluista johtuen iästä, lämpötilasta jne., epätasaista kuormanjakamista voidaan odottaa jossain määrin kun pinot kytketään suoraan rinnakkai-20 sesti. Pinojen sähköinen rinnakkainkytkentä on erityisesti ongelmallista korkean lämpötilan polttokennojärjestelmissä johtuen niiden sisäisen resistanssin luontaisesta negatiivisesta lämpötilakertoimesta. Tämä ominaisuus ruokkii positiivisen takaisinkytkentäkäyttäytymisen kasvua kuoman jakamisen tasa-o painossa rinnakkain kytkettyjen pinojen välillä, ts. pino jossa on korkeampi ™ 25 virta, lämpenee, mikä edelleen kasvattaa virtaa johtuen pienentyneestä sisäi- v sestä resistanssista. Virranjakokysymysten välttämiseksi käytetään usein eril-
O
lisiä muuntimia jokaiselle pinolle tai pinojen sarjaankytkennälle mikä aiheut-£ taa järjestelmälle huomattavasti korkeammat kustannukset.
CD
g 30 Suomalaisessa patenttijulkaisussa FI 118553 B1 esitetään biokatalyyttinen o polttokennojärjestely, jossa polttokennot kytketään rinnakkaisesti tai sar-jaankytkentöihin. Järjestelmä käsittää ohjattavia kytkimiä, joita ohjataan 4 käyttäen ohjauspiiriä siten, että kytkimet vaihtavat syklisesti johtavaan tilaan ja pois johtavasta tilasta tavoitteena ollen biokatalyyttisen polttokennojärjes-telmän ulostulojännitteen kasvattaminen. Kuitenkin myöskään FI 118553 B1 ei esitä ratkaisua rinnakkain kytkettyjen polttokennopinojen kuvatulle ongel-5 malle, koska FI 118553 B1 ei esitä toteutusmuotoa, jossa jokainen tai melkein jokainen rinnakkain kytkentä voidaan yksilöllisesti ja olennaisen pienellä tehovaikutuksella ohjata suhteessa ainakin yhteen muuhun rinnakkain kytkentään.
10 Keksinnön Ivhvt selostus
Keksinnön tavoitteena on polttokennojärjestelmä, jossa monet polttokennot voidaan sarjaankytkeä siten, että polttokennopinojen kuormitusta voidaan aktiivisesti optimoida polttokennojärjestelmässä, ja kunkin polttokennon elin-15 ikä voidaan pidentää ja täten koko polttokennojärjestelmän elinikää voidaan olennaisesti pidentää. Tämä saavutetaan järjestelyllä virta-arvojen ohjaamiseksi polttokennojärjestelmässä sähkön polttokennoilla tuottamista varten, kukin polttokenno polttokennojärjestelmässä käsittäen anodipuolen, katodi-puolen ja elektrolyytin anodipuolen ja katodipuolen välillä, ja polttokennojär-20 jestelmä käsittää ainakin kaksi sähköisesti rinnan kytkettyä yksittäistä poltto-kennopinoa tai polttokennopinojen ryhmää, kukin mainittu pino käsittäen ainakin yhden polttokennon. Järjestely virta-arvojen ohjaamiseksi polttokennojärjestelmässä käsittää välineet virran jakautumisen havaitsemiseksi mai-o nittujen ainakin kahden sähköisesti rinnankytkettyjen yksittäisten polttoken- c3 25 nopinojen tai polttokennopinojen ryhmien välillä, ja aktiiviset säätövälineet v mainitun virran jakautumisen säätämiseksi käsittäen tasaavat sähkölähteet, ° jotka kykenevät lisäämään tai pienentämään pienen jännitteen verran, jotka | sähkölähteet ovat integroituja sarjaankytkennässä jokaiseen tai yhtä lukuun ottamatta jokaiseen ainakin kahteen sähköisesti rinnankytkettyyn yksittäiseen g 30 polttokennopinoon tai jokaiseen tai yhtä lukuun ottamatta jokaiseen ainakin o ^ kahteen sähköisesti rinnankytkettyyn polttokennonpinojen ryhmään siten, 5 että aktiivisilla säätövälineillä muunnettavat tehotasot ovat olennaisesti pieniä verrattuna kokonaistehoon mainituissa rinnankytkennöissä.
Keksinnön kohteena on myös menetelmä virta-arvojen ohjaamiseksi poltto-5 kennojärjestelmässä sähkön polttokennoilla tuottamista varten, kukin poltto-kenno polttokennojärjestelmässä käsittäen anodipuolen, katodipuolen ja elektrolyytin anodipuolen ja katodipuolen välillä, ja polttokennojärjestelmä käsittää ainakin kaksi sähköisesti rinnankytkettyä yksittäistä polttokennopinoa tai polttokennopinojen ryhmää, kukin mainittu pino käsittäen ainakin yhden 10 polttokennon. Menetelmässä ohjataan virta-arvoja polttokennojärjestelmässä havaitsemalla virran jakautuminen mainittujen ainakin kahden sähköisesti rinnankytketyn yksittäisen polttokennopinon tai polttokennopinojen ryhmien välillä, ja säätämällä mainittua havaittua virranjakautumista aktiivisilla säätö-välineillä hyödyntämällä tasaavia sähkölähteitä, jotka ovat kykeneviä lisää-15 mään tai pienentämään pienen jännitteen verran, ja jotka sähkölähteet ovat integroituina sarjaankytkennässä jokaiseen tai yhtä lukuun ottamatta jokaiseen ainakin kahteen sähköisesti rinnankytkettyyn yksittäiseen polttokenno-pinoon tai jokaiseen tai yhtä lukuun ottamatta jokaiseen ainakin kahteen sähköisesti rinnankytkettyyn polttokennopinojen ryhmään, ja muuntamalla 20 aktiivisilla säätövälineillä tehotasoja, jotka ovat olennaisesti pienempiä verrattuna kokona istehoon mainituissa rinnankytkennöissä.
Keksintö perustuu virranjakautumisen havaitsemiseen mainittujen ainakin o kahden sähköisesti rinnankytkettyjen yksittäisten polttokennopinojen tai poltti 25 tokennopinojen ryhmien välillä ja aktiivisten säätövälineiden hyödyntämiseen T mainitun havaitun virranjakautumisen ohjaamisessa. Mainitut aktiiviset sää- 0 tövälineet käsittävät tasaavat sähkölähteet, jotka ovat kykeneviä lisäämään £ tai pienentämään pienen jännitteen verran, jotka lähteet ovat integroituina £ sarjaankytkennässä jokaiseen tai yhtä lukuun ottamatta jokaiseen ainakin 1^.
S 30 kahteen sähköisesti rinnankytketty yksittäiseen polttokennopinoon tai jokai- o ° seen tai yhtä lukuun ottamatta jokaiseen ainakin kahteen sähköisesti rinnan kytkettyyn polttokennopinojen ryhmään, ja tämä saavutetaan siten, että 6 mainituissa aktiivisilla säätövälineillä muunnettavat tehotasot ovat olennaisesti pieniä verrattuna kokonaistehoon mainitussa rinnankytkennöissä.
Keksinnön hyötynä on, että käyttämällä huomattavan pientä tasaavaa tehoa 5 saavutetaan tarvittava ohjauskapasiteetti tasaiselle virranjakautumiselle rinnan kytkentöjen välillä, ja täten saavutetaan merkittävää säästöä taloudellisissa kustannuksissa, fyysisessä koossa ja toiminnan tehohäviöissä.
Kuvioiden lyhyt selostus 10
Kuvio 1 esittää yksittäisen polttokennorakenteen.
Kuvio 2 esittää esimerkin kiinteäoksidipolttokennolaitteesta (SOFC).
15 Kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen edullisen toteutusmuodon.
Kuvio 4 esittää ensimmäisen edullisen toteutusmuodon tasaaville sähkö-lähteille 112.
20 Keksinnön yksityiskohtainen selostus
Keksinnön mukaisesti voidaan toteuttaa järjestely, jossa polttokennopinot tai polttokennopinojen sarjaankytkennät voidaan kytkeä rinnakkaisesti käyttäen o aktiivisia säätövälineitä tasaisen virranjakautumisen ylläpitämiseksi ilman, c3 25 että olisi tarve ohjata kaikkea tehoa jokaiselta rinnankytkennän jäseneltä eril- v listen muuntajien kautta. Tämä aktiivinen kuormanjakautumisen ohjaus kek- ° sinnön mukaisesti saavutetaan aktiivisten säätövälineitten käyttöönotolla, | jotka käsittävät pienet tasaavat sähkölähteet sarjaa n kytkennässä jokaiseen to sarjaankytkettyyn pinoketjuun tai yhtä lukuun ottamatta jokaiseen sarjaan- g 30 kytkettyyn pinoketjuun. Tasaava sähkölähde ylläpitää haluttua virtaa pinoket- o ^ jussa lisäämällä tai pienentämällä pienen jännitteen verran, joka on verran- 7 nollinen havaittuun kyseisen pinoketjun poikkeamaan muista rinnankytketyistä pinoketjuista.
Koska odotettavissa oleva vaihtelu rinnankytkettyjen pinoketjujen välillä voi-5 daan odottaa olevan suhteellisen pieni, ts. muutama prosentti tai jopa pienempi, jos ketju käsittää useita pinoja, mainituilla tasaavilla sähkölähteillä tarvitsee vain lisätä tai pienentää huomattavan pienen jännitteen verran verrattuna kokonaisjännitteeseen mainitussa pinoketjussa. Näin ollen näiden tasaavien sähkölähteiden teholuokitus on vain pieni osa kyseessä olevan pi-10 noketjun kokonaistehosta, ja kuitenkin säilytetään kyky välttää epätasaista virranjakautumista. Vastaavasti tasaavien sähkölähteiden hinta, kokoja muunnoshäviöt ovat vain pieni osa siitä mitä ne olisivat täyden tehon muuntajaan verrattuna, kuten esim. jos tarvittaisiin paluumuunnin tai vahvistus-muunnin jokaiselle pinoketjulle.
15
Kuviossa 3 esitetään keksinnön mukainen edullinen järjestely. Tässä poltto-kennolaitteessa useat polttokennopinot 103 ovat sarjaankytkettyjä, ja mainitut sarjaa n kytkettyjen polttokennopinojen 103 ryhmät ovat keskenään rinnankytkettyjä. Vaikkakin kuvion 3 esimerkki näyttää vain kolme polttokenno-20 pinoa sarjaankytkennässä, voi polttokennopinoja olla paljon useampikin sar-jaankytkennässä, ja sarjaankytkettyjen polttokennopinojen 103 ryhmä voi olla rinnankytkennässä yhteen tai useampaan muuhun sarjaankytkettyjen polttokennopinojen ryhmään. Kuviossa 3 aktiiviset säätövälineet 112 ovat o integroituja jokaiseen sarjaankytkettyjen pinojen 103 ryhmään, mutta on ° 25 myös mahdollista että sarjaankytkettyjen polttokennopinojen 103 ryhmien v joukossa on yksi ryhmä tai jopa useampi ryhmä, joissa aktiivisia säätövälinei- ° tä 112 ei ole. Aktiivisten säätövälineiden 112 integrointi muodostetaan siten, | että mainitussa aktiivisilla säätövälineillä muunnettavat tehotasot ovat olento naisesti pieniä verrattuna kokonaistehoon mainituissa rinnankytkennöissä.
i^.
JO 30 O) o ^ Viitaten kuvioon 3 aktiiviset säätövälineet 112 käsittävät mittausvälineet jän nite-erojen havaitsemiseksi mainittujen rinnankytkentöjen välillä. Aktiiviset 8 säätövälineet 112 käsittävät tasaavat sähkölähteet mainitussa rinnankytken-nöissä, jotta ylläpidetään olennaisen tasaista virranjakautumista mainittujen rinnankytkentöjen välillä. Aktiiviset säätövälineet 112 myös käsittävät järjestelmän 119 mainittujen tasaavien sähkölähteiden ohjaamiseksi mainituissa 5 rinnan kytkennöissä, jotta annetaan tai otetaan vastaava pieni jännite mainit tuihin sarjaankytkettyihin pinoihin 103, ts. pinojen ketjuihin mainittujen havaittujen jännite-erojen perusteella. Järjestelmäohjaus 119 voi sijaita erillisesti tai integroituna samaan yksikköön muiden aktiivisten säätövälineiden 112 kanssa. Mainittu järjestelmäohjaus on edullisesti prosessoripohjaista, ja 10 se voidaan implementoida ohjelmistolIisesti ja/tai kovalevypohjaisena topologiana. Järjestely kuviossa 3 myös käsittää DC-AC muuntajan 112. Nuoli 117 kuvaa AC tehoulostuloa mainitulta DC-AC muuntajalta 112. Myös muuntajana voi olla DC-DC muuntaja ja täten mainittuna tehoulostulona on DC-teho.
15 Keksinnön edullisessa toteutusmuodon mukaisessa yksityiskohtaisessa esimerkissä (jota ei ole kuviossa sellaisenaan esitetty) järjestely käsittää 40 pinoa 103, kukin pino toimien nimellisesti 65V jännitteellä ja 50A virralla. Teho syötetään DC/AC muuntajaan 121, joka toimii 600-800V DC-linkin jännitteellä. Tunnetun tekniikan mukaisesti, jossa vältetään virranjakautumisongelmia, 20 pinoja ei kytkettäisi suoraan DC-linkkiin, vaan ne olisivat varustettuja erillisillä muuntajilla jotka ohjaisivat jokaisen sarjaankytketyn pinoketjun kuormia. Tässä esimerkissä 130 kW DC/DC muunnos suoritetaan, joka aiheuttaa tunnetun tekniikan mukaisessa tilanteessa tyypillisesti 1-4% suuruisia häviöitä o muunnetussa tehossa (ts. l,5-5kW). Keksinnön mukaisesti pinot voidaan ™ 25 järjestää kymmenen pinon neljään sarjaankytkettyyn Saijaan, josta jokainen v sarja varustetaan pienellä tasaavalla virtalähteellä 112. Olettaen, että yksit- ° täisten pinojen 103 jännite vaihtelee alueella ±5% keskimääräisestä, täten | tilastollisesti vaihtelu mainittujen neljän ketjun välillä tulee olemaan «o ±5%/sqrt(10) « ±1.6%. Näin ollen virtalähteet 112 voidaan mitoittaa anta- I'- 30 maan/ottamaan ±2% kokonaisjännitteestä tai tehosta, jossa vaadittu DC/DC o ^ muunnosvolyymi on 2%*130kW = 2.6kW. Koska tehon määrä on vain pieni osa kokonaistehosta, edullisia topologioita, joilla ovat vaatimattomat tehok- 9 kuudet, voidaan käyttää vaikuttamatta silti kielteisesti kokonaistehokkuuteen. Jopa erittäin vaatimattomalla muunnostehokkuudella 85% mainituissa tasaavissa virtalähteissä, pahimman tapauksen kokonaishäviöesimerkissä on vain 1.6%*130kW*15% ^ 300W, ts. sanoen ollen dekadin vähemmän kuin tun-5 netun tekniikan järjestelyssä.
Kuviossa 4 esitetään ensimmäinen edullinen toteutusmuoto tasaaville virtalähteille 112, joita käytetään tasaavina sähkölähteinä, jotka ovat siten suunniteltuja, että niillä on vain yksi yhteinen napa, jolloin yksittäiset virtalähteet 10 voidaan implementoida kustannustehokkaasti eristämättömällä topologialla, jolla on yksi yhteinen eristetty teholähde 123, joka syöttää kaikkia tasaavia virtalähteitä 112. Standardin mukaista 24W eristettyä teholähdettä 123 voidaan käyttää tehonsyöttämiseksi tasaaville virtalähteille 112, joilla on esim. yhteinen +napa (esim. palautin DC/DC muuntajat). Tämä mahdollistaa yhtei-15 sen edistetyn tehonsyötön 123 mitoittamisen tasaavien lähteiden 112 keskimääräiselle virralle, mieluummin kuin maksimivirralle. Tasaava virtalähde on sarjaankytkennässä jokaisessa polttokennopinojen ketjussa. Kuvion 4 esimerkissä on polttokennopinojen kolme ketjua rinnankytkennöissä, mutta tälle määrälle ei ole rajoitusta, joten ketjuja voi olla kahdesta erittäin moniin ket-20 juihin rinnankytkennöissä.
Tasaavat virtalähteet 112 kuviossa 4 käsittävät kelat L, kytkimet S, diodit D ja kondensaattorit C. Kytkimet S rinnankytkettyinä diodeihin D eivät ole vält-o tämättömiä. Mainittujen tasaavien virtalähteiden lisäksi aktiiviset säätöväli- ° 25 neet 112 tässä edullisessa toteutusmuodossa käsittävät järjestelmäohjauksen V 119, joka on esim. ohjelmoitava logiikkakontrolleri (PLC). Aktiiviset säätöväli-
O
>- neet 112 myös käsittävät virran mittausvälineet I integroituina tasaaviin virta- | lähteisiin virtaerojen havaitsemiseksi mainittujen polttokennopinojen ketjujen välillä, joiden avattujen virtaerojen perusteella muodostetaan ohjaussignaalit.
i^.
g 30 Järjestelmäohjaus 119 hyödyntää mainittuja ohjaussignaaleja kytkimien S
o ^ ohjaamisessa auki- ja kiinnitiloihin, jotta muodostetaan olennaisen tasainen virranjakautuminen mainittujen polttokennopinojen ketjujen välillä. Kytkimet 10 S ovat edullisesti pipolaari- tai FET-transistoreita tai muita transistorikytkimiä. Tämä järjestely kuviossa 4 käsittää myös kuorman 121, joka on esim. DC-AC muuntaja. Nuoli 117 kuvaa AC tehoulostuloa mainitulta DC-AC muuntajalta 121.
5
Esimerkkinä tasaavien sähkölähteiden 112 muista toteutustavoista mainitaan toteutusmuoto, jossa tasaavat virtalähteet implementoidaan esim. yksittäisesti eristettyinä muuntajina sijoitettuina esim. mielivaltaisesti jokaiseen sar-jaankytkettyyn ketjuun. Tällä toteutusmuodolla voidaan viitata kuvioon 3.
10 Järjestelmäohjaus 119 voi käsittää erilaisia analogisia ja/tai digitaalielektroni-sia toteutuksia, jotka ovat esim. ohjelmoitava prosessoriperusteisia. Aktiiviset säätövälineet 112 voivat myös käsittää erilaisia mittausjärjestelyjä jännite/ tai virtaerojen havaitsemiseksi mainitussa ainakin yhdessä rinnankytkennässä.
15
Vastaavasti kuin on kuvattuna, että esillä olevaa keksintöä hyödynnetään kiinteäoksidisen polttokennolaitteella, voidaan keksintöä myös hyödyntää MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) polttokennolaitteessa ja muissakin polt-tokennolaitteissa. MCFS polttokennolaitteet ovat korkean lämpötilan poltto-20 kennoja, jotka käyttävät elektrolyyttiä, joka on muodostettu sulatetusta kar-bonaattisuolaseoksesta suspentoituna jauhemaiseen kemiallisesti reagoimattomaan keraamiseen matriisiin. Myöskään polttokennojärjestelmä, jossa tätä keksintöä hyödynnetään, ei tarvitse olla takaisinkytkennällinen polttokenno-o järjestelmä, vaikkakin kuviossa 2 esitetyssä kiinteänoksidin polttokennolait- oj 25 teessä on esitettynä takaisinkytkentä.
° Vaikka keksintöä on esitetty viitaten liitettyihin kuvioihin ja tähän selos- | tusosaan, ei keksintö ole kuitenkaan mitenkään rajoittunut näihin, vaan kek- sintöä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten määrittämissä rajois- § 30 sa.
o o
CM
Claims (14)
1. Järjestely virta-arvojen ohjaamiseksi polttokennojärjestelmässä sähkön polttokennoilla tuottamista varten, kukin polttokenno polttokennojärjestel- 5 mässä käsittäen anodipuolen (100), katodipuolen (102) ja elektrolyytin (104) anodipuolen ja katodipuolen välillä, ja polttokennojärjestelmä käsittää ainakin kaksi sähköisesti rinnan kytkettyä yksittäistä polttokennopinoa tai polttoken-nopinojen ryhmää, kukin mainittu pino (103) käsittäen ainakin yhden poltto-kennon, tunnettu siitä, että järjestely virta-arvojen ohjaamiseksi polttoken-10 nojärjestelmässä käsittää välineet virran jakautumisen havaitsemiseksi mainittujen ainakin kahden sähköisesti rinnankytkettyjen yksittäisten polttoken-nopinojen (103) tai polttokennopinojen (103) ryhmien välillä, ja aktiiviset säätövälineet (112) mainitun virran jakautumisen säätämiseksi käsittäen tasaavat sähkölähteet (112), jotka kykenevät lisäämään tai pienentämään pie-15 nen jännitteen verran, jotka sähkölähteet ovat integroituja sarjaa n kytkennässä jokaiseen tai yhtä lukuun ottamatta jokaiseen ainakin kahteen sähköisesti rinnankytkettyyn yksittäiseen polttokennopinoon (103) tai jokaiseen tai yhtä lukuun ottamatta jokaiseen ainakin kahteen sähköisesti rinnankytkettyyn polttokennonpinojen (103) ryhmään siten, että aktiivisilla säätövälineillä 20 (112) muunnettavat tehotasot ovat olennaisesti pieniä verrattuna kokonais- tehoon mainituissa rinnankytkennöissä.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitut o tasaavat sähkölähteet (112) ovat tasaavia virtalähteitä (112). O -ΜΓ <m 25 i
3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitut ° tasaavat virtalähteet (112) ovat implementoituja yksittäisesti eristettyinä | muuntajina. CD h-· h-· g 30
4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitut o ^ tasaavat sähkölähteet (112) ovat implementoituja eristämättömänä virtaläh- detopologiana käsittäen yhden yhteisen eristetyn teholähteen (123), joka 12 syöttää mainittuja tasaavia sähkölähteitä (112), jotka ovat suunniteltuja siten, että niillä on yksi yhteinen napa.
5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että aktiiviset 5 säätövälineet (112) käsittävät mainitut tasaavat sähkölähteet, jotka ovat kykeneviä lisäämään tai pienentämään pienen jännitteen verran havaittujen virta-arvojen perusteella siten, että mainituissa aktiivisilla säätövälineillä (112) muunnettavat tehotasot ovat olennaisen pieniä verrattuna kokonaiste-hoon mainituissa rinnankytkennöissä. 10
6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että aktiiviset säätövälineet (112) käsittävät mainitut tasaavat sähkölähteet (112) olennaisen yhtäläisen virranjaon muodostamiseksi mainittujen ainakin kahden sähköisesti rinnankytkettyjen yksittäisten polttokennopinojen välille tai Saijaan 15 kytkettyjen polttokennopinojen ryhmien rinnankytkentöjen välille.
7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että aktiiviset säätövälineet (112) käsittävät jäijestelmäohjauksen (119) mainittujen tasaavien sähkölähteiden (112) ohjaamiseksi mainituissa rinnankytkennöissä li- 20 säämään tai pienentämään pienen jännitteen verran, joka on verrannollinen mainituille yksittäisille polttokennopinoille tai sarjaa n kytkettyjen polttokennopinojen ryhmille perustuen havaittuihin jännite- ja/tai virtaeroihin olennaisen yhtäläisen virranjaon ylläpitämiseksi mainittujen ainakin kahden sähköisesti o rinnankytkettyjen yksittäisten polttokennopinojen välille tai sarjaan kytketty- ^ 25 jen polttokennopinojen ryhmien rinnankytkentöjen välille.
° 8. Menetelmä virta-arvojen ohjaamiseksi polttokennojärjestelmässä sähkön | polttokennoilla tuottamista varten, kukin polttokenno polttokennojärjestel- mässä käsittäen anodipuolen (100), katodipuolen (102) ja elektrolyytin (104) g 30 anodipuolen ja katodipuolen välillä, ja polttokennojärjestelmä käsittää ainakin o ^ kaksi sähköisesti rinnankytkettyä yksittäistä polttokennopinoa tai polttoken nopinojen ryhmää, kukin mainittu pino (103) käsittäen ainakin yhden poltto- 13 kennon, tunnettu siitä, että menetelmässä ohjataan virta-arvoja polttoken-nojärjestelmässä havaitsemalla virran jakautuminen mainittujen ainakin kahden sähköisesti rinnankytketyn yksittäisen polttokennopinon (103) tai poltto-kennopinojen (103) ryhmien välillä, ja säätämällä mainittua havaittua virran-5 jakautumista aktiivisilla säätövälineillä (112) hyödyntämällä tasaavia sähkö-lähteitä (112), jotka ovat kykeneviä lisäämään tai pienentämään pienen jännitteen verran, ja jotka sähkölähteet ovat integroituina sarjaa n kytkennässä jokaiseen tai yhtä lukuun ottamatta jokaiseen ainakin kahteen sähköisesti rinnankytkettyyn yksittäiseen polttokennopinoon (103) tai jokaiseen tai yhtä 10 lukuun ottamatta jokaiseen ainakin kahteen sähköisesti rinnankytkettyyn polttokennopinojen (103) ryhmään, ja muuntamalla aktiivisilla säätövälineillä (112) tehotasoja, jotka ovat olennaisesti pienempiä verrattuna kokonaiste-hoon mainituissa rinnankytkennöissä.
9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mene telmässä mainitut tasaavat sähkölähteet (112) ovat tasaavia virtalähteitä (112).
10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että maini-20 tut tasaavat virtalähteet (112) implementoidaan yksittäisesti eristettyinä muuntajina.
11. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mene- 0 telmässä tasaavat sähkölähteet (112) ovat implementoituja eristämättömänä ^ 25 virtalähdetopologiana käsittäen yhden yhteisen eristetyn teholähteen (123), v joka syöttää mainittuja tasaavia sähkölähteitä (112), jotka ovat suunniteltuja ° siten, että niillä on yksi yhteinen napa. CC CL
12. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että maini- r-. g 30 tut tasaavat sähkölähteet (112) ovat kykeneviä lisäämään tai pienentämään o ^ pienen jännitteen verran havaittujen virta-arvojen perusteella siten, että 14 mainituissa aktiivisilla säätövälineillä (112) muunnettavat tehotasot ovat olennaisen pieniä verrattuna kokonaistehoon mainituissa rinnankytkennöissä.
13. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 5 menetelmässä muodostetaan olennaisen samansuuruinen virranjako mainittujen ainakin kahden sähköisesti rinnankytkettyjen yksittäisten polttokenno-pinojen välille tai sarjaan kytkettyjen polttokennopinojen ryhmien rinnankyt-kentöjen välille hyödyntämällä mainittuja tasaavia sähkölähteitä (112).
14. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mene telmässä ylläpidetään olennaisen yhtäläistä virranjakoa mainittujen ainakin kahden sähköisesti rinnankytkettyjen yksittäisten polttokennopinojen välillä tai sarjaan kytkettyjen polttokennopinojen ryhmien rinnankytkentöjen välillä ohjaamalla tasaavia sähkölähteitä (112) mainituissa rinnankytkennöissä li-15 säämään tai pienentämään pienen jännitteen verran, joka on verrannollinen mainituille yksittäisille polttokennopinoille tai sarjaa n kytkettyjen polttokennopinojen ryhmille perustuen havaittuihin jännite- ja/tai virtaeroihin. o δ (M o X en CL CD h-· h-· m O) o o (M 15
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20095776A FI123172B (fi) | 2009-07-08 | 2009-07-08 | Menetelmä ja järjestely rinnakkain kytkettyjen polttokennojen kehittyneeksi ohjattavuudeksi |
| PCT/FI2010/050439 WO2011004057A1 (en) | 2009-07-08 | 2010-05-31 | Method and arrangement for improved controllability of parallel coupled fuel cells |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20095776 | 2009-07-08 | ||
| FI20095776A FI123172B (fi) | 2009-07-08 | 2009-07-08 | Menetelmä ja järjestely rinnakkain kytkettyjen polttokennojen kehittyneeksi ohjattavuudeksi |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20095776A0 FI20095776A0 (fi) | 2009-07-08 |
| FI20095776A FI20095776A (fi) | 2011-01-09 |
| FI123172B true FI123172B (fi) | 2012-12-14 |
Family
ID=40935857
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20095776A FI123172B (fi) | 2009-07-08 | 2009-07-08 | Menetelmä ja järjestely rinnakkain kytkettyjen polttokennojen kehittyneeksi ohjattavuudeksi |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FI (1) | FI123172B (fi) |
| WO (1) | WO2011004057A1 (fi) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FI123584B (fi) * | 2011-06-23 | 2013-07-31 | Convion Oy | Offsetin säätöjärjestely ja -menetelmä jännitearvojen säätämiseksi polttokennojärjestelmässä |
| DE102021123774A1 (de) * | 2021-09-14 | 2023-03-16 | Stack Hydrogen Solutions Gmbh | Verschaltungs- und brennstoffzelleneinrichtung für eine effiziente verschaltung von brennstoffzellen sowie kraftfahrzeug |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4472641A (en) * | 1983-01-28 | 1984-09-18 | Westinghouse Electric Corp. | Power supply apparatus |
| US6858335B2 (en) * | 2001-11-14 | 2005-02-22 | Relion, Inc. | Fuel cell power systems and methods of operating fuel cell power systems |
-
2009
- 2009-07-08 FI FI20095776A patent/FI123172B/fi not_active IP Right Cessation
-
2010
- 2010-05-31 WO PCT/FI2010/050439 patent/WO2011004057A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2011004057A1 (en) | 2011-01-13 |
| FI20095776A0 (fi) | 2009-07-08 |
| FI20095776A (fi) | 2011-01-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR0123727B1 (ko) | 연료전지의 적층체 | |
| FI123225B (fi) | Menetelmä ja järjestely kehittyneelle polttokennopinojen ohjattavuudelle | |
| US8890365B2 (en) | Fuel cell device and method for feeding electrical current to electrical network | |
| US9005831B2 (en) | Offset control arrangement and method for controlling voltage values in a fuel cell system | |
| EP3595067B1 (en) | Multi-stack fuel cell systems and heat exchanger assemblies | |
| FI123172B (fi) | Menetelmä ja järjestely rinnakkain kytkettyjen polttokennojen kehittyneeksi ohjattavuudeksi | |
| US20090029211A1 (en) | Fuel cell system with series-parallel circuit | |
| US20200266457A1 (en) | Multipoint electrolyte flow field embodiment for vanadium redox flow battery | |
| KR101180796B1 (ko) | 연료전지 시스템 | |
| JP6491512B2 (ja) | 水素ジェネレータ兼用発電システム | |
| EP2652829B1 (en) | Method and arrangement for avoiding earth fault currents in fuel cell systems | |
| Ishikawa et al. | SOFC DEVELOPMENT by Tokyo Gas, Kyocera, Rinnai and Gastar | |
| KR101185527B1 (ko) | 선박내의 연료전지 스택 모듈에 부착되는 배관장치 | |
| JP2012029544A (ja) | 燃料電池に用いる電圧調整装置及びその方法 | |
| US20100209795A1 (en) | Power subsystem for a fuel cell system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Ref document number: 123172 Country of ref document: FI Kind code of ref document: B |
|
| MM | Patent lapsed |