FI123291B - Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteelle - Google Patents

Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteelle Download PDF

Info

Publication number
FI123291B
FI123291B FI20106241A FI20106241A FI123291B FI 123291 B FI123291 B FI 123291B FI 20106241 A FI20106241 A FI 20106241A FI 20106241 A FI20106241 A FI 20106241A FI 123291 B FI123291 B FI 123291B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
fuel
information
fuel cell
cell device
constituents
Prior art date
Application number
FI20106241A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20106241A (fi
FI20106241A0 (fi
Inventor
Tero Hottinen
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 FI20106241A priority Critical patent/FI123291B/fi
Publication of FI20106241A0 publication Critical patent/FI20106241A0/fi
Priority to PCT/FI2011/050913 priority patent/WO2012069693A1/en
Publication of FI20106241A publication Critical patent/FI20106241A/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI123291B publication Critical patent/FI123291B/fi

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
    • H01M8/04313—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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/024—Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • 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
    • 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
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
    • 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

Description

Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteelle Keksinnön ala 5 Suurin osa maailman energiasta tuotetaan käyttäen öljyä, kivihiiltä, maakaasua tai ydinvoimaa. Kaikilla näillä tuotantomenetelmillä on niiden erityiset ongelmansa varsinkin kun on kyseessä esim. saatavuus ja ympäristöystävällisyys. Erityisesti ympäristön ollessa kyseessä varsinkin öljy ja kivihiili aiheuttavat saastumista niitä poltettaessa. Ydinvoiman kyseessä ollessa ongelmana 10 on ainakin käytetyn polttoaineen säilöminen.
Varsinkin ympäristöongelmista johtuen kehitetään uusia energianlähteitä, jotka ovat ympäristöystävällisempiä ja niillä on esim. parempi tehokkuus kuin edellä mainituilla energialähteillä. Polttokennolaitteet ovat lupaavia tulevai-15 suuden energianmuunnoslaitteita, joilla polttoainetta, esim. biokaasua, muutetaan suoraan sähköksi kemiallisen reaktion kautta ympäristöystävällisessä prosessissa.
Tunnettu tekniikka 20
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 ne-gatiiviseksi happi-ioniksi vastaanottamalla elektroneja katodilta. Negatiivinen ^ 25 happi-ioni kulkee elektrolyyttimateriaalin 104 läpi anodipuolelle 100, missä se i 7 reagoi polttoaineen 108 kanssa tuottaen vettä ja myös tyypillisesti hiilidioksi- 0 dia (CO2). Anodin 100 ja katodin 102 välillä on ulkoinen sähköpiiri 111 käsit- 1 täen kuorman 110 polttokennolle.
C\l § 30 Kuviossa 2 esitetään kiinteän oksidin polttokennolaite esimerkkinä korkean lämpötilan polttokennolaitteesta. Kiinteän oksidin polttokennolaite voi hyödyntää polttoaineena esim. maakaasua, biokaasua, metanolia tai muita yh- 2 disteitä sisältäen vetyhiiliseoksia. Kiinteän oksidin polttokennolaite kuviossa 2 käsittää useamman kuin yhden, tyypillisesti useita polttokennoja vinomuo-dostelmassa 103 (SOFC pino). Jokainen polttokenno käsittää anodin 100 ja katodin 102 rakenteen, kuten kuviossa 1 on esitetty. Osa käytetystä polttoai-5 neesta takaisinkierrätetään takaisinkierrätysjärjestelyssä 109 kunkin anodin kautta. Kuviossa 2 esitettävä kiinteän oksidin polttokennolaite käsittää myös polttoaineen lämmönvaihtimen 105 ja reformerin 107. Lämmönvaihtimia käytetään ohjaamaan lämpötilaolosuhteita polttokennoprosessissa ja niitä voi olla sijoittuneena useampi kuin yksi kiinteän oksidin polttokennolaitteen eri 10 paikoissa. Kierrätettävässä kaasussa oleva ylimääräinen lämpöenergia otetaan talteen yhdessä tai useammassa lämmönvaihtimessa 105 hyödynnettäväksi kiinteän oksidin polttokennolaitteessa tai ulkopuolisessa lämmöntal-teenottoyksikössä. Reformed 107 on laite, joka muuntaa polttoaineen kuten esim. maakaasun sellaiseen koostumukseen, joka on sopiva polttokennoille, 15 kuten esim. koostumukseen sisältäen vetyä ja metaania, hiilidioksidia, hiilimonoksidia ja reagoimattomia kaasuja. Kuitenkin jokaisessa kiinteän oksidin polttokennolaitteessa ei välttämättä ole reformeria.
Käyttämällä mittausvälineitä 115 (kuten virtausmittaria, sähkövirran mittaria 20 ja lämpötilamittaria) suoritetaan kiinteän oksidin polttokennolaitteen toiminnalle välttämättömiä mittauksia anodin kautta takaisin kierrätettävästä kaasusta. Vain osa anodeilla 100 käytettävästä kaasusta takaisinkierrätetään anodien kautta takaisinkierrätysjärjestelyissä 109, ja muu osa kaasusta pois-r- päästetään 114 anodeilta 100.
cv 25 v Kiinteän oksidin polttokennolaite (SOFC) on sähkökemiallinen muunnoslaite, o joka tuottaa sähköä suoraan oksidoimalla polttoainetta. Kiinteän oksidin polt- | tokennolaitteen etuina ovat korkeat tehokkuudet, pitkän aikavälin stabiili- suus, vähäiset päästöt ja matalat kustannukset. Pääasiallisin huono puoli on
(M
§ 30 korkea toimintalämpötila, josta aiheutuu pitkät käynnistysajat ja sekä me- ^ kaaniset että kemialliset yhteensopivuusongelmat.
3
Polttokennolaitteen sovellutuksissa, joissa hyödynnetään biokaasua ja etenkin kaatopaikkakaasuun perustuvaa biokaasua, kaasukoostumus sisältää tavallisesti kolmea pääainesosaa, joilla ovat vaihtelevat pitoisuusarvot: metaania (CH4), hiilidioksidia (CO2) ja typpeä (N2). Tästä aiheutuu suuri haaste 5 polttokennolaitteen prosessisäädölle, jossa sekä polttoaineen hyödyntämisen aste että happi-hiili (O/C) suhde täytyy olla tarkasti säädettyjä. Tästä seuraa se vaatimus, että sekä polttoaineen syötön volumetrinen virtaus että myös polttoaineen koostumus täytyy olla tiedossa riittävällä tarkkuudella. Tunnetun tekniikan menetelmillä on erittäin vaikeaa saavuttaa kyseistä tavoitetta kus-10 tannusten kannalta edullisella tavalla, koska polttoaineen koostumus täytyy mitata esimerkiksi käyttämällä kaasukromatografia, joka on erittäin kallis. Ongelmana on myös se, että volumetriset virtausnopeusmittaukset ovat tyypillisesti erittäin herkkiä koostumusvaihteluille ilman, että sillä olisi mitään positiivista vaikutusta koostumusmittauksiin sellaisenaan.
15
Keksinnön lyhyt selostus
Keksinnön tavoitteena on muodostaa sellainen polttokennolaiteen säätöjär-jestely, jolla ainakin polttoaineen hyödyntämisastetta ja polttokennolaitteen 20 O/C suhdeta kohtuullisin kustannuksin ja olennaisen tarkasti. Tämä saavutetaan polttokennolaitteen säätöjärjestelyllä sellaisen polttoaineen hyödyntämiseksi, joka käsittää olennaisesti vaihtelevat ainesosien pitoisuusarvot, polttokennolaitteen jokainen polttokenno käsittäen anodipuolen ja katodipuolen ja T- elektrolyytin anodipuolen ja katodipuolen välissä, polttokennolaite käsittäen ^ 25 polttokennot polttokennopinoissa, ja välineet polttoaineen virtaamiseksi polt- v tokennojen anodipuolien kautta. Säätöjärjestely käsittää akustisen mittausyk- 0 sikön akustisten signaalien lähettämiseksi polttoainevirtaukseen lähettimillä, 1 ja vastaanottimet lähetettyjen akustisten signaalien vastaanottamiseksi polt- ^ toainevirtauksesta mittausinformaation muodostamiseksi, ja säätöjärjestely
CM
g 30 käsittää prosessointiyksikön mainitun mittausinformaation käsittelemiseksi g ainakin vastaanotettujen akustisten signaalien aikaerojen perusteella poltto aineen virtausnopeuden määrittämiseksi ja polttoaineen keskimääräisen 4 akustisen nopeusinformaation muodostamiseksi ja analysointiyksikön integroituna akustisen mittausyksikön toimintaan polttoaineen ainakin yhden ainesosan pitoisuusinformaation muodostamiseksi, jota pitoisuusinformaatiota hyödynnetään yhdessä mainitun keskimääräisen akustisen nopeusinformaati-5 on kanssa prosessoi n ti vä I i nei I lä suoritettavassa polttoaineen koostumuksen kahden muun ainesosan pitoisuuksien määrittämisessä, jotta määritetään polttoaineen koostumus ainakin polttoaineen hyödyntämisasteen ja poltto-kennolaitteen O/C suhteensäätämiseksi määritetyn polttoaineen koostumuksen ja määritetyn polttoaineen virtausnopeuden perusteella.
10
Keksinnön kohteena on myös polttokennolaitteen säätömenetelmä sellaisen polttoaineen hyödyntämiseksi, joka käsittää olennaisesti vaihtelevat ainesosien pitoisuusarvot, jossa menetelmässä polttokennolaitteen polttokennot ovat järjestetyt polttokennopinoiksi, ja polttoaine virtaa polttokennojen anodipuo-15 lien kautta mainituissa pinoissa. Säätömenetelmässä lähetetään lähettimillä akustiset signaalit polttoainevirtaukseen, ja lähetetyt akustiset signaalit vastaanotetaan polttoainevirtauksesta vastaanottimina mittausinformaation muodostamiseksi, jota käsitellään ainakin vastaanotettujen akustisten signaalien aikaerojen perusteella polttoaineen virtausnopeuden määrittämiseksi ja 20 polttoaineen keskimääräisen akustisen nopeusinformaation muodostamiseksi ja erillisessä polttoaineen analyysiprosessissa muodostetaan polttoaineen ainakin yhden ainesosan pitoisuusinformaatio, jota pitoisuusinformaatiota hyödynnetään yhdessä mainitun keskimääräisen akustisen nopeusinformaati-on kanssa polttoaineen koostumuksen kahden muun ainesosan pitoisuuksien ^ 25 määrittämisessä, jotta määritetään polttoaineen koostumus ainakin polttoai- v neen hyödyntämisasteen ja polttokennolaitteen O/C suhteensäätämiseksi o määritetyn polttoaineen koostumuksen ja määritetyn polttoaineen virtausno- | peuden perusteella.
sj-
(M
§ 30 Keksintö perustuu akustisen mittausyksikön ja analysointiyksikön integraati- ^ oon, jota akustista mittausyksikköä käytetään mittausinformaation muodos tamiseksi, jonka mittausinformaation perusteella määritetään polttoaineen 5 virtausnopeus ja polttoaineen keskimääräinen akustinen nopeusinformaatio, ja jota analysointiyksikköä käytetään antamaan pitoisuusinformaatio polttoaineen ainakin yhdestä ainesosasta, jota pitoisuusinformaatiota hyödynnetään yhdessä mainitun keskimääräisen akustisen nopeusinformaation kanssa polt-5 toaineen koostumuksen kahden muun ainesosan pitoisuuksien määrittämisessä, jotta määritetään polttoaineen koostumus. Ainakin polttoaineen hyödy ntä m isasteen ja polttokennolaitteen O/C suhteen säätäminen perustuu määritettyyn polttoaineen koostumukseen ja määritettyyn polttoaineen virtausnopeuteen.
10
Keksinnön etuna on se, että saavutetaan tarkka ja taloudellinen polttokennolaitteen prosessin säätäminen analysointiyksikön ja akustisen mittausyksikön toiminnalliseen integraatioon perustuen. Vain osittaiseen polttoaineen koostumuksen mittaukseen perustuen yhdessä valinnaisten akustisten mittausten 15 kanssa voidaan määrittää esimerkiksi biokaasun sekä absoluuttinen volumet-rinen virtausinformaatio että polttoaineen koostumus.
Kuvioiden lyhyt selostus 20 Kuvio 1 yksittäisen polttokennon rakenteen.
Kuvio 2 esittää esimerkin SOFC laitteesta.
Kuvio 3 esittää esillä olevan keksinnön mukaisen edullisen toteutusmuo- c3 25 don.
i
(M
0 Kuvio 4 esittää akustisen mittaamisen periaatteita.
CC
CL
^ Keksinnön yksityiskohtainen selostus
(M
g 30 ^ Akustiikka on monitieteinen tiede, joka käsittelee kaikkia mekaanisia aaltoja kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa mukaan lukien värähtelyn, äänen, 6 ultraäänen ja infraäänen. Mahdollinen menetelmä kaasuvirtojen ja koostumuksen samanaikaiseen mittaamiseen, jolla koostumuksella on vain kaksi pääainesosaa, on akustinen mittaus, jossa akustisia signaaleita käytetään absoluuttisen virtausnopeuden ja myös polttoaineen tiheyden määrittämisek-5 si, koska akustisen mittauksen kautta on mahdollista hankkia kahden tunnetun ainesosan suhde. Kuitenkin kolmannen ainesosan esiintyessä polttoaineessa mainittu menetelmä ei sellaisenaan ole käytettävissä. Tilanne voi olla tällainen esimerkiksi, kun käytettävänä polttoaineena on biokaasu.
10 Esillä olevan keksinnön mukaisessa ratkaisussa hyödynnetään sekä akustisten mittausten että polttoaineen koostumuksen analysointimittausten integraatiota, jotta saavutetaan ainakin polttoaineen hyödyntämisasteen O/C suhteen luotettava säätäminen polttokennolaitteen prosessissa. Polttoaineen koostumuksen analysointimittauksessa voidaan kiinnittää polttoaineen yksit-15 täinen ainesosan prosentuaalinen osuus, jota prosentuaalista osuutta hyödynnetään jäljellä olevien kahden ainesosan prosentuaalisten osuuksien määrittämisessä. Mainitulla vain osittaisella polttoaineen koostumuksen mittauksella integroituna akustisen mittauksen kanssa sekä absoluuttinen volymetri-nen virtaustieto että polttoaineena käytettävän biokaasun koostumus voidaan 20 määrittää polttokennolaitteen prosessisäädön tarpeita varten.
Kuviossa 3 esitetään edullinen toteutusmuoto polttokennolaitteen säätöjär-jestelystä esillä olevan keksinnön mukaisesti. Polttokennolaite hyödyntää — polttoaineena biokaasua, joka käsittää kolme ainesosaa, joilla ovat olennai- ™ 25 sesti vaihtelevat pitoisuusarvot: metaani CH4, hiilidioksidi CO2 ja typpi N2.
-7 Polttokennot ovat järjestetyt polttokennopino 103 muodostelmiin, ja polttoai- 0 ne virtaa polttokennojen anodipuolien 100 kautta mainituissa pinoissa 103 1 käyttäen välineitä 120, jotka käsittävät esimerkiksi putket ja venttiiliraken-teet, joita tarvitaan polttoaineiden virtaamiseksi.
C\J
§ 30 ^ Kuviossa 3 oleva säätöjärjestely käsittää akustisen mittausyksikön 122 käsit täen lähettimet 124, 125 akustisten signaalien lähettämiseksi polttoainevirta- 7 ukseen ja vastaanottimet 126, 127 akustisten signaalien vastaanottamiseksi polttoainevirtauksesta mittausinformaation muodostamista varten, säätöjär-jestely käsittää prosessointivälineet 128 mainitun mittausinformaation käsittelemiseksi perustuen vastaanotetuista akustisista signaaleista mitattuihin 5 aikaeroihin. Mainitussa käsittelyssä määritetään polttoaineen virtausnopeus ja polttoaineen keskimääräinen akustinen nopeusinformaatio. Prosessointivälineet 128 ovat analogiseen ja/tai digitaaliseen prosessoriin perustuvia välineitä, esimerkiksi tietokonemittausinformaation tallentamiseksi ja mittausinformaation käsittelemiseksi laskutoimenpiteillä ja muilla määrittelyillä.
10
Kuviossa 4 esitetään keksinnön edullisessa toteutusmuodossa hyödynnettäviä akustisen mittauksen pääperiaatteita. Akustinen mittausyksikkö käsittää kaksi lähetinvastaanotinyksikköä, ensimmäinen lähetinvastaanotinyksikkö 124,127 käsittäen ensimmäisen lähettimen 124 ja toisen vastaanottimen 127, ja toi-15 nen lähetinvastaanotinyksikkö 125, 126 käsittäen toisen lähettimen 125 ja ensimmäisen vastaanottimen 126. Ensimmäinen lähetin 124 lähettää akustisia signaaleita polttoainevirtaukseen virtaussuunnan suuntaisesti, ja toinen lähetin 125 lähettää akustisia signaaleita polttoainevirtaukseen virtaussuunnan vastaisesti. Ensimmäinen vastaanotin 126 vastaanottaa akustisia signaa-20 leita, jotka ovat lähetetyt ensimmäiseltä lähettimeltä 124, ja toinen vastaanotin 127 vastaanottaa akustisia signaaleita, jotka ovat lähetyt toiselta lähettimeltä 125. Seuraavissa kaavoissa tl edustaa akustisten signaaleiden mitattua kulkuaikaa ensimmäisen lähettimen 124 ja ensimmäisen vastaanottimen 126 välillä, jotka akustiset signaalit ovat lähetetyt polttoaineen virtaukseen ™ 25 virtaussuunnan suuntaisesti ensimmäiseltä lähettimeltä 124 ja vastaanotetut v ensimmäisellä vastaanottimella 126, ja t2 edustaa akustisen signaaleiden o mitattuja kulkuaikoja toisen lähettimen 125 ja toisen vastaanottimen 127 | välillä, jotka akustiset signaalit ovat lähetetyt polttoaineen virtaukseen vir- taussuunnan vastaisesti toiselta lähettimeltä 125 ja vastaanotetut toisella § 30 vastaanottimella 127: δ C\l tl = s/v'-s/v 8 t2 = s/v'+s/v , jossa s on tunnettu (eli mitattu) etäisyys ensimmäisen lähetinvastaanotin-yksikön 124, 127 ja toisen lähetinvastaanotinyksikön 125, 126 välillä, ν', on 5 akustisen signaalin nopeus polttoaineessa, ja v on polttoaineen virtausnopeus. Mainittujen kulkuaikaa tl, t2 mittausten ja etäisyyden s mittauksen jälkeen ovat tuntemattomia tekijöitä vain ν', ja v, mutta koska käytettävissä ovat mainitut kaksi yhtälöä, on helppoa laskea sekä ν', ja v käyttäen prosessoi nti välineitä 128. Mainittua tekijää ν', kutsutaan myös polttoaineen keski-10 määräiseksi akustiseksi nopeusinformaatioksi, ja ν', hyödynnetään prosessoi nti välineenä 128 suoritettavassa polttoaineen ainesosien pitoisuuksien määrittämisessä. Lähettimien 124, 125 ja vastaanottimien 126, 127 sijainnit, jotka esitetään kuviossa 4, ovat esimerkinomaisia. Esimerkiksi lähettimen ja vastaanottimen ei tarvitse sijaita samassa lähetinvastaanotinyksikössä. Lä-15 hettimet ja/tai vastaanottimet voivat myös sijaita erillisesti ja esimerkiksi polttoaineen virtauksen eri puolilla.
Kuviossa 3 esitettävässä edullisessa säätöjärjestelyssä integroidaan analysoi ntiyksikkö 130 akustisen mittausyksikön 122 toiminnan kanssa polttoai-20 neen yhden ainesosan pitoisuusinformaation muodostamiseksi. Analysoin-tiyksikkö 130 on edullisesi yksittäinen kaasuanalysaattori 130 polttoaineen yhden ainesosan prosentuaalisen osuuden määrittämiseksi pitoisuusinfor-maationa, jota hyödynnetään prosessointivälineillä 128 suoritettavassa polt- — toainekoostumuksen kahden muun ainesosan prosentuaalisten osuuksien ™ 25 määrittämisessä. Edullisessa toteutusmuodossa mainittu yksittäinen kaasu- C\] v analysaattori 130 on infrapunasäteilyn (IR) sensori, joka on tarkka metaani 05 ° (CH4) pitoisuusinformaation tai hiilidioksidi (CO2) pitoisuusinformaation muo-
X
£ dostamisessa. Hyötynä saavutetaan myös se, että on tarve vain yhdelle kaa- sun analysoi nti ka naval le, koska edullisessa toteutusmuodossa käytetään vain cv § 30 yhtä kaasuanalysaattoria 130.
^ Kuten esitetty keksinnön edullisessa toteutusmuodossa yksittäisen kaasun pitoisuusinformaatio tarkoittaa metaanin (CH4) pitoisuusinformaatiota tai hii- 9 lidioksidin (CO2) pitoisuusinformaatiota, jota hyödynnetään yhdessä keskimääräisen akustisen nopeusinformaation kanssa prosessointivälineillä 128 polttoaineen koostumuksen kahden muun ainesosan pitoisuuksien määrittämisessä, jotta saadaan määritettyä polttoaineen koostumus. Näiden määri-5 tyksien tuloksena polttoaineen hyödyntämisaste ja polttokennolaitteen O/C suhde säädetään perustuen määritettyihin polttoaineen koostumukseen ja polttoaineen virtausnopeuteen. Mainittu säätäminen suoritetaan prosessointi-välineillä 128 tai erillisellä säätöprosessoriyksiköllä.
10 Edullinen toteutusmuoto esittää vain yhden esimerkinomaisen toteutusmuodon keksinnöstä. Keksinnön mukaiset toteutusmuodot voivat käsittää monia variaatioita. Esimerkiksi määritettyä polttoaineen virtausnopeutta voidaan hyödyntää yhdessä polttoaineen virtausvälineiden 120 halkaisijainformaation kanssa absoluuttisen volumetrisen polttoaineen virtausinformaation laskemi-15 seksi prosessointivälineillä 128. Polttokennolaitteen polttoaineen hyödyntä-misasteen ja O/C suhteensäätäminen suoritetaan perustuen määritettyihin polttoaineen koostumukseen ja polttoaineen virtausnopeuteen.
Kun polttoaineena on esimerkiksi biokaasu, joka käsittää ainakin metaania 20 (CH4), hiilidioksidia (CO2), typpeä (N2) ja happea (O2) mainittuina ainesosina, joilla ovat olennaisesti vaihtelevat pitoisuusarvot, keksinnön mukainen toteutusmuoto voi käsittää kaksi yksittäistä kaasuanalysaattoria 130, joista kukin määrittää niille nimettyjen ainesosien prosentuaaliset osuudet polttoaineessa — mainittuna pitoisuusinformaationa. Esimerkiksi ensimmäinen yksittäinen kaa- w 25 suanalysaattori määrittää metaanin CH4 pitoisuusinformaation, ja toinen yk- C\] v sittäinen kaasuanalysaattori, joka on lambda-lähetinvastaanotin, määrittää O) 0 hapen O2 pitoisuusinformaation, ja sekä metaanin CH4 ja hapen O2 pitoisuus- 1 informaatioita hyödynnetään yhdessä keskimääräisen nopeusinformaation kanssa prosessointivälineillä 128 suoritettavassa polttoaineen koostumuksen cv § 30 kahden muun ainesosan prosentuaalisten osuuksien määrittämisessä. Muut ° yksittäisellä kaasuanalysaattorilla 130 mahdollisesti määritettävät ainesosat ovat esimerkiksi hiilimonoksidi (CO), vety (H2) ja vesi (H20).
10
Vaikka keksintö on esitetty viitaten liitettyihin kuvioihin ja selostusosaan, ei keksintö ole kuitenkaan millään tavoin rajoittunut niihin, vaan keksintöä voidaan toteuttaa erilaisilla variaatioilla oheisten patenttivaatimusten sallimissa 5 rajoissa.
δ
(M
(M
σ> o
X
en
CL
Sj-
(M
CD
O
O
(M

Claims (12)

11
1. Polttokennolaitteen säätöjäijestely sellaisen polttoaineen hyödyntämiseksi, joka käsittää olennaisesti vaihtelevat ainesosien pitoisuusarvot, polttokenno-5 laitteen jokainen polttokenno käsittäen anodipuolen (100) ja katodipuolen (102) ja elektrolyytin (104) anodipuolen ja katodipuolen välissä, polttokenno-laite käsittäen polttokennot polttokennopinoissa (103), ja välineet (120) polttoaineen virtaamiseksi polttokennojen anodipuolien (100) kautta, tunnettu siitä, että säätöjärjestely käsittää akustisen mittausyksikön (122) akustisten 10 signaalien lähettämiseksi polttoainevirtaukseen lähettimillä (124, 125), ja vastaanottimet (126, 127) lähetettyjen akustisten signaalien vastaanottamiseksi polttoainevirtauksesta mittausinformaation muodostamiseksi, ja säätö-järjestely käsittää prosessointiyksikön (128) mainitun mittausinformaation käsittelemiseksi ainakin vastaanotettujen akustisten signaalien aikaerojen 15 perusteella polttoaineen virtausnopeuden määrittämiseksi ja polttoaineen keskimääräisen akustisen nopeusinformaation muodostamiseksi ja analysoin-tiyksikön (130) integroituna akustisen mittausyksikön (122) toimintaan polttoaineen ainakin yhden ainesosan pitoisuusinformaation muodostamiseksi, jota pitoisuusinformaatiota hyödynnetään yhdessä mainitun keskimääräisen 20 akustisen nopeusinformaation kanssa prosessointivälineillä (128) suoritettavassa polttoaineen koostumuksen kahden muun ainesosan pitoisuuksien määrittämisessä, jotta määritetään polttoaineen koostumus ainakin polttoaineen hyödyntämisasteen ja polttokennolaitteen O/C suhteensäätämiseksi — määritetyn polttoaineen koostumuksen ja määritetyn polttoaineen virtausno- w 25 peuden perusteella. CNJ CD O X
£ 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennolaitteen säätöjäijestely, tun- nettu siitä, että polttoaine on biokaasua, joka käsittää ainakin metaania (M § 30 (CH4), hiilidioksidia (CO2) ja typpeä (N2) mainittuina ainesosina, joilla ovat ° olennaisesti vaihtelevat pitoisuusarvot. 12
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennolaitteen säätöjärjestely, tunnettu siitä, että polttoaine on biokaasua, joka käsittää ainakin metaania (CH4), hiilidioksidia (CO2), typpeä (N2) ja happea (O2) mainittuina ainesosina, joilla ovat olennaisesti vaihtelevat pitoisuusarvot. 5
4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennolaitteen säätöjärjestely, tunnettu siitä, että analysointiyksikkö (130) on yksittäinen kaasuanalysaattori (130) polttoaineen yhden ainesosan prosentuaalisen osuuden määrittämiseksi pitoisuusinformaationa, jota hyödynnetään prosessointivälineillä (128) suo- 10 ritettavassa polttoainekoostumuksen kahden muun ainesosan prosentuaalisten osuuksien määrittämisessä.
5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennolaitteen säätöjärjestely, tunnettu siitä, että analysointiyksikkö (130) on infrapunasäteilyn (infrared ra- 15 diation, IR) sensori.
6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttokennolaitteen säätöjärjestely, tunnettu siitä, että säätöjärjestely käsittää prosessointivälineet (128) määritetyn polttoaineen virtausnopeuden ja polttoaineen virtausvälineiden () hal- 20 kaisijainformaation hyödyntämiseksi absoluuttisen volumetrisen polttoaineen virtausinformaation laskemiseksi. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Polttokennolaitteen säätömenetelmä sellaisen polttoaineen hyödyntämi- 2 — seksi, joka käsittää olennaisesti vaihtelevat ainesosien pitoisuusarvot, jossa 3 w 25 menetelmässä polttokennolaitteen polttokennot ovat järjestetyt polttokenno- 4 5 C\] 6 v pinoiksi (103), ja polttoaine virtaa polttokennojen anodipuolien (100) kautta
7 O) 8 0 mainituissa pinoissa, tunnettu siitä, että säätömenetelmässä lähetetään lä- 9 1 hettimillä (124, 125) akustiset signaalit polttoainevirtaukseen, ja lähetetyt akustiset signaalit vastaanotetaan polttoainevirtauksesta vastaanottimilla 10 CM 11 § 30 (126, 127) mittausinformaation muodostamiseksi, jota käsitellään ainakin 12 ^ vastaanotettujen akustisten signaalien aikaerojen perusteella polttoaineen virtausnopeuden määrittämiseksi ja polttoaineen keskimääräisen akustisen 13 nopeusinformaation muodostamiseksi ja erillisessä polttoaineen analyysipro-sessissa muodostetaan polttoaineen ainakin yhden ainesosan pitoisuusinfor-maatio, jota pitoisuusinformaatiota hyödynnetään yhdessä mainitun keskimääräisen akustisen nopeusinformaation kanssa polttoaineen koostumuksen 5 kahden muun ainesosan pitoisuuksien määrittämisessä, jotta määritetään polttoaineen koostumus ainakin polttoaineen hyödyntämisasteen ja poltto-kennolaitteen O/C suhteensäätämiseksi määritetyn polttoaineen koostumuksen ja määritetyn polttoaineen virtausnopeuden perusteella.
8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen säätömenetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä polttoaine on biokaasua, joka käsittää ainakin metaania (CH4), hiilidioksidia (CO2) ja typpeä (N2) mainittuina ainesosina, joilla ovat olennaisesti vaihtelevat pitoisuusarvot.
9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen säätömenetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä polttoaine on biokaasua, joka käsittää ainakin metaania (CH4), hiilidioksidia (C02), typpeä (N2) ja happea (O2) mainittuina ainesosina, joilla ovat olennaisesti vaihtelevat pitoisuusarvot. 1
10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen säätömenetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä erillinen polttoaineen analyysiprosessi suoritetaan yksittäisellä kaasuanalysaattorilla (130) polttoaineen yhden ainesosan prosentuaalisen osuuden määrittämiseksi pitoisuusinformaationa, jota hyödynnetään polttoai-r- nekoostumuksen kahden muun ainesosan prosentuaalisten osuuksien määrit- ° 25 tämisessä. dj
11. Patenttivaatimuksen 7 mukainen säätömenetelmä, tunnettu siitä, että 1 menetelmässä erillinen polttoaineen analyysiprosessi suoritetaan infra- ^ punasäteilyn (infrared radiation, IR) sensorilla. CM g 30
12. Patenttivaatimuksen 7 mukainen säätömenetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä hyödynnetään määritettyä polttoaineen virtausnopeutta ja 14 polttoaineen virta usva I ineiden (120) halkaisijainformaatiota absoluuttisen volumetrisen polttoaineen virtausinformaation laskemiseksi. δ (M (M σ> o X en CL Sj- (M CD O O (M 15
FI20106241A 2010-11-24 2010-11-24 Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteelle FI123291B (fi)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20106241A FI123291B (fi) 2010-11-24 2010-11-24 Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteelle
PCT/FI2011/050913 WO2012069693A1 (en) 2010-11-24 2011-10-19 Method and control arrangement for a fuel cell device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20106241A FI123291B (fi) 2010-11-24 2010-11-24 Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteelle
FI20106241 2010-11-24

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20106241A0 FI20106241A0 (fi) 2010-11-24
FI20106241A FI20106241A (fi) 2012-05-25
FI123291B true FI123291B (fi) 2013-01-31

Family

ID=43269018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20106241A FI123291B (fi) 2010-11-24 2010-11-24 Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteelle

Country Status (2)

Country Link
FI (1) FI123291B (fi)
WO (1) WO2012069693A1 (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
DE102017215551A1 (de) * 2017-09-05 2019-03-07 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6076392A (en) * 1997-08-18 2000-06-20 Metasensors, Inc. Method and apparatus for real time gas analysis
US7204156B2 (en) * 2005-07-29 2007-04-17 Motorola, Inc. Fuel cell system having fluidic oscillation flow meter
DE102006045921B4 (de) * 2006-09-28 2022-07-14 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzelle mit Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von Gasanteilen
JP5141872B2 (ja) * 2007-05-29 2013-02-13 日産自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012069693A1 (en) 2012-05-31
FI20106241A (fi) 2012-05-25
FI20106241A0 (fi) 2010-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ni et al. Parametric study of solid oxide fuel cell performance
Ni Thermo-electrochemical modeling of ammonia-fueled solid oxide fuel cells considering ammonia thermal decomposition in the anode
Discepoli et al. Carbon capture with molten carbonate fuel cells: Experimental tests and fuel cell performance assessment
FI123291B (fi) Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteelle
Cinti et al. Co‐electrolysis of water and CO2 in a solid oxide electrolyzer (SOE) stack
KR100811982B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
Kadyk et al. Nonlinear frequency response analysis of dehydration phenomena in polymer electrolyte membrane fuel cells
Gong et al. Study of a renewable biomass fueled SOFC: the effect of catalysts
Liu et al. Performance optimization of an HT-PEMFC and PSA integrated system with impure hydrogen containing CO2
De Silvestri et al. Decarbonizing cement plants via a fully integrated calcium looping-molten carbonate fuel cell process: Assessment of a model for fuel cell performance predictions under different operating conditions
Elizalde-Blancas et al. Numerical modeling of SOFCs operating on biogas from biodigesters
EA201691003A1 (ru) Реактор на топливных элементах и способ прямой конверсии углеводородсодержащего газа в продукт высших углеводородов
EP2842188A1 (en) Method and arrangement for determining enthalpy balance of a fuel cell system
Patcharavorachot et al. Performance improvement of the proton-conducting solid oxide electrolysis cell coupled with dry methane reforming
WO2009079436A9 (en) Fuel cell-based process for generating electrical power
Agarkov et al. Solid oxide fuel cells’ prospects for landfill gas utilization in Russia
KR101972433B1 (ko) 연료전지 시스템
EP2842191B1 (en) Method and arrangement for determining enthalpy change of a fuel cell system
Liu et al. Wet-air co-electrolysis in high-temperature solid oxide electrolysis cell for production of ammonia feedstock
Sánchez et al. Potential of molten carbonate fuel cells to reduce the carbon footprint of large reciprocating engines
KR101601487B1 (ko) 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치 및 그 방법
CN114580322B (zh) 一种燃料电池水传输电拖拽效应的离散化建模方法
JP7446124B2 (ja) 合成物生産システム
JP3135575U6 (ja) 濃度測定可能な燃料タンク
Vairo et al. Fuel cells for shipping. An Approach towards Dynamic Safety Assessment

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 123291

Country of ref document: FI

Kind code of ref document: B

MM Patent lapsed