JP5645818B2 - 燃料電池デバイス用の方法及び制御構成 - Google Patents
燃料電池デバイス用の方法及び制御構成 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5645818B2 JP5645818B2 JP2011517183A JP2011517183A JP5645818B2 JP 5645818 B2 JP5645818 B2 JP 5645818B2 JP 2011517183 A JP2011517183 A JP 2011517183A JP 2011517183 A JP2011517183 A JP 2011517183A JP 5645818 B2 JP5645818 B2 JP 5645818B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- fuel cell
- calculation
- thermodynamic equilibrium
- anode
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Active
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 158
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 43
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 43
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 33
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 25
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 24
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 19
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 14
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 4
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 4
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 3
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims 2
- 230000003796 beauty Effects 0.000 claims 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 14
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 description 8
- 238000004939 coking Methods 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 4
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000012356 Product development Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
Images
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
- H01M8/06—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
- H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
-
- 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
-
- 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
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D7/00—Control of 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
- H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
- H01M8/04402—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode exhausts
-
- 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
- H01M8/04791—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
- H01M8/04—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
- H01M8/04828—Humidity; Water content
- H01M8/04835—Humidity; Water content 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
-
- 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
-
- 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
- H01M8/04—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
-
- 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
- Sustainable Development (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
燃料電池は、電気エネルギを生成する反応物が供給される電気化学デバイスである。
図１は、陽極側１００と陰極側１０２とそれらの間の電解質１０４を含む燃料電池を示す。燃料電池デバイスに供給される反応物は、電気エネルギ及び水が発熱反応の結果として生じるプロセスを受ける。固体酸素燃料電池（ＳＯＦＣｓ）では、陰極側に供給された酸素は、陰極側から電子を受ける、即ち、陽極へと電解質を通って移動する負の酸素イオンに変換され、陽極にて、使用される燃料と結合し、水及び二酸化炭素を生成する。陽極と陰極の間では、電子が陰極へと搬送される外部電気回路がある。
メタンのような天然ガス及び高級炭素化合物を含むガスは、典型的には、ＳＯＦＣｓにおいて燃料として使用され、当該ガスは、しかしながら、炭素の形成、即ちコークス化を防止するために燃料電池に供給する前に、事前処理されなければならない。コークス化では、炭化水素が熱的に分解し、燃料電池デバイスの表面に付着し、ニッケル粒子のような、触媒上に吸着する炭素を生成する。コークス化で生成される炭素は、燃料電池デバイスの活性表面のいくらかを覆うので、燃料電池のプロセスの反応性を顕著に損なう。炭素は、燃料通路を完全に閉塞すらしうる。
それ故に、コークス化を防ぐことは、燃料電池の長い実用寿命を確保するために重要である。コークス化の防止は、また、触媒、即ち反応を促進するために燃料電池で使用される物質（ニッケル、プラチナ等）を節約する。
ガスの事前処理は、燃料電池デバイスに供給される水を必要とする。酸素イオン及び燃料、即ち陽極上のガスを結合する際に生成される水は、ガスの事前処理で使用されてもよい。
フィードバック構成における陽極を通って再循環されるガスの成分は、先行技術のガスの事前処理が成功的なものであるために十分な正確性で知られなければならない。特に、酸素／炭素（Ｏ／Ｃ）比、及び、ある程度で水素／炭素（Ｈ／Ｃ）比は、炭素の形成に対する最も危険な反応環境を防止するために制御されなければならない。
先行技術の問題点は、ガスの事前処理が、プロセスに対する適切な態様でのガスの事前処理の実行を保証することを可能とするために、ガスクロマトグラフのような、再循環されるべきガスの構成要素を判断するための、複雑でコストがかかるオンラインの測定装置の使用を必要とすることである。
本発明の目的は、複雑でコストのかかる連続的な測定装置を用いることなく安全な動作制限内で維持されることができる燃料電池の実現を提供することである。
これは、電気エネルギを生成する燃料電池デバイス構造であって、少なくとも１つの燃料電池陽極、陰極、前記陽極と前記陰極の間でイオンを搬送する電解質、及び、前記陽極から前記陰極へ移動する電子のための前記電解質とは別の通路を含む、燃料電池デバイス構造により達成される。前記燃料電池デバイスに対して、炭素の形成を防止する制御構成が実現され、該制御構成は、燃料のフィードバック再循環のために化学反応の熱力学平衡に基づく１つ以上の熱力学平衡モデルを算出する算出手段と、
前記燃料電池の陽極を通ってフィードバック構成の燃料を再循環させることによって再循環を実現し、少なくとも電流及び燃料流量から、再循環における測定値を生成し、計算を介して燃料の組成を判断し、前記測定値及び燃料の組成を用いることにより循環されるべき燃料に対する熱力学平衡に基づいて設定される変換値を求め、また、必要に応じて、前記変換値を生成するための該計算を繰り返す手段と含み、これにより、燃料の組成の計算は、十分な精度で収束されるように求めることができ、また、該変換値を使用することにより、前記燃料電池デバイスの動作は、前記熱力学平衡モデルにより安全限度内に留まるように設定されることができる。
前記燃料電池の陽極を通ってフィードバック構成の燃料を再循環させることによって再循環を実現し、少なくとも電流及び燃料流量から、再循環における測定値を生成し、計算を介して燃料の組成を判断し、前記測定値及び燃料の組成を用いることにより循環されるべき燃料に対する熱力学平衡に基づいて設定される変換値を求め、また、必要に応じて、前記変換値を生成するための該計算を繰り返す手段と含み、これにより、燃料の組成の計算は、十分な精度で収束されるように求めることができ、また、該変換値を使用することにより、前記燃料電池デバイスの動作は、前記熱力学平衡モデルにより安全限度内に留まるように設定されることができる。
本発明は、また、燃料電池技術により電気エネルギを生成する方法であって、該方法では、イオンは、燃料電池の陽極と陰極の間の電解質を通って搬送され、電子は、前記電解質とは別の通路を介して陽極から陰極まで搬送される、方法に関する。本方法において、次のステージが、炭素の形成を防止するために実行され、
・化学反応の熱力学平衡に基づく１つ以上の熱力学平衡モデルが燃料のフィードバック再循環のために算出される：
・少なくとも電流及び燃料流量から再循環における測定値を生成し、計算を介して燃料の組成を判断し、前記測定値及び燃料の組成を用いることにより循環されるべき燃料に対する熱力学平衡に基づいて設定される変換値を算出し、また、必要に応じて、前記変換値を生成するための該計算を繰り返すことによって、燃料の再循環が燃料電池陽極を介したフィードバック構成において実現され、これにより、燃料の組成の計算は、十分な精度で収束されるように求めることができ、また、該変換値を使用することにより、前記燃料電池デバイスの動作は、前記熱力学平衡モデルにより安全限度内に留まるように設定される。
・化学反応の熱力学平衡に基づく１つ以上の熱力学平衡モデルが燃料のフィードバック再循環のために算出される：
・少なくとも電流及び燃料流量から再循環における測定値を生成し、計算を介して燃料の組成を判断し、前記測定値及び燃料の組成を用いることにより循環されるべき燃料に対する熱力学平衡に基づいて設定される変換値を算出し、また、必要に応じて、前記変換値を生成するための該計算を繰り返すことによって、燃料の再循環が燃料電池陽極を介したフィードバック構成において実現され、これにより、燃料の組成の計算は、十分な精度で収束されるように求めることができ、また、該変換値を使用することにより、前記燃料電池デバイスの動作は、前記熱力学平衡モデルにより安全限度内に留まるように設定される。
本発明は、燃料電池のプロセスの熱力学平衡及び酸素と炭素の間の所望の比に基づいて、少なくとも電流及び燃料の流量を既知の値として設定する、種々の化学反応の熱力学平衡モデルが算出されるという事実に基づく。燃料の組成は、計算により判断される。当該平衡モデルは、燃料電池のプロセスのフィードバック循環で利用され、そこでは、少なくとも電流及び燃料の流量に対して生成された測定値、計算により決定された燃料の組成、及び、１つ以上の熱力学平衡モデルに基づいて、設定された安全限度内に留まる燃料電池のプロセスの動作モデルが見出される。
本発明による実現は、別の水の供給を要せずにフィードバック構成における燃料の安全な循環を可能とし、同時に、燃料の利用率を増大し、即ち、燃料電池のプロセスにおける電気エネルギの生成の効率を改善する。本発明のその他の効果は、コークス化が防止された燃料電池デバイスの安全な使用が、ガスクロマトグラフのような複雑でコストがかかるオンラインの測定装置を要しない実現において、可能となることである。
燃料電池は、環境にやさしい態様で且つ高効率に電気エネルギを生成するために使用されることができる電気化学デバイスである。燃料電池技術は、最も前途有望な将来のエネルギ生成の形態の１つであると考えられている。
本発明の好ましい実施例は、ＳＯＦＣデバイス、即ち固体酸素燃料電池に関する。図２は、本発明の好ましい実施例によるＳＯＦＣデバイスを示し、これは、例えば、天然ガス、バイオガス若しくはメタノール又は炭化水素を含む他の成分を、燃料として利用する。図２に示す燃料電池デバイス構成は、プレート状の燃料電池を含み、各燃料電池は、図１に示すように、陽極１００及び陰極１０２を含み、図２では、燃料電池は、スタック形成１０３で組み立てられている（ＳＯＦＣスタック）。燃料は、陽極を介してフィードバック構成で再循環される。燃料電池の陽極及び陰極の間には、電解質１０４がある。陰極側１０２には、陰極から電子を受ける酸素が供給され、即ち、負の酸素イオンに変化される酸素が供給され、負の酸素イオンは、陽極に電解質を介して移動し、そこで、酸素イオンは、使用される燃料と結合し、水と二酸化炭素を出す。陽極と陰極の間には、別の通路１０８、即ち、電子、つまり電流が陰極に負荷を通って流れる外部電気回路がある。
図２に示す燃料電池デバイス構成は、熱交換器１０５とリフォーマ１０７を含む。熱交換器は、燃料電池のプロセスの熱バランスを制御するために使用され、燃料電池デバイスの異なる位置で複数あってもよい。再循環されるガス内の過剰な熱エネルギは、燃料電池デバイスのいずれかの場所で若しくは別の熱ネットワークでの使用のために熱交換器で回収される。熱を回収する熱交換器は、従って、図２に示された場所と異なる場所にあってもよい。リフォーマは、天然ガスのような燃料を、燃料電池に適した形態へと、即ち例えば１／２の水素と、残りのメタン、二酸化炭素及び不活性ガスを含むガス混合物へと変換する。しかし、リフォーマは、必ずしも全ての燃料電池の実現において必要でないが、未処理の燃料は、燃料電池１０３に直接供給されてもよい。
燃料電池１０３で燃やされた燃料の一部のみが、図２のフィードバック構成で陽極を介して再循環され、それ故に、陽極１００からの燃料の残りの排出１１４を概略的に示す。
図２に示す本発明の好ましい実施例による燃料電池デバイスの使用は、炭素形成を防ぐための制御構成を備え、当該制御構成は、計算手段１１０として、陽極１００を介した燃料のフィードバック１０９の再循環のために化学反応の熱力学平衡に基づく１つ以上の熱力学平衡モデルを算出するコンピューターを含む。当該計算プロセスは、制御コンピューター１１０により燃料電池のプロセスと関連して実行されてもよく、制御コンピューター１１０は、例えば、プログラム可能なロジック（ＰＬＣ，プログラマブル・ロジック・コントローラ）や他のプロセッサベースのコンピューターである。計算プロセスは、燃料電池デバイス自身以外の何処に配置されてもよいコンピューターのプロセッサ上の事前の計算として実行されてもよい。
事前の計算によって、プロセスは、熱力学平衡モデルの形態の、生成されたプロセスの熱力学平衡曲線であってよい。この種の計算は、比較的遅く、大きなコンピューターの処理能力を必要とし、当該コンピューターは、例えば、燃料電池の製造会社の製品開発部に存在するものであってよい。
計算プロセスは、電気を生成する燃料電池のプロセスの計算において、電流、及び、別の外部の水源を備える燃料電池デバイスにおいて必要である、水の流量は、既知の値として与えられるという事実に基づく。本発明の好ましい実施例による燃料電池デバイスの高い動作温度に起因して、燃料電池のプロセスの温度を既知の値として与える必要はない。その他の既知の値は、例えば天然ガスである燃料の流量、好ましくは再循環の全体の流量である。異なる化学反応に対して、各温度にて、熱力学平衡曲線が熱力学平衡モデルとして機能することを見出されることができる。本発明の好ましい実施例による燃料電池デバイスの動作では、重要な化学反応は、例えば、陰極での負の酸素イオンへの酸素の変化、及び、陽極での使用される燃料との酸素イオンの結合であり、これは、水と二酸化炭素を出す。既製の値は、燃料電池デバイスのプロセスにおける異なる温度での酸素と炭素の間の含有比に対する幾つかの最適値に対して文献において見出すことができ、これにより、炭素の形成が最小化される。文献では、異なる燃料成分に対する酸素と炭素の間の含有比に対する１つ以上の最適値を計算できる計算方法も見出せる。燃料電池のプロセスでは、プロセスが炭素形成領域の外側に留まることを保証するために、水の量の流量を高く維持することが重要である。事前計算として若しくは燃料電池のプロセスでリアルタイムに実行される計算プロセスは、既知の温度にて燃料電池のプロセスの化学反応に対する熱力学平衡モデルを算出する計算において当該与えられた既知の値を使用することによって、なされる。事前の計算では、複数の平衡曲線は、再循環の流れ値のような、種々の流れ値に対して生成されることができる。しかし、幾つかの平衡曲線を算出することは、本発明による実現が成功的なものになるために必要でない。
本発明の一実施例による計算プロセスでは、３次元（３Ｄ）マトリックスは、事前の計算により形成され、その場合、水の供給流量、燃料の供給流量及び電流がｘ、ｙ、ｚ軸であり、化学反応で生成される成分の質量比率は、前記マトリックスのｘ、ｙ、ｚ軸の要素である。変数の数及びマトリックスの次元を低減するために、例えば、多項式がシステム計算用の結果データに適用されてもよい。このようにして、本発明による燃料電池デバイスを動作させるのに必要とされる十分正確な制御データを生成することができ、制御コンピューター１１０を用いてリアルタイムの計算が可能とされる。結果データに多項式を適用することは、また、３Ｄマトリックスから電流を無くすことが可能であり、当該電流は、典型的には、瞬間的な作用により燃料電池のプロセスに影響する因子である。しかしながら、熱力学平衡モデルが燃料電池のプロセスのリアルタイムで算出されるとき、３次元マトリックスの形成は必ずしも必要でない。
本発明による次元では、制御コンピューター１１０は、再循環を実現するための手段として使用され、コンピューター上では、事前計算により生成された熱力学平衡曲線、若しくは、燃料電池のプロセスのリアルタイムで熱力学平衡モデルを算出するための熱力学平衡曲線が記録される。再循環を実現する手段１１０，１１２は、フィードバック構成で燃料を再循環させ、燃料の流量、電流及び考えられる水の流量、温度及びその他の因子の測定値を生成するために、測定手段１１２により測定することによる。酸素と炭素の間の含有比のような、燃料の組成に関して必要とされる情報は、制御コンピューター１１０による計算を介して決定される。次の段階では、制御コンピューター１１０は、当該測定値及び算出された酸素／炭素比を用いることによって再循環される燃料のリアルタイムの熱力学平衡モデル若しくは事前の熱力学平衡曲線の基づいて設定されるべき変化した値を算出するのに使用される。当該計算は、収束された状態に到達するまで反復で繰り返され、この場合、燃料の成分の計算は、十分な精度で収束されて見出されることができ、即ち、燃料電池にフィードバック構成で循環する燃料の酸素／炭素の比は、もはや計算で変化しない。最初の若しくは幾つかの反復の計算では、変化する値が生成され、これにより、燃料の成分は、燃料電池デバイスの動作中に収束するように設定されてよく、即ち、熱力学平衡モデル若しくは熱力学平衡曲線による安全限度内に留まる動作へと設定されてもよい。この動作では、燃料の酸素／炭素の含有比は、実質的な精度でその所望の値に留まる。
電流を測定することは、実際には、酸素イオンの量、即ち酸素フラックス（oxygen flux）を測定することに対応する。本発明による実現に必要とされる測定手段１１２は、従って、高価でないデバイスであり、即ち、燃料電池デバイスに関連していずれにしても必要とされるフローメータ、電流計、温度計である。燃料の組成の必要とされる情報は、酸素／炭素の比であり、これは、所定の安全限度に基づいて変換ステージにて算出される。各燃料の循環の間の時間差は、例えば、２０ｍｓであってよいが、これに限定されない。
燃料電池のプロセスの温度が変化するとき、燃料電池デバイスの動作は、新たな変化した温度に対応する熱力学平衡曲線若しくは平衡モデルへの新たな変換ステージにより制御コンピューター１００を用いて調整される。本発明の好ましい実施例では、しかしながら、これは、ＳＯＦＣ燃料電池デバイスの高い動作温度に起因して必要でない。むしろ、新たな変換ステージは、変化が燃料の流量、電流若しくは考えられる外部に配置された水の流量において生じたときに、ＳＯＦＣで問題となる。このようにして、燃料電池デバイスの動作は、変化が生じたときでも安全限度内に留まる。本発明による変換ステージは、迅速に実行されることができ、従って、燃料電池デバイスの電気エネルギ生成プロセスと関連して実行されることができる。
本発明による燃料電池デバイスは、例えば７５０℃の動作温度にて、１ＭＶ若しくはそれ未満の出力率で電気を生成することができ（しかしながら、当該温度及び出力率に限定されることない）、電源システム、及び、燃料電池デバイスの動作から放出される熱エネルギを回収する別の加熱ネットワークの双方に接続されてもよい。
上述では、本発明は、図面を参照して説明されているが、本発明は、説明や図面に限定されることはなく、添付の請求項の範囲で特定される限定内で修正されてもよい。
Claims (10)
- 電気エネルギを生成するＳＯＦＣ燃料電池デバイス構造であって、
少なくとも１つの燃料電池陽極、陰極、前記陽極と前記陰極の間でイオンを搬送する電解質、及び、前記陽極から前記陰極へ移動する電子のための前記電解質とは別の通路を含み、
燃料のフィードバック再循環のために化学反応の熱力学平衡に基づく１つ以上の熱力学平衡モデルを算出する算出手段と、
前記燃料電池の陽極を通ってフィードバック構成の燃料を再循環させることによって再循環を実現し、少なくとも電流の測定値及び再循環における燃料流量の測定値を生成し、計算を介して燃料の組成を判断し、前記測定値及び燃料の組成を用いることにより循環されるべき燃料に対する熱力学平衡モデルに基づいて設定される燃料の組成に関する設定値を求める手段とを含み、
前記燃料電池デバイスに対して、炭素の形成を防止する制御構成が実現され、
該制御構成は、
前記電流及び前記燃料流量の前記測定値の生成を介して前記電流及び前記燃料流量の少なくとも１つに実質的な変化が生じたときに、温度値の変化を無視しつつ、前記設定値を生成するための該計算を繰り返す手段と含み、該繰り返しにより、燃料の組成の計算は、十分な精度で収束されるように求めることができ、また、該設定値を使用することにより、前記燃料電池デバイスの動作は、前記熱力学平衡モデルにより炭素の形成に関する所定限度内に留まるように設定されることができる、燃料電池デバイス構造。 - 前記制御構成は、事前の計算により生成される熱力学平衡曲線として熱力学平衡モデルを算出する算出手段を含む、請求項１に記載の燃料電池デバイス構造。
- 燃料は、炭化水素を含む化合物からなる、請求項１に記載の燃料電池デバイス構造。
- 前記制御構成は、前記燃料電池のプロセスの１つ以上の温度での炭素の形成を防止する観点で炭素と酸素の間の最適な含有比に基づいて前記熱力学平衡曲線を算出する算出手段を含む、請求項２に記載の燃料電池デバイス構造。
- 前記制御構成は、水の供給流量、燃料の供給流量及び電流がｘ、ｙ、ｚ軸である３次元マトリックスを形成する算出手段を含み、化学反応で生成される成分の質量比率は、前記マトリックスのｘ、ｙ、ｚ軸の要素である、請求項２に記載の燃料電池デバイス構造。
- ＳＯＦＣ燃料電池技術により電気エネルギを生成する方法であって、該方法では、イオンは、燃料電池の陽極と陰極の間の電解質を通って搬送され、電子は、前記電解質とは別の通路を介して陽極から陰極まで搬送され、
化学反応の熱力学平衡に基づく１つ以上の熱力学平衡モデルが燃料のフィードバック再循環のために算出され、
少なくとも電流の測定値及び再循環における燃料流量の測定値を生成し、計算を介して燃料の組成を判断し、前記測定値及び燃料の組成を用いることにより循環されるべき燃料に対する熱力学平衡モデルに基づいて設定される燃料の組成に関する設定値を算出することによって、燃料の再循環が燃料電池陽極を介したフィードバック構成において実現され、
該方法において、次の方法フェーズが、炭素の形成を防止するために実行される：
・前記電流及び前記燃料流量の前記測定値の生成を介して前記電流及び前記燃料流量の少なくとも１つに実質的な変化が生じたときに、温度値の変化を無視しつつ、前記設定値を生成するための前記計算を繰り返し、該繰り返しにより、燃料の組成の計算は、十分な精度で収束されるように求めることができ、また、該設定値を使用することにより、前記燃料電池デバイスの動作は、前記熱力学平衡モデルにより炭素の形成に関する所定限度内に留まるように設定される、方法。 - 熱力学平衡モデルは、事前の計算により生成される熱力学平衡曲線により算出される、請求項６に記載の方法。
- 燃料は、炭化水素を含む化合物からなる、請求項６に記載の方法。
- 前記熱力学平衡曲線は、前記燃料電池のプロセスの１つ以上の温度での炭素の形成を防止する観点で炭素と酸素の間の最適な含有比に基づいて算出される、請求項７に記載の方法。
- ３次元マトリックスが計算により形成され、水の供給流量、燃料の供給流量及び電流がｘ、ｙ、ｚ軸であり、化学反応で生成される成分の質量比率は、前記マトリックスのｘ、ｙ、ｚ軸の要素である、請求項７に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20085718A FI121864B (fi) | 2008-07-10 | 2008-07-10 | Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteeseen |
| FI20085718 | 2008-07-10 | ||
| PCT/FI2009/050503 WO2010004083A1 (en) | 2008-07-10 | 2009-06-11 | A method and a control arrangement for a fuel cell device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2011527496A JP2011527496A (ja) | 2011-10-27 |
| JP5645818B2 true JP5645818B2 (ja) | 2014-12-24 |
Family
ID=39677599
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2011517183A Active JP5645818B2 (ja) | 2008-07-10 | 2009-06-11 | 燃料電池デバイス用の方法及び制御構成 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20110165486A1 (ja) |
| EP (1) | EP2311125A4 (ja) |
| JP (1) | JP5645818B2 (ja) |
| KR (1) | KR101553429B1 (ja) |
| CN (1) | CN102089913B (ja) |
| FI (1) | FI121864B (ja) |
| WO (1) | WO2010004083A1 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FI122713B (fi) | 2010-06-16 | 2012-06-15 | Waertsilae Finland Oy | Polttokennojärjestelmän säätöjärjestely ja -menetelmä |
| DE102011087802A1 (de) | 2011-12-06 | 2013-06-06 | Robert Bosch Gmbh | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb desselben |
| DE102011088120A1 (de) * | 2011-12-09 | 2013-06-13 | Robert Bosch Gmbh | Brennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen Betrieb |
| CN106910912B (zh) * | 2015-12-18 | 2020-06-30 | 通用电气公司 | 燃料电池系统及其操作方法及燃料电池发电厂 |
| 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 |
| CN108091907B (zh) * | 2016-11-22 | 2020-09-25 | 通用电气公司 | 燃料电池系统及其停机方法 |
| WO2018212214A1 (ja) * | 2017-05-18 | 2018-11-22 | 株式会社デンソー | 燃料電池システム |
| CN108649246A (zh) * | 2018-05-15 | 2018-10-12 | 张凯 | 燃料水解气化发电装置及发电效率预测方法 |
| DE102020116211A1 (de) | 2020-06-19 | 2021-12-23 | Audi Aktiengesellschaft | Brennstoffzellensystem mit interpolationsbasierter Anodengaszuführung |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6682835B2 (en) | 2000-12-22 | 2004-01-27 | Utc Fuel Cells, Llc | Method and apparatus for increasing the operational efficiency of a fuel cell power plant |
| JP3614110B2 (ja) | 2001-02-21 | 2005-01-26 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| JP2003288920A (ja) * | 2002-03-27 | 2003-10-10 | Toto Ltd | 燃料電池システム |
| JP4467925B2 (ja) * | 2003-08-08 | 2010-05-26 | 日本電信電話株式会社 | 燃料電池発電システムの制御法とその制御法を実現する制御プログラムとその制御プログラムを記録した記録媒体 |
| JP2005149979A (ja) * | 2003-11-18 | 2005-06-09 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 燃料電池用燃料の改質方法および燃料電池システム |
-
2008
- 2008-07-10 FI FI20085718A patent/FI121864B/fi not_active IP Right Cessation
-
2009
- 2009-06-11 CN CN200980126468.2A patent/CN102089913B/zh active Active
- 2009-06-11 JP JP2011517183A patent/JP5645818B2/ja active Active
- 2009-06-11 KR KR1020117003101A patent/KR101553429B1/ko active IP Right Grant
- 2009-06-11 EP EP09793989.6A patent/EP2311125A4/en not_active Withdrawn
- 2009-06-11 WO PCT/FI2009/050503 patent/WO2010004083A1/en active Application Filing
-
2011
- 2011-01-07 US US12/986,581 patent/US20110165486A1/en not_active Abandoned
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102089913A (zh) | 2011-06-08 |
| US20110165486A1 (en) | 2011-07-07 |
| EP2311125A4 (en) | 2014-07-23 |
| FI121864B (fi) | 2011-05-13 |
| KR101553429B1 (ko) | 2015-09-15 |
| FI20085718A (fi) | 2010-01-11 |
| EP2311125A1 (en) | 2011-04-20 |
| WO2010004083A1 (en) | 2010-01-14 |
| CN102089913B (zh) | 2014-09-24 |
| KR20110031228A (ko) | 2011-03-24 |
| JP2011527496A (ja) | 2011-10-27 |
| FI20085718A0 (fi) | 2008-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5645818B2 (ja) | 燃料電池デバイス用の方法及び制御構成 | |
| Iwai et al. | Numerical simulation of intermediate-temperature direct-internal-reforming planar solid oxide fuel cell | |
| Ni | Thermo-electrochemical modeling of ammonia-fueled solid oxide fuel cells considering ammonia thermal decomposition in the anode | |
| Suther et al. | Effects of operating and design parameters on the performance of a solid oxide fuel cell–gas turbine system | |
| Ameri et al. | Simulation of an atmospheric SOFC and gas turbine hybrid system using Aspen Plus software | |
| De Simon et al. | Simulation of process for electrical energy production based on molten carbonate fuel cells | |
| Grasser et al. | A fully analytical PEM fuel cell system model for control applications | |
| Li et al. | Two-dimensional dynamic simulation of a direct internal reforming solid oxide fuel cell | |
| Schimanke et al. | Demonstration of a highly efficient SOFC system with combined partial oxidation and steam reforming | |
| Pfafferodt et al. | Stack modelling of a molten carbonate fuel cell (MCFC) | |
| KR101359318B1 (ko) | 연료 전지 시스템에서의 제어 장치 및 방법 | |
| Kregar et al. | Predictive virtual modelling framework for performance and platinum degradation modelling of high temperature PEM fuel cells | |
| Musa et al. | Operating conditions on the performances of SOFC fuelled with methane | |
| Pianko-Oprych et al. | Numerical analysis of a serial connection of two staged SOFC stacks in a CHP system fed by methane using Aspen TECH | |
| Li et al. | Assessment of thermodynamic performance of a 20 kW high‐temperature electrolysis system using advanced exergy analysis | |
| Lee et al. | A system level simulation model of SOFC systems for building applications | |
| Li et al. | Numerical simulation of a direct internal reforming solid oxide fuel cell using computational fluid dynamics method | |
| Eveloy et al. | Validation of Solid Oxide Fuel Cell Thermodynamic Models for System-level Integration | |
| Singh et al. | Analysis and Optimisation of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) | |
| Uličný et al. | System Modelling of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell and its Comparison at Extreme Loads | |
| Iliev et al. | Computational and Experimental Research on the Influence of Supplied Gas Fuel Mixture on High-Temperature Fuel Cell Performance Characteristics | |
| 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 | |
| Pourabedin et al. | Modeling and Performance Evaluation of Standalone Solid Oxide Fuel Cell for aircraft APU-I: model-based steady-state performance (Reforming efficacy) | |
| JP2024042601A (ja) | 固定化システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20120214 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130725 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130730 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20131024 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140225 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20140501 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140522 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20141007 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20141104 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5645818 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |