FI123705B - Menetelmä ja järjestely maavuotovirtojen välttämiseksi polttokennojärjestelmissä - Google Patents

Menetelmä ja järjestely maavuotovirtojen välttämiseksi polttokennojärjestelmissä Download PDF

Info

Publication number
FI123705B
FI123705B FI20106334A FI20106334A FI123705B FI 123705 B FI123705 B FI 123705B FI 20106334 A FI20106334 A FI 20106334A FI 20106334 A FI20106334 A FI 20106334A FI 123705 B FI123705 B FI 123705B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
converter
fuel cell
arrangement
power
insulating
Prior art date
Application number
FI20106334A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20106334A0 (fi
FI20106334A (fi
Inventor
Kim Aastroem
Marko Laitinen
Original Assignee
Convion 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 Convion Oy filed Critical Convion Oy
Priority to FI20106334A priority Critical patent/FI123705B/fi
Publication of FI20106334A0 publication Critical patent/FI20106334A0/fi
Priority to EP11808239.5A priority patent/EP2652829B1/en
Priority to PCT/FI2011/051119 priority patent/WO2012080576A1/en
Publication of FI20106334A publication Critical patent/FI20106334A/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI123705B publication Critical patent/FI123705B/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
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04037—Electrical heating
    • 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
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • 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
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • 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
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/0494—Power, energy, capacity or load 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
    • H01M8/10—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
    • H01M8/24—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
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/40—Combination of fuel cells with other energy production systems
    • H01M2250/405—Cogeneration of heat or hot water
    • 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
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02B90/10—Applications of fuel cells in buildings
    • 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 maavuotovirtojen välttämiseksi polttoken-nojärjestelmissä
Keksinnön ala 5
Polttokennolaitteista on tulossa yleisiä erilaisiin sähköntuotannon sovellutuksiin. Polttokennolaitteet ovat elektrokemiallisia laitteita, joille syötetään reak-tioaineita sähköenergian tuottamista varten.
10 Tunnettu tekniikka
Polttokennot ovat elektrokemiallisia laitteita, joilla voidaan tuottaa sähköä korkealla käyttösuhteella ympäristöystävällisessä prosessissa. Polttokenno-teknologiaa pidetään yhtenä lupaavimmista tulevaisuuden energian tuotan-15 tomuodoista.
Kuviossa 1 esitettävä polttokenno käsittää anodipuolen 100 ja katodipuolen 102 ja elektrolyyttimateriaalin 104 niiden välillä. Polttokennolaitteisiin syötettävät reaktioaineet käyvät läpi prosessin, jossa sähköistä energiaa ja lämpöä 20 tuotetaan eksotermisessä prosessissa.
Kiinteän oksidin polttokennoissa (SOFC) happi 106 syötetään katodipuolelle 102, missä se pelkistyy negatiiviseksi happi-ioniksi vastaanottamalla elektro-r- neja katodilta. Negatiivinen happi-ioni kulkee elektrolyyttimateriaalin 104 läpi ^ 25 anodipuolelle 100, missä se reagoi polttoaineen 108 kanssa tuottaen vettä ja i -7 myös tyypillisesti hiilidioksidia (CO2). Anodin 100 ja katodin 102 välillä on ulkoinen sähköpiiri 111 elektronien e- siirtämiseksi katodille. Ulkoinen sähkö-£ piiri käsittää kuorman 110.
00
CO
g 30 Kuviossa 2 esitetään kiinteän oksidin polttokennolaite (SOFC), joka voi hyö- g dyntää polttoaineena esim. maakaasua, biokaasua, metanolia tai muita yh disteitä sisältäen vetyhiiliseoksia. Kiinteän oksidin polttokennolaite kuviossa 2 2 käsittää levymäisen muotoisia polttokennoja pinomuodostelmassa 103 (SOFC pino). Jokainen polttokenno käsittää anodin 100 ja katodin 102 rakenteen, kuten kuviossa 1 on esitetty. Osa käytetystä polttoaineesta takaisinkierräte-tään takaisinkierrätysjärjestelyssä 109 kunkin anodin kautta.
5
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 paikoissa.
10 Kierrätettävässä kaasussa oleva ylimääräinen lämpöenergia otetaan talteen yhdessä tai useammassa lämmönvaihtimessa 105 hyödynnettäväksi kiinteän oksidin polttokennolaitteessa tai ulkopuolisessa lämmöntalteenottoyksikössä. Reformeri 107 on laite, joka muuntaa polttoaineen kuten esim. maakaasun sellaiseen koostumukseen, joka on sopiva polttokennoille, kuten esim. koos- 15 tumukseen sisältäen vetyä ja metaania, hiilidioksidia, hiilimonoksidia ja reagoimattomia kaasuja. Kuitenkin jokaisessa kiinteän oksidin polttokennolaitteessa ei välttämättä ole reformeria, vaan käsittelemätön polttoaine voidaan syöttää suoraan polttokennoille 103.
20 Käyttämällä mittausvälineitä 112 (kuten virtausmittaria, sähkövirran mittaria ja lämpötilamittaria) suoritetaan kiinteän oksidin polttokennolaitteen toiminnalle välttämättömiä mittauksia anodin kautta takaisin kierrätettävästä kaasusta. Vain osa polttokennon 103 anodeilla 100 käytettävästä kaasusta ta-kaisinkierrätetään anodien kautta (kuvio 1) takaisinkierrätysjärjestelyssä, ja ° 25 siksi kuvio 2 kuvaa kaaviomaisesti jäljelle jäävän osan kaasusta poispäästön V 114 anodeilta 100.
05
CM
| Polttokennopinojen lämpötilahallinta on yksi järjestelmän tasapainolaitteiston avainfunktioista korkean lämpötilan polttokennojärjestelmässä. Polttokenno-
CO
§ 30 pinojen lämpötasapainoon vaikuttavat monet mekanismit, kuten sisäinen re- ^ formointi, polttokennoreaktiot, reaktioaineiden virtauksen mukana tapahtuva lämmönsiirto ja ympäröiviin rakenteisiin tapahtuva suora lämmönvaihto. Tyy- 3 pilliset menetelmät lämpötilatasapainon hallitsemisessa ovat sisäisen refor-moinnin nopeuden sovittaminen, ilmavirtauksen sovittaminen ja katodin si-sääntulovirtauksen lämpötilan sovittaminen.
5 Järjestelmälämmittimet voidaan toteuttaa sähköisinä lämmittiminä käsittäen lämmitysvastukset tai kaasupolttimet tai niiden yhdistelmän. Sähköisten lämmittimien etuihin kuuluvat erinomainen säädettävyys ja se, että ne voidaan sijoittaa suoraan reaktiovirtauksiin tai lämmitettäviin rakenteisiin. Sähköisten lämmittimien haittapuolena on niiden taipumus muodostaa maa-10 vuotovirtoja erityisesti korkeanlämpötilan lämmittimien kyseessä ollen. Myös polttokennopinot, jotka ovat korkeanlämpötilan sähkölaitteita, voivat muodostaa merkittäviä maa vuotovirtoja riippuen niiden reaktioaineiden syötössä olevista erityisjärjestelyistä, tukirakenteista ja kuormitusjärjestelystä.
15 Paikallaan olevissa sovelluksissa vuotovirtojen läsnäolo voi olla siedettävää ja sitä voidaan tehokkaasti vähentää valitsemalla kytkentätopologioita ja/tai aktiivisilla vuorovirtojen injektiomenetelmillä siten, että vuotovirrat kumoavat toinen toisensa. Kuitenkin laivasovellutuksissa, joissa tehonjakelu on selvästi erotettuna maasta (laivan runko), maa vuotovirtoja ei voida sietää. Tämä 20 vaatisi tyypillisesti eristysmuuntajan käyttöä koko polttokennojärjestelmässä tai, jos polttokennopinot ovat eristettyjä, muuntajan käyttöä vain sähköisille lämmittimille. Molempiin tapauksiin liittyy merkittävä lisämassa, lisäkoko ja tehon menetykset, jotka ovat erittäin epätoivottavia esimerkiksi merisovellu-tuksissa.
o ,r <m 25 i v Keksinnön lyhyt selostus
CD
C\l | Keksinnön tavoitteena on muodostaa kehittynyt järjestely, joka suojelee luo- tettavasti polttokennolaitetta vuotovirroilta käyttäen minimimäärän kom- 00 § 30 ponentteja ja minimikustannuksin. Tämä saavutetaan järjestelyllä maavuoto- ^ virtojen välttämiseksi sähköisesti lämmitetyissä polttokennojäijestelmissä, jokainen polttokenno polttokennolaitteessa käsittäen anodipuolen, katodipuo- 4
Ien, elektrolyytin anodipuolen ja katodipuolen välissä, polttokennot ollen järjestetyt polttokennopinojen muotoon, ja järjestely käsittää välineet poltto-kennojen olennaisen lämpötilainformaation määrittämiseksi. Järjestely käsittää ainakin yhden eristävän DC-DC (tasavirta-tasavirta) muuntimen pinojen 5 kuormittamiseksi, mainittu muunnin käsittäen galvaanisen eristysasteen ja tehoelektroniikan kytkentävälineet kaksisuuntaisen tehon virtauksen suorittamiseksi galvaanisen eristysasteen läpi, ainakin yhden lämmitysvastuksen yhdistettynä galvaanisen eristysasteen polttokennopinopuolelle, ja aktiiviset ohjausvälineet ainakin yhden lämmitysvastuksen modulaatio-ohjauksen suo-10 rittamiseksi, ja mainitut aktiiviset ohjausvälineet, joilla hyödynnetään välineitä kaksisuuntaisen tehovirtauksen suorittamiseksi galvaanisen eristysasteen läpi tehon syöttämiseksi ainakin yhdelle lämmitysvastukselle ylittämällä ainakin tilapäisesti polttokennopinojen tehoulostulon tasoa.
15 Keksinnön kohteena on myös menetelmä maavuotovirtojen välttämiseksi sähköisesti lämmitetyissä polttokennojärjestelmissä, joissa polttokennot järjestetään polttokennopinojen muotoon, ja jossa menetelmässä määritetään polttokennojen olennainen lämpötilainformaatio. Menetelmässä hyödynnetään ainakin yhtä eristävää DC-DC (tasavirta-tasavirta) muunninta pinojen 20 kuormittamisessa ja galvaanisen eristysasteen muodostamisessa ainakin yhdelle lämmitysvastukselle, joka on yhdistettynä galvaanisen eristysasteen polttokennopinopuolelle, ja ainakin yhden lämmitysvastuksen säätäminen järjestetään moduloinnilla, ja joka muunnin järjestetään suorittamaan kak-sisuuntainen tehon virtaus galvaanisen eristysasteen läpi tehon syöttämiseksi c3 25 ainakin yhdelle lämmitysvastukselle ylittämällä ainakin tilapäisesti v polttokennopinojen tehoulostulon tasoa.
O)
(M
| Keksintö perustuu DC-DC (tasavirta - tasavirta) muuntimen kaksisuuntaisen tehovirtauksen hyödyntämiseen polttokennolaitteessa, joka muunnin toimii
CO
§ 30 olennaisen korkeilla taajuuksilla. Tämä mahdollistaa lämmitysvastusten syöt- ^ tämisen galvaanisen eristyksen polttokennopuolelta DC (tasavirta) yhteyden 5 kautta, ja galvaanisen eritysasteen rakentamisen sekä polttokennopinoille että lämmitysvastuksille polttokennolaitteen suojelemiseksi vuotovirroilta.
Keksinnön etuna on, että saavutetaan menestyksellisesti sekä komponenttien 5 kannalta tehokas että kustannustehokas polttokennolaitteen suojaus vuoto-virtojen ongelmallisilta vaikutuksilta. Esimerkiksi merisovellutuksissa laitteiston tasapainotussäätöjärjestelmän (140) (balance-of-plant, BoP) osana käytettävien lämmitysvastusten vuotovirrat eliminoidaan tehokkaasti pois ilman, että olisi tarvetta 50/60Hz:n eristysmuuntajalle.
10
Kuvioluettelo
Kuvio 1 esittää yksittäisen polttokennon rakenteen.
15 Kuvio 2 esittää esimerkin polttokennolaitteesta.
Kuvio 3 esittää esillä olevan keksinnön mukaisen edullisen toteutusmuodon.
20 Kuvio 4 esittää esimerkin täyden sillan kytkentätopologiasta eristävässä täyden sillan DC-DC muuntimessa.
Keksinnön yksityiskohtainen selostus ° 25 Esillä olevan keksinnön mukaisessa järjestelyssä hyödynnetään eristävää DC- v DC (tasavirta-tasavirta) muunninta polttokennopinojen 103 kuormittamiseksi ja niiden toimimiseksi olennaisen korkeilla taajuuksilla, joita ovat esimerkiksi | 10-100 kHz. Mainittu muunnin on järjestetty kykeneväksi kaksisuuntaiseen tehonvirtaukseen 144 hyödyttämällä tehoelektroniikan kytkentävälineitä 137
CO
§ 30 (kuvio 3) kaksisuuntaisen tehonvirtauksen säätämiseksi muuntimen läpi.
£3 Mainitut välineet 137 järjestetään esimerkiksi lisäpuolijohteilla, lisäsäätöelek- troniikalla ja tehoelektroniikan kytkimillä. DC-DC muunnin käsittää luontaises- 6 ti galvaanisen eristysasteen, jota sellaisena voidaan hyödyntää eristyksen muodostamiseksi ainakin yhdelle lämmitysvastukselle edellyttäen, että koko-naistehomitoitusta (mihinkään suuntaan) eristysasteessa ei tarvitse lisätä. Täten mainittu ainakin yksi lämmitysvastus sallitaan sijoitettavaksi polttoken-5 nopuolelle rinnakkaisesti polttokennojen kanssa. Näin ollen mainittu ainakin yksi lämmitysvastus hyödyntää samaa galvaanista eristystä kuin polttoken-nopinot minimilisäyksellä komponenttimäärässä ja kustannuksissa verrattuna yksisuuntaiseen muuntimeen. Koska keksinnön mukainen muunnin järjestetään suorittamaan kaksisuuntaista tehonvirtausta lisäämällä muutama puoli-10 johdekytkin, on mahdollista syöttää enemmän tehoa muuntimesta mainittuun ainakin yhteen lämmitysvastukseen kuin kyseiset polttokennopinot 103 tuottavat esimerkiksi järjestelmän lämmityksen aikana.
Mikäli polttokennopinot jännitteen kannalta tai niiden eristysjärjestelyiden 15 kannalta joka tapauksessa vaatisivat erillisen eristysmuuntimen, eristyksestä aiheutuva lisäkustannus vähentyy lisäpuolijohteiden ja lisäsäädön kustannukseen, jotka lisäpuolijohteet ja säätö vaaditaan muodostamaan kaksisuuntainen tehonvirtaus. Tämä lisäkustannus on pieni verrattuna vastaavan yksisuuntaisen muuntimen kokonaiskustannukseen. Lisäksi ainakin yhden lämmi-20 tysvastuksen kytkeminen polttokennopinojen DC-jännitteeseen (tasavirtajän-nitteeseen) sallii lämmitysvastusten korkeataajuisen kytkentämodulaatiosää-dön, täten aiheuttaen vähemmän vääristymää polttokennojärjestelmän syöttö (AC, vaihtovirta) -jännitteeseen kuin AC-kytketyt lämmitysvastukset tunne-tun tekniikan toteutusmuodoissa. Jos lämmitysvastuksen modulaatiosäätö cv 25 integroidaan DC-DC:n muuntimeen, saavutetaan myös kustannussäästö ver- v rattuna diskreettien kiinteän tilan AC releiden käyttöön tunnetun tekniikan cv mukaisessa lämmitysvastusten kytkemisessä. Ainakin yhden lämmitysvastuk- | sen modulaatiosäätö, toisin sanoen lämmitysvastuksen käyttöasteen säätö, suoritetaan aktiivisilla säätövälineillä 136 (kuvio 3), jotka ovat esimerkiksi
CO
§ 30 prosessoriohjattavia kytkentävälineitä 136 suorittamalla esimerkiksi mainitun ^ ainakin yhden lämmitysvastuksen pulssinleveysmodulaatio (PWM) säätö tai pulssitaajuusmodulaatio (PFM) säätö. Säätöprosessori 136a voidaan muodos- 7 taa analogiaelektroniikkaprosessorista ja/tai digitaalielektroniikkaprosessoris-ta. Kytkentävälineet 136b ovat esimerkiksi bipolaaritransistori-, FET transistori- tai muita transistorikytkimiä. Keksintö voidaan myös suorittaa käyttämällä yhtä kytkintä 136b. Ainakin yhden lämmitysvastuksen 138 (kuvio 3) ja DC-DC 5 muuntimen 130 (kuvio 3) säätäminen perustuu esimerkiksi polttokennojen lämpötilatietoon, joka määritetään välineillä 132 (kuvio 3), jotka välineet ovat sellainen lämpötilanmittausjärjestely, joka sopii korkeanlämpötilan olosuhteisiin esimerkiksi 100 Celsiusasteesta jopa yli 1000 Celsiusasteeseen.
10 Kuviossa 3 esitetään esillä olevan keksinnön mukainen edullinen toteutus-muoto maavuotovirtojen välttämiseksi sähköisesti lämmitetyissä polttokenno-järjestelyissä, joissa polttokennot ovat järjestettyjä polttokennopinojen 103 muotoon, jotka yhdistetään ainakin yhdessä sarjaankytkettyjen ja/tai rinnankytkettyjen polttokennopinojen ryhmässä, jotta saavutetaan sopiva jännite ja 15 virta tehomuunnokselle. Ainakin yksi polttokennopinojen 103 ryhmä yhdistetään ainakin yhteen täyden sillan eristävään DC-DC (tasavirta-tasavirta) muuntimeen 130, joka järjestetään toimimaan olennaisen korkeilla taajuuksilla, esimerkiksi 10-100 kHz. Kuviossa 4 esitetään esimerkki täyden sillan kyt-kentätopologiasta täyden sillan eristävässä DC-DC muuntimessa 130. Viite-20 numerot kuviossa 4 ovat samoja, jotka ovat myös kuviossa 3, ja täten nämä merkit ovat selitettyjä liittyen kuvioon 3. Mainittu DC-DC muunnin 130 suorittaa kytkettyjen polttokennopinojen 103 kuormitustehtäviä. Muunnin 130 käsittää galvaanisen eristysasteen 135 ja tehoelektroniikan kytkimet 137 gal-vaanisen eristyksen muodostamiseksi lämmitysvastukselle 138, jotka täten ™ 25 ovat sallittavissa sijoitettavaksi DC (tasavirta) jännitekytkennän 141 kautta $7 rinnakkaisesti polttokennopinojen 103 kanssa.
σ>
CM
| Kuten kuviossa 3 esitetään DC-DC muuntimen 130 ulostulo kytketään ainakin yhden DC-AC (tasavirta-vaihtovirta) muuntimen 134 DC-linkkiin, joka muun-
CO
§ 30 nin 134 toimii aktiivisessa etuosa moodissa, jossa se on kykenevä säilyttä- ^ mään stabiilin DC-linkkijännitteen sekä sisäänpäin suuntautuvassa että ulos päin suuntautuvassa tehonvirtauksessa. DC-DC muunnin 130 on sitten kyke- 8 neva takaisinpäin suuntautuvaan tehonvirtaukseen DC-linkistä polttokenno-pinojen jännitetasoon olennaisesti yhtäläisellä tai vähennetyllä teholäpisyöt-tökapasiteetilla verrattuna täyteen kapasiteettiin nimellistehovirtauksen suunnassa. Koska keksinnön mukainen DC-DC muunnin 130 järjestetään 5 kaksisuuntaiseen tehonvirtaukseen 144, on mahdollista syöttää enemmän tehoa mainitulle ainakin yhdelle lämmitysvastukselle 138 muuntimesta 130 kuin liittyvät polttokennopinot 103 tuottavat. Aktiivisia säätövälineitä 136 myös hyödynnetään mainitussa tehosyötössä ainakin yhdelle lämmitysvastukselle 138. DC-AC muuntimen 134 ulostulo on kytkettynä sähköverkkoon 10 145, joka hyödyntää polttokennojärjestelmää.
Kuvion 3 keksinnön edullisessa toteutusmuodossa järjestely käsittää aktiiviset säätövälineet 136 lämmitysvastusten 138 pulssinleveysmodulaation (PWM) suorittamiseksi, mainitut välineet 136 ollen edullisesti integroituina DC/DC 15 muuntimeen 130. Järjestely käsittää myös laitteiston tasapainotussäätöjärjes-telmän 140 (balance-of-plant, BoP) lämmitystehon asetusarvon määrittämiseksi. Säätöjärjestelmä 140 kommunikoi DC-DC muuntimen 130 kanssa esimerkiksi määrätäkseen lämmitystehon asetusarvon muuntimelle 130. Mainittu kommunikointi suoritetaan edullisesti saijakommunikointijäijestelyn 142 20 kautta laitteistokaapeloinnin optimoimiseksi.
On myös mahdollista järjestää aktiiviset säätövälineet 136 lämmitysvastuksen 138 modulointiin täyden sillan järjestelyssä, jotta sallitaan vaihtojännitteen -r- muodostaminen lämmitysvastukselle mahdollisen galvaanisen korroosioilmiön ^ 25 välttämiseksi.
i
(M
<3 Keksinnön yhdessä mahdollisessa toteutusmuodossa järjestely käsittää aina- | kin kaksi polttokennopinojen ryhmää, joilla ovat erilliset DC-DC muuntimet 130 kullekin mainitulle polttokennopinojen ryhmälle. Kukin muunnin on kyke-
OO
g 30 nevä syöttämään ainakin yhtä lämmitysvastusta 138, jolla on tehomitoitus g edullisesti vähemmän tai yhtä paljon kuin siihen liittyvän polttokenno- pinoryhmän mitoitettu ulostulo.
9
Vaikkakin edellä kuvioiden kanssa esitetään kiinteän oksidin polttokennolait-teita, on huomattava, että keksinnön mukaisia toteutusmuotoja voidaan hyödyntää erilaisissa polttokennolaitteissa. Keksinnön edullisessa toteutusmuodossa sähköverkoilla useimmiten tarkoitetaan esimerkiksi laivasovellutusten 5 paikallissähköjakeluverkkoa. DC-sähköä, jota polttokennolaitteella tuotetaan, syötetään mainittuun sähköverkkoon esimerkiksi kolmivaihe DC-AC muunnoksen kautta. Keksinnön mukaisia toteutusmuotoja voidaan toteuttaa monenlaisissa sähköverkkosovellutuksissa, ja täten esimerkiksi DC-AC muunnosta ei välttämättä tarvita jokaisessa sovelluksessa.
10
Vaikka keksintöä esitetään liittyen kyseessä oleviin kuvioihin ja selostukseen, ei keksintö kuitenkaan ole millään tavoin niihin rajoittunut, vaan keksintöä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten sallimissa rajoissa.
δ C\1
CM
05
CM
X
cc
CL
•*t
CO
CO
CD
O
δ
CM

Claims (16)

10
1. Järjestely maavuotovirtojen välttämiseksi sähköisesti lämmitetyissä korkean lämpötilan polttokennojärjestelmissä, jokainen polttokenno polttokenno-5 laitteessa käsittäen anodipuolen (100), katodipuolen (102), elektrolyytin (104) anodipuolen ja katodipuolen välissä, polttokennot ollen järjestetyt polt-tokennopinojen (103) muotoon, ja järjestely käsittää välineet (132) poltto-kennojen olennaisen lämpötilainformaation määrittämiseksi, tunnettu siitä, että järjestely korkean lämpötilojen polttokennojärjestelmille käsittää ainakin 10 yhden eristävän DC-DC (tasavirta-tasavirta) muuntimen (130) pinojen (103) kuormittamiseksi, mainittu muunnin käsittäen galvaanisen eristysasteen (135) ja tehoelektroniikan kytkentävälineet (137) kaksisuuntaisen tehon virtauksen (144) suorittamiseksi galvaanisen eristysasteen läpi (135), ainakin yhden lämmitysvastuksen (138) yhdistettynä galvaanisen eristysasteen polt-15 tokennopinopuolelle (103), ja aktiiviset ohjausvälineet (136) ainakin yhden lämmitysvastuksen (138) modulaatio-ohjauksen suorittamiseksi, ja mainitut aktiiviset ohjausvälineet (136), joilla hyödynnetään välineitä (137) kaksisuuntaisen tehovirtauksen (144) suorittamiseksi galvaanisen eristysasteen (135) läpi tehon syöttämiseksi ainakin yhdelle lämmitysvastukselle (138) ylittämällä 20 ainakin tilapäisesti polttokennopinojen (103) tehoulostulon tasoa, jotta estetään korkean lämpötilan polttokennojärjestelmässä esiintyvien maavuotovirtojen kulkeutuminen ulkopuolelle mainitun polttokennojärjestelmän sisäpuolelta. c3 25
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestely v käsittää mainitut aktiiviset säätövälineet (136) integroituina mainitun ainakin cv yhden eristävän DC-DC (tasavirta-tasavirta) muuntimen (130) kanssa. CC CL
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu CO § 30 ainakin yksi eristävä DC-DC (tasavirta-tasavirta) muunnin (130) on täyden ^ sillan eristävä DC-DC muunnin. 11
4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestely käsittää ainakin yhden DC-AC (tasavirta - vaihtovirta) muuntimen (134), ja ainakin yhden polttokennopinojen ryhmän kytkettynä mainittuun ainakin yhteen eristävään DC-DC (tasavirta - tasavirta) muuntimeen (130), joka on 5 kytkettynä ulostulostaan mainitun ainakin yhden DC-AC muuntimen (134) tasa vi rta I i n kki i n.
5 DC-DC muunnin (130) tehdään kykeneväksi takaisinpäin suuntautuvaan te-honvirtaukseen DC-linkistä polttokennon jännitetasoon.
5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestely käsittää DC-AC (tasavirta - vaihtovirta) muuntimen (134), joka toimii aktiivi- 10 sessa etuosamoodissa säilyttääkseen olennaisen stabiilin DC-linkkijännitteen sekä sisäänpäin suuntautuvassa että ulospäin suuntautuvassa tehonvirtauk-sessa, jotta mainittu DC-DC muunnin (130) tehdään kykeneväksi takaisinpäin suuntautuvaan tehonvirtaukseen DC-linkistä polttokennon jännitetasoon.
6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestely käsittää laitteiston tasapainotussäätöjäijestelmän (140) (balance-of-plant, BoP) lämmitystehon asetusarvon määrittämiseksi, ja mainitun säätöjärjestelmän (140), joka kommunikoi DC-DC (tasavirta-tasavirta) muuntimen (130) kanssa määrätäkseen lämmitystehon asetusarvon muuntimelle (130). 20
7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestely käsittää sarjakommunikointijäijestelyn (142) laitteiston tasapainotussäätöjär-jestelmän (140) (balance-of-plant, BoP) ja DC-DC (tasavirta-tasavirta) muun-timen (130) välillä. cv 25 C\J
8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestely o w käsittää ainakin kaksi polttokennopinojen (103) ryhmää, joilla ovat erilliset X £ DC-DC muuntimet (130), ja kukin muunnin on kykenevä syöttämään ainakin $ yhtä lämmitysvastusta, jossa kokonaistehon mitoitus on vähemmän tai yhtä CO o 30 paljon kuin siihen liittyvän polttokennopinoryhmän mitoitettu ulostulo, o CM 12
9. Menetelmä maavuotovirtojen välttämiseksi sähköisesti lämmitetyissä korkean lämpötilan polttokennojärjestelmissä, joissa polttokennot järjestetään polttokennopinojen (103) muotoon, ja jossa menetelmässä määritetään polt-tokennojen olennainen lämpötilainformaatio, tunnettu siitä, että korkean 5 lämpötilan polttokennojärjestelmän menetelmässä hyödynnetään ainakin yhtä eristävää DC-DC (tasavirta-tasavirta) muunninta (130) pinojen (103) kuormittamisessa ja galvaanisen eristysasteen (135) muodostamisessa ainakin yhdelle lämmitysvastukselle (138), joka on yhdistettynä galvaanisen eristysasteen (135) polttokennopinopuolelle (103), ja ainakin yhden lämmitys-10 vastuksen (138) säätäminen järjestetään moduloinnilla, ja joka muunnin (130) jäljestetään suorittamaan kaksisuuntainen tehon virtaus (144) galvaanisen eristysasteen (135) läpi tehon syöttämiseksi ainakin yhdelle lämmitysvastukselle (138) ylittämällä ainakin tilapäisesti polttokennopinojen (103) tehoulostulon tasoa, jotta estetään korkean lämpötilan polttokennojärjestel-15 mässä esiintyvien maavuotovirtojen kulkeutuminen ulkopuolelle mainitun polttokennojärjestelmän sisäpuolelta.
10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin yhden lämmitysvastuksen (138) modulointisäätö integroidaan ainakin yhden 20 eristävän DC-DC (tasavirta - tasavirta) muuntimen (130) toiminnan kanssa.
11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu ainakin yksi eristävä DC-DC (tasavirta-tasavirta) muunnin (130) on täyden -- sillan eristävä DC-DC muunnin. ° 25 i C\]
12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin σ> w yksi polttokennopinojen ryhmä kytketään mainittuun ainakin yhteen eristä- X £ vään DC-DC (tasavirta - tasavirta) muuntimeen (130), joka on kytkettynä ^ ulostulostaan mainitun ainakin yhden DC-AC muuntimen (134) tasavirtalink- § 30 kiin. δ (M 13
13. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että DC-AC (tasavirta - vaihtovirta) muunnin (134) toimii aktiivisessa etuosamoodissa säilyttääkseen olennaisen stabiilin DC-linkkijännitteen sekä sisäänpäin suuntautuvassa että ulospäin suuntautuvassa tehonvirtauksessa, jotta mainittu
14. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämmitystehon asetusarvo määritetään laitteiston tasapainotussäätöjärjestelmässä 10 (140) (balance-of-plant, BoP), ja mainittu säätöjärjestelmä (140) kommunikoi DC-DC (tasavirta-tasavirta) muuntimen (130) kanssa määrätäkseen lämmitystehon asetusarvon muuntimelle (130).
15. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 15 sarjakommunikointijärjestely (142) järjestetään laitteiston tasapainotussäätö-järjestelmän (140) (balance-of-plant, BoP) ja DC-DC (tasavirta-tasavirta) muuntimen (130) välille.
16. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 20 erilliset DC-DC muuntimet (130) jäljestetään ainakin kahdelle polttokenno-pinojen (103) ryhmälle, ja kukin muunnin on kykenevä syöttämään ainakin yhtä lämmitysvastusta (138), jossa kokonaistehon mitoitus on vähemmän tai yhtä paljon kuin siihen liittyvän polttokennopinoryhmän mitoitettu ulostulo. δ cv Cvl O) cv X X CL CO CO CD o δ cv 14
FI20106334A 2010-12-17 2010-12-17 Menetelmä ja järjestely maavuotovirtojen välttämiseksi polttokennojärjestelmissä FI123705B (fi)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20106334A FI123705B (fi) 2010-12-17 2010-12-17 Menetelmä ja järjestely maavuotovirtojen välttämiseksi polttokennojärjestelmissä
EP11808239.5A EP2652829B1 (en) 2010-12-17 2011-12-16 Method and arrangement for avoiding earth fault currents in fuel cell systems
PCT/FI2011/051119 WO2012080576A1 (en) 2010-12-17 2011-12-16 Method and arrangement for avoiding earth fault currents in fuel cell systems

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20106334 2010-12-17
FI20106334A FI123705B (fi) 2010-12-17 2010-12-17 Menetelmä ja järjestely maavuotovirtojen välttämiseksi polttokennojärjestelmissä

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20106334A0 FI20106334A0 (fi) 2010-12-17
FI20106334A FI20106334A (fi) 2012-06-18
FI123705B true FI123705B (fi) 2013-09-30

Family

ID=43415024

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20106334A FI123705B (fi) 2010-12-17 2010-12-17 Menetelmä ja järjestely maavuotovirtojen välttämiseksi polttokennojärjestelmissä

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2652829B1 (fi)
FI (1) FI123705B (fi)
WO (1) WO2012080576A1 (fi)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6186254B1 (en) * 1996-05-29 2001-02-13 Xcelliss Fuel Cell Engines Inc. Temperature regulating system for a fuel cell powered vehicle
JP2992514B1 (ja) * 1998-08-07 1999-12-20 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム技術研究組合 燃料電池の中性点接地装置
DE10102243A1 (de) * 2001-01-19 2002-10-17 Xcellsis Gmbh Vorrichtung zur Erzeugung und Verteilung von elektrischer Energie an Verbraucher in einem Fahrzeug
US8053117B2 (en) * 2004-06-09 2011-11-08 GM Global Technology Operations LLC FCPM freeze start heater
GB0615562D0 (en) * 2006-08-04 2006-09-13 Ceres Power Ltd Power supply control for power
JP5194425B2 (ja) * 2006-10-24 2013-05-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5159569B2 (ja) * 2008-11-11 2013-03-06 株式会社日立製作所 燃料電池システムおよびその制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
FI20106334A0 (fi) 2010-12-17
EP2652829B1 (en) 2015-05-20
FI20106334A (fi) 2012-06-18
EP2652829A1 (en) 2013-10-23
WO2012080576A1 (en) 2012-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhu et al. The influence of current collection on the performance of tubular anode-supported SOFC cells
US9455466B2 (en) Method and arrangement for improved controllability of fuel cell stacks
US10714783B2 (en) Integrated fuel cell systems
KR20070120865A (ko) 연료 전지 발전 시스템
EP3595067B1 (en) Multi-stack fuel cell systems and heat exchanger assemblies
US8890365B2 (en) Fuel cell device and method for feeding electrical current to electrical network
JP4934950B2 (ja) 燃料電池発電装置および運転制御方法
US9005831B2 (en) Offset control arrangement and method for controlling voltage values in a fuel cell system
JP2011044290A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法
KR101903813B1 (ko) 고온 연료 전지 시스템의 개선된 동작을 위한 방법 및 장치
FI123705B (fi) Menetelmä ja järjestely maavuotovirtojen välttämiseksi polttokennojärjestelmissä
WO2011004057A1 (en) Method and arrangement for improved controllability of parallel coupled fuel cells
Matsuzaki et al. Long-term stability of segmented type cell-stacks developed for residential use less than 1 kW
KR20230046754A (ko) 연료전지 시스템 및 그의 전력 제어 방법
KR101387756B1 (ko) 열전소자를 갖는 다중 연료전지 운전 시스템
Ito et al. Durability Improvement of Segmented‐in‐Series Cell Stacks for Small Scale SOFCs

Legal Events

Date Code Title Description
PC Transfer of assignment of patent

Owner name: CONVION OY

FG Patent granted

Ref document number: 123705

Country of ref document: FI

Kind code of ref document: B

MM Patent lapsed