FI125987B - Menetelmä ja järjestely suojakaasujen tarpeen minimoimiseksi - Google Patents

Menetelmä ja järjestely suojakaasujen tarpeen minimoimiseksi Download PDF

Info

Publication number
FI125987B
FI125987B FI20115685A FI20115685A FI125987B FI 125987 B FI125987 B FI 125987B FI 20115685 A FI20115685 A FI 20115685A FI 20115685 A FI20115685 A FI 20115685A FI 125987 B FI125987 B FI 125987B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
fuel cell
anode
shielding
arrangement
fuel
Prior art date
Application number
FI20115685A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20115685A0 (fi
FI20115685A (fi
Inventor
Tero Hottinen
Kim Åström
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
Publication of FI20115685A0 publication Critical patent/FI20115685A0/fi
Priority to FI20115685A priority Critical patent/FI125987B/fi
Priority to IN100DEN2014 priority patent/IN2014DN00100A/en
Priority to KR1020147002734A priority patent/KR102015677B1/ko
Priority to JP2014517859A priority patent/JP6000346B2/ja
Priority to PCT/FI2012/050676 priority patent/WO2013001166A1/en
Priority to EP12762317.1A priority patent/EP2727179B1/en
Priority to CN201280032739.XA priority patent/CN103828111B/zh
Publication of FI20115685A publication Critical patent/FI20115685A/fi
Priority to US14/142,245 priority patent/US20140113162A1/en
Application granted granted Critical
Publication of FI125987B publication Critical patent/FI125987B/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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • 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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • 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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • 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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • 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
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • 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
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04634—Other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04649—Other electric variables, e.g. resistance or impedance of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—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
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
    • 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
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • 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
    • H01M8/24—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
    • 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

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

Menetelmä ja järjestely suojakaasujen tarpeen minimoimiseksiKeksinnön ala
Suurin osa maailman energiasta tuotetaan käyttäen öljyä, kivihiiltä, maakaa¬sua tai ydinvoimaa. Kaikilla näillä tuotantomenetelmillä on niiden erityisetongelmansa varsinkin kun on kyseessä esim. saatavuus ja ympäristöystävälli¬syys. Erityisesti ympäristön ollessa kyseessä varsinkin öljy ja kivihiili aiheutta¬vat saastumista niitä poltettaessa. Ydinvoiman kyseessä ollessa ongelmanaon ainakin käytetyn polttoaineen säilöminen.
Varsinkin ympäristöongelmista johtuen kehitetään uusia energianlähteitä,jotka ovat ympäristöystävällisempiä ja niillä on esim. parempi tehokkuus kuinedellä mainituilla energialähteillä. Polttokennolaitteet ovat lupaavia tulevai¬suuden energianmuunnoslaitteita, joilla polttoainetta, esim. biokaasua, muu¬tetaan suoraan sähköksi kemiallisen reaktion kautta ympäristöystävällisessäprosessissa.
Tunnettu tekniikka
Kuviossa 1 esitettävä polttokenno käsittää anodielektrodin puolen 100 ja ka-todielektrodin puolen 102 ja elektrolyyttimateriaalin 104 niiden välillä. Kutennuolet kuviossa 1 symboloivat, polttoaine 116 syötetään anodipuolelle ja ilma106 syötetään katodipuolelle, josta syystä katodielektrodia kutsutaan myös"ilmaelektrodiksi". Kiinteän oksidin polttokennoissa (SOFC) happi (toisin sa¬noen ilma 106) syötetään katodipuolelle 102 missä se pelkistyy negatiiviseksihappi-ioniksi vastaanottamalla elektroneja anodilta ulkoisen sähköpiirin 111kautta. Negatiivinen happi-ioni kulkee elektrolyyttimateriaalin 104 läpi anodi¬puolelle 100, missä se reagoi polttoaineen 116 kanssa tuottaen vettä ja myöstyypillisesti hiilidioksidia (CO2). Anodin 100 ja katodin 102 välillä on ulkoinensähköpiiri 111 käsittäen kuorman 110 polttokennolle.
Kuviossa 2 esitetään kiinteän oksidin polttokennolaite (SOFC, Solid OxideFuel Cells) esimerkkinä korkean lämpötilan polttokennolaitteesta. Kiinteänoksidin polttokennolaite voi hyödyntää polttoaineena esim. maakaasua, bio-kaasua, metanolia tai muita yhdisteitä sisältäen vetyhiiliseoksia. Kiinteän ok¬sidin polttokennolaite kuviossa 2 käsittää useamman kuin yhden, tyypillisestiuseita polttokennoja pinomuodostelmassa 103 (SOFC pino). Jokainen poltto-kenno käsittää anodin 100 ja katodin 102 rakenteen, kuten kuviossa 1 onesitetty. Osa käytetystä polttoaineesta takaisinkierrätetään takaisinkierrätys-järjestelyssä 109 kunkin anodin kautta.
Käyttämällä mittausvälineitä 115 (kuten virtausmittaria, sähkövirran mittariaja lämpötilamittaria) suoritetaan kiinteän oksidin polttokennolaitteen toimin¬nalle välttämättömiä mittauksia anodin kautta takaisin kierrätettävästä kaa¬susta. Vain osa anodeilla 100 käytettävästä kaasusta takaisinkierrätetäänanodien kautta takaisinkierrätysjärjestelyissä 109, ja muu osa kaasusta pois-päästetään 114 anodeilta 100.
Kuviossa 2 esitettävä kiinteän oksidin polttokennolaite käsittää myös poltto¬aineen lämmönvaihtimen 105 ja reformerin 107. Lämmönvaihtimia käytetäänohjaamaan lämpötilaolosuhteita polttokennoprosessissa ja niitä voi olla sijoit¬tuneena useampi kuin yksi kiinteän oksidin polttokennolaitteen eri paikoissa.Kierrätettävässä kaasussa oleva ylimääräinen lämpöenergia otetaan talteenyhdessä tai useammassa lämmönvaihtimessa 105 hyödynnettäväksi kiinteänoksidin polttokennolaitteessa tai ulkopuolisessa lämmöntalteenottoyksikössä.Reformed 107 on laite, joka muuntaa polttoaineen kuten esim. maakaasunsellaiseen koostumukseen, joka on sopiva polttokennoille, kuten esim. koos¬tumukseen sisältäen vetyä ja metaania, hiilidioksidia, hiilimonoksidia ja rea¬goimattomia kaasuja. Kuitenkin jokaisessa kiinteän oksidin polttokennolait¬teessa ei välttämättä ole reformeria.
Kiinteän oksidin polttokennolaite (SOFC) on sähkökemiallinen muunnoslaite,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 onkorkea toimintalämpötila, josta aiheutuvat pitkät käynnistysajat ja sekä me¬kaaniset että kemialliset yhteensopivuusongelmat. Kiinteän oksidin poltto-kennot (SOFC) toimivat lämpötiloilla 600-1000 °C.
Kiinteän oksidin polttokennon anodielektrodi sisältää tyypillisesti merkittäviämääriä nikkeliä, joka on taipuvaista muodostamaan nikkelioksidia, mikäli ilmaei ole pelkistävää. Mikäli nikkelioksidin muodostuminen on vakavaa, elektro¬din morfologiaa muutetaan palautumattomasti, mikä aiheuttaa merkittävääsähkökemiallisen aktiviteetin häviämistä tai jopa kennojen rikkoontumista.Täten SOFC järjestelmät vaativat turvakaasua, joissa on pelkistäviä aineosia(kuten vetyä laimennettuna inertillä kuten typellä), käynnistyksen ja sulkemi¬sen aikana, jotta estetään polttokennojen anodielektrodien oksidaatiota. Käy¬tännön järjestelmissä turvakaasun määrää pitää minimoida, koska suuri mää¬rä esimerkiksi paineistettua kaasua, joka sisältää vetyä, on kallista ja ongel¬mallista tilaa vaativina komponentteina.
Anodien oksidaatio voidaan estää ylläpitämällä pelkistävää ilmaa anodivirta-uksen kanavissa. Pelkistävät olosuhteet voidaan ylläpitää syöttämällä poltto¬ainetta tai muita pelkistäviä aineosia kuten vetyä sisältävää kaasua nopeudel¬la, joka on riittävä pelkistämään kaiken anodeille saapuvan hapen. Mikäli pel¬kistävällä kaasulla on korkea vetypitoisuus (tai muun vastaavan kaasun pitoi¬suus), vaadittavat virtaukset ovat suhteellisen pieniä, ja mikäli normaaliapolttoainetta voidaan käyttää, niin ei tarvita lisäkaasulähdettä. Sopivilla pro¬sessi- ja turvajärjestelyillä normaalia polttoainetta voidaan käyttää pelkistä¬vän ilman ylläpitämiseksi anodeilla normaalitoimintatiloissa kuten myös käyn¬nistämisen aikana ja ohjatun sulkemisen aikana. Kuitenkin hätäsulkutilan-teessa (ESD, emergency shutdown) johtuen esimerkiksi kaasuhälytyksestä,kaikki palavien kaasujen syöttö pitää välittömästi katkaista. Jos vetyä yhätarvitaan anodeilla, sitä pitää syöttää laimennetun seoksen muodossa, jollaon riittävän matala vetypitoisuus, jotta se ei muodosta ilman kanssa räjähtä¬ vää seosta millään sekoitussuhteilla. Vety-typpiseoksella vetypitoisuus ei saaolla korkeampi kuin 5%, jotta kyseinen kriteerio täyttyy. Tämä lisää vaaditta¬van virtaustilavuuden kaksikymmentä kertaiseksi verrattuna puhtaan vedynsyöttöön.
Tunnetun tekniikan sovellusten mukaisesti ajon aikaisten reaktioaineidenmäärä normaalin käynnistyksen tai sulkemisen aikana minimoidaan anodita-kaisinkierrätyksellä, toisin sanoen kierrättämällä käyttämätön suojakaasu ta¬kaisin kiertoon, koska on samanaikainen tarve ajonaikaisten reaktioaineidenminimointiin ja lämmitysajan minimointiin käynnistystilanteessa ja samanai¬kainen tarve ajonaikaisten reaktioaineiden minimointiin ja jäähdyttämiseensulkutilanteessa. On myös mahdollista minimoida myös käynnistyksen lämmi-tysaikaa mainitussa takaisinkierrätysprosessissa, koska myös lämpöä voidaantakaisinkierrättää yhdessä käyttämättömän kaasun kanssa. Kuitenkin hä-täsulkutilanteessa, jonka voi aiheuttaa esimerkiksi kaasuhälytys tai sähkökat¬kos, ei ole käytettävissä aktiivista takaisinkierrätystä, mikä lisää tarvittavansuojakaasun määrää. Lisäksi katodin ilmavirta ei myöskään jäähdytä järjes¬telmää hätäsulkutilanteessa, koska ilmapuhallin on oltava suljettuna, ja sitentarvittavan suojakaasun määrä jopa edelleen kasvaa, koska aika järjestelmänjäähdyttämiseen alas lämpötiloihin, joissa nikkelioksidaatiota ei tapahdu, onjopa kolminkertainen verrattuna aktiiviseen sulkutilanteeseen.
Hätäsulkutilanteessa tarvittavan kaasun kokonaismäärä määritetään ajalla,joka vaaditaan järjestelmän jäähdyttämiseen anodioksidaation lämpötilojenalapuolelle. Koska aktiivista jäähdytysmekanismia ei ole käytettävissä jääh¬dyttämisessä hätäsulkutilanteessa, jäähdytysaika voi olla jopa kymmeniä tun¬teja hyvin eristetylle järjestelmälle. Tämä aiheuttaa tarpeen suurelle suoja-kaasun varastoinnille polttokennoyksikön läheisyyteen. Lisäkustannuksenohella kaasuvarastointi lisää myös merkittävästi polttokennojärjestelmän in¬stallaation tilantarvetta. Ennen kaikkea kaasuvarastointi ja jakelulogistiikka(pullo- tai pullotelinevaihdokset) asettavat lisävaatimuksia polttokennojärjes¬telmän ympäristölle ja kustannuksen kullekin vaihdokselle. Kaikkinensa tarve massiiviselle määrälle suojakaasua (toisin sanoen turvakaasua) on merkittäväeste polttokennojärjestelmien käytettävyydelle useissa sovelluksissa.
Patenttihakemusdokumentissa US2002/028362 esitetään suojamenetelmiäanodioksidaatiolle korkean lämpötilan polttokennojäijestelmässä sulkutilan-teisssa tai polttoaineen puutostilanteissa. Yhdessä dokumentinUS2002/028362 menetelmässä säilytetään pelkistävä ilma sulan hiilen poltto-kennon anodin tai kiinteän oksidin polttokennon anodin ympärillä seuraavallatavalla: a) seuraamalla polttokennon generoimaa sähköpotentiaalia, ja b)muodostamalla ulkoinen sähköinen potentiaali polttokennon yli siten, ettäsähkövirta virtaa polttokennon läpi suuntaan, joka on vastakkainen sähkövir¬ran suunnalle polttokennon normaalitoiminnan aikana, aina kun polttokennonjänniteulostulo pienenee alle ennalta määritetyn tason. Mainittujen jännitteenpienenemisien alle ennalta määritetyn tason jälkeen käytetään ulkoista teho¬lähdettä kyseisellä käytännössä olennaisen matalalla jännitetasolla. Ainakinalhaisemmissa toimintalämpötiloissa kyseisen kaltaiset toteutusmuodot eivätonnistu estämään anodioksidaatiota. Hätäsulkutilanteissa kyseisen tyyppisiämenetelmiä ei voida sellaisenaan käyttää.
Keksinnön lyhyt selostus
Keksinnön tavoitteena on muodostaa polttokennojärjestelmä, jossa onnistu¬taan vähentämään anodioksidaation riskiä sulkutilantesissa, jotta vähenne¬tään tarvetta turvakaasuille. Tämä saavutetaan järjestelyllä suojakaasun tar¬peen minimoimiseksi korkean lämpötilan polttokennojärjestelmässä, jokainenpolttokenno polttokennojärjestelmässä käsittäen anodipuolen, katodipuolenja elektrolyytin anodipuolen ja katodipuolen välissä, ja jotka polttokennotovat jäljestettyinä polttokennopinoiksi, ja joka polttokennojäijestelmä käsit¬tää polttokennojärjestelmän putkituksen reaktionaineita varten sekä välineetpolttoaineen syöttämiseksi polttokennojen anodipuolille. Jäijestely käsittäävälineet sähköistä anodisuojausta varten syöttämällä ennalta määritetty jän¬nite erillisesti ainakin kahdelle polttokennopinolle tai polttokennopinojen ryhmille anodien oksidaation estämiseksi, energialähteen, joka on riittäväantamaan sähköistä energiaa ainakin ennalta määritetyn minimiajan maini¬tuille sähköisen anodisuojauksen välineille, välineet mainitun ennalta määri¬tetyn jännitteen pienentämiseksi, jotta rajoitetaan anodisuojavirtaa ennaltamääritettyyn maksimivirta-arvoon erillisesti ainakin kahdelle pinolle tai pino¬jen ryhmälle ja välineet mainittujen sähköisen anodisuojauksen välineidenluotettavaksi liipaisemiseksi sellaisessa tilanteessa, jossa anodioksidaatiota eivoida estää välineillä polttoaineen syöttämiseksi polttokennojen anodipuolille.
Keksinnön kohteena on myös menetelmä suojakaasujen tarpeen minimoimi¬seksi korkean lämpötilan polttokennojärjestelmässä, jossa menetelmässäpolttoainetta syötetään polttokennojen anodipuolille, ja muodostetaan ennal¬ta määritettyjä jännite ja virta-arvoja. Menetelmässä suoritetaan sähköinenanodisuojaus syöttämällä ennalta määritetty jännite erillisesti ainakin kahdel¬le polttokennopinolle tai polttokennopinojen ryhmälle anodien oksidaationestämiseksi, annetaan sähköenergiaa ainakin ennalta määritetyn minimiajanverran mainitun sähköisen anodisuojauksen suorittamiseen, pienennetäänmainittu ennalta määritetty jännite, jotta rajoitetaan anodin suojavirta ennal¬ta määritettyyn maksimi virta-arvoon erillisesti ainakin kahdelle polttokenno¬pinolle tai polttokennopinojen ryhmälle, ja menetelmässä Hipaistaan varma-toimisesti sähköisen anodisuojauksen suorittaminen sellaisessa tilanteessa,jossa anodioksidaatiota ei voida estää syöttämällä polttoainetta polttokenno¬jen anodipuolille.
Keksintö perustuu energialähteen hyödyntämiseen, joka on riittävä antamaansähköistä energiaa ainakin ennalta määritetyn minimiajan verran sähköiseenanodisuojaukseen syöttämällä ennalta määritetty jännite erillisesti ainakinkahdelle polttokennopinolle tai ainakin kahdelle polttokennopinojen ryhmälleanodipuolien oksidaation estämiseksi. Mainittua ennalta määritettyä jännitet¬tä käytetään rajoittamaan anodisuojauksen sähkövirtaa ennalta määritettyynmaksimivirta-arvoon erillisesti ainakin kahdelle pinolle tai ainakin kahdellepinojen ryhmälle. Lisäksi sähköistä anodisuojausta Hipaistaan luotettavasti päälle tilanteessa, jossa anodioksidaatiota ei voida estää syöttämällä poltto¬ainetta polttokennojen anodipuolille.
Keksinnön etuna on, että onnistutaan saavuttamaan merkittäviä säästöjätaloudellisissa kustannuksissa ja polttokennojärjestelmän fyysisessä koossaanodioksidaation riskin pienentämisessä hätäsulkutilanteessa.
Kuvioluettelo
Kuvio 1 esittää yksittäisen polttokennon rakenteen.
Kuvio 2 esittää esimerkin kiinteän oksidin polttokennolaitteesta (SOFC).
Kuvio 3 esittää esillä olevan keksinnön mukaisen ensimmäisen edullisentoteutusmuodon.
Kuvio 4 esittää edullisen esimerkkitoteutusmuodon polttokennopinojensähköisen anodisuojauksen välineistä
Kuvio 5 esittää esillä olevan keksinnön mukaisen toisen edullisen toteu¬tusmuodon.
Keksinnön yksityiskohtainen selostus
Kiinteän oksidin polttokennoilla (SOFC) voi olla monenlaisia geometrioita.Levymäinen geometria (kuvio 1) on tyypillinen voileipätyyppinen geometria,jota käytetään useimmiten polttokennototeutuksissa, joissa elektrolyytti 104on voileipämäisesti anodin 100 ja katodin 102 välissä. Kiinteän oksidin polt-tokennolaitteita (SOFC) voidaan myös tehdä putkimaisilla geometrioilla, jois¬sa joko ilma tai polttoaine päästetään kulkemaan putken sisäpuolella ja muukaasu päästetään kulkemaan putken ulkopuolella. Tämä voidaan myös järjes¬tää siten, että polttoaineella käytettävä kaasu päästetään kulkemaan putken sisäpuolella ja ilma päästetään kulkemaan putken ulkopuolella. Putkimainenrakenne on parempi eristämään polttoaineen ilmasta. Kuitenkin levymäisenrakenteen suorituskyky on parempi kuin putkimaisen rakenteen suorituskyky,koska levymäisellä rakenteella on vastaavasti matalampi resistanssi. Muitakiinteän oksidin polttokennolaitteiden rakenteita ovat modifioidut levymäisetpolttokennot (MPC tai MPSOFC), joissa aaltomainen rakenne korvaa perintei¬sen levymäisen polttokennon tasaisen konfiguraation. Tällaiset rakenteetovat lupaavia, koska ne omaavat sekä levymäisten kennojen (matala resis¬tanssi) ja putkimaisten kennojen edut.
Kiinteän oksidin polttokennoissa käytettävä keramiikka ei tule ilmeisen aktii¬viseksi ennekuin se saavuttaa erittäin korkean lämpötilan, ja tästä johtuenpolttokennopinot pitää lämmittää lämpötiloihin 600-1000 C°. Hapen pelkisty¬minen 106 (kuvio 1) happi-ioneiksi tapahtuu katodilla 102. Nämä ionit voi¬daan siten siirtää kiinteän oksidin elektrolyytin 104 kautta anodille 100, missäne voivat elektrokemiallisesti oksidoida polttoaineena 108 käytettävän kaa¬sun. Tässä reaktiossa muodostuvat vesi ja hiilidioksidi sivutuotteena kutenmyös kaksi elektronia. Nämä elektronit kulkevat ulkopuolisen piirin 111 kaut¬ta, missä ne voidaan hyödyntää sähkövirran tuottamiseksi. Tämä kierros sit¬ten toistuu, kun kyseiset elektronit tulevat katodimateriaaliin 102 takaisin.
Suurissa kiinteän oksidin polttokennojärjestelmissä tyypilliset polttoaineetovat luonnonkaasu (enimmäkseen metaania), erilaiset biokaasut (enimmäk¬seen typpeä ja/tai hiilidioksidilla laimennettua metaania) ja muita korkeampiahiilivetyjä sisältäviä polttoaineita mukaan lukien alkoholit. Polttoainetta syöte¬tään anodipuolelle välineillä 108 (kuvioissa 2, 3, 5) polttoaineen syöttämisek¬si, mainitut välineet käsittäen välttämättömän yhteysputkituksen polttoaineenlähteestä, joka sisältää polttoainetta, polttokennojen 103 anodipuolille 100.Metaani ja korkeammat hiilivedyt pitää reformoida joko reformeissa 107 (ku¬vio 2) ennen niiden sisäänsyöttöä polttokennopinoille 103 tai (osittaisesti)sisäisesti polttokennopinoissa 103. Reformointireaktiot vaativat tietyn määränvettä, ja lisävettä tarvitaan myös estämään mahdollinen hiilenmuodostumi- nen (koksaantuminen), joka aiheutuu metaanista ja erityisesti korkeammistahiilivedyistä. Tämä vesi voidaan muodostaa sisäisesti kierrättämällä anodi-kaasun päästövirtausta, koska vettä tuotetaan suurissa määrin polttokenno-reaktiossa, ja/tai mainittua vettä voidaan muodostaa myös erillisestä vesi-syötöstä (esimerkiksi suorasta tuorevedensyötöstä tai päästökondensaatinkierrätyksestä). Anoditakaisinkierrätyksen järjestelyllä myös osa käyttämät¬tömästä polttoaineesta ja laimennusaineet anodikaasussa syötetään takaisinprosessiin, kun taas erillisen vesisyötön järjestelyssä ainut lisäys prosessiinon vesi.
Esillä olevan keksinnön mukaiset toteutusmuodot oksidaation estämiseksianodeilla järjestetään ylläpitämällä sopivaa sähkökenttää kennoilla, mikä es¬tää nikkelioksidaatioreaktion tapahtumasta. Mainitun kentän ylläpitämiseksipitää syöttää sähkövirtaa polttokennoille. Sähkövirran suuruus korreloi hapenmäärää, joka saapuu anodeille. Seuraavassa esitetään tekniikoita ja mene¬telmiä hyödyntää sähköistä anodisuojausta myös hätäsulkutilanteiden olo¬suhteissa.
Hätäsulkutilanteet voivat syntyä useista eri syistä sisäisesti tai ulkoisesti polt-tokennojärjestelmässä, joihin syihin mukaan lukeutuvat kaasuvuodot, verk¬kokatkokset ja kriittisten komponenttien rikkoontumiset. Esimerkiksi, koskakaasuvuodot ovat yksi potentiaalisista syistä hätäsulkutilanteiden syntymi¬seen, polttokennojärjestelmän täytyy olla räjähdysten kannalta turvallistatyyppiä.
Sähköisille laitteille tämä edellyttää vaatimusta EX-luokitukseen, vyöhykkeen2 luokitukseen (räjähtävän ilmapiirin ilmeneminen on harvinaista) tai parem¬paan luokitukseen. Mikäli sähköistä anodisuojausta käytetään hätäsulkutilan-teissa, täytyy olla osoitettuna ettei se lisää räjähdysriskiä vaikutusalttiissaosissa kuten: polttokennopinoissa, virrankeräys-ja kaapelointiosissa, sähköi¬sessä piiristössä ja energialähteessä.
Polttokennopinojen 103 kannalta sähköisen anodisuojauksen käyttäminen eivaikuta räjähdysturvallisuuteen. Riippumatta siitä, ovatko anodit suojattujasuojakaasun syötöllä tai sähköisesti, polttokennopinoilla on jännite lähelläOCV (open circuit voltage, avoimen silmukan jännite) jännitettä niin kauankuin ne pysyvät kuumina OCV:n tasot ovat tyypillisesti välillä 1V-1,15V riip¬puen pinoista ja toimintalämpötiloista. Pinojen pintalämpötilat ovat olennai¬sesti samoja ja alun perin tyypillisesti selvästi yli todennäköisesti vuotavienkaasujen itsesyttymislämpötilojen. Kun sähköinen anodisuojaus varustetaansähkövirran rajausominaisuuksilla, voi se itse asiassa vähentää ylikuumentu¬misen riskiä, joka aiheutuu paikallisista vuodoista tai oikosuluista pinoissa.Täten polttokennopinojen räjähdysturvallisuus ei ole esteenä käyttää sähköis¬tä anodisuojausta hätäsulkutilanteessa.
Virran keräämiselle soveltuu olennaisesti samanlaiset asiat kuin polttokenno-pinoille 103. Koska piiriin katkojia ei voida sijoittaa kuumaan ympäristöönpinon virrankerääjien ja kaapeloinnin kuuma osa pitää aina pinojännitteen jatäten ei ole eroa sillä asialla, käytetäänkö suojakaasutusta tai sähköistä suo¬jausta. Sähköiseen suojaukseen käytettävä virta on ainakin voimakkuudenkertalukua pienempi kuin nimelliset polttokennovirrat, jolloin vastaava kaape¬loinnin lämpötilakuorma on mitätön. Sähkövirrankeräyksen kylmille osille voi¬daan soveltaa normaaleja EX-käytäntöjä.
Kuviossa 3 esitetään esillä olevan keksinnön mukainen ensimmäinen edulli¬nen toteutusmuoto korkean lämpötilan polttokennojärjestelmässä. Sähköinenpiiristö 122, jota käytetään muodostamaan sähköistä suojausta, toisin sano¬en välineet 122 sähköisen anodisuojauksen toteuttamiseksi käsittävät edulli¬sesti välineet lähteestä 120 saatavan sähköisen energian muuntamiseksikontrolloiduksi jännitteeksi ja huippurajoitetuksi sähkövirraksi, jota syötetäänpinoille 103. Täten välineet 122 edullisesti käsittävät tehoelektroniikan piiris-tön. EX-vyöhykkeillä 1 ja 2 voidaan käyttää esimerkiksi liekkisuojattua kote¬loinpa, jotta mukaudutaan EX vaatimuksiin.
Erilaisia energianlähteitä 120 voidaan käyttää sähköisen tehon muodostami¬seen sähköistä anodisuojausta varten. Nämä vaihtoehdot mukaan lukevatpatterit (esimerkiksi lyijyhappo, litium) syöttö ulkoisesta UPS:sta tai turvalli-suussyöttö vaihtovirta- tai tasavirtalähde (esimerkiksi hätätilan tehonlähdelaivasovellutuksissa) ja varageneraattorit. Voidaan käyttää erilaisia lähteidenyhdistelmiä, esimerkiksi syöttö sähköverkosta, joka on turvavarmistettu pat¬tereilla, joita voidaan käyttää rajoitetunpituisen sähköverkon katkoksen ajan.Patterit tai hätätilan generaattori voidaan sijoittaa erillisille vaarattomalle alu¬eelle, jotta vältetään tarve EX-luokitukselle. Ainakin pattereille on saatavillaEX-hyväksyttyjä kotelointeja. Energianlähde 120 on riittävä muodostamaansähköistä energiaa ainakin ennalta määritetyn minimiajan verran mainituillevälineille 122 sähköisen anodisuojauksen muodostamiseksi. Ennalta määritet¬ty minimiaika perustuu esimerkiksi polttokennojärjestelmän laskelmiin ja/taipolttokennojärjestelmän mittauksiin ennen polttokennojärjestelmän toiminta¬prosessia tai polttokennojärjestelmän toimintaprosessin aikana.
Esillä oleva keksintö käsittää myös välineet 126 mainittujen sähköisen ano¬disuojauksen välineiden 122 luotettavaksi liipaisemiseksi tilanteessa, jossaanodioksidaatiota ei voida estää välineillä 108 polttoaineen syöttämiseksipolttokennojen 103 anodipuolelle 100. Välineet 126 Hipaisevat, ts. kytkevätsähköisen anodisuojauksen päälle. Täten välineet 126 ovat esimerkiksi lii-paisukytkin tai liipaisuelektroniikka keksinnön mukaisen liipaisuoperaationsuorittamiseksi. Käsky suorittaa liipaisuoperaatio annetaan edullisesti välineil¬le 126 tehoelektroniikan ohjausvälineitä 124 tai polttokennojänestelmän oh-jausprosessorilta.
Sähkövirran määrä, joka tarvitaan ylläpitämään vaadittavaa sähkökenttääanodilla, riippuu pinojen huoltotasosta ja maasulkuvirtojen tasosta, jne., janäihin tarkoituksiin esillä oleva keksintö esittää ratkaisuja rajoittaa virta-arvoja. Veden absoluuttinen tarve voidaan määrittää sähköisessä anodi-suojauksessa määrittämällä happivuodon määrä, ja mainitun happimääränperusteella määritetään vastaava vetymäärä. Siinä keksinnön mukaisessa prosessissa, jossa hyödynnetään yhdistettyä sähköistä anodisuojausta ja suo-jakaasutusta, tarvittavaa vetymäärää muodostetaan mainitussa määrittelyssäerityisesti niissä tilanteissa, kun käytetään vain suojakaasutusta kyseisessäprosessissa. Pessimistinen arvio sähköisessä anodisuojauksessa tarvittavallesähkövirralle, jotta saavutetaan sama suojauksen taso kuin käyttämällä vainsuojakaasua, voidaan saada olettamalla, että kaikki vety suojakaasussa kulu¬tetaan. Mainittu arvio on pessimistinen, koska vaatimuksilla suojakaasunmäärille ovat huomattavat turvamarginaalit, kun prosessissa käytetään vaintunnetun tekniikan suojakaasutusta. Turvamarginaalit ovat asetettuja johtu¬en erilaisista epävarmuustekijöistä. Varsinainen tarve vedylle olisi vähemmän,ja täten vastaavasti myös todellinen tarve sähköisessä anodisuojauksessatarvittavalle sähkövirralle olisi myös vähemmän.
Sähköisessä anodisuojauksessa käytettävä jännite pitäisi asettaa siten, ettänikkelioksidaatiota eikä myöskään hien muodostumista saa päästä tapahtu¬maan. Mainitussa lähestymistavassa esitettävät numeeriset arvot perustuvatkokeellisiin termodynaamisiin laskelmiin, jotka (tai samankaltaiset arvot) voi¬daan myös löytää kirjallisuudesta. Mikäli käytetään vakiojännitettä, sillointämä jännite pitäisi olla lähellä 1,0V. Mikäli pinojen lämpötilainformaatiota onsaatavilla, silloin tehonkulutusta voidaan vähentää vähentämällä jännitettäalas 0,8V:iin korkeissa lämpötiloissa, joissa myös sähkövirran oletetaan ole¬van korkeimpia. Yhdessä keksinnön edullisessa toteutusmuodossa tehoelekt¬roniikan säätövälineet 124 käsittävät pinoresistanssin (ASR) mittausvälineetanodisuojavirran moduloimiseksi esimerkiksi injektoimalla korkean taajuudenAC (vaihtovirta, alternating current) signaalia DC (tasavirta, direct current)signaalin päällä, jotta muodostetaan pinoresistanssi-informaatiota. Muodos¬tettua pinoresistanssi-informaatiota voidaan käyttää arvioimaan pinolämpöti-laa ja sitten sitä voidaan käyttää määrittämään sopivaa sähköisen suojauksenjännitearvoa käytettäväksi ilman tarvetta varsinaiselle lämpötilamittaukselle.Edullisesti välineet 124 muodostavat lämpötila-arvot erillisesti polttokennopi-noista 103 injektoimalla korkean taajuuden vaihtojännitesignaalia tasavirta-signaalin mukana ja sen päällä kullekin pinolle 103 tai pinojen ryhmälle pi- nospesifisen resistanssi-informaation mittaamiseksi. Sitten määritetään yksi¬löllinen lämpötilainformaatio kullekin pinolle tai pinojen ryhmälle mainitunpinospesifisen resistanssi-informaation perusteella, ja mainittua lämpötilain-formaatiota hyödynnetään virta-arvojen rajoittamisessa, joita virta-arvojakäytetään pinospesifisessä sähköisessä anodisuojauksessa.
Lisäksi ohjausvälineet 124 käsittävät välineet 124 ennalta määritetyn suoja-jännitteen vähentämiseksi jotta rajoitetaan suojavirtaa ennalta määritettyynmaksimiarvoon pinospesifisessä sähköisessä anodisuojauksessa viallisten pi¬nojen tai oikosuljettujen pinojen tapauksissa. Näissä tilanteissa mahdollinentai mahdolliset oikosuljetut pinot eivät tyhjennä koko käytettävissä olevaasuojavirtapotentiaalia, ja suojavirtaa voidaan muodostaa yhä muille pinoille,jotta estetään niiden vahingoittumista. Muut pinot voidaan täten pitää yhäkäytössä tällaisella erillisellä järjestelyllä, joka on järjestetty esillä olevan kek¬sinnön mukaisesti. Maksimisähkövirta-arvojen määrittäminen edeltä käsinperustuu ainakin pinojen 103 lämpötilainformaatioon, ja mainittu ennaltamääritys voidaan suorittaa polttokennojärjestelmän toimintaprosessin aikanatai ennen polttokennojärjestelmän toimintaprosessia. Nämä välineet 124 en¬nalta määritetyn jännitteen vähentämiseksi voidaan muodostaa yksinkertai¬sista jännitteen vähennystekniikoista tunnetun tekniikan mukaisesti tai myösmonimutkaisista jännitteen säätötekniikoista.
Kuviossa 4 esitetään edullinen esimerkinomainen toteutusmuoto välineissä122 sähköisen anodisuojauksen suorittamiseksi polttokennopinoille. Nämävälineet 122 käsittävät diodit Dl, D2, D3, D4, ensimmäiset kytkimet SI, S2,S3, S4, toiset kytkimen kl, k2, kondensaattorin Cl ja kelan LI. Diodit ja en¬simmäiset kytkimet ovat rinnakkainkytkennöissä. Nämä välineet 122 yhdiste¬tään DC-linkkiin toisen kytkimen kl kautta, polttokennopinoihin 103 toisenkytkimen k2 kautta ja energianlähteeseen 120 rinnakkainkytkennässä kon¬densaattoriin Cl. Mainitut välineet 122 toimivat pinosuojaustilassa, kun SI jaD2 ovat aktiivisia, k2 on kiinni ja kl on auki. Kun patteria käytetään energi¬anlähteenä 120, välineet 122 toimivat patterivaraustilassa, kun S3 ja D4 ovat aktiivisia, kl on kiinni ja k2 on auki. Edelleen välineet 122 toimivat transiit-tienergian puskurina, kun S4 ja D3 ovat aktiivisia, SI on kiinni ja kl on kiinni.
Yhdessä keksinnön edullisessa toteutusmuodossa välineet 122 sähköisenanodisuojauksen toteuttamiseksi, toisin sanoen tehoelektroniikan piiristö säh¬köisen anodisuojauksen toteuttamiseksi voidaan yhdistää pihoihin 103 jatku¬vasti ja ohjata käyttämällä yksittäistä päällekytkentä/poispäällekytkentä-signaalia. Välineet 122 sallivat vapauttaa vaatimuksia päätehonmuuntimen(esimerkiksi DC/DC) minimitoimintaa sähkövirrasta, joita päätehomuunnintakäytetään suojauspiiristönä, toisin sanoen välineet 122 voivat auttaa poltto-kennopinoja 103 jakamaan sähkövirtaa kuormituksen alkuvaiheissa. Riippuenpäämuuntimessa käytettävästä topologiasta, mahdollinen käynnistys korke¬ammilla sähkövirran arvoilla sallii yksinkertaista suunnittelua ja kustannus¬säästöjä.
Mikäli sähköisen anodisuojauksen teholähde 120 toteutetaan suurena patte-ripakkauksena, silloin sitä voidaan myös hyödyntää muodostamaan lisätoi-minallisuutta polttokennojärjestelmälle. Mikäli se on yhdistettynä päämuunta-jaan, voi se toimita transiittienergian puskurina sarjatoiminta muodossa jalisäksi polttokennojärjestelmä voi muodostaa UPS (Uninterruptible PowerSupply) toiminnallisuuden.
Kuviossa 5 esitetään esillä olevan keksinnön mukainen toinen edullinen to¬teutusmuoto, jossa järjestely käsittää pneumaattisen aktivointijärjestelmän130 suojakaasuoperointiin hätätilan sulkemistilanteessa, jotta minimoidaantarvetta suojakaasuille yhdessä sähköisen anodisuojausjärjestelyn kanssa,joka on esitettynä esimerkiksi liittyen kuvioon 3. Järjestely 130 suojakaa¬suoperointiin on esimerkiksi jokin suojakaasujärjestelyistä, joita esitetäänpatenttihakemuksessa FI20105196. Sellainen pneumaattinen aktivointijärjes-tely huuhteluoperointiin on edullisesti sijoitettuna korkeanlämpötilan poltto-kennojärjestelmän katodipuolelle 102, jotta vähennetään olennaisesti tarvet¬ta suojakaasulle (toisin sanoen turvakaasulle) anodipuolella hätäsulkutilan- teessä, mutta järjestelyä voidaan myös soveltaa anodipuolen 100 tai yhtäai¬kaisesti sekä anodipuolella 100 että katodi puolella 102 korkeanlämpötilanpolttokennojärjestelmässä. Tällaisella yhdistetyllä suojakaasu ja sähköisenanodisuojauksen järjestelyllä voidaan saavuttaa olennaisesti pienemmät hap-pivuodot, ja täten huomattavasti pienemmän energialähteen 120 käyttö onriittävää sähköisessä anodisuojauksessa. Erityisesti suuren volyymin poltto¬kennojärjestelmässä järjestelmä koko voidaan järjestää olennaisesti pienem¬mäksi ja taloudelliset kustannukset ovat pienemmät kuin järjestelmässä, jokakäyttää sähköistä anodisuojausta ilman mainittua suoja kaasutusta.
Vaikka keksintö on esitettynä edellä liittyen liitettyihin kuvioihin ja selostuk¬seen, ei keksintö ole kuitenkaan millään tavoin rajoittunut niihin vaan keksin¬töä voidaan muunnella patenttivaatimusten sallimissa rajoissa.

Claims (16)

1. Järjestely suojakaasun tarpeen minimoimiseksi korkean lämpötilanpolttokennojärjestelmässä, jokainen polttokenno polttokennojärjestelmässäkäsittäen anodipuolen (100), katodipuolen (102) ja elektrolyytin (104)anodipuolen ja katodipuolen välissä, ja jotka polttokennot ovat järjestettyinäpolttokennopinoiksi (103), ja joka polttokennojärjestelmä käsittääpolttokennojärjestelmän putkituksen reaktionaineita varten sekä välineet(108) polttoaineen syöttämiseksi polttokennojen anodipuolille (100),tunnettu siitä, että järjestely käsittää välineet (122) sähköistäanodisuojausta varten syöttämällä ennalta määritetty jännite erillisestiainakin kahdelle polttokennopinolle (103) tai polttokennopinojen (103)ryhmille anodien (100) oksidaation estämiseksi, varageneraattorin mainittunaenergialähteenä (120), joka on riittävä antamaan sähköistä energiaa ainakinennalta määritetyn minimiajan mainituille sähköisen anodisuojauksenvälineille (122), välineet (124) mainitun ennalta määritetyn jännitteenpienentämiseksi, jotta rajoitetaan anodisuojavirtaa ennalta määritettyynmaksimivirta-arvoon erillisesti ainakin kahdelle pinolle (103) tai pinojen (103)ryhmälle ja välineet (126) mainittujen sähköisen anodisuojauksen välineiden(122) luotettavaksi liipaisemiseksi sellaisessa tilanteessa, jossaanodioksidaatiota ei voida estää välineillä (108) polttoaineen syöttämiseksipolttokennojen anodipuolille (100), ja järjestely käsittää välineet (132)räjähdysturvallisen toiminnan muodostamiseksi räjähtävän ilman läsnäollessa, ja järjestely käsittää välineet (134) epäturvallisten välineidenluotettavaan jännitteiden poistoon.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely suojakaasun tarpeenminimoimiseksi korkean lämpötilan polttokennojärjestelmässä, tunnettusiitä, että mainittu tilanne on hätäsulkutilanne, jossa anodioksidaatiota eivoida estää välineillä (108) polttoaineen syöttämiseksi polttokennojenanodipuolille (100).
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely suojakaasun tarpeenminimoimiseksi korkean lämpötilan polttokennojärjestelmässä, tunnettusiitä, että järjestely käsittää välineet (124) lämpötila-arvojenmuodostamiseen polttokennopinoista (103) ja mainittujen ennaltamääritettyjen jännitearvojen määrittämiseen mainittujen lämpötila-arvojenfunktiona.
4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen järjestely suojakaasun tarpeenminimoimiseksi korkean lämpötilan polttokennojärjestelmässä, tunnettusiitä, että järjestely käsittää mainitut välineet (124) lämpötila-arvojenmuodostamiseen polttokennopinoista (103) pinoresistanssi-informaationperusteella, joka muodostetaan moduloimalla anodisuojavirtaa.
5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestely suojakaasun tarpeenminimoimiseksi korkean lämpötilan polttokennojärjestelmässä, tunnettusiitä, että järjestely käsittää välineet (124) lämpötila-arvojenmuodostamiseksi erillisesti polttokennopinoista (103) injektoimallakorkeataajuuksinen vaihtovirtasignaali tasavirtasignaalin mukana ja senpäällä erillisesti jokaiseen pinoon (103) tai pinoryhmiin pinospesifisenresistanssi-informaation mittaamiseksi, ja määrittämällä yksilöllinenlämpötilainformaatio jokaiselle pinolle tai pinojen ryhmälle mainitunpinospesifisen resistanssi-informaation perusteella ainakin virta-arvojenrajoittamista varten, joita virta-arvoja käytetään pinospesifisessä sähköisessäanodisuojauksessa.
6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestely suojakaasun tarpeenminimoimiseksi korkean lämpötilan polttokennojärjestelmässä, tunnettusiitä, että järjestely käsittää välineet (130) reaktioaineiden poistamiseensuojakaasutuksella hätäsulkutilanteessa, jotta minimoidaan suojakaasujentarve yhdessä patenttivaatimuksen 1 mukaisen järjestelyn kanssa.
7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely suojakaasun tarpeenminimoimiseksi korkean lämpötilan polttokennojärjestelmässä, tunnettusiitä, että järjestely käsittää olennaisen tehokkaan patteri lähteen mainittunaenergialähteenä (120) sähköisen energian antamiseksi polttokennopinojen(103) sähköiseen anodisuojaukseen, ja toimimiseen transienttienergianpuskurina erillisessä toimintatilassa ja/tai UPS (Uninterruptible Power Supply)toiminnallisuuden toteuttamiseen polttokennojärjestelmällä.
8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely suojakaasun tarpeenminimoimiseksi korkean lämpötilan polttokennojärjestelmässä, tunnettusiitä, että järjestely käsittää varageneraattorin mainittuna energialähteenä(120) sähköisen energian antamiseksi polttokennopinojen (103) sähköiseenanodisuojaukseen, ja/tai UPS (Uninterruptible Power Supply)toiminnallisuuden toteuttamiseen polttokennojärjestelmällä.
9. Menetelmä suojakaasujen tarpeen minimoimiseksi korkean lämpötilanpolttokennojärjestelmässä, jossa menetelmässä polttoainetta syötetäänpolttokennojen anodipuolille (100), ja muodostetaan ennalta määritettyjäjännite ja virta-arvoja, tunnettu siitä, että menetelmässä - suoritetaan sähköinen anodisuojaus syöttämällä ennalta määritetty jänniteerillisesti ainakin kahdelle polttokennopinolle (103) tai polttokennopinojen(103) ryhmälle anodien (100) oksidaation estämiseksi, - annetaan sähköenergiaa käyttäen varageneraattoria energialähteenä (120)ainakin ennalta määritetyn minimiajan verran mainitun sähköisenanodisuojauksen suorittamiseen, - pienennetään mainittu ennalta määritetty jännite, jotta rajoitetaan anodinsuojavirta ennalta määritettyyn maksimi virta-arvoon erillisesti ainakinkahdelle polttokennopinolle (103) tai polttokennopinojen (103) ryhmälle, - ja menetelmässä Hipaistaan varmatoimisesti sähköisen anodisuojauksensuorittaminen sellaisessa tilanteessa, jossa anodioksidaatiota ei voida estääsyöttämällä polttoainetta polttokennojen anodipuolille (100), ja muodostetaan räjähdysturvallinen toiminta räjähtävän ilman läsnä ollessa, japoistetaan luotettavasti jännitteet epäturvallisista välineistä.
10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, ettämainittu tilanne on hätäsulkutilanne, jossa anodioksidaatiota ei voida estääsyöttämällä polttoainetta polttokennojen anodipuolille (100).
11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, ettämuodostetaan lämpötila-arvot polttokennopinoista (103) ja mainitut ennaltamääritetyt jännitearvot määritetään mainittujen lämpötila-arvojen funktiona.
12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, ettämuodostetaan lämpötila-arvot polttokennopinoista (103) pinoresistanssi-informaation perusteella, joka muodostetaan moduloimalla anodisuojavirtaa.
13. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, ettämuodostetaan lämpötila-arvot erillisesti polttokennopinoista (103)injektoimalla korkeataajuuksinen vaihtovirtasignaali tasavirtasignaalinmukana ja sen päällä erillisesti jokaiseen pinoon (103) tai jokaiseenpinoryhmään pinospesifisen resistanssi-informaation mittaamiseksi, jamäärittämällä yksilöllinen lämpötilainformaatio jokaiselle pinolle tai pinojenryhmälle mainitun pinospesifisen resistanssi-informaation perusteella ainakinvirta-arvojen rajoittamista varten, joita virta-arvoja käytetäänpinospesifisessä sähköisessä anodisuojauksessa.
14. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, ettäpoistetaan reaktioaineet suojakaasutuksella hätäsulkutilanteessa, jottaminimoidaan suojakaasujen tarve yhdessä patenttivaatimuksen 1 mukaisenjärjestelyn kanssa.
15. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, ettäkäytetään olennaisen tehokasta patteri lähdettä mainittuna energialähteenä (120) sähköisen energian antamiseksi polttokennopinojen (103) sähköiseenanodisuojaukseen, ja toimimiseen transienttienergian puskurina erillisessätoimintatilassa ja/tai UPS (Uninterruptible Power Supply) toiminnallisuudentoteuttamiseen polttokennojärjestelmällä.
16. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, ettäkäytetään varageneraattoria mainittuna energialähteenä (120) sähköisenenergian antamiseksi polttokennopinojen (103) sähköiseenanodisuojaukseen, ja/tai UPS (Uninterruptible Power Supply)toiminnallisuuden toteuttamiseen polttokennojärjestelmällä.
FI20115685A 2011-06-30 2011-06-30 Menetelmä ja järjestely suojakaasujen tarpeen minimoimiseksi FI125987B (fi)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20115685A FI125987B (fi) 2011-06-30 2011-06-30 Menetelmä ja järjestely suojakaasujen tarpeen minimoimiseksi
PCT/FI2012/050676 WO2013001166A1 (en) 2011-06-30 2012-06-28 Method and arrangement for minimizing need for safety gases
KR1020147002734A KR102015677B1 (ko) 2011-06-30 2012-06-28 안전 가스들에 대한 필요를 최소화하기 위한 방법 및 장치
JP2014517859A JP6000346B2 (ja) 2011-06-30 2012-06-28 安全性ガスの必要を最小化するための方法及び装置
IN100DEN2014 IN2014DN00100A (fi) 2011-06-30 2012-06-28
EP12762317.1A EP2727179B1 (en) 2011-06-30 2012-06-28 Method and arrangement for minimizing need for safety gases
CN201280032739.XA CN103828111B (zh) 2011-06-30 2012-06-28 使对安全气体的需求最小的设备和方法
US14/142,245 US20140113162A1 (en) 2011-06-30 2013-12-27 Method and arrangement for minimizing need for safety gases

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20115685A FI125987B (fi) 2011-06-30 2011-06-30 Menetelmä ja järjestely suojakaasujen tarpeen minimoimiseksi

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20115685A0 FI20115685A0 (fi) 2011-06-30
FI20115685A FI20115685A (fi) 2012-12-31
FI125987B true FI125987B (fi) 2016-05-13

Family

ID=44206893

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20115685A FI125987B (fi) 2011-06-30 2011-06-30 Menetelmä ja järjestely suojakaasujen tarpeen minimoimiseksi

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20140113162A1 (fi)
EP (1) EP2727179B1 (fi)
JP (1) JP6000346B2 (fi)
KR (1) KR102015677B1 (fi)
CN (1) CN103828111B (fi)
FI (1) FI125987B (fi)
IN (1) IN2014DN00100A (fi)
WO (1) WO2013001166A1 (fi)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6163386B2 (ja) * 2013-08-27 2017-07-12 三菱日立パワーシステムズ株式会社 燃料電池システム、及びその保護方法
WO2015034928A1 (en) 2013-09-03 2015-03-12 Moderna Therapeutics, Inc. Chimeric polynucleotides
JP6551542B2 (ja) 2015-12-15 2019-07-31 日産自動車株式会社 燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法
EP3396764B1 (en) 2015-12-25 2020-02-05 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and fuel cell system control method
EP3396760B1 (en) 2015-12-25 2022-08-03 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and fuel cell system control method
WO2017110374A1 (ja) 2015-12-25 2017-06-29 日産自動車株式会社 燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法
BR112018068160B1 (pt) * 2016-03-11 2022-08-23 Nissan Motor Co., Ltd Método para fabricar pilha de célula de combustível
DE102016208434A1 (de) 2016-05-17 2017-11-23 Volkswagen Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Überwachen eines Brennstoffzellensystems
FR3051987B1 (fr) * 2016-05-30 2018-05-18 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Procede d'alimentation electrique d'un equipement par une station autonome hybride
US10723236B2 (en) 2016-07-29 2020-07-28 Nissan Motor Co., Ltd. Electrical vehicle system with converters to share power between fuel, cell, high voltage battery and low voltage battery
KR101947888B1 (ko) 2017-01-09 2019-02-14 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 에너지 공급 제어방법 및 제어시스템
JP6711422B2 (ja) * 2017-01-10 2020-06-17 日産自動車株式会社 燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システム
CN108346811B (zh) * 2018-01-29 2020-07-14 东南大学 用于并网型固体氧化物燃料电池的有功跟踪优化控制***
US20190245220A1 (en) * 2018-02-02 2019-08-08 Lg Fuel Cell Systems, Inc. Methods for Transitioning a Fuel Cell System between Modes of Operation
JP7125954B2 (ja) 2018-02-09 2022-08-25 日産自動車株式会社 固体酸化物形燃料電池におけるアノード層活性化方法、および固体酸化物形燃料電池システム
US10483566B2 (en) 2018-03-20 2019-11-19 Cummins Enterprise Llc Method and control sub-system for operating a power generation system having a fuel-cell
WO2021014822A1 (ja) * 2019-07-19 2021-01-28 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USB552758I5 (fi) * 1966-05-25 1900-01-01
US5338421A (en) * 1992-08-07 1994-08-16 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method of and apparatus for separation by agglomeration
AU2001289446A1 (en) 2000-09-01 2002-03-13 Fuelcell Energy, Ltd. Anode oxidation protection in a high-temperature fuel cell
US6620535B2 (en) * 2001-05-09 2003-09-16 Delphi Technologies, Inc. Strategies for preventing anode oxidation
DE10209309B4 (de) 2002-03-02 2004-03-11 Mtu Cfc Solutions Gmbh Verfahren zur Inertisierung der Anoden von Hochtemperaturbrennstoffzellen und Hochtemperaturbrennstoffzellenanordnung
US7226679B2 (en) * 2002-07-31 2007-06-05 Siemens Power Generation, Inc. Fuel cell system with degradation protected anode
JP4815733B2 (ja) * 2003-03-24 2011-11-16 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US20050123810A1 (en) * 2003-12-09 2005-06-09 Chellappa Balan System and method for co-production of hydrogen and electrical energy
JP4807000B2 (ja) * 2005-08-09 2011-11-02 トヨタ自動車株式会社 性能劣化判定装置及びその方法
JP4993293B2 (ja) * 2007-07-19 2012-08-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び移動体
JP5081542B2 (ja) * 2007-09-03 2012-11-28 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
FI122455B (fi) * 2007-10-03 2012-01-31 Waertsilae Finland Oy Polttokennolaitteisto
JP5333713B2 (ja) * 2008-04-07 2013-11-06 日産自動車株式会社 燃料電池システム、燃料電池システムに用いるプログラム、及び情報記録媒体。
US7951281B2 (en) * 2008-06-04 2011-05-31 Corning Incorporated Methods for diminishing or preventing the deposition of a metal oxide on an electrode surface
AT507763B1 (de) * 2008-12-30 2010-12-15 Fronius Int Gmbh Verfahren und vorrichtung zum austragen verbrauchter und zum teil explosionsfähiger betriebsmedien einer brennstoffzelle
FI20105196A (fi) 2010-03-01 2011-09-02 Waertsilae Finland Oy Menetelmä ja järjestely anodin hapettumisen estämiseksi

Also Published As

Publication number Publication date
JP6000346B2 (ja) 2016-09-28
FI20115685A0 (fi) 2011-06-30
EP2727179B1 (en) 2018-08-01
CN103828111B (zh) 2017-02-15
CN103828111A (zh) 2014-05-28
US20140113162A1 (en) 2014-04-24
EP2727179A1 (en) 2014-05-07
IN2014DN00100A (fi) 2015-05-15
JP2014523081A (ja) 2014-09-08
FI20115685A (fi) 2012-12-31
KR20140051283A (ko) 2014-04-30
KR102015677B1 (ko) 2019-08-28
WO2013001166A1 (en) 2013-01-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI125987B (fi) Menetelmä ja järjestely suojakaasujen tarpeen minimoimiseksi
CN103026539B (zh) 操作高温燃料电池堆之方法
KR102178667B1 (ko) 부하 시험 시스템
KR102579054B1 (ko) 데이터 센터 부하를 위한 하이브리드 dc 전력 설치
AU2010352713A1 (en) Process for operating a high temperature fuel cell stack
ZA200307951B (en) Device for emergency power supply to auxiliary components of a nuclear power plant and use method.
US6653749B2 (en) Portable power supply system and a method for providing electrical power
EP2751862A1 (en) A ventilation arrangement and method for high temperature fuel cell system
TW202213894A (zh) 具有雙向換流器之燃料電池操作方法
EP3595067A1 (en) Multi-stack fuel cell systems and heat exchanger assemblies
Vanhanen et al. Electrolyser-metal hydride-fuel cell system for seasonal energy storage
US20020160242A1 (en) Device for providing an emergency electrical supply to auxiliary components of a nuclear power station and implementation method
Kim et al. The operation results of a 125 kW molten carbonate fuel cell system
KR101418422B1 (ko) 선박용 연료전지의 단독 기동 시스템
US20220223892A1 (en) Fuel cell system
JP3602357B2 (ja) 固体高分子型燃料電池システム
US9509175B2 (en) Gas turbine power generation system comprising an emergency power supply system
FI122735B (fi) Kehittynyt polttoainejoustavuuden konfigurointi korkean lämpötilan polttokennojärjestelmissä
Münch et al. Solid oxide fuel cells as an economic approach for continuous power supply in off-grid applications
Yue et al. Towards the energy management of a fuel cell/battery vehicle considering degradation
KR200489607Y1 (ko) 연료전지 급수 순환 시스템
NL2028818B3 (en) A detachable energy storage system
KR20110037324A (ko) 연료전지용 수증기 발생장치
JP2024064683A (ja) 燃料電池発電装置
KR20140029956A (ko) 연료전지 운영 시스템 및 그 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PC Transfer of assignment of patent

Owner name: CONVION OY

FG Patent granted

Ref document number: 125987

Country of ref document: FI

Kind code of ref document: B

MM Patent lapsed