FI123291B

FI123291B - Method and control arrangement for a fuel cell device

Info

Publication number: FI123291B
Application number: FI20106241A
Authority: FI
Inventors: Tero Hottinen
Original assignee: Waertsilae Finland Oy
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2013-01-31
Also published as: FI20106241A0; WO2012069693A1; FI20106241A

Description

Menetelmä ja säätöjärjestely polttokennolaitteelle Keksinnön ala 5 Suurin osa maailman energiasta tuotetaan käyttäen öljyä, kivihiiltä, maakaasua tai ydinvoimaa. Kaikilla näillä tuotantomenetelmillä on niiden erityiset ongelmansa varsinkin kun on kyseessä esim. saatavuus ja ympäristöystävällisyys. Erityisesti ympäristön ollessa kyseessä varsinkin öljy ja kivihiili aiheuttavat saastumista niitä poltettaessa. Ydinvoiman kyseessä ollessa ongelmana 10 on ainakin käytetyn polttoaineen säilöminen.FIELD OF THE INVENTION 5 Most of the world's energy is produced using oil, coal, natural gas, or nuclear power. All of these production methods have their particular problems, especially when it comes to availability and environmental friendliness. Particularly in the case of the environment, oil and coal in particular cause pollution when they are burned. In the case of nuclear power, the problem 10 is at least the preservation of spent fuel.

Varsinkin ympäristöongelmista johtuen kehitetään uusia energianlähteitä, jotka ovat ympäristöystävällisempiä ja niillä on esim. parempi tehokkuus kuin edellä mainituilla energialähteillä. Polttokennolaitteet ovat lupaavia tulevai-15 suuden energianmuunnoslaitteita, joilla polttoainetta, esim. biokaasua, muutetaan suoraan sähköksi kemiallisen reaktion kautta ympäristöystävällisessä prosessissa.Particularly because of environmental problems, new energy sources are being developed that are more environmentally friendly and, for example, have better efficiency than the aforementioned energy sources. Fuel cell units are promising energy converters for the future, converting fuel such as biogas directly into electricity through a chemical reaction in an environmentally friendly process.

Tunnettu tekniikka 20Prior Art 20

Kuviossa 1 esitettävä polttokenno käsittää anodipuolen 100 ja katodipuolen 102 ja elektrolyyttimateriaalin 104 niiden välillä. Kiinteän oksidin polttoken-noissa (SOFC) happi 106 syötetään katodipuolelle 102 missä se pelkistyy ne-gatiiviseksi happi-ioniksi vastaanottamalla elektroneja katodilta. Negatiivinen ^ 25 happi-ioni kulkee elektrolyyttimateriaalin 104 läpi anodipuolelle 100, missä se i 7 reagoi polttoaineen 108 kanssa tuottaen vettä ja myös tyypillisesti hiilidioksi- 0 dia (CO2). Anodin 100 ja katodin 102 välillä on ulkoinen sähköpiiri 111 käsit- 1 täen kuorman 110 polttokennolle.presented in Figure 1, the fuel cell comprising an anode side 100 and the cathode 102, and electrolyte 104 between them. In solid oxide fuel choke (SOFC) oxygen 106 is supplied to cathode side 102 where it is reduced to a negative oxygen ion by receiving electrons from the cathode. The negative? 25 oxygen ion passes through the electrolyte material 104 to the anode side 100 where it reacts with fuel 108 to produce water and also typically carbon dioxide (CO2). Between the anode 100 and the cathode 102 there is an external electrical circuit 111 comprising a load 110 for the fuel cell.

C\l § 30 Kuviossa 2 esitetään kiinteän oksidin polttokennolaite esimerkkinä korkean lämpötilan polttokennolaitteesta. Kiinteän oksidin polttokennolaite voi hyödyntää polttoaineena esim. maakaasua, biokaasua, metanolia tai muita yh- 2 disteitä sisältäen vetyhiiliseoksia. Kiinteän oksidin polttokennolaite kuviossa 2 käsittää useamman kuin yhden, tyypillisesti useita polttokennoja vinomuo-dostelmassa 103 (SOFC pino). Jokainen polttokenno käsittää anodin 100 ja katodin 102 rakenteen, kuten kuviossa 1 on esitetty. Osa käytetystä polttoai-5 neesta takaisinkierrätetään takaisinkierrätysjärjestelyssä 109 kunkin anodin kautta. Kuviossa 2 esitettävä kiinteän oksidin polttokennolaite käsittää myös polttoaineen lämmönvaihtimen 105 ja reformerin 107. Lämmönvaihtimia käytetään ohjaamaan lämpötilaolosuhteita polttokennoprosessissa ja niitä voi olla sijoittuneena useampi kuin yksi kiinteän oksidin polttokennolaitteen eri 10 paikoissa. Kierrätettävässä kaasussa oleva ylimääräinen lämpöenergia otetaan talteen yhdessä tai useammassa lämmönvaihtimessa 105 hyödynnettäväksi kiinteän oksidin polttokennolaitteessa tai ulkopuolisessa lämmöntal-teenottoyksikössä. Reformed 107 on laite, joka muuntaa polttoaineen kuten esim. maakaasun sellaiseen koostumukseen, joka on sopiva polttokennoille, 15 kuten esim. koostumukseen sisältäen vetyä ja metaania, hiilidioksidia, hiilimonoksidia ja reagoimattomia kaasuja. Kuitenkin jokaisessa kiinteän oksidin polttokennolaitteessa ei välttämättä ole reformeria.Fig. 2 shows a solid oxide fuel cell device as an example of a high temperature fuel cell device. The solid oxide fuel cell device may utilize, for example, natural gas, biogas, methanol or other compounds including hydrogen carbon blends as fuel. The solid oxide fuel cell device in Figure 2 comprises more than one, typically multiple fuel cells in a skew configuration 103 (SOFC stack). Each fuel cell comprises a structure of anode 100 and cathode 102, as shown in Figure 1. Part of the spent fuel is recycled through a recycling arrangement 109 through each anode. The solid oxide fuel cell device shown in Figure 2 also comprises a fuel heat exchanger 105 and a reformer 107. The heat exchangers are used to control the temperature conditions in the fuel cell process and may be located at more than one location in the solid oxide fuel cell device. Excess heat energy contained in the recycled gas is recovered in one or more heat exchangers 105 for use in a solid oxide fuel cell or external heat recovery unit. Reformed 107 is a device that converts a fuel such as natural gas into a composition suitable for fuel cells such as hydrogen and methane, carbon dioxide, carbon monoxide, and inert gases. However, not every solid oxide fuel cell device may have a reformer.

Käyttämällä mittausvälineitä 115 (kuten virtausmittaria, sähkövirran mittaria 20 ja lämpötilamittaria) suoritetaan kiinteän oksidin polttokennolaitteen toiminnalle välttämättömiä mittauksia anodin kautta takaisin kierrätettävästä kaasusta. Vain osa anodeilla 100 käytettävästä kaasusta takaisinkierrätetään anodien kautta takaisinkierrätysjärjestelyissä 109, ja muu osa kaasusta pois-r- päästetään 114 anodeilta 100.By using measuring means 115 (such as a flow meter, an electric current meter 20, and a temperature meter), measurements necessary for the operation of the solid oxide fuel cell device are made from the gas recycled through the anode. Only a portion of the gas used by the anodes 100 is recirculated through the anodes in the recirculation arrangements 109, and the remainder of the gas is discharged 114 from the anodes 100.

cv 25 v Kiinteän oksidin polttokennolaite (SOFC) on sähkökemiallinen muunnoslaite, o joka tuottaa sähköä suoraan oksidoimalla polttoainetta. Kiinteän oksidin polt- | tokennolaitteen etuina ovat korkeat tehokkuudet, pitkän aikavälin stabiili- suus, vähäiset päästöt ja matalat kustannukset. Pääasiallisin huono puoli oncv 25 v The Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is an electrochemical conversion device that directly produces electricity by oxidizing fuel. Solid oxide burner The benefits of a cellular device are high efficiency, long-term stability, low emissions and low cost. The main downside is

(M(M

§ 30 korkea toimintalämpötila, josta aiheutuu pitkät käynnistysajat ja sekä me- ^ kaaniset että kemialliset yhteensopivuusongelmat.§ 30 high operating temperature, resulting in long start-up times and mechanical and chemical compatibility problems.

33

Polttokennolaitteen sovellutuksissa, joissa hyödynnetään biokaasua ja etenkin kaatopaikkakaasuun perustuvaa biokaasua, kaasukoostumus sisältää tavallisesti kolmea pääainesosaa, joilla ovat vaihtelevat pitoisuusarvot: metaania (CH4), hiilidioksidia (CO2) ja typpeä (N2). Tästä aiheutuu suuri haaste 5 polttokennolaitteen prosessisäädölle, jossa sekä polttoaineen hyödyntämisen aste että happi-hiili (O/C) suhde täytyy olla tarkasti säädettyjä. Tästä seuraa se vaatimus, että sekä polttoaineen syötön volumetrinen virtaus että myös polttoaineen koostumus täytyy olla tiedossa riittävällä tarkkuudella. Tunnetun tekniikan menetelmillä on erittäin vaikeaa saavuttaa kyseistä tavoitetta kus-10 tannusten kannalta edullisella tavalla, koska polttoaineen koostumus täytyy mitata esimerkiksi käyttämällä kaasukromatografia, joka on erittäin kallis. Ongelmana on myös se, että volumetriset virtausnopeusmittaukset ovat tyypillisesti erittäin herkkiä koostumusvaihteluille ilman, että sillä olisi mitään positiivista vaikutusta koostumusmittauksiin sellaisenaan.In fuel cell applications utilizing biogas, and in particular biogas based on landfill gas, the gas composition usually contains three main constituents with varying concentration values: methane (CH4), carbon dioxide (CO2) and nitrogen (N2). This poses a major challenge for process control of the fuel cell unit 5, where both the utilization rate of the fuel and the oxygen-carbon (O / C) ratio need to be precisely controlled. It follows that both the volumetric flow of the fuel feed and the composition of the fuel must be known with sufficient accuracy. It is very difficult for the prior art methods to achieve this objective in a cost-effective manner because the composition of the fuel has to be measured, for example, using gas chromatography, which is very expensive. Another problem is that volumetric flow rate measurements are typically very sensitive to composition variations without any positive effect on the composition measurements as such.

1515

Keksinnön lyhyt selostusBrief Description of the Invention

Keksinnön tavoitteena on muodostaa sellainen polttokennolaiteen säätöjär-jestely, jolla ainakin polttoaineen hyödyntämisastetta ja polttokennolaitteen 20 O/C suhdeta kohtuullisin kustannuksin ja olennaisen tarkasti. Tämä saavutetaan polttokennolaitteen säätöjärjestelyllä sellaisen polttoaineen hyödyntämiseksi, joka käsittää olennaisesti vaihtelevat ainesosien pitoisuusarvot, polttokennolaitteen jokainen polttokenno käsittäen anodipuolen ja katodipuolen ja T- elektrolyytin anodipuolen ja katodipuolen välissä, polttokennolaite käsittäen ^ 25 polttokennot polttokennopinoissa, ja välineet polttoaineen virtaamiseksi polt- v tokennojen anodipuolien kautta. Säätöjärjestely käsittää akustisen mittausyk- 0 sikön akustisten signaalien lähettämiseksi polttoainevirtaukseen lähettimillä, 1 ja vastaanottimet lähetettyjen akustisten signaalien vastaanottamiseksi polt- ^ toainevirtauksesta mittausinformaation muodostamiseksi, ja säätöjärjestelyIt is an object of the invention to provide a fuel cell device control arrangement that provides at least a reasonable cost and substantially accurate ratio between the fuel utilization rate and the fuel cell device 20 O / C. This is achieved by the fuel cell device of a control system utilizing a fuel, comprising a substantially vary from the concentration values of the components, the fuel cell device, each fuel cell comprising, between the anode side and a cathode side and T electrolyte to the anode side and the cathode side, the fuel cell device comprising ^ 25 fuel cells, fuel cell stacks, and means for fuel flow from the fuel in tokennojen through the anode side. The control arrangement comprises an acoustic measurement unit for transmitting acoustic signals to the fuel flow by transmitters 1, and receivers for receiving transmitted acoustic signals from the fuel flow for generating measurement information, and a control arrangement

CMCM

g 30 käsittää prosessointiyksikön mainitun mittausinformaation käsittelemiseksi g ainakin vastaanotettujen akustisten signaalien aikaerojen perusteella poltto aineen virtausnopeuden määrittämiseksi ja polttoaineen keskimääräisen 4 akustisen nopeusinformaation muodostamiseksi ja analysointiyksikön integroituna akustisen mittausyksikön toimintaan polttoaineen ainakin yhden ainesosan pitoisuusinformaation muodostamiseksi, jota pitoisuusinformaatiota hyödynnetään yhdessä mainitun keskimääräisen akustisen nopeusinformaati-5 on kanssa prosessoi n ti vä I i nei I lä suoritettavassa polttoaineen koostumuksen kahden muun ainesosan pitoisuuksien määrittämisessä, jotta määritetään polttoaineen koostumus ainakin polttoaineen hyödyntämisasteen ja poltto-kennolaitteen O/C suhteensäätämiseksi määritetyn polttoaineen koostumuksen ja määritetyn polttoaineen virtausnopeuden perusteella.g 30 comprises a processing unit for processing said measurement information g based on time differences between the received acoustic signals to determine the fuel flow rate and to generate an average fuel 4 acoustic rate information and an analysis unit integrated with the acoustic measurement unit to process to determine the concentration of the other two components of the fuel composition to determine the fuel composition, at least to adjust the fuel recovery rate and the fuel cell device O / C based on the determined fuel composition and the determined fuel flow rate.

1010

Keksinnön kohteena on myös polttokennolaitteen säätömenetelmä sellaisen polttoaineen hyödyntämiseksi, joka käsittää olennaisesti vaihtelevat ainesosien pitoisuusarvot, jossa menetelmässä polttokennolaitteen polttokennot ovat järjestetyt polttokennopinoiksi, ja polttoaine virtaa polttokennojen anodipuo-15 lien kautta mainituissa pinoissa. Säätömenetelmässä lähetetään lähettimillä akustiset signaalit polttoainevirtaukseen, ja lähetetyt akustiset signaalit vastaanotetaan polttoainevirtauksesta vastaanottimina mittausinformaation muodostamiseksi, jota käsitellään ainakin vastaanotettujen akustisten signaalien aikaerojen perusteella polttoaineen virtausnopeuden määrittämiseksi ja 20 polttoaineen keskimääräisen akustisen nopeusinformaation muodostamiseksi ja erillisessä polttoaineen analyysiprosessissa muodostetaan polttoaineen ainakin yhden ainesosan pitoisuusinformaatio, jota pitoisuusinformaatiota hyödynnetään yhdessä mainitun keskimääräisen akustisen nopeusinformaati-on kanssa polttoaineen koostumuksen kahden muun ainesosan pitoisuuksien ^ 25 määrittämisessä, jotta määritetään polttoaineen koostumus ainakin polttoai- v neen hyödyntämisasteen ja polttokennolaitteen O/C suhteensäätämiseksi o määritetyn polttoaineen koostumuksen ja määritetyn polttoaineen virtausno- | peuden perusteella.The invention also relates to a method for adjusting a fuel cell device for utilizing a fuel comprising substantially variable constituent concentration values, wherein the fuel cell device fuel cells are arranged in fuel cell piles and the fuel flows through the anode halves of the fuel cells. In the control method, the transmitters transmit acoustic signals to the fuel flow, and the transmitted acoustic signals are received from the fuel flow as receivers to generate measurement information processed at least based on time differences of received acoustic signals with said average acoustic velocity information to determine the concentrations of the other two components of the fuel composition to determine fuel composition to at least control the fuel recovery rate and fuel cell O / C o the determined fuel composition and the determined fuel flow rate | by size.

sj-SJ

(M(M

§ 30 Keksintö perustuu akustisen mittausyksikön ja analysointiyksikön integraati- ^ oon, jota akustista mittausyksikköä käytetään mittausinformaation muodos tamiseksi, jonka mittausinformaation perusteella määritetään polttoaineen 5 virtausnopeus ja polttoaineen keskimääräinen akustinen nopeusinformaatio, ja jota analysointiyksikköä käytetään antamaan pitoisuusinformaatio polttoaineen ainakin yhdestä ainesosasta, jota pitoisuusinformaatiota hyödynnetään yhdessä mainitun keskimääräisen akustisen nopeusinformaation kanssa polt-5 toaineen koostumuksen kahden muun ainesosan pitoisuuksien määrittämisessä, jotta määritetään polttoaineen koostumus. Ainakin polttoaineen hyödy ntä m isasteen ja polttokennolaitteen O/C suhteen säätäminen perustuu määritettyyn polttoaineen koostumukseen ja määritettyyn polttoaineen virtausnopeuteen.The invention is based on the integration of an acoustic measurement unit and an analysis unit used to generate measurement information, based on the measurement information for determining the fuel flow rate and the average fuel acoustic velocity information, and with average acoustic velocity information to determine the concentration of the other two components of the fuel composition to determine the composition of the fuel. At least adjusting the ratio of the fuel recovery to the O / C of the fuel cell is based on the specified fuel composition and the specified fuel flow rate.

1010

Keksinnön etuna on se, että saavutetaan tarkka ja taloudellinen polttokennolaitteen prosessin säätäminen analysointiyksikön ja akustisen mittausyksikön toiminnalliseen integraatioon perustuen. Vain osittaiseen polttoaineen koostumuksen mittaukseen perustuen yhdessä valinnaisten akustisten mittausten 15 kanssa voidaan määrittää esimerkiksi biokaasun sekä absoluuttinen volumet-rinen virtausinformaatio että polttoaineen koostumus.An advantage of the invention is that accurate and economical control of the fuel cell device process is achieved based on the functional integration of the analyzer unit and the acoustic unit. Based on only a partial measurement of the fuel composition, together with optional acoustic measurements 15, for example, both absolute volumetric flow information and fuel composition of the biogas can be determined.

Kuvioiden lyhyt selostus 20 Kuvio 1 yksittäisen polttokennon rakenteen.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a structure of a single fuel cell.

Kuvio 2 esittää esimerkin SOFC laitteesta.Figure 2 shows an example of a SOFC device.

Kuvio 3 esittää esillä olevan keksinnön mukaisen edullisen toteutusmuo- c3 25 don.Figure 3 shows a preferred embodiment of the present invention, c3 don.

ii

(M(M

0 Kuvio 4 esittää akustisen mittaamisen periaatteita.Figure 4 shows the principles of acoustic measurement.

CCCC

CLCL

^ Keksinnön yksityiskohtainen selostusDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

(M(M

g 30 ^ Akustiikka on monitieteinen tiede, joka käsittelee kaikkia mekaanisia aaltoja kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa mukaan lukien värähtelyn, äänen, 6 ultraäänen ja infraäänen. Mahdollinen menetelmä kaasuvirtojen ja koostumuksen samanaikaiseen mittaamiseen, jolla koostumuksella on vain kaksi pääainesosaa, on akustinen mittaus, jossa akustisia signaaleita käytetään absoluuttisen virtausnopeuden ja myös polttoaineen tiheyden määrittämisek-5 si, koska akustisen mittauksen kautta on mahdollista hankkia kahden tunnetun ainesosan suhde. Kuitenkin kolmannen ainesosan esiintyessä polttoaineessa mainittu menetelmä ei sellaisenaan ole käytettävissä. Tilanne voi olla tällainen esimerkiksi, kun käytettävänä polttoaineena on biokaasu.g 30 ^ Acoustics is a multidisciplinary science that deals with all mechanical waves in gases, liquids and solids including vibration, sound, 6 ultrasound and infrared. A possible method for simultaneously measuring gas flows and a composition having only two main constituents is acoustic measurement, in which acoustic signals are used to determine the absolute flow rate and also the density of the fuel, since it is possible to obtain the known ratio between two components. However, when the third constituent is present in the fuel, said method is not as such available. This may be the case, for example, when the fuel used is biogas.

10 Esillä olevan keksinnön mukaisessa ratkaisussa hyödynnetään sekä akustisten mittausten että polttoaineen koostumuksen analysointimittausten integraatiota, jotta saavutetaan ainakin polttoaineen hyödyntämisasteen O/C suhteen luotettava säätäminen polttokennolaitteen prosessissa. Polttoaineen koostumuksen analysointimittauksessa voidaan kiinnittää polttoaineen yksit-15 täinen ainesosan prosentuaalinen osuus, jota prosentuaalista osuutta hyödynnetään jäljellä olevien kahden ainesosan prosentuaalisten osuuksien määrittämisessä. Mainitulla vain osittaisella polttoaineen koostumuksen mittauksella integroituna akustisen mittauksen kanssa sekä absoluuttinen volymetri-nen virtaustieto että polttoaineena käytettävän biokaasun koostumus voidaan 20 määrittää polttokennolaitteen prosessisäädön tarpeita varten.The solution of the present invention utilizes the integration of both acoustic measurements and fuel composition analysis measurements to achieve at least a reliable control of the fuel utilization rate in O / C in the fuel cell device process. In the fuel composition analysis measurement, a single percentage of the fuel component can be plotted, which percentage is used to determine the percentages of the remaining two components. With said partial fuel composition measurement, when integrated with acoustic measurement, both the absolute volumetric flow information and the composition of the biogas used as fuel can be determined for process control needs of the fuel cell device.

Kuviossa 3 esitetään edullinen toteutusmuoto polttokennolaitteen säätöjär-jestelystä esillä olevan keksinnön mukaisesti. Polttokennolaite hyödyntää — polttoaineena biokaasua, joka käsittää kolme ainesosaa, joilla ovat olennai- ™ 25 sesti vaihtelevat pitoisuusarvot: metaani CH4, hiilidioksidi CO2 ja typpi N2.Figure 3 illustrates a preferred embodiment of a fuel cell device control arrangement according to the present invention. The fuel cell device utilizes - biogas as a fuel, which consists of three constituents with essentially variable concentration values: methane CH4, carbon dioxide CO2 and nitrogen N2.

-7 Polttokennot ovat järjestetyt polttokennopino 103 muodostelmiin, ja polttoai- 0 ne virtaa polttokennojen anodipuolien 100 kautta mainituissa pinoissa 103 1 käyttäen välineitä 120, jotka käsittävät esimerkiksi putket ja venttiiliraken-teet, joita tarvitaan polttoaineiden virtaamiseksi.The fuel cells are arranged in fuel cell stack 103 configurations, and the fuel flows through the fuel cell anode halves 100 in said stack 103 103 using means 120 including, for example, pipes and valve structures required for fuel flow.

C\JC \ J

§ 30 ^ Kuviossa 3 oleva säätöjärjestely käsittää akustisen mittausyksikön 122 käsit täen lähettimet 124, 125 akustisten signaalien lähettämiseksi polttoainevirta- 7 ukseen ja vastaanottimet 126, 127 akustisten signaalien vastaanottamiseksi polttoainevirtauksesta mittausinformaation muodostamista varten, säätöjär-jestely käsittää prosessointivälineet 128 mainitun mittausinformaation käsittelemiseksi perustuen vastaanotetuista akustisista signaaleista mitattuihin 5 aikaeroihin. Mainitussa käsittelyssä määritetään polttoaineen virtausnopeus ja polttoaineen keskimääräinen akustinen nopeusinformaatio. Prosessointivälineet 128 ovat analogiseen ja/tai digitaaliseen prosessoriin perustuvia välineitä, esimerkiksi tietokonemittausinformaation tallentamiseksi ja mittausinformaation käsittelemiseksi laskutoimenpiteillä ja muilla määrittelyillä.The control arrangement in Fig. 3 comprises an acoustic measuring unit 122 comprising transmitters 124, 125 for transmitting acoustic signals to a fuel flow and receivers 126, 127 for receiving acoustic signals from a fuel flow for generating measurement information, the processing means for receiving from said measurement information. to the 5 time differences measured. In said treatment, the fuel flow rate and the average fuel acoustic rate information are determined. Processing means 128 are means based on an analog and / or digital processor, for example, for storing computer measurement information and processing the measurement information by calculation and other specifications.

1010

Kuviossa 4 esitetään keksinnön edullisessa toteutusmuodossa hyödynnettäviä akustisen mittauksen pääperiaatteita. Akustinen mittausyksikkö käsittää kaksi lähetinvastaanotinyksikköä, ensimmäinen lähetinvastaanotinyksikkö 124,127 käsittäen ensimmäisen lähettimen 124 ja toisen vastaanottimen 127, ja toi-15 nen lähetinvastaanotinyksikkö 125, 126 käsittäen toisen lähettimen 125 ja ensimmäisen vastaanottimen 126. Ensimmäinen lähetin 124 lähettää akustisia signaaleita polttoainevirtaukseen virtaussuunnan suuntaisesti, ja toinen lähetin 125 lähettää akustisia signaaleita polttoainevirtaukseen virtaussuunnan vastaisesti. Ensimmäinen vastaanotin 126 vastaanottaa akustisia signaa-20 leita, jotka ovat lähetetyt ensimmäiseltä lähettimeltä 124, ja toinen vastaanotin 127 vastaanottaa akustisia signaaleita, jotka ovat lähetyt toiselta lähettimeltä 125. Seuraavissa kaavoissa tl edustaa akustisten signaaleiden mitattua kulkuaikaa ensimmäisen lähettimen 124 ja ensimmäisen vastaanottimen 126 välillä, jotka akustiset signaalit ovat lähetetyt polttoaineen virtaukseen ™ 25 virtaussuunnan suuntaisesti ensimmäiseltä lähettimeltä 124 ja vastaanotetut v ensimmäisellä vastaanottimella 126, ja t2 edustaa akustisen signaaleiden o mitattuja kulkuaikoja toisen lähettimen 125 ja toisen vastaanottimen 127 | välillä, jotka akustiset signaalit ovat lähetetyt polttoaineen virtaukseen vir- taussuunnan vastaisesti toiselta lähettimeltä 125 ja vastaanotetut toisella § 30 vastaanottimella 127: δ C\l tl = s/v'-s/v 8 t2 = s/v'+s/v , jossa s on tunnettu (eli mitattu) etäisyys ensimmäisen lähetinvastaanotin-yksikön 124, 127 ja toisen lähetinvastaanotinyksikön 125, 126 välillä, ν', on 5 akustisen signaalin nopeus polttoaineessa, ja v on polttoaineen virtausnopeus. Mainittujen kulkuaikaa tl, t2 mittausten ja etäisyyden s mittauksen jälkeen ovat tuntemattomia tekijöitä vain ν', ja v, mutta koska käytettävissä ovat mainitut kaksi yhtälöä, on helppoa laskea sekä ν', ja v käyttäen prosessoi nti välineitä 128. Mainittua tekijää ν', kutsutaan myös polttoaineen keski-10 määräiseksi akustiseksi nopeusinformaatioksi, ja ν', hyödynnetään prosessoi nti välineenä 128 suoritettavassa polttoaineen ainesosien pitoisuuksien määrittämisessä. Lähettimien 124, 125 ja vastaanottimien 126, 127 sijainnit, jotka esitetään kuviossa 4, ovat esimerkinomaisia. Esimerkiksi lähettimen ja vastaanottimen ei tarvitse sijaita samassa lähetinvastaanotinyksikössä. Lä-15 hettimet ja/tai vastaanottimet voivat myös sijaita erillisesti ja esimerkiksi polttoaineen virtauksen eri puolilla.Figure 4 illustrates the basic principles of acoustic measurement utilized in a preferred embodiment of the invention. The acoustic measurement unit comprises two transceiver units, a first transceiver unit 124,127 comprising a first transmitter 124 and a second receiver 127, and a second transceiver unit 125, 126 comprising a second transmitter 125 and a first receiver 126. The first transmitter 124 transmits acoustic signals in a flow direction transmits acoustic signals to the fuel flow against the flow direction. The first receiver 126 receives the acoustic signals transmitted from the first transmitter 124, and the second receiver 127 receives the acoustic signals transmitted from the second transmitter 125. In the following formulas, t1 represents the measured propagation time of the acoustic signals between the first transmitter 124 and the first receiver 126. the acoustic signals are transmitted to the fuel flow ™ 25 in a downstream direction from the first transmitter 124 and received v by the first receiver 126, and t2 represents the measured travel times of the acoustic signals o for the second transmitter 125 and the second receiver 127 | between the acoustic signals transmitted to the fuel flow against the flow direction from one of the transmitters 125 and received by the second § 30 receiver 127: δ C \ l tl = s / v'-s / v where s is the known (i.e. measured) distance between the first transceiver unit 124, 127 and the second transceiver unit 125, 126, ν 'is the velocity of the acoustic signal in the fuel, and v is the fuel flow rate. The said travel time t1, t2 and the measurement of distance s are only unknown factors ν 'and v, but since the two equations are available, it is easy to calculate both ν' and v using the processing means 128. The said factor ν 'is called also for the fuel average acoustic velocity information, and ν ', is utilized as a processing tool 128 in determining fuel constituent concentrations. The positions of the transmitters 124, 125 and the receivers 126, 127 shown in Figure 4 are exemplary. For example, the transmitter and receiver do not need to be on the same transceiver unit. The transmitters and / or receivers may also be located separately and, for example, on different sides of the fuel flow.

Kuviossa 3 esitettävässä edullisessa säätöjärjestelyssä integroidaan analysoi ntiyksikkö 130 akustisen mittausyksikön 122 toiminnan kanssa polttoai-20 neen yhden ainesosan pitoisuusinformaation muodostamiseksi. Analysoin-tiyksikkö 130 on edullisesi yksittäinen kaasuanalysaattori 130 polttoaineen yhden ainesosan prosentuaalisen osuuden määrittämiseksi pitoisuusinfor-maationa, jota hyödynnetään prosessointivälineillä 128 suoritettavassa polt- — toainekoostumuksen kahden muun ainesosan prosentuaalisten osuuksien ™ 25 määrittämisessä. Edullisessa toteutusmuodossa mainittu yksittäinen kaasu- C\] v analysaattori 130 on infrapunasäteilyn (IR) sensori, joka on tarkka metaani 05 ° (CH4) pitoisuusinformaation tai hiilidioksidi (CO2) pitoisuusinformaation muo-In the preferred control arrangement shown in Figure 3, the analyzing unit 130 is integrated with the operation of the acoustic measurement unit 122 to generate concentration information for one component of the fuel. Preferably, the analyzer unit 130 is a single gas analyzer 130 for determining the percentage of one fuel component as a concentration information used to determine the percentage of the other two components in the fuel composition ™ by processing means 128. In a preferred embodiment, said single gas analyzer 130 is an infrared (IR) sensor which is an accurate form of methane 05 ° (CH 4) concentration information or carbon dioxide (CO2) concentration information.

XX

£ dostamisessa. Hyötynä saavutetaan myös se, että on tarve vain yhdelle kaa- sun analysoi nti ka naval le, koska edullisessa toteutusmuodossa käytetään vain cv § 30 yhtä kaasuanalysaattoria 130.£ in giving. It is also advantageous to have only one gas analyzer for Naval, since only one gas analyzer 130 cv § 30 is used in the preferred embodiment.

^ Kuten esitetty keksinnön edullisessa toteutusmuodossa yksittäisen kaasun pitoisuusinformaatio tarkoittaa metaanin (CH4) pitoisuusinformaatiota tai hii- 9 lidioksidin (CO2) pitoisuusinformaatiota, jota hyödynnetään yhdessä keskimääräisen akustisen nopeusinformaation kanssa prosessointivälineillä 128 polttoaineen koostumuksen kahden muun ainesosan pitoisuuksien määrittämisessä, jotta saadaan määritettyä polttoaineen koostumus. Näiden määri-5 tyksien tuloksena polttoaineen hyödyntämisaste ja polttokennolaitteen O/C suhde säädetään perustuen määritettyihin polttoaineen koostumukseen ja polttoaineen virtausnopeuteen. Mainittu säätäminen suoritetaan prosessointi-välineillä 128 tai erillisellä säätöprosessoriyksiköllä.As shown in a preferred embodiment of the invention, the single gas concentration information refers to methane (CH4) concentration information or carbon dioxide (CO2) concentration information utilized in conjunction with average acoustic velocity information by processing means to determine the concentration of the other two constituents of the fuel. As a result of these determinations, the fuel utilization rate and fuel cell O / C ratio are adjusted based on the determined fuel composition and fuel flow rate. Said adjustment is performed by processing means 128 or a separate adjustment processor unit.

10 Edullinen toteutusmuoto esittää vain yhden esimerkinomaisen toteutusmuodon keksinnöstä. Keksinnön mukaiset toteutusmuodot voivat käsittää monia variaatioita. Esimerkiksi määritettyä polttoaineen virtausnopeutta voidaan hyödyntää yhdessä polttoaineen virtausvälineiden 120 halkaisijainformaation kanssa absoluuttisen volumetrisen polttoaineen virtausinformaation laskemi-15 seksi prosessointivälineillä 128. Polttokennolaitteen polttoaineen hyödyntä-misasteen ja O/C suhteensäätäminen suoritetaan perustuen määritettyihin polttoaineen koostumukseen ja polttoaineen virtausnopeuteen.The preferred embodiment illustrates only one exemplary embodiment of the invention. Embodiments of the invention may comprise many variations. For example, the determined fuel flow rate may be utilized in conjunction with the fuel flow means 120 diameter information to compute absolute volumetric fuel flow information by processing means 128. The fuel cell utilization rate and O / C ratio adjustment is based on the determined fuel.

Kun polttoaineena on esimerkiksi biokaasu, joka käsittää ainakin metaania 20 (CH4), hiilidioksidia (CO2), typpeä (N2) ja happea (O2) mainittuina ainesosina, joilla ovat olennaisesti vaihtelevat pitoisuusarvot, keksinnön mukainen toteutusmuoto voi käsittää kaksi yksittäistä kaasuanalysaattoria 130, joista kukin määrittää niille nimettyjen ainesosien prosentuaaliset osuudet polttoaineessa — mainittuna pitoisuusinformaationa. Esimerkiksi ensimmäinen yksittäinen kaa- w 25 suanalysaattori määrittää metaanin CH4 pitoisuusinformaation, ja toinen yk- C\] v sittäinen kaasuanalysaattori, joka on lambda-lähetinvastaanotin, määrittää O) 0 hapen O2 pitoisuusinformaation, ja sekä metaanin CH4 ja hapen O2 pitoisuus- 1 informaatioita hyödynnetään yhdessä keskimääräisen nopeusinformaation kanssa prosessointivälineillä 128 suoritettavassa polttoaineen koostumuksen cv § 30 kahden muun ainesosan prosentuaalisten osuuksien määrittämisessä. Muut ° yksittäisellä kaasuanalysaattorilla 130 mahdollisesti määritettävät ainesosat ovat esimerkiksi hiilimonoksidi (CO), vety (H2) ja vesi (H20).For example, when the fuel is biogas comprising at least methane 20 (CH4), carbon dioxide (CO2), nitrogen (N2) and oxygen (O2) as said constituents having substantially variable concentration values, the embodiment of the invention may comprise two individual gas analyzers 130, each determine the percentages of the named constituents in the fuel as said concentration information. For example, a first single formula analyzer 25 determines concentration information for methane CH4, and a second single gas analyzer, which is a lambda transceiver, determines the O2 O2 concentration information, and both the CH4 and O2 concentration information for methane are utilized. together with the average velocity information, in determining the percentages of the other two constituents in the fuel composition cv § 30 by means of processing means 128. Other components that may be determined by a single gas analyzer 130 include, for example, carbon monoxide (CO), hydrogen (H2), and water (H2O).

1010

Vaikka keksintö on esitetty viitaten liitettyihin kuvioihin ja selostusosaan, ei keksintö ole kuitenkaan millään tavoin rajoittunut niihin, vaan keksintöä voidaan toteuttaa erilaisilla variaatioilla oheisten patenttivaatimusten sallimissa 5 rajoissa.Although the invention is described with reference to the accompanying drawings and the description, the invention is in no way limited thereto, but the invention may be practiced by various variations within the scope of the appended claims.

δδ

(M(M

σ> oσ> o

XX

enI do not

CLCL

Sj-SJ

(M(M

CDCD

OO

(M(M

Claims

1. Control arrangement for a fuel cell device for utilizing such a fuel comprising substantially varying concentration values for the constituents, fuel cell in the fuel cell device comprising an anode side (100) and a cathode side (102) and an electrolyte (104) between the fuel cell assembly comprising fuel cells in fuel cell stacks (103), and means (120) for providing a fuel flow through the anode sides (100) of the fuel cells, characterized in that the control arrangement comprises an acoustic measuring unit (122) for transmitting acoustic signals into , 125), and receivers (126, 127) for receiving the transmitted acoustic signals from the fuel flow to create measurement information, and the control arrangement comprises a processing unit (128) for processing said measurement information at least on the basis of the time differences in the received acoustic signals for determining the fuel flow rate and for generating average acoustic velocity information about the fuel and an analyzer (130) as integrated in the function of the acoustic measuring unit (122) to generate concentration information on at least one constituent of the fuel, which concentration information is utilized in conjunction with said average acoustic velocity information by processors. 128) in determining the concentration of two other constituents in the fuel composition, such that the fuel composition is determined at least for controlling the fuel utilization rate and for controlling the fuel cell device's O / C ratio output from the predetermined fuel composition for the determined fuel for the fuel composition. . 25 cvj

2. Control arrangement for a fuel cell device according to claim 1, characterized in that the fuel is biogas comprising at least methane (CH 4), carbon dioxide (CO 2) and nitrogen (N 2) as said constituents with substantially varying concentration values. CO x 30 CC

Control arrangement for a fuel cell device according to claim 1, characterized in that the fuel is biogas comprising at least methane (CH 4), carbon dioxide CO 2 (CO 2), nitrogen (N 2) and oxygen (O 2) as said constituents of substantially varying degrees. relative concentration values. 35 16

Control arrangement for a fuel cell device according to claim 1, characterized in that the analyzing unit (130) is a single gas analyzer (130) for determining a percentage percentage of the fuel as concentration information, which is used by the processing tools (128) in determining the two components. percentages of other constituents in the fuel composition.

Control arrangement for a fuel cell device according to claim 1, characterized in that the analyzer (130) is an infrared radiation sensor (IR). 10

Control arrangement for a fuel cell device according to claim 1, characterized in that the control arrangement comprises processing tools (128) for utilizing the determined fuel flow rate and information about the diameter of the fuel flow tool (120) for calculating the fuel absolute 15 lumetric flow information.

7. Control method for a fuel cell device for utilizing such a fuel comprising substantially varying concentration values for the constituents, in which method the fuel cells device fuel cells are arranged as fuel cell stacks (103), and the fuel flows through fuel cells stack (fuel cells); in the control method, acoustic signals are transmitted into the fuel flow with transmitters (124, 125), and the transmitted acoustic signals are received from the fuel flow with receivers (126, 127) to create measurement information that is processed at least on the basis of time differences in the received acoustic the signals for determining the flow rate of the fuel and for generating average acoustic CV velocity information about the fuel and in a separate fuel analysis process, concentration information is generated on at least one component of the fuel, which concentration information is utilized to when using the average acoustic velocity information when determining the concentration of two other constituents, such that the composition of the fuel is determined at least for controlling the fuel utilization rate of the CC and for controlling the fuel cell device's O / C ratio for the output. the fuel determined composition and the flow rate determined for the fuel CD o. δ C \ J 17

Control method according to claim 7, characterized in that in the process the fuel is biogas comprising at least methane (CH 4), carbon dioxide (CO 2) and nitrogen (N 2) as said constituents with substantially varying concentration values.

Control method according to claim 7, characterized in that in the process the fuel is biogas comprising at least methane (CH 4), carbon dioxide (CO 2), nitrogen (N 2) and oxygen (O 2) as said constituents with substantially varying concentration values.

Control method according to claim 7, characterized in that in the process a separate fuel analysis process is performed with a single gas analyzer (130) for determining one of the constituents percentage in the fuel as concentration information used in determining the second percent of the fuel composition and the second component of the fuel composition. 15

Control method according to claim 7, characterized in that in the process a separate fuel analysis process is carried out with an infrared radiation sensor (IR).

Control method according to claim 7, characterized in that a determined flow rate of the fuel is used in the method and information about the diameter of the fuel flow tool (120) to calculate the absolute volumetric flow information of the fuel. CM δ CM in CM δ X cc CL Tj · CM CO O δ CM