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Diese
Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen,
und insbesondere auf das Versorgen mit Brennstoff solcher Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf den Betrieb von Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen
mit mehreren Brennstoffquellen.
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Die
Brennstoffzellen-Stapelanordnung(en) der meisten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen
wird betrieben durch Wasserstoff oder einen wasserstoffreichen Brennstoff.
Die Quellen dieses Wasserstoffs sind zahlreich und können umfassen: Derivatisierung
aus Wasser, z.B. durch Hydrolyse, oder aus Festspeichern, z.B. aus
Hydriden, aber die verbreitetste Form sind wasserstoffreiche Gase. Möglicherweise
ist die am meisten verbreitete Quelle der in wasserstoffreichem
Methan (CH4) aus Erdgas enthaltene Wasserstoff.
Andere Kohlenwasserstoffe, z.B. Propan, Butan, Methanol, Ethanol
und verschiedene Petroleumderivate, einschließlich reformiertes Benzin,
sind auch gute Wasserstoffquellen. Außerdem können andere Typen organischer
Materialien verarbeitet werden, z.B. durch aktiven Abbau und/oder
natürlichen
Abbau, um wasserstoffreiche Brennstoffe zu ergeben, welche typischerweise
unter dem Begriff Biogase zusammengefasst werden. Ein Beispiel dieser
letztgenannten Brennstoffquelle ist die aktive Verdauung von verschiedenen
Typen von pflanzlichen und/oder tierischen Abfällen, z.B. Bagasse und ähnliche, über eine
anaerobe Verdauung, um anaerobes Verdauungsgas zu schaffen, welches einen
brauchbaren Wasserstoffanteil in Form von Methan hat. Gas aus Müllhalden
ist ein Beispiel eines Biogases, welches aus natürlichem Zerfall resultiert und
einen brauchbaren H2(Methan)-Gehalt hat.
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Typischerweise
erfordern die meisten oder alle der genannten Quellen von Wasserstoff
bis zu einem bestimmten Grad eine Brennstoffaufbereitung bei der
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, um die erwünschte wasserstoffreiche
Brennstoffströmung
für die
Brennstoffzellen-Stapelanordnung zur Verfügung zu stellen, und um unerwünschte Kohlenstoffverbindungen
zu entfernen oder zu konvertieren, z.B. Kohlenmonoxid. Hinzu kommt,
dass, obwohl jede der genannten Brennstoffquellen einen brauchbaren
Wasserstoffgehalt haben, dieser von einem Brennstofftyp zum nächsten Brennstofftyp
und in manchen Fällen
sogar innerhalb desselben Brennstofftyps beträchtlich variieren kann. Beispielsweise kann
der Wasserstoffgehalt von Erdgas in Form von Methan relativ hoch
und konstant sein, verglichen mit dem von beispielsweise Bio-Gasen,
z.B. anaerobem Verdauungsgas und ähnlichem, wobei letztere in
Folge der zu verdauende Rohstoffe, der Temperaturen der Verdauung,
des Feststoffgehalts im Wasser, etc., noch stärker variieren. Andere Biogase
z.B. aus Müllhalden,
können
einen noch geringeren Wasserstoffgehalt aufweisen.
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Ursprünglich wurden
die meisten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen konstruiert,
um mit einer bestimmten, einzelnen der vorhergenannten Quellen von
wasserstoffreichem Brennstoff betrieben zu werden, was durch verschiedene
Faktoren bestimmt wurde, einschließlich Leistung, Zugänglichkeit
und Kosten des Brennstoffs. Jüngst
wurden manche Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen konstruiert,
um alternativ mit einer oder einer anderen von mehreren Brennstoffquellen
betrieben zu werden. Tatsächlich
bietet die 200 KW UTC Fuel Cells PC 25TM Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage die
Möglichkeit,
dass das in ihr enthaltene Brennstoffaufbereitungssystem mehrere
Brennstoffquellen akzeptiert und aufbereitet, entweder ausschließlich oder
als Mischung, wie allgemein in der Schemazeichnung des Funktionssystems
von 1 gezeigt.
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Es
wird auf 1 Bezug genommen.
Eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 umfasst
eine Brennstoffzellenstapelanordnung 12, ein Brennstoffaufbereitungssystem 16 und
eine Steuerung 18, wie auch andere Komponenten (nicht gezeigt).
Das Brennstoffaufbereitungssystem 16 kann typischerweise
Komponenten mit bekannter Konstruktion zum Reformieren des Roh brennstoffs,
um Wasserstoff abzutrennen, und um das Reformat weiter reagieren
zu lassen, zum Beispiel durch Shift-Konversion und/oder selektive
Oxidation enthalten, um die CO Konzentration zu reduzieren und den
H2-Anteil in der Brennstoffströmung relativ
zu erhöhen.
Die Zellenstapelanordnung 12 umfasst eine Anode 14,
welche eine wasserstoffreiche Brennstoffströmung über eine Leitung 20 von
dem Brennstoffaufbereitungssystem 16 aufnimmt, zur Verwendung in
der bekannten elektrochemischen Reaktion (den Reaktionen), welche
den Brennstoffreaktanten und einen Oxidationsmittelreaktanten in
elektrische Energie umwandeln. Multiple Brennstoffquellen unterschiedlicher
Typen sind dargestellt durch mindestens die Primärbrennstoffversorgung 22 und
die alternative Brennstoffversorgung 24 mit Nr. 1, und
kann außerdem
die alternative Brennstoffversorgung 26 mit Nr. n aufweisen,
um eine oder mehrere weitere Brennstoffquellen zu symbolisieren.
Jede der Brennstoffquellen 22, 24 und 26 ist
mit dem Brennstoffaufbereitungssystem 16 über eine
entsprechende Leitung 28, 30 und 32 verbunden,
welches ein entsprechendes Steuerungsventil 34, 36 und 38 enthält. Die Leitungen 28, 30 und 32 vereinen
sich typischerweise stromabwärts
von den Kontrollventilen 34, 36 und 38 an
einer Mischungverzweigung 37, um den Brennstoff zu mischen,
und der gemischte Brennstoff wird dann über die Leitung 39 zum
Brennstoffaufbereitungssystem 16 geleitet. Unabhängige Steuerung
jedes der Steuerungsventile 34, 36 und 38 durch
eine Steuerung 18 wird aus Gründen der Einfachheit in dieser
Figur durch eine einzelne Linie 40 repräsentiert, welche tatsächlich separate,
unabhängige
Steuerungsleitungen zu jedem Ventil sein können, oder eine einzelne Leitung
zum Übertragen
von Multiplexsignalen an die entsprechenden Ventile. Die Steuerung 18 kann
aus diskreten Schaltungen, einem programmierbaren Computer oder
eine Kombination daraus bestehen und ermöglicht die Steuerung von mindestens
den Bereichen der Stromerzeugungsanlage 10, welche mit
der Brennstofflieferung und Brennstoffaufbereitung verbunden sind.
Ein durch das Bedienpersonal vorgewählter Brennstoffmischungswert
für die
Steuerung 18, ausgedrückt
als Prozentanteile der alternativen Brennstoffe (des alternativen
Brennstoffs) wird durch die Steuerungsinputleitung 41 der
Steuerung 18 zugeführt,
welche wiederum im Betrieb die Ventile 34, 36, 38 steuert, um
die vorgewählten
relativen Anteile der zu mischenden Brennstoffe vorzugeben. Typischerweise ist
der Standartbrennstoff (d.h. der Primärbrennstoff) Erdgas, wobei der
alternative Brennstoff einer der oben erwähnten anderen Brennstoffe ist.
Das Bedienpersonal wählt
entweder 0% des alternativen Brennstoffs, 100% des alternativen
Brennstoffs oder eine Mischung, welche einen bestimmten Prozentanteil
des alternativen Brennstoffs aufweist, wobei der Rest Erdgas ist.
Außerdem
zeigen die Leitungen 42, 44 und 46, welche
sich über
die Leitung 48 (mit unterbrochener Linie dargestellt) zur
Steuerung 18 erstrecken, den Status der entsprechenden
Brennstoffvorräte 22, 24, 26 an,
typischerweise aber nur mit zwei Zuständen, z.B. an oder aus oder
zur Verfügung stehend
oder nicht zur Verfügung
stehend. Der Funktionsblock 50 mit unterbrochener Linie
repräsentiert Signale
zu und von anderen Steuerungen (nicht gezeigt), welche über die
Leitung 51 und 52 geführt werden und mit unterbrochener
Linie gezeigt sind.
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Obwohl
das mit Bezug auf 1 oben
beschriebene System die Fähigkeit
hat, alternative Brennstoffe zu verwenden, entweder separat oder
in einer vorgewählten
Mischkombination, wurde die jeweilige Auswahl der Brennstoffe und
den Vorgang zum Bestimmen ihrer relativen Mengen nicht berücksichtigt.
Außerdem
gibt es keinen Hinweis auf Berücksichtigen
von Veränderungen
des Wasserstoffgehaltes. In letzterer Hinsicht, wenn der Wasserstoffgehalt
eines oder mehrere der Brennstoffe in einer Mischung von mehreren
Brennstoffquellen während des
Betriebs ausreichend variabel ist, kann das fehlende Berücksichtigen
oder Kompensieren solcher Änderungen
bewirken, dass sich die Zellenstapelanordnung 12 abschaltet
oder ihre Leistung reduziert ist, für den Fall, dass der Wasserstoffgehalt
während einer "Veränderung" zu gering ist.
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An
diesem Punkt wird angemerkt, dass, wenngleich der Wasserstoffgehalt
des Brennstoffstroms das entscheidende Problem ist, wird der Einfachheit
halber auf Brennstoffe oder Brennstoffkomponenten Bezug genommen,
welche einen "äquivalenten" Wasserstoffgehalt
haben. Methan in Erdgas ist beispielsweise eine gute Wasserstoffquelle
und hat einen relativ konstanten Äquivalent-Wasserstoffgehalt.
In ähnlicher
Weise haben andere wasserstoffreiche Brennstoffe entsprechende Äquivalent-Wasserstoffkonzentrationen,
wenngleich sie, wie oben erwähnt,
variabel sein können.
Tatsächlich kann
der Äquivalent-Wasserstoffgehalt
sogar als "Energiegehalt" ausgedrückt werden,
insbesondere wenn auf den Heizwert eines Brennstoffes Bezug genommen
wird. Für
die Zwecke der Beschreibung der vorliegenden Anmeldung kann, obwohl
letztendlich der Wasserstoffgehalt eines Brennstoffes entscheidend
ist, hier Bezug genommen werden auf einen spezifischen Brennstoff,
z.B. Erdgas, anaerobes Verdauungsgas, Methan oder ähnliches,
für welches
es einen Äquivalent-Wasserstoffgehalt
gibt, der entweder bekannt oder unbekannt, konstant oder variabel sein
kann. In solchen Fällen
ist mit Bezugnahme auf einen speziellen Brennstoff beabsichtigt,
auf den Äquivalent-Wasserstoffgehalt
dieses Brennstoffs (Äquivalent
H2) Bezug zu nehmen.
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Beispielsweise
erfordert die oben beschriebene Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 typischerweise
einen Wasserstoffgehalt oder ein Wasserstoffniveau, welches einer
Methankonzentration von mindestens 60% in der/den Brennstoffquelle(n)
entspricht, um volle Leistung aufrechtzuerhalten. Falls der Wasserstoffgehalt
im Rohbrennstoff in einer anderen Form als Methan ist, z.B. Protan,
Butan, Methanol, etc., kann die erforderliche Konzentration sich
von dem 60% Methanäquivalent
unterscheiden und kann oder kann nicht als ein Methanäquivalent
ausgedrückt
werden, wird jedoch letztendlich immer noch durch seinen Äquivalent-Wasserstoffgehalt gekennzeichnet.
Dies kann auf alle Fälle
ein besonderes Problem für
anaerobes Verdauungsgas und andere Biogase sein, welche einen relativ
geringen und variablen Methangehalt und somit H2-Gehalt
haben. Obwohl die Verwendung von anaerobem Verdauungsgas als einzige
Brennstoffquelle signifikante Vorteile, z.B. Kosten, etc., haben
kann, können
die oben genannten Einschränkungen
dessen Verwendung ausschließen.
Die alternative Verwendung von einer weiteren Brennstoffquelle in
Kombination mit dem anaeroben Verdauungsgas verursacht weiterhin Probleme,
aufgrund der Unsicherheit der tatsächlichen Konzentration des Äquivalent-Wasserstoffgehalts
des anaeroben Verdauungsgases zu einem bestimmten Zeitpunkt. Das
letztere Problem ist bei jeder Kombination von Brennstoffquellen
vorhanden, wo der Äquivalent-Wasserstoffgehalt
von mindestens einem der Brennstoffe nicht bekannt und/oder variabel ist.
In der gleichen Hinsicht kann es erwünscht sein, zwei oder mehr
Brennstoffe zu mischen, um die Verwendung eines der Brennstoffe
aus Kostengründen, Kohlenstoffminimierung,
etc., zu minimieren und die Variabilität des Wasserstoffgehalts von
mindestens einem der gemischten Brennstoffe behindert eine effektive
Nutzung.
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Dementsprechend
ist es ein Hauptzweck der Erfindung, eine Anordnung in einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
bereitzustellen zum Mischen von Brennstoffen auf eine Weise, welche
normalen, zuverlässigen
Betrieb der Brennstoffzellenanordnung ermöglicht, z.B. mit geringen Kosten,
Minimierung der Kohlenstoffbildung, und/oder weitere Gründe.
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Es
ist ein weiterer Zweck der Erfindung, eine Steuerungsanordnung zum
Mischen von Brennstoffen auf eine variable Weise zu schaffen, um
den Wasserstoffgehalt des Brennstoffes zu berücksichtigen und/oder automatisch
darauf zu reagieren.
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Beschreibung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bereitgestellt
mit einer Brennstoffzellenstapelanordnung und einem Brennstoffliefersystem
zum Liefern eines wasserstoffreichen Brennstoffs an die Zellenstapelanordnung,
wobei das Brennstoffliefersystem eine Brennstoffmischeinrichtung
zum Mischen von mindestens einem primären Brennstoff und einem sekundären Brennstoff
und eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der relativen Mengen
des primären
und sekundären
Brennstoffs aufweist, um den wasserstoffreichen Brennstoff zur Verfügung zu
stellen. Bereitgestellt wird ein verbessertes Verfahren und eine
Vorrichtung zum Regulieren der relativen Mengen des gemischten primären Brennstoffs
und sekundären Brennstoffs,
um mindestens ein minimales Energieniveau zu ermöglichen bzw. mindestens einen
minimalen Wasserstoffgehalt des wasserstoffreichen Brennstoffs zu
ermöglichen,
der für
den normalen Betrieb der Zellenstapelanordnung ausreichend ist.
Es ist auch bevorzugt, gleichzeitig die Verwendung des sekundären Brennstoffs
relativ zu dem primären
Brennstoffs zu begrenzen. Dies ist besonders auf Situationen anwendbar,
bei welchen die "Kosten" des primären Brennstoffs
relativ geringer sind als die "Kosten" des sekundären Brennstoffs
(der sekundären
Brennstoffe), beispielsweise wenn der primäre Brennstoff ein Biogas, z.B.
anaerobes Verdauungsgas, und das sekundäre Gas Erdgas ist. Wie hier
verwendet soll der Begriff "Kosten" weit ausgelegt werden
und nicht nur den direkten Preis umfassen, sondern auch andere Faktoren,
z.B. Verfügbarkeit,
Umweltverträglichkeit,
politische Erwägungen,
etc., welche kollektiv die Vorteile eines jeweiligen Brennstoffs
ausmachen.
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In
einer Ausführungsform,
bei welcher der Primärbrennstoff
ein Biogas, z.B. anaerobes Verdauungsgas oder ähnliches, ist mit einem Methangehalt und
somit einem Äquivalent-Wasserstoffgehalt,
welcher variabel und relativ geringer als der des Sekundärbrennstoffes
ist, welcher Erdgas sein kann, werden der Primärbrennstoff und der Sekundärbrennstoff
in einem vorherbestimmten, festgelegten Verhältnis gemischt, welches einen
ausreichenden Äquivalent-Wasserstoffgehalt
gewährleistet,
um die Zellenstapelanordnung zu betreiben, während die Verwendung von Sekundärbrennstoff
minimiert wird. Insbesondere wird ein tatsächlicher "worst-case" Methangehalt (Äquivalent-Wasserstoffgehalt)
für den Primärbrennstoff
bezüglich
eines unteren Grenzwerts bestimmt oder abgeschätzt; der konstantere tatsächliche
Methangehalt (Äquivalent-Wasserstoffgehalt)
des Sekundärbrennstoffes
wird bestimmt oder abgeschätzt;
ein minimal akzeptabler Methangehalt (Äquivalent-Wasserstoffgehalt)
bzw. ein Bereich zum Betreiben der Zellenstapelanordnung wird etabliert;
und der primäre
und sekundäre
Brennstoff werden in einem Verhältnis
gemischt, welches gewährleistet,
dass der geringste Methangehalt (Äquivalent-Wasserstoffgehalt)
der gemischten Brennstoffe gleich oder etwas größer ist als der minimal akzeptable
Methangehalt (Äquivalent-Wasserstoffgehalt) für kontinuierlichen,
zufriedenstellen Betrieb. Falls beispielsweise das Primärgas anaerobes
Verdauungsgas, das Sekundärgas
Erdgas und die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
eine wie oben beschriebene TC 25TM ist,
ist der angenommene "worst-case" untere Grenzwert
des Methangehalts ca. 50%, von dem Erdgas wird angenommen, dass es
einen Methangehalt von ca. 95% hat; und 60% ist ungefähr die untere
Grenze für
zufriedenstellenden Betrieb der Stromerzeugungsanlage. Dementsprechend
wird durch die Steuerung eine Mischung von ca. 78% anaerobem Verdauungsgas
und 22% Erdgas festgestellt.
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In
weiteren Ausführungsformen
der Erfindung wird das Ziel des Regulierens der relativen Mengen
von primärem
und sekundärem
Brennstoff auf eine effi ziente und ökonomische Weise alternativ verbessert
durch Messen, kontinuierlich oder zumindest periodisch, von einem
oder mehreren mit den Brennstoffen verbundenen Parametern oder der
Betriebseigenschaften der Stromerzeugungsanlage und Verwenden der
gemessenen Werte (des gemessenen Wertes) über Feedback an die Steuerung,
um kontinuierlich die Brennstoffströmungen zu modulieren oder anzupassen,
um die gewünschten
Ergebnisse zu erreichen und/oder zu halten. In einer solchen Ausführungsform
wird der Energiegehalt oder Wasserstoffgehalt des Primärbrennstoffs überwacht und
dient dazu, das Mischen der Strömung
des Sekundärbrennstoffs
zu regulieren. Dies kann erreicht werden durch Überwachen eines Brennstoffbestandteils,
z.B. Methan, welcher ein Äquivalent-Energiegehalt
oder Äquivalent-Wasserstoffgehalt
ist. In einer ähnlichen
Ausführungsform
wird der Energiegehalt oder Wasserstoffgehalt des gemischten primären und
sekundären
Brennstoffs überwacht
und dient zur Regulierung der Mischströmung des sekundären Brennstoffs.
In einer weiteren Ausführungsform
dient der überwachte
Druck oder die Druckdifferenz von, bei oder über einer Stromerzeugungsanlagenkomponente
dazu, das Mischen des sekundären
Brennstoffs mit dem primären
Brennstoff zu regulieren. In noch einer weiteren Ausführungsform
dient die überwachte
Spannung der Brennstoffzellenanordnung dazu, das Mischen des sekundären Brennstoffs
mit dem primären
Brennstoff zu regulieren. In einer weiteren Ausführungsform ergibt sich eine
Ergänzung der
vorangehenden Ausführungsformen
aus der Erkenntnis, dass bei Betrieb mit reduzierter Leistung der Äquivalent-Wasserstoffgehalt
des primären Brennstoffs
(anaerobes Verdauungsgas) alleine ausreichend sein kann. In dieser
Ausführungsform
dient der Betrieb der Brennstoffzellenanordnung/Stromerzeugungsanlage
oberhalb oder unterhalb eines sorgfältig gewählten Schwellenwerts der überwachten Leistung
oder des Stromes dazu, das Mischen des sekundären Brennstoffs mit dem primären Brennstoff zu
beginnen oder zu beenden. Sofern es kompatibel und nicht inkonsistent
ist, können
eines oder mehrere der genannten Steuerungsausführungsformen in Kombination
verwendet werden. Außerdem
können die
Brennstoffe andere oder weitere Brennstoffe außer anaerobes Verdauungsgas
und Erdgas sein und können
zumindest die konventionellen Wasserstoffquellen umfassen, z.B.
Kohlenwasserstoffe einschließlich,
aber nicht begrenzt auf, Biogase, Propan, Butan, Ethanol, Methanol,
andere Erdölderivate, etc.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein generalisiertes Funktionssystemschema einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
gemäß dem Stand
der Technik, welches die Fähigkeit
zur Verwendung mehrerer Brennstoffe, entweder separat oder gemischt,
zeigt;
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2A stellt
den Methangehalt und indirekt den Äquivalent-Wasserstoffgehalt
und ihre Veränderungen über die
Zeit eines Primärbrennstoffes,
anaerobes Verdauungsgases und eines Sekundärbrennstoffes, Erdgas dar;
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2B stellt
grafisch den minimalen Methangehalt (Äquivalent-Wasserstoffgehalt)
der gemischten Brennstoffe dar, welcher für den adequaten Betrieb der
Brennstoffzellenanordnung einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
aus dem Stand der Technik wie in 1 dargestellt,
dar;
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2C stellt
grafisch den Methangehalt (Äquivalent-Wasserstoffgehalt)
der resultierenden Brennstoffmischung dar, wenn der Primär- und Sekundärbrennstoff
gemäß der vorliegenden
Erfindung gemischt werden;
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3 ist
ein vereinfachtes Funktionsschema einer Steuerungsausführungsform,
bei welcher der überwachte
Methangehalt des Primärbrennstoffs
das Mischen des Sekundärbrennstoffs
mit dem Primärbrennstoff
reguliert;
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4 ist
ein vereinfachtes Funktionsschema einer Ausführungsform der Steuerung, bei
welcher der überwachte
Methangehalt (Äquivalent-Wasserstoffgehalt)
des gemischten Primär-
und Sekundärbrennstoffs
das Mischen des letzteren mit dem ersten reguliert;
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5 ist
ein vereinfachtes Funktionsschema einer Ausführungsform einer Steuerung,
bei welcher der überwachte
Druck von oder bei einer Stromerzeugungsanlagenkomponente dazu dient,
das Mischen des Sekundärbrennstoffs
mit dem Primärbrennstoff
zu regulieren;
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6 ist
ein vereinfachtes Funktionsschema einer Ausführungsform einer Steuerung,
bei welcher die überwachte
Spannung der Brennstoffzellen-Anordnung dazu dient, das Mischen
des Sekundärbrennstoffs
mit dem Primärbrennstoff
zu regulieren; und
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7 ist
ein vereinfachtes Funktionsschema einer Ausführungsform einer Steuerung,
bei welcher die überwachte
Leistungs- oder Stromschwelle der Brennstoffzellenanordnung/Stromerzeugungsanlage
dazu dient, das Mischen des Sekundärbrennstoff mit dem Primärbrennstoff
zu beginnen oder zu beenden.
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Beste Art
der Ausführung
der Erfindung
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Es
wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 stellt
eine existierende Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage dar, welche
die Fähigkeit
hat, einen wasserstoffhaltigen Primärbrennstoff, z.B. Erdgas und
verschiedene alternative wasserstoffhaltige Brennstoffe, entweder
allein oder gemischt, nach Bestimmung durch vorgewählte Einstellungen
zu verwenden, wie im Stand der Technik beschrieben. Ein Großteil der
in 1 beschriebenen und dargestellten Vorrichtung
des Stands der Technik wird ähnlich
verwendet, mit Bezug auf die im Folgenden beschriebene Erfindung
und daher wird Bezug auf diese Struktur genommen unter Verwendung der
in 1 erscheinenden Bezugszeichen. Von dieser Konvention
wird nur abgewichen, falls notwendig, um Unterschiede zwischen dem
Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung zu beschreiben
und zu betonen.
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Da
in vielen Fällen
die Verfügbarkeit
und die "Kosten" von anaerobem Verddungsgas
(oder ähnlichen
Brennstoffen) es attraktiver als andere wasserstoffhaltige Brennstoffe
machen können,
z.B. Erdgas, gibt es einen Anreiz, es als den alleinigen oder zumindest
primären
Brennstoff für
die Stromerzeugungsanlage 10 zu verwenden. Die folgende
Beschreibung der Erfindung wird gemacht mit Bezug auf den Methangehalt
eines bestimmten Brennstoffs. Wie jedoch oben bereits erwähnt, versteht
es sich, dass Methan lediglich ein gutes Beispiel eines wasserstoffhaltigen
Stoffes mit einem beträchtlichen,
bekannten Wasserstoffgehalt ist, und dass tatsächlich der Äquivalent-Wasserstoffgehalt
für das
Brennstoffaufbereitungssystem 16 und die Zellenstapelanordnung 12 entscheidend
ist. Es wird gemeinsam auf 2A–2C und
zunächst
auf 2A Bezug genommen, worin grafisch Kurven des angenommenen Methangehalts
(und somit des Äquivalent-Wasserstoffgehalts)
von Erdgas (natural Gas, NG) und eines Biogases dargestellt sind,
in diesem Fall anaerobes Verdauungsgas (Anaerobic Digester Gas,
ADG) über ein
Zeitintervall, welches in Minuten, Stunden oder sogar Tagen gemessen
werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass die Methangehaltskurve
MG für Erdgas
einen relativ hohen konstanten Methangehalt zeigt, bei ca. 95%.
Im Gegensatz dazu ist der Methangehalt des ADG signifikant geringer
und variiert über
die Zeit in einem Bereich zwischen ca. 50 und 65%. Die unterbrochene
Linie ADGLE stellt das angenommene Minimum des Methangehalts der
jeweiligen Quelle des anaeroben Verdauungsgases dar. Natürlich kann
dieses Minimum für
andere Wasserstoffbrennstoffquellen mehr oder weniger sein.
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Es
wird auf 2B Bezug genommen, worin grafisch
zwischen den unterbrochenen/gepunkteten Linien der erwünschte Bereich
des Methangehalts (Äquivalent-Wasserstoffgehalts)
in Brennstoff für kontinuierlichen
adäquaten
Betrieb der Stromerzeugungsanlage 10 dargestellt ist. Für die PC
25TM Stromerzeugungsanlage ist diese Untergrenze
LL ca. 60% Methangehalt. Obwohl der Bereich mit einer Obergrenze
von ca. 65% dargestellt ist, ist dieser Wert nicht entscheidend
und ist mehr als ökonomischer
Grenzwert und zur Begrenzung des Kohlenstoffgehalts dargestellt.
Brennstoffe mit einem größeren Methangehalt
werden einfach in geringeren Mengen verwendet. Es ergibt sich jedoch
aus 2A, dass die Quelle für anaerobes Verdauungsgas häufig keinen
Methangehalt von bis zu 60% erreicht. Daher ist es zur Verwendung
von anaerobem Verdauungsgas als Primärbrennstoff notwendig, diesen
mit einem oder mehreren Brennstoffen zu mischen, welche einen ausreichend
größeren Äquivalent-Wasserstoffgehalt
haben, um immer zu gewährleisten,
dass der Methangehalt (Äquivalent-Wasserstoffgehalt) des
gemischten Brennstoffs 60% oder mehr beträgt.
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Unter
der Annahme, dass der Primärbrennstoff
ein anaerobes Verdauungsgas mit einem untersten Methangehalt ADGLE,
von ca. 50%; und unter Annahme, dass die untere Grenze LL des Methangehalts
des an das Brennstoffaufbereitungssystem 16 geleiteten
Brennstoffs mindestens bei einem bekannten Wert, z.B. 60% sein muss,
um die Zellenstapelanordnung 12 adäquat zu betreiben; und weiterhin
unter der Annahme, dass ein sekundärer oder alternativer Brennstoff
einen Methangehalt hat, der bekannt oder akkurat abgeschätzt werden
kann und relativ konstant ist, z.B. Erdgas mit einem Methangehalt
von ca. 95%, dann ist es möglich,
ein Mischungsverhältnis
oder Prozentanteil der beiden (oder mehreren) Brennstoffe zu etablieren,
um mindestens den minimalen Methangehalt (Äquivalent-Wasserstoffgehalt)
LL zu erhalten, der notwendig ist. Außerdem kann das Mischungsverhältnis gewählt sein,
um die Menge an sekundärem
oder alternativem Brennstoff (EN) zu minimieren, um Kosten zu beschränken und/oder
die Vorteile der Mischungen in anderer Weise zu optimieren. Obwohl
die Beispiele sich auf den Methangehalt als Maß für die äquivalente Energie oder den
Wasserstoff beziehen, versteht es sich, dass dies für eine andere
Brennstoffquelle in ähnlicher
Weise getan werden kann, bei welcher die Korrelation des Äquivalent-Wasserstoffgehalts
bekannt oder bestimmbar ist, einschließlich für Wasserstoff selbst.
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Unter
der Annahme, dass die untere Grenze des Methangehalts (Anaerobic
Digester Gas Lower Extreme, ADGLE) 50% des Primärbrennstoffs, anaerobes Verdauungsgas
(Anaerobic Digester Gas, ADG) ist, muss ein bestimmter (X) Prozentanteil
oder Teil des anaeroben Verdauungsgases gemischt werden mit einem
bestimmten anderen (Y) Prozentanteil des Sekundärbrennstoffs, Erdgas, mit 95%
Methan, um einen Methangehalt der Mischung zu erreichen, welcher
im Wesentlichen bei oder größer als
60% ist. Um die Werte X und Y zu bestimmen, wird die untere Grenze
des Methangehaltwertes von 50% des anaeroben Verdauungsgases von
dem "konstanten" Methanwert des Erdgases
von 95% subtrahiert, was einen Wert von 45 gibt. Dieser Wert ist
die größte Differenz
zwischen diesen beiden Brennstoffen, und da der tatsächliche
Methangehalt des anaeroben Verdauungsgases unbekannt ist, muss angenommen werden,
dass dies der kontinuierliche Wert für das anaerobe Verdauungsgas
ist. Damit eine Mischung der Brennstoffe einen Methangehalt von
60% hat und die Verwendung des anaeroben Verdauungsgases maximiert
wurde gilt 0,60 = X (ADC)·0,50
+ Y(Erdgas)·0,95.
Wenn für
X und Y aufgelöst
wird, gilt X = (45-10)/45
= 35/45 = 0,78 = 78% und Y = (45 – 35)/45 = 10/45 = 0,22 = 22%.
Daher ergibt ein Mischungsverhältnis
von 78% anaerobem Verdauungsgas und 22% Erdgas einen gemischten
Brennstoff mit einem Methangehalt von mindestens 60%. Dementsprechend
ergibt sich dass die Menge an Erdgas weniger als 1/3 der totalen
Mischung der Brennstoffe und sogar weniger als 25% ist. Es wird
angemerkt, dass das anaerobe Verdauungsgas zeitweise einen Methangehalt
von über
50% hat, so dass zu diesen Zeiten der gemischte Brennstoff ebenfalls
einen Methangehalt von mehr als 60% hat, der durch das Verhältnis von
78% zu 72% der beiden Brennstoffe erzeugt wird. Dieses letztere
Ergebnis ist deutlich ersichtlich in 2C, welche
eine grafische Darstellung des Methangehalts der gemischten Brennstoffe
ist. Es wird angemerkt, dass der Methangehalt immer mindestens 60%
oder höher
ist, und während
der Intervalle, bei welchen der Methangehalt des anaeroben Verdauungsgases
selber sich 65% nähert,
kann der Methangehalt im gemischten Brennstoff sich annähern an
78%·0,65
+ 22%·0,95
= 0,51 + 0,21 = 72%. Obwohl dieser Methangehalt größer als
erforderlich ist, ist er leicht zu handhaben und, was wichtiger
ist, es ist gewährleistet,
dass der minimale Methangehalt der gemischten Brennstoffe immer
die Anforderungen bezüglich
des minimalen äquivalenten
Wasserstoffgehalts der Zellstapelanordnungen 12 erfüllt.
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Nachdem
die erwünschte
quantitative Beziehung von sekundärem Brennstoff zu primärem Brennstoff
basierend auf ihrem entsprechenden Methangehalt (Äquivalent-Wasserstoffgehalt)
und den Erfordernissen des Systems etabliert wurde, muss das Bedienungspersonal
lediglich die entsprechenden Werten in die Steuerung 18 eingeben,
z.B. durch ein Keyboard oder ähnliches.
Falls außerdem
die Steuerung so strukturiert oder programmiert ist, dass der primäre Brennstoff
und der sekundäre
Brennstoff kollektiv 100% ergeben, ist es lediglich notwendig, den
entsprechenden relativen Wert für
einen der beiden Brennstoffe einzugeben, da der andere damit impliziert
ist. Im obigen Beispiel kann der Primärbrennstoff als 100% angesehen
werden, es sei denn ein Sekundärbrennstoff
ist vorhanden und ein relativer Wert wird für diesen eingegeben; im letzteren
Fall, falls 22% (oder 0,22 oder 10/45) für den Sekundärbrennstoff
ein gegeben wird, wird der Wert des Primärbrennstoff automatisch komplementär bzw. 78%. Obwohl
das oben genannte Beispiel ein bevorzugtes Beispiel darstellt, versteht
es sich, dass andere primäre
und/oder sekundäre
Brennstoffe ähnlich
behandelt werden können.
Falls es außerdem
mehr als einen alternativen Brennstoff gibt, z.B. einen Sekundär- und einen
Tertiärbrennstoff,
können
sie kollektiv als einzelne Alternative (d.h. "sekundär") in Bezug auf den primären Brennstoff
wie oben behandelt werden, es ist jedoch nötig, entsprechende Verhältnisse zwischen
diesen beiden Alternativen basierend auf Wirtschaftlichkeit, Verfügbarkeit
und/oder anderen Faktoren herzustellen, was der Fachmann versteht.
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Es
wird nun auf 3 bis 6 und 7 für ein Verständnis einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung Bezug genommen, bei welcher es ebenfalls vorteilhaft
ist, die relativen Verwendungen eines primären und eines oder mehrerer
alternativen oder sekundären
Brennstoffe für
einen zufriedenstellenden und ökonomischen
Betrieb der Zellstapelanordnung 12 zu optimieren. Anstatt
die Mischung der Brennstoffe basierend auf "Worst-Case"-Annahmen bezüglich des Äquivalent-Wasserstoffgehalts
des primären
und/oder des sekundären
oder alternativen Brennstoffs vorherzusagen, misst die alternative Ausführungsform
oder Ausführungsformen
einen oder mehrere Parameter, welche mit den Brennstoffen und/oder
den Betriebseigenschaften der Stromerzeugungsanlage 10 assoziiert
sind und über
ein Steuerungsarrangement, welches in vielerlei Hinsicht ähnlich zu
der Steuerung 18 ist, die gemessenen Werte dynamisch nutzt,
um die Strömungen
der einzelnen Brennstoffe zu modulieren oder anzupassen, um eine
erwünschte
Brennstoffmischung zu erhalten. Insbesondere ist der Primärbrennstoff
bevorzugt ein Brennstoff mit geringeren "Kosten" als der Sekundärbrennstoff, aber häufig mit
einem geringeren Wasserstoff-Äquivalentgehalt
als der Sekundärbrennstoff. Aus
Gründen
der Wirtschaftlichkeit ist es allgemein erwünscht, die Verwendung des Primärbrennstoffs zu
maximieren und die Verwendung des Sekundärbrennstoffs während des
gesamten Betriebs der Stromerzeugungsanlage zu minimieren, wenn
mehrere Brennstoffe verwendet werden. Um dies effektiv zu tun, ist
es notwendig, einen oder mehrere Parameter zu überwachen, welche mit dem Äquivalent-Wasserstoffgehalt,
hier Methan, des Brennstoffs und/oder mit dem daraus resultierenden
Betrieb der Stromerzeugungsanlage korrelieren, welcher beeinflusst
wird von dem Äquivalent-Wasserstoffgehalt des
Brennstoffs oder der Brennstoffe. Bei der Beschreibung und Darstellung
dieser Ausführungsformen
von 3 bis 7 wird Bezug genommen auf die
Struktur und Bezugszeichen von 1 aus Gründen der
Einfachheit. Insoweit sie gleich oder im Wesentlichen gleich sind,
wurden die gleichen Bezugszeichen in 3 bis 7 verwendet,
und insofern sie lediglich ähnlich
oder analog sind, wird das vorherige Bezugszeichen beibehalten als
die letzten beiden Ziffern eines Bezugszeichens mit drei Ziffern. Insbesondere
bezüglich
der Diskussion der Ausführungsform
der 2A bis C wird angenommen, dass der Primärbrennstoff 22 anaerobes
Verdauungsgas und der Sekundärbrennstoff 24 Erdgas
ist, obwohl es sich versteht, dass Alternativen für beide
das Konzept und die Funktion der Erfindung erfüllen und innerhalb des Umfangs
der Erfindung sind. Außerdem ist
beabsichtigt, dass die Bezugnahmen auf Methangehalt sich verstehen
auf eine korrelierte Bezugnahme auf den Energiegehalt oder Wasserstoffgehalt des
Brennstoffes.
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Es
wird auf 3 Bezug genommen. Dargestellt
ist eine erste spezielle Ausführungsform
einer Anordnung zum Messen eines Systemparameters und Verwendung
des gemessenen Wertes zur Steuerung des Mischungsverhältnisses
der mehrfachen Brennstoffe. Insbesondere wird der äquivalente
Energiegehalt oder Wasserstoffgehalt des primären Brennstoffs 22 durch
eine geeignete Vorrichtung oder einen Sensor gemessen, z.B. einen
geeigneten Energie- oder Wasserstoffgehaltsanalysator oder -sensor
(Energy Content, E.C.) 72. Der Energiegehaltssensor 72 kann
ein CH4 Analysator oder ähnliches sein und bestimmt
den Energiegehalt des Primärbrennstoffes 22 und
sendet diesen an die Steuerung 118 über die Leitung 72'. Die Steuerung 118 enthält entsprechende
Schaltungen oder Programmierungen, welche symbolisch repräsentiert
sind durch den Funktionsvergleichsblock 74 und den Logikfunktionsblock 75.
Der Vergleichsfunktionsblock 74 vergleicht den gemessenen
Energiegehalt des Primärbrennstoffes
mit AN Äquivalenzenergiesollwert 141.
Der Energiegehaltsollwert 141 kann durch das Bedienungspersonal
eingegeben werden, z.B. über
ein Keyboard oder ähnliches.
Bei Feststellen eines Unterschisedes oder einer Differenz gegenüber dem Sollwert 141 kann
dieser Differenzwert dann pro portionalen, integralen und/oder anderen
Operationen unterzogen werden und weiterhin durch eine entsprechende
Logik 75 konditioniert werden, und wird als Output-Steuerungssignal
von der Steuerung über die
Leitung 140 zum Steuerungsventil 36 ausgegeben.
Das Steuerungsventil 36 ist assoziiert mit der Erdgas-Sekundärbrennstoffquelle 24,
und das Steuerungssignal auf der Leitung 140 dient zum
Vergrößern oder
Verringern der Strömung
des Erdgases, je nach Bedarf, um ein Mischgasverhältnis mit
dem erforderlichen Methangehalt und somit dem erforderlichen Äquivalent-Wasserstoffgehalt
zu erhalten. Obwohl das Basis-Mischungsverhältnis in ähnlicher Weise wie bei 2A bis 3C vorgegeben werden kann und verwendet
werden kann, um den Sollwert 141 zu etablieren, ermöglicht die
Verwendung des Energiegehaltsensors 72, dass die Steuerung 118 weiterhin
kontinuierlich oder zumindest periodisch das Steuerungsventil 36 moduliert
bzw. beeinflusst und damit die Erdgasströmung 24 steuert, so
dass diese zunimmt oder abnimmt, um einen nahezu konstanten Methangehalt
und damit Äquivalent-Wasserstoffgehalt
in dem gemischten Brennstoff in der Leitung 39 aufrechtzuerhalten.
Dieses verhindert dann einige der Ausschläge in der Kurve des gemischten Brennstoff-Methangehalts
in 2C.
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Es
wird auf 4 Bezug genommen. Dargestellt
ist eine begrenzte Veränderung
der in 3 dargestellten Ausführungsform. Insbesondere ist
der Energiegehaltsensor 72 (E.C.) geeignet, den Energiegehalt
des gemischten Brennstoffs in der Leitung 39, stromabwärts von
der Mischungsstelle 37, an welcher die mehrfachen Brennstoffe
gemischt werden, zu messen. Wie oben leitet eine Leitung 72 den Energiegehaltwert
(die Energiegehaltwerte) an den Vergleichsfunktionsblock 74 in
der Steuerung 218 zum Vergleich mit einem an Energiegehaltsollwert-Signalwert 241.
Im vorliegenden Fall ist jedoch der Sollwert 241 gewählt auf
einen erwünschten
Energiegehalt des gemischten Brennstoffs und das resultierende Steuerungssignal
auf Leitung 240, welches auf das Steuerungsventil 36 angewendet
wird, dient dazu, auf dieses Ventil zu wirken, um das gewünschte Energiegehaltsniveau
der Brennstoffmischung zu erreichen und/oder zu erhalten.
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Die
Ausführungsform
von 5 verwendet die charakteristische Eigenschaft
verschiedener Komponenten der Stromerzeugungsanlage 10,
insbesondere im Bereich der Brennstoffzufuhr und Brennstoffaufbereitung,
verschiedene Druckänderungen
in Abhängigkeit
von Änderungen
des Äquivalent-Wasserstoffgehalts
und/oder Inert-Gehalts des gemischten Brennstoffs zu zeigen. Somit
können durch Überwachen
des Druckes oder besser der Druckdifferenz von, bei oder über eine
oder mehrere solcher Komponenten Veränderungen im Äquivalent-Energiegehalt
abgeleitet und quantifiziert werden, und geeignete Steuerungsvorgänge können durchgeführt werden,
um die Erdgasströmung
zu erhöhen
oder zu verringern, um den erwünschten Äquivalent-Wasserstoffgehalt
zu erreichen. In dieser Ausführungsform
nimmt die Steuerung 18 einen Input des Stromsensors 76 über die
Leitung 76' auf
und einen Input eines Druckwandlers 78 über die Leitung 78'. Der Stromsensor 76 überwacht
den Ausgangslaststrom der Brennstoffzellenanordnung 12 und wendet
ihn auf einen Referenzdruckablauffunktionsblock 80 an,
welcher für
eine vorher definierte Mischbrennstoff-Äquivalent-Wasserstoffzusammensetzung
eine Korrelationsfunktion zwischen dem Laststrom IDC (gemessen durch
Stromsensor 76) und einem Referenzdruck (bzw. eine Druckdifferenz)
für die Komponente,
für welche
der Druck (oder die Druckdifferenz) durch den PT-Wandler 78 gemessen
wird. In Erwiderung auf das gemessene Stromsignal, welches dem Sensor 76 zur
Verfügung
gestellt wird, bietet der Funktionsblock 80 ein Drucksollwertsignal
auf der Leitung 241, welcher angewendet wird, auf den Vergleichsfunktionsblock 74.
Der Vergleichsfunktionsblock 74 empfängt auch das Drucksignal auf
der Leitung 78',
welches vom Drucksensor 78 geliefert wird, als Hinweis
auf den existierenden Druck bzw. Druckunterschied der überwachten
Komponente. Nach Feststellen einer Differenz zwischen dem gemessenen
Drucksignal auf Leitung 78' und
dem Drucksollwertsignal auf Leitung 341, kann dieser Differenzwert
proportionalen, integralen und/oder anderen Operationen unterzogen
werden, kann weiter durch die Logik 75 konditioniert werden
und wird als Output-Steuerungssignal von der Steuerung 318 an der
Leitung 340 zur Steuerung des Ventils 36 ausgegeben.
Wie bereits erwähnt
wird das Steuerungsventil 36 moduliert, um die relative
Menge an Erdgas 24 und den Wasserstoffäquivalent zu erhöhen oder
zu verringern, welcher mit dem primären anaerobischen Verdauungsgas-Brennstoff 22 gemischt
wird, um den geeigneten Druck (oder Druckdifferenz) bei der überwachten
Komponente zu erreichen und/oder zu erhalten.
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Die
Ausführungsform
der 6 ist ähnlich der
Ausführungsform
von 5 in vielerlei Hinsicht, wobei der Hauptunterschied
darin liegt, dass die Spannung der Zellstapelanordnung 12,
gemessen durch einen Spannungswandler 84, welche auf der Leitung 84 erscheint,
der gemessene Systemparameter ist, der den Energiegehalt (Äquivalent-Wasserstoffgehalt)
des Wasserstoffs widerspiegelt. Wie bisher wird der Strom gemessen
durch den IDC Stromsensor 76 und wird in diesem Fall auf
einen Referenzspannungsablauffunktionsblock 86 angewendet,
welcher einen Teil der Steuerung 418 bildet. Der Funktionsblock 86 bietet
für eine
vordefinierte Mischbrennstoff-Äquivalenz-Wasserstoffzusammensetzung
eine Korrelationsfunktion zwischen dem Laststrom IDC, (gemessen
durch den Stromsensor 76) und einer Referenzausgabespannung
der Zellstapelanordnung 12, welche der von dem Spannungswandler 84 gemessene
Systemparameter ist. In Erwiderung auf das gemessene Stromsignal
von dem Sensor 76 bietet der Funktionsblock 86 ein Spannungs-Sollwertsignal
auf der Leitung 441, welche auf den Vergleichsfunktionsblock 74 angewendet wird.
Dieser Vergleichsfunktionsblock 74 nimmt auch das Spannungssignal
auf Leitung 84' auf,
welches vom Spannungswandler VT 84 geliefert wird, als
Hinweis auf die existierende Spannung der überwachten Zellenstapelanordnung 12.
Nach Feststellen einer Differenz zwischen dem überwachten Spannungssignal
auf Leitung 84' und
dem Spannungssollwertpunktsignal auf Leitung 341 kann der
Differenzwert proportional gegenüber
integralen und/oder anderen Aktionen unterzogen und außerdem durch
die Logik 75 konditioniert werden und an ein Outputsteuerungssignal
vom Bedienungspersonal 418 auf der Leitung 440 zur
Steuerung des Ventils 36. Wie bisher wird das Steuerungsventil 36 moduliert,
um die relative Menge an Erdgas 24 und somit an Äquivalent-Wasserstoff,
die mit dem primären
anaeroben Verdauungsgasbrennstoff 22 gemischt wird, zu
erhöhen
oder zu verringern, um die geeignete von der Zellenstapelanordnung 12 zur
Verfügung
gestellte Spannung zu erreichen und/oder aufrechtzuerhalten.
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Es
wird auf 7 Bezug genommen. Dort ist grafisch
und funktional eine Steuerungsanordnung dargestellt, welche alternativ
zu den Ausführungsformen
von 2 bis 6 sein kann,
welche diese aber vorzugsweise ergänzt. Sie kann gesehen werden
als Korrektiv für
die oben beschriebenen Mischfunktionen. Insbesondere ist die Steuerung 518 dargestellt
mit einem Mischsteuerungsfunktionsblock 90, welcher kumulativ
repräsentativ
für jede
der bisher beschriebenen Brennstoffmischsteuerungsfunktionen in
den Figuren, einschließlich 1 bis 6, ist.
Die Mischsteuerung 90, welche Teil der Logik 75 sein
kann, reagiert auf Input vom Bedienpersonal und/oder Sensoren, um
die Steuerungssignale 40 (und 140, 240, 340, 440 der
mehreren entsprechenden Ausführungsformen)
zu liefern, welche die Strömung
des primären
und sekundären
Brennstoffs über die
Steuerungsventile 34, 36, etc., wie oben beschrieben,
steuern. Es kann jedoch erwünscht
sein, ein Mischen des Sekundärbrennstoffs 24 mit
dem Primärbrennstoff 22 zu
haben, wenn die Leistungs- bzw. Stromanforderung an die Zellenstapelanordnung 12/Stromerzeugungsanlage 10 geringer
als ein Schwellenwert ist, beispielsweise 50% Leistung. In einem
solchen Fall der begrenzt benötigten
Leistungsabgabe der Zellenstapelanordnung 12/Stromerzeugungsanlage 10 kann
der primäre
Brennstoff, anaerobes Verdauungsgas 22, ausreichenden Methan-(Äquivalentwasserstoff-)
Gehalt haben, selbst unter schlechtesten Umständen, um die Zellenstapelanordnung 12 adäquat zu
versorgen beim Erfüllen der
ihr abverlangten Leistung.
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Dementsprechend
wird die Output-Leistung oder der Output-Strom der Zellenstapelanordnung 12 überwacht
oder gemessen, z.B. durch einen Stromwandler IDC 176, welcher ähnlich oder
sogar gleich wie der mit Bezug auf die Ausführungsform von 5 und 6 beschriebene
Stromwandler IDC 76. Der durch den Stromwandler IDC 76 gelieferte Strom-
oder Leistungswert wird über
die Leitung 176 auf einen An/Aus-Funktionsblock 92 angewendet, welcher
einen Teil der Steuerung 518 bildet. Dieser An/Aus-Funktionsblock 92 reagiert
auf den gemessenen Strom- oder Leistungswert, um ein anschaltendes
oder ausschaltendes Steuersignal 93 gemäß dem dargestellten Ablauf
zu ermöglichen.
Insbesondere ist der Ablauf strukturiert, das Steuerungssignal 93 zu
einem "Mischungsfreigabe"-Zustand hin und her
zu schalten, wenn die Leistung oder der Strom eine Schwelle überschreitet,
z.B. 50% Leistung, und einen "Mischung
deaktivieren"-Zustand,
wenn die Leistung oder der Strom weniger oder etwas weniger als
die Schwelle ist. Die etwas geringere Schwelle zum Inaktivieren
resultiert aus einer in der Funktion inkorporierten kleinen toten
Bandbreite, welche in die Funktion mit eingebunden ist und das ("Herumschnüffeln") um einen einzelnen
Schwellenwert herum minimiert, falls der Betrieb in diesem Bereich
verweilt. Das Signal 93 wird auf die Mischungssteuerung 90 angewendet,
welche Teil des Logikfunktionsblocks 75 sein kann, und
in dem "Freigabe"-Zustand gibt es
ein Steuerungssignal 540 frei, um das Steuerungsventil 36 zum
Mischen des Sekundärbrennstoffs 24 mit
dem Primärbrennstoff 22 zu
regulieren. Wenn entsprechend das Signal 93 in seinem "Inaktivieren"-Zustand ist, inaktiviert
das resultierende Steuerungssignal 540 das Steuerungsventil 36,
wodurch effektiv die Strömung
von sekundärem
Brennstoff 24 blockiert wird, und verhindert so das Mischen mit
dem primären
ADG Treibstoff.
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Obwohl
die Erfindung in Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen
beschrieben und dargestellt wurde, versteht der Fachmann, dass die vorangehenden Änderungen
und verschiedene andere Änderungen,
Weglassungen und Hinzufügungen
gemacht werden können,
ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können als kompatibel
und nicht inkonsistent, eine oder mehrere der vorangehenden Steuerungsausführungsformen in
Kombination verwendet werden. Obwohl die Ausführungsform von 3 bis 7 im
Kontext des Überwachens
eines Parameters des Primärbrennstoffs
und Steuern des Mischens eines Sekundärbrennstoffs mit dem Primärbrennstoff
beschrieben wurden, versteht es sich, dass solche Anordnungen reserviert
und sogar dazu verwendet werden können, die Parameter von beiden
Brennstoffen und/oder das Steuern des Mischens von einem der oder
beiden Brennstoffen verwendet werden können. Außerdem können die Brennstoffe andere
als oder zusätzlich
zu anaeroben Verdauungsgas und Erdgas sein und können andere Kohlenwasserstoffe,
z.B. Protan, Butan, Methanol, Ethanol, etc. umfassen, wie auch andere
Wasserstoffquellen. Es versteht sich, dass die Bezugnahme auf Methan
sich in den dargestellten Beispielen entweder direkt oder indirekt
als Bezugnahme auf und Maß für die äquivalente
Energie bzw. den Äquivalent-Wasserstoffgehalt
des Brennstoffs bezieht.
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Zusammenfassung
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Brennstoffmischungssteuerungsanordnungen
werden zur Verfügung
gestellt für
Brennstoffzellenstromerzeugungsanlagen 10, welche mit mehrfachen
Brennstoffen 22, 24, 26 betrieben werden.
Ein Brennstoffliefersystem 16 liefert wasserstoffreichen Brennstoff 20 zu
der Zellenstapelanordnung 12 nach gesteuerter Mischung
von einem primären
Brennstoff und mindestens einem sekundären Brennstoff, welche jeweils
einen entsprechenden "Äquivalent-Wasserstoffgehalt" haben. Die relativen
Mengen an gemischtem Primärbrennstoff 22 und
Sekundärbrennstoff 24 werden
reguliert 18, 34, 36, um mindestens eine
minimale Konzentration LL von wasserstoffreichem Brennstoff zu ermöglichen,
welcher einen Äquivalent-Wasserstoffgehalt
hat, der ausreichend ist für normalen
Betrieb der Zellenstapelanordnung 12. In einer Ausführungsform
ist der Primärbrennstoff 22 ein
Biogas oder ähnliches
mit einem begrenzten, möglicherweise
variablen Äquivalent-Wasserstoffgehalt,
und der Sekundärbrennstoff 22 hat
einen größeren und
relativ konstanten Äquivalent-Wasserstoffgehalt
und wird mit dem primären
Brennstoff gemischt in einen ökonomischen,
konstanten Verhältnis,
welches adäquate
Leistungen der Zellenstapelanordnung 12 gewährleistet.
In alternativen Ausführungsformen
werden einer oder mehrere Parameter (IDC, P, V, E.C.) Der im Betrieb
befindlichen Stromerzeugungsanlage 10, welche mit dem Äquivalent-Wasserstoffgehalt
in mindestens dem primären
Brennstoff assoziiert sind, gemessen 72, 26, 78, 84, 176,
und verwendet, um die relativen Mengen von Sekundär- und Primärbrennstoff 22, 24 zu
steuern, die in Reaktion darauf gemischt werden.