-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem
gemäß dem Obergriff
des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Steuerung des Betriebsdrucks
eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
11.
-
Nach
einer Untersuchung, die durch den Erfinder der vorliegenden Anmeldung
durchgeführt wurde,
stellt eine Konfiguration, die in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug 101 montiert
ist, wie das in 9 gezeigt ist, eine Konfiguration
eines Brennstoffzellensystems dar.
-
Im
Brennstoffzellensystem SS des Brennstoffzellen-Fahrzeugs 101 wird
Methanol 17, der als Brennstoff verwendet wird, durch einen
Reformer 13 unter Verwendung von Wasser 21 mit
Dampf reformiert, um somit ein reformiertes Gas 23, das
Wasserstoff enthält,
zu erzeugen, wobei dieses zur Anodenseite der Brennstoffzelle 29 geführt wird.
-
Luft 27 aus
einem Kompressor 25 wird zur Kathodenseite der Brennstoffzelle 29 gesandt.
-
In
der Brennstoffzelle 29 werden der Wasserstoff, der im reformierten
Gas 23 enthalten ist, und der Sauerstoff, der in der Luft 27 enthalten
ist, verwendet, um elektrische Leistung zu erzeugen.
-
Der
Wasserstoff, der im reformierten Gas 23 enthalten ist,
und der Sauerstoff, der in der Luft 27 enthalten ist, werden
nicht vollständig
in der Brennstoffzelle 29 verbraucht, wobei ein nicht verbrauchter Teil über einen
Kondensator 35 an einem Combustor 37 als reformiertes
Abgas 31 und als Abluft 33 gesandt wird.
-
Im
Combustor 37 werden das reformierte Abgas 31 und
die Abluft 33 zusammen mit der Luft 39 vom Kompressor 25 und
dem Methanol aus einem Methanoltank 15 verbrannt, wobei
die Wärme
dieser Verbrennungsreaktion wieder als Wärmequelle für das Verdampfen des Methanols 17 und
des Wassers 21 im Reformer 13 verwendet wird.
-
In
einer Systemsteuervorrichtung 57 wird, basierend auf den
Druckwerten der Luft und des reformierten Gases, die durch Drucksensoren 59 und 61,
die der Brennstoffzelle 29 vorgeschaltet sind, detektiert
werden, die Öffnung
der Druckeinstellventile 63 und 65, die nach dem
Kondensator 35 vorgesehen sind, gesteuert, um somit den
Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems SS, der den Betriebsdruck der
Brennstoffzelle 29 darstellt, zu steuern. Wenn die Betriebslast
der Brennstoffzellensystems SS groß ist, so wird die Steuerung
so durchgeführt,
daß dieser Betriebsdruck
erhöht
wird, um die maximale elektrische Leistung aus dem Brennstoffzellensystem
SS zu erhalten. Wenn die Betriebslast jedoch kleiner ist, so wird
die Steuerung so durchgeführt,
daß der
Betriebsdruck vermindert wird, um den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems
SS zu erhöhen.
-
Beim
Kondensator 35 wird Kühlwasser
W verwendet, um das reformierte Abgas 31 und die Abluft 33,
die von der Brennstoffzelle 29 abgegeben werden, zu kühlen, wobei
der Dampf, der im reformierten Abgas 31 und der Abluft 33 enthalten
ist, kondensiert und wiedergewonnen wird, wobei das wiedergewonnene
Wasser 43 in einen Wassertank zurückgeführt wird.
-
In 9 zeigt
die dicke durchgezogene Linie EL die elektrische Sammelleitung an,
und EXH bezeichnet das Abgas vom Combustor 37.
-
In
einigen Fällen
wird Luft A vom Kompressor 25 zum Reformer 13 gesandt.
-
Im
oben erwähnten
Brennstoffzellensystem stellt jedoch die Systemsteuervorrichtung 57,
basierend auf den Druckwerten der Luft und des reformierten Gases,
die durch Drucksensoren 59 und 61, die vor der
Brennstoffzelle 29 vorgesehen sind, gemessen werden, die Öffnungen
der Druckeinstellventile 63 und 65, die hinter
dem Kondensator 35 vorgesehen sind, ein, um den Betriebsdruck
der Brennstoffzelle 29 zu steuern.
-
Aus
diesem Grund hängt
die Wiedergewinnung des Wassers durch den Kondensator 35 vom Betriebszustand
der Systemsteuervorrichtung 57 ab.
-
Somit
kann man erkennen, daß in
Abhängigkeit
vom Betriebszustand der Systemsteuervorrichtung 57, eine
Verminderung der Menge des Wasser, das in den Wassertank 19 vom
Kondensator 35 rückgeführt wird,
auftritt.
-
Um
unter Berücksichtigung
des obigen Sachverhalts zu verhindern, daß das Wasser im Wassertank 19 ausgeht,
kann man dessen Kapazität erhöhen. Dies
ist jedoch beim Installieren des Brennstoffzellensystems SS in einem
Fahrzeug nicht wünschenswert.
-
Beim
Brennstoffzellensystem SS ist es notwendig, den Wassertank 19 mit
Wasser aufzufüllen, bevor
er leer ist, was jedoch beispielsweise passieren kann, während das
Fahrzeug betrieben wird, was problematisch ist.
-
Ein
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechendes, aus der
DE 694 29 332 T2 bekanntes
Brennstoffzellensystem umfasst einen Wassertank, einen Reformer,
der reformiertes Gas durch das Reformieren eines Brennstoffs unter
Verwendung von Wasser aus dem Wassertank erzeugt und eine Brennstoffzelle,
die elektrische Leistung unter Verwendung des reformierten Gases
vom Reformer und Luft erzeugt. Ein Wasserabscheider scheidet Wasser aus
dem Abgas der Brennstoffzelle ab und führt das wiedergewonnene Wasser
zurück
in den Wassertank. Der Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems wird
mittels einer Steuereinrichtung gesteuert. Stromabwärts des
Wasserabscheiders ist in einer Abgasleitung ein Temperaturdetektor
angeordnet. Gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 11 wird die Temperatur des Abgases stromabwärts der Brennstoffzelle
gemessen und eine Betriebslast des Brennstoffzellensystems berechnet.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem
und ein Verfahren zur Steuerung des Betriebsdrucks eines Brennstoffzellensystems
anzugeben, bei dem bei sicherer und einfacher Betriebsweise des
Brennstoffzellensystem der Wassertank klein dimensioniert sein kann.
-
Diese
Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 11 angegebenen Merkmale
gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird von
der Betriebsdrucksteuervorrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur
des Abgases vom Kondensator ein Gleichgewicht-Betriebsdruck der
Brennstoffzelle berechnet, bei welchem das Hineinfließen von
Wasser in das Brennstoffzellensystem und das Herausfließen von Wasser
aus dem Brennstoffzellensystem sich im Gleichgewicht befindet und
ein Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck
in Abhängigkeit
von der Betriebslast des Brennstoffzellensystems berechnet. Der
Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems wird auf den höheren Druck
vom Gleichgewicht-Betriebsdruck und dem Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck gesteuert,
so dass kein Auffüllen
von Wasser erforderlich ist, womit ein klein dimensionierter Wassertank für das Brennstoffzellensystem
vorgesehen werden kann.
-
Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 eine
Zeichnung, die ein Brennstoffzellen-Fahrzeug zeigt, in welchem ein
Brennstoffzellensystem gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung montiert ist,
-
2 eine
Zeichnung, die ein Diagramm A für
das Bestimmen des Maximalwirkungsgrad-Betriebsdrucks Plod, an welchem
der Systemwirkungsgrad maximal ist, in Erwiderung auf die Betriebslast
L des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform
zeigt,
-
3 ein
Diagramm B, das die gegenseitige Beziehung zwischen der Ausflußtemperatur
T des Kondensators und dem Gleichgewichts-Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems
Pcnd, bei welchem sich das Hineinfließen und das Herausfließen von
Wasser im Brennstoffzellensystem im Gleichgewicht befindet, gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
darstellt,
-
4 ein
Flußdiagramm,
das den Betrieb des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform
zeigt,
-
5 eine
Zeichnung, die ein Brennstoffzellen-Fahrzeug zeigt, in welches ein
Brennstoffzellensystem gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung montiert ist,
-
6 ein
Diagramm C für
das Bestimmen der Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit v aus der
Wasserpegeldifferenz, bis der Wasserpegel H des Wassertanks optimal
ist, gemäß der vorliegenden
Ausführungsform,
-
7 ein
Diagramm D, das die gegenseitige Beziehung zwischen der Ausflußtemperatur
T des Kondensators, der Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit v
im Brennstoffzellensystem und dem Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
zeigt,
-
8 ein
Flußdiagramm,
das den Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
zeigt, und
-
9 eine
Zeichnung, die die Konfiguration einer Brennstoffzelle, die durch
den vorliegenden Erfinder untersucht wurde, zeigt.
-
Ausführungsformen
eines Brennstoffzellensystems und eines Verfahrens für das Steuern
von seinem Betriebsdruck gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend im Detail beschrieben, wobei auf die
relevanten begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
-
Eine
erste Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems und eines zugehörigen Betriebsdrucksteuerverfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben.
-
1 zeigt
ein Brennstoffzellen-Fahrzeug 11, in welchem ein Brennstoffzellensystem
S1 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung installiert ist.
-
In 1 verwendet
ein Reformer 13 Wasser, das von einem Wassertank 19 geliefert
wird, um als Brennstoff von einem Methanoltank 15 zugeführtes Methanol 17 mit
Dampf zu reformieren, um ein reformiertes Gas 23 zu erzeugen,
das Wasserstoff enthält.
Die Dampfreformierung stellt eine endotherme Reaktion dar.
-
In
einigen Fällen
verwendet der Reformer 13 Luft A, die vom Kompressor 25 geliefert
wird, um das Methanol 17, das vom Methanoltank 15 geliefert
wird, teilweise zu oxidieren, um somit ein reformiertes Gas zu erzeugen.
Diese Oxidationsreformation ist eine exotherme Reaktion.
-
Reformiertes
Gas 23, das vom Reformer 13 geliefert wird, und
Luft 27, die vom Kompressor 5 geliefert wird,
werden zur Anodenseite beziehungsweise Kathodenseite der Brennstoffzelle
geliefert, um somit Elektrizität,
das heißt,
elektrische Leistung unter Verwendung des Wasserstoffs im reformierten Gas 23 und
des Sauerstoffs in der Luft 27 zu erzeugen.
-
Der
Wasserstoff im reformierten Gas 23 und der Sauerstoff im
der Luft 27 werden nicht vollständig in der Brennstoffzelle 29 verbraucht;
ein Teil von ihnen bleibt übrig
und wird abgeführt.
Das heißt,
das reformierte Abgas 31 und die Abluft 33 werden über den
Kondensator 35 zum Combustor 37 gesandt.
-
Im
Combustor 37 werden das reformierte Abgas 31 und
die Abluft 33 zusammen mit der Luft 39, die vom
Kompressor 25 geliefert wird, und dem Methanol 17,
das vom Methanoltank 15 geliefert wird, verbrannt.
-
Die
Hitze der Verbrennungsreaktion im Combustor 37 wird wieder
verwendet, um das Methanol 17 und das Wasser im Reformer 13 zu
verdampfen, und als eine Hitzequelle für die endotherme Reaktion der
Dampfreformation.
-
Der
Kondensator 35 verwendet Kühlwasser W aus einem Radiator 41 um
mittels eines Wärmetausches
das reformierte Abgas 31 und die Abluft 33, die
jeweils von der Brennstoffzelle 29 abgegeben werden, zu
kühlen,
wobei der darin enthaltene Dampf kondensiert und wiedergewonnen
wird und als wiedergewonnenes Wasser 43 in den Wassertank 19 rückgeführt wird.
-
Eine
Batterie 45 sammelt elektrische Leistung, die durch die
Brennstoffzelle 29 erzeugt wird, und regenerativ erzeugte
elektrische Leistung, die durch einen Motor 47 erzeugt
wird, wenn das Fahrzeug sich verlangsamt.
-
Eine
Einstellvorrichtung 49 für die elektrische Leistung
führt in
Erwiderung auf ein Steuersignal von einer elektrischen Leistungssteuerung 51 in
dem Fall, bei dem es für
die elektrische Leistung, die durch die Brennstoffzelle 29 erzeugt
wird, nicht möglich
ist, genügend
elektrische Leistung für
den Verbrauch durch den Motor 47 beim Fahren und für den Verbrauch
der Hilfsausrüstung,
wie dem Kompressor 25, dem Reformer 13 und dem
Combustor 37 zu liefern, eine passende elektrische Leistungsverteilung vor,
wie beispielsweise eine Lieferung von elektrischer Leistung an den
Motor 47 von der Batterie 45, und elektrischer
Leistung an eine Hilfsausrüstung, wie
den Kompressor 25, um die ungenügende elektrische Leistung
auszugleichen.
-
Die
elektrische Leistungssteuerung 51 sendet auf der Basis
eine Detektionssignals, das der Größe des Niederdrückens des
Gaspedals 53, die durch einen Positionssensor 55 detektiert
wird, entspricht, ein Steuersignal an eine elektrische Leistungseinstellvorrichtung 49,
um so die elektrische Leistung mittels der elektrischen Leistungseinstellvorrichtung 49 passend
zu verteilen.
-
Innerhalb
der elektrischen Leistungseinstellvorrichtung 49 sind ein
Spannungssensor SV und ein Stromsensor SI vorgesehen, die die Spannung
und den Strom, der durch die Brennstoffzelle 29 erzeugt wird,
detektieren, wobei das Detektionsergebnis an eine Betriebsdrucksteuervorrichtung 57 ausgegeben wird.
-
Ein
Luftdrucksensor 59 detektiert den Druck der Luft 27,
die vom Kompressor 25 zur Brennstoffzelle 29 geliefert
wird, wobei der gemessene Luftdruckwert an die Betriebdrucksteuervorrichtung 57 ausgegeben
wird.
-
Ein
Drucksensor 61 für
das reformierte Gas detektiert den Druck des reformierten Gases,
das an die Brennstoffzelle 29 vom Reformer 13 geliefert wird,
wobei der detektierte Druckwert des reformierten Gases an die Betriebsdrucksteuervorrichtung 57 ausgegeben
wird.
-
Ein
Ventil 63 zum Einstellen des Drucks des reformierten Abgases
stellt den Druck des reformierten Abgases, das an den Combustor 37 vom
Kondensator 35 gesendet wird, ein.
-
Ein
Ventil 65 für
das Einstellen des Abluftdruckes stellt den Druck der Abluft, die
vom Kondensator 35 an den Combustor 37 gesandt
wird, ein.
-
Ein
Temperatursensor 67 ist nahe dem Auslaß des Kondensators 35 angeordnet
und detektiert die Auslaßtemperatur
der Abluft, die aus dem Kondensator 35 ausgegeben wird,
wobei diese zur Betriebsdrucksteuervorrichtung 57 gesandt
wird. Die Montageposition des Temperatursensors 67 kann, um
die Temperatur des reformierten Abgases des Kondensators 35 zu
detektieren, in der Nähe
des Auslasses des reformierten Abgases (gestrichelte Linie in 1)
des Kondensators 35 angeordnet sein. In dieser Ausführungsform
befindet sich die Montageposition, um die typische Auslaßtemperatur
der Abluft zu detektieren, nahe dem Auslaß der Abluft des Kondensators 35 (durchgezogene
Linie in 1).
-
Die
Betriebsdrucksteuervorrichtung 57 überwacht den Luftdruck, der
durch den Drucksensor 59 detektiert wird, und den Druckwert
des reformierten Gases, der durch den Drucksensor 61 detektiert
wird, und stellt die Öffnung
der Druckeinstellventile 63 und 65 so ein, daß der Betriebsdruck
des Brennstoffzellensystems gesteuert wird, insbesondere um den
Betriebsdruck der Brennstoffzelle 29 zu steuern. Die Betriebdrucksteuervorrichtung 57 berechnet
auf der Basis der Spannung V und des Stroms I, die durch den Spannungssensor
SV und den Stromsensor SI in der elektrischen Leistungseinstellvorrichtung 49 detektiert
werden, die Betriebslast des Brennstoffzellensystems S1. Zusätzlich berechnet
die Betriebsdrucksteuervorrichtung 57 in Erwiderung auf
die Temperatur T der Abluft, die aus dem Kondensator 35 abgegeben
wird, und die durch den Temperatursensor 67 detektiert
wird, den Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd der Brennstoffzelle 29,
bei welchem das Hineingeben und Herauslassen von Wasser im Brennstoffzellensystem
S1 sich im Gleichgewicht befindet, und sie berechnet in Erwiderung
auf die Betriebslast des Brennstoffzellensystems S1 den Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck
Plod, an dem der Wirkungsgrad des Betriebs des Brennstoffzellensystems
S1 maximal ist, und sie führt
weiter eine Steuerung des Betriebsdrucks der Brennstoffzelle 29 so
durch, daß sie den
höheren
Druck des Gleichgewichts-Betriebsdruckes Pcnd und des Maximalwirkungsgrad-Betriebsdrucks
Plod erzielt. Die Betriebsdrucksteuervorrichtung 57 hat
in sich eine Vielzahl von Verzeichnissen oder Diagrammen, die nachfolgend
beschrieben werden, um das Brennstoffzellensystem S1 zu steuern, wobei
diese Verzeichnisse im Vorhinein in einem Steuer-ROM gespeichert
werden.
-
Das
Diagramm A, das in 2 gezeigt ist, stellt den Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck
Plod dar, wobei an diesem der Betriebswirkungsgrad der Brennstoffzelle 29 maximal
ist, in Erwiderung auf die Betriebslast des Brennstoffzellensystems
S1, wobei dieses Diagramm im Vorhinein in einem ROM der Betriebsdruckssteuervorrichtung 57 gespeichert
ist.
-
Insbesondere
führt die
Betriebsdrucksteuervorrichtung 57 in Erwiderung auf eine
Betriebslast L des Brennstoffzellensystems S1 eine Steuerung des Brennstoffzellensystems
S1 durch, um den Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck Plod, der aus dem Diagramm
A bestimmt wird, zu erzielen, wobei das Diagramm A die gegenseitige
Beziehung zwischen der Betriebslast L und dem Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck Plod
darstellt, in Erwiderung auf die Betriebslast des Brennstoffzellensystems
S1. Dieser Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck Plod wird so errichtet,
daß in
dem Fall, bei dem die Betriebslast L groß ist, der Betriebsdruck höher gemacht
wird, um eine maximale elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystems
S1 zu erreichen, und in dem Fall, in welchem die Betriebslast niedrig
ist, der Betriebsdruck niedriger gemacht wird, um den Wirkungsgrad des
Brennstoffzellensystems S1 zu erhöhen, indem der Systemwirkungsgrad
des Brennstoffzellensystems S1 in Erwiderung auf die Betriebslast
L maximiert wird.
-
Das
Diagramm B, das in 3 gezeigt ist, stellt die gegenseitige
Beziehung zwischen der Auslaßtemperatur
T des Kondensators 35, wobei dies insbesondere die Auslaßtemperatur
der Abluft des Kondensators 35 ist, und dem Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd
der Brennstoffzelle 29, bei dem das Hineingeben von Wasser
und das Abgeben von Wasser im Brennstoffzellensystem S1 ausgeglichen
ist, dar, wobei dieses Diagramm im Vorhinein in einem ROM in der
Betriebsdrucksteuervorrichtung 57 gespeichert wird. Pmin,
das in 3 gezeigt ist, ist der untere Grenzwert des Druckes,
an dem eine normale Lieferung von reformiertem Gas und Luft möglich ist. Dies
ergibt sich durch einen Druckverlust, der beispielsweise im Combustor 37 und
den Rohren auftritt.
-
Um
den Betrieb durch das Wiedergewinnen von Wasser durch den Kondensator 35 fortzusetzen, so
daß das
Wasser im Brennstoffzellensystem S1 nicht ausgeht, kann insbesondere
der Betriebsdruck der Brennstoffzelle 29 in Erwiderung
auf die Auslaßtemperatur
T des Kondensators 35 auf einen Wert eingestellt werden,
der größer als
der Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd auf der Linie RD für den Nennbetrieb
ist, wie das in 3 gezeigt ist.
-
In
diesem Fall wird, wenn die Einstellung auf einen Betriebsdruck,
der höher
als die Linie RD für den
Nennbetrieb ist, Wasser durch den Kondensator 35 wiedergewonnen
und gesammelt.
-
Im
mittleren Lastzustand kann die Linie MD für den Betrieb bei mittlerer
Last verwendet werden, und für
einen Schwachlastbetrieb kann die Linie LD für einen Schwachlastbetrieb
verwendet werden.
-
Als
nächstes
wird nachfolgend der Betrieb eines Brennstoffzellensystems S1 gemäß dieser
Ausführungsform
im Detail beschrieben, wobei man dem Flußdiagramm der 4 folgt.
-
Das
Steuerprogramm, das durch dieses Flußdiagramm dargestellt wird,
wird in einem internen ROM der Betriebsdrucksteuervorrichtung 57 gespeichert,
wobei diese gemäß diesem
Steuerprogramm arbeitet. Die Bearbeitung dieses Steuerprogramms
wird in einem vorgeschriebenen Zeitintervall gestartet, und es erfolgt
eine Multitask-Verarbeitung.
-
Zuerst
führt,
wenn die Verarbeitung begonnen wird, die Betriebsdrucksteuervorrichtung 57 in den
Schritten S10 und S30 eine parallele Verarbeitung durch.
-
In
Schritt S10 wird auf der Basis der Spannung V und des Stroms I,
die durch den Spannungssensor SV und den Stromsensor SI in der elektrischen
Einstellvorrichtung 49 detektiert werden, die Betriebslast
L des Brennstoffzellensystems S1 berechnet.
-
Die
Betriebslast L% des Brennstoffzellensystems S1 wird insbesondere
aus der elektrischen Leistung VI, die durch den Brennstoffzelle 29 erzeugt wird,
und der elektrischen Leistung Σvi
der Hilfsausrüstung
folgendermaßen
bestimmt: L = {(VI – Σvi)/VI)} × 100
-
Die
elektrische Leistung Σvi
der Hilfsausrüstung
kann alternativ durch das Bereitstellen eines Spannungssensors und
eines Stromsensors in jedem Stück
der Hilfsausrüstung,
wie dem Kompressor 25, und dem Berechnen des Gesamtwertes
bestimmt werden. Wenn die elektrische Leistung zum Motor 47 von
der Batterie 45 geliefert wird, so wird der Ausdruck des
elektrischen Leistungsverbrauchs durch den Motor 47 aus
der elektrischen Leistung Σvi
der Hilfsausrüstung
entfernt.
-
Als
nächstes
wird im nächsten
Schritt S20 nach dem Schritt S10 auf ein Diagramm A, das in 2 gezeigt
ist, Bezug genommen, und der Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck Plod,
bei dem der Systemwirkungsgrad maximal ist, wird in Erwiderung auf
die Betriebslast des Brennstoffzellensystems S1 daraus ausgelesen.
-
Als
nächstes
wird im nächsten
Schritt S30 nach dem Schritt S20 die Auslaßtemperatur T vom Temperatursensor 67,
der am Auslaß des
Kondensators 35 montiert ist, eingelesen.
-
Als
nächstes
wird im nächsten
Schritt S40 nach dem Schritt S30, auf das Diagramm B, das in 3 gezeigt
ist, Bezug genommen, und der Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd,
der der Auslaßtemperatur
T des Kondensators 35 während
des Betriebs entspricht, wird ausgelesen.
-
Im
Schritt S50, der auf die Schritte S20 und S40 folgt, wird ein Vergleich
durchgeführt,
ob der Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd größer als der Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck
Plod ist.
-
Insbesondere
wenn der Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd niedriger ist (Ergebnis
NEIN), so geht der Programmfluß zu
Schritt S60, wenn jedoch der Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd höher ist
(Ergebnis JA), so geht der Programmfluß zu Schritt S70.
-
Wenn
der Programmfluß zu
Schritt S60 weiter geht, so wird der Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems
S1, das heißt
der Betriebsdruck der Brennstoffzelle 29 auf den Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck
Plod gesetzt.
-
Insbesondere
wird der Druck der Luft 27, die der Brennstoffzelle 29 vom
Kompressor 25 zugeführt wird,
durch den Drucksensor 59 überwacht und die Öffnung des
Druckeinstellventils 65 wird gesteuert, um einen Betriebsdruck
der Luft 27, der durch den Drucksensor 59 gemessen
wird, zu erzielen, der dem Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck Plod
entspricht, und der Druck der Abluft, die vom Kondensator 35 zum
Combustor 37 gesandt wird, wird eingestellt. Gleichzeitig
wird der Druck des reformierten Gases 23, das der Brennstoffzelle 29 vom Reformer 13 geliefert
wird, durch den Drucksensor 61 überwacht, und die Öffnung des
Druckeinstellventils 63 wird so gesteuert, daß man einen
Betriebsdruck des reformierten Gases 23, der durch den
Drucksensor 61 gemessen wird, erzielt, der dem Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck
Plod entspricht, und der Druck des reformierten Abgases, das vom
Kondensator 35 zum Combustor 37 gesandt wird,
wird eingestellt.
-
Wenn
der Programmfluß jedoch
zum Schritt S70 weitergeht, wird der Betriebsdruck der Brennstoffzellensystems
S1 auf den Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd eingestellt.
-
Insbesondere
wird der Druck der Luft 27, die zur Brennstoffzelle 29 vom
Kompressor 25 geliefert wird, durch den Drucksensor 59 überwacht,
und die Öffnung
des Druckeinstellventils 65 wird gesteuert, um einen Betriebsdruck
der Luft 27, der durch den Drucksensor 59 gemessen
wird, zu erzielen, der dem Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd entspricht,
und der Druck des Abgases, das vom Kondensator 35 zum Combustor 37 gesandt
wird, wird eingestellt. Gleichzeitig wird der Druck des reformierten
Gases 23, das vom Reformer 13 zur Brennstoffzelle 29 geliefert
wird, durch den Drucksensor 61 überwacht, und die Öffnung des
Druckeinstellventils 63 wird gesteuert, um einen Betriebsdruck
des reformierten Gases, der durch den Drucksensor 61 gemessen
wird, zu erzielen, der dem Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd entspricht,
und der Druck des reformierten Abgases, das vom Kondensator 35 zum
Combustor 37 gesandt wird, wird eingestellt.
-
Nach
dem Durchführen
der Bearbeitung des Schrittes S60 oder des Schrittes S70 in der
oben angegebenen Art, wird wieder zum Beginn der Verarbeitung zurückgekehrt.
-
Gemäß der oben
angegebenen Konfiguration ist es in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
möglich,
da es möglich
ist, den Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems zuverlässig zu steuern,
so daß er über dem
Gleichgewichts-Be triebsdruck liegt, Wasser aus der Abluft im Kondensator,
die den Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd überschritten hat, wieder zu
gewinnen, und das Wasser im Wassertank 19 zu sammeln.
-
Somit
wird eine Erneuerung des Wassers im Wassertank 19 im wesentlichen
unnötig,
und es ist möglich,
einen kleinen Wassertank 19 zu verwenden, um somit die
Gestaltung des Systems zu verbessern, und seine Anwendung in der
Praxis zu erleichtern.
-
Zusätzlich wird
eine Verbesserung der Starteigenschaften unterhalb des Gefrierpunkts
von Wasser erzielt, was es möglich
macht, ein Brennstoffzellensystem zu erhalten, das nur eine kleine
Menge Energie für
einen Start unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser benötigt.
-
Wie
in Bezug auf 3 beschrieben ist, zeigt in
Bezug auf die Auslaßtemperatur
des Kondensators 35 der Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd, bei dem das Hineinfließen und
das Herausfließen
von Wasser im Brennstoffzellensystems S1 ausgeglichen ist, einige
Unterschiede in Abhängigkeit
von der Betriebslast des Brennstoffzellensystems S1. Aus diesem
Grund ist es möglich,
den Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd nicht nur auf der Basis der
Auslaßtemperatur
T des Kondensators 35 einzustellen, sondern auch auf der
Basis der Betriebslast des Brennstoffzellensystems S1. Beispielsweise
wird in 3 der Gleichgewichts-Betriebsdruck
Pcnd als RD, MD und LD für
einen Nennbetrieb, einen Betrieb bei mittlerer Last beziehungsweise
einen Betrieb bei niedriger Last eingestellt. Durch das Vornehmen
dieser Einstellungen gemäß der Betriebslast
wird in dem Fall, bei dem die Außenlufttemperatur niedrig ist,
und die Wasserwiedergewinnungskapazität des Kondensators 35 hoch
ist, das Wasser angesammelt wird, eine Einstellung vorgenommen,
um dem Systemwirkungsgrad eine Priorität zu geben. In dem Fall, bei dem
die Außentemperatur
hoch ist, und die Wasserwiedergewinnungskapazität des Kondensators 35 erniedrigt
ist, wird eine Einstellung vorgenommen, um ein Gleichgewicht des
Wassers zu erzielen, und um auch eine Verschlechterung des Systemwirkungsgrades
so gut wie möglich
zu unterdrücken.
-
Es
ist auch möglich,
basierend auf der Auslaßtemperatur
T des Kondensators 35 und der Betriebslast L des Brennstoffzellensystems
S1 den passenden Gleichgewichts-Betriebsdruck Plod aus einem Diagramm,
das dem Diagramm A entspricht, einzustellen, und den Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck
Pcnd aus einem Diagramm, das dem Diagramm B entspricht, zu bestimmen,
wobei diese beiden dann verglichen werden und der höhere der beiden
eingestellt wird.
-
Es
wird nachfolgend eine zweite Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems
und eines dafür
geeigneten Betriebsdrucksteuerverfahrens gemäß der Erfindung im Detail unter
Bezug auf die 5 bis 8 beschrieben.
-
Wie
man aus 5 sieht, ist in dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Konfiguration des gesamten Brennstoffzellensystems
S2 ähnlich
der, die in 1 gezeigt ist, wobei der Unterschied
darin besteht, daß in
dieser Ausführungsform beim
Wassertank 19 ein Wasserpegelsensor 73 hinzugefügt wurde.
-
Der
Wasserpegelsensor 73 mißt den Wasserpegel innerhalb
des Wassertanks 19 und gibt den Wasserpegelwert H an die
Betriebsdrucksteuervorrichtung 75, basierend auf der Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit
v, die durch das Diagramm C, das in 6 gezeigt
ist, errichtet ist, und der Auslaßtemperatur T des Kondensators 35,
die getrennt gemessen wird, aus, führt einen Vergleich des Gleichgewichts-Betriebsdruckes Pcnd,
der unter Verwendung des Diagramms D, das in 7 gezeigt
ist, aufgestellt wird, und des Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck
Plod, der aus dem Diagramm der 2 errichtet
wird, durch, wie das in Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben wurde,
und stellt den Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems S2 ein.
-
Das
Diagramm C, das in 6 gezeigt ist, ist ein Diagramm,
das verwendet wird, um die Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit
durch die Wasserpegeldifferenz vom Wasserpegelwert H des Wassertanks 19 zum
optimalen Wert Hp zu bestimmen. Der ideale Wert Hp, der hier verwendet
wird, entspricht dem Zustand, in welchem nicht zu viel und nicht
zu wenig Wasser im Brennstoffzellensystem S2 vorhanden ist.
-
Das
Diagramm D, das in 7 gezeigt ist, stellt die gegenseitige
Beziehung zwischen der Auslaßtemperatur
T des Kondensators 35, der Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit
v im Brennstoffzellensystem S2 und dem Gleichgewichts-Betriebsdruck
Pcnd der Brennstoffzelle dar. Dieses Diagramm ist für einen
Nennbetrieb ausgelegt. Insbesondere entspricht im Diagramm D die
Linie der Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit v für +–0 (103 kg/Sekunde) dem Zustand, bei dem ein Gleichgewicht
zwischen dem Hineinfließen
und dem Herausfließen
von Wasser herrscht, wobei dieses gleich wie im Diagramm B, das
in 3 gezeigt ist, ist. In der positiven Richtung
der Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit v, beispielsweise +A,
geht die Wasserwiedergewinnung gut voran, und es besteht die Neigung,
daß die
Menge des Wassers im Wassertank 19 steigt. In der negativen
Richtung der Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit v ist die Wiedergewinnung
des Wassers jedoch nicht schnell genug, so daß die Neigung besteht, daß die Menge des
Wassers im Wassertank 19 abnimmt.
-
Der
Betrieb des Brennstoffzellensystems S2 gemäß dieser Ausführungsform
wird nachfolgend unter Bezug auf das Flußdiagramm, das in 8 gezeigt
ist, beschrieben. Da das Steuerprogramm, das in diesem Flußdiagramm
gezeigt ist, eine teilweise Variation des Steuerprogramms ist, das
in 4 gezeigt ist, werden die entsprechenden Schritte
nur kurz beschrieben oder bei der nachfolgenden Beschreibung ganz
weggelassen.
-
Bei
der Verarbeitung des Schrittes S30 und der nachfolgenden Schritte
besteht eine Differenz dieser Ausführungsform in Bezug auf die
erste Ausführungsform,
da in Schritt S30 die Auslaßtemperatur T
vom Temperatursensor 67, der am Auslaß des Kondensators 35 vorgesehen
ist, eingelesen wird, und im Schritt S210 der Wasserpegelwert H
im Wassertank 19 vom Wasserpegelsensor 73, der
im Wassertank 19 vorgesehen ist, eingelesen wird.
-
Dann
wird im nächsten
Schritt S220 auf das Diagramm C, das in 6 gezeigt
ist, Bezug genommen, und eine Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit
v, die diesem Wasserpegelwert H entspricht, wird eingelesen, wobei
diese Geschwindigkeit als aktuelle Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit
v eingestellt wird.
-
Dann
wird in einem nächsten
Schritt S230 auf das Diagramm D, das in 7 gezeigt
ist, Bezug genommen, und eine Linie im Diagramm D, die der aktuell
eingestellten Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit v entspricht,
wird aufgestellt, und aus dieser Linie wird ein Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd,
der der Auslaßtemperatur
T des Kondensators 35 im Betrieb entspricht, eingelesen.
-
Nachfolgend
geht in derselben Weise, wie das für die erste Ausführungsform
beschrieben wurde, der Programmfluß zu Schritt S50 weiter, an
dem ein Vergleichstest durchgeführt
wird, um zu bestimmen, ob der Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd
größer als
der Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck Plod ist. Wenn der Gleichgewichtsdruck
Pcnd kleiner ist (Ergebnis NEIN), so geht das Verfahren zu Schritt S60,
an dem der Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems S2 auf den
Maximalwirkungsgrad-Betriebsdruck Plod eingestellt wird. Wenn jedoch
der Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd größer ist, so geht das Verfahren
zu Schritt S70, bei welchem der Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems
S2 auf den Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd eingestellt wird.
-
Nach
dem Durchführung
des Schrittes S60 oder des Schrittes S70 in der oben beschriebenen
Art wird wieder zum Beginn der Bearbeitung zurück gegangen.
-
In
der oben beschriebenen Ausführungsform wird
zusätzlich
zur Wirkung, die in der ersten Ausführungsform erzielt wurde, in
Erwiderung auf die Wasserpegeldifferenz vom Wasserpegelwert H im
Wassertank 19 zum optimalen Wert Hp die Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit
v im Brennstoffzellensystem S2 berechnet, und in Erwiderung auf
die Abgastemperatur T vom Kondensator 35 und die Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit
v wird der Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd des Brennstoffzellensystems
S2, bei dem das Hineinfließen
und das Herausfließen
des Wassers in das Brennstoffzellensystem S2 ausgeglichen ist, berechnet,
wobei man das Ergebnis erhält,
daß es
möglich
ist, eine verbesserte Steuerung durchzuführen, so daß der Betriebsdruck des Brennstoffzellensystem
S2 den Gleichgewichts-Betriebsdruck
Pcnd überschreitet.
-
Somit
wird durch die Tätigkeit
des Kondensators 35, der sich auf einem Druck befindet,
der den Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd übersteigt, Wasser aus dem Abgas
wiedergewonnen, um somit wirksam Wasser im Wassertank 19 bis
zum optimal Wasserpegel Hp anzusammeln.
-
Zusätzlich wird
die Einstellung so vorgenommen, daß obwohl der Leistungsverbrauch
des Kompressors 25 desto größer ist, je größer der
Betriebsdruck ist, in dem Fall, in dem der Wasserpegel H im Wassertank 19 niedriger
als der optimale Wert Hp ist, wenn der Wasserpegel H sich dem optimalen
Wert Hp nähert,
der Gleichgewichts-Betriebsdruck Pcnd kleiner wird, so daß es möglich ist,
den Betriebswirkungsgrad des Brennstoffzellensystems S2 zu erhöhen.
-
Obwohl
diese Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung für
ein Beispiel beschrieben wurde, in welchem die Wasserwiedergewinnungsgeschwindigkeit
v in Erwiderung auf die Wasserpegeldifferenz zwischen dem Wasserpegelwert
H im Wassertank 19 und dem optimalen Wert Hp unter Verwendung
einer linearen Funktion, wie sie in Diagramm C gezeigt ist, berechnet
wurde, ist es offensichtlich, daß ein anderer Typ einer kontinuierlichen Funktion
verwendet werden kann. In einigen Fällen ist es möglich, eine
diskrete Funktion zu verwenden, wie beispielsweise eine Funktion,
die einen positiven Wert annimmt, wenn der Wasserpegel im Wassertank 19 einen
vorgeschriebenen unteren Pegelwert annimmt, und einen negativen
Wert, wenn er einen vorgeschriebenen oberen Pegelwert annimmt.
-
Es
ist weiter möglich,
das Diagramm D der zweiten Ausführungsform ähnlich wie
in dem Fall beim Diagramm B in der ersten Ausführungsform gemäß der Betriebslast
des Brennstoffzellensystems zu kompensieren.
-
Der
Wassertank 19 kann ein Tank sein, der eine gemischte Flüssigkeit,
die Wasser enthält,
sammelt.
-
Zusätzlich ist
es natürlich
möglich,
auch wenn in den vorangegangen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung die Auslaßtemperatur
des Kondensators 35 verwendet wurde, beispielsweise die
Rohrtemperatur am Auslaß des
Kondensators 35 zu verwenden.
-
Während in
den vorangehenden Ausführungsformen
das Gas, das Sauerstoff enthält,
Luft ist, kann im Prinzip ein anderes Gas, das Sauerstoff enthält, verwendet
werden, so daß keine
Beschränkung auf
die Verwendung von Luft besteht.
-
Während die
oben beschriebenen Ausführungsformen
Methanol als Brennstoff verwenden, kann im Prinzip ein anderer Brennstoff,
der Wasserstoff enthält,
verwendet werden, und natürlich
ist der Brennstoff nicht auf die Verwendung von Methanol begrenzt.
-
Der
gesamte Inhalt einer Patentanmeldung Nr. TOKUGANHEI 11-196058 mit einem
Einreichungsdatum vom 9. Juli 1999 in Japan wird hiermit durch Bezugnahme
eingeschlossen.
-
Obwohl
die Erfindung oben unter Bezug auf gewisse Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen
Ausführungsformen
begrenzt. Modifikationen und Variationen der oben beschriebenen
Ausführungsformen
werden im Licht der Lehre für
den Fachmann deutlich. Der Umfang der Erfindung wird unter Bezug
auf die folgenden Ansprüche
definiert.