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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den
Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 sowie ein Steuerverfahren
eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffes
des Anspruches 12.
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Ein
Brennstoffzellensystem mit einem Verdampfer, wie in 1 dargestellt, wurde von den Erfindern
der vorliegenden Erfindung untersucht.
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In 1 umfaßt ein Verdampfer 1 einen Wärmetauscher 2 eines
Kreuzstromtyps. Der Wärmetauscher 2 des
Kreuzstromtyps umfaßt
einen ersten Wärmetauscher 3 des
Kreuzstromtyps zum Verdampfen von Wasser, um Wasserdampf ST zu erzeugen,
und einen zweiten Wärmetauscher 4 des
Kreuzstromtyps zum Verdampfen von Methanol, um Methanoldampf MV
zu erzeugen.
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Der
erste Wärmetauscher 3 des
Kreuzstromtyps umfaßt
eine Wärmetauschkammer 3a,
eine Vielzahl von Wassereinspritzdüsen 3b, welche geeignet sind,
mit Wasser von einem Wassertank 5 über eine Wasserspeisepumpe 6 versorgt
zu werden, eine Wasserdispersionstafel 3c, an welcher sich
Wasser ansammelt, und einen Wärmetauscherabschnitt 3d, welcher
an einem Zwischenbereich der Wärmetauschkammer
angeordnet ist.
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Der
Wärmetauscherabschnitt 3d ist
in Verbindung mit einem Vergasungsbrenner 7, um Heizgas
aufzunehmen, welches davon ausgestoßen wird, um den Wasserdampf
ST durch Erwärmen
von Wasser FW mittels eines Heizgases HG zu erzeugen. Der Vergasungsbrenner
verbrennt Luft AR und Brennstoff FL, um das Heizgas HG zu erzeugen.
Der Wasserdampf ST wird anschließend einem Reformer zugeführt.
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In ähnlicher
Weise umfaßt
der zweite Wärmetauscher
des Kreuzstromtyps eine Wärmetauschkammer 4a mit
einer Vielzahl von Methanoleinspritzdüsen 4b, welche geeignet
sind, mit Methanol von einem Methanoltank 8 über eine
Methanolspeisepumpe 9 versorgt zu werden, eine Methanoldispersionstafel 4c und
einen Wärmetauscherabschnitt 4d in Verbindung
mit dem Vergasungsbrenner 7, um das Heizgas HG zur Erzeugung
des Methanoldampfs MV aufzunehmen, welches dem Reformer zugeführt wird.
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Bei
einem derartigen Verdampfer, welcher in dem oben erörterten
Brennstoffzellensystem verwendet wird, wird jedoch Speisewasser
auf die Dispersionstafel 3c durch die Wassereinspritzdüsen 3b gesprüht und einer
Verdampfungswärmeübergangsfläche des
Wärmetauscherabschnitts 3d zugeführt. Bei einer
derartigen Struktur ist ein bestimmtes Zeitintervall erforderlich,
um Speisewasser auf Bereichen über
der Dispersionstafel 3c anzusammeln, so daß eine Verzögerungszeit
vorhanden ist, bevor eine erforderliche Wasserdampfmenge erhalten
wird. Diese Situation ist die gleiche wie in dem Fall, bei welchem eine
erforderliche Menge von Methanoldampf erhalten wird.
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Aus
der
US 5658681 A ist
ein Brennstoffzellensystem bekannt, das eine elektrische Leistung
erzeugende Brennstoffzelle und eine Heizgas erzeugende Verbrennungseinrichtung
aufweist. Ein Verdampfer ist vorgesehen mit einer Verdampfungswärmeübergangsfläche, an
der Brennstoff mittels des Heizgases verdampft, um Brennstoffdampf
zu erzeugen und ein Reformer ist vorgesehen, der den Brennstoffdampf
reformiert, um reformier tes Gas zu erzeugen, wobei die Brennstoffzelle
mit dem reformierten Gas und einem Sauerstoff enthaltenden Gas versorgt wird,
um die elektrische Leistung zu erzeugen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen,
untersuchten Unzulänglichkeiten
gemacht, und es ist deren Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem und
ein Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welche derartige
Unzulänglichkeiten überwinden
und beseitigen, das heißt,
ein Brennstoffzellensystem mit einem Verdampfer zu schaffen, welches
auf veränderliche
Betriebslasten eines Kraftfahrzeugs hochsensibel reagiert, und ein
Steuerverfahren dafür
anzugeben.
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Hinsichtlich
eines Brennstoffzellensystems wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch
ein Brennstoffzellensystem mit der Kombination der Merkmale des
Patentanspruchs 1.
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Hinsichtlich
eines Steuerverfahrens eines Brennstoffzellensystems wird die vorgenannte
Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch
die Kombination der Merkmale des Patentanspruches 12.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Nutzen der vorliegenden Erfindung gehen aus
der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden
Zeichnung deutlich hervor. Selbstverständlich besitzen die vorhergehende
Beschreibung und die nachfolgende genaue Beschreibung beispielhaften und
erläuternden
Charakter und sollen die Erfindung nicht einschränken. Die beiliegende Zeichnung,
die in der Erfindung enthalten und Teil der Erfindung ist, zeigt
Ausführungsbeispiele
der Erfindung und dient zusammen mit der Beschreibung der allgemeinen
Erläuterung
des Grundgedankens der Erfindung. Ferner sei erwähnt, daß gleiche Bezugszeichen durch die
gesamte Offenbarung hindurch gleiche Teile bezeichnen.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems mit einem Wärmetauscher des
Kreuzstromtyps, welcher durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung
untersucht wurde;
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2 ein
Blockdiagramm einer Grundstruktur eines brennstoffzellenbetriebenen
Fahrzeugs, ausgestattet mit einem Brennstoffzellensystem eines ersten
Ausführungsbeispiels;
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3A eine
schematische Ansicht eines Wärmetauschers
des Kreuzstromtyps, welcher in dem Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel
verwendet wird;
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3B eine
Seitenansicht eines ersten und eines zweiten Wärmetauschers des Kreuzstromtyps des
Wärmetauschers
von 3A;
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3C eine
Draufsicht eines ersten Wärmetauschers
des Kreuzstromtyps des Wärmetauschers von 3A;
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4 ein
Steuerkennfeld, welches die Beziehung zwischen einer Auslenkung
und einer Kolbengeschwindigkeit gemäß dem Ausführungsbeispiel darstellt;
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5 ein
Steuerkennfeld, welches die Beziehung zwischen der Auslenkung und
der Kolbengeschwindigkeit eines Brennstoffzellensystems gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
darstellt;
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6A bis 6F beispielhaft
ein Huberfassungssignal, eine geforderte Wasserdampfmenge, eine
Verdampfungsgeschwindigkeit, eine tatsächliche Wasserdampfmenge, eine
Speisewassermenge und eine tatsächliche
Wasserdampfmenge in obiger Reihenfolge;
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7 eine
schematische Ansicht einer abgewandelten Struktur des Wärmetauscher
des Kreuzstromtyps von 3; und
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8 eine
schematische Ansicht einer weiteren abgewandelten Struktur des Kreuzstromtyps von 3.
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Eine
genaue Beschreibung eines Brennstoffzellensystems und eines Brennstoffzellenverfahrens gemäß jedem
der Ausführungsbeispiele
erfolgt unter entsprechender Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung,
indem eine auf ein Fahrzeug angewandte Struktur beispielhaft beschrieben
wird.
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Zuerst
werden ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenverfahren
des ersten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf 2 bis 4 genau
beschrieben.
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In 2 ist
ein brennstoffzellengetriebenes Fahrzeug EV, ausgestattet mit einem
Brennstoffzellensystem 10 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels,
dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfaßt einen
Wassertank 12 und einen Methanoltank 14, welche
beide mit einem Wärmetauscher 16 des
Kreuzstromtyps verbunden sind. Der Wärmetauscher 16 des
Kreuzstromtyps wird mit einem Heizgas 18 von einem Vergasungsbrenner 20 versorgt
und erzeugt Methanoldampf 22 aus Methanol 24,
welches von dem Methanoltank 14 geliefert wird, und Wasserdampf 26,
welcher aus Speisewasser 28 erzeugt wird, das von dem Wassertank 12 geliefert
wird. Der Methanoldampf 22 und der Wasserdampf 26 werden einem
Reformer 30 ausgehend von dem Wärmetauscher 16 des
Kreuzstromtyps zugeführt,
und Abgase 32 werden ausgehend von dem Wärmetauscher 16 des
Kreuzstromtyps in die Atmosphäre
ausgestoßen.
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Der
Reformer 30 arbeitet derart, daß er den Methanoldampf 22 mittels
des Wasserdampfs 26 durch eine endotherme Reaktion reformiert,
wodurch reformiertes Gas 34 erzeugt wird, das hauptsächlich Wasserstoff
enthält.
Zu diesem Zweck kann der Reformer 30 mit Druckluft 36 von
einem Kompressor 38 versorgt werden, um den Methanoldampf 22 zum
Reformieren desselben durch eine exotherme Reaktion zu oxidieren.
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Das
Brennstoffzellensystem umfaßt
ferner eine Brennstoffzelle 40, welche eine Anode und eine Kathode
aufweist, die mit der Druckluft 42 beziehungsweise dem
reformierten Gas 34 ausgehend vom Kompressor 38 beziehungsweise
Reformer 30 versorgt werden. So wird elektrische Leistung
durch die Brennstoffzelle 40 mittels der Verwendung von Wasserstoff,
welcher in dem reformierten Gas 34 enthalten ist, und Sauerstoff,
welcher in der Druckluft 42 enthalten ist, erzeugt. Da
nicht der gesamte im reformierten Gas 34 enthaltene Wasserstoff
verbraucht wird, werden Abluft 44 und reformiertes Abgas 46, abgegeben
von der Brennstoffzelle 40, über einen Kondensator 48 zu
dem Vergasungsbrenner 20 zurückgeführt.
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Der
Kondensator 48 umfaßt
einen (nicht dargestellten) Wasserkühler, durch welchen die Abluft 44 und
das reformierte Abgas 46 mittels eines Wasserkühlmittels
gekühlt
werden, um den in der Abluft 44 und dem reformierten Abgas 46 verbliebenen Wasserdampf
zu kondensieren, und erzeugt Kondenswasser 50, welches
zu dem Wassertank 12 zurückgeführt wird.
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Der
Vergasungsbrenner 20 wird mit gekühltem reformierten Gas 52 und
gekühlter
Abluft 54 versorgt und verbrennt diese Gase, um das Heizgas 18 zu
erzeugen, welches dem Wärmetauscher 16 des Kreuzstromtyps
zugeführt
wird. Ferner wird die durch den Vergasungsbrenner 20 infolge
einer Verbrennung erzeugte Wärme
als Wärmequelle
wiederverwendet, um den Methanoldampf 22 aus dem Methanol 24 und
dem Wasserdampf 26 aus dem Speisewasser 28 im
Wärmetauscher 16 des
Kreuzstromtyps zu erzeugen. Der resultierende Methanoldampf und
der resultierende Wasserdampf werden für die endotherme Reaktion im
Reformer 30 verwendet.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 umfaßt ferner eine Batterie 56,
welche über
einen Leistungsregler 60 mit einem Elektromotor 58 verbunden
ist. Der Elektromotor 58 dient als Motor-Generator, welcher geeignet
ist, eine Antriebsleistung zum Antreiben von Antriebsrädern W über ein
Untersetzungsgetriebe G zu liefern und eine regenerative elektrische
Leistung während
einer Verzögerung
des Fahrzeugs EV zu erzeugen. Die Batterie 56 wird mittels
der elektrischen Leistung, welche durch die Brennstoffzelle 40 erzeugt
wird, und der regenerativen Leistung, welche durch den Elektromotor 58 während einer
Verzögerungsbewegung
des brennstoffzellengetriebenen Fahrzeugs EV erzeugt wird, geladen.
Die Batterie 56 dient kompensierend zum Liefern zusätzlicher
elektrischer Leistung an den Elektromotor 58 in dem Fall, daß die Menge
der durch die Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie nicht
ausreicht, um einen vollständigen
Betrieb des Elektromotors 58 zum Antreiben des Fahrzeugs
EV zu erreichen, und ferner zum Liefern zusätzlicher elektrischer Leistung
zum Betreiben verschiedener Nebenverbraucher, wie des Vergasungsbrenners 20,
des Reformers 30 und des Kompressors 38 etc.,
in dem Fall, daß die
Menge der durch die Brennstoffzelle 40 erzeugten elektrischen Leistung
nicht ausreicht, um einen vollständigen
Betrieb davon zu erreichen.
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Eine
Steuereinheit 62 ist mit einem Positionssensor 64 verbunden,
welcher mit einem Gaspedal 66 gekoppelt ist und ein Huberfassungssignal
A erzeugt. Das Huberfassungssignal A ent spricht einer geforderten
Menge des Wasserdampfs, welcher von der Brennstoffzelle 40 benötigt wird,
um schnell auf Laständerungen
des Fahrzeugs EV zu reagieren, und ändert sich gemäß einem
Niederdrückhub
des Gaspedals 66. Genauer weist das Huberfassungssignal
A, wenn das Gaspedal 66 auf einen Maximalwert während einer
Beschleunigung des Fahrzeugs EV tief niedergedrückt wird, eine Maximalspannung auf,
welche einen Maximalbedarf sowohl an Methanoldampf 22 als
auch an Wasserdampf 26 darstellt, welche dem Reformer 30 zuzuführen sind,
der eine maximale Menge des reformierten Gases 34 erzeugt, das
der Brennstoffzelle 40 zugeführt wird, die eine maximale
Ausgangsleistung erzeugt. Wenn hingegen das Gaspedal 66 während niedriger
Last losgelassen wird, so weist das Huberfassungssignal A einen
niedrigeren Spannungswert auf, welcher einen verminderten Bedarf
an Methanoldampf 22 und Wasserdampf 26 darstellt,
die dem Reformer 30 zuzuführen sind, so daß die Menge
des durch den Reformer 30 erzeugten reformierten Gases 34 vermindert
wird, um die Menge der durch die Brennstoffzelle 40 erzeugten
elektrischen Leistung zu verringern. Ferner spricht die Steuereinheit 62 auf
das Huberfassungssignal A an und erzeugt ein Steuersignal zum Steuern
des Leistungsreglers 60, so daß eine Leistungsverteilung
bezüglich
der elektrischen Leistung von der Brennstoffzelle 40 und
der elektrischen Leistung von der Batterie 56 eingestellt
wird. Genauer spricht der Leistungsregler 60 auf das Steuersignal
an und regelt die elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 40 und
der Batterie 56 zu liefern ist.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 umfaßt ferner eine Steuervorrichtung 70,
einen ersten und einen zweiten Drucksensor 72 und 74 sowie
Druckregelventile 76 und 78. Die Drucksensoren 72 und 74 befinden
sich in Rohrleitungen für
die Druckluft 42 beziehungsweise das reformierte Gas 34,
um ein erstes und ein zweites Druckerfassungssignal zu erzeugen.
Die Druckregelven tile 76 und 78 befinden sich
in Rohrleitungen für
das reformierte Abgas 52 beziehungsweise die Abluft 54,
um die Durchflußraten
dieser Gase zu regeln. Die Steuervorrichtung 70 spricht auf
das erste und das zweite Druckerfassungssignal an und ändert die Öffnungsgrade
der Druckregelventile 76 beziehungsweise 78, um
die Durchflußraten des
reformierten Abgases 52 und der Abluft 54 zu regeln,
welche dem Vergasungsbrenner 20 zuzuführen sind, so daß der Betriebsdruck
der Brennstoffzelle 40 gesteuert wird.
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Der
Betriebsdruck der Brennstoffzelle 40 wird bei einem vorbestimmten
Wert gesteuert, um eine maximale Betriebsleistung in Abhängigkeit
von veränderlichen
Betriebslasten des Brennstoffzellensystems 10 zu erreichen.
Beispielsweise wird die Brennstoffzelle 40, wenn die Last
des Brennstoffzellensystems 10 hoch ist, bei erhöhtem Betriebsdruck betrieben,
um dadurch eine maximale elektrische Leistung zu erzeugen. Wenn
hingegen die Last des Brennstoffzellensystems 10 niedrig
ist, so wird die Brennstoffzelle 40 bei niedrigerem Betriebsdruck
betrieben, um dadurch den Betriebswirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 10 zu
erhöhen.
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In 3 ist
eine genaue Struktur eines Verdampfers 80 dargestellt,
welcher aus dem Wärmetauscher 16 des
Kreuzstromtyps besteht, der im Brennstoffzellensystem 10 verwendet
wird, das in 2 dargestellt ist.
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Wie
in 3A dargestellt, umfaßt der Wärmetauscher 16 des
Kreuzstromtyps einen ersten Wärmetauscher 82 des
Kreuzstromtyps, welcher derart angeordnet ist, daß er Speisewasser 28 mittels eines
Heizgases 18 erwärmt,
das von dem Vergasungsbrenner 20 geliefert wird, um den
Wasserdampf 26 zu erzeugen, und einen zweiten Wärmetauscher 84 des
Kreuzstromtyps, welcher derart angeordnet ist, daß Methanol 24 mittels
des Heizgases 18 erwärmt
wird, um den Methanoldampf 22 zu erzeugen. Da der erste
und der zweite Wärmetauscher 82 und 84 des
Kreuzstromtyps die gleiche Struktur sowie die gleiche Wirkungsweise
aufweisen, das heißt,
das Wasserzufuhrsystem und das Methanolzufuhrsystem sind ähnlich,
wird stellvertretend der erste Wärmetauscher 82 des
Kreuzstromtyps unten genau beschrieben, und eine Beschreibung des
zweiten Wärmetauschers 84 des
Kreuzstromtyps wird der Klarheit halber ausgelassen.
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Der
erste Wärmetauscher 82 des
Kreuzstromtyps weist an dessen unteren Abschnitt einen Flüssigkeitswannenabschnitt 82a zum
Speichern des Speisewasser auf, welches vom Wassertank 12 über die
Wasserspeisepumpe 86 geliefert wird. Wie am besten 3B und 3C ersichtlich,
weist ein oberer Abschnitt des Wärmetauschers 82 des
Kreuzstromtyps einen Wärmetauscherabschnitt 88 auf, welcher
geeignet ist, das Speisewasser 28 in dem Flüssigkeitswannenabschnitt 82a mittels
des Heizgases 18 zu verdampfen, welches durch den Vergasungsbrenner 22 geliefert
wird.
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Wie
deutlich aus 3B und 3C ersichtlich,
weist der Wärmetauscherabschnitt 88 eine
erste und eine zweite Vielzahl von Wärmerohren 88a, 88b, welche
entlang der Länge
des Wärmetauschers 82 des
Kreuzstromtyps verlaufen, und eine Vielzahl von in Querrichtung
verlaufenden Wärmerippen 88c auf, welche
mit den ersten und den zweiten Wärmerohren 88a, 88b verbunden
sind und Wärmeübergangsflächen aufweisen,
um einen Wärmeaustausch
mit dem Speisewasser durchzuführen.
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Ein
unterer Abschnitt des Flüssigkeitswannenabschnitts 82a umfaßt eine
erste Volumensteuervorrichtung 90, welche aus einer bewegbaren
Vorrichtung besteht, die einen sich nach unten erstreckenden Zylinder 90a und
einen Kolben 90b umfaßt, der
gleitfähig
im Zylinder 90a angeordnet ist. Der Kolben 90b ist mechanisch
mit einer Antriebseinheit 94 verbunden, welche den Kolben 90b nach
oben beziehungsweise nach unten in Vertikalrichtung bewegt, um das
Volumen des Flüssigkeitswannenabschnitts 82a zu ändern. Die
Antriebseinheit 94 spricht auf ein Steuersignal 63 an,
welches von der Steuereinheit 62 (siehe 2)
geliefert wird, um den Kolben 90b bei veränderlichen
Hüben zu
bewegen. Die Wasserspeisepumpe 86 liefert das Speisewasser 28 zu
dem Flüssigkeitswannenabschnitt 82a bei
einer Menge, welche zum Erzeugen des Wasserdampfs ausreicht, der
für die
notwendige elektrische Leistung entsprechend dem Niederdrückhub des
Gaspedals 66 gefordert ist (siehe 2).
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Das
Heizgas 18, welches von dem Vergasungsbrenner 20 ausgestoßen wird,
strömt
in den Wärmetauscherabschnitt 88 des
Wärmetauschers 82 des
Kreuzstromtyps, so daß das
Heizgas 18 den Heizwert zum Bilden des Wasserdampfs 26 aus
dem im Wärmetauscherabschnitt 88 verbleibenden
Speisewasser aufweist. Dieser Wasserdampf 26 wird, wie oben
bereits beschrieben, an den Reformer 30 geliefert. Ein
Durchflußsensor 98 ist
vorgesehen zum Überwachen
der Durchflußrate
des Wasserdampfs 26, welcher an den Reformer 30 ausgehend
vom Wärmetauscher 82 des
Kreuzstromtyps zu liefern ist. Der zweite Wärmetauscher 84 des
Kreuzstromtyps erzeugt den Methanoldampf 22, welcher durch
einen Durchflußsensor 104 überwacht
wird, der geeignet ist, ein Erfassungssignal zu erzeugen, das der
Steuervorrichtung 70 zugeführt wird.
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Ferner
wird zusätzlich
zur Steuerung der Wasserspeisepumpe 86 die Menge des im
Flüssigkeitswannenabschnitt 82a verbleibenden
Speisewassers aus einem bestimmten, unten beschriebenen Grund gesteuert.
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In
dem Fall, daß die
Wasserspeisepumpe 86 eine niedrige Wasserspeisekapazität aufweist
und eine Wasserspeiseöffnung 82b,
welche im Flüssigkeitswannenabschnitt 82a ausgebildet
ist, eine kleine Querschnittsfläche
aufweist, existieren nur wenige Wasserniveauänderungen innerhalb des Wärmetauscherabschnitts 88.
Und gewöhnlich
wird die Menge des Speisewassers 28, welche durch die Pumpe 86 geliefert
wird, derart ausgewählt,
daß sie
einen Wert aufweist, der durch die Menge des Wasserdampfs bestimmt
ist, welcher durch den Niederdrückhub
des Gaspedals 64 gefordert ist. Daher ist nur zusammen mit
einer derartigen Vorrichtung eine übermäßig lange Ansprechzeit erforderlich,
um die Menge des Speisewassers im Flüssigkeitswannenabschnitt 82a bei
einer geforderten Durchflußrate
zu ändern.
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Bei
diesem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird die Ansprechzeit verkürzt
durch Ändern
der Menge des im Flüssigkeitswannenabschnitt 82a verbleibenden
Speisewassers mittels der Verwendung des Zylinders 90a und
des Kolbens 90b, welcher darin in Vertikalrichtung nach
oben beziehungsweise nach unten bewegbar ist. Daher ist es nicht
erforderlich, daß die
Wasserspeisepumpe 86 selbst die maximale Durchflußrate ändert, und
die Ansprechzeit für
die Wasserniveauänderungen
kann zuverlässig
verbessert werden, ohne Zunahme der Größe und Kapazität der Wasserspeisepumpe 86.
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Wie
in 3A dargestellt, sind bezüglich des Methanoltanks 14 die
erste und die zweite Methanolspeisepumpe 100 und 102 mit
dem Methanoltank 14 verbunden, um Methanol 24, 24 an
den zweiten Wärmetauscher 84 beziehungsweise
den Vergasungsbrenner 20 zu liefern.
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Nachfolgend
wird der Antriebssteuerprozeß des
Kolbens 90b genau beschrieben. Die Beziehung zwischen einer
Abweichung ΔQ
und einer Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 90b wird
nachfolgend unter Bezugnahme auf ein Steuerkennfeld von 4 ge nau
beschrieben, in welchem die Horizontalachse die Abweichung ΔQ anzeigt
und die Vertikalachse die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 90b anzeigt.
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Ferner
erzeugt der Positionssensor 64 ein Huberfassungssignal
A, welches die geforderte Menge des Wasserdampfs darstellt, die
für die
Brennstoffzelle 40 benötigt
wird, bestimmt durch den Niederdrückhub des Gaspedals 66.
Die Steuereinheit 66 reagiert auf das Huberfassungssignal
A, um das Steuersignal zu erzeugen, durch welches die Antriebseinheit 94 gesteuert
wird.
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Die
Steuereinheit 62 umfaßt
eine (nicht dargestellte) Rechenschaltung zum Berechnen einer geforderten
Menge Q1 des für
das Brennstoffzellensystem 10 benötigten Wasserdampfs in Reaktion
auf das Huberfassungssignal A. Genauer dient die Steuereinheit zum
Berechnen der Abweichung ΔQ
auf der Grundlage einer geforderten Menge Q1 des Wasserdampfs und
einer tatsächlichen
Menge Q2 des aktuell durch den Durchflußsensor 98 gemessenen
Wasserdampfs in einer durch die folgende Gleichung ausgedrückte Weise: ΔQ
= Q1 – Q2.
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Wenn
diese Abweichung ΔQ
positiv ist, so erzeugt die Steuereinheit 62 ein Steuersignal,
welches bewirkt, daß die
Antriebseinheit 94 derart wirkt, daß der Kolben 90b nach
unten bewegt wird, um das Wasserniveau im Flüssigkeitswannenabschnitt 82a mit
konstanter Geschwindigkeit zu senken, wie in 4 dargestellt.
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Wenn
hingegen die Abweichung ΔQ
negativ ist, so erzeugt die Steuereinheit 62 ein Steuersignal, welches
bewirkt, daß die
Antriebseinheit 94 derart arbeitet, daß der Kolben 90b nach
oben bewegt wird, um das Wasserniveau im Flüssigkeitswannenabschnitt 82a mit
konstanter Geschwindigkeit zu heben, wie in 4 dargestellt.
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Ebenso
umfaßt
der Flüssigkeitswannenabschnitt 84a eine
zweite Volumensteuervorrichtung 92, welche aus einem sich
nach unten erstreckenden Zylinder 92a und einem Kolben 92b besteht,
der gleitfähig
im Zylinder 92a aufgenommen wird, um das Volumen des Flüssigkeitswannenabschnitts 84a zu ändern. Die
Antriebseinheit 96 wird in der gleichen Weise wie oben
bezüglich
der Antriebseinheit 94 beschrieben durch die Wirkung der
Steuereinheit 62 betätigt,
um das Volumen von Methanol im Flüssigkeitswannenabschnitt 84a des
zweiten Wärmetauschers 84 des
Kreuzstromtyps zu ändern,
um eine geforderte Menge des Methanoldampfs zu erhalten, um Laständerungen
zu entsprechen.
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Bei
einem derartigen Steuerprozeß steuert die
Steuereinheit den Betrieb der Antriebseinheit 94 derart,
daß das
Volumen des Flüssigkeitswannenabschnitts 82a in
Abhängigkeit
von der Abweichung ΔQ zwischen
der geforderten Menge Q1 des durch den Niederdrückhub des Gaspedals 66 bestimmten
Wasserdampfs und der tatsächlichen
Menge Q2 eines aktuell strömenden
Wasserdampfs, wodurch eine erforderliche Menge von Brennstoffverdampfung
erhalten wird, um den Methanoldampf und den Wasserdampf bei erforderlichen
Mengen an den Reformer 30 in schneller Reaktion auf Laständerungen
zu liefern.
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Ferner
kann in dem Fall, daß der
Kolben 90b sich zu einer Position jenseits einer bestimmten Obergrenze
U in 3 bewegt, aufgrund der Tatsache, daß der Heizwert
des Heizgases 18 nicht ausreicht, um die geforderte Menge
des Wasserdampfs aus dem Speisewasser 28 zu erzeugen, die
Steuereinheit 62 eine derartige Steuerung durchführen, daß eine Methanolspeisepume 102 betrieben
wird, um zusätzlich
Methanol zum Vergasungsbren ner 20 zu liefern (siehe 3),
so daß die
Flußrate
des Heizgases 18 erhöht
wird, um dadurch den Heizwert zu erhöhen, welcher dem Wärmetauscher 16 des
Kreuzstromtyps zuzuführen
ist.
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Wenn
hingegen der Kolben 90b nach unten zu einer Position unterhalb
einer Untergrenze L in 3 bewegt wird, so verbleibt
eine übermäßige Menge
des Speisewassers im Flüssigkeitswannenabschnitt 82a,
und die Steuereinheit 62 kann eine derartige Steuerung
durchführen,
daß die
Wasserspeisepumpe derart betätigt
wird, daß das
Speisewasser 28 aus dem Flüssigkeitswannenabschnitt 82a zum
Wassertank 12 zurückgeführt wird,
um dadurch die Menge des im Flüssigkeitswannenabschnitt
verbleibenden Speisewassers zu verringern, so daß es möglich ist, eine geringere Menge
des Heizwerts an den Wärmetauscher 16 des
Kreuzstromtyps zu liefern.
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Wie
oben beschrieben, können
bei diesem Ausführungsbeispiel
aufgrund der Tatsache, daß der Wärmetauscher 16 des
Kreuzstromtyps mit den Flüssigkeitswannenabschnitten 82a und 84a ausgestattet ist,
welche in der Nähe
der Wärmetauscherabschnitte 88 beziehungsweise 89 vorgesehen
sind, und die Flüssigkeitswannenabschnitte 82a und 84a die
erste beziehungsweise zweite Volumensteuervorrichtung 90 beziehungsweise 92 aufweisen,
welche durch die Steuereinheit 62 gesteuert werden, die
jeweiligen Volumina zuverlässig
durch die Antriebseinheiten 94 beziehungsweise 96 in
schneller Reaktion auf die Laständerungen
gesteuert werden, um dadurch die Zufuhr der geforderten Mengen des
Wasserdampfs und des Methanoldampfs zum Reformer 30 zu
ermöglichen.
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Nachfolgend
werden ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenverfahren
des zweiten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf 5 bis 6F genau
beschrieben.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
betrifft speziell ein weiteres Antriebsverfahren des Kolbens 90b, welches
bei dem in 2 und 3 dargestellten Brennstoffzellensystem 10 realisiert
ist.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
erfaßt
der Positionssensor 64, wenn das Gaspedal 66 in
einer in 2 dargestellten Weise niedergedrückt wird, den
Niederdrückhub
des Gaspedals 66, wobei dieser ein Huberfassungssignal
A in Reaktion darauf erzeugt. Dieses Huberfassungssignal A wird
der Steuereinheit 62 zugeführt, welche ein Steuersignal 63 erzeugt,
durch das die Antriebseinheiten 94 und 96 gesteuert
werden.
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In
der Steuereinheit 62 berechnet die Rechenschaltung die
geforderte Menge Q1 des für
das Brennstoffzellensystem 10 erforderlichen Wasserdampfs
in Reaktion auf den Niederdrückhub
des Gaspedals 66. Anschließend berechnet die Rechenschaltung
die Abweichung ΔQ
auf der Grundlage der geforderten Menge Q1 des Wasserdampfs und
der tatsächlichen
Menge Q2 des aktuell durch den Durchflußratensensor 98 gemessenen
Wasserdampfs in einer durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückten Weise: ΔQ
= Q1 – Q2.
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Wenn ΔQ positiv
ist, wie in 5 dargestellt, so wird der Kolben 90b nach
unten bewegt, um das Niveau des im Wärmetauscherabschnitt 88 des
Wärmetauschers 82 des
Kreuzstromtyps verbleibenden Speisewassers zu senken.
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Wenn
hingegen ΔQ
negativ ist, wie in 5 dargestellt, so wird der Kolben 90b nach
oben bewegt, um dadurch das Wasserniveau im Wärmetauscherabschnitt 88 zu
heben.
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Nachfolgend
wird die Beziehung zwischen einer Abweichung ΔQ und der Bewegungsgeschwindigkeit
unter Bezugnahme auf ein Steuerkennfeld in 5 und ferner
auf 6A bis 6F genau
beschrieben.
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Ein
wesentliches Merkmal des Antriebsverfahrens bei diesem Ausführungsbeispiel
liegt in der Tatsache, daß der
Kolben 90b mit zunehmender Abweichung ΔQ nach oben beziehungsweise
nach unten bei höherer
Geschwindigkeit bewegt wird.
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Genauer
erzeugt die Steuereinheit 62, wenn das Huberfassungssignal
A durch den Positionssensor 64 erzeugt wird, wie in 6A dargestellt,
das Steuersignal, welches die geforderte Menge des Speisewassers
entsprechend der geforderten Menge B (g/s) des Wasserdampfs darstellt,
wie in 6B dargestellt, in Reaktion
auf das Huberfassungssignal A.
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Dabei
ist in dem Fall, daß das
Speisewasser dem ersten Wärmetauscher 82 des
Kreuzstromtyps in 3 in der gleichen Weise wie
oben bezüglich des
ersten Ausführungsbeispiels
beschrieben zugeführt
wird, die Verdampfungsgeschwindigkeit C (cm/s) konstant, wie in 6C beschrieben.
Dementsprechend ändert
sich die tatsächliche
Menge D (g/s) der Wasserdampfzufuhr gemäß einer graduellen Steigung,
wie in 6D dargestellt, so daß eine Zeitverzögerung zwischen
der geforderten Menge B (g/s) des Wasserdampfs und der tatsächlichen
Menge D (g/s) des Wasserdampfs während
einer Lastzunahme existiert.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird in dem Fall, daß es
erforderlich ist, die Menge des Wasserdampfs schnell zu erhöhen, wenn
beispielsweise das Gaspedal 66 tief niedergedrückt wird,
das heißt, wenn
die Abweichung ΔQ
groß ist,
der Kolben 90b mit hoher Geschwindigkeit nach oben bewegt,
wie in 5 dargestellt. Wenn dies eintritt, so wird ein Überschwingen
der Menge E des dem ersten Wärmetauscher 82 des
Kreuzstromtyps zuzuführenden Speisewassers 28 ermöglicht,
wie in 6E dargestellt.
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Dementsprechend
wird die Menge eines Überschwingens
des Speisewassers in einer oben beschriebenen Weise gesteuert, die
tatsächliche Menge
F (g/s) des Wasserdampfs, welcher aktuell dem Reformer 30 zuzuführen ist, ändert sich
in einer in 6F dargestellten Weise, und
daher ist es möglich,
eine geforderte Menge des Wasserdampfs in schneller Reaktion auf
den Reformer 30 selbst während schneller Laständerungen
zu liefern.
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Während bei
jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele die erste und
die zweite Volumensteuervorrichtung 90 und 92 derart
dargestellt und beschrieben wurden, daß diese die Zylinder 90a und 92a und
die dazugehörigen
Kolben 90b und 92b aufwiesen, um die Volumina
der Flüssigkeitswannenabschnitte 82a und 84a des
ersten und des zweiten Wärmetauschers 82 und 84 des
Kreuzstromtyps zu steuern, ist die vorliegende technische Lehre
nicht darauf beschränkt,
und es können
verschiedene weitere Abwandlungen vorgenommen werden, ohne vom Wesen
der Erfindung abzuweichen.
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Ein
bevorzugtes Beispiel derartiger Abwandlungen ist in 7 dargestellt,
wobei die gleichen Teile durch die gleichen Bezugszeichen wie die
bei den obigen Ausführungsbeispielen
verwendeten Bezugszeichen bezeichnet sind. In 7 umfaßt die erste Volumensteuervorrichung 90 einen
Aktuator, welcher aus einem flexiblen Faltenbalg 106 besteht,
der an einer Unterseite des Flüssigkeitswannenabschnitts 82a eines
ersten Wärmetauschers 82 des
Kreuzstromtyps angeordnet ist. Der Faltenbalg 106 ist an dessen
unterem Ende mit der Antriebseinheit 94 verbunden und in
Vertikalrichtung nach oben beziehungsweise nach unten bewegbar,
wodurch das Volumen des Flüssigkeitswan nenabschnitts 82a geändert wird,
um die Menge des Speisewassers 28 zu regulieren, das diesem
zugeführt
wird. Diese Abwandlung ist auch dahingehend vorteilhaft, daß die geforderte
Menge des Wasserdampfs dem Reformer während der Laständerungen
in schneller Reaktion darauf zugeführt werden kann.
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Ein
weiteres bevorzugtes Beispiel der oben erwähnten Abwandlungen ist in 8 dargestellt, wobei
gleiche Teile durch die gleichen Bezugszeichen wie die bei den obigen
Ausführungsbeispielen verwendeten
Bezugszeichen bezeichnet sind. In 8 umfaßt die Volumensteuervorrichtung 90 ein flexibles
Unterseitenelement 82c, welches an einem Unterseitenende
des Flüssigkeitswannenabschnitts 82a eines
ersten Wärmetauschers 82 des
Kreuzstromtyps ausgebildet ist, und einen flexiblen Luftsack 108,
welcher mit einer Antriebseinheit 109 über ein Elektromagnetventil 110 verbunden
ist. Ein Drucksensor 112 befindet sich zwischen dem Luftsack 108 und
dem Elektromagnetventil 110, um den Druck eines Fluids
zu erfassen, welches durch eine Rohrleitung 114 strömt, um dadurch
ein Druckerfassungssignal 116 zu erzeugen, welches der
Steuereinheit 62 zugeführt
wird. Die Antriebseinheit 109 liefert ein Fluid, wie etwa
Luft oder eine Flüssigkeit,
unter Druck an den Luftsack 108 bei einer Strömungsrate,
welche durch die Öffnung
des Elektromagnetventils 110 bestimmt wird, das in Reaktion
auf das von der Steuereinheit 62 gelieferte Steuersignal
geregelt wird, um dadurch die Änderung
des Volumens des Flüssigkeitswannenabschnitts 82a zu ändern, so daß die Menge
des Speisewassers 28, welches diesem zuzuführen ist,
reguliert wird. Die Steuereinheit 62 kann derart angeordnet
sein, daß diese
auf die Druckerfassungssignale 116 anspricht, um den Öffnungsgrad
des Magnetventils 110 zu ändern, so daß dadurch
die Geschwindigkeit einer Änderung
des Volumens des Luftsacks 108 eingestellt wird.
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Während bei
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
ferner der Wärmetauscher 16 des
Kreuzstromtyps derart dargestellt und beschrieben wurde, daß dieser
den Flüssigkeitswannenabschnitt 82a mit
dem veränderlichen
Volumen enthielt, um die Menge des dem Wärmetauscher 88 zuzuführenden
Speisewassers zu regulieren, ist die technische Lehre nicht darauf
beschränkt,
und es kann eine Abwandlung vorgenommen werden, so daß ein Abstand
zwischen dem Wärmetauscherabschnitt 88 und
dem Flüssigkeitswannenabschnitt 82a derart
gesteuert wird, daß der
Wärmetauscherabschnitt 88 direkt
in den Flüssigkeitswannenabschnitt 82a gesenkt wird,
um dadurch die Menge des Speisewassers zu erhöhen, welches in Kontakt mit
einer Verdampfungswärmeübergangsfläche des
Wärmetauscherabschnitts 88 zu
bringen ist.
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Während bei
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Verdampfer 80, welcher aus dem Wärmetauscher 16 des
Kreuzstromtyps mit dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher 82 und 84 des
Kreuzstromtyps, die voneinander getrennt sind, besteht, verwendet
wird, kann statt dessen ein Verdampfer mit einem einzigen Wärmetauscher
zur Mischung von Wasser und Methanol oder ähnlichem verwendet werden.
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Ferner
kann, obwohl das Methanol 24 typischerweise bei den oben
beschriebenen Ausführungsbeispielen
verwendet wird, ein anderes Material zu Erzeugung von reformiertem
Gas mit Wasserstoff verwendet werden.