DE10106803B4

DE10106803B4 - Reformer-Steuerungsvorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Reformers

Info

Publication number: DE10106803B4
Application number: DE10106803A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Yokohama Hashigaya; Katsunori Fujisawa Oshiage
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2021-02-15
Also published as: US6752968B2; JP2001226101A; DE10106803A1; US20010014300A1; JP3674441B2

Abstract

Reformer-Steuerungsvorrichtung mit
– einem Reformer (15), welcher eine Katalysatoreinheit (15a) aufweist, welche einen eine Wasserdampf-Reformierungsreaktion fördernden Katalysator und einen eine partielle Oxidationsreaktion fördernden Katalysator enthält;
– einer Ausgangs-Brennstoffgas-Zuführungseinrichtung, welche ein Kohlenwasserstoff und Wasserdampf enthaltendes Ausgangs-Brennstoffgas der Katalysatoreinheit zuführt;
– einer Oxidationsgas-Zuführungseinrichtung, welche Sauerstoff enthaltendes Oxidationsgas der genannten Katalysatoreinheit zuführt;
– in einer Vielzahl von Positionen vorgesehenen ersten Temperaturfühlern (15b-1, 15b-2, 15b-3) zum Ermitteln von Temperaturen in einem stromaufwärts der Katalysatoreinheit gelegenen Abschnitt des Brennstoffgasstromes und des Oxidationsgasstromes der Katalysatoreinheit;
– einem Maximaltemperatur-Selektor zur Auswahl der höchsten Temperatur unter den von den ersten Temperaturfühlern (15b-1 bis 15b-3) ermittelten Temperaturen;
– einem zweiten Temperaturfühler (15), welcher den Zustand der Reaktion in der Gesamtheit der Katalysatoren in der Katalysatoreinheit ermittelt,
– einer ersten Korrektur-Einrichtung, welche die Zuführungsmengen des Ausgangs-Brennstoffgases und des Oxidationsgases, welche der Katalysatoreinheit zugeführt werden, auf Basis des von dem zweiten Temperaturfühler ermittelten Zustandes...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reformer-Steuerungsvorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Reformers.
Als Reformer-Steuerungs-Vorrichtung in einem konventionellen Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem ist bisher eine solche bekannt, wie sie in der JP-11-92102 beschrieben ist. In dieser konventionellen Reformer-Steuerungs-Vorrichtung verwendet ein Brennstoff-Reformer Luft als Oxidationsgas und Methanol wird verwendet zur Durchführung entweder einer Wasserdampf-Reformierungsreaktion oder einer partiellen Oxidationsreaktion, woran sich die Bildung von wasserstoffreichem Reformer-Gas anschließt. So wird das wasserstoffreiche Reformer-Gas als Brennstoffgas (Treibgas) für eine Brennstoffzelle bereitgestellt.
Nachstehend ist eine Reaktionsgleichung angegeben, welche die Wasserdampfreformierung von Methanol ausdrückt: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 3H₂ – 49,5 (KJ/mol) (1)
Wie in der Gleichung (1) angegeben, ist es zur Durchführung der Reformierungsreaktion erforderlich, Wärmeenergie zuzuführen, da die Wasserdampf-Reformierungsreaktion eine endotherme Reaktion ist. Um diese Wärmeenergie zuzuführen, wird ein Verfahren angewendet, bei dem Methanol eingesetzt wird zur Durchführung einer partiellen Oxidationsreaktion, d.h. einer exothermen Reaktion, und die Wasserdampf-Reformierungsreaktion schreitet fort durch Ausnutzung der bei der partiellen Oxidationsreaktion gebildeten Wärme. Eine Reaktionsgleichung, welche die partielle Oxidationsreaktion von Methanol ausdrückt, ist nachstehend angegeben: CH₃OH + 1/2O₂ → CO₂ + 2H₂ + 189,5 (KJ/mol) (2)
Wie in der Gleichung (2) angegeben, ist die partielle Oxidationsreaktion eine exotherme Reaktion.
Aus der EP 0 978 476 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung eines Reformers bekannt, wobei die Vorrichtung einen singulären Temperaturmessfühler auf der Eingangsseite des Reformierteils aufweist.
Aus der DE 198 25 772 A1 und EP 0 798 798 A2 sind jeweils ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln von Brennstoff bekannt. Hierbei wird ein rohes Brenngas einer Reformierungseinrichtung mit einem Katalysator zugeführt, so daß eine Reformierungsreaktion des rohen Brenngases in ein wasserstoffreiches Brenngas und eine Oxidationsreaktion in der Reformierungseinrichtung stattfinden. Durch Messung der Temperatur auf der Einlaß- und Auslassseite der Reformierungseinrichtung wird die zufuhr der Luftmenge bzw. die Innentemperatur des Katalysators geregelt.
Die partielle Oxidationsreaktion weist jedoch eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit auf als die Wasserdampf-Reformierungsreaktion. Aus diesem Grund tritt bei einem Verfahren, bei dem einem Brennstoffreformer ein Oxidationsgas zusammen mit Methanol und Wasserdampf zugeführt wird und die bei der partiellen Oxidationsreaktion gebildete Wärmeenergie in der Wasserdampf-Reformierungsreaktion ausgenutzt wird, das Problem auf, dass die Temperatur-Verteilung im Innern des Brennstoffreformers ungleichmäßig ist, insbesondere in einem Übergangszustand. Insbesondere in einem stromaufwärts gelegenen Abschnitt in dem Brennstoffreformer, d.h. in einem Abschnitt, in den ein Methanol, Wasserdampf und Oxidationsgas enthaltendes Gas eingeführt wird, steigt die Temperatur im Innern des Brennstoffreformers schnell an unter Bildung eines Spitzenwerts der Temperatur-Verteilung, was zu einer Ungleichmäßigkeit des Temperatur-Verteilungszustands führt.
Um diesem Problem Rechnung zu tragen, umfasst eine konventionelle Reformer-Vorrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffmenge, die einem Brennstoffreformer zugeführt werden soll, auf der Basis der Antriebsmenge einer Pumpe zur Einführung von Methanol aus einem Methanoltank in einen Verdampfer, in dem Methanol und Wasser zum Verdampfen gebracht werden, und eine Einrichtung zur Regelung der Sauerstoff-Konzentration zur Kontrolle (Steuerung) der Sauerstoff-Konzentration im Oxidationsgas, das dem Brennstoffreformer zugeführt werden soll. Bei der konventionellen Reformer-Steuerungs-Vorrichtung wird dann, wenn die Temperatur eines stromaufwärts gelegenen Abschnitts des Brennstoffreformers auf einen spezifischen Wert oder höher ansteigt, die Sauerstoff-Konzentration in dem Oxidationsgas herabgesetzt, ohne die Sauerstoffmenge zu ändern, und es wird im Gegenteil die Strömungsmenge des Oxidationsgases erhöht, wodurch eine partielle Oxidationsreaktion in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffreformers unterdrückt wird. Gleichzeitig wird die Strömungsrate des Gases im Innern des Brennstoffreformers erhöht, wodurch der Bereich, in dem hauptsächlich die partielle Oxidationsreaktion abläuft, erweitert wird bis zu einem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffreformers. Auf diese Weise wird die Temperatur-Verteilung in dem Brennstoffreformer gleichförmig gemacht.
Im übrigen wird in dieser konventionellen Reformer-Steuerungs-Vorrichtung die Konzentration des Sauerstoffs in dem Oxidationsgas kontrolliert (gesteuert), ohne die Sauerstoffmenge zu verändern, in Abhängigkeit von der Temperatur des Brennstoffreformers. Daher ist dann, wenn ein Fehler auftritt in Bezug auf die Zuführungsmengen an Methanol und Wasserdampf, die dem Brennstoffreformer zugeführt werden, die dem Brennstoffreformer zugeführte Sauerstoffmenge entweder zu groß oder zu gering und dies führt zu einer Abnormität in Bezug auf die Temperatur des gesamten Brennstoffreformers. Es treten daher Probleme auf in Bezug auf das Abstoppen der Reformierungsreaktion und das Ausstoßen von nicht-umgesetztem Gas aus dem Brennstoffreformer.
Nachstehend wird ein Fall betrachtet, bei dem das Output erhöht wird. Die Zuführungsmenge der Pumpe zur Einführung des Methanols aus einem Methanoltank in einen Verdampfer nimmt zu. Entsprechend dem Anstieg der Zuführungsmenge der Pumpe steigt auch die Sauerstoffmenge, die dem Brennstoffreformer zugeführt wird. Dennoch ist die Zuführung von Methanol zu dem Brennstoffreformer um eine bestimmte Zeit verzögert, wenn das Methanol in dem Verdampfer verdampft. Während des Verdampfens des Methanols wird der Brennstoffreformer in einem sauerstoffreichen Zustand betrieben. Als Folge davon steigt die Temperatur des stromaufwärts gelegenen Abschnitts des Brennstoffreformers an. Entsprechend dem Temperaturanstieg des Brennstoffreformers wird die Sauerstoff-Konzentration vermindert, um die Gasströmungsrate innerhalb des Brennstoffreformers zu erhöhen. Wenn jedoch eine für den Verbrauch des Sauerstoffs ausreichende Menge Methanol dem Brennstoffreformer nicht zugeführt wird, läuft nur die partielle Oxidationsreaktion in dem Brennstoffreformer ab und die Temperatur in dem Brennstoffreformer insgesamt steigt an. Dadurch wird die Sauerstoff-Konzentration in dem Sauerstoffgas noch weiter herabgesetzt und die Gasströmungsgeschwindigkeit innerhalb des Brennstoffreformers wird noch weiter erhöht. Das nicht-umgesetzte Gas, z.B. Methanol, Wasserdampf und überschüssiger Sauerstoff, wird aus dem Brennstoffreformer ausgestoßen.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Probleme. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reformerkontroll- bzw. -steuerungs-Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Reformers bereitzustellen, die bzw. das in der Lage ist, das Verhältnis der Reaktionen in der Gesamtheit einer Katalysatoreinheit zu denjenigen in anderen Einheiten, insbesondere das Verhältnis zwischen der partiellen Oxidationsreaktion und anderen Reaktionen auf einen gewünschten Wert einzustellen, und die in der Lage ist, eine stabile Reformierungsreaktion durchzuführen, ohne dass ein lokal hoher Temperaturzustand in der Katalysatoreinheit, insbesondere während eines Übergangszustands, in dem das Output geändert wird, entsteht.
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Steuern eines Reformers, bei welchem eine Wasserdampf-Reformierungsreaktion und eine Partialoxidations-Reaktion in einer Katalysatoreinheit des Reformers gefördert wird, ein Kohlenwasserstoff und Wasserdampf enthaltendes Ausgangs-Brennstoffgas der Katalysatoreinheit zugeführt wird, ein sauerstoffhaltiges Oxidationsgas der Katalysatoreinheit zugeführt wird und der Temperaturanstieg in einem der Katalysatoreinheit stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Ausgangs-Brennstoffgasstromes und des Oxidationsgasstromes in der Katalysatoreinheit ermittelt wird, die höchste Temperatur unter den ermittelten Temperaturen ausgewählt wird, der Reaktionszustand in der Gesamtheit der Katalysatoren in der Katalysatoreinheit ermittelt wird, die Zuführungsmengen des Ausgangs-Brennstoffgases und des Oxidationsgases, die der Katalysatoreinheit zugeführt werden, korrigiert werden und zwar auf der Basis des Reaktionszustandes, und die Menge des der Katalysatoreinheit zugeführten Oxidationsgases und/oder dessen Zuführdauer auf der Grundlage der höchsten Temperatur korrigiert werden.
Des weiteren wird die obengenannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Steuern eines Reformers, bei welchem eine Wasserdampf-Reformierungsreaktion und eine Partialoxidations-Reaktion in einer Katalysatoreinheit des Reformers gefördert wird, ein Kohlenwasserstoff und Wasserdampf enthaltendes Ausgangs-Brennstoffgas der Katalysatoreinheit zugeführt wird, ein sauerstoffhaltiges Oxidationsgas der Katalysatoreinheit zugeführt wird und der Temperaturanstieg in einem der Katalysatoreinheit stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Ausgangs-Brennstoffgasstromes und des Oxidationsgasstromes in der Katalysatoreinheit ermittelt wird, die höchste Temperatur unter den ermittelten Temperaturen ausgewählt wird, der Reaktionszustand in der Gesamtheit der Katalysatoren in der Katalysatoreinheit ermittelt wird, die Zuführungsmengen des Ausgangs-Brennstoffgases und des Oxidationsgases, die der Katalysatoreinheit zugeführt werden, korrigiert werden und zwar auf der Basis des Reaktionszustandes, und die Menge des der Katalysatoreinheit zugeführten Oxidationsgases und/oder dessen Zuführdauer auf der Grundlage der höchsten Temperatur korrigiert werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystems mit einer Reformer-Steuerungs-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
2 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Reformers in der ersten Ausführungsform zeigt;
3 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Steuerungseinheit in der ersten Ausführungsform zeigt;
4 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer ersten Korrektureinheit in der ersten Ausführungsform zeigt;
5 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer zweiten Korrektureinheit in der ersten Ausführungsform zeigt;
6 ist eine graphische Darstellung, welche die Ansprechcharakteristik der tatsächlichen Strömungsmenge der verschiedenen Gase in dem Reformer vor einer Korrektur zeigt;
7 ist eine graphische Darstellung, welche die Ansprechcharakteristik der tatsächlichen Strömungsmenge der verschiedenen Gase in dem Reformer nach Durchführung einer Korrektur in der ersten Ausführungsform zeigt;
8 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Reformers in einer zweiten Ausführungsform zeigt;
9 stellt eine erläuternden Ansicht dar, welche die Temperatur-Verteilung jeder Einheit in dem Reformer in der zweiten Ausführungsform zeigt;
10 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer zweiten Korrektur-Einheit in der zweiten Ausführungsform zeigt;
11 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer zweiten Korrektur-Einheit in einer dritten Ausführungsform zeigt;
12 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer zweiten Korrektur-Einheit in einer vierten Ausführungsform zeigt; und
13 ist eine graphische Darstellung, welche die Ansprechcharakteristik der tatsächlichen Strömungsmenge der verschiedenen Gase in dem Reformer nach Durchführung einer Korrektur in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zeigt.
1 zeigt den Aufbau eines Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystems, das eine Reformerkontroll- bzw. -steuerungs-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, umfasst. Als Hauptelemente umfasst das Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem: eine Kontroll- bzw. Steuereinheit 1, bestehend aus einem Computer, einen Reformer 2, der Brennstoffgas bildet durch die Reformierungsreaktion; ein Strömungsregelventil 3, das den Luftstrom regelt, der als Oxidationsgas in den Reformer 2 eingeführt wird; einen Kompressor 4; einen Methanoltank 5, in dem Methanol gespeichert ist; eine Methanolpumpe 6; einen Wassertank 7, in dem Wasser gespeichert ist, eine Wasserpumpe 8; einen Verdampfer 9; einen Combustor 10; eine CO-Entfernungseinheit 11 zur Entfernung von CO in dem reformierten Gas, das in dem Reformer 2 gebildet wird; eine Brennstoffzelle 12, die durch eine elektrochemische Reaktion eine elektromotorische Kraft aufnimmt; ein Druckregelventil 13 für das reformierte Gas, das den Brennstoffgasdruck in der Brennstoffzelle 12 steuert (regelt); und ein Luftdruck-Regelventil 14, das den Luftdruck in der Brennstoffzelle 12 regelt (steuert).
Unter den vorstehend beschriebenen Elementen führt der Kompressor 4 Luft als Oxidationsgas dem Reformer 2 und der Brennstoffzelle 12 zu. Die Methanolpumpe 6 beliefert den Verdampfer 9 mit Methanol aus dem Methanoltank 5. Die Wasserpumpe 8 beliefert den Verdampfer 9 mit Wasser aus dem Wassertank 7. Der Verdampfer 9 beliefert den Reformer 2 mit Wasser und Methanol als Ausgangs-Brennstoffgas, die durch die aus dem Combustor 10 zugeführte Wärme verdampft werden. Der Combustor 10 erzeugt ein Verbrennungsgas, das in den Verdampfer 9 eingeführt wird.
Die 2 zeigt den Aufbau des Reformers 2 in einer ersten Ausführungsform. In dem Reformer 2 schreiten fort eine Wasserdampf-Reformierungsreaktion, bei der Wasserstoff aus Kohlenwasserstoff und Wasserdampf gebildet wird, die endotherm ist, und eine partielle Oxidationsreaktion, bei der Kohlenwasserstoff oxidiert wird, die exotherm ist, und er nutzt die Wärme aus, die durch die partielle Oxidationsreaktion während des Fortschreitens der Wasserdampf-Reformierungsreaktion gebildet wird. Der Reformer 2 umfasst: eine Katalysatoreinheit 2a, in der die Wasserdampfreformierung/partielle Oxidationsreaktion abläuft; einen ersten Wärmefühler 2b zur Messung der Temperatur eines stromaufwärts gelegenen Abschnitts des Reformers, in dem hauptsächlich die partielle Oxidationsreaktion abläuft; und einen zweiten Wärmefühler 2c zur Messung der Temperatur des Brennstoffgases am Ausgang des Reformers 2, um den Gesamtreaktionszustand des Reformers zu erfassen.
Die 3 zeigt den Aufbau einer Kontroll- bzw. Steuerungseinheit 1 in der ersten Ausführungsform. Die Kontroll- bzw. Steuereinheit 1 umfasst: eine erste Sollmengen-Betriebseinheit 1a zur Ansteuerung eines ersten Ziels; eine erste Korrektureinheit 1b zur Durchführung einer ersten Korrektur in Bezug auf die erste Sollmenge von Methanoldampf, die erste Sollmenge von Wasserdampf und die erste Sollmenge von Luft entsprechend der Ausgabe (dem Output) des zweiten Temperaturfühlers 2c und einer zweiten Solltemperatur, eine zweite Korrektureinheit 1c zur Durchführung der Korrektur in Bezug auf eine zweite Sollmenge an Luft entsprechend der Ausgabe (dem Output) des ersten Wärmefühlers 2b und der ersten Solltemperatur; eine Methanolpumpenregeleinheit 1d zur Kontrolle bzw. Steuerung der Methanolpumpe 6 entsprechend der zweiten Sollmenge an Wasserdampf, eine Wasserpumpenregeleinheit 1e zur Kontrolle der Wasserpumpe 8 entsprechend der zweiten Sollmenge an Wasserdampf; und eine Luftregeleinheit 1f zur Steuerung des Kompressors 4 und des Strömungsregelventils 3 entsprechend einer dritten Sollmenge an Luft und dem Luftstrom, der in der Brennstoffzelle benötigt wird.
Nachstehend wird die Wirkung der Reformerkontroll- bzw. -steuerungs-Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform mit dem oben genannten Aufbau beschrieben. Zuerst werden die Aktionen im stetigen (stabilen) und halbstetigen Zustand beschrieben. Von außen wird die Regel- bzw. Kontrolleinheit 1 versorgt mit: beispielsweise einem Soll-Brennstoffgasstrom, der eingestellt wird auf der Basis einer Beschleuniger-Stufenzunahme-Messung; einem Sollwert (Target-POX-Verhältnis) des Verhältnisses zwischen der partiellen Oxidationsreaktion und der Wasserdampf-Reformierungsreaktion (nachstehend wird das Target-POX-Verhältnis dargestellt als POX-Verhältnis = Menge der partiellen Oxidationsreaktion/(Menge der partiellen Oxidationsreaktion + Menge der Wasserdampf-Reformierungsreaktion); einer ersten Solltemperatur für eine Temperatur, die mit dem ersten Wärmefühler 2b gemessen wird; einer zweiten Solltemperatur für eine Temperatur, die mit dem zweiten Wärmefühler 2c gemessen wird; und einem Luftstrom, der in der Brennstoffzelle benötigt wird, für die Brennstoffzelle 12.
Die erste Sollmengenbetriebs-Einheit 1a der Regeleinheit 1 berechnet die erste Sollmenge an Methanoldampf, die erste Sollmenge an Wasserdampf und die erste Sollmenge an Luft, die dem Reformer 2 zugeführt werden sollen, auf der Basis des Soll-Brennstoffgasstroms, der zugeführt werden soll, und des Target-POX-Verhältnisses, um diese berechneten Mengen auf die erste Korrektur-Einheit 1b aufzugeben.
Die erste Korrektur-Einheit 1b führt die erste Korrektur durch durch Anwendung einer PID-Steuerungs-Logik, wie in 4 dargestellt. Insbesondere führt die erste Korrektur-Einheit 1b den ersten Korrekturvorgang für die erste Sollmenge an Methanoldampf, die erste Sollmenge an Wasserdampf und die erste Sollmenge an Luft durch, die aus der ersten Sollmengen-Betriebseinheit 1a eingegeben werden auf der Basis einer Abweichung zwischen der Ausgabe (dem Output) des zweiten Wärmefühlers 2c und der zweiten Solltemperatur. Dann werden die zweite Sollmenge an Methanoldampf, die zweite Sollmenge an Wasserdampf und die zweite Sollmenge an Luft, die aus dem ersten Korrekturvorgang erhalten werden, auf die Methanolpumpen-Regeleinheit 1d, die Wasserpumpen-Regeleinheit 1e bzw. die zweite Korrektureinheit 1c aufgegeben.
Die Methanolpumpen-Regeleinheit 1d steuert den Betrieb der Methanolpumpe 6 auf der Basis der zweiten Sollmenge an Wasserdampf aus der ersten Korrektureinheit 1b und die Wasserpumpen-Regeleinheit 1e steuert den Betrieb der Wasserpumpe 8 auf der Basis der zweiten Sollmenge an Wasserdampf.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei dieser Ausführungsform zwar die erste Korrektureinheit 1b die PID-Steuerungs-Logik, wie sie in 4 dargestellt ist, anwendet, dass aber auch andere Methoden als diese Methode, beispielsweise eine Modellübereinstimmungs-Kontrolle, angewendet werden können.
Die zweite Korrektureinheit 1c führt eine zweite Korrektur für die zweite Sollmenge an Luft durch, die durch die erste Korrektureinheit 1b korrigiert worden ist, unter Anwendung der PID-Steuerungs-Logik, wie in 5 dargestellt, und sie berechnet eine dritte Sollmenge an Luft. Insbesondere führt die zweite Korrektureinheit 1c einen zweiten Korrekturvorgang durch für die zweite Sollmen ge an Luft aus der ersten Korrektureinheit 1b auf der Basis der Abweichung zwischen der Ausgabe (dem Output) des ersten Wärmefühlers 2b und der ersten Solltemperatur von außen. Dann wird eine dritte Sollmenge an Luft, die aus dem zweiten Korrekturvorgang erhalten wird, auf die Luftregeleinheit 1f aufgegeben.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Modellübereinstimmungs-Kontrolltechnik beispielsweise auch angewendet werden kann für die für diesen zweiten Korrekturvorgang angewendete Logik, abweichend von der PID-Steuerungs-Logik. Die Luftregeleinheit 1f steuert den Betrieb des Strömungsregelventils 3 und des Kompressors 4 auf der Basis der dritten Sollmenge an Luft aus der zweiten Korrektureinheit 1c und der Luftmenge, die in der Brennstoffzelle 12 benötigt wird (des Luftstroms, der in der Brennstoffzelle benötigt wird), die von außen aufgegeben wird.
Nachstehend wird die Tätigkeit der Regeleinheit 1 in einem Übergangszustand beschrieben. Auch hier wird beispielsweise die Beschreibung vorgenommen anhand eines Betriebs derselben in einem Übergangszustand für den Fall, dass die Sollmenge an Treibstoffgas, das von außen zugeführt wird, erhöht wird.
Wenn die Sollmenge an Treibstoffgas erhöht wird, werden die erste Sollmenge an Methanoldampf, die erste Sollmenge an Wasserdampf und die erste Sollmenge an Luft, die aus den Reaktionsgleichungen (1) und (2) erhalten werden, alle erhöht. Der Zustand des jeweiligen aktuellen Stroms zu diesem Zeitpunkt ist in der 6 dargestellt.
Wie in 6 dargestellt, ist der Luftstrom, der tatsächlich dem Reformer 2 zugeführt wird, verhältnismäßig wenig verzögert. Dagegen sind die Methanoldampf- und Wasserdampfströme stärker verzögert, beeinflusst durch die Verdampfungsverzögerung in dem Verdampfer 9 oder dgl. Wenn Methanoldampf, Wasserdampf und Luft in diesem Zustand, wie er in 6 darge stellt ist, dem Reformer 2 zugeführt werden, tritt eine übermäßig starke partielle Oxidationsreaktion in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Reformers 2 auf, wodurch die Temperatur dieses Abschnitts ansteigt. Als Folge davon kann ein schlechter Einfluss auftreten, beispielsweise der, dass der Reformer 2 durch Schmelzen beschädigt wird.
Obgleich die Temperatursteuerung des Brennstoffgases durch die erste Korrektur unter diesen Umständen durchgeführt wird, erfolgen die Änderungen der Methanoldampfmenge und der Wasserdampfmenge, die dem Reformer 2 zugeführt werden, langsam als Reaktion darauf, wie in der 6 erläutert. Dementsprechend wird der Luftstrom, der dem Reformer 2 zugeführt wird, durch die zweite Korrektureinheit 1c korrigiert auf der Basis der Temperatur des stromaufwärts gelegenen Abschnitts des Reformers 2, worin hauptsächlich die partielle Oxidationsreaktion abläuft. Der Zustand jedes aktuellen Stroms zu diesem Zeitpunkt ist in der 7 dargestellt.
Die erste und die zweite Korrektur werden in der Weise durchgeführt, dass die Temperatur des Brennstoffgases in einem geeigneten Bereich gehalten werden kann.
Nachstehend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 8 beschrieben.
Die 8 zeigt in schematischer Form den Aufbau eines Reformers 15 gemäß der zweiten Ausführungsform. Dieser Reformer 15 ist in dem Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem vorgesehen, dessen Aufbau im wesentlichen der gleiche ist wie derjenige des Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystems der ersten Ausführungsform, wie er in 1 dargestellt ist. Daher werden die folgenden Aufbauelemente, welche die gleichen sind wie bei der ersten Ausführungsform unter Verwendung der gleichen Bezugsziffern beschrieben.
Obgleich bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform nur ein erster Wärmefühler in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Reformers installiert war, wie in 2 dargestellt, ist der Reformer 15 gemäß der zweiten Ausführungsform dadurch charakterisiert, dass erste Wärmefühler an mehreren Stellen (in diesem Falle an drei Stellen) installiert sind, um die Temperatur des stromaufwärts gelegenen Abschnitts des Reformers zu messen, in dem hauptsächlich die partielle Oxidationsreaktion abläuft. Daher umfasst der Reformer 15 bei der zweiten Ausführungsform, wie in 8 dargestellt: eine Katalysatoreinheit 15a, in der die Wasserdampfreformierungs/partielle Oxidations-Reaktion abläuft; drei erste Wärmefühler 15b-1, 15b-2 und 15b-3 zur Messung der Temperaturen des stromaufwärts gelegenen Abschnitts des Reformers, in dem hauptsächlich die partielle Oxidationsreaktion abläuft; und einen zweiten Wärmefühler 15c zur Messung der Temperatur des Brennstoffgases unmittelbar nach dem Reformer 15, um den gesamten Reaktionszustand des Reformers 15 zu bestimmen.
Wie in 9 dargestellt, ändert sich dann, wenn die Zeitsdauer, während der der Reformer betrieben wird, abgelaufen ist, die Temperatur-Verteilung in dem Reformer 15 entsprechend dem Ablauf der Zeitsdauer, wie vorstehend angegeben, aus Gründen, welche die Katalysator-Verschlechterung umfassen. Daher führt die zweite Korrektureinheit 1c in der Regeleinheit 1 mit dem in 3 dargestellten Aufbau eine zweite Korrektur durch durch Umschalten der verwendeten Ausgaben (Outputs) mit dem Ablauf der Zeit zwischen den Ausgaben (Outputs) der Vielzahl von ersten Wärmefühlern 15b-1 bis 15b-3.
Die Operationslogik der zweiten Korrektureinheit 1c in der zweiten Ausführungsform ist in der 10 dargestellt. Die Operationslogik der 10 führt auch die zweite Korrektur durch entsprechend der PID-Steuerungs-Logik ähnlich der zweiten Korrektureinheit 2 in der ersten Ausführungsform, wie sie in 3 dargestellt ist, jedoch mit der Ausnahme, dass eine Ausgabe verwendet wird, die ausgewählt wird aus den Ausgaben der Vielzahl von ersten Wär mefühlern 15b-1 bis 15b-3 durch die Ausgaben-Selektionseinheit 1c1 als erste Wärmefühler-Ausgabe.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausgabe-Selektionseinheit 1c1 die gesamte Fahrstrecke als Daten mit dem Ablauf der Zeit ausnutzt, die gemessen wird durch die gesamte Fahrstrecke in Metern eines Fahrzeugs, und die gesamte Fahrstrecke in drei Stufen aufteilt, die Anfangsstufe, die mittlere Stufe und die Endstufe, und so fungiert, dass der erste Wärmefühler aufeinanderfolgend umgeschaltet wird in 15b-1, 15b-2 und 15b-3, wenn die gesamte Fahrstrecke des Fahrzeugs zunimmt.
So ändert sich gemäß der zweiten Ausführungsform die Temperatur-Verteilung innerhalb des Reformers als Folge der Änderung der Katalysatoreigenschaften mit dem Ablauf der Zeit, und es ändert sich auch die Position der Spitzentemperatur. Durch Durchführung der zweiten Korrektur unter Verwendung der Ausgabe des Wärmefühlers, bei der es sich um die Position der Spitzentemperatur handelt, die entsprechend der Änderung mit dem Ablauf der Zeit zwischen den an mehreren Stellen vorgesehenen ersten Wärmefühlern sich ändert, ist es möglich, eine genau Kontrolle über einen langen Verwendungszeitraum hinweg durchzuführen.
Es sei darauf hingewiesen, dass auch bei dieser zweiten Ausführungsform anstelle der PID-Steuerungs-Logik eine Methode, wie z.B. die Modell-Übereinstimmungs-Kontrolle als Steuerungs-Logik der zweiten Korrektureinheit 1c angewendet werden kann.
Nachstehend wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 11 beschrieben. Die Verteilung der Innentemperatur des Reformers 15 ändert sich nicht nur mit dem Ablauf der Zeit, sondern auch in Abhängigkeit von der Zeit oder Bedingungen (der Sollmenge an Brennstoffgasstrom oder dgl.), wie in 9 dargestellt. Die zweite Korrektureinheit 1c in der Steuereinheit 1, die den in 3 dargestellten Aufbau hat, kann somit so angeordnet sein, dass sie die zweite Korrektur durchführt unter Verwendung der höchsten Temperatur der Mehrzahl der ersten Wärmefühler 15b-1 bis 15b-3.
Die Operationslogik der zweiten Korrektureinheit 1c in der dritten Ausführungsform ist in der 11 dargestellt. Die Operationslogik der 11 ist ähnlich derjenigen der zweiten Korrektureinheit 2 in der ersten Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, mit der Ausnahme, dass die höchste Temperatur unter den mehreren ersten Wärmefühlern 15b-1 bis 15b-3 als erste Temperaturausgabe ausgewählt wird durch die Maximalwert-Auswahleinheit 1c2 und die Durchführung der zweiten Korrektur entsprechend der PID-Steuerungs-Logik erfolgt.
Bei der dritten Ausführungsform ändert sich so die Temperatur-Verteilung innerhalb des Reformers in Abhängigkeit von der Zeit oder von Bedingungen (der Sollmenge des Brennstoffgasstromes oder dgl.) und die Position der Spitzen-Temperatur ändert sich ebenfalls. Durch Durchführung der zweiten Korrektur unter Verwendung der höchsten Temperatur, die von der Vielzahl der ersten Wärmefühler bestimmt wird, ist es möglich, eine genauere Steuerung (Kontrolle) durchzuführen.
Es sei darauf hingewiesen, dass auch bei dieser dritten Ausführungsform anstelle der PID-Steuerungslogik die Modellübereinstimmungs-Kontrolle als Steuerungs-Logik der zweiten Korrektureinheit 1c angewendet werden kann.
Nachstehend wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 12 beschrieben.
Die 12 zeigt den Aufbau der zweiten Korrektureinheit 1c, die bei der vierten Ausführungsform verwendet wird. Da die Aufbauelemente mit Ausnahme der zweiten Korrektureinheit 1c ähnlich denjenigen der ersten Ausführungsform sind, wie sie in den 1 und 3 dargestellt ist, wird ihre detaillierte Beschreibung hier weggelassen.
Wie in der 12 dargestellt, besteht die Steuerungslogik für die zweite Korrektur, die durch die zweite Korrektureinheit 1c durchgeführt wird, aus Verzögerungselementen. Daher erhält die zweite Korrektureinheit 1c die Verzögerungszeit τ aus der Abweichung zwischen der ersten Solltemperatur und der Ausgabe des ersten Wärmefühlers unter Bezugnahme auf die Daten der Tabelle (Liste) 1c3, wobei die zweite Korrektur so durchgeführt wird, dass die aufgegebene zweite Sollmenge an Luft um diese Verzögerungszeit τ verzögert wird und ausgegeben wird als dritte Sollmenge an Luft an die Luft-Kontrolleinheit 1f. Der Zustand des jeweiligen aktuellen Stroms zu diesem Zeitpunkt ist in der 13 dargestellt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Tabelle (Liste) 1c3 für die Verzögerungszeit τ die tabellarische Zusammenfassung der Werte ist nach Erhalt der Kombinationen der Abweichung zwischen der ersten Solltemperatur und der Ausgabe des ersten Wärmefühlers und der Verzögerungszeit τ, die der Abweichung entspricht, die durch Experimente erhalten wurden.
Auf diese Weise kann die Nachlaufzeit, bis der tatsächliche Luftstrom entsprechend einer Steigerung des Soll-Brennstoffgasstromes zunimmt, auch bei der vierten Ausführungsform in dem gleichen Grad verzögert sein wie der tatsächliche Methanoldampfstrom und der tatsächliche Wasserdampfstrom, und dadurch wird es möglich, den Temperaturanstieg in dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Reformers, in dem hauptsächlich die partielle Oxidationsreaktion abläuft, zu begrenzen.
Außerdem kann im Falle der vierten Ausführungsform, da die Verzögerungszeit τ einfach unter Bezugnahme auf die Tabelle (Liste) aus der Abweichung zwischen der ersten Solltemperatur und der Ausgabe des ersten Wärmefühlers erhalten wird, der Betriebsumfang in der zweiten Korrektureinheit vermindert werden im Vergleich zu der ersten bis dritten Ausführungsform, wodurch die Steuerungs- bzw. Regeleinheit billiger hergestellt werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei der vierten Ausführungsform, obgleich die Verzögerungszeit τ durch Bezugnahme auf die Tabelle (Liste) aus der Abweichung zwischen der ersten Solltemperatur und der Ausgabe des ersten Wärmefühlers erhalten wird, Methoden, wie z.B. die PID-Steuerungs-Logik und die Modellübereinstimmungs-Kontrolle ebenfalls angewendet werden können. Bei der zweiten und dritten Ausführungsform können ebenfalls mehrere erste Wärmefühler verwendet werden.
Außerdem wurden bei den vorstehend beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsformen Wärmefühler verwendet zur Bestimmung der Temperaturzustände für die Reaktionszustände in dem Brennstoffreformer, auf den sich die Korrektureinheit bezieht. Sensoren wie CO-Sensoren, Methanol-Sensoren und Wasserstoff-Sensoren zur Bestimmung des Reaktionszustandes können aber auch ähnliche Systeme aufbauen. Obgleich das Brennstoffgas (Treibgas) hergestellt wird durch Reformieren von Methanol, können auch ähnliche Systeme aufgebaut werden durch Verwendung von Kohlenwasserstoffen wie Benzin und Erdgas.
Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, sie ist jedoch nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und auf die daraus zu entnehmenden Lehren beschränkt, wie für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich. Der Bereich der Erfindung wird durch die folgenden Patentansprüche bestimmt.

Claims

Reformer-Steuerungsvorrichtung mit – einem Reformer (15), welcher eine Katalysatoreinheit (15a) aufweist, welche einen eine Wasserdampf-Reformierungsreaktion fördernden Katalysator und einen eine partielle Oxidationsreaktion fördernden Katalysator enthält; – einer Ausgangs-Brennstoffgas-Zuführungseinrichtung, welche ein Kohlenwasserstoff und Wasserdampf enthaltendes Ausgangs-Brennstoffgas der Katalysatoreinheit zuführt; – einer Oxidationsgas-Zuführungseinrichtung, welche Sauerstoff enthaltendes Oxidationsgas der genannten Katalysatoreinheit zuführt; – in einer Vielzahl von Positionen vorgesehenen ersten Temperaturfühlern (15b-1, 15b-2, 15b-3) zum Ermitteln von Temperaturen in einem stromaufwärts der Katalysatoreinheit gelegenen Abschnitt des Brennstoffgasstromes und des Oxidationsgasstromes der Katalysatoreinheit; – einem Maximaltemperatur-Selektor zur Auswahl der höchsten Temperatur unter den von den ersten Temperaturfühlern (15b-1 bis 15b-3) ermittelten Temperaturen; – einem zweiten Temperaturfühler (15), welcher den Zustand der Reaktion in der Gesamtheit der Katalysatoren in der Katalysatoreinheit ermittelt, – einer ersten Korrektur-Einrichtung, welche die Zuführungsmengen des Ausgangs-Brennstoffgases und des Oxidationsgases, welche der Katalysatoreinheit zugeführt werden, auf Basis des von dem zweiten Temperaturfühler ermittelten Zustandes der Reaktion korrigiert, und – einer zweiten Korrektur-Einrichtung, welche die Zuführungsmenge des der Katalysatoreinheit zugeführten Oxidationsgases und/oder der Zugabezeitdauer korrigiert, auf der Basis der von dem Maximaltemperatur-Selektor ausgewählten höchsten Temperatur und der durch die erste Korrektureinrichtung bestimmten Zuführungsmenge an Oxidationsgas.
Verfahren zum Steuern eines Reformers, bei welchem – eine Wasserdampf-Reformierungsreaktion und eine Partialoxidations-Reaktion in einer Katalysatoreinheit des Reformers gefördert wird, – ein Kohlenwasserstoff und Wasserdampf enthaltendes Ausgangs-Brennstoffgas der Katalysatoreinheit zugeführt wird, – ein sauerstoffhaltiges Oxidationsgas der Katalysatoreinheit zugeführt wird und – der Temperaturanstieg in einem der Katalysatoreinheit stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Ausgangs-Brennstoffgasstromes und des Oxidationsgasstromes in der Katalysatoreinheit ermittelt wird, – die höchste Temperatur unter den ermittelten Temperaturen ausgewählt wird, – der Reaktionszustand in der Gesamtheit der Katalysatoren in der Katalysatoreinheit ermittelt wird, – die Zuführungsmengen des Ausgangs-Brennstoffgases und des Oxidationsgases, die der Katalysatoreinheit zugeführt werden, korrigiert werden und zwar auf der Basis des Reaktionszustandes, und – die Menge des der Katalysatoreinheit zugeführten Oxidationsgases und/oder dessen Zuführdauer auf der Grundlage der höchsten Temperatur korrigiert werden.