DE10113768B4 - Wasserstofferzeugungssystem - Google Patents

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Abstract

Wasserstofferzeugungssystem zur Erzeugung wasserstoffreichen Gases durch Reformieren einer Rohstoffflüssigkeit mit: einem Verdampfungsabschnitt (30; 110) zur Verdampfung der Rohstoffflüssigkeit; einem Reformierungsabschnitt (50; 114) zur Reformierung des durch den Verdampfungsabschnitt (30) gelieferten Dampfs, gekennzeichnet durch eine Drucksteuereinrichtung (38, 62; 116) zum Regeln eines Drucks in dem Verdampfungsabschnitt; und eine Steuereinrichtung (80; 100), die zum Steuern der Drucksteuereinrichtung (38, 62) auf der Grundlage eines Dampfmengenbedarfs für die Erzeugung von Wasserstoff derart angepasst ist, dass der Druck in dem Verdampfungsabschnitt (30; 110) in Übereinstimmung mit einer Erhöhung des Dampfmengenbedarfs und/oder einer Erhöhung der Änderungsrate des Dampfmengenbedarfs verringert wird oder der Druck in dem Verdampfungsabschnitt (30; 110) in Übereinstimmung mit einer Abnahme des Dampfmengenbedarfs und/oder einer Abnahme der Änderungsrate des Dampfmengenbedarfs erhöht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wasserstofferzeugungssystem und ein Verfahren, welche flüssige Rohstoffe reformieren, um wasserstoffreiches Gas zu erzeugen, sowie einen in dem System verwendeten Verdampfer.
  • Systemen wie beispielsweise Brennstoffzellen, in welchen Wasserstoff verbraucht wird, zuzuführender Wasserstoff wird zum Beispiel durch Reformieren flüssiger Rohstoffe erzeugt. Als flüssige Rohstoffe werden vorwiegend verflüssigtes Naturgas, Benzin, andere Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Äther und Aldehyde und dergleichen verwendet. In einem Wasserstofferzeugungssystem werden diese Rohstoffe und Wasser durch einen Verdampfer verdampft und einer Reformierungsreaktion in Gegenwart eines Katalysators wie beispielsweise Platin unterworfen, um dadurch wasserstoffreiches reformiertes Gas zu erzeugen. Um die Reaktion stabil ablaufen zu lassen, wird die Reformierungsreaktion durch eine Regelung oder dergleichen in einer vorbestimmten Temperatur- und Druckbedingung gehalten. Dieses reformierte Gas wird behandelt, um die Konzentration von Komponenten wie beispielsweise Kohlenmonoxid zu verringern, und dann einem Wasserstoff verbrauchenden System, beispielsweise einer Brennstoffzelle, zugeführt.
  • In dem Wasserstofferzeugungssystem muss die zu erzeugende Wasserstoffmenge der in einem Wasserstoff verbrauchenden System zu verbrauchenden Menge von Wasserstoff folgen. Es ist bekannt, dass der Mengenermittlungsschritt bezüglich der zu erzeugenden Menge von Wasserstoff in der Verdampfung in einem Verdampfer besteht. Daher ist eine Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit der Verdampfung erforderlich, um die Ansprechgeschwindigkeit der Wasserstofferzeugung zu verbessern.
  • Die folgenden Verfahren wurden mit der Absicht, die Ansprechgeschwindigkeit der Verdampfung zu verbessern, vorgeschlagen. Zum Beispiel ist in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. HEI 8-121705 (1996) eine Struktur offenbart, in welcher der während eines Niedriglastbetriebs erzeugte Dampf in einem Akkumulator gesammelt und die zu erzeugende Dampfmenge während eines Hochlastbetriebs durch den gesammelten Dampf ausgeglichen wird. Darüber hinaus ist in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei 2000-119001 eine Struktur offenbart, in welcher Dampf immer in einer Menge erzeugt wird, die viel größer ist als die zu jedem Zeitpunkt benötigten Mengen.
  • Die vorstehenden Systeme werfen jedoch die folgenden Probleme hinsichtlich einer Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit der zu erzeugenden Wasserstoffmenge auf. In der in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. HEI 8-121705 (1996) beschriebenen Struktur bildet der Akkumulator ein Hindernis für die Verkleinerung der Anlage. In den vergangenen Jahren wurde ein Verfahren untersucht, in welchem ein Wasserstofferzeugungssystem und eine Brennstoffzelle auf einem beweglichen Körper, wie beispielsweise einem Fahrzeug, angebracht sind. In einem solchen Fall besteht ein großer Bedarf an Verkleinerung, weil sehr starke Beschränkungen im Hinblick auf den Unterbringungsraum bestehen. Auch muss bei der in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. HEI 8-121705 (1996) beschriebenen Struktur eine Verringerung der Temperatur des gesammelten Dampfs unterdrückt werden, um zu ermöglichen, dass die Reformierungsreaktion effizient fortschreitet, wodurch das System komplexer wird. Darüber hinaus hat die in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. HEI 2000-119001 beschriebene Struktur das Problem geringen Energiewirkungsgrads aufgrund der Erzeugung zu vielen Dampfs.
  • Die in den vorstehenden Veröffentlichungen offenbarten Systeme werfen ferner die folgenden Probleme auf, die durch die Drucksteuerung in dem Reformierungsabschnitt verursacht werden, insbesondere während des Anlaufvorgangs. Zunächst neigt ein Drucksteuerventil dazu, zu stark auf die Aufrechterhaltung des Solldrucks beschränkt zu sein, wenn eine unzureichende Menge reformierten Gases vorhanden ist. Daher besteht dann, wenn die Erzeugung reformierten Gases beginnt, die Möglichkeit, dass eine Verzögerung der Drucksteuerung dazu führt, dass der Druck in dem Reformierungsabschnitt den Sollwert übersteigt. Weiter wird ein ziemlich hoher Druck bei einem Zustand relativ niedriger Temperatur aufrechterhalten, welches dazu führt, dass verdampfte Rohstoffe kondensieren, so dass die Möglichkeit besteht, dass die erzeugte Flüssigkeit an dem Katalysator anhaftet und dadurch die Aktivität des Katalysators abnimmt.
  • Ferner ist aus der DE 196 23 937 C1 ein Wasserstofferzeugungssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt. Ein weiteres Wasserstofferzeugungssystem ist aus der DE 21 57 722 C2 bekannt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Ansprechgeschwindigkeit der Menge zu erzeugenden Wasserstoffs durch Verbessern der Ansprechgeschwindigkeit der Verdampfung von Rohstoffen und dergleichen in einem Wasserstofferzeugungssystem zu verbessern, und in Verbindung mit dieser Verbesserung der Ansprecheigenschaften eine Verkleinerung einer Anlage zu erzielen, um den Energiewirkungsgrad zu verbessern und die Temperatur des Dampfs aufrechtzuerhalten.
  • Darüber hinaus soll die Erfindung ein Verfahren zum Vermeiden der Dampfprobleme bereitstellen, welche durch die Drucksteuerung während der Anlaufphase in dem Wasserstofferzeugungssystem verursacht werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wasserstofferzeugungssystem gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 9, eine Dampferzeugungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 20, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 21, und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 22.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der erfindungsgemäße Verdampfungsabschnitt ist eine Einheit zum Verdampfen flüssiger Rohstoffe und besteht aus beispielsweise einem Verdampfer. Der Reformierungsabschnitt ist eine Einheit, welche den von dem Verdampfungsabschnitt zugeführten Dampf reformiert. Der Reformierungsabschnitt umfaßt eine Reihe von Einheiten, die zur Durchführung einer chemischen Reaktion zum Erzeugen von wasserstoffreichem Gas aus Rohstoffen verwendet werden. Diese Einheiten umfassen eine Umformungseinheit, welche Wasserstoff und Kohlenmonoxid (CO) durch die Dampfumformung oder teilweise Oxidation von Rohstoffen erzeugt, eine Schiebereaktionseinheit, welche Wasserstoff und Kohlendioxid durch eine Schiebereaktion aus Kohlenmonoxid und Wasser erzeugt, und eine CO-Oxidationseinheit, welche selektiv Kohlenmonoxid oxidiert. Der Reformierungsabschnitt ist mit zumindest einer dieser Einheiten versehen.
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, wird die Ansprechgeschwindigkeit der Erzeugung von Wasserstoff in dem Wasserstofferzeugungssystem durch die Verdampfungsrate bzw. Verdampfungsgeschwindigkeit bestimmt. Wie gemeinhin bekannt ist, wird die Verdampfungsrate durch den Druck in dem Verdampfungsabschnitt beeinflußt. Erfindungsgemäß kann nicht nur die Verdampfungsrate, sondern auch die Ansprechgeschwindigkeit der Erzeugung von Wasserstoff durch Steuern des Drucks in dem Verdampfungsabschnitt in Übereinstimmung mit dem quantitativen Bedarf zu erzeugenden Wasserstoffs verbessert werden. Darüber hinaus ist keine große Anlage wie beispielsweise ein Akkumulator erforderlich, und kann eine Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit erzielt werden. Es ist ferner nicht notwendig, verdampftes Gas zu sammeln, so dass daher kein Problem aufgrund der verringerten Dampftemperatur besteht. Überdies kann ferner der Energiewirkungsgrad verbessert werden, da es auch nicht notwendig ist, zu viel Dampf zu erzeugen.
  • In diesem System wird bevorzugt, dass die Drucksteuereinrichtung in dem Verdampfungsabschnitt angeordnet ist. Vorzugsweise wird hierbei eine Anordnung derart vorgesehen, dass der Verdampfungsabschnitt umfaßt: einen Dampferzeugungsabschnitt, welchem der flüssige Rohstoff zugeführt wird und der einen gemischten Teil des flüssigen Rohstoffs ausbildet, wobei der gemischte Teil einen Dampfphasenanteil und einen Flüssigphasenanteil des flüssigen Rohstoffs beinhaltet; und einen Dampferwärmungsabschnitt, der mit dem Dampfphasenanteil des Dampferzeugungsabschnitts verbunden ist und den flüssigen Rohstoff in dem Dampfphasenanteil erwärmt; und vorgesehen, dass die Drucksteuereinrichtung den Druck in dem Dampferzeugungsabschnitt regelt. Diese Anordnung ermöglicht es, auf relativ einfache Art und Weise Dampf mit einer gewünschten Temperatur zu erhalten.
  • Die Regelung des Drucks in dem Dampferzeugungsabschnitt kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Drucksteuereinrichtung an einem Verbindungsabschnitt des Dampferzeugungsabschnitts und des Dampferwärmungsabschnitts angeordnet ist.
  • Darüber hinaus wird bevorzugt, dass die Drucksteuereinrichtung stromab des Verdampfungsabschnitts angeordnet ist. Die Drucksteuereinrichtung kann beispielsweise zwischen dem Verdampfungsabschnitt und dem Reformierungsabschnitt, innerhalb des Reformierungsabschnitts, und stromab des Reformierungsabschnitts, das heißt irgendwo zwischen dem Reformierungsabschnitt und einem Wasserstoff verbrauchenden System, angeordnet sein. Da der Verdampfungsabschnitt mit dem Reformierungsabschnitt in Verbindung steht, kann der Druck in dem Verdampfungsabschnitt selbst in diesen Lagen gesteuert werden. Diese Lagen sind darüber hinaus dahingehend vorteilhaft, dass der Druck in dem Reformierungsabschnitt zusammen mit der Regelung des Drucks in dem Verdampfungsabschnitt geregelt werden kann.
  • Weiter bevorzugt umfaßt der Reformierungsabschnitt: eine erste Einheit, die durch eine Reformierungsreaktion des Rohstoffs reformiertes, Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes Gas erzeugt; und eine zweite Einheit stromab der ersten Einheit, die den erzeugten Kohlenmonoxidgehalt verringert; und ist die Drucksteuereinrichtung zwischen der ersten Einheit und der zweiten Einheit angeordnet ist.
  • In diesem Fall der Anordnung der Druckregeleinrichtung innerhalb des Reformierungsabschnitts kann somit dann, wenn der Reformierungsabschnitt mit einer ersten Einheit und einer zweiten Einheit vorgesehen ist, die stromab der ersten Einheit angeordnet ist, die Drucksteuereinrichtung zwischen diesen Einheiten angeordnet sein. Hierbei ist die erste Einheit eine Einheit, welche ein reformiertes Gas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, durch eine Reformierungsreaktion der Rohstoffe erzeugt. Die vorstehend beschriebene Umformungseinheit zum Beispiel entspricht dieser Einheit. Die zweite Einheit ist eine Einheit, welche die Menge zu erzeugenden Kohlenmonoxids verringert. Die vorstehend beschriebene Schiebereaktionseinheit oder CO-Oxidationseinheit zum Beispiel entspricht dieser Einheit. In dieser Anordnung kann der Druck in der ersten Einheit auf einen höheren Druck als der der zweiten Einheit gesteuert werden. Diese Anordnung ist darüber hinaus dahingehend vorteilhaft, dass die Gastemperatur durch Nutzen einer adiabatischen Expansion verringert werden kann, wenn das in der ersten Einheit erzeugte reformierte Gas an die zweite Einheit transferiert wird.
  • Die Steuerung in Antwort auf die quantitative Bedingung für zu erzeugenden Wasserstoff kann mittels verschiedenartigen Ausführungsformen erreicht werden.
  • Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung die Drucksteuereinrichtung derart steuert, dass der Druck in dem Verdampfungsabschnitt in Übereinstimmung mit einer Zunahme der quantitativen Bedingung oder einer Änderungsgeschwindigkeit der quantitativen Bedingung verringert wird. Allgemein kann die Verdampfung durch eine Druckverringerung gefördert werden. Wenn beabsichtigt wird, die Verdampfung gleichbleibend zu fördern, kann der Druck in Übereinstimmung mit der quantitativen Bedingung verringert werden. Wenn eine vorübergehende Antwort nach der quantitativen Bedingung erhöht wird, kann der Druck in Übereinstimmung mit der Änderung der quantitativen Bedingung verringert werden. Es ist möglich, den Druck unter Berücksichtigung sowohl der quantitativen Bedingung als auch der Änderung der quantitativen Bedingung zu steuern.
  • Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung die Drucksteuereinrichtung derart steuert, dass der Druck in dem Verdampfungsabschnitt in Übereinstimmung mit einer Abnahme der quantitativen Bedingung oder einer Änderungsgeschwindigkeit der quantitativen Bedingung erhöht wird. Die Abnahme der Änderungsgeschwindigkeit beinhaltet sowohl den Fall, in dem dann, wenn die Änderungsgeschwindigkeit positiv ist, ihr Absolutwert verringert wird, und den Fall, in dem dann, wenn die Änderungsgeschwindigkeit negativ ist, ihr Absolutwert erhöht wird. Dies gewährleistet, dass die Erzeugung einer zu großen Dampfmenge schnell unterdrückt werden kann, wodurch der Energiewirkungsgrad verbessert wird.
  • Wenn der Druck in dem Verdampfungsabschnitt erhöht wird, kann Wärme als innere Energie des Behälters und flüssiger Rohstoffe akkumuliert werden, weil der Siedepunkt der Rohstoffe angehoben wird. Dann kann durch Verringern des Drucks in dem Verdampfungsabschnitt Dampf der flüssigen Rohstoffe unter Verwendung dieser inneren Energie erzeugt werden. Daher kann dann, wenn eine Erhöhung der Dampferzeugung erforderlich ist, die Dampfmenge durch Verringern des Drucks in dem Verdampfungsabschnitt sofort erhöht werden, wohingegen dann, wenn eine Verringerung der Dampferzeugung erforderlich ist, die Dampfmenge durch Erhöhen des Drucks in dem Verdampfungsabschnitt sofort verringert werden kann. Insbesondere kann eine Laständerung rasch berücksichtigt werden.
  • Auch bevorzugt wird, dass die Drucksteuereinrichtung ein Druckregelventil oder ein Durchflussmessventil ist, und dass der Rohstoff eine kohlenwasserstoffartige Verbindung ist.
  • Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß vorzugsweise durch Verfahren nach Ansprüchen 17 und 18 gelöst.
  • Es wird angemerkt, dass dieses Verfahren nicht nur auf flüssige Rohstoffe verwendende Systeme, sondern auch auf andere Systeme anwendbar ist.
  • Bevorzugt wird, dass der Druck in dem Reformierungsabschnitt in einem vorbestimmten Zustand gehalten wird, der zur Förderung einer Reaktion bei Betrieb des Wasserstofferzeugungssystems geeignet ist. In der Anlaufphase des Systems jedoch wird unzureichend reformiertes Gas erzeugt und ist die Temperatur des Reformierungsabschnitts niedrig. Daher schreitet in diesem Zustand die Reaktion nur mit Schwierigkeiten fort. Bisher wurde der Drucksteuerung in der Anlaufphase keinerlei Beachtung geschenkt. In einem solchen Zustand ist es jedoch nicht immer zu bevorzugen, denselben Druckzustand wie den während regelmäßigen Betriebs aufrechtzuerhalten. Bei dem hier vorgeschlagenen Wasserstofferzeugungssystem wird daher die Steuerbetriebsart in der Anlaufphase und in regelmäßigem Betrieb derart umgeschaltet, dass eine für beide Betriebsabläufe geeignete Drucksteuerung erzielt werden kann.
  • Beispielsweise wird bevorzugt, dass die erste Steuerbetriebsart eine Regelung unter Berücksichtigung eines Zeitintegrals einer Abweichung zwischen dem Solldruck und dem tatsächlichen Druck ist; und die zweite Steuerbetriebsart eine Betriebsart ist, in der ein Einfluß des Zeitintegrals auf eine gesteuerte Variable unterdrückt wird. Die Beschränkung des Einflusses des Zeitintegrals kann zum Beispiel durch Verringern einer Regelverstärkung für das Zeitintegral stärker als in der ersten Steuerbetriebsart erreicht werden. Es kann auch eine Regelung ausschließlich des Zeitintegralausdrucks vorgesehen sein.
  • Allgemein erzeugt in der Regelung der Zeitintegralausdruck die Wirkung der Beibehaltung des früheren Zustands und des Glättens von Schwankungen in der gesteuerten Variablen. Weil in der Anlaufphase des Systems die zu erzeugende Menge reformierten Gases klein ist, wird die Drucksteuereinrichtung in die Richtung gesteuert, in welcher der Druck in dem Reformierungsabschnitt ansteigt. Falls dieser Zustand für eine lange Zeitdauer aufrechterhalten wird, wird das Ansprechen bzw. die Antwort der Drucksteuereinrichtung verzögert, welches die Möglichkeit einer schnellen Zunahme des Drucks in dem Reformierungsabschnitt in dem Fall bietet, in dem der Einfluss des Zeitintegralausdrucks groß ist, wenn die Erzeugung reformierten Gases begonnen hat. Dieses Phänomen kann durch Unterdrücken des Einflusses des Zeitintegralausdrucks leicht unterdrückt werden.
  • Beispielsweise vorteilhaft ist, dass die erste Steuerbetriebsart eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis ist und die zweite Steuerbetriebsart eine Steuerung mit offenem Regelkreis ist. Dies hält die Drucksteuereinrichtung davon ab, zu stark in die Richtung betrieben zu werden, in der der Druck in dem Reformierungsabschnitt ansteigt, so dass daher ein schneller Druckanstieg nach dem Beginn der Erzeugung umgewandelten Gases vermieden werden kann. In der einfachsten Form der Steuerung mit offenem Regelkreis ist die Drucksteuereinrichtung so ausgelegt, dass die Drucksteuereinrichtung in der zweiten Steuerbetriebsart unabhängig von dem Druck in dem Reformierungsabschnitt in einem festgelegten Zustand gehalten wird.
  • Weiter bevorzugt wird, dass die Steuereinrichtung mit einer Übergangssteuerbetriebsart versehen ist, in der die Anderungsgeschwindigkeit bzw. Schwankung des Drucks in dem Reformierungsabschnitt während eines Übergangs des Systems von der zweiten Steuerbetriebsart zu der ersten Steuerbetriebsart innerhalb eines vorbestimmten Bereichs unterdrückt wird. In dem Fall, in dem der Druck in dem Reformierungsabschnitt relativ niedrig ist, wenn das System in die erste Steuerbetriebsart übergeht, besteht die Möglichkeit, dass die manipulierte Variable der Drucksteuereinrichtung überschwingt bzw. übersteuert wird und einen übergangsweise schnellen Druckanstieg verursacht. Dies kann jedoch durch die Bereitstellung der Übergangssteuerbetriebsart vermieden werden. Als Übergangssteuerbetriebsart können ein Verfahren, in welchem der Drucksollwert auf weniger als seinen ursprünglichen Wert bzw. stärker als er ursprünglich war verringert wird, ein Verfahren, in weichem eine sogenannte ”Glättungsbehandlung” für die in der ersten Steuerbetriebsart erhaltene Steuervariable bereitgestellt ist, und ein Verfahren, in welchem die Steuervariable in einem offenen Regelkreis eingestellt wird, und dergleichen angewandt werden.
  • Zusätzlich zu der vorgenannten Steuerung wird die Regelung zusammen mit der ersten Steuerbetriebsart und der zweiten Steuerbetriebsart angewandt, wobei der Drucksollwert in der zweiten Steuerbetriebsart niedriger als in der ersten Steuerbetriebsart sein kann. In der zweiten Steuerbetriebsart kann ein oberer Grenzwert für die manipulierte Variable in der Drucksteuereinrichtung gesetzt werden.
  • Bevorzugt ist die vorliegende Anordnung derart ausgebildet, dass die Umschaltung zwischen der ersten Steuerbetriebsart und der zweiten Steuerbetriebsart auf der Grundlage eines Gas- bzw. Dampfmengenzustands in dem Reformierungsabschnitt durchgeführt wird, wobei der Dampfmengenzustand zumindest eine Temperatur und einen Druck in dem Reformierungsabschnitt, eine Komponente eines Gases, oder eine Strömungsgeschwindigkeit eines aus dem Reformierungsabschnitt ausströmenden Gases beinhaltet bzw. diese als Mengenzustand einzeln oder in Kombination verwendet werden können. Beispielsweise wird dann, wenn die Temperatur, der Druck und die Strömungsgeschwindigkeit jeweils unter den vorbestimmten Werten liegen, der Betriebszustand als der Anlaufbetriebszustand ermittelt und infolgedessen die zweite Steuerbetriebsart angewandt. Wenn diese Parameter jeweils über den vorbestimmten Werten liegen, kann das System in die erste Steuerbetriebsart geschaltet werden. Als Komponenten des Gases werden Komponenten wie beispielsweise Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, welche mengenmäßig in Übereinstimmung mit dem Fortschritt der Reaktion in dem Reformierungsabschnitt schwanken, verwendet, und die Systembetriebsart kann auf der Grundlage davon, ob die Konzentration jeder dieser Komponenten größer als der vorbestimmte Wert ist oder nicht, umgeschaltet werden. Diese vorbestimmten Werte als die Norm zum Beurteilen, ob die Systembetriebsart umzuschalten ist oder nicht, können auf der Grundlage von Versuchen oder dergleichen vorab in Übereinstimmung mit der Systemstruktur festgelegt werden. Diese Mengenzustände können direkt in dem Reformierungsabschnitt oder indirekt an einem Abschnitt, beispielsweise stromab, des Reformierungsabschnitts erfasst werden.
  • Erfindungsgemäß kann als Drucksteuereinrichtung ein Druckregelventil oder ein Durchflussmessventil verwendet werden. Bevorzugt wird ein elektromagnetisch steuerbares Ventil verwendet.
  • In dem erfindungsgemäßen System können als Rohstoffe kohlenwasserstoffartige Verbindungen verwendet werden. Solche Verbindungen beinhalten verflüssigtes Naturgas, Benzin bzw. Gasolin, andere Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Äther und Aldehyde.
  • Erfindungsgemäß können die vorstehend erwähnten, verschiedenen zusätzliche Elemente durch geeignetes Kombinieren derselben angewandt werden. Darüber hinaus können strukturelle Elemente, die in der erstgenannten und in der zweitgenannten (alternativen) Anordnung angegeben wurden, zur Bildung eines einzigen Wasserstofferzeugungssystems kombiniert werden.
  • Die Erfindung kann zusätzlich zu den vorstehenden Anordnungen des Wasserstofferzeugungssystems in verschiedenen Ausgestaltungen aufgebaut werden. Beispielsweise kann die erstgenannte erfindungsgemäße Anordnung als auf das Wasserstofferzeugungssystem angewandter Dampferzeuger ausgebildet werden.
  • Somit wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Dampferzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 20.
  • Darüber hinaus kann die Erfindung als Steuerverfahren bereitgestellt werden, welche die in den vorstehend erst- und zweitgenannten Anordnungen des Wasserstofferzeugungssystems beschriebenen Steuerungen erzielen.
  • Somit wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß ferner gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 21 und ein Verfahren gemäß Anspruch 22.
  • Bevorzugt wird in einem solchen Verfahren ermittelt, dass sich das Wasserstofferzeugungssystem in der Anlaufphase befindet, wenn die Temperatur des Reformierungsabschnitts großer als eine vorbestimmte Temperatur ist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses Verfahrens umfasst ferner einen Schritt zum Ermitteln, ob ein Übergang von der zweiten Steuerbetriebsart zu der ersten Steuerbetriebsart stattfindet, wenn sich das Wasserstofferzeugungssystem in der Anlaufphase befindet und der Druck in dem Wasserstofferzeugungssystem niedriger als ein vorbestimmter Druck ist; und einen Schritt zum Steuern des Drucks in dem Reformierungsabschnitt mit einer dritten Steuerbetriebsart, in welcher eine Änderungsgeschwindigkeit in dem Druck in dem Reformierungsabschnitt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs unterdrückt wird, wenn ein Übergang von der zweiten Steuerbetriebsart zu der ersten Steuerbetriebsart ermittelt wird.
  • Erfindungsgemäß wird zumindest ein Teil der eingangs erwähnten Probleme durch Verbesserung der Drucksteuerung in einem Wasserstofferzeugungssystem gelöst. Mit anderen Worten ausgedrückt wird bei bekannten Anordnungen der Druck in einem Wasserstofferzeugungssystem derart gesteuert, dass er in einem zur Umformung und dergleichen geeigneten gleichbleibenden Zustand gehalten wird. Erfindungsgemäß dagegen wird eine Struktur verwendet, in welcher der Druck in dem System in Übereinstimmung mit dem Betriebsbedingungen des Systems zu jedem Zeitpunkt bzw. den Betriebsbedingungen wie vorstehend angegeben geändert.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine erklärende Ansicht, die eine vereinfachte Struktur eines Wasserstofferzeugungssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
  • 2 ein Ablaufdiagramm einer Drucksteuerprozessroutine in dem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 3 eine erklärende Ansicht, die eine vereinfachte Struktur eines Fahrzeugs als ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt;
  • 4 ein Ablaufdiagramm eines Betriebssteuerprozesses;
  • 5 ein Ablaufdiagramm eines Wasserstofferzeugungssteuerprozesses;
  • 6A, 6B, 6C und 6D Zeitdiagramme, die eine Druckänderung und dergleichen auf der Grundlage eines Wasserstofferzeugungssteuerprozesses in dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigen; und
  • 7A und 7B Diagramme, die die Ergebnisse von Versuchen betreffend eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit reformierten Gases zeigen.
  • Nachstehend wird ein erstes Ausführungsbeispiel des Wasserstofferzeugungssystems beschrieben.
  • 1 ist eine erklärende Ansicht, die eine vereinfachte Struktur eines Wasserstofferzeugungssystems 20 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt. Das Wasserstofferzeugungssystem 20 ist ein System, welches wasserstoffreiches Gas durch Reformieren eines Rohstoffes erzeugt und umfaßt einen Verdampfungsabschnitt 30, einen Reformierungsabschnitt 50, einen Drucksteuerabschnitt 60, einen Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt bzw. Kohlenmonoxidverringerungsabschnitt 70 und eine elektronische Steuereinheit 80. Als Rohstoff kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffartiger Rohstoff verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird Methanol verwendet. Das erzeugte Gas wird einer Anlage (beispielsweise einer Brennstoffzelle oder einem Wasserstoffmotor) zugeführt, welche Brennstoffgas bzw. Heizgas verbraucht und zur Erzeugung von Elektrizität verwendet wird.
  • Der Verdampfungsabschnitt 30 ist eine Einheit, die zum Verdampfen eines reformierten Rohstoffes verwendet wird, welcher ein Gemisch des Rohstoffes und Wasser ist. Der Verdampfungsabschnitt 30 ist mit einem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 und einem Heiz- bzw. Erwärmungsabschnitt 34 versehen ist. Der Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 ist ein Abschnitt, in dem die flüssige Phase und die Dampfphase des reformierten Rohstoffes nebeneinander bestehen und der reformierte Rohstoff verdampft wird. Der reformierte flüssige Rohstoff wird in einem Speichertank für reformierten Rohstoff 22 gespeichert und dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 durch eine Pumpe 24 zugeführt. Ein mit dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 verbundenes Zuleitungsrohr ist derart angeordnet, dass der Rohstoff über einen Wärmetauscher 74 des Kohlenwasserstoffreduktionsabschnitts 70 erwärmt wird. Der Erwärmungsabschnitt 34 ist eine Einheit, welche den in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 verdampften, reformierten Rohstoff auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt.
  • Der Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 und der Erwärmungsabschnitt 34 werden jeweils durch eine Heizeinrichtung 40 erwärmt. Die Heizeinrichtung 40 ist mit einem Wärmetauscher 42 zum Erwärmen des Dampf-Flüssigkeits-Mischteils 32 und einem Wärmetauscher 43 zum Erwärmen des Erwärmungsabschnitts 34 versehen, und die zum Erwärmen erforderliche Wärmemenge wird durch eine elektronische Steuereinheit 80 gesteuert. In diesem Ausführungsbeispiel wird als Heizeinrichtung 40 eine Heizeinrichtung eingesetzt, die durch Verbrennen von Heizöl als Wärmeaustauschmedium erhaltenes Hochtemperaturverbrennungsgas verwendet.
  • Der Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 steht mit dem Erwärmungsabschnitt 34 über einen Verbindungsabschnitt 36 in Verbindung. Der Verbindungsabschnitt 36 ist als Drosselabschnitt mit einer kleineren Öffnungsfläche als der Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 und der Erwärmungsabschnitt 34 ausgebildet und mit einem Drucksteuerventil 38 versehen, welches den Druck in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 reguliert. Das Drucksteuerventil 38 ist derart bereitgestellt, dass es durch Regulieren seiner Öffnung eine Schwankung in der das Wasserstofferzeugungssystem 20 beaufschlagenden Last ausgleichen kann. Der Steuer- bzw. Regulierungsvorgang des Drucksteuerventils 38 und seine Entsprechung zu der Lastschwankung wird an späterer Stelle beschrieben.
  • Der Reformierungsabschnitt 50 formt den verdampften Rohstoff um, um wasserstoffreiches reformiertes Gas zu erzeugen. Der Reformierungsabschnitt ist mit einem monolithischen Katalysator 52 gefüllt, der durch Beschichten der Oberfläche eines monolithischen Trägers, wie beispielsweise einem Wabenrohr, mit einem Katalysator (beispielsweise einem Kupfer-Zink-Katalysator), der Methanol dampfreformiert, erhalten wurde.
  • Der Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 verringert die Menge von Kohlenmonoxid in dem reformierten Gas. Der Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 ist mit vorzugsweise einem Oxidationskatalysator 72 gefüllt, der einen Katalysator (beispielsweise einen Ruthenium-Katalysator) trägt, welcher Kohlenmonoxid bei Vorhandensein von Wasserstoff bevorzugt zu Wasserstoff oxidiert und Kohlenmonoxid durch sauerstoffhaltiges Gas (Luft in diesem Ausführungsbeispiel), welches Sauerstoff enthält, oxidiert. Die Luft wird durch ein Gebläse 68 aus einer Luftzufuhrleitung zugeführt.
  • Der Reformierungsabschnitt 50 steht mit dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 über den Drucksteuerabschnitt 60 in Verbindung. Der Drucksteuerabschnitt 60 spricht auf eine Lastschwankung an und senkt die Temperatur des reformierten Gases. Der Drucksteuerabschnitt 60 ist als Drosselabschnitt mit einer kleinen Öffnungsfläche ausgebildet und mit einem Drucksteuerventil 62 versehen, welches den Druckunterschied zwischen dem Reformierungsabschnitt 50 und dem Drucksteuerabschnitt 60 reguliert. Das Drucksteuerventil 60 schließt und öffnet in Übereinstimmung mit der Lastschwankung.
  • In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Steuerung derart, dass der Druck in dem Reformierungsabschnitt 50 höher als der Druck in dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 ist. Durch diesen Druckunterschied wird das reformierte Gas aus dem Reformierungsabschnitt 50 adiabatisch expandiert und die Temperatur gesenkt, wenn es in den Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 transferiert wird. Im allgemeinen ist die optimale Temperatur für die bevorzugte Oxidation von Kohlenmonoxid in dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 niedriger als die optimale Temperatur für die Dampfreformierungsreaktion von Methanol in dem Reformierungsabschnitt 50. Daher kann dies durch Nutzen der Kühlwirkung der adiabatischen Expansion die Notwendigkeit eines Kühlers in dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 beseitigen oder ermöglichen, dass der Kühler kleiner sein kann. Eine Kohlenmonoxidoxidationsreaktion in dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 ist vorwiegend eine exothermische Reaktion. In diesem Ausführungsbeispiel werden das reformierte Gas erwärmt und der Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 durch Nutzen der in dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 erzeugten Wärme in Verbindung mit der adiabatischen Expansion des reformierten Gases auf eine optimale Temperatur gesteuert.
  • Die elektronische Steuereinheit 80 steuert das gesamte System. Die elektronische Steuereinheit 80 ist in Form eines Mikroprozessors aufgebaut, der eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 82 als Hauptelement enthält, und mit einem ein Verarbeitungsprogramm speichernden Festspeicher (ROM) 84, einem Daten vorübergehend speichernden Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 86 und einem (nicht gezeigten) Eingangs/Ausgangs-Port versehen. Mit der elektronischen Steuereinheit 80 sind ein in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 angeordneter Pegelmesser 44, ein an dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 angebrachter Drucksensor 45, ein an dem Erwärmungsabschnitt 34 angebrachter Temperatursensor 46, ein an dem Erwärmungsabschnitt 34 angebrachter Drucksensor 47, ein in dem Drucksteuerabschnitt 60 auf der Seite des Kohlenmonoxidreduktionsabschnitts 70 angeordneter Drucksensor 66, ein an dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 angebrachter Temperatursensor 76 und eine elektronische Steuereinheit (ECU) 88, die den Betrieb der Brennstoffgas verbrauchenden Anlage über einen Eingangsport steuert, verbunden. Über den Eingangsport werden der elektronischen Steuereinheit 80 der Pegelstand des reformierten Rohstoffes aus dem Pegelmesser 44, ein Druck P1 aus dem Drucksensor 45, eine Temperatur T1 des verdampften, reformierten Rohstoffes aus dem Temperatursensor 46, ein Druck P2 in dem Erwärmungsabschnitt 34 aus dem Drucksensor 47, ein Druck P3 auf der Seite des Kohlenmonoxidreduktionsabschnitts 70 aus dem Drucksensor 66, eine Temperatur T3 in dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 aus dem Temperatursensor 76, eine Lastanforderung Q* aus der elektronischen Steuereinheit 88, die die Last der Brennstoffgaserzeugung angibt, und dergleichen zugeführt. Darüber hinaus gibt die elektronische Steuereinheit 80 ein Ansteuersignal an die Pumpe 24, ein Ansteuersignal an einen Aktuator 39 des Drucksteuerventils 38, ein Steuersignal an die Heizeinrichtung 40, ein Ansteuersignal an einen Aktuator 63 des Drucksteuerventils 62, ein Ansteuersignal an das Gebläse 68 und dergleichen über einen Ausgangsport aus. Es wird angemerkt, dass die elektronische Steuereinheit 88 die Brennstoffgas verbrauchende Anlage steuert und eine Lastanzeige an die elektronische Steuereinheit 80 übergibt.
  • Nachstehend wird die Wirkungsweise des Wasserstofferzeugungssystems 20, insbesondere die Wirkungsweise des Verdampfungsabschnitts 30, als Antwort auf eine das System beaufschlagende Lastschwankung beschrieben. 2 ist ein Ablaufdiagramm einer Drucksteuerprozessroutine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Diese zeigt einen durch die CPU 82 der elektronischen Steuereinheit 80 ausgeführten Prozess zum Steuern des Drucks in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32. In diesem Ausführungsbeispiel wird diese Routine wiederholt in vorbestimmten Zeitintervallen (beispielsweise alle 100 ms) ausgeführt, nachdem das Wasserstofferzeugungssystem 20 angelaufen ist.
  • Wenn die Drucksteuerprozessroutine begonnen wird, liest die CPU 82 die Lastanforderung Q* aus der elektronischen Steuereinheit 88 aus und subtrahiert die aktuelle Last Q von der Lastanforderung Q*, um eine Lastschwankung ΔQ zu berechnen (Schritte S100 und S102). Darauffolgend subtrahiert die CPU 82 einen durch Multiplizieren der Lastschwankung ΔQ mit einem positiven Gewinn K erhaltenen Wert von einem Solldruck P* in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil bzw. Dampfstrom-Mischteil 32, um einen neuen Solldruck P* festzulegen (Schritt S104). Dann wird die Öffnung des Drucksteuerventils 38 so gesteuert, dass der Druck P1 in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 gleich dem Solldruck P* wird (Schritt S106). Ferner wird die Öffnung des Drucksteuerventils 62 so gesteuert, dass die zu erzeugende Brennstoffgasmenge gleich der Lastanforderung Q* wird (Schritt S108). Dann wird die vorliegende Routine beendet.
  • Da der in Schritt S104 verwendete Gewinn bzw. die Regelverstärkung K ein positiver Wert ist, ist der Solldruck P* klein, wenn die Lastschwankung ΔQ ein positiver Wert ist, und ist der Solldruck P* groß, wenn die Lastschwankung ΔQ ein negativer Wert ist. Die Steuerung erfolgt derart, dass dann, wenn die Last zunimmt, der Druck P1 in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 abnimmt, wohingegen dann, wenn die Last abnimmt, der Druck P2 in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 zunimmt. Die Verdampfungsrate des reformierten Rohstoffs nimmt mit der Verringerung des Drucks in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 zu.
  • Eine solche Steuerung gewährleistet, dass dann, wenn die Last zunimmt, der Druck P1 in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 verringert wird, um dadurch den Siedepunkt des reformierten Rohstoffs zu senken, wodurch eine Zunahme der Dampfmenge des reformierten Rohstoffs unter Verwendung der inneren Energie (Temperatur) des Behälters und des reformierten Rohstoffs erzielt werden kann. Darüber hinaus wird dann, wenn die Last abnimmt, der Druck 21 in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 erhöht, um dadurch den Siedepunkt des reformierten Rohstoffs zu erhöhen, wodurch die Wärme als innere Energie (Temperatur) des Behälters und des reformierten Rohstoffs akkumuliert werden kann. Falls die Öffnung des Drucksteuerventils 38 geändert wird, werden die dem Erwärmungsabschnitt 34 zugeführte Dampfmenge des reformierten Rohstoffs sowie die für die Erwärmung in dem Erwärmungsabschnitt 34 benötigte Wärmemenge geändert. Die Änderung der Wärmemenge in dem Erwärmungsabschnitt 34 ist jedoch relativ klein, weil die Wärmekapazität des Dampfs klein ist. Daher kann die Temperaturänderung des Dampfs in dem reformierten Rohstoff bei einer Lastschwankung auf einen kleinen Wert begrenzt werden.
  • Der Druck in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32, dem Erwärmungsabschnitt 34, dem Reformierungsabschnitt 50 und dem Drucksteuerabschnitt 60 kann optional festgelegt werden. Wenn das erzeugte Brennstoffgas einer Brennstoffzelle zugeführt wird, werden zum Beispiel der Druck in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 des Verdampfungsabschnitts 30 auf etwa 400 kPa bis etwa 700 kPa festgelegt, der Druck in dem Erwärmungsabschnitt 34 des Verdampfungsabschnitts 30 und dem Reformierungsabschnitt 50 auf etwa 200 kPa bis etwa 400 kPa festgelegt, und der Druck in dem Drucksteuerabschnitt 60 auf etwa 150 kPa bis etwa 200 kPa festgelegt.
  • In dem Wasserstofferzeugungssystem 20 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wie vorstehend beschrieben kann die in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 erzeugte Dampfmenge durch Steuern des Drucks P1 in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 schnell erhöht oder verringert werden, wodurch ein schnelles Ansprechen auf eine Lastschwankung ermöglicht wird. Darüber hinaus kann die Größe des Verdampfungsabschnitts 30 verringert werden, da die Drucksteuerung so erfolgt, dass der Druck in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 höher als der des Erwärmungsabschnitts 34 ist.
  • Ferner wird in dem Wasserstofferzeugungssystem 20 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Druckunterschied zwischen dem Reformierungsabschnitt 50 und dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 festgelegt, wodurch das reformierte Gas adiabatisch expandiert wird und die Temperatur des reformierten Gases gesenkt werden kann. Infolgedessen kann die Größe der Ausrüstung zum Kühlen des Kohlenmonoxidreduktionsabschnitts 70 verringert werden. Überdies kann der aus dem Prozess, in welchem eine Erwärmung und eine Abkühlung in ein und derselben Vorrichtung durchgeführt werden, resultierende Energieverlust gesteuert werden.
  • In dem Wasserstofferzeugungssystem 20 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine Heizeinrichtung, die durch Verbrennen von Brennstoff erhaltenes Hochtemperaturverbrennungsgas als Wärmeaustauschmedium verwendet, als Heizeinrichtung 40 eingesetzt. Es kann jedoch jede beliebige Heizeinrichtung verwendet werden, so lange sie den Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 und den Erwärmungsabschnitt 34 erwärmen kann. Beispielsweise kann ohne irgendwelche Probleme eine elektrische Heizeinrichtung verwendet werden.
  • Obwohl der Verdampfungsabschnitt 30 gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine Vorrichtung zum Erzeugen von Dampf eines reformierten Rohstoffs in dem Wasserstofferzeugungssystem 20 beschrieben wird, ist der zu erzeugende Dampf nicht auf den Dampf des reformierten Rohstoffs beschränkt. Der Verdampfungsabschnitt 30 kann auf Vorrichtungen angewandt werden, die Dampf eines beliebigen Stoffes bzw. Materials erzeugen.
  • Nachstehend wird eine vereinfachte Struktur eines Fahrzeugs als ein zweites Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine erklärende Ansicht gemäß 3 beschrieben. Das Fahrzeug wird mittels sich drehender Räder 124R und 124L, die durch die Antriebskraft eines Motors 123 unter Verwendung einer Brennstoffzelle 120 und einer Batterie 121 als Leistungsquellen angetrieben werden, in Bewegung versetzt. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine mit fester Polymer arbeitende Brennstoffzelle verwendet, obwohl auch verschiedene andere Ausführungsformen eingesetzt werden können.
  • In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Synchronmotor als Motor 123 verwendet. Der Motor 123 wird durch einen aus Gleichstrom, der aus der Brennstoffzelle 120 und der Batterie 121 erhalten wird, mittels Umwandlung erzeugten Dreiphasen-Wechselstrom durch eine Ansteuerschaltung 122 angetrieben. Als Ansteuerschaltung 122 kann beispielsweise ein Transistorinverter verwendet werden. Die Hauptleistungsquelle des Motors 123 ist die Brennstoffzelle 120, wobei die Batterie 121 dazu genutzt wird, die Ansprechverzögerung der von der Brennstoffzelle 120 zugeführten Leistung und dergleichen zu kompensieren. Der Motor 123 kann durch Nutzen der kinetischen Energie des Fahrzeugs als Leistung während eines Bremsvorgangs regeneriert werden. Die Batterie 121 wird in geeigneter Art und Weise mit dieser regenerierten Leistung und durch die Brennstoffzelle 120 geladen.
  • Der Brennstoffzelle 120 zugeführter Wasserstoff wird durch ein bordeigenes, an dem Fahrzeug angebrachtes Wasserstofferzeugungssystem erzeugt. Das Wasserstofferzeugungssystem erzeugt auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 Wasserstoff durch Umformung eines flüssigen Rohstoffs unter der Steuerung einer Steuereinheit 100. In diesem Ausführungsbeispiel wird Methanol als Rohstoff dampfumgeformt. Das System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann anstelle des beispielhaft in 3 dargestellten Systems verbaut werden.
  • Der flüssige Rohstoff, das heißt eine Mischlösung aus Methanol und Wasser, wird in einem Rohstofftank 111 gespeichert und über ein Ventil 112 einem Verdampfungsabschnitt 110 zugeführt. Die zuzuführende Menge wird durch die Öffnung des Ventils 112 reguliert. In dem Verdampfungsabschnitt 110 wird der flüssige Rohstoff erwärmt und vergast. Die Erwärmung erfolgt durch Verbrennen entflammbarer Komponenten in Anodenaustrittsgas, welches von der Anode der Brennstoffzelle 120 abgegeben wird. Der Betrieb des Verdampfers wird durch Regulieren der Zufuhrmenge des Anodenaustrittsgases durch ein in der Mitte einer Austrittsgasleitung angeordnetes Durchflusssteuerventil 113 gesteuert.
  • Der in dem Verdampfungsabschnitt 110 vergaste Rohstoff wird einer Umformungseinheit 114 zugeführt. Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Umformungseinheit 114 eine Einheit, die einen Katalysator zum Dampfreformieren des Rohstoffs beherbergt. Der Rohstoff wird hier dampfreformiert, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes reformiertes Gas zu erzeugen.
  • Das reformierte Gas wird einer Kohlenmonoxid- bzw. CO-Reinigungseinheit 115 zugeführt. Die CO-Reinigungseinheit 115 ist eine Einheit, welche die Konzentration von Kohlenmonoxid verringert und einen Katalysator beherbergt, der auf dieselbe Art und Weise wie in dem ersten Ausführungsbeispiel Kohlenmonoxid selektiv oxidiert. Ein zum Kühlen des reformierten Gases auf eine für die Oxidationsreaktion geeignete Temperatur verwendeter Wärmetauscher und eine zum Zuführen von für die Oxidationsreaktion benötigter Luft verwendete Vorrichtung sind in der Figur weggelassen.
  • Das durch die selektive Oxidationsreaktion prozessierte Gas wird der Anodenseite der Brennstoffzelle 120 als Brennstoffgas bzw. Heizgas zugeführt. Ein Durchflusssteuerventil 116 ist zwischen der CO-Reinigungseinheit 115 und der Brennstoffzelle 120 angeordnet. Das Durchflusssteuerventil 116 reguliert die Zufuhrmenge des Brennstoffgases und arbeitet als Druckregulator, welcher den inneren Druck in dem Verdampfungsabschnitt 110 zu der CO-Reinigungseinheit 115 bzw. zwischen diesen reguliert.
  • In diesem Ausführungsbeispiel steuert die Steuereinheit 100 das Wasserstofferzeugungssystem so, dass das Wasserstofferzeugungssystem Wasserstoff entsprechend dem Antriebskraftbedarf des Fahrzeugs erzeugt. Diese Steuerung beinhaltet die Steuerung der zuzuführenden Rohstoffmenge, die Steuerung der Wärmemenge in dem Verdampfungsabschnitt 110, und die Drucksteuerung in dem Wasserstofferzeugungssystem. Um diese Steuerungen zu erzielen, werden Signale aus verschiedenen Sensoren in die Steuereinheit 100 geleitet. In der Figur sind Signale von einem zum Erfassen des Öffnungsgrads des Gaspedals verwendeten Gaspedalpositionssensor 103, einem zum Erfassen der Temperatur der Umformungseinheit 114 verwendeten Temperatursensor 101 und einem zum Erfassen des Drucks in dem Verdampfungsabschnitt 110 zu der CO-Reinigungseinheit 115 verwendeten Drucksensor 102 gezeigt. Andere Signale sind in der Figur weggelassen, um eine Komplizierung der Figur zu vermeiden.
  • 4 ist ein Ablaufdiagramm eines Betriebssteuerprozesses. Die Figur zeigt einen Prozess, welcher durch die Steuereinheit 100 wiederholt in vorbestimmten Intervallen ausgeführt wird. Wenn dieser Prozess begonnen wird, werden die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Öffnungsgrad des Gaspedals der Steuereinheit 100 zugeleitet (Schritt S200). Weil der Öffnungsgrad des Gaspedals dem von einem Fahrer angeforderten Drehmoment entspricht, kann die Antriebskraft (nachstehend als Fahrantriebskraft bezeichnet), die zum Fahren benötigt wird, auf der Grundlage dieser Eingangssignale bestimmt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Fahrantriebskraft durch eine die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und dem Öffnungsgrad des Gaspedals zeigende Tabelle erhalten.
  • Sodann berechnet die Steuereinheit 100 einen Antriebskraftbedarf Pdrv für die Brennstoffzelle 120 (Schritt S102). Zusätzlich zu der Fahrantriebskraft werden von der Brennstoffzelle 120 eine Antriebskraft zum Laden und Entladen der Batterie 121 sowie eine Antriebskraft zum Antreiben von Hilfsvorrichtungen wie beispielsweise einer Hydraulikpumpe benötigt. Der Antriebskraftbedarf ist ein positiver Wert, wenn die Batterie 121 geladen wird, und ein negativer Wert, wenn die Batterie 121 entladen wird. Der Antriebskraftbedarf Pdrv wird unter Berücksichtigung dieser Antriebskräfte und des Energieübertragungswirkungsgrads festgelegt.
  • Wenn der Antriebskraftbedarf Pdrv festgelegt ist, wird ein Sollstrom Ifc der Brennstoffzelle 120 auf der Grundlage des festgelegten Antriebskraftbedarfs eingestellt (Schritt S204). Der Sollstrom Ifc wird unter Berücksichtigung des Antriebskraftbedarfs Pdrv und der Ausgangskennlinien der Brennstoffzelle 120 festgelegt. In der Figur ist die Ausgangskennlinie der Brennstoffzelle 120, das heißt eine Spannungs-Strom-Kennlinie, die der Brennstoffzelle eine Ausgabe ermöglicht, gezeigt. Die Ausgabe der Brennstoffzelle 120 wird durch das Produkt aus der Spannung und dem Strom bestimmt. Daher wird der Sollstrom Ifc zum Erzielen des Antriebskraftbedarfs Pdrv aus dem Schnittpunkt der Gleichleistungslinie und dem Ausgangskennlinienverlauf des Antriebskraftbedarfs Pdrv erhalten.
  • Die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 120 korreliert mit der ihr zuzuführenden Wasserstoffmenge. Die Steuereinheit 100 legt einen Wasserstoffbedarf Fh zum Erzielen des Sollstroms Ifc auf der Grundlage dieser Korrelation fest (Schritt S206). Diese Festlegung kann auch auf der Grundlage einer die Beziehung zwischen dem Wasserstoffbedarf Fh und dem Sollstrom Ifc speichernden Tabelle erfolgen. In diesem Ausführungsbeispiel jedoch wird der Wasserstoffbedarf auf der Grundlage der nachstehenden Formel bestimmt: Fh = Ifc × N/(2 × F)/η worin
    N die Anzahl der in der Brennstoffzelle 120 vorhandenen Zellen ist,
    F die Faraday-Konstante ist, und
    η der Nutzungsfaktor von Wasserstoff (der Anteil von für die Erzeugung von Elektrizität verwendetem Wasserstoff in einer Einheitswasserstoffmenge) ist.
  • Die Steuereinheit 100 führt die Steuerung des Wasserstofferzeugungssystems, um den auf die vorstehende Art und Weise festgelegten Wasserstoffbedarf Fh zu erreichen (Schritt S208), die Steuerung der Erzeugung von Elektrizität in der Brennstoffzelle zum Erzeugen von Elektrizität in Übereinstimmung mit der Mengenbedingung (Schritt S210), und die Steuerung des Betriebs des Motors zur Ausgabe von Fahrantriebskraft (Schritt S212) aus.
  • 5 ist ein Ablaufdiagramm eines Wasserstofferzeugungssteuerprozesses. Dieses Ablaufdiagramm entspricht Einzelheiten des Schritts S208 gemäß 4. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Betriebsablauf durch geeignete Verwendung verschiedener Betriebsarten, im Einzelnen einer Anlaufbetriebsart, einer Übergangsbetriebsart und einer Normalbetriebsart, entsprechend Betriebsbedingungen des Wasserstofferzeugungssystems gesteuert.
  • Wenn der Prozess begonnen wird, werden die dem T der Umformungseinheit 114 und der Druck P in dem Wasserstofferzeugungssystem als Parameter zum Umschalten der Steuerbetriebsart in die Steuereinheit 100 geleitet. Jeder Wert wird durch die in 3 gezeigten Sensoren 101 und 102 erfasst.
  • Die richtige Verwendung dieser Steuerbetriebsarten auf der Grundlage dieser Parameter ist wie folgt. Wenn die Temperatur T der Umformungseinheit 114 gleich einer vorbestimmten Temperatur Tst oder niedriger ist (Schritt S302), wird entschieden, dass das Wasserstofferzeugungssystem nicht warm ist, das heißt sich im Verlauf eines Anlaufvorgangs befindet, und das System in der Anlaufbetriebsart gesteuert (Schritt S306). In dem Fall, in dem die Temperatur T der Umformungseinheit 114 die vorbestimmte Temperatur Tst übersteigt und der Druck P in dem Wasserstofferzeugungssystem einen vorbestimmten Druck Pst überschreitet (Schritte S302 und S304), wird entschieden, dass der Aufwärmuorgang beendet ist und eine ausreichende Menge reformierten Gases erzeugt wird. Dann wird die Normalbetriebsart (Schritte S310 und S312) angewandt. In dem Fall, in dem die Temperatur T die vorbestimmte Temperatur Tst übersteigt, der Druck P jedoch gleich dem Druck Pst oder niedriger ist (Schritte S302 und S304), wird entschieden, dass sich das System in dem Zustand kurz nach Beginn der Erzeugung reformierten Gases befindet, und wird die Übergangsbetriebsart angewandt. Da diese vorbestimmten Werte Tst und Pst Kriterien für die Umschaltung jeder Betriebsart ist, können diese Werte durch Versuche oder dergleichen in jedem System jeweils auf einen geeigneten Wert gesetzt werden.
  • Nachstehend wird die Verarbeitung in jeder Betriebsart beschrieben. Es wird angemerkt, dass die Zufuhr des Rohstoffs und die Erwärmungssteuerung des Verdampfungsabschnitts 110 in jeder Steuerbetriebsart zusammen durchgeführt werden, obwohl dies in dem Ablaufdiagramm nicht gezeigt ist.
  • In der Anlaufbetriebsart wird das Durchflusssteuerventil 116 in einen geöffneten Zustand gebracht (Schritt S306). Bei dem Anlaufen des Systems schreitet die Reformierungsreaktion nicht ausreichend fort, so dass daher nicht ausreichend reformiertes Gas erzeugt wird. In diesem Zustand kann dann, wenn die Absicht besteht, den Druck P in dem System durch eine Regelung auf dem vorbestimmten Solldruckwert zu halten, das Durchflusssteuerventil 116 zu stark begrenzt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird zur Vermeidung dieses Problems in der Anlaufbetriebsart eine Steuerung mit offenem Regelkreis verwendet und das Durchflusssteuerventil 116 in einem Beispiel geöffnet.
  • In der Anlaufbetriebsart können nicht nur der in dem Ausführungsbeispiel beispielhaft beschriebene Prozess, sondern verschiedene Steuerungen angewandt werden, die es ermöglichen zu vermeiden, dass das Durchflusssteuerventil 116 in einen zu stark begrenzten Zustand gerät. Als eine erste Steuereinrichtung kann zum Beispiel das Durchflusssteuerventil 116 in einen Zustand gesteuert werden, der sich von einem offenen Zustand unterscheidet. Darüber hinaus kann als eine zweite Steuereinrichtung eine Regelung angewandt werden, die es ermöglicht, das Ausmaß der Begrenzung des Durchflusssteuerventils 116 zu unterdrücken. Als die zweite Steuereinrichtung kann beispielsweise ein Verfahren, in welchem der Drucksollwert auf einen relativ niedrigen, zum Anlaufen geeigneten Wert festgelegt wird, angewandt werden, oder kann ein Verfahren, in welchem ein oberer Grenzwert für das Ausmaß der Begrenzung des Durchflusssteuerventils 116 gegeben wird, angewandt werden.
  • In der Anlaufbetriebsart kann eine Betriebsart verwendet werden, die unter der Voraussetzung, dass die Ansprechgeschwindigkeit des Durchflusssteuerventils 116 gewährleistet ist, eine Begrenzung des Ventils erlaubt. Beispielsweise wird eine Proportional-Integral(PI)-Regelung angewandt und kann in der Anlaufbetriebsart der Gewinn bzw. die Verstärkung des Integralausdrucks stärker als in den anderen Betriebsarten verringert oder vernachlässigt werden. infolgedessen kann das Durchflusssteuerventil schnell geöffnet werden, kurz nachdem die Reformierungsreaktion begonnen hat.
  • In der Normalbetriebsart wird der Druck P in dem System rückgekoppelt gesteuert. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Drucksollwert nicht auf einen für die Reformierungsreaktion geeigneten festen Wert festgelegt, sondern in Übereinstimmung mit dem Wasserstoffbedarf Eh eingestellt.
  • Demgemäß wird in der Normalbetriebsart der Wasserstoffbedarf Fh der Steuereinheit 100 (Schritt S310) zugeführt, und legt auf der Grundlage dieses Eingangssignals die Steuereinheit 100 den Solldruck P* in Übereinstimmung mit der folgenden Formel fest (Schritt S312): P* = L–1: {K.s/(αs + 1) × Fh} + P0 worin
    K, α Koeffizienten sind (K < 0),
    s eine Variable ist dann, wenn eine Zeitfunktion t mittels der Laplace-Transformation verarbeitet wird,
    P0 ein Normaldruckwert (beispielsweise 1 atm) ist, und
    L–1 ein Operator für die inverse Laplace-Transformation ist.
  • Diese Gleichung bedeutet, dass der Solldruck P* eine Funktion ist, in welcher ein Korrekturterm in Abhängigkeit von dem Zeitdifferential des Wasserstoffbedarfs zu dem Druckwert P0 als Basis addiert wird.
  • Um Funktionen mit derselben physikalischen Bedeutung anzugeben, kann der Solldruck P* unter Verwendung der folgenden Funktion festgelegt werden: P* = K1.ΔFh + P0 worin
    K1 die Regelverstärkung ist (< 0), und
    ΔFh die Zeitdifferenz bzw. das Zeitdifferential von Fh ist.
  • In dem Fall, in dem eine der vorstehenden Gleichungen zur Festlegung des Solldrucks P* verwendet wird, wird dann, wenn der Wasserstoffbedarf zunimmt, der Solldruck P* in Übereinstimmung mit der Änderungsrate bzw. Änderungsgeschwindigkeit des Wasserstoffbedarfs niedriger als der Normaldruckwert 20.
  • Demgegenüber wird dann, wenn der Wasserstoffbedarf abnimmt, der Solldruck P* in Übereinstimmung mit der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs höher als der Normaldruckwert 20. Da der Korrekturausdruck von der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs Fh abhängt, nähert sich der Solldruck P* mit der Zeit dem Normaldruck an, nachdem der Wasserstoffbedarf Fh erhöht oder verringert ist.
  • In dem Korrekturausdruck können andere Parameter, die in Korrelation mit der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs Fh stehen, anstelle der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs Fh verwendet werden. Als Beispiele dieser Parameter werden die Änderungsrate des Öffnungsgrads eines Gaspedals und des Antriebskraftbedarfs Pdrv genannt.
  • Die Steuereinheit 100 führt die Proportional-Integral(PI)-Steuerung des Drucks aus, um den auf diese Art und Weise festgelegten Solldruck P* zu erreichen (Schritt S314). Die Proportional-Integral(P1)-Regelung ist eine rückgekoppelte Steuerung, unter der die Öffnung des Durchflusssteuerventils 116 auf der Grundlage der Summe eines Proportionalausdrucks, der durch Multiplizieren einer Abweichung zwischen dem Solldruck und dem aktuellen Druck mit einer Regelverstärkung erhalten wird, und eines Integralausdrucks, der durch Multiplizieren des Integralwerts der Abweichung mit der Regelverstärkung erhalten wird, festgelegt wird. Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel nur der Proportionalausdruck und der Integralausdruck verwendet werden, kann bedarfsweise ein Differentialausdruck hinzugezogen werden.
  • Die Übergangsbetriebsart ist eine Steuerbetriebsart, welche während des Übergangs von der Anlaufbetriebsart zu der Normalbetriebsart angewandt wird. Der Druck P in dem System wird auf dieselbe Art und Weise wie in der Normalbetriebsart rückgekoppelt gesteuert. Der Solldruck P* wird jedoch auf der Grundlage einer festen Funktion unabhängig von dem Wasserstoffbedarf Fh unter Berücksichtigung des Punkts, dass sich das System in dem Übergangszustand befindet, in dem der Druck nicht ausreichend erhöht ist, festgelegt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Solldruck P* mit verstreichender Zeit nach dem Übergang aus der Anlaufbetriebsart mit einer gleichbleibenden Änderungsrate von 0 bis Pst erhöht. Der Solldruck P* kann schrittweise erhöht werden, oder kann auf einen relativ niedrigen konstanten Wert festgelegt werden. Die Steuereinheit 100 steuert den Druck mittels der PI-Steuerung auf dieselbe Art und Weise wie in der Normalbetriebsart auf der Grundlage des auf diese Weise festgelegten Solldrucks P* (Schritt S314).
  • Die Übergangsbetriebsart ist eine Betriebsart, welche angewandt wird, um durch zu starke Betätigung des Durchflusssteuerventils 116 während des Übergangs in die Normalbetriebsart verursachte Probleme zu unterdrücken. Daher können verschiedene Steuerbetriebsarten, welche nicht nur die Betriebsvariablen, sondern auch die Druckänderungsrate in dem System während des Übergangs unterdrücken, auf die Übergangsbetriebsart angewandt werden. Zum Beispiel kann der obere Grenzwert des Solldrucks oder der Änderungsrate des Solldrucks in derselben Betriebsart (Schritt S312) wie der Normalbetriebsart bzw. auf dieselbe Weise (Schritt S312) wie in der Normalbetriebsart beschränkt werden. Um eine plötzliche Änderung des Solldrucks zu vermeiden, kann eine sogenannte ”Glättungsbehandlung” in der Berechnung in Schritt S312 angewandt werden. Als Glättungsbehandlung kann ein Verfahren, in weichem ein Mittelwert des berechneten Solldrucks und der Solldruck in dem letzten Zeitschritt als Solldruck P* festgelegt werden, verwendet werden.
  • 6A, 6B, 6C und 6D sind Zeitdiagramme, die eine Druckänderung und dergleichen auf der Basis eines Wasserstofferzeugungssteuerprozesses gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigen. 6A bis 6D zeigen jeweils eine Änderung der Temperatur der Umformungseinheit 114, des Antriebskraftbedarfs Pdrv, des Solldrucks P* und des Drucks P in dem System.
  • Es sei angenommen, dass der Betrieb des Wasserstofferzeugungssystems zu einer Zeit t0 beginnt. Zu diesem Zeitpunkt ist das System nicht warm und die Temperatur T daher niedrig. Während eines Zeitraums bis zu der Zeit t1, zu der die Temperatur T die vorbestimmte Temperatur Tst übersteigt, wird das System in der Anlaufbetriebsart gesteuert. In diesem Intervall befindet sich das Fahrzeug in einem Zustand, in welchem es sich nicht in Bewegung setzen kann und die Antriebskraftanforderung Pdrv des Fahrers 0 ist. Darüber hinaus ist auch der Solldruck P* 0, weil die Steuerung mit offenem Regelkreis angewandt wird (Schritt S306 in 5). Der Druck Q schwankt unabhängig von der Steuerung und ist daher in der Figur weggelassen.
  • Wenn die Zeit die Zeit t1 erreicht und die Temperatur T die vorbestimmte Temperatur Tst übersteigt, wird die Steuerung in die Übergangsbetriebsart überführt. Zu diesem Zeitpunkt ist Fahren möglich und wird die Antriebskraftanforderung Pdrv zugeführt. Der Solldruck P* steigt in Übereinstimmung mit dem Prozess von Schritt S308 gemäß 5 mit gleichbleibender Änderungsrate auf den Druck Pst an. Wie bereits beschrieben wurde, ist der Solldruck P* in der Übergangsbetriebsart nicht auf ein derartiges Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es können eine Vielzahl von Einstellungen verwendet werden. Mit einer Zunahme des Solldrucks P* durch die rückgekoppelte Steuerung steigt der Druck P langsam an.
  • Wenn die Zeit die Zeit t2 erreicht und der Druck P den vorbestimmten Druck Pst übersteigt, wird die Steuerung in die Normalbetriebsart überführt. In der Normalbetriebsart werden der Solldruck P* sowie der Druck P konstant (Normaldruckwert), während der Antriebskraftbedarf Pdrv ein konstanter Wert ist (zum Beispiel das Zeitintervall zwischen der Zeit t2 und der Zeit t3 in der Figur). In 6 ist beispielhaft der Fall dargestellt, in dem der Normaldruckwert gleich dem Druck Pst ist. Es ist jedoch unerheblich, wenn sie verschiedene Werte sind.
  • Es sei nun angenommen, dass der Antriebskraftbedarf Pdrv vorübergehend in dem Intervall zwischen der Zeit t3 und der Zeit t4 ansteigt. Zur Zeit t3 ändert sich nicht nur der Antriebskraftbedarf Pdrv, sondern ändert sich auch der Wasserstoffbedarf Fh, so dass der Solldruck P* in Übereinstimmung mit dieser Änderung schwankt. Der Solldruck P* nimmt in der Nähe der Zeit t3 ab, zu der der Wasserstoffbedarf Fh zunimmt und mit der Zeit auf den Normaldruckwert zurückkehrt. Der Solldruck P* nimmt in der Nähe der Zeit t4 zu, zu der der Wasserstoffbedarf Fh abnimmt und mit der Zeit auf den Normaldruckwert zurückkehrt. Jeder Druck F schwankt in Übereinstimmung mit dem Solldruck P*.
  • Das Wasserstofferzeugungssystem gemäß dem vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel hat die folgenden Vorteile. Zunächst kann in der Normalbetriebsart die Ansprechgeschwindigkeit der Erzeugung von Wasserstoff durch Steuern des Drucks auf der Grundlage der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs Fh verbessert werden. Dieser Vorteil tritt insbesondere dann ein, wenn der Wasserstoffbedarf Fh zunimmt.
  • 7A und 7B sind Diagramme, die die Ergebnisse eines Versuchs hinsichtlich Schwankungen in der Strömungsrate des reformierten Gases zeigen. Der Wasserstoffbedarf, das heißt der Sollwert der Strömungsrate des reformierten Gases, ist durch die Kurve CO dargestellt. Die Änderung bei Anwendung der in dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten Steuerung, das heißt die Steuerung, bei der der Druck in Übereinstimmung mit der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs abnimmt, ist durch die Kurve C2 dargestellt. Die Änderung dann, wenn der Solldruck unabhängig von der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs konstant gehalten wird, ist durch die Kurve C1 gezeigt.
  • Dieselbe Druckschwankung wie die in der Nähe der Zeit t3 gemäß 6D gezeigte wird in der Nähe der Zeit, zu der der Wasserstoffbedarf akut zunimmt, das heißt in Bereich A, beobachtet. Wenn der Druck verringert wird, wird die Verdampfung des Rohstoffs in dem Verdampfungsabschnitt 110 gefördert. Die Umformungsrate kann durch Verbessern der Geschwindigkeit der Verdampfung entsprechend dem Ratenbestimmungsschritt einer Reformierungsreaktion verbessert werden. Ein solches Prinzip gewährleistet, wie 6A bis 6D entnehmbar ist, dass die Ansprechgeschwindigkeit der Wasserstofferzeugung durch Anwenden der Steuerung in dem Ausführungsbeispiel stark verbessert werden kann. Obwohl in 7A und 7B die experimentellen Ergebnisse des Falls dargestellt sind, in dem der Wasserstoffbedarf zunimmt, ermöglicht es die Steuerung gemäß diesem Ausführungsbeispiel nach demselben Prinzip, die Erzeugung von Wasserstoff auch in dem Fall schnell zu unterdrücken, in dem der Wasserstoffbedarf abnimmt.
  • Die Steuerung gemäß diesem Ausführungsbeispiel bietet auch den Vorteil, dass eine plötzliche Druckänderung durch die geeignete Verwendung unterschiedlicher Betriebsarten unterdrückt werden kann. Eine zu starke Begrenzung des Durchflusssteuerventils kann durch Anwenden der Anlaufbetriebsart und der Übergangsbetriebsart vermieden werden. Demgemäß kann eine plötzliche Druckänderung vermieden werden, die durch die Verzögerung der Steuerung des Durchflusssteuerventils kurz nachdem die Erzeugung des reformierten Gases begonnen hat verursacht wird. Darüber hinaus können die Kondensation des Rohstoffs und eine durch Kondensation verursachte Verringerung der Aktivität des Katalysators durch Anwenden der Anlaufbetriebsart zum Aufrechterhalten eines relativ niedrigen Drucks in der Umformungseinheit 114 unterdrückt werden.
  • In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird beispielhaft der Fall dargestellt, in dem der Solldruck P* in Übereinstimmung mit der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs Fh festgelegt wird. Unterdessen kann der Solldruck P* auch in Übereinstimmung mit dem. Wasserstoffbedarf Fh festgelegt werden. Zum Beispiel wird die folgende Gleichung zur Einstellung des Zieldrucks P* verwendet: P* = K2.ΔFh + P0 worin
    K2 die Regelverstärkung ist, und
    ΔFh die Zeitdifferenz bzw. das Zeitdifferential von Fh ist.
  • Falls der Solldruck P* auf diese Art und Weise festgelegt wird, schwankt der Solldruck P* wie durch die durchbrochene Linie in 6C gezeigt. Auch mit dieser Einstellung kann nicht nur die Verdampfung, sondern auch eine Reformierungsreaktion durch Verringern des Drucks P verbessert werden, wenn der Wasserstoffbedarf Fh groß ist. Es wird angemerkt, dass Parameter wie beispielsweise der Öffnungsgrad eines Gaspedals und ein Antriebskraftbedarf, die jeweils eine Korrelation mit dem Wasserstoffbedarf Fh aufweisen, anstelle des Wasserstoffbedarfs Fh ebenfalls möglich sind.
  • In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Fall aufgezeigt, in welchem der Druck P sowohl variieren darf, wenn der Wasserstoffbedarf zunimmt, als auch variieren darf, wenn der Wasserstoffbedarf abnimmt. Demgegenüber kann der Druck P nur geändert werden, wenn der Wasserstoffbedarf zunimmt. In einem solchen Fall tritt eine Druckschwankung in der Nähe der Zeit t3 gemäß 6D auf, während eine Druckschwankung in der Nähe der Zeit t4 nicht auftritt.
  • In diesem Ausführungsbeispiel wird der Druck unter Verwendung des stromab der CO-Reinigungseinheit 115 angeordneten Durchflusssteuerventils 116 gesteuert. Demgegenüber kann der Druck zwischen der Umformungseinheit 114 und der CO-Reinigungseinheit 115, zwischen dem Verdampfungsabschnitt 110 und der Umformungseinheit 114 oder innerhalb des Verdampfungsabschnitts 110 gesteuert werden.
  • In diesem Ausführungsbeispiel wird die Steuerbetriebsart unter Verwendung der Temperatur T und des Drucks P umgeschaltet. Eine Festlegung kann auf der Grundlage der Strömungsrate des von der CO-Reinigungseinheit 115 ausgegebenen Gases oder der Menge einer bestimmten Komponente, wie beispielsweise der Menge von Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, in dem Gas anstelle der vorstehend erwähnten Parameter erfolgen.
  • In sowohl dem ersten als auch dem zweiten Ausführungsbeispiel wird beispielhaft das zum Reformieren von Methanol verwendete System beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch als System aufgebaut sein, welches andere Kohlenwasserstoff-Rohmaterialien reformiert. Die Erfindung kann beispielsweise für ein System genutzt werden, welches Benzin oder andere Kohlenwasserstoffe reformiert. Wenn Benzin oder dergleichen umgeformt wird, wird bevorzugt eine für eine Schiebereaktion zwischen der Umformungseinheit 114 und der CO-Reinigungseinheit 115 verwendete Einheit angeordnet. Hierbei bedeutet die Schiebereaktion eine Reaktion zum Erzeugen von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Kohlenmonoxid und Wasser.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit (ECU 80, 100) als ein programmierter Vielzweckcomputer implementiert. Für den Fachmann ist ohne weiteres ersichtlich, dass die Steuereinrichtung unter Verwendung einer einzelnen speziellen integrierten Schaltung (beispielsweise eines ASICs) mit einem Haupt- oder Zentralprozessorabschnitt für die gesamte Steuerung auf Systemebene und separater Abschnitte, die zum Durchführen zahlreicher unterschiedlicher bestimmter Berechnungen, Funktionen und anderer Prozesse unter der Steuerung des Zentralprozessorabschnitts dediziert sind, implementiert werden kann. Die Steuereinrichtung kann aus einer Vielzahl separater dedizierter oder programmierter integrierter oder anderer elektronischer Schaltungen oder Einrichtungen (beispielsweise festverdrahteter Elektronik oder logischen Schaltungen wie etwa Schaltungen aus diskreten Elementen, oder programmierbaren logischen Einrichtungen wie etwa PLDs, PLAs, PALs oder dergleichen) bestehen. Die Steuereinrichtung kann unter Verwendung eines geeigneten Vielzweckcomputers, beispielsweise eines Mikroprozessors, Mikrocontrollers oder anderen Prozessoreinrichtungen (CPU oder MPU), entweder für sich allein oder in Verbindung mit einer oder mehreren peripheren Daten- und Signalverarbeitungseinrichtungen (beispielsweise integrierten Schaltungen) implementiert sein. Allgemein kann jede beliebige Einrichtung oder Anordnung von Einrichtungen, auf der eine finite Zustandsmaschine zur Implementierung der hierin beschriebenen Prozeduren in der Lage ist, als Steuereinrichtung bzw. Controller verwendet werden. Eine verteilt verarbeitende Architektur kann für maximale Daten/Signal-Verarbeitungsfähigkeit und Geschwindigkeit verwendet werden.
  • Vorstehend wurde somit ein System vorgeschlagen, welches einen flüssigen Rohstoff in einem Verdampfungsabschnitt 30 verdampft und den verdampften Rohstoff in einem Reformierungsabschnitt 50 dampfreformiert, um Wasserstoff zu erzeugen. Ein Drucksteuerventil 38 zum Regeln des Drucks in dem Verdampfungsabschnitt 30 ist irgendwo nach dem Verdampfungsabschnitt 30 stromab zu dem Refermierungsabschnitt 50 hin angeordnet. Wenn der Wasserstoffbedarf zunimmt, wird das Drucksteuerventil 38 so gesteuert, dass der Druck in dem Verdampfungsabschnitt 30 abnimmt. Die Druckverringerung ermöglicht es, die Verdampfung in dem Verdampfungsabschnitt 30 derart zu fördern, dass die Dampferzeugungsrate verbessert werden kann. Darüber hinaus wird während des Anlaufens des Systems die Steuerbetriebsart so geändert, dass das Drucksteuerventil 38 geöffnet wird, wodurch die Geschwindigkeit des Druckanstiegs kurz nach dem Beginn der Erzeugung reformierten Gases begrenzt wird.

Claims (24)

  1. Wasserstofferzeugungssystem zur Erzeugung wasserstoffreichen Gases durch Reformieren einer Rohstoffflüssigkeit mit: einem Verdampfungsabschnitt (30; 110) zur Verdampfung der Rohstoffflüssigkeit; einem Reformierungsabschnitt (50; 114) zur Reformierung des durch den Verdampfungsabschnitt (30) gelieferten Dampfs, gekennzeichnet durch eine Drucksteuereinrichtung (38, 62; 116) zum Regeln eines Drucks in dem Verdampfungsabschnitt; und eine Steuereinrichtung (80; 100), die zum Steuern der Drucksteuereinrichtung (38, 62) auf der Grundlage eines Dampfmengenbedarfs für die Erzeugung von Wasserstoff derart angepasst ist, dass der Druck in dem Verdampfungsabschnitt (30; 110) in Übereinstimmung mit einer Erhöhung des Dampfmengenbedarfs und/oder einer Erhöhung der Änderungsrate des Dampfmengenbedarfs verringert wird oder der Druck in dem Verdampfungsabschnitt (30; 110) in Übereinstimmung mit einer Abnahme des Dampfmengenbedarfs und/oder einer Abnahme der Änderungsrate des Dampfmengenbedarfs erhöht wird.
  2. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksteuereinrichtung (38) in dem Verdampfungsabschnitt (32, 34) angeordnet ist.
  3. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 2, wobei der Verdampfungsabschnitt (30) einen Dampferzeugungsabschnitt (32), welchem die Rohstoffflüssigkeit zugeführt wird und der ein Zweiphasensystem aus einem gasförmigen Anteil und einem flüssigen Anteil der Rohstoffflüssigkeit ausbildet, und einen Dampferwärmungsabschnitt (34) aufweist, der mit dem gasförmigen Anteil des Dampferzeugungsabschnitts (32) verbunden ist und der den gasförmigen Anteil der Rohstoffflüssigkeit erwärmt; wobei die Drucksteuereinrichtung (38, 62) den Druck in dem Dampferzeugungsabschnitt (32) regelt.
  4. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 3, wobei die Drucksteuereinrichtung (38) an einem Verbindungsabschnitt (36) des Dampferzeugungsabschnitts (32) und des Dampferwärmungsabschnitts (34) angeordnet ist.
  5. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei die Drucksteuereinrichtung (62) stromabwärts des Verdampfungsabschnitts (32, 34) angeordnet ist.
  6. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 5, wobei die Drucksteuereinrichtung (62) stromabwärts des Reformierungsabschnitts (50) angeordnet ist.
  7. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 5, wobei der Reformierungsabschnitt folgendes aufweist: eine erste Einheit (50) zum Erzeugen von durch eine Reformierungsreaktion des Rohstoffs reformiertem und Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendem Gas; und eine zweite Einheit (70) stromabwärts der ersten Einheit, zur Verringerung des erzeugten Kohlenmonoxidgehalts; wobei die Drucksteuereinrichtung (62) zwischen der ersten Einheit (50) und der zweiten Einheit (70) angeordnet ist.
  8. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei die Drucksteuereinrichtung (38, 62) ein Druckregelventil oder ein Durchflussmessventil ist.
  9. Verfahren zur Steuerung eines Wasserstofferzeugungssystem zur Erzeugung wasserstoffreichen Gases durch Reformieren einer Rohstoffflüssigkeit, mit einem Verdampfungsabschnitt (30; 110) zur Verdampfung der Rohstofflüssigkeit, einem Reformierungsabschnitt (50; 114) zum Reformieren des Rohstoffs, einer Drucksteuereinrichtung (38, 62; 116) zum Regeln eines Drucks in dem Reformierungsabschnitt (114); und einer Steuereinrichtung (80; 100), dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in dem Verdampfungsabschnitt (30; 110) in Übereinstimmung mit einer Erhöhung des Dampfmengenbedarfs und/oder einer Erhöhung der Änderungsrate des Dampfmengenbedarfs verringert wird oder in Übereinstimmung mit einer Abnahme des Dampfmengenbedarfs und/oder einer Abnahme der Änderungsrate des Dampfmengenbedarfs erhöht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Drucksteuereinrichtung (116) mittels einer ersten Steuerbetriebsart, in welcher der Druck in dem Reformierungsabschnitt (114) zu einem vorbestimmten Solldruck wird, und mittels einer zweiten Steuerbetriebsart gesteuert wird, die sich in der Anlaufphase des Wasserstofferzeugungssystems von der ersten Steuerbetriebsart unterscheidet, wobei die erste Steuerbetriebsart eine Regelung unter Berücksichtigung eines Zeitintegrals einer Abweichung zwischen dem Solldruck und dem tatsächlichen Druck ist; und die zweite Steuerbetriebsart eine Betriebsart ist, in der ein Einfluss des Zeitintegrals auf eine gesteuerte Variable unterdrückt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die zweite Steuerbetriebsart eine Betriebsart ist, in der eine Regelverstärkung für das Zeitintegral stärker als in der ersten Steuerbetriebsart verringert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die erste Steuerbetriebsart eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis ist und die zweite Steuerbetriebsart eine Steuerung mit offenem Regelkreis ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Drucksteuereinrichtung (116) in der zweiten Steuerbetriebsart unabhängig von dem Druck in dem Reformierungsabschnitt in einem festgelegten Zustand gehalten wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Drucksteuereinrichtung (116) mittels einer Übergangssteuerbetriebsart gesteuert wird, in der die Änderungsrate des Drucks in dem Reformierungsabschnitt (114) während eines Übergangs von der zweiten Steuerbetriebsart zu der ersten Steuerbetriebsart innerhalb eines vorbestimmten Bereichs unterdrückt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Umschaltung zwischen der ersten Steuerbetriebsart und der zweiten Steuerbetriebsart auf der Grundlage eines Dampfmengenzustands in dem Reformierungsabschnitt (114) durchgeführt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Dampfmengenzustand zumindest eine Temperatur und einen Druck in dem Reformierungsabschnitt, eine Komponente eines Gases, oder eine Strömungsgeschwindigkeit eines aus dem Reformierungsabschnitt ausströmenden Gases beinhaltet.
  17. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Drucksteuereinrichtung (116) ein Druckregelventil oder ein Durchflussmessventil ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Rohstoff eine kohlenwasserstoffartige Verbindung ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Solldruck in Übereinstimmung mit einer Menge des von dem Wasserstofferzeugungssystem erzeugten Wasserstoffs oder einer Änderungsrate dieser Menge festgelegt wird.
  20. Dampferzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines Dampfs einer Rohstoffflüssigkeit, mit einem Dampferzeugungsabschnitt (32), dem die Rohstoffflüssigkeit zugeführt wird und der ein Zweiphasensystem aus einem gasförmigen Anteil und einem flüssigen Anteil der Rohstoffflüssigkeit ausbildet; einem Dampferwärmungsabschnitt (34), der mit der gasförmigen Rohstoffflüssigkeit im Dampferzeugungsabschnitt (32) verbunden ist und der den gasförmigen Anteil der Rohstoffflüssigkeit erwärmt, gekennzeichnet durch eine Drucksteuereinrichtung (38, 62) zum Regeln eines Drucks in dem Dampferzeugungsabschnitt (32), und eine Steuereinrichtung (80), die zum Steuern der Drucksteuereinrichtung (38, 62) auf Grundlage eines Dampfmengenbedarfs für die Erzeugung von Wasserstoff für ein Wasserstofferzeugungssystem derart angepasst ist, dass der Druck in dem Dampferzeugungsabschnitt (32) in Übereinstimmung mit einer Erhöhung des Dampfmengenbedarfs und/oder einer Erhöhung der Änderungsrate des Dampfmengenbedarfs verringert wird oder der Druck in dem Dampferzeugungsabschnitt (32) in Übereinstimmung mit einer Abnahme des Dampfmengenbedarfs und/oder einer Abnahme der Änderungsrate des Dampfmengenbedarfs erhöht wird.
  21. Verfahren zur Steuerung eines mit einem Dampferzeugungsabschnitt (32) zum Verdampfen einer Rohstoffflüssigkeit versehenen Dampferzeugungsvorrichtung, gekennzeichnet durch einen Schritt (S100 bis S106) zum Steuern eines Drucks in dem Dampferzeugungsabschnitt (32) auf der Grundlage eines Dampfmengenbedarfs für die Erzeugung von Wasserstoff für ein Wasserstofferzeugungssystem, wobei der Druck in dem Dampferzeugungsabschnitt (32) in Übereinstimmung mit einer Erhöhung des Dampfmengenbedarfs und/oder einer Erhöhung der Änderungsrate des Dampfmengenbedarfs verringert wird oder in Übereinstimmung mit einer Abnahme des Dampfmengenbedarfs und/oder einer Abnahme der Änderungsrate des Dampfmengenbedarfs erhöht wird.
  22. Verfahren zur Steuerung eines mit einem Reformierungsabschnitt zur Reformierung einer Rohstoffflüssigkeit versehenen Wasserstofferzeugungssystems, das wasserstoffreiches Gas durch Reformieren einer Rohstoffflüssigkeit erzeugt, gekennzeichnet durch einen Schritt (S302) zum Ermitteln, ob sich das Wasserstofferzeugungssystem in einer Anlaufphase befindet, auf der Grundlage vorbestimmter Parameter; einen Schritt (S310 bis S314) zum Steuern eines Drucks in dem Reformierungsabschnitt mit einer ersten Steuerbetriebsart, in welcher der Druck in dem Reformierungsabschnitt zu einem vorbestimmten Solldruck wird, wenn sich das Wasserstofferzeugungssystem nicht in der Anlaufphase befindet; und einen Schritt (S306) zum Steuern des Drucks in dem Reformierungsabschnitt mit einer zweiten Steuerbetriebsart, die sich von der ersten Steuerbetriebsart unterscheidet, wenn sich das Wasserstofferzeugungssystem in der Anlaufphase befindet,
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei ermittelt wird, dass sich das Wasserstofferzeugungssystem in der Anlaufphase befindet, wenn die Temperatur des Reformierungsabschnitts größer als eine vorbestimmte Temperatur ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 22, ferner mit einem Schritt (S304) zum Ermitteln, ob ein Übergang von der zweiten Steuerbetriebsart zu der ersten Steuerbetriebsart stattfindet, wenn sich das Wasserstofferzeugungssystem in der Anlaufphase befindet und der Druck in dem Wasserstofferzeugungssystem niedriger als ein vorbestimmter Druck ist; und einem Schritt (S308) zum Steuern des Drucks in dem Reformierungsabschnitt mit einer dritten Steuerbetriebsart, in der eine Druckänderungsgeschwindigkeit in dem Reformierungsabschnitt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs unterdrückt wird, wenn ein Übergang von der zweiten Steuerbetriebsart zu der ersten Steuerbetriebsart ermittelt wird.
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