DE10118148A1 - Verbrennungserwärmungsvorrichtung, Brennstoffreformierapparat mit Verbrennungserwärmungsvorrichtung und Brennstoffzellensytem - Google Patents

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Verbrennungserwärmungsvorrichtung zum Erwärmen eines zu erwärmenden Fluids, die eine Brennstoffzuführungseinrichtung (22, 24), die der Vorrichtung Brennstoff zuführt, und eine Verdampfungseinrichtung (36) umfasst, die einen Anteil des von der Brennstoffzuführungseinrichtung zugeführten Brennstoffs verbrennt und einen Restanteil des Brennstoffs unter Verwendung von durch Verbrennung des besagten Brennstoffanteils erzeugter Wärme verdampft. Die Verbrennungserwärmungsvorrichtung weist außerdem eine erste Luftzuführungseinrichtung (32), die Luft zuführt, die zum Verbrennen des besagten Brennstoffanteils durch die Verdampfungseinrichtung zu verwenden ist, und eine zweite Luftzuführungseinrichtung (40) auf, die Luft zuführt, die zum Verbrennen des von der Verdampfungseinrichtung verdampften Brennstoffrestanteils zu verwenden ist. Außerdem ist ein Brennstoffreformierapparat, der die Verbrennungserwärmungsvorrichtung als Verdampfungsabschnitt enthält, und ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das den Brennstoffreformierapparat enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungserwärmungs­ vorrichtung, einen Brennstoffreformierapparat mit einer solchen Verbrennungserwärmungsvorrichtung und ein Brenn­ stoffzellensystem. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine Verbrennungserwärmungsvorrichtung, die daran angepasst ist, unter Verwendung von durch Verbrennung eines Brennstoffs erzeugter Wärme ein zu erwärmendes Fluid zu erwärmen, auf einen Brennstoffreformierapparat, der die Verbrennungserwärmungsvorrichtung umfasst und dazu dient, Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis in wasserstoffreiches Brennstoffgas zu reformieren, und auf ein Brennstoffzellen­ system, das den Brennstoffreformierapparat und eine Brennstoffzelle aufweist, die elektrischen Strom erzeugt, wenn sie mit Luft und einem Brennstoffgas von dem Brennstoffreformierapparat versorgt wird.

In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 8-119502 findet sich ein Beispiel für die Verbrennungserwärmungsvorrichtung der oben genannten Bauart. In dieser Verbrennungs­ erwärmungsvorrichtung wird mit Hilfe eines Heizkörpers ein Gemisch aus Luft und als Brennstoff zugeführten Methanol erwärmt und einem Wärmetauscher zugeführt, in dem ein zu erwärmendes Fluid unter Verwendung von durch katalytische Verbrennung des Brennstoffs erzeugter Wärme erwärmt wird. Das zu erwärmende Fluid kann ein reformierbarer Stoff sein, der sich beispielsweise aus Methanol und Wasser zusammen­ setzt. Die Verbrennungserwärmungsvorrichtung ist als ein zum Erwärmen und Verdampfen des reformierbaren Stoffs als dem zu erwärmenden Fluid dienender Verdampfungsabschnitt in einem Methanolreformierapparat eingebaut, der Methanol durch Dampfreformieren in ein wasserstoffreiches Brennstoffgas reformiert.

Bei der vorstehend beschriebenen Verbrennungserwärmungs­ vorrichtung werden das als flüssiger Brennstoff dienende Methanol und die Luft jedoch auf der stromaufwärtigen Seite des Heizkörpers zugeführt. Es ist daher häufig schwierig, den flüssigen Brennstoff und die Luft gleichmäßig miteinander zu mischen, um so für ein homogenes Gemisch zu sorgen. Wenn das Gemisch aus Brennstoff und Luft nicht gleichmäßig zusammengemischt ist, treten insbesondere bei einer Katalysatorverbrennung Schwankungen in Bezug auf die Verbrennungsintensität oder den Verbrennungsgrad auf, weshalb der Brennstoff mit geringerer Effizienz verbrannt wird und die Verbrennungserwärmungsvorrichtung eine schlechtere Betriebsleistung zeigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrennungserwärmungs­ vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der Luft und Brennstoff gleichmäßig vermischt werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrennungs­ erwärmungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der Brennstoff auf geeignete Weise verbrannt werden kann, sodass eine verbesserte Effizienz erzielt wird. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoffreformier­ apparat zur Verfügung zu stellen, mit dem zumindest ein Anteil eines reformierbaren Stoffs effizient verdampft werden kann. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, das für eine verbesserte Energieeffizienz sorgt und/oder das einen einfacheren Aufbau und eine geringere Größe hat.

Zur Lösung zumindest einer der obigen und weiterer Aufgaben ist gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung eine Verbrennungserwärmungsvorrichtung vorgesehen, die daran angepasst ist, ein Fluid unter Verwendung von durch Verbrennung eines Brennstoffs erzeugter Wärme zu erwärmen, und die umfasst: (1) eine Brennstoffzuführungseinrichtung, die der Vorrichtung den Brennstoff zuführt, (2) eine Verdampfungseinrichtung, die einen Anteil des durch die Brennstoffzuführungseinrichtung zugeführten Brennstoffs verbrennt und einen Restanteil des Brennstoffs unter Verwendung von durch Verbrennung des besagten Brennstoff­ anteils erzeugter Wärme verdampft, (3) einer ersten Luft­ zuführungseinrichtung, die Luft zuführt, die zum Verbrennen des besagten Brennstoffanteils durch die Verdampfungs­ einrichtung zu verwenden ist, und (4) eine zweite Luft­ zuführungseinrichtung, die Luft zuführt, die zum Verbrennen des durch die Verdampfungseinrichtung verdampften Brenn­ stoffrestanteils zu verwenden ist.

Bei der vorstehend beschriebenen Verbrennungserwärmungs­ vorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung führt die erste Luftzuführungseinrichtung einer Verdampfungseinrichtung Luft zu, die zum Verbrennen eines Anteils des von der Brennstoffzuführungseinrichtung zugeführten Brennstoffs zu verwenden ist, wobei der restliche Brennstoff in der Verdampfungseinrichtung unter Verwendung von durch Verbrennung des besagten Brennstoff­ anteils erzeugter Wärme verdampft wird, und führt die zweite Luftzuführungseinrichtung Luft zu, die zum Verbrennen des durch die Verdampfungseinrichtung verdampften Brennstoffs zu verwenden ist. Das heißt, dass die Luft, die zum Verbrennen des Brennstoffs während der Brennstoffverdampfung verwendet wird, und die Luft, die zum Verbrennen des verdampften Brennstoffs verwendet wird, voneinander getrennt und unabhängig zugeführt werden. Da die von der zweiten Luftzuführungseinrichtung zugeführte Luft in den verdampften Brennstoff eingespeist wird, können die Luft und der verdampfte Brennstoff miteinander gleich­ mäßiger als bei einer Mischung aus Luft und flüssigem Brennstoff vermischt werden. Folglich können Schwankungen der Brennstoffverbrennungsintensität oder des Brennstoff­ verbrennungsgrads verringert werden und kann der Brennstoff mit besserer Effizienz verbrannt werden.

Bei der vorstehend beschriebenen Verbrennungserwärmungs­ vorrichtung kann der Brennstoff durch die Brennstoff­ zuführungseinrichtung in die Vorrichtung eingesprüht werden. In diesem Fall kann die Verdampfungseinrichtung den Brennstoff leicht mit besserer Effizienz verdampfen.

Die erfindungsgemäße Verbrennungserwärmungsvorrichtung kann außerdem eine erste Luftmengensteuerungseinheit aufweisen, die beruhend auf einer von der Brennstoffzuführungs­ einrichtung zugeführten Brennstoffmenge die von der ersten Luftzuführungseinrichtung zugeführte Luftmenge steuert. Dies ermöglicht das Zuführen einer passenderen Luftmenge zum Verdampfen des Brennstoffs. In diesem Fall kann die erste Luftmengensteuerungseinheit die erste Luftzuführungs­ einrichtung so steuern, dass der Vorrichtung die zum Verdampfen des Brennstoffs benötigte Luftmenge zugeführt wird. Die Menge der zugeführten Luft lässt sich daher auf nicht mehr oder weniger als die zur Verdampfung des Brennstoffs erforderliche Menge einstellen.

Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Verbrennungs­ erwärmungsvorrichtung eine zweite Luftmengensteuerungs­ einheit aufweisen, die beruhend auf der von der Kraftstoff­ zuführungseinrichtung zugeführten Brennstoffmenge die von der zweiten Luftzuführungseinrichtung zugeführte Luftmenge steuert. Dies ermöglicht das Zuführen einer passenderen Luftmenge zum Verbrennen des verdampften Brennstoffs.

Die Verbrennungserwärmungsvorrichtung kann außerdem einen Wärmetauscher aufweisen, der einen Katalysator trägt, mit dem der Brennstoff verbrannt werden kann, und der so betrieben werden kann, dass das zu erwärmende Fluid unter Verwendung von Wärme erwärmt wird, die erzeugt wird, wenn ein in einem Gasgemisch des von der Verdampfungseinrichtung verdampften Brennstoffs und der von der zweiten Luftzuführungseinrichtung zugeführten Luft enthaltener Brennstoff auf dem Katalysator verbrannt wird.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Brennstoffreformierapparat zum Reformieren eines Brenn­ stoffs auf Kohlenwasserstoffbasis in ein wasserstoffreiches Brennstoffgas vorgesehen, der umfasst: (a) die Verbrennungserwärmungsvorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung und (b) eine Reformier­ vorrichtung, die mit dem von der Verbrennungserwärmungs­ vorrichtung verdampften Brennstoff auf Kohlenwasserstoff­ basis und/oder Wasser versorgt wird und den Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis mittels einer Dampfreformierreaktion in das Brennstoffgas umwandelt.

In dem vorstehend beschriebenen Brennstoffreformierapparat wird die Verbrennungserwärmungsvorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung als ein Verdampfungsabschnitt zum Erwärmen und Verdampfen von Brennstoff auf Kohlen­ wasserstoffbasis und/oder Wasser als dem zu erwärmenden Fluid verwendet, um so im Wesentlichen die gleichen Wirkungen zu erzielen, wie sie durch die Verbrennungs­ erwärmungsvorrichtung erreicht werden. Das heißt, dass der Brennstoff mit besserer Effizienz verbrannt wird, sodass der Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und/oder das Wasser als das zu erwärmende Fluid hocheffizient erwärmt und verdampft wird/werden.

Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das einen Brennstoff­ reformierapparat, der daran angepasst ist, einen Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis zu einem wasserstoffreichen Brennstoffgas zu reformieren, und eine Brennstoffzelle umfasst, die mit dem wasserstoffreichen Brennstoffgas von dem Brennstoffreformierapparat und Luft versorgt wird, um so elektrischen Strom zu erzeugen, wobei der Aufbau des Brennstoffreformierapparats dem der zweiten Ausgestaltung der Erfindung entspricht und der Brennstoffzelle von der ersten Luftzuführungseinrichtung und/oder der zweiten Luftzuführungseinrichtung Luft zugeführt wird.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit dem Brennstoffreformierapparat gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung ergibt im Wesentlichen die gleiche Wirkungen, wie sie durch den vorstehend beschriebenen Brennstoffreformierapparat erzielt werden. Das heißt, dass der Brennstoff mit besserer Effizienz verbrannt werden kann, sodass der Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und/oder das Wasser als das zu erwärmende Fluid hoch­ effizient erwärmt und verdampft wird/werden. Da zudem die erste Luftzuführungseinrichtung und/oder die zweite Luft­ zuführungseinrichtung verwendet wird/werden, um der Brennstoffluft Luft zuzuführen, kann der Aufbau des gesamten Systems vereinfacht und kleiner ausgeführt werden.

Das Brennstoffzellensystem kann außerdem eine erste Kathodenabgaszuführungseinrichtung aufweisen, die der Brennstoffzelle zusätzlich zu oder anstelle der von der ersten Luftzuführungseinrichtung zugeführten Luft Kathoden­ abgas zuführt. Mit dieser Anordnung lässt sich vorteil­ hafterweise das von dem System abgegebene Abgas vermindern.

Das Brennstoffzellensystem kann außerdem eine zweite Kathodenabgaszuführungseinrichtung aufweisen, die der Brennstoffzelle zusätzlich zu oder anstelle der von der zweiten Luftzuführungseinrichtung zugeführten Luft Kathodenabgas zuführt. Mit dieser Anordnung lässt sich ebenfalls vorteilhafterweise das von dem System abgegebene Abgas vermindern.

Darüber hinaus kann das Brennstoffsystem eine Anodenabgas­ zuführungseinrichtung aufweisen, die der Brennstoffzelle zusätzlich zu der von der zweiten Luftzuführungseinrichtung zugeführten Luft Anodenabgas zuführt. Mit dieser Anordnung lässt sich in dem Anodenabgas der Brennstoffzelle enthaltener Wasserstoff effektiv zum Verbrennen des von der Verdampfungseinrichtung verdampften Brennstoffs nutzen. Folglich lässt sich die Energieeffizienz des gesamten Systems verbessern.

Die vorstehenden und/oder weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen und in denen Folgendes gezeigt ist:

Fig. 1 stellt schematisch den Aufbau einer Verbrennungs­ erwärmungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.

Fig. 2 stellt schematisch den Aufbau eines Hauptkörpers der in Fig. 1 gezeigten Verbrennungserwärmungsvorrichtung dar.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 eingesetzten Wärmetauschers.

Fig. 4 stellt als Flussdiagramm eine Betriebssteuerungs­ routine dar, die durch eine elektronische Steuerungseinheit der Verbrennungserwärmungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ausgeführt wird.

Fig. 5 stellt schematisch den Aufbau eines Brennstoff­ zellensystems gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungs­ beispiel dar.

Es werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, Fig. 1 und Fig. 2 stellen schematisch den Aufbau einer Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beziehungsweise den Aufbau eines Hauptteils der Verbrennungserwärmungs­ vorrichtung 20 dar.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfasst die Verbrennungs­ erwärmungsvorrichtung 20 dieses Ausführungsbeispiels eine erste Mischkammer 30, einen Verbrennungsheizkörper 36, eine zweite Mischkammer 38, einen Wärmetauscher 52 und eine elektronische Steuerungseinheit 70 zur Steuerung des gesamten Geräts. Ein von einer Brennstoffpumpe 24 von einem Brennstofftank 22 aus zugeführter Brennstoff wird mit Luft gemischt, die der ersten Mischkammer 30 von einem ersten Gebläse 32 zugeführt wird. Der Verbrennungsheizkörper 36 verbrennt einen Anteil des Brennstoffs von der ersten Mischkammer 30 und verdampft den restlichen Brennstoff unter Verwendung von Wärme, die aus der Verbrennung des Brennstoffs stammt. Der auf diese Weise verdampfte Brennstoff wird dann mit Luft gemischt, die der zweiten Mischkammer 38 von einem zweiten Gebläse 40 zugeführt wird, und wird in den Wärmetauscher 52 eingespeist, in dem der verdampfte Brennstoff verbrannt wird und eine zu erwärmende Flüssigkeit unter Verwendung der durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Wärme erwärmt wird.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind an der ersten Mischkammer 30 eine Einspritzung 28 und ein erster Luftkanal 34 angebracht. Die Einspritzung 28 dient zum Einsprühen von Brennstoff, der von einer Brennstoffzuführungsöffnung 26 aus zugeführt wird, und der erste Luftkanal 34 dient zum Einleiten von Luft von dem ersten Gebläse 32 in die erste Mischkammer 30 in einer Richtung, die von einer zur Strömungsrichtung des in die erste Mischkammer 30 eingesprühten Brennstoffs senkrechten Richtung versetzt ist. Die erste Mischkammer 30 ist so gestaltet, dass der von der Einspritzung 28 eingesprühte Brennstoff und die von dem ersten Luftkanal 34 eingeleitete Luft im Wesentlichen gleichmäßig miteinander vermischt werden.

Der Verbrennungsheizkörper 36 ist als ein elektrisch geheizter Katalysator (EHC) ausgebildet, der auf seiner Oberfläche einen die Verbrennung des Brennstoffs ermöglichenden Katalysator trägt. Der Verbrennungs­ heizkörper 36 verbrennt einen Anteil des eingesprühten Brennstoffs unter Verwendung von Sauerstoff, der in der in die erste Mischkammer 30 eingeleiteten Luft vorhanden ist, und verdampft den restlichen Brennstoff unter Verwendung von durch die Verbrennung erzeugter Wärme.

An der zweiten Mischkammer 38 ist ein zweiter Luftkanal 42 in einer Richtung angebracht, die von einer zur Strömungs­ achse des Brennstoffs in der zweiten Mischkammer 38 senkrechten Richtung versetzt ist. Der von dem Verbrennungsheizkörper 36 verdampfte Brennstoff wird im Wesentlichen gleichmäßig mit Luft vermischt, die von dem zweiten Gebläse 40 über den zweiten Luftkanal 42 zugeführt wird. Das sich ergebende Gemisch wird dem Wärmetauscher 52 zugeführt, der in einen schlangenförmig ausgebildeten Verbrennungsgasdurchlass 58 eingebaut ist, und dann über ein Verbrennungsabgasrohr 60 abgegeben.

In Fig. 3 ist ein Beispiel für den Wärmetauscher 52 dargestellt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird der Wärme­ tauscher 52 durch eine sich abwechselnde Aufschichtung von Fluiddurchlasselementen 54, die jeweils eine gewellte Platte mit in Fig. 3 nach oben und unten gewandten Öffnungen aufweisen, und Brennstoffdurchlasselementen 56 gebildet, die jeweils eine gewellte Platte mit in Fig. 3 nach rechts und links weisenden Öffnungen aufweisen. Die gewellte Platte jedes Brennstoffdurchlasselements 56 ist zum Verbrennen des Brennstoffs mit einem Verbrennungs­ katalysator wie etwa einem Platinkatalysator beladen, sodass der Brennstoff auf dem Verbrennungskatalysator verbrennt, während er durch das Brennstoffdurchlasselement 56 strömt. Da die Fluiddurchlasselemente 54 und die Brennstoffdurchlasselemente 56 abwechselnd aufeinander­ geschichtet bzw. -laminiert sind, tauscht das zu erwärmende Fluid, das den Fluiddurchlasselementen 54 in Vertikal­ richtung von unten nach oben zugeführt wird, mit dem Verbrennungsgas, das durch die Brennstoffdurchlasselemente 56 in Fig. 3 von links nach rechts strömt, Wärme aus, sodass das Fluid in den Elementen 54 von dem Verbrennungs­ gas erwärmt wird.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird das zu erwärmende Fluid den Fluiddurchlasselementen 54 des Wärmetauschers 52 von einem Fluidzuführungsrohr 62 aus über ein aus einem porösen Element gebildetes Einlasselement 63 zugeführt und nach dem Durchgang über ein Auslassrohr 64 von einem Auslass 66 abgegeben.

Die in Fig. 1 gezeigte elektronische Steuerungseinheit 70 liegt in Form eines Mikroprozessors vor, der eine Zentral­ einheit (CPU) 72 als Hauptkomponente, einen Verarbeitungs­ programme speichernden Festspeicher (ROM) 74, einen vorübergehend Daten speichernden Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 76 und (nicht gezeigte) Eingangs-Ausgangs- Anschlüsse aufweist. Die elektronische Steuerungseinheit 70 empfängt über einen (nicht gezeigten) Eingangsanschluss ein den erforderlichen Lastbetrag angebendes Steuerungssignal und andere Signale. Über einen Ausgangsanschluss gibt die elektronische Steuerungseinheit 70 Ansteuerungssignale an die Brennstoffpumpe 24, das erste Gebläse 32 und das zweite Gebläse 40 und ein Ansteuerungssignal an den Verbrennungs­ heizkörper 36 und dergleichen ab.

Als Nächstes wird die Betriebsweise der wie vorstehend beschrieben aufgebauten Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 und insbesondere die Art und Weise beschrieben, wie der Betrieb des Geräts 20 gesteuert wird. In Fig. 4 ist ein Flussdiagramm gezeigt, das ein Beispiel für die Betriebs­ steuerungsroutine darstellt, die von der elektronischen Steuerungseinheit 70 der Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 dieses Ausführungsbeispiels ausgeführt wird. Diese Routine wird zu vorbestimmten Zeitabständen (z. B. alle 100 ms) nach dem Start der Verbrennungserwärmungs­ vorrichtung 20 wiederholt bzw. zyklisch ausgeführt.

Nach dem Start der Betriebssteuerungsroutine führt die CPU 72 der elektronischen Steuerungseinheit 70 zunächst den Schritt S100 aus, um beruhend auf dem erforderlichen Lastbetrag die zuzuführende Brennstoffmenge zu bestimmen. Der erforderliche Lastbetrag schließt beispielsweise die Zufuhrmenge an zu erwärmendem Fluid und den Erwärmungs­ betrag oder -grad des Fluids ein. Die zuzuführende Brennstoffmenge bestimmt sich als die zum Erwärmen des auf diese Weise zugeführten Fluids benötigte oder erforderliche Energiemenge. Anschließend wird Schritt S102 ausgeführt, um den Betrieb der Brennstoffpumpe 24 so zu steuern, dass die auf diese Weise bestimmte Brennstoffmenge von der Einspritzung 28 in die erste Mischkammer 30 eingesprüht wird.

Als Nächstes wird Schritt S104 ausgeführt, um die Luftmenge zu berechnen, die für den Verbrennungsheizkörper 36 zum Verdampfen des Brennstoffs benötigt wird, sowie Schritt S106, um den Betrieb des ersten Gebläses 32 so zu steuern, dass der ersten Mischkammer 30 die berechnete Luftmenge von dem Gebläse 32 zugeführt wird. Die Luftmenge kann anhand der Temperatur und der spezifischen Wärmekapazität des Brennstoffs berechnet werden. Bei diesem Ausführungs­ beispiel sind die Luftmengen, die bezogen auf die jeweils zuzuführenden Brennstoffmengen von dem ersten Gebläse 32 zuzuführen sind, in dem ROM 74 in Form einer Tabelle gespeichert und wird bei gegebener Ist-Menge des zugeführten Brennstoffs aus der Tabelle die entsprechend zuzuführende Luftmenge entnommen oder ausgelesen.

Auf Schritt S106 folgt Schritt S108, um die Luftmenge zu berechnen, die zum Verbrennen des von dem Verbrennungs­ heizkörper 36 verdampften Brennstoffs in den Brennstoff­ durchlasselementen 56 des Wärmetauschers 52 benötigt wird, woraufhin Schritt S110 ausgeführt wird, um den Betrieb des zweiten Gebläses 40 so zu steuern, dass in die zweite Mischkammer 38 die berechnete Luftmenge eingeleitet wird. Damit ist dann der gegenwärtige Zyklus der Routine beendet. Die benötigte Luftmenge kann beispielsweise auf der Grund­ lage des stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses berechnet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die von dem zweiten Gebläse 40 bezogen auf die jeweils zugeführten Brennstoffmengen zuzuführenden Luftmengen in dem ROM 74 in Form einer Tabelle gespeichert und wird bei gegebener Ist-Menge des zugeführten Brennstoffs der Tabelle die entsprechend zuzuführende Luftmenge entnommen.

Bei der wie vorstehend beschrieben aufgebauten Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 werden die Luftmenge, die zum Verbrennen eines Anteils des zugeführten Brennstoffs benötigt wird, um den restlichen Brennstoff zu verdampfen, und die Luftmenge, die zum Verbrennen des verdampften Brennstoffs in den Brennstoffdurchlasselementen 56 des Wärmetauschers 52 benötigt wird, getrennt in die Erwärmungsvorrichtung 20 eingeleitet. Dadurch kann eine übermäßige Verbrennung des Brennstoffs in dem Verbrennungs­ heizkörper 36 vermieden werden und lässt sich die Wärme­ tauscheffizienz des Wärmetauschers 52 verbessern. Da außerdem die zuzuführende Brennstoffmenge beruhend auf dem erforderlichen Lastbetrag bestimmt wird und die jeweils von dem ersten Gebläse 32 und dem zweiten Gebläse 40 zuzuführenden Luftmengen beruhend auf der auf diese Weise bestimmten Brennstoffmenge berechnet werden, kann selbst bei Schwankungen oder Änderungen des erforderlichen Last­ betrags an geeigneter Stelle eine passende Luftmenge eingeleitet werden.

Bei der Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 dieses Ausführungsbeispiels sind die zur ersten und zweiten Misch­ kammer 30, 38 freiliegenden Öffnungen des ersten Luftkanals 34 und des zweiten Luftkanals 42 kreisförmig ausgebildet, doch können sie auch eine zusammengedrückte oder flach elliptische Form haben, damit der Brennstoff und die eingeleitete Luft noch gleichmäßiger miteinander vermischt werden können. Obwohl die Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 bei diesem Ausführungsbeispiel als Verbrennungs­ heizkörper 36 einen EHC einsetzt, kann als Verbrennungs­ heizkörper 36 auch einfach ein zum Erwärmen verwendbarer Heizkörper verwendet werden.

Bei der Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 dieses Ausführungsbeispiels wird dem Wärmetauscher 52, der aus den Brennstoffdurchlasselementen 56, die zum Verbrennen des Brennstoffs mit einem Katalysator beladen sind, und den Fluiddurchlasselementen 54 besteht, die einem darin vorhandenen Fluid erlauben, mit dem Brennstoff in den Brennstoffdurchlasselementen 56 Wärme auszutauschen, ein Gemisch aus verdampftem Brennstoff und Luft zugeführt. Es kann jedoch auch jede andere Wärmetauscherbauart verwendet werden, wenn diese in der Hauptsache aus einem Verbrennungsabschnitt, der ein Gemisch aus verdampftem Brennstoff und Luft verbrennt, aus einem Durchlass zum Herausführen von Verbrennungsgas aus dem Verbrennungs­ abschnitt und aus Fluiddurchlasselementen besteht, die einem darin vorhandenen Fluid erlauben, mit dem Verbrennungsgas in dem Durchlass Wärme auszutauschen.

Darüber hinaus kann die durch die Verbrennung des Gas­ gemischs aus verdampftem Brennstoff und Luft erzeugte Wärme auch direkt auf das zu erwärmende Fluid aufgebracht werden.

Als Nächstes wird ein Brennstoffzellensystem 100 beschrieben, das einen Brennstoffreformierapparat 10 und eine Brennstoffzelle 110 umfasst. Der Brennstoffreformier­ apparat 10 verwendet die Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 als Verdampfungsabschnitt, um einen reformierbaren Stoff zu erwärmen und zu verdampfen, der sich aus einem Kohlen­ wasserstoffbrennstoff und Wasser zusammensetzt. Die Brennstoffzelle 110 ist daran angepasst, elektrischen Strom zu erzeugen, wenn sie von dem Brennstoffreformierapparat 10 mit einem Brennstoffgas versorgt wird. In Fig. 5 ist schematisch der Aufbau des Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In dem in Fig. 5 gezeigten Brennstoffzellensystem 100 dieses Ausführungsbeispiels ist die Verbrennungserwärmungs­ vorrichtung 20 des vorstehenden Ausführungsbeispiels in dem Brennstoffreformierapparat 10 als ein Verdampfungsabschnitt zum Verdampfen eines reformierbaren Stoffs eingebaut, der sich aus Wasser und Methanol als einem Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis zusammensetzt.

Der Brennstoffreformierapparat 10 umfasst einen Reformer­ abschnitt 80, der mit einem Reformierkatalysator beladen ist, um ein Dampfreformieren von Methanol als dem Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis zu bewirken. Ein durch das Reformieren in dem Reformerabschnitt 80 erhaltenes wasserstoffreiches Brennstoffgas wird den Anoden der Brennstoffzelle 110 zugeführt.

Die Brennstoffzelle 110 ist beispielsweise als eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ausgeführt. Das oben genannte Brennstoffgas wird von dem Brennstoffreformier­ apparat 10 aus jeder Anode der Brennstoffzelle 110 zugeführt, und jeder Kathode der Brennstoffzelle 110 wird von einem Gebläse 112 Luft oder ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Die Brennstoffzelle 110 erzeugt daher unter Verwendung des Sauerstoffs in der Luft und des Wasserstoffs in dem zugeführten Brennstoffgas Strom.

Bei der Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 dieses Ausführungsbeispiels wird der ersten Mischkammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 die Luft anstelle von dem in Fig. 1 gezeigten ersten Gebläse 32 und zweiten Gebläse 40 von dem Gebläse 112 zugeführt, das auch zum Zuführen von Luft in die Brennstoffzelle 110 vorgesehen ist. Die der ersten Mischkammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 ztugeführten Luftmengen lassen sich jeweils durch Durchflussregulier­ ventile 114, 116 einstellen, die in mit der erstem Misch­ kammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 verbundenen Zuführungsrohren vorgesehen sind. Da das Gebläse 112 sowohl der ersten Mischkammer 30 als auch der zweiten Mischkammer 38 Luft zuführen kann, lässt sich das System vereinfachen. Abgas von jeder Kathodenseite der Brennstoffzelle 110 kann der ersten Mischkammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 über ein Kathodenabgasrohr 122 zugeführt werden. Die der ersten Mischkammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 zugeführten Kathodenabgasmengen lassen sich jeweils durch Durchflussregulierventile 124, 126 regulieren, die in mit der ersten Mischkammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 verbundenen Zuführungsrohren vorgesehen sind. Indem der ersten Mischkammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 auf diese Weise das Kathodenabgas zugeführt wird, lässt sich die von dem System abgegebene Abgasmenge vermindern. Darüber hinaus kann der zweiten Mischkammer 38 über ein Anodenabgasrohr 132 Abgas von jeder Anodenseite der Brennstoffzelle 110 zugeführt werden. Die der zweiten Mischkammer 38 zugeführte Anodenabgasmenge lässt sich durch ein Durchflussregulierventil 134 regulieren, das in dem Anodenabgasrohr 132 vorgesehen ist. Indem der zweiten Mischkammer 38 auf diese Weise von der Anodenseite Abgas zugeführt wird, lässt sich in dem Abgas enthaltener Wasser­ stoff als Brennstoff für den Wärmetausch in dem Wärme­ tauscher 52 verwenden.

Der reformierbare Stoff bzw. das zu erwärmende Fluid, das der Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 dieses Ausführungsbeispiels zugeführt wird, wird von einer Pumpe 84 für den reformierbaren Stoff von einem Tank 82 für den reformierbaren Stoff unter Druck in den Reformerabschnitt 80 gebracht. Die Temperatur des reformierbaren Stoffs wird durch in dem Reformerabschnitt 80 erzeugte Wärme erhöht, zum Beispiel durch Wärme, die durch Reduzieren der Kohlen­ monoxidmenge erzeugt wird, die in dem durch den Reformier­ prozess erhaltenen wasserstoffreichen Gas vorhanden ist, wobei der auf diese Weise erwärmte reformierbare Stoff dem Fluidzuführungsrohr 62 (Fig. 2) zugeführt wird. Der auf diese Weise erwärmte reformierbare Stoff wird dann dem Wärmetauscher 52 zugeführt, in dem der reformierbare Stoff verdampft wird, und dann dem Reformerabschnitt 80 zugeführt. Eine der elektronischen Steuereinheit 70 ähnliche elektronische Steuerungseinheit 70B umfasst eine CPU 72B, einen ROM 74, einen RAM 76 und (nicht gezeigte) Eingangs-Ausgangsanschlüsse. Die elektronische Steuerungs­ einheit 70B gibt über einen Ausgangsanschluss Ansteuerungs­ signale an Stellglieder 115, 117, 125, 127, 135 der Durchflussregulierventile 114, 116, 124, 126, 134, ein Ansteuerungssignal an die Pumpe 84 für den reformierbaren Stoff, ein Ansteuerungssignal an das Gebläse 112 etc. aus.

Bei der wie vorstehend beschrieben aufgebauten Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 des Brennstoffzellen­ systems 100 dieses Ausführungsbeispiels steuert die elektronische Steuerungseinheit 70B ähnlich wie die elektronische Steuerungseinheit 70 die der ersten Misch­ kammer 30 zugeführte Brennstoffmenge wie auch die der ersten Mischkammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 zugeführten Luftmengen. Die zugeführte Brennstoffmenge wird auf die gleiche Weise gesteuert, wie beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, während die den jeweiligen Kammern 30, 38 zugeführten Luftmengen gesteuert werden, indem anstelle einer Ansteuerung des ersten Gebläses 32 und des zweiten Gebläses 40 wie im ersten Ausführungsbeispiel eine Steuerung des jeweiligen Öffnungs­ grads der entsprechenden Durchflussregulierventile 114, 116 durchgeführt wird. Die elektronische Steuerungseinheit 70B steuert auch die Kathodenabgasmengen zu der ersten Misch­ kammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 über das Kathoden­ abgasrohr 122 und die Anodenabgasmenge zu der zweiten Mischkammer 38 über das Anodenabgasrohr 132. Diese Steuerungen erfolgen durch Steuern der jeweiligen Öffnung der Durchflussregulierventile 124, 126, 134. Wenn bei dem Brennstoffzellensystem 100 dieses Ausführungsbeispiels der ersten Mischkammer 30 oder der zweiten Mischkammer 38 das Kathodenabgas oder das Anodenabgas zugeführt wird, werden die der Erwärmungsvorrichtung 20 zugeführte Brennstoffmenge und die der ersten Mischkammer 30 oder der zweiten Misch­ kammer 38 zugeführte Luftmenge beruhend auf den zugeführten Kathoden- oder Anodenabgasmengen korrigiert.

Bei dem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem 100 dieses Ausführungsbeispiels kann die dem Ausführungs­ beispiel gemäße Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 als Verdampfungsabschnitt des Brennstoffreformierapparats 10 verwendet werden. Da darüber hinaus das Gebläse 112 in der Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 die Luftzuführung zur ersten Mischkammer 30 und zur zweiten Mischkammer 38 vornehmen kann, lässt sich das gesamte System vereinfachen und seine Größe verringern. Abgesehen davon ist das Brennstoffzellensystem 100 dieses Ausführungsbeispiels so gestaltet, dass das Kathodenabgas der Brennstoffzelle 110 der ersten Mischkammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 zugeführt wird, wodurch sich das Abgas des gesamten Systems vermindern lässt. Des Weiteren ist das Brennstoffzellen­ system 100 dieses Ausführungsbeispiels so gestaltet, dass das Anodenabgas der Brennstoffzelle der zweiten Mischkammer 38 zugeführt wird, sodass in dem Abgas vorhandener Wasser­ stoff als Brennstoff zum Erwärmen des reformierbaren Stoffs verwendet werden kann. Folglich lässt sich die Energie­ effizienz des gesamten Systems verbessern.

Bei dem Brennstoffzellensystem 100 des dargestellten Ausführungsbeispiels dient das Gebläse 112 dazu, der ersten Mischkammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 der Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 Luft zuzuführen. Es ist jedoch auch möglich, das Gebläse 112 zu veranlassen, lediglich der ersten Mischkammer 30 oder der zweiten Mischkammer 38 Luft zuzuführen oder weder der ersten Misch­ kammer 30 noch der zweiten Mischkammer 38 Luft zuzuführen.

Auch wenn bei dem Brennstoffzellensystem 100 des dargestellten Ausführungsbeispiels das von der Brennstoff­ zelle 110 abgegebene Kathodenabgas der ersten Mischkammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 zugeführt wird, kann das Kathodenabgas der Brennstoffzelle 110 auch lediglich der ersten Mischkammer 30 oder der zweiten Mischkammer 38 oder weder der ersten Mischkammer 30 noch der zweiten Misch­ kammer 38 zugeführt werden.

Auch wenn bei dem Brennstoffzellensystem 100 des dargestellten Ausführungsbeispiels das von der Brennstoff­ zelle 110 ausgestoßene Anodenabgas der zweiten Mischkammer 38 zugeführt wird, kann das Anodenabgas der zweiten Misch­ kammer 38 auch nicht zugeführt werden.

Obwohl das Brennstoffzellensystem 100 des dargestellten Ausführungsbeispiels Methanol als Brennstoff auf Kohlen­ wasserstoffbasis verwendet, ist es auch möglich, andere Brennstoffarten auf Kohlenwasserstoffbasis wie zum Beispiel gesättigte Kohlenwasserstoffe wie Methan und Ethan, ungesättigte Kohlenwasserstoffe wie Ethylen und Propylen oder Alkohole wie Ethanol und Propanol zu verwenden.

Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf zur Zeit bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, jedoch ist sie nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele und Gestaltungen eingeschränkt. Die Erfindung lässt sich vielmehr im Rahmen des Schutzumfangs auch anderweitig ausführen.

Claims (14)

1. Verbrennungserwärmungsvorrichtung, daran angepasst, ein zu erwärmendes Fluid unter Verwendung von durch Verbrennung eines Brennstoffs erzeugter Wärme zu erwärmen, mit:
einer Brennstoffzuführungseinrichtung (22, 24, 26, 28) zum Zuführen des Brennstoffs zu der Vorrichtung;
einer Verdampfungseinrichtung (36) zum Verbrennen eines Anteils des von der Brennstoffzuführungseinrichtung zugeführten Brennstoffs und zum Verdampfen eines Rest­ anteils des Brennstoffs unter Verwendung von durch Verbrennung des besagten Brennstoffanteils erzeugter Wärme;
einer ersten Luftzuführungseinrichtung (32) zum Zuführen von Luft, die zum Verbrennen des besagten Brennstoffanteils durch die Verdampfungseinrichtung zu verwenden ist; und
einer zweiten Luftzuführungseinrichtung (40) zum Zuführen von Luft, die zum Verbrennen des durch die Verdampfungseinrichtung verdampften Brennstoffrestanteils zu verwenden ist.

2. Verbrennungserwärmungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Brennstoffzuführungseinrichtung (22, 24, 26, 28) Mittel zum Einsprühen des Brennstoffs in die Vorrichtung umfasst.

3. Verbrennungserwärmungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer ersten Luftmengensteuerungseinrichtung (70, S104, S105) zum Steuern einer von der ersten Luftzuführungseinrichtung zugeführten Luftmenge beruhend auf einer von der Brennstoffzuführungseinrichtung zugeführten Brennstoffmenge.

4. Verbrennungserwärmungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die erste Luftmengensteuerungseinrichtung die erste Luftzuführungseinrichtung so steuert, dass sie eine für die Verdampfung des der Vorrichtung zugeführten Brennstoffs benötigte Luftmenge zuführt.

5. Verbrennungserwärmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer zweiten Luftmengensteuerungs­ einrichtung (70, S108, S110) zum Steuern einer von der zweiten Luftzuführungseinrichtung zugeführten Luftmenge beruhend auf einer von der Brennstoffzuführungseinrichtung zugeführten Brennstoffmenge.

6. Verbrennungserwärmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Verdampfungseinrichtung einen zum Verbrennen des Brennstoffs geeigneten Katalysator trägt.

7. Verbrennungserwärmungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Verdampfungseinrichtung Katalysatorheizmittel zum Erwärmen des Katalysators umfasst.

8. Verbrennungserwärmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Wärmetauscher (52), der einen zum Verbrennen des Brennstoffs geeigneten Katalysator trägt und so betrieben werden kann, dass das zu erwärmende Fluid unter Verwendung von Wärme erwärmt wird, die erzeugt wird, wenn ein in einem Gasgemisch des von der Verdampfungs­ einrichtung (36) verdampften Brennstoffs und der von der zweiten Luftzuführungseinrichtung (40) zugeführten Luft enthaltener Brennstoff auf dem Katalysator verbrannt wird.

9. Brennstoffreformierapparat (10) zum Reformieren eines Brennstoffs auf Kohlenwasserstoffbasis in ein wasserstoff­ reiches Brennstoffgas, mit:
einer Verbrennungserwärmungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, die daran angepasst ist, den Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und/oder Wasser als das zu erwärmende Fluid zu erwärmen und zu verdampfen; und
einer Reformiervorrichtung (80) zum Reformieren des Brennstoffs auf Kohlenwasserstoffbasis in ein Brennstoffgas mittels einer Dampfreformierreaktion, wenn sie mit dem durch die Verbrennungserwärmungsvorrichtung verdampften Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und/oder Wasser versorgt wird.

10. Brennstoffreformierapparat nach Anspruch 9, bei dem
die Verbrennungserwärmungsvorrichtung einen Wärme­ tauscher (52) umfasst, der ein zum Verbrennen des Brennstoffs geeigneten Katalysator trägt und so betrieben werden kann, dass das zu erwärmende Fluid unter Verwendung von Wärme erwärmt wird, die erzeugt wird, wenn ein in einem Gasgemisch des von der Verdampfungseinrichtung (36) verdampften Brennstoffs und der von der zweiten Luftzuführungseinrichtung (40) zugeführten Luft enthaltender Brennstoff auf dem Katalysator verbrannt wird; und
der Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und/oder das Wasser durch den Wärmetauscher hindurchgelassen wird/­ werden, um so verdampft zu werden.

11. Brennstoffzellensystem, mit:
einem Brennstoffreformierapparat (10) gemäß Anspruch 9; und
einer Brennstoffzelle (110), die mit dem wasserstoff­ reichen Brennstoffgas von dem Brennstoffreformierapparat und Luft versorgt wird, um so elektrischen Strom zu erzeugen,
wobei der Brennstoffzelle von der ersten Luftzuführungseinrichtung (32) und/oder der zweiten Luftzuführungseinrichtung (40) Luft zugeführt wird.

12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, mit einer ersten Kathodenabgaszuführungseinrichtung (122) zum Zuführen eines Kathodenabgases der Brennstoffzelle zusätzlich zu oder anstelle der von der ersten Luftzuführungseinrichtung zugeführten Luft, sodass das Kathodenabgas zum Verbrennen des besagten Brennstoffanteils durch die Verdampfungseinrichtung verwendet wird.

13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11 oder 12, mit einer zweiten Kathodenabgaszuführungseinrichtung (122) zum Zuführen eines Kathodenabgases der Brennstoffzelle zusätzlich zu oder anstelle der von der zweiten Luftzuführungseinrichtung zugeführten Luft, sodass das Kathodenabgas zum Verbrennen des von der Verdampfungs­ einrichtung verdampften Brennstoffrestanteils verwendet wird.

14. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit einer Anodenabgaszuführungseinrichtung (132) zum Zuführen eines Anodenabgases der Brennstoffzelle zusätzlich zu der von der zweiten Luftzuführungseinrichtung zugeführten Luft, sodass das Anodenabgas zum Verbrennen des von der Verdampfungseinrichtung verdampften Brennstoffrest­ anteils verwendet wird.