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Die
Erfindung betrifft eine Verbrennungserwärmungsvorrichtung, einen Brennstoffreformierapparat
mit einer solchen Verbrennungserwärmungsvorrichtung und ein Brennstoffzellensystem.
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 Brennstoffzellensystem,
das den Brennstoffreformierapparat und eine Brennstoffzelle aufweist,
die elektrischen Strom erzeugt, wenn sie mit Luft und einem Brennstoffgas
von dem Brennstoffreformierapparat versorgt wird.
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In
der japanischen Offenlegungsschrift Nr.
JP 8-119602 A findet sich
ein Beispiel für
die Verbrennungserwärmungsvorrichtung
der oben genannten Bauart. In dieser Verbrennungserwärmungsvorrichtung
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 zusammensetzt. 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.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Verbrennungserwärmungsvorrichtung 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.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Verbrennungserwärmungsvorrichtung zur Verfügung zu
stellen, mit der Luft und Brennstoff gleichmäßig vermischt werden können. Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrennungserwärmungsvorrichtung
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 Brennstoffreformierapparat 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.
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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 Brennstoffanteils erzeugter Wärme verdampft,
(3) einer ersten Luftzuführungseinrichtung,
die Luft zuführt,
die zum Verbrennen des besagten Brennstoffanteils durch die Verdampfungseinrichtung
zu verwenden ist, und (4) eine zweite Luftzuführungseinrichtung, die Luft
zuführt,
die zum Verbrennen des durch die Verdampfungseinrichtung verdampften
Brennstoffrestanteils zu verwenden ist.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Verbrennungserwärmungsvorrichtung 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 Brennstoffanteils
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 gleichmäßiger 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.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Verbrennungserwärmungsvorrichtung kann der
Brennstoff durch die Brennstoffzuführungseinrichtung in die Vorrichtung
eingesprüht
werden. In diesem Fall kann die Verdampfungseinrichtung den Brennstoff
leicht mit besserer Effizienz verdampfen.
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Die
erfindungsgemäße Verbrennungserwärmungsvorrichtung
kann außerdem
eine erste Luftmengensteuerungseinheit aufweisen, die beruhend auf
einer von der Brennstoffzuführungseinrichtung 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 Luftzuführungseinrichtung
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.
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Darüber hinaus
kann die erfindungsgemäße Verbrennungserwärmungsvorrichtung
eine zweite Luftmengensteuerungseinheit aufweisen, die beruhend
auf der von der Kraftstoffzuführungseinrichtung zugeführten Brennstoffmenge
die von der zweiten Luftzuführungseinrichtung
zugeführte
Luftmenge steuert. Dies ermöglicht
das Zuführen
einer passenderen Luftmenge zum Verbrennen des verdampften Brennstoffs.
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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.
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Gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Brennstoffreformierapparat
zum Reformieren eines Brennstoffs auf Kohlenwasserstoffbasis in
ein wasserstoffreiches Brennstoffgas vorgesehen, der umfasst: (a)
die Verbrennungserwärmungsvorrichtung
gemäß der ersten
Ausgestaltung der Erfindung und (b) eine Reformiervorrichtung, die
mit dem von der Verbrennungserwärmungsvorrichtung
verdampften Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und/oder Wasser
versorgt wird und den Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis mittels
einer Dampfreformierreaktion in das Brennstoffgas umwandelt.
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In
dem vorstehend beschriebenen Brennstoffreformierapparat wird die
Verbrennungserwärmungsvorrichtung
gemäß der ersten
Ausgestaltung der Erfindung als ein Verdampfungsabschnitt zum Erwärmen und
Verdampfen von Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und/oder Wasser
als dem zu erwärmenden
Fluid verwendet, um so im Wesentlichen die gleichen Wirkungen zu
erzielen, wie sie durch die Verbrennungserwärmungsvorrichtung 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.
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Gemäß einer
dritten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem
vorgesehen, das einen Brennstoffreformierapparat, 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.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
mit dem Brennstoffreformierapparat gemäß der zweiten Ausgestaltung
der Erfindung ergibt im Wesentlichen die gleichen 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 hocheffizient erwärmt
und verdampft wird/werden. Da zudem die erste Luftzuführungseinrichtung
und/oder die zweite Luftzuführungseinrichtung
verwendet wird/werden, um der Brennstoffluft Luft zuzuführen, kann
der Aufbau des gesamten Systems vereinfacht und kleiner ausgeführt werden.
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Das
Brennstoffzellensystem kann außerdem eine
erste Kathodenabgaszuführungseinrichtung aufweisen,
die der Brennstoffzelle zusätzlich
zu oder anstelle der von der ersten Luftzuführungseinrichtung zugeführten Luft
Kathodenabgas zuführt.
Mit dieser Anordnung lässt
sich vorteilhafterweise das von dem System abgegebene Abgas vermindern.
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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.
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Darüber hinaus
kann das Brennstoffsystem eine Anodenabgaszuführungseinrichtung 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.
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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:
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1 stellt
schematisch den Aufbau einer Verbrennungserwärmungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar.
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2 stellt
schematisch den Aufbau eines Hauptkörpers der in 1 gezeigten
Verbrennungserwärmungsvorrichtung
dar.
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3 zeigt
ein Beispiel eines in dem Ausführungsbeispiel
von 1 eingesetzten Wärmetauschers.
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4 stellt
als Flussdiagramm eine Betriebssteuerungsroutine dar, die durch
eine elektronische Steuerungseinheit der Verbrennungserwärmungsvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1 ausgeführt wird.
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5 stellt
schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einem
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
dar.
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Es
werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben. 1 und 2 stellen
schematisch den Aufbau einer Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beziehungsweise den Aufbau eines Hauptteils der Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 dar.
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Wie
in 1 gezeigt ist, umfasst die Verbrennungserwärmungsvorrichtung 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.
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Wie
in 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.
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Der
Verbrennungsheizkörper 36 ist
als ein elektrisch geheizter Katalysator (EHC) ausgebildet, der
auf seiner Oberfläche
einen die Verbrennung des Brennstoffs ermöglichenden Katalysator trägt. Der Verbrennungsheizkörper 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.
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An
der zweiten Mischkammer 38 ist ein zweiter Luftkanal 42 in
einer Richtung angebracht, die von einer zur Strömungsachse 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.
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In 3 ist
ein Beispiel für
den Wärmetauscher 52 dargestellt.
Wie in 3 gezeigt ist, wird der Wärme tauscher 52 durch
eine sich abwechselnde Aufschichtung von Fluiddurchlasselementen 54,
die jeweils eine gewellte Platte mit in 3 nach oben und
unten gewandten Öffnungen
aufweisen, und Brennstoffdurchlasselementen 56 gebildet,
die jeweils eine gewellte Platte mit in 3 nach rechts und
links weisenden Öffnungen
aufweisen. Die gewellte Platte jedes Brennstoffdurchlasselements 56 ist
zum Verbrennen des Brennstoffs mit einem Verbrennungskatalysator
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
aufeinandergeschichtet bzw. -laminiert sind, tauscht das zu erwärmende Fluid,
das den Fluiddurchlasselementen 54 in Vertikalrichtung
von unten nach oben zugeführt
wird, mit dem Verbrennungsgas, das durch die Brennstoffdurchlasselemente 56 in 3 von
links nach rechts strömt,
Wärme aus,
sodass das Fluid in den Elementen 54 von dem Verbrennungsgas
erwärmt
wird.
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Wie
in 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.
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Die
in 1 gezeigte elektronische Steuerungseinheit 70 liegt
in Form eines Mikroprozessors vor, der eine Zentraleinheit (CPU) 72 als
Hauptkomponente, einen Verarbeitungsprogramme 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 Verbrennungsheizkörper 36 und dergleichen
ab.
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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 4 ist ein Flussdiagramm gezeigt,
das ein Beispiel für
die Betriebssteuerungsroutine 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 Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 wiederholt
bzw. zyklisch ausgeführt.
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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 Erwärmungsbetrag
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.
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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 Ausführungsbeispiel 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.
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Auf
Schritt S106 folgt Schritt S108, um die Luftmenge zu berechnen,
die zum Verbrennen des von dem Verbrennungsheizkörper 36 verdampften Brennstoffs
in den Brennstoffdurchlasselementen 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 Grundlage 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.
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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 Verbrennungsheizkörper 36 vermieden
werden und lässt
sich die Wärmetauscheffizienz
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 Lastbetrags an geeigneter Stelle eine passende
Luftmenge eingeleitet werden.
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Bei
der Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 dieses
Ausführungsbeispiels
sind die zur ersten und zweiten Mischkammer 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 Verbrennungsheizkörper 36 einen
EHC einsetzt, kann als Verbrennungsheizkörper 36 auch einfach
ein zum Erwärmen
verwendbarer Heizkörper verwendet
werden.
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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 Verbrennungsabschnitt 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 Gasgemischs aus verdampftem Brennstoff
und Luft erzeugte Wärme
auch direkt auf das zu erwärmende
Fluid aufgebracht werden.
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Als
Nächstes
wird ein Brennstoffzellensystem 100 beschrieben, das einen
Brennstoffreformierapparat 10 und eine Brennstoffzelle 110 umfasst.
Der Brennstoffreformierapparat 10 verwendet die Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 als
Verdampfungsabschnitt, um einen reformierbaren Stoff zu erwärmen und
zu verdampfen, der sich aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff 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 5 ist schematisch
der Aufbau des Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. In dem in 5 gezeigten
Brennstoffzellensystem 100 dieses Ausführungsbeispiels ist die Verbrennungserwärmungsvorrichtung 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.
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Der
Brennstoffreformierapparat 10 umfasst einen Reformerabschnitt 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.
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Die
Brennstoffzelle 110 ist beispielsweise als eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
ausgeführt. Das
oben genannte Brennstoffgas wird von dem Brennstoffreformierapparat 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.
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Bei
der Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 dieses
Ausführungsbeispiels
wird der ersten Mischkammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 die
Luft anstelle von dem in 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 zugeführten Luftmengen
lassen sich jeweils durch Durchflussregulierventile 114, 116 einstellen,
die in mit der erstem Mischkammer 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 Wasserstoff als Brennstoff für den Wärmetausch
in dem Wärmetauscher 52 verwenden.
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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 Kohlenmonoxidmenge erzeugt wird, die in dem
durch den Reformierprozess erhaltenen wasserstoffreichen Gas vorhanden
ist, wobei der auf diese Weise erwärmte reformierbare Stoff dem
Fluidzuführungsrohr 62 (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 Steuerungseinheit 70B gibt über einen
Ausgangsanschluss Ansteuerungssignale 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.
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Bei
der wie vorstehend beschrieben aufgebauten Verbrennungserwärmungsvorrichtung 20 des Brennstoffzellensystems 100 dieses
Ausführungsbeispiels
steuert die elektronische Steuerungseinheit 70B ähnlich wie
die elektronische Steuerungseinheit 70 die der ersten Mischkammer 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 Öffnungsgrads
der entsprechenden Durchflussregulierventile 114, 116 durchgeführt wird. Die
elektronische Steuerungseinheit 70B steuert auch die Kathodenabgasmengen
zu der ersten Mischkammer 30 und der zweiten Mischkammer 38 über das
Kathodenabgasrohr 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.
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Bei
dem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem 100 dieses
Ausführungsbeispiels
kann die dem Ausführungsbeispiel
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 Brennstoffzellensystem 100 dieses
Ausführungsbeispiels
so gestaltet, dass das Anodenabgas der Brennstoffzelle der zweiten
Mischkammer 38 zugeführt
wird, sodass in dem Abgas vorhandener Wasserstoff als Brennstoff zum
Erwärmen
des reformierbaren Stoffs verwendet werden kann. Folglich lässt sich
die Energieeffizienz des gesamten Systems verbessern.
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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
Mischkammer 30 noch der zweiten Mischkammer 38 Luft
zuzuführen.
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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 Mischkammer 38 zugeführt werden.
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Auch
wenn bei dem Brennstoffzellensystem 100 des dargestellten
Ausführungsbeispiels
das von der Brennstoffzelle 110 ausgestoßene Anodenabgas der
zweiten Mischkammer 38 zugeführt wird, kann das Anodenabgas
der zweiten Mischkammer 38 auch nicht zugeführt werden.
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Obwohl
das Brennstoffzellensystem 100 des dargestellten Ausführungsbeispiels
Methanol als Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis 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.
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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.