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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Reinigungssystem und
auf ein Verfahren zum Reinigen eines Verbrennungsabgases, das von
einer Brennstoffreformiervorrichtung ausgegeben wird, die eine Brennstoffzelle
mit reformiertem Brennstoff beliefert.
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Ein
bekanntes druckschriftlich nicht belegtes Verfahren, das aus einem
ursprünglichen
oder zu reformierenden Brennstoff einen reformierten Brennstoff
erzeugt (ein an Wasserstoff reiches Gas), verwendet einen Dampf,
der innerhalb der Brennstoffreformiervorrichtung erzeugt wird. Um
den Dampf bei diesem Wasserdampfreformierverfahren zu erzeugen,
enthält
die Brennstoffreformiervorrichtung eine Heizeinrichtung zum Verbrennen
eines Abgases, das von einer Brennstoffzelle abgegeben wird, sogenannte "Anodenableitungsgase
und Kathodenableitungsgase",
oder zum Verbrennen eines Teils des zu reformierenden Brennstoffs,
der durch die Brennstoffreformiervorrichtung reformiert wird. Das
von der Brennstoffreformiervorrichtung als ein Ergebnis der Verbrennung
des Anodenableitungsgases und des Kathodenableitungsgases oder des
zu reformierenden Brennstoffes abgegebene Abgas, genauer gesagt
ein Abgas, das von der Heizeinrichtung der Brennstoffreformiervorrichtung
abgegeben wird, wird in die Umgebung ohne jegliche Abgasreinigungsbehandlung
abgegeben.
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Jedoch
leidet die vorstehend beschriebene Brennstoffreformiervorrichtung
an einem Problem dahingehend, dass das von der Brennstoffreformiervorrichtung
abgegebene Abgas einen unverbrannten Brennstoffbestandteil und Kohlenmonoxid
enthält, obwohl
der Gehalt an unverbranntem Brennstoffbestandteil und an Kohlenmonoxid
geringer als der in dem Abgas enthaltene Gehalt ist, das von dem
Verbrennungsmotor abgegeben wird. Im Hinblick auf eine erwartete
Zunahme an einem Bedarf an Brennstoffzellen und einer sich daraus
ergebenden Zunahme des Gesamtvolumens der Abgase, die von Brennstoffreformiervorrichtungen
für die
Brennstoffzellen abgegeben werden, besteht ein Bedarf an einer geeigneten
Behandlung zum Reinigen des von der Brennstoffreformiervorrichtung
abgegebenen Abgases unter dem Gesichtspunkt der Luftverschmutzung
(Kontrolle der Verschmutzung der Atmosphäre) und unter ökologischen
Gesichtspunkten.
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Die
Druckschrift
DE 35
37 527 C2 offenbart eine Stromerzeugungsanlage, die eine
Brennstoffzelle, einen Reformer und einen dem Reformer zugeordneten
Brenner aufweist. Der Brenner dient dem Erwärmen des zu reformierenden
Brennstoffs. Der reformierte Brennstoff wird dabei der Brennstoffzelle zugeführt.
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Die
Druckschrift
US 5 360
679 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle, einen
Reformer, einen dem Reformer zugeordneten Brenner und einen Hilfsbrenner
aufweist. Der Hilfsbrenner dient der Verbrennung von Abgas aus dem dem
Reformer zugeordneten Brenner.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System bzw.
eine Verfahren zu schaffen, durch die ein von einer Brennstoffreformiervorrichtung
abgegebenes Verbrennungsabgas besser und vorteilhafter gereinigt
wird.
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Gemäß einem
ersten Aspekt dieser Erfindung wird ein Reinigungssystem zum Reinigen
eines Verbrennungsabgases geschaffen, das in Anspruch 1 definiert
ist.
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Das
Reinigungssystem gemäß dem ersten Aspekt
dieser Erfindung kann zum Reinigen des von der Brennstoffreformiervorrichtung
abgegebenen Verbrennungsabgases betrieben werden, was ein Verhindern
einer Luftverschmutzung oder einer Kontamination der Atmosphäre und ein
relativ einfaches Behandeln des Verbrennungsabgases ermöglicht.
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Bei
dem Reinigungssystem gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Reinigungsvorrichtung
einen Brenner als Reinigungsvorrichtung zum Verbrennen des Verbrennungsabgases
umfassen, um dadurch das Verbrennungsabgas zu reinigen. Bei diesem
Aufbau wird das Verbrennungsabgas durch eine Reinigung desselben
durch ein Verbrennen durch den Brenner gereinigt. Außerdem weist
die Reinigungsvorrichtung einen Katalysator zum Reinigen des Verbrennungsabgases
durch eine Oxidationsreaktion auf. Bei diesem Aufbau kann das Verbrennungsabgas
bei einer vergleichsweise geringen Temperatur gereinigt werden.
Des Weiteren kann das Reinigungssystem vergleichsweise klein und
mit einem einfachen Aufbau gestaltet werden.
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Das
Reinigungssystem gemäß dem ersten Aspekt
der vorliegenden Erfindung enthält
des Weiteren eine Steuereinrichtung zum Steuern einer Temperatur
der Reinigungsvorrichtung, die innerhalb eines gewählten Bereiches
gehalten werden soll. Bei diesem Aufbau kann das Verbrennungsabgas
durch die Reinigungsvorrichtung mit einem erhöhten Grad an Stabilität gereinigt
werden. Die Temperatursteuereinrichtung kann eine Einrichtung zum
Einleiten eines Heißgases
in die Reinigungsvorrichtung in einer derartigen Weise, dass die
Temperatur innerhalb des gewählten
Bereiches gehalten wird, aufweisen. Bei diesem Aufbau kann die Temperatur
innerhalb der Reinigungsvorrichtung innerhalb des gewählten Bereiches
durch das eingeleitete Heißgas
gehalten werden.
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Bei
dem Reinigungssystem gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung unterstützt die Steuereinrichtung eine
Oxidationsreaktion durch einen Katalysator innerhalb der Reinigungsvorrichtung.
Bei diesem Aufbau wird die Oxidationsreaktion durch den Katalysator
innerhalb der Reinigungsvorrichtung so unterstützt, dass die Temperatur der
Reinigungsvorrichtung bis auf eine Höhe angehoben wird, die zum
effektiven Reinigen des Verbrennungsabgases geeignet ist. Bei dem
vorliegenden Aufbau wird bei der ersten Alternative der Mengenstrom
des Anodenableitungsgases in die Reinigungsvorrichtung derart gesteuert,
dass die Temperatur der Reinigungsvorrichtung innerhalb des gewählten Bereiches gehalten
wird.
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In
dem Reinigungssystem gemäß dem ersten
Aspekt dieser Erfindung ist des Weiteren eine Oxidationsgaseinleiteinrichtung
vorhanden zum Einleiten eines Oxidationsgases in die Reinigungsvorrichtung.
Bei diesem Aufbau kann der Oxidationszustand innerhalb der Reinigungsvorrichtung
mit einem hohen Grad an Genauigkeit gesteuert werden.
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Gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Reinigen
eines Verbrennungsabgases geschaffen, das in Anspruch 2 definiert
ist.
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Bei
dem Reinigungsverfahren gemäß dem zweiten
Aspekt dieser Erfindung wird das von der Brennstoffreformiervorrichtung
abgegebene Verbrennungsabgas gereinigt, was ein Verhindern der Luftverschmutzung
und eine Kontamination der Atmosphäre bei einem relativ einfachen
Aufbau ermöglicht.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
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Die
vorstehend erwähnten
und andere Effekte, Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle
Bedeutung der vorliegenden Erfindung sind aus der nachstehend aufgeführten detaillierten
Beschreibung der gegenwärtig
als bevorzugt erachteten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
besser verständlich.
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1 zeigt
eine Blockdarstellung, die in schematischer Weise einen Aufbau eines
Reinigungssystems gemäß einem
Ausführungsbeispiel dieser
Erfindung zum Reinigen eines von einer Brennstoffreformiervorrichtung
abgegebenen Abgases (ein Verbrennungsabgas) zeigt.
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2 zeigt
eine Blockdarstellung, die in schematischer Weise einen Aufbau einer
Steuervorrichtung zum Steuern des Reinigungssystems von 1 zeigt.
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3 zeigt
ein Flussdiagramm einer Temperatursteuerroutine, die durch die Steuervorrichtung von 2 ausgeführt wird,
um eine Reinigungsvorrichtung des Reinigungssystems von 1 zu
steuern.
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4 zeigt
eine graphische Darstellung einer Speicherdatentabelle, die zum
Bestimmen eines Öffnungswinkels
eines Strömungssteuerventils
auf der Grundlage der Temperatur der Reinigungsvorrichtung verwendet
wird.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist nachstehend ein Reinigungssystem
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zum Reinigen eines von einer Brennstoffreformiervorrichtung abgegebenen
Abgases (ein Verbrennungsabgas) beschrieben.
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Das
Reinigungssystem 10 weist eine Reinigungsvorrichtung 40 auf,
die zum Reinigen des Verbrennungsabgases eingerichtet ist, das von
einer Brennstoffreformiervorrichtung 20 abgegeben wird, die
einen reformierten Brennstoff zu einer Brennstoffzelle 30 liefert.
Das Reinigungssystem 10 enthält des Weiteren eine Steuervorrichtung 60 zum
Steuern der Reinigungsvorrichtung und andere Bauteile des Systems,
die nachstehend beschrieben ist.
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Die
Brennstoffreformiervorrichtung 20 ist so aufgebaut, dass
sie einen ursprünglichen
Brennstoff für
eine Brennstoffzelle (einen zu reformierenden Brennstoff) durch
eine Reformierreaktion hauptsächlich
durch eine Dampfreformierreaktion (Dampfreformieren) reformiert.
Die Brennstoffreformiervorrichtung 20 weist einen Verdampfungsabschnitt 21 auf, der
zum Erzeugen von Dampf betrieben werden kann, der für die Dampfreformierreaktion
verwendet wird, einen Reformierabschnitt 22, in dem die
Dampfreformierreaktion und eine Teiloxidationsreaktion stattfinden,
und einen CO-Gehalt-Verringerungsabschnitt 23, der zum
wahlweisen Oxidieren von durch die Reformierreaktion erzeugtem Kohlenmonoxid
betrieben werden kann.
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Der
Verdampfungsabschnitt 21 umfasst eine Heizeinrichtung 211,
die zum Erzeugen von Wärmeenergie
eingerichtet ist, die zum Erzeugen des Dampfes durch eine Oxidationsreaktion
unter Verwendung eines Katalysators erforderlich ist, und einen
Verdampfer 212, der zum Erzeugen eines Mischdampfes, der
aus H2O und dem zu reformierenden Brennstoff
besteht, unter Verwendung der Wärmeenergie,
die durch die Heizeinrichtung 211 erzeugt wird, eingerichtet
ist. Die Heizeinrichtung 211 wird mit einem Teil des zu
reformierenden Brennstoffes und/oder einem Anodenableitungsgas (Anodenabgas)
als Verbrennungsbrennstoff beliefert. In der Heizeinrichtung 211 ist
ein aus Pt, Pd oder einem anderem geeigneten Edelmetall ausgebildeter
Katalysator zum Unterstützen
der Oxidationsreaktion des Verbrennungsbrennstoffes mit Sauerstoff
eingebaut. In der Heizeinrichtung 211 wird die Reaktionswärme durch
die durch den Katalysator unterstützte Oxidationsreaktion des
Verbrennungsbrennstoffes erzeugt, so dass die erzeugte Reaktionswärme zum
Erwärmen
des Verdampfers 212 verwendet wird. Ein Teil des Verbrennungsbrennstoffes,
der nicht zu der Oxidationsreaktion der Heizeinrichtung 211 beigetragen hat,
wird als Abgas (das Verbrennungsabgas) zu der Reinigungsvorrichtung 40 durch
ein Abgasrohr oder Abgaskanal B1 geleitet. Das Abgas hat im Allgemeinen
eine Temperatur von ungefähr
100 bis 200°C.
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Der
Verdampfer 212 wird mit dem zu reformierenden d.h. ursprünglichen
Brennstoff über
eine Brennstofflieferpumpe 50 und mit H2O über eine (nicht
gezeigte) Wasserpumpe beliefert. In dem Verdampfer 212 werden
der gelieferte zu reformierende Brennstoff und H2O
zu Mischdampf durch die durch die Heizeinrichtung 211 bereitgestellte
Wärme umgewandelt.
Der Mischdampf wird zu dem Reformierabschnitt 22 geliefert.
Der zu reformierende Brennstoff umfasst Kohlenwasserstoff, Alkohol,
Ether, Aldehyd und andere Substanzen, die Wasserstoffatome aufweisen.
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In
dem Reformierabschnitt 22 ist ein Katalysator eingebaut,
der aus einem Basismetallmaterial, wie beispielsweise eine Cu-Zn-Legierung,
ausgebildet ist und dem Unterstützen
der Reformierreaktion dient. In dem Reformierabschnitt 22 wird
der Mischdampf, der den zu reformierenden Brennstoff und H2O aufweist, die von dem Verdampfer 212 geliefert wurden,
durch die Dampfreformierreaktion und die Teiloxidationsreaktion
in das reformierte Gas umgewandelt, das Wasserstoff und Kohlendioxid
aufweist. Das reformierte Gas, das auch Kohlenmonoxid aufweist,
wird dem CO-Gehalt-Verringerungsabschnitt 23 zugeführt, der
den Gehalt an in dem reformierten Gas enthaltenen Kohlenmonoxid
vermindert.
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In
dem CO-Gehalt-Verringerungsabschnitt 23 ist ein Katalysator,
der aus Pt, Ru oder einem beliebigen anderen geeigneten Edelmetall
ausgebildet ist, oder ein Katalysator eingebaut, der aus Al ausgebildet
ist, um eine gewählte
Oxidationsreaktion zu unterstützen,
durch die das in dem reformierten Gas enthaltene Kohlenmonoxid zu
Kohlendioxid umgewandelt wird. Das reformierte Gas wird von dem CO-Gehalt-Verringerungsabschnitt 23 zu
der Brennstoffzelle 30 über
ein Reformatgasrohr oder einen Reformatgaskanal P2 geliefert.
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Ein
Abzweigungsrohr oder ein Abzweigungskanal P3 ist mit einem der entgegen
gesetzten Enden des Reformatgasrohres P2 verbunden und ist mit einer
Reformatgaslieferpumpe 51 versehen.
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Die
Brennstoffzelle 30 kann beispielsweise eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle
sein und in ihr ist eine Aufstapelung aus einer Vielzahl an übereinander
angeordneten Zellen eingebaut. Die Brennstoffzelle 30 ist
daran angepasst, dass sie als einen Brennstoff das von der Brennstoffreformiervorrichtung 20 gelieferte
reformierte Gas aufnimmt und elektrische Energie durch eine chemische
Reaktion des Brennstoffes erzeugt. Im Allgemeinen wird das von der
Brennstoffreformiervorrichtung 20 gelieferte reformierte
Gas zu der Anode der Brennstoffzelle 30 geleitet, während von
einer (nicht gezeigten) Luftpumpe gelieferte Luft zu der Kathode
geleitet wird. Ein Teil des reformierten Gases, das nicht für die chemische
Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle 30 verwendet wird,
kehrt als "Anodenableitungsgas" zu der Heizeinrichtung 211 der
Brennstoffreformiervorrichtung über
ein Rückkehrrohr
oder einen Rückkehrkanal
P4 zurück.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird
das Anodenableitungsgas als ein Teil des durch die Heizeinrichtung 211 verwendeten
Verbrennungsbrennstoffes verwendet.
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Bei
dem Reinigungssystem 10 von diesem Ausführungsbeispiel wird das Anodenableitungsgas außerdem über ein
Anodenableitungsgaslieferrohr oder einen Anodenableitungsgaslieferkanal
P5 zu der Reinigungsvorrichtung 40 geliefert. Das Anodenableitungsgaslieferrohr
P5 ist mit einem Strömungssteuerventil 52 versehen,
das betrieben werden kann, um den Mengenstrom des Anodenableitungsgases
von der Brennstoffzelle 30 zu der Reinigungsvorrichtung 40 zu
regeln. Das andere Ende des vorstehend erwähnten Abzweigungsrohrs P3 ist
mit dem Anodenableitungsgaslieferrohr 25 verbunden.
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Mit
dem Abgasrohr P5 ist eine Luftpumpe 53 verbunden, um Luft
in das Abgas in dem Rohr P5 nach Bedarf einzuleiten, um den Gehalt
der Luft in dem Abgas in dem Rohr P5 einzustellen.
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In
der Reinigungsvorrichtung 40 ist ein Reinigungskatalysator 41 eingebaut,
der ein aus Pt-Al2O3 oder
Palladium ausgebildeter Abgasreinigungskatalysator ist, der beispielsweise
im Allgemeinen für
Verbrennungsmotoren verwendet wird. Der nicht verbrannte Brennstoffbestandteil
(HC) und Kohlenmonoxid, die in dem Abgas enthalten sind, das von
der Heizeinrichtung 211 des Verdampfungsabschnittes 21 durch
das Abgasrohr P1 abgegeben wird und in die Reinigungsvorrichtung 40 eingeleitet
wird, werden zu H2O und Kohlendioxid durch
die von dem Reinigungskatalysator 41 unterstützte Oxidationsreaktion
gereinigt. Das so durch die Reinigungsvorrichtung 40 gereinigte
Abgas wird in die Umgebung abgegeben. Die Reinigungsvorrichtung 40 ist
mit einem Temperatursensor 54 zum Erfassen der Temperatur
innerhalb der Vorrichtung 40 versehen. Der innerhalb der
Reinigungsvorrichtung 40 eingebaute Reinigungskatalysator 41 wird üblicherweise
in einen ausreichend aktivierten Zustand bei einer Temperatur von
ungefähr
300 bis 500°C
versetzt. Dem gemäß ist es
erforderlich, die Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 (die
Temperatur des Katalysators 41) in der nachstehend beschriebenen
Weise so zu regeln, dass sie innerhalb eines vorbestimmten oder
geeignet wählbaren
Bereiches gehalten wird, um zu verhindern, dass nicht verbranntes
Abgas in die Umgebung abgegeben wird.
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Die
Steuervorrichtung 60 ist so eingerichtet, dass sie die
Reinigungsvorrichtung 40 und andere Bestandteile des Reinigungssystems 10 für die Brennstoffreformiervorrichtung 20 gemäß dieser
Erfindung steuert. Der Aufbau der Steuervorrichtung 60 ist
nachstehend detailliert unter Bezugnahme auf die schematische Blockdarstellung
von 2 beschrieben.
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Die
Steuervorrichtung 60 hat eine Zentralrecheneinheit (CPU) 61,
einen Festspeicher (ROM) 62 und einen wahlfreien Zugriffsspeicher
(RAM) 63. Die CPU 61 ist betreibbar, um verschiedene
arithmetische Operationen auszuführen.
Der ROM 62 speichert ein Steuerprogramm zum Ausführen einer
Temperatursteuerroutine zum Steuern der Temperatur innerhalb der
Reinigungsvorrichtung 40 innerhalb des vorbestimmten oder
gewählten
geeigneten Bereiches; eine Datentabelle, die eine vorbestimmte oder gewählte Beziehung
zwischen der Temperatur der Reinigungsvorrichtung 40 und
dem Öffnungswinkel des
Strömungssteuerventils 52 wiedergibt;
und andere Daten. Eine beispielartige Temperatursteuerroutine ist
in dem in 3 gezeigten Flussdiagramm gezeigt
und ein Beispiel der vorbestimmten oder gewählten Beziehung, die durch
die Datentabelle wiedergegeben wird, ist in der grafischen Darstellung von 4 gezeigt.
Der RAM 63 ist vorgesehen, um verschiedene Daten oder Informationen
vorübergehend
zu speichern, die als ein Ergebnis der durch die CPU 61 ausgeführten arithmetischen
Operationen erhalten werden.
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Die
CPU 61 und der ROM 62 sind miteinander für eine bidirektionale
oder unidirektionale Datenkommunikation verbunden. Die CPU 61 und
der RAM 63 sind miteinander für eine bidirektionale Datenkommunikation
verbunden. Mit der CPU 61 sind über eine (nicht gezeigte) Eingangs-Ausgangs- Schnittstelle die
Brennstofflieferpumpe 50, die Reformatgaslieferpumpe 51,
das Strömungssteuerventil 52,
die Luftpumpe 53 und der Temperatursensor 54 verbunden.
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Nachstehend
wird der Betrieb der Steuervorrichtung 60 zum Steuern des
Reinigungssystems 10 und insbesondere der Reinigungsvorrichtung 40 unter
Bezugnahme auf das in 3 gezeigte Flussdiagramm, in
dem die Temperatursteuerroutine gezeigt ist, und unter Bezugnahme
auf die grafische Darstellung von 4 beschrieben,
in der die vorstehend aufgezeigte vorbestimmte oder gewählte Beziehung gezeigt
ist, die verwendet wird, um den erwünschten Öffnungswinkel des Strömungssteuerventils 52 auf der
Grundlage der erfassten Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 zu
berechnen.
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Die
Temperatursteuerroutine von 3 wird bei
Schritt S100 gestartet, bei dem die CPU 61 der Steuervorrichtung 60 die
Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 auf der
Grundlage des Ausgabesignals von dem Temperatursensor 54 berechnet.
Dem Schritt S100 folgt der Schritt S110, bei dem die CPU 61 bestimmt,
ob das Reinigungssystem 10 sich bei einer Anfangsbetriebsperiode
befindet, bei der die Temperatur der Reinigungsvorrichtung 40 anfänglich geringer
als ein vorbestimmter oder gewählter
Grenzwert ist. Diese Bestimmung basiert auf der erfassten Temperatur
der Reinigungsvorrichtung 40 und dem Betriebszustand des
Reinigungssystems 10. Wenn die CPU 61 bestimmt,
dass das Reinigungssystem 10 sich nicht bei der Anfangsbetriebsperiode
befindet, das heißt,
wenn bei Schritt S110 eine negative Antwort (NEIN) erhalten wird,
geht der Steuerablauf zu Schritt S120 weiter, bei dem die CPU 61 den
erwünschten
Wert des Öffnungswinkels
des Strömungssteuerventils 52 in Übereinstimmung
mit der vorbestimmten oder gewählten
Beziehung aus 4, die durch die in dem ROM 62 gespeicherte Datentabelle
wiedergegeben wird, und auf der Grundlage der erfassten Temperatur
der Reinigungsvorrichtung 40 bestimmt. Es sollte aus der
grafischen Darstellung von 4 verständlich sein,
dass die Beziehung so formuliert ist, dass der erwünschte Öffnungswinkel
des Strömungssteuerventils 52 mit
der Abnahme der erfassten Temperatur zunimmt, so dass der Mengenstrom
des Anodenableitungsgases von der Brennstoffzelle 30 in
die Reinigungsvorrichtung 40 zunimmt, wenn die erfasste
Temperatur abnimmt. Bei Schritt S120 wird das Strömungssteuerventil 52 so
gesteuert, dass der somit bestimmte erwünschte Öffnungswinkel errichtet wird,
so dass der Mengenstrom des Anodenableitungsgases von der Brennstoffzelle 30 in
die Reinigungsvorrichtung 40 durch das Anodenableitungsgaslieferrohr 25 auf
einen Wert gesteuert wird, der dem errichteten Öffnungswinkel des Strömungssteuerventils 52 entspricht.
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Wie
dies bereits vorstehend beschrieben ist, wird die Temperatur des
von dem Verdampfungsabschnitt 21 der Brennstoffreformiervorrichtung 20 abgegebenen
Abgases im Allgemeinen innerhalb eines Bereiches zwischen ungefähr 100°C und ungefähr 200°C gehalten.
Das Abgas enthält
keinen Wasserstoff. Dem gemäß kann die
Temperatur des Reinigungskatalysators 41, der an der Reinigungsvorrichtung 40 eingebaut
ist, nicht bis zu oder oberhalb des oberen Grenzwertes von ungefähr 200°C beispielsweise
von dem geeigneten Bereich ansteigen, in dem der Reinigungskatalysator 41 ausreichend
aktiv ist. Des Weiteren kann bei dem Fehlen von Wasserstoff in dem
Abgas der Katalysator 41 nicht durch die Reaktionswärme erwärmt werden,
die durch die Oxidationsreaktion des Wasserstoffs erzeugt wird.
Das Reinigungssystem 10 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel
so eingerichtet, dass die Reinigungsvorrichtung 40 mit
dem Anodenableitungsgas beliefert wird, das von der Brennstoffzelle 30 abgegeben wird
und das nicht reformierten Brennstoff und Wasserstoff, der noch
nicht reagiert hat, enthält,
so dass der Wasserstoff, der in dem Anodenableitungsgas enthalten
ist, mit dem Sauerstoff durch den Katalysator 41 (katalytische
Verbrennung) reagiert, um die Wärme
einer Oxidationsreaktion zum Erwärmen
der Reinigungsvorrichtung 40 (des Katalysators 41)
auf eine Temperatur zu erzeugen, die gleich wie oder höher als
der untere Grenzwert des geeigneten Bereiches ist, in dem der Katalysator 41 sich
in einem ausreichend aktiven Zustand befindet. Wenn die Temperatur
innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 einen vorbestimmten
oder gewählten
oberen Grenzwert von ungefähr
1000°C,
beispielsweise von dem geeigneten Bereich, überschritten hat, wird der Öffnungswinkel
des Strömungssteuerventils 52 verringert,
um einen Anstieg der Temperatur der Reinigungsvorrichtung 40 bis
oberhalb 1000°C
zu verhindern, oberhalb der Stickoxide erzeugt werden. Somit kann
die Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 innerhalb
des vorbestimmten oder gewählten
geeigneten Bereiches gehalten werden, das heißt gleich wie oder höher als
der untere Grenzwert (beispielsweise ungefähr 300°C), oberhalb dem der Katalysator 41 ausreichend
aktiv ist, und geringer als der obere Grenzwert (beispielsweise
ungefähr
1000°C)
gehalten werden, oberhalb dem die Stickoxide in unerwünschter
Weise erzeugt werden.
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Der
Steuerablauf geht dann zu Schritt S130, bei dem die CPU 61 wiederum
die Temperatur der Reinigungsvorrichtung 40 auf der Grundlage
des Ausgabesignals des Temperatursensors 54 erfasst (berechnet).
Der Schritt 140 wird dann ausgeführt, um zu bestimmen, ob die
erfasste Temperatur gleich wie oder höher als der vorbestimmte oder
gewählte untere
Grenzwert ist, oberhalb dem der in der Reinigungsvorrichtung 40 eingebaute
Katalysator 41 sich in einem ausreichend aktivierten Zustand
befindet.
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Wenn
die CPU 61 bestimmt, dass die erfasste Temperatur gleich
wie oder höher
als der vorbestimmte oder gewählte
untere Grenzwert ist, d.h. wenn eine bestätigende Entscheidung (JA) bei Schritt
S140 erhalten worden ist, zeigt dies an, dass das von der Brennstoffreformiervorrichtung 20 in
die Reinigungsvorrichtung 40 durch das Abgasrohr P1 abgegebene
Abgas effektiv innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 gereinigt
werden kann. In diesem Fall wird ein Zyklus des Ausführens der
Temperatursteuerroutine beendet.
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Wenn
die CPU 61 bestimmt, dass die erfasste Temperatur der Reinigungsvorrichtung 40 geringer als
der vorbestimmte oder gewählte
untere Grenzwert ist, d.h. wenn eine negative Entscheidung (NEIN)
bei Schritt S140 erhalten wird, geht der Steuerablauf zu Schritt
S150 weiter, bei dem die Luftpumpe 53 eingeschaltet wird,
um Luft als Oxidationsmittel in die Reinigungsvorrichtung 40 durch
das Abgasrohr P1 einzuleiten. Der Umstand, dass die Temperatur der
Reinigungsvorrichtung 40 nicht bis auf den vorbestimmten
oder gewählten
unteren Grenzwert erhöht werden
kann, selbst wenn das Anodenableitungsgas zu der Reinigungsvorrichtung 40 geliefert
wird, zeigt an, dass die Oxidationsreaktion des Wasserstoffs nicht
ausreichend bewirkt wird, d.h. die Menge an Sauerstoff innerhalb
der Reinigungsvorrichtung 40 ist unzureichend. In diesem
Fall wird daher Sauerstoff enthaltende Luft als ein Oxidationsmittel
in die Reinigungsvorrichtung 40 zum Zwecke des Unterstützens der
Oxidationsreaktion innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 eingeleitet,
um dadurch die Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung anzuheben.
Die Menge an in die Reinigungsvorrichtung 40 einzuleitende
Luft kann in Übereinstimmung
mit einer vorbestimmten oder gewählten
Beziehung zwischen der erwünschten
einzuleitenden Menge an Luft, der Temperatur der Reinigungsvorrichtung 40 und
des Sauerstoffgehalts in dem Abgas auf der Grundlage der erfassten
Temperatur oder des erfassten oder bekannten Sauerstoffgehalts in
dem Abgas bestimmt werden. Diese Beziehung wird durch eine Datentabelle wiedergegeben,
die in ROM 62 gespeichert wird. Bei der Beendigung des
Einleitens der Luft in die Reinigungsvorrichtung 40 durch
die Luftpumpe 53 ist ein Ausführzyklus der Temperatursteuerroutine
beendet. Wie dies vorstehend beschrieben ist, kann die Oxidationsreaktion
innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 gesteuert werden,
indem das Oxidationsmittel in der Form von Luft in die Reinigungsvorrichtung 40 nach Bedarf
eingeleitet wird.
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Während sich
die vorstehend dargelegte Beschreibung auf die Art und Weise des
Steuerns der Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 bezieht,
bei der das Reinigungssystem 10 nicht in die Anfangsbetriebsperiode
bei einer relativ geringen Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 versetzt
ist, ist nachstehend eine Art und Weise des Steuerns der Temperatur
beschrieben, bei der das Reinigungssystem 10 in die Anfangsbetriebsperiode versetzt
ist.
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Wenn
die CPU 61 bestimmt, dass das Reinigungssystem 10 in
die Anfangsbetriebsperiode versetzt ist, werden die Temperaturen
innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 anfänglich geringer
als der vorbestimmte oder gewählte
Grenzwert (d.h. der untere Grenzwert) ist, d.h. wenn eine bestätigende
Entscheidung (JA) bei Schritt S110 bei dem gegenwärtigen Ausführzyklus
der Temperatursteuerroutine von 3 erhalten
wird, geht der Steuerablauf zu Schritt S160 weiter, bei dem die
Reformatgaslieferpumpe 51 aktiviert wird, um einen Teil
des von der Reformiervorrichtung 20 gelieferten Restreformatgases
in die Reinigungsvorrichtung 40 durch das Abzweigungsrohr
P3 und das Anodenableitungsgaslieferrohr P5 einzuleiten. Das von
der Reformiervorrichtung 20 gelieferte Restreformatgas
ist ein wasserstoffreiches Gas, so dass das Einleiten des reformierten
Gases in die Reinigungsvorrichtung 40 eine Oxidationsreaktion
des Wasserstoffs durch den Reinigungskatalysator 41 innerhalb
der Reinigungsvorrichtung 40 bewirkt, so dass der Reinigungskatalysator 41 innerhalb
der Reinigungsvorrichtung 40 auf den oder bis über den
unteren Grenzwert des vorbestimmten oder gewählten geeigneten Bereiches
erwärmt
werden kann, innerhalb dem der Katalysator 41 in einem
ausreichend aktivierten Zustand ist. Die Wasserstoffkonzentration
des wasserstoffreichen, reformierten Gases ist erheblich höher als
jene des Anodenableitungsgases, so dass die Temperatur des Reinigungskatalysators 41 schnell
auf den oder bis über
den unteren Grenzwert des geeigneten Bereiches bei dem Vorhandensein
des an Wasserstoff reichen reformierten Gases innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 erhöht werden
kann, selbst wenn die Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 am
Anfang gering ist. Es sollte ebenfalls beachtet werden, dass, selbst
wenn das Reinigungssystem 10 sich in der Anfangsbetriebsperiode
befindet, die Temperatur des von der Reinigungsvorrichtung 20 gelieferten
Restreformatgases einige 100°C
hoch sein kann, so dass die Reinigungsvorrichtung 40 mit
der Wärmeenergie des
reformierten Gases erwärmt
werden kann. Die Temperatur des von der Reformervorrichtung 20 gelieferten
Restreformgases für
die Brennstoffzelle der Schmelzkarbonatart oder der Brennstoffzelle
der Festoxidart beträgt
beispielsweise 300 bis 900°C.
Es sollte des Weiteren beachtet werden, dass, wenn die Brennstoffzelle 30 von
der Schmelzkarbonatart oder von der Festoxidart ist, die Temperatur
des Kathodenabgases und des Anodenableitungsgases, das von der Brennstoffzelle 30 abgegeben
wird, eine Höhe
von 600 bis 1000°C
hat, wobei die Reinigungsvorrichtung 40 ebenfalls unter
Verwendung des Kathodenabgases oder des Anodenableitungsgases erwärmt werden
kann. Außerdem
kann die Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 so
gesteuert werden, dass sie innerhalb des vorbestimmten oder gewählten geeigneten
Bereiches gehalten wird, indem der Mengenstrom des reformierten
Gases oder des Kathodenabgases und des Anodenableitungsgases von
der Brennstoffreformiervorrichtung 20 der Brennstoffzelle 30 zu
der Reinigungsvorrichtung 40 geeignet eingestellt wird.
Wie dies vorstehend erwähnt
ist, liegt der geeignete Bereich der Temperatur der Reinigungsvorrichtung 40 zwischen
dem unteren Grenzwert, oberhalb dem der Katalysator in ausreichender
Weise aktiv ist, und dem oberen Grenzwert, oberhalb dem die Stickoxide
in unerwünschter
Weise erzeugt werden. Beispielsweise ist der geeignete Temperaturbereich
zwischen 300°C
und 1000°C
bei diesem Ausführungsbeispiel.
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Das
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung aufgebaute Reinigungssystem 10 zum
Reinigen des von der Brennstoffreformiervorrichtung 20 abgegebenen
Abgases ist so eingerichtet, dass es zu einem Einleiten des von
der Brennstoffzelle 30 abgegebenen Anodenableitungsgases
in die Reinigungsvorrichtung 40 in der Lage ist, wie dies
vorstehend beschrieben ist, so dass die Temperatur der Reinigungsvorrichtung 40 innerhalb des
geeigneten Bereiches gehalten werden kann, in dem der innerhalb
der Reinigungsvorrichtung 40 eingebaute Reinigungskatalysator 41 in
ausreichender Weise außerordentlich
aktiv ist.
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Des
Weiteren ist das Reinigungssystem 10 so eingerichtet, dass
es zu einem Einleiten eines Teils des von der Brennstoffreformiervorrichtung 20 gelieferten
reformierten Gases in die Reinigungsvorrichtung 40 in der
Lage ist, wenn das Reinigungssystem 10 in eine Anfangsbetriebsperiode
versetzt ist, wobei die Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 am
Anfang geringer als der vorbestimmte oder gewählte untere Grenzwert ist.
Dem gemäß kann die
Temperatur der Reinigungsvorrichtung 40, d.h. die Temperatur
des innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 eingebauten
Reinigungskatalysators 41 schnell bis auf den oder bis über den
unteren Grenzwert des geeigneten Bereiches erhöht werden, indem der Katalysator 41 in
einem ausreichend aktivierten Zustand ist.
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Bei
dem Reinigungssystem 10 kann daher das von der Brennstoffreformiervorrichtung 20 abgegebene
Abgas durch eine Umwandlung von HC, Kohlenmonooxid und anderen in
dem Abgas enthaltenen Bestandteilen zu H2O,
Kohlendioxid und anderen Bestandteilen gereinigt werden, die in
die Umgebung abgegeben werden. Daher kann das Reinigungssystem 10 eine
Verschmutzung der Umwelt verhindern.
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Die
in dem Reinigungssystem 10 vorgesehene Reinigungsvorrichtung 40 ist
mit dem Reinigungskatalysator 41 versehen, um eine Oxidationsreaktion (katalytische
Verbrennung) zu bewirken, um das von der Brennstoffreformiervorrichtung 20 empfangene Abgas
zu reinigen. Die Nutzung der Oxidationsreaktion durch den Katalysator 41 ermöglicht,
dass die Betriebstemperatur der Reinigungsvorrichtung 40 unterhalb
des oberen Grenzwertes von ungefähr 1000°C gehalten
wird, oberhalb der Stickoxide in unerwünschter Weise erzeugt werden.
Dem gemäß enthält das von
der Reinigungsvorrichtung 40 abgegebene Abgas keine Stickoxide,
selbst wenn das von der Brennstoffzelle 30 abgegebene Anodenableitungsgas
Stickstoff enthält.
Doch muss die Temperatur der Reinigungsvorrichtung 40 nicht
niedriger als ungefähr
1000°C gehalten
werden. In diesem Zusammenhang kann ein geeigneter Katalysator vorgesehen
sein, um die Stickoxide zu reduzieren (Reduktionsreaktion), wenn
diese in dem von der Reinigungsvorrichtung 40 abgegebenen
Abgas enthalten sind, während
die Temperatur höher
als 1000°C
ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird der Katalysator 41 zum Reinigen in der Reinigungsvorrichtung 40 angewendet.
Daher kann das Reinigungssystem klein und einfach sein.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Reinigungssystems der vorliegenden Erfindung ist beispielartig
für das
Reinigen des von der Brennstoffreformiervorrichtung abgegebenen
Abgases beschrieben. Jedoch sollte verständlich sein, dass dieses bevorzugte
Ausführungsbeispiel
lediglich veranschaulichendem Zwecke und dem vereinfachten Verständnis des
Prinzips der Erfindung dient.
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Beispielsweise
kann die Reinigungsvorrichtung 40, in der der Reinigungskatalysator 41 eingebaut
ist, zum Zwecke des Bewirkens einer Oxidationsreaktion zum Reinigen
des von der Brennstoffreformiervorrichtung 20 abgegebenen
Abgases durch eine Reinigungsvorrichtung ersetzt werden, die einen Brenner
verwendet, der beispielsweise zu einem Verbrennen des Anodenableitungsgases
in der Lage ist, um das von der Brennstoffreformiervorrichtung 20 empfangene
Abgas zu reinigen.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Reformatgas-Lieferpumpe 51 aktiviert,
um einen Teil des reformierten Gases von der Brennstoffreformiervorrichtung 20 in
die Reinigungsvorrichtung 40 einzuleiten. Jedoch kann die
Brennstofflieferpumpe 50 auch aktiviert werden, um den
ursprünglichen
Brennstoff d.h. den zu reformierenden Brennstoff in die Brennstoffreformiervorrichtung 20 einzuleiten,
so dass das Restreformatgas in der Brennstoffreformiervorrichtung 20 aus
der Brennstoffreformiervorrichtung 20 in die Reinigungsvorrichtung 40 herausgedrängt wird.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird
der Öffnungswinkel
des Strömungssteuerventils 52 in
geeigneter Weise in Übereinstimmung
mit der vorbestimmten oder gewählten
Beziehung (die durch die gespeicherte Datentabelle wiedergegeben
ist) zwischen dem erwünschten Öffnungswinkel
des Strömungssteuerventils 52 und
auf der Grundlage der erfassten Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 gesteuert.
Jedoch kann das Strömungssteuerventil 52 lediglich
dann geöffnet
werden, wenn die Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 bis
unterhalb des unteren Grenzwertes des vorbestimmten oder gewählten geeigneten Bereiches
abgesenkt ist, so dass die Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 bei
oder oberhalb des unteren Grenzwertes gehalten werden kann.
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Während das
Reinigungssystem 10 gemäß dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
bei einer Brennstoffreformiervorrichtung 20 angewendet
ist, das den vorstehend lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung
beschriebenen Aufbau hat, kann das Prinzip der vorliegenden Erfindung
in gleicher Weise bei einer Bremsstoffreformiervorrichtung angewendet
werden, die einen modifizierten Aufbau in Abhängigkeit von der Art des ursprünglichen
Brennstoffes, d.h. des zu reformierenden Brennstoffes hat, beispielsweise
eine Brennstoffreformiervorrichtung, die des Weiteren einen Wandlerabschnitt
hat, der zum Umwandeln von Kohlenmonoxid und H2O
zu Kohlendioxid und Wasserstoff betätigt werden kann. Genauer gesagt
ist das Reinigungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung mit den vorstehend beschriebenen Vorteilen bei jeder Art
an Brennstoffreformiervorrichtung anwendbar, von der Abgas abgegeben
wird.
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Es
sollte ebenfalls beachtet werden, dass die in 4 gezeigte
Beziehung, die durch die Tabelle der gespeicherten Daten wiedergegeben
ist und die dem Bestimmen des erwünschten Mengenstroms des Anodenableitungsgases
von der Brennstoffzelle 30 zu der Reinigungsvorrichtung 40 dient,
und die Beziehung, die durch die Datentabelle zum Bestimmen der
Menge an Einleitluft in die Reinigungsvorrichtung 40 wiedergegeben
ist, lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung dargelegt sind.
Des Weiteren können
beliebige andere Parameter als jene, die vorstehend beschrieben
sind, zum Bestimmen des Mengenstroms des Anodenableitungsgases und
der Menge an Einleitluft unter der Voraussetzung verwendet werden,
dass die Temperatur innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40 innerhalb
des geeigneten Bereiches gehalten werden kann, in dem der Katalysator 41 ausreichend
aktiv ist.
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Das
dargestellte Ausführungsbeispiel
verwendet das Anodenableitungsgas und das reformierte Gas als ein
Reaktions-Unterstützungsgas
zum Unterstützen
der Oxidationsreaktion innerhalb der Reinigungsvorrichtung 40.
Jedoch können
andere Gase als das Reaktions-Unterstützungsgas
verwendet werden. Wenn das Reinigungssystem bei einem Hybridfahrzeug
vorgesehen ist, das einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor
als Antriebsquellen hat, beispielsweise, kann ein Abschnitt oder die
Gesamtheit des von dem Verbrennungsmotor abgegebenen Abgases als
das Reaktions-Unterstützungsgas
verwendet werden. Des Weiteren kann das Abgas des Verbrennungsmotors
zum Steuern der Temperatur der Reinigungsvorrichtung 40 innerhalb des
geeigneten Bereiches genutzt werden. Es sollte außerdem beachtet
werden, dass die Reinigungsvorrichtung 40 zum Reinigen
des Abgases des Verbrennungsmotors zusammen mit dem Abgas der Brennstoffreformiervorrichtung 20 verwendet
werden kann. In diesem Fall kann das Abgasrohr P1 mit dem Abgasrohr
des Verbrennungsmotors verbunden sein.
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Es
sollte verständlich
sein, dass das Strömungssteuerventil 52,
das Anodenableitungsgas-Lieferrohr
oder der Anodenableitungsgas-Lieferkanal 25 und ein Abschnitt
der Steuervorrichtung 60, der zum Ausführen des Schrittes S100 gedacht
ist, miteinander zusammenwirken, um eine Abgas-Einleiteinrichtung
zu bilden. Es sollte außerdem
verständlich
sein, dass die Reformatgaspumpe 51, das Abzweigungsrohr
oder der Abzweigungskanal 22 und ein Abschnitt der Steuervorrichtung 60,
der zum Ausführen
des Schrittes S160 gedacht ist, miteinander zusammenwirken, um eine
Einleiteinrichtung für den
reformierten Brennstoff zu bilden.
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Das
Reinigungssystem umfasst die Reinigungsvorrichtung 40 zum
Reinigen des von einer Brennstoffreformiervorrichtung 20 abgegebenen
Verbrennungsabgases, das Strömungssteuerventil 52 zum
Einleiten des von der Brennstoffzelle 30 abgegebenen Anodenableitungsgases
in die Reinigungsvorrichtung durch das Anodenableitungsgaslieferrohr P5
und die Steuervorrichtung 60 zum Steuern des Öffnungswinkels
des Strömungssteuerventils
auf der Grundlage der durch den Temperatursensor 54 erfassten
Temperatur der Reinigungsvorrichtung, so dass eine Oxidationsreaktion
des Wasserstoffs durch einen in der Reinigungsvorrichtung eingebauten
Katalysator 41 durch das eingeleitete Anodenableitungsgas
unterstützt
wird, das nicht reagierten Wasserstoff und einen zu reformierenden
Brennstoff, der nicht durch den Reformierabschnitt 22 reformiert worden
ist, enthält.
Die Temperatur des Katalysators in der Reinigungsvorrichtung wird
durch die Wärme der
Oxidationsreaktion des Wasserstoffs auf eine Höhe angehoben, bei der der Katalysator
in ausreichender Weise aktiviert wird, so dass das Verbrennungsgas
durch die Reinigungsvorrichtung gereinigt wird.