DE10148620B4 - Wasserstoffversorgungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Erzeugen und zum Zuführen Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle (60, 160), mit:
einem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal (A);
einem Hochtemperaturströmungsmittelkanal (B);
einem ersten thermischen Rotationsspeicher (41, 201, 131) mit einer Vielzahl an ersten Durchgangslöchern (41a), durch die ein Niedrigtemperatur- und ein Hochtemperaturkanal hindurch verlaufen, wobei der erste thermische Rotationsspeicher für eine Drehung angetrieben wird und wobei ein Reformierungs-Katalysator auf der Oberfläche der ersten Durchgangslöcher (41a) vorgesehen ist;
einem Reformierungsmaterialzuführabschnitt (10, 30, 110) zum Zuführen des Reformierungsmaterials zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers; und
einem Verbrennungsgaszuführabschnitt (70, 170) zum Erzeugen und zum Zuführen eines Verbrennungsgases zu dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers,
wobei der erste thermische Rotationsspeicher sich dreht, um sich abwechselnd zwischen dem Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturströmungsmittelkanal derart zu bewegen, daß der erste thermische Rotationsspeicher einen Reformierungsabschnitt (40, 130) bildet, und zwar um katalytisch das Reformierungsmaterial, welches in...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff entsprechend einer Reformierungsreaktion eines Reformierungsmaterials und zum Zuführen des hergestellten Wasserstoffs zu einer Wasserstoffverbrauchsvorrichtung.
  • In herkömmlicher Weise ist ein Reformierungsgerät, in welchem ein wasserstoffreichhaltiges Gas durch Reformieren einer Wasserstoff-Kohlenstoff-Verbindung hergestellt wird, als eine Vorrichtung gut bekannt, um Wasserstoff einer Brennstoffzelle zuzuführen. In dem Reformierungsgerät wird der Wasserstoff dadurch hergestellt, indem Material reformiert wird, welches eine Kohlenwasserstoffverbindung enthält, und zwar mit Hilfe einer katalytischen Reaktion bei einer hohen Temperatur (Dampfnebel-Reformierungsreaktion). Um die Dampfnebel-Reformierungsreaktion durchzuführen, ist es erforderlich, das Reformierungsgerät auf einer hohen Temperatur zu halten. Ein herkömmliches Verfahren zum Halten des Reformierungsgerätes auf einer hohen Temperatur besteht darin, das Reformierungsgerät bei seiner Verwendung aufzuheizen, und zwar unter Verwendung der Verbrennungshitze basierend auf der Verbrennung des nicht reagierten Gases (Abgas, welches Wasserstoff enthält), welches aus der Brennstoffzelle ausgestoßen wird.
  • Als ein Reformierungsgerät der oben erläuterten Art ist ein Gerät bekannt, welches in der JP 11-343101 A offenbart ist. Dieses Reformierungsgerät besitzt eine Verbrennungskammer und eine Reformierungskammer, die durch eine Isolierwand getrennt sind und bei dem Wärme zwischen der Verbrennungskammer und der Reformierungskammer über die Isolierwand ausgetauscht wird. Die Verbrennungshitze, die durch Verbrennen des Brennstoffes erzeugt wird (des Abgases), und zwar in der Verbrennungs kammer, bewirkt, daß die Reformierungskammer aufgeheizt wird, so daß das Reformierungsmaterial, welches in der Reformierungskammer strömt, zu einem Gas reformiert wird, welches Wasserstoff (reformiertes Gas) enthält, und zwar mit Hilfe eines Reformierungskatalysators in der Reformierungskammer.
  • Da jedoch die Verbrennungshitze, die in der Verbrennungskammer erzeugt wird, indirekt den Reformierungskatalysator aufheizt, und zwar durch die Isolierwand hindurch, ist der Wärmewiderstand groß und die Temperaturzunahme ist langsamer, so daß die Anlaufzeitsteuerung der Reformierungsreaktion verzögert wird. Ferner ist das herkömmliche Reformierungsgerät mit einem Nachteil behaftet, daß nämlich schädliche Bestandteile, wie beispielsweise nicht verbrannte Komponenten in dem Verbrennungsgas in die Atmosphäre ausgestoßen werden, ohne gereinigt zu werden, und zwar speziell während der Anlaufzeit für die Aktivierung. Ferner ist es mit Nachteilen behaftet, das herkömmliche Reformierungsgerät, welches eine relativ große Wärmeübertragungsfläche oder -körper benötigt, um eine erforderliche Menge einer Wärmeübertragung sicherzustellen, an einem Fahrzeug anzuwenden, dessen Installationsraum eingeschränkt ist.
  • Darüber hinaus ist die Dampfnebel-Reformierungsreaktion, die eine endotherme Reaktion ist und die Wärme von außerhalb benötigt, nützlich oder vorteilhaft reichhaltiges Wasserstoffgas zu erhalten, wobei aber der herkömmliche Wärmeaustauscher nicht ausreichend bemessen ist, um die Wärme zuzuführen. Es ist daher allgemein üblich, eine Teil-Oxidations-Reformierungsreaktion zu verwenden (eine exotherme Reaktion), bei der Luft zu dem Reformierungsmaterial hinzugegeben wird, und zwar gleichzeitig mit der Dampfnebel-Reformierungsreaktion.
  • Es wird jedoch Sauerstoff in der Luft bei der Teil-Oxidations-Reformierungsreaktion verwendet, um das Reformierungsmaterial zum Reagieren zu bringen. Das Stickstoffgas, welches in der Luft vorhanden ist, bewirkt eine Verdünnung der Dichte des Wasserstoffgases, so daß der Wirkungsgrad der Energieerzeugung der Brennstoffzelle abgesenkt wird. Ferner ist die bekannte Vorrichtung mit einem Nachteil behaftet dahin gehend, daß eine Menge des Gases, welches durch die Kanäle hindurch läuft, und zwar zum Zwecke der Brennstoffreformierung, zunimmt, und auch mit einem höheren Strömungsverlust und einer Zunahme einer Antriebskraft zum Zuführen des Sauerstoffes verbunden ist.
  • Ferner ist die herkömmliche Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff in der Dampfnebel-Reformierungsreaktion auf einer stromabwärtigen Seite eines Reformierungsabschnitts mit einem CO-Beseitigungsabschnitt vorgesehen, in welchem CO aus dem wasserstoffreichhaltigen Gas beseitigt wird. In dem CO-Beseitigungsabschnitt wird eine Verschiebungsreaktion (CO + H2O → H2 + CO2) und eine Oxidationsreaktion (CO + 1/2O2 → CO2) durchgeführt. Da die Verschiebereaktion Feuchtigkeit (einen Dampfnebel) benötigt, neigt das Reformierungsmaterial dazu, Feuchtigkeit zu enthalten, deren Menge die Menge überschreitet, die für die Reformierungsreaktion erforderlich ist.
  • Daher ist auch eine Konstruktion des Verdampfungsabschnitts für das Verdampfen und die Dampfbildung des Reformierungsmaterials größer, da die Feuchtigkeit, deren Menge die Menge überschreitet, die für die Reformierungsreaktion erforderlich ist, ebenfalls verdampft und in Dampfform übergeführt werden muß. Ferner stößt die Brennstoffzelle, welcher der Wasserstoff zugeführt wird, Abgas aus, welches eine große Menge an Feuchtigkeit enthält.
  • Darüber hinaus enthält das wasserstoffreiche Gas, welches in dem Reformierungsabschnitt erzeugt wird und der Brennstoffzelle zugeführt wird, Verunreinigungen, die von dem Wasserstoff verschieden sind, wie beispielsweise Stickstoff und Kohlendioxid. Demzufolge ist die Dichte des Wasserstoffes, der in dem wasserstoffreichen Gas enthalten ist, niedriger, so daß der Wirkungsgrad der Energieerzeugung der Brennstoffzelle niedriger liegt.
  • Aus der WO 82/02547 A1 ist eine Wasserstoffversorgungseinrichtung mit einer Matrix mit einem Rotationswärmespeicher bekannt, welche einen Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal und einen Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal aufweist. Die Verbrennungs- und Reformierungsabschnitte sind in der Matrix des Wärmetauschers ausgebildet.
  • Die US 4025 612 A und die US 4 007 015 A offenbaren eine Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff durch Konvertierung von Kohlenmonoxid mittels Dampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff. Dabei wird ein drehbarer Wärmetauscher verwendet.
  • Im Hinblick auf das oben erläuterte Problem besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu schaffen, in welcher Wasserstoff aus einem Reformierungsmaterial erzeugt wird, welches einer Brennstoffzelle zugeführt wird, die eine höhere Aktivierungsgeschwindigkeit der Reformierungsreaktion bei einer Anlaß- oder Startzeit besitzt. Ferner soll eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung geschaffen werden, die eine begrenzte Menge an schädlichen Komponenten einer Brennstoffzelle in die Luft ausstößt, was ein anderes Ziel darstellt. Ferner besteht ein weiteres Ziel darin, eine kompakte Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu schaffen, bei der Feuchtigkeit aus dem Abgas einer Brennstoffzelle gesammelt wird und zu einem CO-Beseitigungsabschnitt zugeführt wird. Darüber hinaus besteht ein weiteres Ziel darin, eine kompakte Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu schaffen, bei der Verunreinigungen, die von dem Wasserstoff verschieden sind und in dem wasserstoffreichen Gas enthalten sind, welche in einem Reformierungsabschnitt erzeugt wurden, beseitigt werden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 10, 21 und 26 gelöst. Dabei besitzt bei der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Herstellen und Zuführen von Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle ein Reformierungsabschnitt einen ersten thermischen Rotationsspeicher, durch den Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturkanäle hindurch verlaufen. Der erste thermische Rotationsspeicher besitzt eine Rotationswelle, um die der thermische Rotationsspeicher herum angetrieben wird, um sich zu drehen. Das Reformierungsmaterial wird dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers zugeführt. Ein Verbrennungsgas-Versorgungsabschnitt zum Erzeugen und zum Zuführen eines Verbrennungsgases ist in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromabwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers gelegen.
  • Bei der oben erläuterten Wasserstoffversorgungsvorrichtung dreht sich der erste thermische Rotationsspeicher, wobei er sich abwechselnd zwischen dem Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturströmungsmittelkanal bewegt, so daß in dem Reformierungsabschnitt das Reformierungsmaterial, welches in den Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal hineinströmt, katalytisch reformiert wird, und zwar in ein reformiertes Gas, welches Wasserstoff enthält, und zwar nach dem Empfang der Verbrennungshitze des Verbrennungsgases, welches in der Hochtemperaturströmungsmittelleitung strömt.
  • Wie oben erläutert ist, wird der erste thermische Rotationsspeicher direkt durch das Hochtemperaturströmungsmittel aufgeheizt, so daß die Temperatur desselben effektiv mit einer höheren Ansprecheigenschaft erhöht wird. Demzufolge startet die Reformierungsreaktion zum Startzeitpunkt der Vorrichtung in einer kürzeren Zeit, da der Katalysator schneller aktiviert wird.
  • Ferner ist auch die Wärmeübertragungsmenge pro Flächeneinheit größer, da der Wärmeaustausch zwischen dem Hochtemperatur- und Niedrigtemperaturströmungsmittel nicht über eine herkömmliche Isolierwand vorgenommen wird, die dazwischen angeordnet ist und dabei eine Wärmeübertragungsfläche selbst durch das Hochtemperaturströmungsmittel aufgeheizt wird. Demzufolge ist der Wirkungsgrad des Wärmeaustausches höher und die Wärmeübertragungsfläche zur Sicherstellung der erforderlichen Wärmeübertragungsmenge ist auf eine kleinere Fläche beschränkt, so daß die Vorrichtung selbst kompakter ausgeführt werden kann.
  • In bevorzugter Weise ist ein Paar von ersten Flanschen in Gleitkontakt mit sich gegenüberliegenden axialen Enden des ersten thermischen Rotationsspeichers angeordnet. Jeder der ersten Flansche ist in zwei Zonen aufgeteilt, von denen eine mit dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal kommuniziert und von denen die andere mit dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal kommuniziert. Der erste thermische Rotationsspeicher ist in seinem Inneren mit einer Vielzahl von ersten Durchgangslöchern ausgestattet, die sich axial erstrecken. Bei dieser Konstruktion strömt das Verbrennungsgas, welches das Abgas enthält, und zwar vor der katalytischen Verbrennung, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal strömt, durch die ersten Durchgangslöcher hindurch, deren Öffnungsenden der einen der zwei Zonen des ersten Flansches gegenüber liegen, und das Reformierungsmaterial, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal strömt, verläuft durch die ersten Durchgangslöcher, deren Öffnungsenden der anderen einen der zwei Zonen des ersten Flansches gegenüber liegen.
  • Es ist zu bevorzugen, daß der erste thermische Rotationsspeicher an den Flächen der ersten Durchgangslöcher mit einem Reformierungskatalysator ausgestattet ist.
  • Der Verbrennungsgaszuführabschnitt ist vorgesehen, und zwar bevorzugt mit einem Verbrennungsbrennstoffversorgungsabschnitt zum Zuführen des Verbrennungsbrennstoffes und mit einer Zündeinrichtung zum Zünden des Verbrennungsbrennstoffes, um das Verbrennungsgas zu erzeugen. Da der Verbrennungsbrennstoffzuführabschnitt, in welchem Brennstoff für eine schnellere Aktivierung des Katalysators zugeführt wird und entzündet wird, mit dem Verbrennungsgaszuführabschnitt integriert ist, in welchem das Abgas zugeführt wird, kann die Vorrichtung kompakter ausgeführt werden.
  • Es ist zu bevorzugen, daß ein Verdampfungsabschnitt einen zweiten Rotationsspeicher enthält, dessen Konstruktion ähnlich ist der Konstruktion des ersten thermischen Rotationsspeichers. Der zweite Rotationsspeicher ist in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers angeordnet und auch in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromabwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers. Wenn sich der zweite thermische Rotationsspeicher dreht und sich abwechselnd zwischen den Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturströmungsmittelkanälen zu bewegen, wird das Reformierungsmaterial, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal strömt, erhitzt und wird durch die Verbrennungshitze des Verbrennungsgases verdampft, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal strömt.
  • In bevorzugter Weise besitzen der erste und der zweite thermische Rotationsspeicher die gleiche Drehwelle oder der erste und der zweite thermische Rotationsspeicher sind in einen einzigen Körper integriert, um einen gemeinsamen thermischen Rotationsspeicher zu bilden.
  • Der gemeinsame thermische Rotationsspeicher kann eine Konstruktion besitzen, bei der ein Abschnitt des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers auf einer stromaufwärtigen Seite des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals dem Verdampfungsab schnitt entspricht, und ein Abschnitt des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers auf einer stromabwärtigen Seite des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals dem Reformierungsabschnitt entspricht, oder kann eine Konstruktion haben, bei der ein identischer Abschnitt des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers sowohl dem Verdampfungsabschnitt als auch dem Reformierungsabschnitt entspricht.
  • Es ist zu bevorzugen, daß ein Abgasreinigungsabschnitt, der einen Abgasreinigungskörper besitzt, welcher mit genügend Abgasdurchgangslöchern und einem Oxidationskatalysator ausgestattet ist, der an den Oberflächen der Abgasdurchgangslöcher angeheftet ist, in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromabwärtigen Seite des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers angeordnet ist. Der Oxidationskatalysator dient dazu, die Oxidationsreaktion von überschüssigem Sauerstoff und noch nicht reagierten Komponenten, wie beispielsweise von CO, die in dem reformierten Gas enthalten sind, zu fördern. Der Abgasreinigungsabschnitt ist ferner mit einer Heizeinrichtung ausgestattet, um den Abgasreinigungskörper zum Zwecke einer schnelleren Aktivierung des Katalysators aufzuheizen und/oder ist auf einer stromaufwärtigen Seite des Abgasreinigungskörpers mit einem Adsorptionsstoff ausgestattet, der schädliche Komponenten selbst dann adsorbiert, bevor der Katalysator die Aktivierungstemperatur erreicht.
  • Die Wasserstoffversorgungsvorrichtung ist mit einem Reformierungsgaskanal ausgestattet, durch den das reformierte Gas, welches in dem Reformierungsabschnitt erzeugt wurde, hindurch gelangt, ist mit einem Abgasdurchgang ausgestattet, durch den das Abgas, welches Wasserstoff enthält, welches nicht in ausreichender Weise in der Wasserstoffverbrauchsvorrichtung verbraucht wurde, hindurch verläuft, und ist mit einem dritten thermischen Rotationsspeicher ausgestattet, der ausreichend dritte Durchgangslöcher besitzt, durch die Reformierungsgas- und Abgaskanäle hindurch verlaufen. Der dritte thermische Rotationsspeicher wird angetrieben, damit er sich dreht, und ist an den Oberflächen der dritten Durchgangslöcher mit einem Adsorptionsmittel versehen, um wenigstens eines spezifizierter Materialien zu adsorbieren, welches in dem reformierten Gas und in dem Abgas enthalten ist.
  • Auf der Grundlage dieser Konstruktion dreht sich der dritte thermische Rotationsspeicher, um sich abwechselnd zwischen den Reformierungsgas- und den Abgaskanälen zu bewegen, so daß wenigstens eines von spezifizierten Materialien, welches durch das Adsorptionsmittel adsorbiert wurde, und zwar in einem der Reformierungsgas- und Abgaskanälen, aus dem Adsorptionsmittel ausgetrieben wird, und zwar in dem anderen einen der Reformierungsgas- und Abgaskanäle.
  • Ferner kann der dritte thermische Rotationsspeicher auch einen CO-Beseitigungsabschnitt bilden, um auf katalytischem Weg CO aus dem reformierten Gas zu beseitigen, welches in dem Reformierungsgaskanal strömt. Das spezifizierte Material kann Feuchtigkeit sein, die in dem Abgas enthalten ist, welches in dem Abgaskanal strömt, so daß die Feuchtigkeit, nachdem sie aus dem Adsorptionsmittel ausgetrieben wurde, und zwar in dem Reformierungsgaskanal, katalytisch mit dem CO zur Reaktion gebracht wird, welches in dem reformierten Gas auf Grund der Verschiebereaktion enthalten ist.
  • Ferner kann das spezifizierte Material auch Stickstoff und/oder Kohlendioxid sein, welches in dem reformierten Gas enthalten ist, welches in dem Reformierungsgaskanal strömt. Demzufolge wird die Wasserstoffdichte des reformierten Gases höher.
  • Darüber hinaus ist die Wasserstoffversorgungsvorrichtung mit einem Reformierluftkanal ausgestattet, durch den Reformierluftkanal hindurch gelangt, ist mit einem Luftbefeuchtungsabgaskanal ausgestattet, durch den Abgas, welches Wasserstoff enthält, welches in der Wasserstoffverbrauchsvorrichtung nicht in ausreichender Weise verbraucht wurde, hindurch strömt, und ist mit einem vierten thermischen Rotationsspeicher ausgestattet, der ausreichend viele vierte Durchgangslöcher besitzt, durch die die Reformierluft hindurch gelangt und auch der Luftbefeuchtungsabgaskanal hindurch verläuft. Der vierte thermische Rotationsspeicher wird für eine Drehung angetrieben und es ist an den Oberflächen der vierten Durchgangslöcher ein Wasseradsorptionsstoff vorgesehen, um Feuchtigkeit zu adsorbieren.
  • Bei dieser Konstruktion wird der vierte thermische Rotationsspeicher in Drehung versetzt, um sich abwechselnd zwischen dem Reformierluftkanal und dem Luftbefeuchtungsabgaskanal zu bewegen, so daß der vierte Rotationsspeicher einen Reformierluftbefeuchtungsabschnitt darstellt, in welchem Feuchtigkeit, die von dem Wasseradsorptionsstoff adsorbiert wurde, und zwar in dem Luftbefeuchtungsabgaskanal, aus dem Wasseradsorptionsstoff in dem Reformierluftkanal ausgetrieben wird und erneut als Reformierluft verwendet wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung als auch Verfahren zum Betreiben derselben und die Funktion miteinander in Beziehung stehender Teile ergeben sich aus einem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung, der anhängenden Ansprüche und der Zeichnungen, die alle Bestandteil dieser Anmeldung sind. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild, welches eine allgemeine Konstruktion einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht;
  • 2 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung der Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung von 1 veranschaulicht;
  • 3 eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines Verdampfungsabschnitts der Wasserstoffversorgungsvorrichtung von 2;
  • 4A eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht einer Matrix des thermischen Rotationsspeichers von 3;
  • 4B eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht einer anderen Matrix des thermischen Rotationsspeichers von 3;
  • 5 eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines Reformierungsabschnitts der Wasserstoffversorgungsvorrichtung von 2;
  • 6 eine konzeptmäßiges Diagramm eines Steuersystems der Wasserstoffversorgungsvorrichtung von 2;
  • 7A eine vergrößerte Querschnittsansicht eines zweiten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitts gemäß der zweiten Ausführungsform;
  • 7B eine Ansicht gemäß einer Linie VIIB-VIIB in 7A;
  • 8 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht;
  • 9 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform veranschaulicht;
  • 10 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform wiedergibt;
  • 11 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht von Verdampfungs- und Reformierungsabschnitten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung von 10;
  • 12 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine allgemeine Konstruktion einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform veranschaulicht;
  • 13 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine allgemeine Konstruktion einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform veranschaulicht;
  • 14 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine allgemeine Konstruktion einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform veranschaulicht;
  • 15 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine allgemeine Konstruktion einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform wiedergibt; und
  • 16 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine allgemeine Konstruktion einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform veranschaulicht.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Es wird unter Hinweis auf die 1 bis 6 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist ein Blockschaltbild, welches eine allgemeine Konstruktion einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht. 2 ist ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung wiedergibt. Die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform schickt Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle 60, die als eine Wasserstoffverbrauchsvorrichtung funktioniert.
  • Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, enthält die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform einen ersten Reformierungsmaterialversorgungs- oder -zuführabschnitt 10, einen Verdampfungsabschnitt 20 (Wärmeaustausch-Verdampfungsabschnitt), einen zweiten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30, einen Reformierungsabschnitt 40 (Wärmeaustausch-Reformierungsabschnitt), einen CO-Beseitigungsabschnitt 52 und einen Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 (Abgaszuführabschnitt). Darüber hinaus bildet bei der Wasserstoffversorgungsvorrichtung ein Gehäuse 1 einen Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A (einen Reformierungsmaterialkanal) zum Hindurchschicken des Reformierungsmaterials, und einen Hochtemperaturströmungsmittelkanal B (einen Verbrennungsgaskanal) zum Hindurchschicken des Verbrennungsgases. Der Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A und der Hochtemperaturströmungsmittelkanal B verlaufen zueinander parallel. Der Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A und der Hochtemperaturströmungsmittelkanal B sind voneinander unabhängig und es wird die Wärme über den Verdampfungsabschnitt 20 und den Reformierungsabschnitt 40 ausgetauscht.
  • In dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A wird ein erstes Reformierungsmaterial (eine Mischung aus Wasser und Luft) von dem ersten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10 aus zugeführt und wird an dem Verdampfungsabschnitt 20 erhitzt und verdampft (in Dampfform gebracht). Ein zweites Reformierungsmaterial (Brennstoff) wird mit dem verdampften ersten Reformierungsmaterial an dem zweiten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30 gemischt, um ein Reformierungsmaterial herzustellen, welches Wasser, Luft und Reformierungsbrennstoff enthält. Das Reformierungsmaterial wird bei dem Reformierungsabschnitt 40 in ein reformiertes Gas reformiert, welches H2 und CO enthält. Nachdem das CO an dem CO-Beseitigungsabschnitt 52 beseitigt worden ist, wird es als wasserstoffreiches Gas der Brennstoffzelle 60 zugeführt.
  • Der Brennstoffzelle 60 wird Luft (Sauerstoff) zusammen mit Wasserstoff zugeführt, so daß Energie erzeugt wird, und zwar auf Grund einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. In der Brennstoffzelle 60 wird Abgas (off gas), welches nicht reagierten Wasserstoff enthält, der für die Energieerzeugung nicht verwendet wurde, ausgestoßen.
  • In dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B wird das Abgas zu dem Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 über einen Abgaszuführabschnitt 61 zugeführt, so daß das Abgas (off gas) verbrannt wird und zu dem Verbrennungsgas wird. Die Verbrennungswärme des Abgases heizt den Reformierungskatalysator an dem Reformie rungsabschnitt 40 auf. Die Verbrennungswärme des Abgases wird über den Verdampfungsabschnitt 20 auf das Reformierungsmaterial übertragen, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A strömt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein flüssiger Petroleumbrennstoff, wie beispielsweise Benzin und Kerosin, als Reformierungsbrennstoff verwendet.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist der erste Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10 zum Zuführen des ersten Reformierungsmaterials (Wasser und Luft) an dem am weitesten oben gelegenen Strömungsteil des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals A plaziert. Der erste Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 ist mit einem Wasserströmungsratensteuerventil 11, einem Luftströmungsratensteuerventil 12, einer Sprühdüse 13 und mit einer Mischkammer 14 ausgestattet. Das Wasser und die Luft, deren Strömungsraten durch das Wasserströmungsratensteuerventil 11 bzw. das Luftströmungsratensteuerventil 12 gesteuert werden, werden von der Sprühdüse 13 in die Mischkammer 14 hinein gesprüht, so daß eine Mischung aus Wasser und Luft erzeugt wird.
  • Auf einer stromabwärtigen Seite des ersten Reformierungsmaterialzuführabschnitts 10 in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A ist der Verdampfungsabschnitt 20 angeordnet. Der Verdampfungsabschnitt 20 besteht bei dieser ersten Ausführungsform aus einem Wärmeaustauscher vom Rotationstyp.
  • 3 zeigt eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht des Verdampfungsabschnitts 20 (des Wärmeaustauschabschnitts). Wie in 3 gezeigt ist, enthält der Verdampfungsabschnitt 20 einen thermischen Rotationsspeicher (Matrix) 21, um thermische Energie zu speichern, enthält ein Paar von Aufsitzgasdichtungen 22, um eine Gasleckage bei dem Gleitkontakt mit der Matrix 21 zu verhindern, und besitzt einen Antriebsmotor 23, um die Matrix 21 in Drehung zu versetzen.
  • Die Matrix 21 ist in einer scheibenförmigen Gestalt ausgebildet und besteht aus einem wärmewiderstandsfähigen Keramikmaterial, wie beispielsweise Cordierit. Die Matrix 21 besitzt eine honigwabenförmige Struktur mit vielen Durchgangslöchern (Zellen) 21a entlang einer axialen Richtung, die darin ausgebildet sind. Ein Umfangsflächenabschnitt 21b der Matrix 21, der sich in Kontakt mit den Gasdichtungen 22 befindet, ist entweder mit Zement beschichtet oder ist fest durch einen festen Keramikring angebracht, um dadurch eine Dichtfläche zu bilden.
  • Die 4A und 4B sind Diagramme, die Beispiele der Zellenkonfigurationen veranschaulichen, welche den thermischen Rotationsspeicher 21 ausmachen, von dem 4A eine dreieckförmige Zelle zeigt und 4B eine dreieckförmige Zelle zeigt. Ein Oxidationskatalysator (wie beispielsweise Platin, Palladium oder Mischungen aus diesen) 24 ist an (oder getragen an) jeder Oberfläche der Zelle angebracht. Daher kann das Abgas der Brennstoffzelle 60, welches dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B zugeführt wird, katalytisch verbrannt werden.
  • Eine Drehwelle 25 und ein Lager 26, welches an dem Gehäuse 1 vorgesehen ist, haltern die Matrix 21. Die Drehwelle 25 ist an einer festen Nabe 21d befestigt, die an dem Zentrum der Matrix 21 ausgebildet ist. Die Matrix 21 wird durch einen Leistungsmotor 23 zur Drehung angetrieben. An einer Umfangsfläche der Matrix 21 ist ein Ringzahnrad 21c vorgesehen. Die Drehkraft von dem Leistungsmotor 23 wird auf das Ringzahnrad 21c durch ein Kleinzahnrad 23a übertragen, welches an der Drehwelle des Leistungsmotors 23 angebracht ist. Da das Lager 26 als ein Gleitteil in einer Hochtemperaturatmosphäre verwendet wird, ist es aus einem schmiermittelfreien Hochtemperaturmaterial hergestellt (wie beispielsweise einem harten Kohlenstoffmaterial).
  • Die Gasdichtungen 22 sind aus einem Keramikmaterial oder aus einem hitzewiderstandsfähigen Metall, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt. Jede der Gasdichtungen 22 ist in einer solchen Weise ausgebildet, daß ein zylinderförmiger Flansch 22a und ein Querarm 22b radial durch das Zentrum derselben hindurch verlaufen und in einem Körper integriert sind. Jede Dichtungsfläche 22c der Gasdichtungen 22, die sich in Kontakt mit der Umfangsfläche 21b der Matrix 21 befindet bzw. befinden, wird durch Beschichten oder ein ähnliches Verfahren mit einer schmiermittelfreien Hochtemperaturmaterialschicht (nicht gezeigt) ausgebildet, mit einem niedrigen Rei bungskoeffizienten, um die Reibung der Matrix 21 und der Gasdichtungen 22 zu reduzieren.
  • Um zu verhindern, daß das unter hohem Druck stehende Reformierungsmaterial in den Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A auf Grund eines Leckens in den Hochtemperaturströmungsmittelkanal B strömt, liegen die Gasdichtungen 22 zwischen der Matrix 21 und dem Gehäuse 1 zum Zwecke einer Abdichtung. Die Gasdichtungen 22 sind an dem Gehäuse 1 befestigt, während die Dichtflächen 22c zwischen der Matrix 21 von beiden Seiten her entlang der axialen Richtung zwischengefügt sind. Die Matrix 21 ist in zwei Bereiche durch die Querarme 22b der Gasdichtungen 22 jeweils aufgeteilt.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist die Matrix 21 so plaziert, daß sie über beide Strömungsmittelkanäle, und zwar den Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A und den Hochtemperaturströmungsmittelkanal B, reicht, die zueinander parallel verlaufend angeordnet sind. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Bereich, der durch die Querarme 22b der Gasdichtungen 22 jeweils aufgeteilt ist, in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A positioniert, während ein anderer Bereich in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B positioniert ist. Die Matrix 21 führt eine Gleit-Rotationsbewegung zwischen den Gasdichtungen 22 durch und bewegt sich abwechselnd zwischen dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A, durch den das erste Reformierungsmaterial hindurch strömt, und dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B, durch den das Abgas (Verbrennungsgas) hindurch strömt.
  • In dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B empfängt die Matrix 21 Wärme bzw. Hitze von dem Verbrennungsgas, welches durch die Durchgangslöcher 21a hindurch verläuft, und bewegt sich dann zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A, um die Wärme oder Hitze auf das erste Reformierungsmaterial zu übertragen, welches durch die Durchgangslöcher 21a hindurch strömt, um das Material zu erhitzen und zu verdampfen. Zu diesem Zeitpunkt kann durch Steuern der Rotationsgeschwindigkeit der Matrix 21 die Wärmeübertragungsrate von dem Hochtemperaturströmungsmittelka nal B zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A eingestellt werden. Indem man spezifisch die Rotationsgeschwindigkeit der Matrix 21 erhöht, kann die Wärmeübertragungsrate erhöht werden. In gleicher Weise kann man durch Vermindern der Rotationsgeschwindigkeit die Wärmeübertragungsrate reduzieren.
  • Auf einer stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 20 ist der zweite Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30 vorgesehen. Der zweite Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30 ist mit einem Brennstoffströmungsratensteuerventil 31, einer Sprühdüse 32 und einer Mischkammer 33 versehen. In dem zweiten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30 wird der Reformierungsbrennstoff (das zweite Reformierungsmaterial), dessen Strömungsrate durch das Brennstoffströmungsratensteuerventil 31 gesteuert wird, in die Mischkammer 33 eingesprüht, so daß das zweite Reformierungsmaterial mit dem ersten Reformierungsmaterial, welches verdampft bzw. in Dampfform übergeführt wurde, gemischt und verdampft wird, welches durch den Verdampfungsabschnitt 20 hindurch geleitet wurde.
  • Auf einer stromabwärtigen Seite des zweiten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitts 30 ist der Reformierungsabschnitt 40 vorgesehen. In dem Reformierungsabschnitt 40 wird das verdampfte Reformierungsmaterial nach seiner Erhitzung in dem Verdampfungs- und Reformierungsabschnitt 20 und 40 reformiert, um ein reformiertes Gas zu erzeugen, welches H2 und CO enthält. In dem Reformierungsabschnitt 40 werden gemäß der ersten Ausführungsform sowohl die Teil-Oxidations-Reformierung (exotherme Reaktion) als auch die Dampfnebel-Reformierung (endotherme Reaktion) durchgeführt.
  • 5 zeigt eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht des Reformierungsabschnitts 40. Wie in 5 gezeigt ist, besteht der Reformierungsabschnitt 40 aus einem Rotationswärmeaustauscher ähnlich dem Verdampfungsabschnitt 20, der in 3 gezeigt ist, besitzt jedoch keinen Rotationsantriebsmechanismus, wie den Antriebsmotor 23 und das Ringzahnrad 21c. Ein Reformierungskatalysator (ein Element aus Nickeloxid, Kupferoxid, Platin, Palladium oder ähnlichem oder eine Mischung aus die sen) ist auf jeder Oberfläche der Durchgangslöcher 41a des thermischen Rotationsspeichers 41, der den Reformierungsabschnitt 40 bildet, angebracht.
  • Wie oben dargelegt wurde, besitzt der Reformierungsabschnitt 40 keinen eigenen Antriebsmechanismus, besitzt jedoch eine Welle, die konzentrisch und integriert mit der Rotationswelle 25 des Verdampfungsabschnitts 20 ist. Mit dieser Konstruktion wird der thermische Rotationsspeicher 41 des Reformierungsabschnitts 40 zur Drehung angetrieben, und zwar mit Hilfe des Antriebsmotors 23, der in dem Verdampfungsabschnitt 20 vorgesehen ist, um eine Drehung zusammen mit dem thermischen Rotationsspeicher 21 des Verdampfungsabschnitts 20 durchzuführen. Durch Steuern der Drehgeschwindigkeit der Matrix 41 des Reformierungsabschnitts 40 kann eine Wärmeübertragungsrate von dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A eingestellt werden, was ähnlich erfolgt wie bei dem Verdampfungsabschnitt 20.
  • Die Matrix 41 des Reformierungsabschnitts 40 ist ähnlich der Matrix 21 des Verdampfungsabschnitts, der in 2 gezeigt ist, angeordnet, um beide Kanäle, nämlich den Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A als auch den Hochtemperaturströmungsmittelkanal B, zu überkreuzen, die zueinander parallel verlaufend angeordnet sind. Die jeweiligen Gase, die durch den Niedrig- und Hochtemperaturströmungsmittelkanal A und B hindurch verlaufen, strömen in entgegengesetzten Richtungen, es strömt das Gas von dem Verdampfungsabschnitt 20 auf einer stromaufwärtigen Seite zu dem Reformierungsabschnitt 40 in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal und von dem Reformierungsabschnitt 40 auf einer stromaufwärtigen Seite zu dem Verdampfungsabschnitt 20 in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal.
  • Auf einer stromabwärtigen Seite des Reformierungsabschnitts 40 ist ein Temperatursensor 50 (eine Temperaturdetektoreinrichtung) vorgesehen, um die Temperatur des Gases zu detektieren, welches durch den Reformierungsabschnitt 40 hindurch gelangt ist, das heißt es wird indirekt eine Temperatur des Reformierungskatalysators des Reformierungsabschnitts 40 detektiert.
  • Auf der stromabwärtigen Seite des Temperatursensors 50 ist ein Kühlabschnitt 51 vorgesehen, um das reformierte Gas auf eine erforderliche Temperatur zur Beseitigung des CO abzukühlen und um einen CO-Beseitigungsabschnitt 52 für die Beseitigung von CO aus dem reformierten Gas abzukühlen, und zwar über den Kühlabschnitt 51, um ein wasserstoffreiches Gas zu erzeugen.
  • Auf der stromaufwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 20 in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B ist ein Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 (ein Abgaszuführabschnitt) zum Erhitzen des Verdampfungsabschnitts 20 vorgesehen. Der Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 enthält ein Abgasströmungsratensteuerventil 71, ein Brennstoffströmungsratensteuerventil 72 (einen Verbrennungsbrennstoffzuführabschnitt), ein Abluftströmungsratensteuerventil 73, eine Sprühdüse 74, eine Zündkerze 75 (Zündeinrichtung) und eine Misch/Verbrennungskammer 76. Dem Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 wird das Abgas, welches nicht reagierten Wasserstoff enthält, der aus der Brennstoffzelle 60 ausgetragen wurde, über einen Abgaszuführpfad 61 zugeführt. Darüber hinaus wird dem Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 eine Abluft, die nicht reagierten Sauerstoff enthält, der aus der Brennstoffzelle 60 ausgestoßen wurde, über einen Abluftzuführpfad 62 zugeführt.
  • Das Abgas und die Abluft werden aus der Sprühdüse 74 in die Misch/Verbrennungskammer 76 eingesprüht, um eine Abgasmischung herzustellen. Die Abgasmischung (off gas mixture) wird dem Reformierungsabschnitt 40 zugeführt und dann dem Verdampfungsabschnitt 20 zugeführt, und wird katalytisch in den Reformierungs- und Verdampfungsabschnitten 40 und 20 verbrannt. Die Verbrennungswärme des Verbrennungsgases heizt die thermischen Rotationsspeicher 41 und 21 auf.
  • Wenn die Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Zeitpunkt des Anlassens oder Startens aktiviert wird, wird anstelle des Abgases ein Aktivierungsbrennstoff (der Verbrennungsbrennstoff), dessen Strömungsrate durch das Brennstoffströmungsratensteuerventil gesteuert ist, in die Verbrennungskammer 76 eingesprüht und wird mit Hil fe der Zündkerze 75 gezündet, wodurch das Verbrennungsgas durch Flammenverbrennung erzeugt wird. Bei der ersten Ausführungsform wird ein flüssiger Petroleumbrennstoff ähnlich dem Reformierungsbrennstoff als Aktivierungsbrennstoff verwendet.
  • 6 veranschaulicht ein Steuersystem der Wasserstoffversorgungsvorrichtung. Wie in 6 gezeigt ist, enthält die Wasserstoffversorgungsvorrichtung der ersten Ausführungsform einen Steuerabschnitt (ECU) 80, um verschiedene Steuervorgänge durchzuführen. Ein Temperatursignal, welches durch den Temperatursensor 50 detektiert wurde, wird in den Steuerabschnitt 80 eingespeist, um Steuersignale für den Antriebsmotor 24, die Strömungsratensteuerventile 11, 12, 31, 71, 72 und 73 und für die Zündkerze 75 auszugeben.
  • Eine Aktivierung der Wasserstoffversorgungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Konstruktion soll nun im folgenden beschrieben werden. Zuerst wird die Aktivierung der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu dem Startzeitpunkt beschrieben. Um die Reformierungsreaktion in dem Reformierungsabschnitt 40 zu starten, ist es erforderlich, daß das Reformierungsmaterial, welches dem Reformierungsabschnitt 40 zugeführt wird, verdampft wird und in Dampfform übergeführt wird, und daß eine Temperatur des Reformierungskatalysators des Reformierungsabschnitts 40 auf eine vorbestimmte Temperatur erhöht wird, um die Möglichkeit zu schaffen, die Reformierungsreaktion zu starten.
  • Dann werden in der Verbrennungskammer 76 des Verbrennungsgaszuführabschnitts 70 der Aktivierungsbrennstoff und Luft gemischt, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen und dieses wird dann mit Hilfe der Zündkerze 75 zum Zwecke einer Flammenverbrennung gezündet. Das Verbrennungsgas, welches durch die Flammenverbrennung erzeugt wird, strömt durch den Reformierungsabschnitt 40 und durch den Verdampfungsabschnitt 20, indem es durch den Hochtemperaturströmungsmittelkanal B hindurch verläuft. Dadurch werden Abschnitte der thermischen Rotationsspeicher 41 und 21, die in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B gelegen sind, durch das Verbrennungsgas erhitzt. Zu diesem Zeitpunkt wird Luft dem ersten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10 zugeführt.
  • Bei dem Reformierungsabschnitt 40 wird der Reformierungskatalysator, der in dem thermischen Rotationsspeicher 41 vorgesehen ist, direkt aufgeheizt. Bei dem Verdampfungsabschnitt 20 bewegt sich auf Grund der Rotation des thermischen Rotationsspeichers 21 der Abschnitt, der durch das Verbrennungsgas erhitzt wurde, zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A hin, wodurch bewirkt wird, daß die Luft, die in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A strömt, erhitzt wird. Da die erhitzte Luft in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A strömt, wird jede Komponente auf der stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 20 sehr schnell aufgeheizt.
  • Es ist eine Temperatur von beispielsweise 300 bis 400°C an dem Verdampfungsabschnitt 20 erforderlich, um das Reformierungsmaterial zu verdampfen. Es wird eine Temperatur von beispielsweise 400 bis 700°C an dem Reformierungsabschnitt 40 gefordert, die höher ist als diejenige bei dem Verdampfungsabschnitt 20, um die Reformierungsreaktion durchzuführen. Da das Hochtemperaturgas (Hochtemperaturströmungsmittel) durch den Verdampfungsabschnitt 20 hindurch verläuft, und zwar nachdem es durch den Reformierungsabschnitt 40 in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B hindurch gelaufen ist, wird der Reformierungsabschnitt 40 mit einer höheren Priorität aufgeheizt, so daß die jeweiligen Katalysatoren sehr schnell effektiv aufgeheizt werden, und zwar auf die Größenordnung der Temperatur, die für die katalytischen Reaktionen erforderlich ist.
  • Zu diesem Zeitpunkt enthält das Verbrennungsgas, welches in dem Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 erzeugt wurde, ein schädliches Gas auf Grund einer unvollständigen Verbrennung oder ähnlichem. Wenn jedoch das Verbrennungsgas durch den thermischen Rotationsspeicher 41 und 21 hindurch strömt, wird das Gas katalytisch verbrannt (das heißt es tritt eine katalytische Oxidationsreaktion auf). Somit kann das Verbrennungsgas vollständig für eine Oxidationsreaktion (vollständige Verbrennung) verwendet werden, wenn ein Mischverhältnis des Aktivierungsbrennstoffes und der Luft in geeigneter Weise für die Flammenverbrennung eingestellt wird, und die schädliche Komponente in dem Verbrennungsgas wird katalytisch verbrannt, und zwar in den Reformierungs- und Verdampfungsabschnitten 40 und 20. Daher wird das schädliche Gas, welches in dem Verbrennungsgas enthalten ist, in ausreichender Weise beseitigt bzw. gereinigt, so daß es zur Außenseite hin ausgestoßen werden kann.
  • Die Verbrennungswärme des Verbrennungsgases heizt sehr schnell (das heißt es erfolgt eine Vorheizung) jede Komponente des Reformierungssystems auf, wie beispielsweise den Wärmeaustauschabschnitt 20, den Reformierungsabschnitt 40 und den CO-Beseitigungsabschnitt 52 (ein Verschiebungsabschnitt und ein Reinigungsabschnitt). Wenn dann eine Temperatur des Reformierungsabschnitts 40, die durch den Temperatursensor 50 detektiert wird, eine vorbestimmte Temperatur zum Starten der Reformierungsreaktion erreicht, wird festgestellt, daß jede Temperatur der Komponenten des Reformierungssystems, welches den Reformierungskatalysator enthält, einen Punkt erreicht hat, bei dem die Reformierungsreaktion initialisiert werden kann.
  • Demzufolge wird die Zufuhr des Aktivierungsbrennstoffes, welcher dem Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 zugeführt wird, beendet, um die Flammenverbrennung anzuhalten.
  • Die vorbestimmte Temperatur zum Starten der Reformierungsreaktion kann willkürlich oder nach Wunsch entsprechend einem Typ des Reformierungsbrennstoffes und ähnlichem eingestellt werden. Wenn ein Brennstoff vom Petroleumtyp als Reformierungsbrennstoff wie bei der ersten Ausführungsform verwendet wird, kann die Temperatur auf ca. 300°C bis 400°C eingestellt werden.
  • Wenn das Aufwärmen jeder Komponente vervollständigt worden ist, beginnt der erste Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10 damit, das Reformierungsmaterial (die Mischung aus Wasser und Luft) zuzuführen. Das erste Reformierungsmaterial wird erhitzt und wird in dem Verdampfungsabschnitt 20 verdampft und wird dann mit dem zweiten Reformierungsmaterial (Reformierungsbrennstoff) in dem zweiten Reformie rungsmaterialzuführabschnitt 30 gemischt, um ein verdampftes Reformierungsmaterial zu bilden, welches aus Wasser, Luft und Reformierungsbrennstoff zusammengesetzt ist.
  • Das verdampfte Reformierungsmaterial wird in dem Reformierungsabschnitt 40 reformiert, und zwar in ein reformiertes Gas, welches H2 und CO enthält. Nachdem das reformierte Gas in dem Kühlabschnitt 50 abgekühlt worden ist, wird CO aus dem reformierten Gas in dem CO-Beseitigungsabschnitt 52 beseitigt und es wird das reformierte Gas der Brennstoffzelle 60 zugeführt.
  • In der Brennstoffzelle 60 findet eine chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff statt, um Energie zu erzeugen, und es werden das Abgas, welches nicht reagierten Wasserstoff enthält, und Abluft, die nicht reagierten Sauerstoff enthält, ausgestoßen. Das Abgas und die Abluft werden in den Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 des Hochtemperaturströmungsmittelkanals B durch den Abgaszuführpfad 61 bzw. den Abluftzuführpfad 62 eingeleitet, so daß eine Abgasmischung entsteht. Die Abgasmischung wird dem Reformierungsabschnitt 40 und dem Verdampfungsabschnitt 20 zugeführt und es wird eine katalytische Verbrennung initiiert, wenn die Mischung durch die thermischen Rotationsspeicher 41 und 21 hindurch verläuft. Die durch die katalytische Verbrennung des Abgases erzeugte Wärme heizt direkt den Reformierungskatalysator in dem Reformierungsabschnitt 40 auf und wird in dem thermischen Rotationsspeicher 21 in dem Verdampfungsabschnitt 20 gespeichert. Wenn der thermische Rotationsspeicher 21 eine Drehbewegung durchführt, wird das erste Reformierungsmaterial, welches durch den Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A hindurch verläuft, aufgeheizt und verdampft.
  • Somit erhitzt die Wärme, die durch die katalytische Verbrennung des Abgases erzeugt wird, den Reformierungskatalysator des Reformierungsabschnitts 40 auf und verdampft das Reformierungsmaterial. Demzufolge wird das Erhitzen des Verdampfungsabschnitts 20 und des Reformierungsabschnitts 40 von einem Aufheizen durch die Flammenverbrennung des Aktivierungsbrennstoffes auf ein Erhitzen durch die Abgas verbrennung umgeschaltet, wodurch ein Start entsprechend einem Eigenantrieb der Wasserstoffversorgungsvorrichtung ermöglicht wird.
  • Wenn als nächstes eine Last in der Brennstoffzelle schwankt, wird eine Zuführmenge des Reformierungsmaterials entsprechend der Lastschwankung der Brennstoffzelle 60 eingestellt, um dadurch die Menge des Wasserstoffes einzustellen, die der Brennstoffzelle 60 zugeführt wird. Wenn die Zuführmenge des Wasserstoffes in der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zunimmt, wird eine Temperatur des Reformierungsabschnitts 40 auf Grund einer Zunahme der Wärmeabsorption abgesenkt, die durch die Reformierungsreaktion in dem Reformierungsabschnitt 40 verursacht wird und es wird somit erforderlich, die Wärmemenge des Reformierungsabschnitts 40 zu erhöhen.
  • Jedoch entsteht eine Zeitverzögerung zwischen der Zunahme in der Zuführmenge des Wasserstoffes in der Wasserstoffversorgungsvorrichtung und einer Zunahme in der Ausstoßmenge des Abgases in der Brennstoffzelle 60. Wenn somit die Zuführmenge des Wasserstoffes in der Wasserstoffversorgungsvorrichtung schnell erhöht wird, kann die Verbrennungshitze von der Abgasverbrennung unzureichend sein. In diesem Fall kann durch zeitweiliges Einsprühen des Aktivierungsbrennstoffes in den Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 und Zünden durch die Zündkerze 75 die Verbrennungshitze der Flammenverbrennung dazu verwendet werden, um Wärme zuzuführen. Demzufolge kann die Reformierungsreaktion immer unter einer gewünschten Temperatur einfach durchgeführt werden.
  • Indem man darüber hinaus das Mischverhältnis zwischen Luft und dem Reformierungsmaterial erhöht, wird es möglich, die Rate einer teilweisen Oxidationsreaktion (exotherme Reaktion) in dem Reformierungsabschnitt 40 zu erhöhen, wodurch die Wärmeerzeugungsmenge in dem Reformierungsabschnitt 40 erhöht wird. Dies kann auch dazu verwendet werden, um jegliche Knappheit der Verbrennungswärme des Abgases zu kompensieren.
  • Indem man ferner die Drehgeschwindigkeit der thermischen Rotationsspeicher 41 und 21 beschleunigt, kann die Wärmeübertragungsrate von dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A erhöht werden, wodurch die Verbrennungswärmeknappheit der Abgasverbrennung kompensiert wird.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß der Temperatursensor 50 direkt das Absinken einer Temperatur des Reformierungsabschnitts 40 auf Grund einer Lastzunahme in der Brennstoffzelle 60 detektieren kann. Alternativ, wenn die Brennstoffzelle 60 als eine Antriebsenergie eines Motors des Fahrzeugs verwendet wird, kann sie eine Konstruktion aufweisen, bei der die Lastschwankung der Brennstoffzelle 60 basierend auf einem Draht der Drosselklappenöffnung vorhergesagt werden kann, um eine Änderung in der Temperatur des Reformierungsabschnitts 40 vorherzusagen.
  • Um die Zufuhr des Wasserstoffes von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu der Brennstoffzelle 60 anzuhalten, wird die Zufuhr von Reformierungsbrennstoff und Wasser zuerst angehalten und dann wird die Luftzufuhr angehalten. Während dieser Zeit wird die verbrennbare Gasmischung, die in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A verblieben ist, vollständig innerhalb des Verdampfungsabschnitts 20 in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B verbrannt oder wird mit Hilfe einer katalytischen Verbrennung an einer Oberfläche desselben verbrannt, so daß ein Abgasausstoß unterdrückt wird.
  • Bei dem Rotationswärmeaustauscher mit dem Verdampfungsabschnitt 20 und dem Reformierungsabschnitt 40 gemäß der ersten Ausführungsform tritt eine Gasleckage von dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A, welches dort unter hohem Druck steht, zu dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B auf, der unter niedrigem Druck steht, und zwar an dem Verdampfungsabschnitt 20 und dem Reformierungsabschnitt 40. Es gibt zwei Typen einer Gasleckage, die in dem Rotationswärmeaustauscher auftreten. Eine ist eine Dichtungsleckage, bei der das Gas direkt zwischen den thermischen Rotationsspeichern 21 und 41 und den Gasdichtungen 22 und 42 leckt. Der andere Typ besteht aus einer Übertragungsleckage, bei der das Gas eingefangen wird und in die thermischen Rotationsspeicher 21 und 41 übertragen wird. Die Größe der Dichtungsleckage ist proportional zu einem Wert der Druckdifferenz zwischen dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A und dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B und einer Raumgröße in oder bei den Kontaktoberflächen zwischen den thermischen Rotationsspeichern 21 und 41 und den Gasdichtungen 22 und 42. Eine Leckagemenge oder -größe der Übertragungsleckage (Übertragungsverlust) hängt von einem Transfervolumen des Raumes ab, der durch die Querarme 22b und 42b der Gasdichtungen 22 und 42 definiert ist, und auch durch die Durchgangslöcher 21a und 41a der thermischen Rotationsspeicher 21 und 41 definiert ist (auf Grund einer Rotationsbewegung der thermischen Rotationsspeicher). Eine Gesamt-Gasleckage an dem Verdampfungsabschnitt 20 und dem Reformierungsabschnitt 40 besteht aus einer Summe aus der Dichtungsleckage und der Transferleckage.
  • Die Dichtungsleckage kann bis zu einem bestimmten Ausmaß durch Verbesserung von deren Konstruktion verhindert werden. Es ist jedoch sehr schwierig, die Transferleckage zu reduzieren, die auf Grund eines Gaseinschlusses in den thermischen Rotationsspeichern 21 und 41 auftritt, und zwar vom Standpunkt einer inhärenten Konstruktion des Rotationswärmeaustauschers.
  • Als ein Ergebnis kann bei dem Verdampfungsabschnitt 20 der Reformierungsbrennstoff, der in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A strömt, mit dem Verbrennungsgas gemischt werden, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B strömt, so daß nicht reagierter Reformierungsbrennstoff als schädliches Gas nach außen hin ausgestoßen wird.
  • Um diesem Problem Herr zu werden, besitzt die erste Ausführungsform eine Konstruktion, bei der Zuführquellen von Vielfach-Reformierungsmaterialien aufgeteilt sind und der Reformierungsbrennstoff auf der stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 20 zugeführt wird, so daß der Reformierungsbrennstoff nicht durch den Verdampfungsabschnitt 20 vom Typ eines Rotationswärmespeichers hindurch verläuft. Bei solch einer Konstruktion verläuft lediglich das erste Reformierungsmaterial (Wasser und Luft) ohne den Reformierungsbrennstoff durch den Verdampfungsabschnitt 20 auf der Seite des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals A und daher enthält Leckgas zu dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B keinerlei schädliche Komponente. Das erste Reformierungsmaterial wird auf eine hohe Temperatur dadurch aufgeheizt, indem es durch den Verdampfungsabschnitt 20 hindurch verläuft. Das erhitzte erste Reformierungsmaterial führt einen Aufheizvorgang durch, ebenso einen Verdampfungsvorgang und einen Mischvorgang mit dem zweiten Reformierungsmaterial (ein flüssiger Reformierungsbrennstoff), und zwar auf der stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 20, um ein Reformierungsmaterial zu erzeugen, welches aus Wasser, Luft und dem Reformierungsbrennstoff zusammengesetzt ist.
  • Ferner wird ein Teil des Reformierungsmaterials, welches in dem zweiten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30 hergestellt wurde, durch den thermischen Rotationsspeicher 41 des Reformierungsabschnitts 40 eingefangen und wird zu dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B übertragen. Das Leckgas, welches das Reformierungsmaterial enthält, strömt zu dem Verdampfungsabschnitt 20 und nachdem das schädliche Gas (unverbrannter Brennstoff) in ausrechender Weise entfernt bzw. gereinigt wurde, und zwar auf Grund der Oxidationsreaktion (katalytische Verbrennung) an dem thermischen Rotationsspeicher 21, wird das Leckgas nach außen hin ausgestoßen. Die auf Grund der Oxidationsreaktion bei dem thermischen Rotationsspeicher 21 entwickelte Hitze wird als Heizquelle zum Aufheizen des ersten Reformierungsmaterials verwendet.
  • Bei der Konstruktion der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, bei der der Reformierungsabschnitt 40 aus dem Rotationswärmeaustauscher besteht, wird der Reformierungskatalysator direkt durch das Hochtemperaturströmungsmittel (Gas) aufgeheizt, so daß die Temperatur des Reformierungskatalysators effektiv und sehr schnell auf eine gegebene Temperatur erhöht wird, bei der die Reformierungsreaktion startet. Demzufolge startet die Reformierungsreaktion innerhalb einer kürzeren Periode bei der Startzeit der Vorrichtung und, wenn die Last der Brennstoffzelle 60 schwankt, wird ein höheres Ansprechen der Vorrichtung sichergestellt.
  • Ferner wird bei der Konstruktion, bei welcher der Verdampfungsabschnitt 20 auch den Rotationswärmeaustauscher darstellt, die Wärme des Hochtemperaturgases (Hochtemperaturströmungsmittel), welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B strömt, effektiv auf das Niedrigtemperaturgas (Niedrigtemperaturströmungsmittel) übertragen, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A strömt. Demzufolge startet die Reformierungsreaktion innerhalb einer kürzeren Periode beim Startzeitpunkt der Vorrichtung, und, wenn die Last der Brennstoffzelle 60 schwankt, wird ein höheres Ansprechen derselben sichergestellt.
  • Wie oben dargelegt wurde, besitzt der Rotationswärmeaustauscher einen Vorteil dahingehend, daß eine Wärmeübertragungsmenge pro Flächeneinheit größer ist, da es sich hierbei nicht um einen Typ handelt, bei dem der Wärmeaustausch zwischen einem Hochtemperatur- und einem Niedrigtemperaturströmungsmittel über eine Isolierwand durchgeführt wird, die dazwischen eingefügt ist, und eine Wärmeübertragungsfläche selbst durch das Hochtemperaturströmungsmittel aufgeheizt wird und das Niedrigtemperaturströmungsmittel aufgeheizt wird. Demzufolge ist der Wärmeaustauschwirkungsgrad höher und die Wärmeübertragungsfläche zum Sicherstellen einer erforderlichen Wärmeübertragungsmenge ist auf einem kleineren Bereich bzw. kleinere Fläche beschränkt. Daher startet die Reformierungsreaktion innerhalb einer kürzeren Zeit zum Startzeitpunkt der Vorrichtung, und, wenn die Last der Brennstoffzelle 60 schwankt, wird ein höheres Ansprechen derselben sichergestellt und die Vorrichtung kann selbst kompakter ausgeführt werden.
  • Ferner werden die Temperaturen der thermischen Rotationsspeicher 21 und 41 auf geeignete Werte eingestellt, und zwar durch Steuern der Drehgeschwindigkeit der thermischen Rotationsspeicher 21 und 41 gemäß den erforderlichen Temperaturen, auf die aufgeheizt werden muß, so daß die Heiztemperaturen des Reformierungsmaterials und des Reformierungskatalysators in angemessener Weise eingestellt werden.
  • Darüber hinaus besitzen der thermische Rotationsspeicher 21 des Verdampfungsabschnitts 20 und der thermische Rotationsspeicher 41 des Reformierungsabschnitts 40 eine integrierte Drehwelle, wie dies bei der ersten Ausführungsform gezeigt ist, es werden beide thermischen Rotationsspeicher 21 und 41 durch ein Teil der Antriebseinheit 23 angetrieben. Demzufolge kann die Vorrichtung kompakter mit höherer Qualität und Wirkungsgrad ausgeführt werden.
  • Ferner sind, wie bei der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform gezeigt ist, die Versorgungsquellen des Reformierungsmaterials so aufgeteilt, daß das Wasser und die Luft der stromaufwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 20 zugeführt werden und der Reformierungsbrennstoff der stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 20 zugeführt wird. Als ein Ergebnis verhindert die Vorrichtung selbst dann, wenn Gaslecks in dem Rotationswärmeaustauscher auftreten, daß nicht reagierter Reformierungsbrennstoff als schädliches Gas nach außen hin ausgestoßen wird.
  • Ferner sind der Abgaszuführabschnitt und der Verbrennungsabschnitt zum Anlassen in einem Körper integriert, so daß die Vorrichtung ebenfalls nochmals kompakter ausgeführt werden kann.
  • Ferner wird zum Startzeitpunkt der Wasserstoffversorgungsvorrichtung jede Komponente des Reformierungssystems (der Verdampfungsabschnitt 20 oder der Reformierungsabschnitt 40) aufgeheizt, und zwar durch Heizen der thermischen Rotationsspeicher 21 und 41 auf Grund der Flammenverbrennung des Brennstoffes, der zum Anlassen oder Starten verwendet wird, so daß die Komponente schnell auf die Temperatur gebracht wird, bei der die Reformierungsreaktion startet. Daher ist auch die Reformierungsreaktionsstartzeit kürzer.
  • Darüber hinaus wird die Wärme, die auf Grund der Abgasverbrennung in dem Verdampfungsabschnitt 20 erzeugt wird, dazu verwendet, um das Reformierungsmaterial zu erhitzen und zu verdampfen, das heißt es handelt sich hier um eine Unterstützung des Heizvorganges, der für die exotherme Reaktion (Dampfnebel-Reformierungsreaktion) in dem Reformierungsabschnitt 40 erforderlich ist, so daß die Performance und der Wirkungsgrad der Vorrichtung höher liegen.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Als nächstes wird unter Hinweis auf 7 eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wenn man die zweite Ausführungsform mit der oben beschriebenen ersten Ausführungsform vergleicht, so sind die Konfigurationen in bezug auf einen zweiten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30 unterschiedlich. Die gleichen Teile wie sie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform vorkommen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben ist weggelassen.
  • In einem Fall, bei dem das zweite Reformierungsmaterial (Reformierungsbrennstoff) der stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 20 zugeführt wird, wie dies bei der ersten Ausführungsform gezeigt ist, ist es erforderlich, effektiv das erste Reformierungsmaterial mit dem zweiten Reformierungsmaterial in einer kurzen Zeit zu mischen. Demzufolge besitzt der zweite Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30 gemäß der zweiten Ausführungsform einen Mischabschnitt 33 (Mischkammer), in welchem das erste und das zweite Reformierungsmaterial effektiv miteinander gemischt werden.
  • 7A zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht der Mischkammer 18 in dem zweiten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30, und 7B zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie VIIB-VIIB in 7A. Wie in den 7A und 7B gezeigt ist, besitzt die Mischkammer 33 eine zylinderförmige Gestalt mit einer Öffnung auf der stromabwärtigen Seite. Die Mischkammer 33 besitzt eine Einlaßöffnung 33a zum Einleiten des ersten Reformierungsmaterials (der Wasser-Luft-Mischung) in die Mischkammer, indem eine Vielzahl an Bereichen oder Stellen innerhalb der Umfangsfläche ausgeschnitten sind (drei Stellen bei der vorliegenden Erfindung) und wobei Füh rungsplatten 33b zum Erzeugen einer Wirbelströmung des ersten Reformierungsmaterials vorgesehen sind.
  • In dem zweiten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30 strömt das erste Reformierungsmaterial in die Mischkammer 33 in einer nahezu tangentialen Richtung von einer Seitenfläche der Mischkammer 33 aus hinein und der Reformierungsbrennstoff wird als zweite Reformierungsmaterial in die Mischkammer 33 mit Hilfe einer Sprühdüse 32 eingesprüht. Dadurch wird das zweite Reformierungsmaterial mit dem ersten Reformierungsmaterial gemischt. Zu diesem Zeitpunkt bildet das erste Reformierungsmaterial eine Wirbelströmung in der Mischkammer 18, so daß eine Diffusion des zweiten Reformierungsmaterials gefördert wird. Es ist daher möglich, in effizienter Weise das erste Reformierungsmaterial mit dem zweiten Reformierungsmaterial in einer kurzen Zeitdauer zu mischen.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • Unter Hinweis auf 8 wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im folgenden beschrieben. Wenn, wie in 8 gezeigt ist, die dritte Ausführungsform mit der oben beschriebenen ersten Ausführungsform verglichen wird, so ergibt sich ein Unterschied dahingehend, daß ein Brennstoffströmungsratensteuerventil 15, eine Zündkerze 16 und eine Verbrennungskammer 17 in dem ersten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10 vorgesehen sind. Teile, die ähnlich den Teilen der oben beschriebenen ersten Ausführungsform sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben ist weggelassen.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform mit einem ersten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10 versehen, der mit einem Brennstoffströmungsratensteuerventil 15 ausgestattet ist, um eine Strömungsrate eines Aktivierungsbrennstoffes zu steuern, besitzt ferner die Zündkerze 16 zum Zünden des Aktivierungsbrennstoffes zum Zwecke einer Flammenver brennung, und besitzt die Verbrennungskammer 17 zum Aufrechterhalten der Flammenverbrennung.
  • Bei der oben beschriebenen Konstruktion wird zu einem Startpunkt der Wasserstoffversorgungsvorrichtung die Flammenverbrennung in dem ersten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10 erzeugt, und zwar zusätzlich zu der Flammenverbrennung in dem Verbrennungsgaszuführabschnitt 70. Es wird somit die Wärme in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B durch die Flammenverbrennung in dem Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 und durch die Wärme erzeugt, die in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A durch die Flammenverbrennung des Brennstoffes in dem ersten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10 erzeugt wird, während jeder der thermischen Rotationsspeicher 21 und 41 in einem Ruhezustand aufgeheizt wird. Demzufolge können der Verdampfungsabschnitt 20 und der Reformierungsabschnitt 40 sehr schnell aufgeheizt werden, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, den Anlaufvorgang der Reformierungsreaktion noch sehr viel schneller durchzuführen.
  • Wenn darüber hinaus eine Last der Brennstoffzelle 60 schwankt, wird durch zeitweiliges Erzeugen der Flammenverbrennung in dem ersten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10 ein Mangel an Verbrennungswärme des Abgases sehr schnell ergänzt.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • Es wird nun unter Hinweis auf 9 eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wenn, wie in 9 gezeigt ist, die vierte Ausführungsform mit der oben beschriebenen ersten Ausführungsform verglichen wird, ergibt sich ein Unterschied dahingehend, daß eine Zündkerze 34 in dem zweiten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30 vorgesehen ist. Teile ähnlich den Teilen der oben beschriebenen ersten Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben ist weggelassen.
  • Bei der oben beschriebenen Konstruktion kann zum Startzeitpunkt der Wasserstoffversorgungsvorrichtung eine Flammenverbrennung in dem zweiten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30 zusätzlich zu der Flammenverbrennung in dem Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 erzeugt werden. Demzufolge kann der Reformierungsabschnitt 40 sehr schnell aufgeheizt werden, wodurch das Anlaufen der Reformierungsreaktion noch sehr viel schneller durchgeführt werden kann.
  • Wenn darüber hinaus eine Last der Brennstoffzelle 60 schwankt, kann durch zeitweiliges Erzeugen einer Flammenverbrennung in dem zweiten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 30 ein Mangel an Verbrennungshitze des Abgases sehr schnell ausgeglichen werden.
  • (Fünfte Ausführungsform)
  • Es wird nun unter Hinweis auf die 10 und 11 eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wenn die fünfte Ausführungsform mit der oben beschriebenen ersten Ausführungsform verglichen wird, ergibt sich ein Unterschied dahingehend, daß der Verdampfungsabschnitt und der Reformierungsabschnitt integral ausgebildet sind, und daß ferner ein Abgasreinigungsabschnitt in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromabwärtigen Seite des thermischen Rotationsspeichers vorgesehen ist. Teile, die ähnlich den Teilen der oben beschriebenen ersten Ausführungsform sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung derselben ist weggelassen.
  • 10 zeigt ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung der Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform veranschaulicht. Wie in 10 gezeigt ist, besitzen der Verdampfungsabschnitt 10 zum Aufheizen und zum Verdampfen des Reformierungsmaterials und ein Reformierungsabschnitt 40 zum Erzeugen von wasserstoffreichem Gas auf Grund der Reformierungsreaktion einen gemeinsamen thermischen Rotationsspeicher 201.
  • Der erste Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10 ist mit einem Brennstoffströmungsratensteuerventil 15 versehen, um die Strömungsrate des Reformierungsmaterials zu steuern. Gemäß der fünften Ausführungsform ist der zweite Reformierungsmaterialzuführabschnitt 30, der auf der stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 20 bei der ersten bis vierten Ausführungsform vorgesehen ist, weggelassen. Statt dessen wird das gesamte Reformierungsmaterial dem ersten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10 zugeführt, der auf der stromaufwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 20 vorgesehen ist.
  • 11 zeigt eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht, die den Verdampfungsabschnitt 20 und den Reformierungsabschnitt 40 zeigt. Wie in 11 dargestellt ist, sind der Verdampfungsabschnitt 20 und der Reformierungsabschnitt 40 mit einem thermischen Rotationsspeicher (Matrix) 201 zum Speichern von thermischer Energie ausgestattet, ebenso mit einem Paar von Ruhe-Gasdichtungen 22, um eine Gasleckage bei dem Gleitkontakt mit der Matrix 201 zu verhindern, und mit einem Antriebsmotor 23 für den Drehantrieb der Matrix 201 ausgestattet. Der thermische Rotationsspeicher 201 gemäß der fünften Ausführungsform ist dadurch gebildet, indem dieser in einen einzigen Körper in Form des Verdampfungsabschnitts 20 und des Reformierungsabschnitts 40 integriert ist, die bei jeder der ersten bis vierten Ausführungsformen jeweils getrennt vorgesehen sind.
  • Der thermische Rotationsspeicher 201 gemäß der fünften Ausführungsform besitzt den Verdampfungsabschnitt 20 auf einer stromaufwärtigen Seite (der Lh-Seite in 10) von dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A, und besitzt einen Reformierungsabschnitt 40 auf einer stromabwärtigen Seite (Lr-Seite in 10).
  • Die Matrix 201 besitzt eine honigwabenförmige Struktur mit vielen Durchgangslöchern (Zellen) 201a entlang einer axialen Richtung, die darin ausgebildet sind. In dem Verdampfungsabschnitt 20 ist ein Oxidationskatalysator (wie beispielsweise Platin, Palladium oder eine Mischung aus diesen) an jeder Oberfläche der Durchgangslöcher 201a des thermischen Rotationsspeichers 201 angebracht. Ein Reformierungskatalysator (ein Element aus Nickeloxid, Kupferoxid, Platin, Palladium oder ähnlichem oder einer Mischung aus diesen) zum Zwecke der Reformierungsreaktion ist an jeder Oberfläche der Durchgangslöcher 201a des thermischen Rotationsspeichers 201 angebracht.
  • In dem Rotationswärmeaustauscher, in welchem das Reformierungsmaterial zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A auf einer stromaufwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 20 zugeführt wird, wie bei der fünften Ausführungsform gezeigt ist, leckt das Reformierungsmaterial aus dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A zu dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B. Das heißt, es tritt eine Transfergasleckage auf Grund der Rotation des thermischen Rotationsspeichers 201 und eine Dichtungsgasleckage auf Grund des Druckunterschiedes zwischen den Niedrigtemperatur- und dem Hochtemperaturströmungsmittelkanälen A und B auf. Demzufolge wird nicht reagiertes Reformierungsmaterial, welches ein schädliches Gas enthält, zusammen mit dem Abgas nach außen hin ausgestoßen.
  • Um mit diesem Problem fertig zu werden, ist die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B auf einer stromabwärtigen Seite des thermischen Rotationsspeichers 201 mit einem Abgasreinigungsabschnitt 80 (Abgasreinigungseinrichtung) ausgestattet. Ein Abgaskatalysatorkörper 81 und eine elektrische Heizvorrichtung 82 (Heizeinrichtung) zum Aufheizen des Abgaskatalysatorkörpers 21 sind in dem Abgasreinigungsabschnitt 80 vorgesehen.
  • Der Abgaskatalysatorkörper 81 besitzt eine honigwabenförmige Struktur mit vielen Durchgangslöchern und ist aus einem Keramikmaterial und einem Metallmaterial hergestellt. Ein Oxidationskatalysator (wie beispielsweise Platin, Palladium oder eine Mischung aus denselben) ist an jeder Oberfläche der Durchgangslöcher des Abgaskatalysatorkörpers 51 angebracht.
  • Die elektrische Heizvorrichtung 82 besitzt eine positive Elektrode 83 und eine negative Elektrode 84 und erzeugt bei ihrer Erregung Wärme. Ein Isolator 85 ist zwischen der positiven Elektrode 83 und einem Gehäuse 1 zum Zwecke einer Isolierung zwischengefügt. Da der Katalysator, der an dem Abgaskatalysatorkörper 81 befestigt ist, seine Katalysatorfunktion nicht durchführt, wenn er nicht eine gegebene Temperatur für die Aktivierung erreicht hat (z. B. 200 bis 300°C), wird der Abgaskatalysatorkörper 81 durch die elektrische Heizeinrichtung 82 aufgeheizt, um eine Temperatur zu erreichen, die höher liegt als die gegebene Temperatur für die Aktivierung zu einem Startzeitpunkt bei niedriger Temperatur. Während einer normalen Antriebsoperationszeit wird der Abgaskatalysatorkörper 81 auf der Temperatur gehalten, die höher liegt als die gegebene Temperatur für die Aktivierung, was mit Hilfe des Hochtemperaturströmungsmittels (Gas) erfolgt, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B strömt.
  • Im folgenden wird ein Betrieb der Wasserstoffversorgungsvorrichtung, die oben erläutert wurde, beschrieben. Zum Startzeitpunkt wird eine Mischung aus dem Aktivierungsbrennstoff und Luft zum Zwecke einer Flammenverbrennung in der Vorbehandlungskammer 76 des Verbrennungsgaszuführabschnitts 70 gezündet. Das Verbrennungsgas, welches durch die Flammenverbrennung erzeugt wird, strömt durch den thermischen Rotationsspeicher 201 hindurch, wobei es durch den Hochtemperaturströmungsmittelkanal B hindurch verläuft. Dadurch werden Abschnitte des thermischen Rotationsspeichers 201, die in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B gelegen sind, durch das Verbrennungsgas aufgeheizt.
  • Es wird Luft zu dem Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10 zugeführt. Die Abschnitte des thermischen Rotationsspeichers 201, die durch das Verbrennungsgas aufgeheizt wurden, bewegen sich zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A, und zwar auf Grund der Rotation des thermischen Rotationsspeichers 201, so daß die in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A strömende Luft aufgeheizt wird. Da die erhitzte Luft in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A strömt, wird jede Komponente dieses Systems sehr schnell aufgewärmt.
  • In dem Abgasreinigungsabschnitt 80 wird der Abgaskatalysatorkörper 81 bei Erregen der elektrischen Heizvorrichtung 82 aufgeheizt. Der an dem Abgaskatalysatorkör per 81 angebrachte Katalysator wird sehr schnell auf eine Temperatur aufgeheizt, die höher liegt als die gegebene Temperatur für die Aktivierung. Das schädliche Gas, welches in dem Verbrennungsgas enthalten ist, welches auf Grund einer unvollständigen Verbrennung an dem Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 erzeugt wird, wird gereinigt bzw. entfernt, wenn das schädliche Gas durch den Abgaskatalysatorkörper 81 hindurch gelangt. Demzufolge wird zum Startzeitpunkt der Wasserstoffversorgungsvorrichtung das an dem Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 erzeugte Verbrennungsgas zur Außenseite bin ausgestoßen, nachdem das schädliche Gas, welches darin enthalten ist, in ausreichender Weise beseitigt bzw. gereinigt wurde.
  • Nach der Beendigung der Aufwärmung von jedem Element des Systems startet die Zufuhr des Reformierungsmaterials (eine Mischung aus Wasser, Reformierungsbrennstoff und Luft) in dem Reformierungsmaterialzuführabschnitt 10. Eine Sprühdüse 13, die in Verbindung mit der Luftströmung verwendet wird, zerstäubt das Wasser und den Reformierungsbrennstoff, die flüssig sind, so daß ein Mischluftstrom, der feine Teilchen von Wasser und Reformierungsbrennstoff enthält, in den thermischen Rotationsspeicher 201 hineinströmt. In dem Verdampfungsabschnitt 20 auf einer stromaufwärtigen Seite des thermischen Rotationsspeichers 201 wird das Reformierungsmaterial aufgeheizt und wird durch die Hitze verdampft, die von dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B empfangen wird. In dem Reformierungsabschnitt 40 wird das Reformierungsmaterial auf einer stromabwärtigen Seite des thermischen Rotationsspeichers 201 reformiert, und zwar entsprechend einer Dampfnebelreformierungsreaktion oder einer ähnlichen Reformierungs-(autothermalen Reformierung)-Reaktion, und zwar unter Verwendung der Dampfnebel-Reformierungsreaktion zusammen mit der Teiloxidations-Reformierungsreaktion, um wasserstoffreiches Gas zu erzeugen.
  • In dem Verdampfungsabschnitt 20 und dem Reformierungsabschnitt 40 leckt nicht reagierter Reformierungsbrennstoff von dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A zu dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B hin, und zwar auf Grund der Transferleckage, die durch die Drehung des thermischen Rotationsspeichers 201 verursacht wird, und auch auf Grund der Dichtungsleckage verursacht wird, die durch eine Druckdifferenz zwischen den Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturströmungsmittelkanälen A und B verursacht wird. In dem Abgaskatalysatorkörper 81 wird auf einer stromabwärtigen Seite des thermischen Rotationsspeichers 201 eine Oxidationsreaktion des nicht reagierten Reformierungsmaterials (Brennstoffgas wie beispielsweise HC, CO, Methan und ähnliches) und dem Sauerstoff in der Luft gefördert, so daß das Abgas, in welchem das schädliche Gas, wie beispielsweise das unverbrannte Gas, entfernt wurde, zur Außenseite hin ausgestoßen wird.
  • Das in dem Reformierungsabschnitt 40 erzeugte Reformierungsgas wird der Brennstoffzelle 60 zugeführt. In der Brennstoffzelle 60 wird Abgas, welches nicht reagierten Wasserstoff und Abluft enthält, welche nicht reagierten Sauerstoff enthält, ausgestoßen. Das Abgas und die Abluft werden in den Verbrennungsgaszuführabschnitt 70 eingeleitet, in welchem das Abgas und die Abluft gemischt werden, um eine Abgasmischung zu bilden. Die Abgasmischung wird dem Reformierungsabschnitt 40 und dem Verdampfungsabschnitt 20 zugeführt und wird katalytisch verbrannt, wenn sie durch den thermischen Rotationsspeicher 201 hindurch läuft. Der Reformierungskatalysator in dem Reformierungsabschnitt wird direkt durch die Verbrennungshitze aufgeheizt, die auf diese Weise erzeugt wird. In dem Verdampfungsabschnitt 20 wird die Verbrennungshitze in dem thermischen Rotationsspeicher 201 gespeichert und dient dazu, das Reformierungsmaterial zu erhitzen und zu verdampfen, welches durch den Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A hindurch verläuft, und zwar bei einer Drehbewegung des thermischen Rotationsspeichers 201.
  • Dabei wird jeder Heizvorgang des Verdampfungsabschnitts 20 und des Reformierungsabschnitts 40 von dem Aufheizen durch die Flammenverbrennung des Aktivierungsbrennstoffes zu dem Aufheizen durch die Abgasverbrennung umgeschaltet, wodurch der Start eines Selbstantriebes der Wasserstoffversorgungsvorrichtung ermöglicht wird. Bei einem normalen Antrieb wird der Katalysator, der an dem Abgaskatalysatorkörper 81 befestigt ist, auf eine Temperatur aufgeheizt, welche die Aktivierungstemperatur überschreitet, und zwar durch das Hochtemperaturgas, welches durch den Hochtemperaturströmungsmittelkanal B hindurchströmt, so daß der Aufheizvorgang durch die elektrische Heizvorrichtung 82 nicht erforderlich ist.
  • Bei der Konstruktion gemäß der fünften Ausführungsform besitzen der Verdampfungsabschnitt 20 und der Reformierungsabschnitt 40 einen thermischen Rotationsspeicher, die in einen Körper integriert sind, so daß die Vorrichtung kompakter ausgeführt werden kann. Ferner wird der Reformierungsmaterialzuführabschnitt auf der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschers abgeschafft und es wird der Reformierungsbrennstoff der stromaufwärtigen Seite des Wärmeaustauschers zugeführt, so daß die Vorrichtung nochmals kompakter ausgeführt werden kann. Ferner wird das Reformierungsmaterial direkt durch den Wärmeaustauscher erhitzt, so daß der Wärmeaustauschwirkungsgrad verbessert wird. Darüber hinaus ist der Abgasreinigungsabschnitt 80 in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B auf der stromabwärtigen Seite des thermischen Rotationsspeichers 201 vorgesehen, so daß selbst dann, wenn der Reformierungsbrennstoff der stromaufwärtigen Seite des thermischen Rotationsspeichers zugeführt wird, das schädliche Gas nicht nach außen hin ausgestoßen wird.
  • (Sechste Ausführungsform)
  • Es wird nun im folgenden eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Hinweis auf 12 beschrieben. Wenn man die sechste Ausführungsform mit der oben beschriebenen fünften Ausführungsform vergleicht, ergibt sich ein Unterschied dahingehend, daß ein Adsorptionsmittel 86 in dem Abgasreinigungsabschnitt 80 auf einer stromaufwärtigen Seite des Abgaskatalysatorkörpers 81 vorgesehen ist. Teile ähnlich den Teilen der oben beschriebenen fünften Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird weggelassen.
  • 12 ist ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform veranschaulicht. Wie in 12 dargestellt ist, ist das Adsorptionsmittel 86 in dem Abgasreinigungsabschnitt 80 auf einer stromaufwärtigen Seite des Abgaskatalysatorkör pers 81 vorgesehen. Das Adsorptionsmittel 86 ist mit vielen Durchgangslöchern und feinen Löchern zum Zwecke einer Adsorption ausgestattet. Der Adsorptionsstoff 86 ist beispielsweise aus Zeolith hergestellt.
  • Bei der zuvor erläuterten Konstruktion arbeitet die Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu einem Startzeitpunkt in der folgenden beschriebenen Weise. Wenn der Katalysator, der an dem Abgaskatalysatorkörper 81 angebracht ist, sich auf einer niedrigen Temperatur befindet, und zwar unmittelbar nach dem Starten, und nicht die Aktivierungstemperatur erreicht, werden die schädlichen Komponenten in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B in dem Adsorptionsstoff 86 adsorbiert. Dann wird der Abgaskatalysator 81 durch die elektrische Heizvorrichtung 82 auf die Temperatur erhitzt, welche die Aktivierungstemperatur überschreitet.
  • Wenn das Adsorptionsmittel 86 durch das Verbrennungsgas erhitzt wird, welches dort hindurch verläuft, und eine gegebene Temperatur erreicht, werden die schädlichen Komponenten, die in dem Adsorptionsmittel 86 adsorbiert wurden, aus dem Adsorptionsmittel 86 ausgetrieben, so daß das Adsorptionsmittel 86 regeneriert wird. Die schädlichen Komponenten, die aus dem Adsorptionsmittel 86 ausgetrieben wurden, werden mit Hilfe einer Oxidationsreaktion an dem Abgaskatalysatorkörper 81 entfernt, entsprechend einem Reinigungsvorgang, der aktiviert worden ist, bevor ein Ausstoß nach außen hin erfolgt.
  • Wie oben dargelegt wurde, werden die einmal in dem Adsorptionsstoff 86 gehaltenen schädlichen Komponenten selbst dann, wenn der an dem Abgaskatalysatorkörper 81 befestigte Katalysator nicht die Aktivierungstemperatur erreicht, nicht zur Außenseite hin ausgestoßen. Ferner werden die schädlichen Komponenten bei hoher Temperatur aus dem Adsorptionsstoff oder Adsorptionsmittel 86 ausgetrieben, so daß das Adsorptionsmittel 86 regeneriert wird.
  • Die elektrische Heizvorrichtung 82 (Heizeinrichtung), die in dem Abgasreinigungsabschnitt 80 vorgesehen ist, kann weggelassen werden, da die schädlichen Kom ponenten durch das Adsorptionsmittel 86 festgehalten werden, und zwar bis zu dem Zeitpunkt, wenn der an dem Abgaskatalysatorkörper 81 befestigte Katalysator die Aktivierungstemperatur mit der Zeit erreicht.
  • Ferner können, anstatt bei der ersten bis vierten Ausführungsform die Drehwellen der thermischen Rotationsspeicher 21 und 41 in eine gemeinsame Drehwelle zu integrieren, die thermischen Rotationsspeicher 21 und 41 auch ihre eigene Welle besitzen. In diesem Fall benötigt sowohl der Verdampfungsabschnitt 20 als auch der Reformierungsabschnitt 40 seinen eigenen Antriebsmechanismus, wie beispielsweise einen Leistungsmotor, so daß die jeweiligen Rotationsgeschwindigkeiten der thermischen Rotationsspeicher 21 und 22 unabhängig gesteuert werden können, im Einklang mit getrennt geforderten Heiztemperaturen in dem Verdampfungsabschnitt 20 und dem Reformierungsabschnitt 40.
  • Ferner können anstelle der Befestigung des Oxidationskatalysators und des Reformierungskatalysators an unterschiedlichen Oberflächenabschnitten der thermischen Rotationsspeicher 201, wie bei der fünften bis sechsten Ausführungsform geschehen, eine Katalysatormischung, bei der der Oxidationskatalysator und der Reformierungskatalysator gemischt sind, an einer gesamten Oberfläche des thermischen Rotationsspeichers 201 angebracht sein.
  • Ferner kann bei der fünften und sechsten Ausführungsform der Katalysator, der an dem thermischen Rotationsspeicher auf der stromaufwärtigen Seite des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals angebracht ist, in einer solchen Weise weggelassen werden, daß lediglich eine Wärmeübertragung von dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A zugelassen wird.
  • Ferner kann der thermische Rotationsspeicher 201 in der fünften und in der sechsten Ausführungsform aus einem einzelnen thermischen Rotationsspeicher oder auch aus einer Vielzahl an thermischen Rotationsspeichern, die miteinander gestapelt sind, bestehen. Beispielsweise können in dem Fall entsprechend einer Anbringung des Oxi dationskatalysators und des Reformierungskatalysators an unterschiedlichen Oberflächenpositionen des thermischen Rotationsspeichers 201 die thermischen Rotationsspeicher, nachdem jeder Oxidationskatalysator und Reformierungskatalysator an jedem der zwei Teile der thermischen Rotationsspeicher angebracht sind, zusammengebaut werden, um eine integrierte Konstruktion zu erreichen.
  • Ferner kann in der Mischkammer 14 das Wasser in einer Gasphase oder mit Flüssigteilchen zersprüht werden.
  • (Siebte Ausführungsform)
  • Im folgenden wird unter Hinweis auf 13 eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 13 ist ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform veranschaulicht. Eine Pfeilmarkierung gemäß einer durchgezogenen Linie veranschaulicht eine Transferrichtung der Wärme und eine unterbrochene Linie bzw. Pfeilmarkierung veranschaulicht eine Transferrichtung der Feuchtigkeit (des Dampfnebeles).
  • Wie in 13 gezeigt ist, enthält die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform einen Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110, einen Verdampfungsabschnitt 120, einen Reformierungsabschnitt 130, einen CO-Beseitigungsabschnitt 140, einen Gaskompressor 151 (Komprimiereinrichtung) und einen Verbrennungsgaszuführabschnitt 170. Bei der siebten Ausführungsform bestehen der Verdampfungsabschnitt 120, der Reformierungsabschnitt 130 und der CO-Beseitigungsabschnitt 140 alle aus thermischen Rotationsspeichern.
  • Darüber hinaus bildet bei der Wasserstoffversorgungsvorrichtung ein Gehäuse 100 einen Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A (einen Reformierungsmaterialkanal) zum Hindurchführen des Reformierungsmaterials, und bildet einen Hochtemperaturströmungsmittelkanal B (einen Verbrennungsgaskanal) zum Hindurchführen des Verbrennungsgases. Der Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A und der Hochtemperaturströmungsmittelkanal B verlaufen zueinander parallel. Der Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A und der Hochtemperaturströmungsmittelkanal B sind voneinander unabhängig und Wärme wird über den Verdampfungsabschnitt 120 und den Reformierungsabschnitt 130 ausgetauscht.
  • Die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform ist auf einer stromabwärtigen Seite des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals A mit einem Reformierungsgaskanal oder -durchgang C ausgestattet, um das Reformierungsgas zu leiten, welches in dem Reformierungsabschnitt 130 erzeugt wurde, und ist auf einer stromaufwärtigen Seite des Hochtemperaturströmungsmittelkanals B mit einem Abgaskanal D ausgestattet, um das Abgas zu leiten, welches aus einer Brennstoffzelle 160 ausgestoßen wird. Der Reformierungsgaskanal C und der Abgaskanal D sind zueinander parallel und sind voneinander unabhängig. Wärme wird ausgetauscht und Feuchtigkeit (Dampfnebel) wird von dem Abgaskanal D zum Reformierungsgaskanal C über den CO-Beseitigungsabschnitt 140 gesammelt.
  • In dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A wird zuerst das Reformierungsmaterial (eine Mischung aus Wasser und Luft), welches von dem ersten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110 zugeführt wird, aufgeheizt und verdampft (in Dampfform umgesetzt), und zwar an dem Verdampfungsabschnitt 120. Es wird ein zweites Reformierungsmaterial (Brennstoff) mit dem verdampften ersten Reformierungsmaterial an einer stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 120 gemischt, um ein Reformierungsmaterial zu bilden, welches Wasser, Luft und Reformierungsbrennstoff enthält. Das Reformierungsmaterial wird an dem Reformierungsabschnitt 130 reformiert, um ein Reformierungsgas zu bilden, welches H2 und CO enthält. Nachdem das CO in den Reformierungsgaskanal C mit Hilfe des CO-Beseitigungsabschnitts 140 beseitigt worden ist, wird es als ein wasserstoffreiches Gas der Brennstoffzelle 160 zugeführt. Die Feuchtigkeit (Dampfnebel), die als ein spezifiziertes Material für die CO-Beseitigungsreaktion in dem CO-Beseitigungsabschnitt 140 erforderlich ist, besteht aus der Feuchtigkeit, die aus dem Abgas des Abgaskanals D gesammelt wurde.
  • Der Brennstoffzelle 160 wird Luft (Sauerstoff) zusammen mit Wasserstoff zugeführt, so daß auf Grund einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Energie erzeugt wird. In der Brennstoffzelle 160 wird Abgas, welches nicht reagierten Wasserstoff enthält, der nicht für die Energieerzeugung verwendet worden ist, ausgestoßen. Der Wasserstoff und die Luft, die der Brennstoffzelle 160 zuzuführen sind, sind feucht, und es wird ferner Feuchtigkeit durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugt, so daß das Abgas, welches aus der Brennstoffzelle 160 ausgetragen wird, feucht ist und eine große Menge an einem Dampfnebel enthält.
  • Das aus der Brennstoffzelle 160 ausgestoßene Abgas wird dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B zugeführt, und zwar nachdem die Feuchtigkeit (Dampfnebel) in dem Abgasdurchgang oder -kanal D gesammelt wurde. In dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B wird das Abgas zu dem Verbrennungsgaszuführabschnitt 170 zugeführt, so daß das Abgas verbrannt wird, um zu dem Verbrennungsgas zu werden. Die Verbrennungshitze des Abgases wird über den Reformierungsabschnitt 130 und den Verdampfungsabschnitt 20 von dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B auf das Reformierungsmaterial übertragen, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A strömt. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden ein flüssiger Petroleumbrennstoff, wie beispielsweise Benzin oder Kerosin, als Reformierungsbrennstoff verwendet.
  • Wie in 13 gezeigt ist, ist der erste Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110 zum Zuführen des ersten Reformierungsmaterials (Wasser und Luft) an einem obersten Strömungsteil des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals A plaziert. Der erste Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110 ist mit einem Wasserströmungsratensteuerventil 111, einem Luftströmungsratensteuerventil 112, einer Sprühdüse 114 und mit einer Mischkammer 115 ausgestattet. Die Luft wird der Mischkammer 115 durch eine Ansaugoperation des Gaskompressors 151 zugeführt, der an späterer Stelle in Einzelheiten beschrieben wird.
  • Auf der stromabwärtigen Seite der Mischkammer 115 in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A ist der Verdampfungsabschnitt 120 angeordnet. Der Verdampfungsabschnitt 120 gemäß der siebten Ausführungsform besteht aus einem Wärmeaustauscher vom Rotationstyp, dessen Konstruktion ähnlich ist derjenigen der ersten Ausführungsform. Der Verdampfungsabschnitt 120 ist mit einem thermischen Rotationsspeicher 121 ausgestattet, der durch ein Paar von Gasdichtungen eingefaßt ist. Auf einer stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 120 sind ein Brennstoffströmungsratensteuerventil 113, eine Sprühdüse 116 und eine Mischkammer 117 vorgesehen, durch die das zweite Reformierungsmaterial (Reformierungsbrennstoff) gemischt wird und verdampft wird, und zwar zusammen mit dem verdampften ersten Reformierungsmaterial (Wasser und Luft), welches durch den Verdampfungsabschnitt 120 hindurch verlaufen ist.
  • Auf einer stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 120 ist der Reformierungsabschnitt 130 vorgesehen. Der Reformierungsabschnitt 130 besitzt einen thermischen Rotationsspeicher 131 ähnlich demjenigen des Verdampfungsabschnitts 120. Ein Reformierungskatalysator ist an jeder Oberfläche der Durchgangslöcher des thermischen Rotationsspeichers 131 angebracht. Der Reformierungskatalysator wird in dem Reformierungsabschnitt 130 durch die Verbrennungshitze des Verbrennungsgases aufgeheizt, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B strömt. Auf einer stromabwärtigen Seite des Reformierungsabschnitts 130 ist ein Temperatursensor 50 (Temperaturdetektoreinrichtung) vorgesehen, um indirekt eine Temperatur des Reformierungskatalysators zu detektieren.
  • Auf einer stromabwärtigen Seite des Reformierungsabschnitts 130 ist ein CO-Beseitigungsabschnitt 140 zum Beseitigen des CO aus dem reformierten Gas vorgesehen. In dem CO-Beseitigungsabschnitt 140 findet eine CO-Verschiebereaktion (CO + H2O → CO2 + H2 + CO) und eine CO-Oxidationsreaktion (CO + 1/2O2 → CO2) statt, so daß das CO in dem reformierten Gas beseitigt wird. Die CO-Verschiebereaktion benötigt Feuchtigkeit zur Beseitigung des CO. Auf einer stromaufwärtigen Seite des CO- Beseitigungsabschnitts 140 ist ein Kühlabschnitt 141 vorgesehen, um das Reformierungsgas auf eine erforderliche Temperatur zur Beseitigung des CO abzukühlen.
  • Der CO-Beseitigungsabschnitt 140 besitzt einen thermischen Rotationsspeicher 142, dessen Konstruktion ähnlich derjenigen des Verdampfungsabschnitts 120 ist. Der thermische Rotationsspeicher 142 des CO-Beseitigungsabschnitts 140 kreuzt sowohl den Reformierungsgaskanal C, der stromabwärts von dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A gelegen ist, als auch den Abgaskanal D, der auf der stromaufwärtigen Seite des Hochtemperaturströmungsmittelkanals B gelegen ist, und bewegt sich abwechselnd zwischen dem Reformierungsgaskanal C und dem Abgaskanal D entsprechend der Rotation desselben.
  • Es sind Dampfströmungsadsorptionsschichten auf den Oberflächen (den Wärmeübertragungsflächen) der Durchgangslöcher des thermischen Rotationsspeichers 142 des CO-Beseitigungsabschnitts 140 vorgesehen. Jede der Verdampfungsstromadsorbierungsschichten besteht aus einem porösen Adsorptionsmittel, welches beispielsweise aus Zeolith oder Silikagel hergestellt ist, welches eine Adsorption von Feuchtigkeit ermöglicht. Das Adsorptionsmittel ist mit sehr vielen feinen Löchern ausgestattet, von denen die jeweilige Größe so festgelegt ist, um selektiv die Feuchtigkeit zu adsorbieren.
  • In dem CO-Beseitigungsabschnitt 140 sind CO-Reinigungskatalysatoren, wie beispielsweise ein Verschiebungskatalysator für die CO-Verschiebungsreaktion (beispielsweise ein Katalysator der Gruppe Fe-Cr oder ein Katalysator der Gruppe Cu-Zn), und es ist auch ein Oxidationskatalysator für die Oxidationsreaktion (beispielsweise Pt, Pd oder Rh) an den Dampfnebeladsorbierungsschichten angebracht.
  • Die thermischen Rotationsspeicher 121, 131 und 142 des Verdampfungsabschnitts 120, des Reformierungsabschnitts 130 und des CO-Beseitigungsabschnitts 140 sind auf einer gemeinsamen Drehwelle 123 angeordnet und werden gleichzeitig für eine Drehung durch einen Leistungsmotor 122 angetrieben, der in dem Verdampfungsabschnitt 120 vorgesehen ist.
  • In einem Reformierungsgaszuführkanal oder -pfad 150 zum Zuführen des reformierten Gases zu der Brennstoffzelle 160 ist ein Gaskompressor 151 vom Hineindrücktyp vorgesehen. Der Gaskompressor 151 wird durch einen Leistungsmotor angetrieben. Der Gaskompressor 151 ändert eine Zuführmenge des Reformierungsmaterials zu der Brennstoffzelle 160 in Einklang mit Änderungen in einer Ausgabeanforderung für die Brennstoffzelle 160. Über den Einlaß des Gaskompressors 151 wird Luft angesaugt und wird dem Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110 zugeführt. In dem Gaskompressor 151 liegt der Druck höher an einer Austragsseite als an einer Einlaßseite. Demzufolge ist der Druck in der Vorrichtung derart einstellbar, daß ein Druck Pb des Hochtemperaturströmungsmittelkanals B höher ist als ein Druck Pa des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals A und ein Druck Pd des Abgaskanals höher liegt als ein Druck Pc des Reformierungsgaskanals.
  • Das reformierte Gas, welches Wasserstoff enthält, welches in der Wasserstoffversorgungsvorrichtung erzeugt wurde, wird der Brennstoffzelle 160 zugeführt. Der Brennstoffzelle 160 wird auch Luft (Sauerstoff) zusammen mit Wasserstoff vermittels des Gaskompressors 152 zugeführt, so daß elektrische Energie erzeugt wird, und zwar auf Grund einer elektrochemischen Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff.
  • In der Brennstoffzelle 160 ist es erforderlich, einen Elektrolytfilm innerhalb der Brennstoffzelle 160 mit Feuchtigkeit vorzusehen, um die elektrochemische Reaktion für die Energieerzeugung zu fördern. Es werden daher feuchte Luft und Wasserstoff der Brennstoffzelle 160 während einer normalen Antriebszeit zugeführt, so daß die Brennstoffzelle 160, deren Innenseite sich in einem feuchten Zustand befindet, effektiv betrieben wird. Auch wird Feuchtigkeit auf einer Seite einer Sauerstoffelektrode erzeugt, und zwar auf Grund der folgenden elektrochemischen Reaktion: (auf der Seite einer negativen Elektrode) H2 → 2H+ + 2e– (auf der Seite einer positiven Elektrode) 2H+ + 1/2O2 + 2e– → H2O
  • In der Brennstoffzelle 160 wird Abgas, welches nicht reagierten Wasserstoff enthält, der für die Energieerzeugung nicht verwendet worden ist, und Abluft, welche Sauerstoff enthält, der für die Energieerzeugung nicht verwendet wurde, ausgestoßen. Das Abgas, welches aus dem Abgas (off gas) und der Abluft zusammengesetzt ist, welches eine Menge an Dampf enthält (gewöhnlich in einem gesättigten Zustand), wird dem Abgaskanal D über einen Abgaszuführpfad 161 und einen Abgaszuführpfad 162 zugeführt.
  • In dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B auf einer stromabwärtigen Seite des Abgaskanals D und auf einer stromaufwärtigen Seite des Reformierungsabschnitts 130 ist ein Verbrennungsgaszuführabschnitt 170 vorgesehen, um den Reformierungsabschnitt 130 und den Verdampfungsabschnitt 120 aufzuheizen. Der Verbrennungsgaszuführabschnitt 170 ist mit einem Brennstoffströmungsratensteuerventil 171 (einem Verbrennungsbrennstoffzuführabschnitt), einer Sprühdüse 172, einer Zündkerze 173 (Zündeinrichtung) und einer Misch/Verbrennungskammer 174 ausgestattet.
  • Dem Verbrennungsgaszuführabschnitt 170 werden die Abgase, die aus dem Abgas, welches durch den Abgaskanal D hindurch verläuft, und der Abluft zusammengesetzt ist. Die Abgase werden dem Reformierungsabschnitt 130 und dann dem Verdampfungsabschnitt 120 zugeführt und werden katalytischen in den Reformierungs- und Verdampfungsabschnitten 130 und 120 mit den Oxidationskatalysatoren verbrannt. Die Verbrennungswärme des Verbrennungsgases heizt die thermischen Rotationsspeicher 131 und 121 auf. Der Reformierungskatalysator des thermischen Rotationsspeichers 131 des Reformierungsabschnitts 130 wird aufgeheizt und es wird der thermische Rotationsspeicher 121 des Verdampfungsabschnitts 120 erhitzt und es wird das Reformierungsmaterial in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A verdampft.
  • Wenn die Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu einem Startzeitpunkt betätigt wird, wird anstelle des Abgases ein Aktivierungsbrennstoff (der Verbrennungsbrennstoff), dessen Strömungsrate durch das Brennstoffströmungsratensteuerventil 171 ge steuert wird, in die Verbrennungskammer 174 eingesprüht und wird mit Hilfe der Zündkerze 173 gezündet, wodurch dann Verbrennungsgas durch Flammenverbrennung erzeugt wird. In der siebten Ausführungsform wird ein Brennstoff vom Flüssigpetroleumtyp ähnlich dem Reformierungsbrennstoff als Aktivierungsbrennstoff verwendet.
  • Die stromabwärtige Seite des Verdampfungsabschnitts in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B ist mit einem Drosselrohr 101 (einem Verbrennungsgasausstoßpfad) ausgestattet und das Drosselrohr 101 ist mit einem Ausstoßsteuerventil 102 versehen (Druckeinstelleinrichtung), um einen Pfadbereich zu ändern. Auf der Grundlage des Gaskompressors 151 und des Ausstoßsteuerventils 102 kann Druck dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B und dem Ausstoßgaskanal D hinzugefügt werden. Spezifisch, wenn der Gaskompressor aktiviert wird, kann der Bereich bzw. Querschnitt des Verbrennungsgasausstoßpfades 101 durch das Ausstoßsteuerventil 102 so reduziert werden, um einen Widerstand des Ausstoßes zu erhöhen, wodurch dann der Druck Pb des Hochtemperaturströmungsmittelkanals B und der Druck Pd des Abgaskanals D erhöht wird, und zwar verglichen mit dem Druck Pa des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals A und dem Druck Pc des Reformierungsgaskanals C.
  • Die Wasserstoffversorgungsvorrichtung der siebten Ausführungsform enthält einen Steuerabschnitt (ECU) 180, ähnlich demjenigen der ersten Ausführungsform, um verschiedene Steuervorgänge durchzuführen.
  • Eine Aktivierung der Wasserstoffversorgungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Konstruktion wird nun weiter unten beschrieben. Zuerst wird die Aktivierung der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Startzeitpunkt beschrieben. Um die Reformierungsreaktion in dem Reformierungsabschnitt 130 zu starten, ist es erforderlich, daß das Reformierungsmaterial, welches dem Reformierungsabschnitt 130 zugeführt wird, verdampft wird und in Dampfform übergeführt wird, und daß eine Temperatur des Reformierungskatalysators des Reformierungsabschnitts 130 erhöht wird, und zwar auf eine vorbestimmte Temperatur, so daß die Möglichkeit geschaffen wird, die Reformierungsreaktion zu starten.
  • Dann werden in einer Verbrennungskammer 174 des Verbrennungsgaszuführabschnitts 170 der Aktivierungsbrennstoff und Luft gemischt, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, und dieses wird dann mit Hilfe der Zündkerze 173 zum Zwecke einer Flammenverbrennung gezündet. Das Verbrennungsgas, welches durch die Flammenverbrennung erzeugt wird, strömt durch den Reformierungsabschnitt 130 und auch durch den Verdampfungsabschnitt 120, wobei es durch den Hochtemperaturströmungsmittelkanal B hindurch verläuft. Dadurch werden Abschnitte der thermischen Rotationsspeicher 131 und 121, die in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B gelegen sind, durch das Verbrennungsgas erhitzt. Zu diesem Zeitpunkt wird Luft durch Betätigen des Gaskompressors 151 dem ersten Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110 zugeführt.
  • An dem Verdampfungsabschnitt 120 bewegt sich auf Grund der Rotation des thermischen Rotationsspeichers 121 der Abschnitt, der durch das Verbrennungsgas erhitzt wurde, zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A, wodurch bewirkt wird, daß die Luft, die in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A strömt, erhitzt wird. Da die erhitzte Luft in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A strömt, wird jede Komponente auf der stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 120 sehr schnell aufgeheizt. An dem Reformierungsabschnitt 130 wird Reformierungskatalysator, der in dem thermischen Rotationsspeicher 131 vorgesehen ist, welcher sich dreht, direkt aufgeheizt.
  • Die Verbrennungshitze des Verbrennungsgases wärmt sehr schnell (das heißt vorheizt) jede Komponente des Reformierungssystems auf, derart, daß der Wärmeaustauschabschnitt 120, der Reformierungsabschnitt 130 und der CO-Beseitigungsabschnitt 140 erhitzt werden. Dann, wenn die Temperatur des Reformierungsabschnitts 130, die durch den Temperatursensor 132 detektiert wird, eine vorbestimmte Temperatur zum Starten der Reformierungsreaktion erreicht, wird festgestellt, daß jede Temperatur der Komponenten des Reformierungssystems, welches den Reformierungskatalysator enthält, einen Punkt erreicht hat, bei dem die Reformierungsreaktion initialisiert werden kann. Demzufolge wird die Zufuhr des Aktivierungsbrennstoffes in dem Verbrennungs gaszuführabschnitt 170 unterbunden, um die Flammenverbrennung anzuhalten. Die vorbestimmte Temperatur zum Starten der Reformierungsreaktion kann willkürlich in Einklang mit einem Typ des Reformierungsbrennstoffes und ähnlich eingestellt werden. Wenn ein Brennstoff vom Petroleumtyp als Reformierungsbrennstoff wie bei der siebten Ausführungsform verwendet wird, kann die Temperatur auf ca. 300°C bis 400°C eingestellt werden.
  • Wenn der Aufwärmvorgang für jede Komponente vervollständigt worden ist, startet der erste Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110 die Zufuhr- des Reformierungsmaterials (der Mischung aus Wasser und Luft). Es wird dann das erste Reformierungsmaterial in dem Verdampfungsabschnitt 120 erhitzt und verdampft und wird dann mit dem zweiten Reformierungsmaterial (dem Reformierungsbrennstoff) an der stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts 120 gemischt, um ein verdampftes Reformierungsmaterial zu bilden, welches aus Wasser, Luft und Reformierungsbrennstoff zusammengesetzt ist. Das verdampfte Reformierungsmaterial wird in dem Reformierungsabschnitt 130 in das reformierte Gas reformiert, welches H2 und CO enthält. Das CO des Reformierungsgases wird in dem CO-Beseitigungsabschnitt 140 beseitigt und das reformierte Gas wird dann der Brennstoffzelle 160 über den Gaskompressor 151 zugeführt.
  • In der Brennstoffzelle 160 tritt eine chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und des Sauerstoff auf, um Energie zu erzeugen, und das Abgas, welches nicht reagierten Wasserstoff enthält, und die Abluft, die nicht reagierten Sauerstoff enthält, werden ausgestoßen. Da die Innenseite der Brennstoffzelle 160, in welcher die elektrochemische Reaktion durchgeführt wird, sich in einem feuchten Zustand befindet, wird das Abgas und wird die Abluft, die eine Menge an Dampf enthält, emittiert. Das Abgas und die Abluft werden in dem Abgaskanal D über den Abgaszuführpfad 161 eingeleitet und die Abluft wird über den Zuführpfad 162 geleitet. Der Druck des Abgaskanals D liegt höher als der Druck des Reformierungsgaskanals C und die Temperatur (ca. 100 bis 120°C) des reformierten Gases liegt höher als diejenige (ca. 80 bis 90°C) des Abgases der Brennstoffzelle 160.
  • Demzufolge wird der Dampf, der in dem Abgas der Brennstoffzelle 160 enthalten ist, in den Dampfadsorbierschichten des thermischen Rotationsspeichers 142 in dem CO-Beseitigungsabschnitt auf der Seite des Abgaskanals D adsorbiert, der die niedrigere Temperatur und den höheren Druck besitzt. Der Abschnitt des thermischen Rotationsspeichers 132, an dem der Dampf adsorbiert wird, bewegt sich zu der Seite des Reformierungsgaskanals C, wenn sich der thermische Rotationsspeicher 132 dreht und es wird der Dampf aus den Dampfadsorbierschichten in dem Reformierungsgaskanal C ausgetrieben, der die höhere Temperatur und den niedrigem Druck besitzt. Der Dampf, der ausgetrieben wurde, wird für die CO-Verschiebereaktion verwendet.
  • Die CO-Beseitigungsreaktion (Verschiebereaktion und Oxidationsreaktion) in dem CO-Beseitigungsabschnitt 140 erzeugt Wärme. Es wird der thermische Rotationsspeicher 142 auf eine hohe Temperatur auf der Seite des Reformierungsgaskanals C aufgeheizt und wird auf der Seite des Abgaskanals D gekühlt, wodurch verhindert wird, daß der Katalysator sich verschlechtert, so daß eine optimale Reaktionsgeschwindigkeit desselben aufrechterhalten wird.
  • Das Abgas, von welchem der Dampf beseitigt bzw. gesammelt wurde, indem dieses durch den Abgaskanal D hindurch geleitet wurde, wird in den Verbrennungsgaszuführabschnitt 170 des Hochtemperaturströmungsmittelkanals B eingeleitet. Das Abgas wird dem Reformierungsabschnitt 130 und dem Verdampfungsabschnitt 120 zugeführt und es wird die katalytische Verbrennung initialisiert, wenn dieses durch die thermischen Rotationsspeicher 131 und 121 hindurch verläuft. Die durch die katalytische Verbrennung des Abgases erzeugte Wärme wird in den thermischen Rotationsspeichern 131 und 121 gespeichert. Somit heizt der thermische Rotationsspeicher 131 des Reformierungsabschnitts 130 den Reformierungskatalysator direkt auf, und der thermische Rotationsspeicher 121 des Verdampfungsabschnitts 120 heizt das Reformierungsmaterial auf und verdampft dieses, welches durch den Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A hindurch verläuft.
  • Dabei heizt die Hitze, die durch die katalytische Verbrennung des Abgases erzeugt wurde, den Reformierungskatalysator des Reformierungsabschnitts 130 auf und heizt das Reformierungsmaterial in dem Verdampfungsabschnitt 120 auf und verdampft dieses. Demzufolge wird jeder Heizvorgang des Verdampfungsabschnitts 120 und des Reformierungsabschnitts 130 von dem Aufheizen durch die Flammenverbrennung des Aktivierungsbrennstoffes auf den Heizvorgang durch die Abgasverbrennung umgeschaltet, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, den Selbstantrieb der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu starten.
  • Zu diesem Zeitpunkt wird die Druckeinstellung durch Einstellen der Ausgangsgröße des Gaskompressors 151 und durch Einstellen des Öffnungsgrades des Abgassteuerventils 102 durchgeführt.
  • Wenn als nächstes eine Last der Brennstoffzelle 160 schwankt, wird eine Zuführmenge des Reformierungsmaterials durch den Gaskompressor 151 und einen Luftkompressor 152 entsprechend der Lastschwankung der Brennstoffzelle 160 so eingestellt, daß eine Menge des Wasserstoffes und eine Menge der Luft, die der Brennstoffzelle 160 zugeführt werden, eingestellt wird. Wenn zu diesem Zeitpunkt eine Menge des reformierten Gases, welches durch den Gaskompressor 151 zugeführt wird, zunimmt, werden der Druck Pb des Hochtemperaturströmungsmittelkanals B und der Druck Pd des Abgaskanals D höher und, wenn die genannte Menge abnimmt, werden diese niedriger. Demzufolge werden durch die Einstellung des Öffnungsgrades des Abgassteuerventils 102 die jeweiligen Druckdifferenzen zwischen den Kanälen A, B, C und D so eingestellt, daß sie angemessene Werte erreichen.
  • Um die Zufuhr des Wasserstoffes aus der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu der Brennstoffzelle 160 bin anzuhalten, wird zuerst die Zufuhr des Reformierungsbrennstoffes und des Wassers angehalten und dann wird die Luftzufuhr unterbrochen. Während dieser Zeit wird eine verbrennbare Gasmischung, die in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal A verblieben ist, vollständig innerhalb des Verdampfungsabschnitts 120 in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B oder durch die katalytische Verbrennung an einer Oberfläche desselben verbrannt, so daß der Ausstoß von Abgasen unterdrückt wird.
  • Wie oben beschrieben wurde, wird Feuchtigkeit, die für die CO-Beseitigungsreaktion erforderlich ist, aus dem Abgas gesammelt, welches von der Brennstoffzelle 160 ausgestoßen wird, da die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform mit dem thermischen Rotationsspeicher 142 ausgestattet ist, der das Adsorptionsmittel in dem CO-Beseitigungsabschnitt 140 enthält. Wenn die Feuchtigkeit dem CO-Beseitigungsabschnitt 140 zugeführt wird, ist es nicht erforderlich, weitere Feuchtigkeit hinzufügen, deren Menge die erforderliche Menge für die Reformierungsreaktion überschreiten würde, so daß die Verdampfungs- und Dampferzeugungseinrichtung der Wasserstoffversorgungsvorrichtung kompakter ausgeführt werden kann.
  • Da das Adsorptionsmittel, welches selektiv spezifische Materialien adsorbieren kann, an den Oberflächen der Durchgangslöcher des thermischen Rotationsspeichers 142 angeordnet ist, dann nicht nur die Wärme, sondern dann auch das spezifizierte Material zwischen den zwei Kanälen übertragen werden.
  • Da ferner der thermische Rotationsspeicher 142 mit den Dampfadsorbierschichten versehen ist, kann der Verschiebekatalysator, der aus dem Abgas gesammelte Dampf in dem Abgaskanal D, der in dem CO-Beseitigungsabschnitt verwendet wird, in einen Dampfzustand überführt werden (ohne daß sich die Phase in einen Flüssigzustand ändert), und zwar zu dem Reformierungsgaskanal C hin.
  • Da ferner der CO-Beseitigungsabschnitt 140 den thermischen Rotationsspeicher 142 aufweist, kann der Katalysator, der durch die CO-Beseitigungsreaktion in dem Reformierungsgaskanal C aufgeheizt wird, in dem Abgaskanal D gekühlt werden. Demzufolge wird verhindert, daß der Katalysator sich verschlechtert, so daß die optimale Reaktionstemperatur desselben aufrechterhalten werden kann.
  • Der Kühlabschnitt 141, der zwischen dem Reformierungsabschnitt 130 und dem CO-Beseitigungsabschnitt 140 angeordnet ist, kann eine Konstruktion besitzen, durch die Wärmeaustauschvorgänge über ein Heizmedium mit einer Kühlvorrichtung (nicht gezeigt), die an der Außenseite vorgesehen sind, möglich sind.
  • (Achte Ausführungsform)
  • Unter Hinweis auf 14 wird eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im folgenden beschrieben. 14 zeigt ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der achten Ausführungsform veranschaulicht. Wenn die achte Ausführungsform, die in 14 gezeigt ist, mit der oben beschriebenen siebten Ausführungsform verglichen wird, ergibt sich ein Unterschied hinsichtlich einer Konstruktion des CO-Beseitigungsabschnitts 140. Teile, die ähnlich den Teilen der oben beschriebenen siebten Ausführungsform sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird weggelassen.
  • Wie in 14 gezeigt ist, ist der CO-Beseitigungsabschnitt 140 mit einem ersten und einem zweiten thermischen Rotationsspeicher 142 und 144 ausgestattet, von denen jeder eine Konstruktion aufweist ähnlich derjenigen des thermischen Rotationsspeichers 121 des Verdampfungsabschnitts 120. Der erste thermische Rotationsspeicher 142 ist in dem Reformierungsgaskanal C auf einer stromaufwärtigen Seite des zweiten thermischen Rotationsspeichers 144 gelegen und in dem Abgaskanal D auf einer stromabwärtigen Seite des zweiten thermischen Rotationsspeichers 144. Der erste thermische Rotationsspeicher 142 dient zum Sammeln von Feuchtigkeit (Dampf) aus dem Abgas der Brennstoffzelle, welches in dem Abgaskanal D strömt, und der zweite thermische Rotationsspeicher 144 dient zur Realisierung der CO-Beseitigungsreaktion (Verschiebungsreaktion und Oxidationsreaktion).
  • Der erste thermische Rotationsspeicher 142 ist an Flächen (Warmeübertragungsflächen) der Durchgangslöcher derselben mit Dampfadsorbierschichten aus Zeolith und ähnlichem ausgestattet. Der zweite thermische Rotationsspeicher 144 ist an den Oberflächen Wärmeübertragungsflächen der Durchgangslöcher desselben mit dem CO-Beseitigungskatalysator (Verschiebekatalysator und Oxidationskatalysator) ausgestattet. Um das reformierte Gas, dessen Temperatur hoch liegt, zu kühlen, ist ein erster Kühlabschnitt 141 in dem Reformierungsgaskanal C auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers 142 angeordnet, und es ist ein zweiter Kühlabschnitt 143 zwischen dem ersten und dem zweiten thermischen Rotationsspeicher 142 und 144 angeordnet.
  • Bei der oben erläuterten Konstruktion arbeitet der CO-Beseitigungsabschnitt 140 der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der achten Ausführungsform in der im folgenden beschriebenen Weise.
  • In dem ersten thermischen Rotationsspeicher 142 wird der Dampf adsorbiert und aus dem Abgas der Brennstoffzelle gesammelt, welches in dem Abgaskanal D bei niedriger Temperatur und unter hohem Druck strömt, und wird zu dem Reformierungsgaskanal C übertragen. Der in dem ersten thermischen Rotationsspeicher 142 adsorbierte Dampf wird in dem Reformierungsgaskanal C bei hoher Temperatur und unter niedrigem Druck ausgefällt. Zu diesem Zeitpunkt wird bei dem ersten thermischen Rotationsspeicher 142 Wärme des reformierten Gases abgestrahlt, so daß das reformierte Gas, welches in dem Reformierungsgaskanal C strömt, gekühlt wird.
  • Der ausgefällte Dampf des ersten thermischen Rotationsspeichers 142 in dem Reformierungsgaskanal C wird dem zweiten thermischen Rotationsspeicher 144 zugeführt. In dem zweiten thermischen Rotationsspeicher 144 wird die CO-Beseitigungsreaktion unter Verwendung des Dampfes gefördert, so daß das CO in dem reformierten Gas beseitigt wird. Zu diesem Zeitpunkt kann, obwohl der zweite thermische Rotationsspeicher 144 auf Grund der CO-Beseitigungsreaktion aufgeheizt wird, der Katalysator in dem Abgaskanal D auf eine niedrige Temperatur gekühlt werden.
  • Die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der achten Ausführungsform besitzt den Vorteil wie die siebte Ausführungsform. Da ferner der CO-Beseitigungsabschnitt 140 zwei thermische Rotationsspeicher 142 und 144 besitzt, so daß der Feuchtigkeitssammelvorgang und die CO-Beseitigungsreaktion getrennt durchgeführt werden, wird ein Adsorbierwirkungsgrad für die Feuchtigkeit (des Dampfes) verbessert.
  • Gemäß der achten Ausführungsform können, obwohl die Feuchtigkeit in dem ersten thermischen Rotationsspeicher 142 gesammelt wird und die CO-Beseitigung (Verschiebereaktion und Oxidationsreaktion) in dem zweiten thermischen Rotationsspeicher 144 durchgeführt wird, die Verschiebereaktion und die Oxidationsreaktion getrennt durchgeführt werden. In diesem Fall werden sowohl der Feuchtigkeitssammelvorgang als auch die Verschiebungsreaktion in dem ersten thermischen Rotationsspeicher 142 durchgeführt und lediglich die Oxidationsreaktion wird in dem zweiten thermischen Rotationsspeicher 144 durchgeführt. Der Verschiebekatalysator ist lediglich in dem ersten thermischen Rotationsspeicher 142 vorgesehen.
  • (Neunte Ausführungsform)
  • Es wird nun unter Hinweis auf 15 eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 15 zeigt ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der neunten Ausführungsform veranschaulicht. Wenn man die neunte Ausführungsform, die in 15 gezeigt ist, mit der oben beschriebenen siebten Ausführungsform vergleicht, so ergibt sich ein Unterschied dahingehend, daß ein Reformierungsluftbefeuchtungsabschnitt 200 hinzugefügt ist. Teile, die ähnlich den Teilen der oben beschriebenen siebten Ausführungsform sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben ist weggelassen.
  • Wie in 15 dargestellt ist, ist die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der neunten Ausführungsform mit dem Luftbefeuchtungsabschnitt 200 versehen, um die Luft des Reformierungsmaterials zu befeuchten. Der Reformierungsluftbefeuchtungsabschnitt 200 ist mit einem Reformierungsluftkanal E ausgestattet, durch den die Reformierungsluft hindurch verläuft, und mit einem Luftbefeuchtungsabgaskanal F ausgestattet, durch den das Abgas, welches von der Brennstoffzelle 160 ausgestoßen wird, hindurch verläuft. Die Luft, die durch den Reformierungsluftkanal E hindurch strömt, wird dem Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110 zugeführt und wird als ein Teil des Reformierungsmaterials verwendet. Das Abgas, welches durch den Luftbefeuchtungsabgaskanal F hindurch strömt, wird zu dem Abgaskanal D zugeführt.
  • Ein Gaskompressor 118 zur Abgabe von Luft unter Druck ist in dem Reformierungsluftbefeuchtungsabschnitt 200 zwischen dem Reformierungsluftkanal E und dem Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110 vorgesehen. Daher liegt der Druck des Reformierungsluftkanals E auf der Einlaßseite des Gaskompressors 118 in dem Reformierungsluftbefeuchtungsabschnitt 200 niedriger.
  • Der Reformierungsluftbefeuchtungsabschnitt 200 besitzt einen thermischen Rotationsspeicher 203, dessen Konstruktion ähnlich der Konstruktion ist, wie sie bei dem thermischen Rotationsspeicher 121 des Verdampfungsabschnitts 120 realisiert ist. Der thermische Rotationsspeicher 203 ist an den Oberflächen (Wärmeübertragungsflächen) der Durchgangslöcher desselben mit Dampfadsorbierschichten aus Zeolith und ähnlichem ausgestattet. Der thermische Rotationsspeicher 203 wird angetrieben, damit er sich um eine Drehachse 202 desselben dreht, und zwar mit Hilfe eines Antriebsmechanismus (nicht gezeigt).
  • Bei der oben erläuterten Konstruktion wird in dem Reformierungsluftbefeuchtungsabschnitt 200 der Dampf adsorbiert und wird aus dem Abgas gesammelt, welches aus der Brennstoffzelle 160 in den Luftbefeuchtungsabgaskanal F ausgestoßen wird und in den Reformierungsluftkanal E ausgefällt oder ausgeschieden wird. Da der Druck des Reformierungsluftkanals E niedriger liegt als derjenige des Luftbefeuchtungsabgaskanals F, wird, da die Temperaturdifferenz zwischen dem Luftbefeuchtungsabgaskanal F und dem Reformierungsluftkanal E gering ist, der Dampf in dem Luftbefeuchtungsab gaskanal F durch eine Adsorption zu dem Reformierungsluftkanal E übertragen. Die Abgase, die durch den Luftbefeuchtungsabgaskanal F hindurch verlaufen, werden dem Abgaskanal D zugeführt und, nachdem die Feuchtigkeit weiter gesammelt wurde, als Verbrennungsgas in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal B verwendet.
  • Gemäß der neunten Ausführungsform, wie sie oben erläutert ist, wird der Dampf aus den Abgasen der Brennstoffzelle 160 gesammelt und es wird die Luft, die als Reformierungsmaterial verwendet werden soll, befeuchtet, so daß eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung des Reformierungsmaterialzuführabschnitts 110 kompakter ausgeführt werden kann oder auch weggelassen werden kann.
  • Der Dampf, der in dem Reformierungsluftbefeuchtungsabschnitt 200 gesammelt wurde, wird in einem Dampfzustand zu dem Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110 übertragen. Es ist demzufolge zu bevorzugen, daß in dem Reformierungsluftbefeuchtungsabschnitt 200 ein Pfad zwischen dem Reformierungsluftkanal E und dem Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110 eine Wärmeisolierstruktur aufweist. Ferner kann der Pfad zwischen dem Reformierungsluftkanal E und dem Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110 durch das Verbrennungsgas aufgeheizt werden, welches von der Wasserstoffversorgungsvorrichtung auf einer stromabwärtigen Seite des Hochtemperaturströmungsmittelkanals B abgegeben wird.
  • (Zehnte Ausführungsform)
  • Gemäß 16 wird eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im folgenden beschrieben. 19 zeigt ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der zehnten Ausführungsform veranschaulicht. Wenn man die zehnte Ausführungsform, die in 16 gezeigt ist, mit der oben beschriebenen siebten Ausführungsform vergleicht, ergibt sich ein Unterschied dahingehend, daß ein Verunreinigungsbeseitigungsabschnitt 190 zum Adsorbieren und Beseitigen von Verunreinigungen, die von Wasserstoff verschieden sind (wie beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid usw.), welches in dem reformier ten Gas vorhanden ist, vorgesehen ist. Ähnliche Teile wie diejenigen der oben beschriebenen siebten Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben ist weggelassen. Eine kreuzgestrichelte Pfeilmarkierung veranschaulicht eine Übertragungsrichtung der Verunreinigungen.
  • In dem Reformierungsabschnitt 130 werden Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid dadurch erzeugt, indem das Reformierungsmaterial (eine Mischung aus Wasser, Luft und Reformierungsbrennstoff) reformiert wird, entsprechend der Reformierungsreaktion. Stickstoff ist in Luft enthalten, welche in dem Reformierungsmaterial enthalten ist. Demzufolge sind Verunreinigungen, die von Wasserstoff verschieden sind, in dem reformierten Gas enthalten, so daß die Wasserstoffdichte niedrig ist.
  • Wie in 16 gezeigt ist, ist die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der zehnten Ausführungsform in dem Reformierungsgaskanal C auf einer stromabwärtigen Seite des CO-Beseitigungsabschnitts 140 mit dem Verunreinigungsbeseitigungsabschnitt 190 vorgesehen, um Verunreinigungen zu adsorbieren und zu beseitigen, die von Wasserstoff verschieden sind (Stickstoff, Kohlenstoffdioxid usw.), welche in dem reformierten Gas enthalten sind.
  • Der Verunreinigungsbeseitigungsabschnitt 190 enthält einen thermischen Rotationsspeicher 191, dessen Konstruktion ähnlich der Konstruktion des thermischen Rotationsspeichers 121 des Verdampfungsabschnitts 120 ist. Der thermische Rotationsspeicher 191 ist an Flächen (den Wärmeübertragungsflächen) der Durchgangslöcher derselben mit Verunreinigungen adsorbierenden Schichten ausgestattet. Die Verunreinigung adsorbierenden Schichten sind aus porösem Zeolith hergestellt und besitzen viele feine Löcher an den Oberflächen desselben.
  • Bei den Verunreinigungen adsorbierenden Schichten werden spezifizierte Verunreinigungen selektiv dadurch adsorbiert, indem die Abmaße der feinen Löcher auf gegebene Werte entsprechend der Molekulargrößen der jeweiligen spezifizierten Verunreini gungen eingestellt werden. Die Hauptverunreinigungen in dem reformierten Gas bei der zehnten Ausführungsform sind Stickstoff und Kohlenstoffmonoxid.
  • Die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der zehnten Ausführungsform ist an dem Reformierungsmaterialzuführabschnitt 110 auf einer stromaufwärtigen Seite des Luftströmungsratensteuerventils 112 mit einem Gaskompressor (nicht gezeigt) vom Eindrücktyp (push-in type) versehen. Daher tritt in dem Abgaskanal D, der auf einer stromabwärtigen Seite des Reformierungsgaskanals C gelegen ist, ein Druckverlust auf, so daß der Druck Pd des Abgaskanals D niedriger ist als der Druck Pc des Reformierungsgaskanals C.
  • Bei der zuvor erläuterten Konstruktion arbeitet der Verunreinigungsbeseitigungsabschnitt 190 in der weiter unten beschriebenen Weise. Das reformierte Gas wird dem Verunreinigungsbeseitigungsabschnitt 190 zugeführt, nachdem Kohlenmonoxid in dem CO-Beseitigungsabschnitt 140 in dem Reformierungsgaskanal C beseitigt worden ist. In dem Verunreinigungsbeseitigungsabschnitt 190 adsorbieren die Verunreinigungsadsorbierschichten physikalisch ausgewählt bzw. selektiv Stickstoff und Kohlendioxid, die in dem reformierten Gas enthalten sind. Da der Druck des Abgaskanals D niedriger ist als derjenige des Reformierungsgaskanals C, während die Temperaturdifferenz zwischen dem Reformierungsgaskanal C und dem Abgaskanal D gering ist, werden die Verunreinigungen in dem Reformierungsgaskanal C durch Adsorption zu dem Abgaskanal übertragen.
  • Dann bewegt sich der Abschnitt des thermischen Rotationsspeichers 191, an den Stickstoff usw. adsorbiert wurde, zu einer Seite des Abgaskanals D auf Grund der Rotation desselben hin. Es wird der Stickstoff usw., der an den Verunreinigungsadsorptionsschichten adsorbiert wurde, ausgefällt und zusammen mit den Abgasen zur Außenseite der Wasserstoffversorgungsvorrichtung hin ausgestoßen.
  • Da gemäß dem Verunreinigungsbeseitigungsabschnitt 190 der zehnten Ausführungsform der Stickstoff und das Kohlendioxid physikalisch selektiv adsorbiert werden, werden diese auf der Seite des Abgaskanals D ausgefällt bzw. ausgeschieden und zur Außenseite hin ausgestoßen, so daß die Wasserstoffdichte in dem reformierten Gas, welches der Brennstoffzelle 160 zuzuführen ist, höher wird. Als ein Ergebnis wird der Energieerzeugungswirkungsgrad der Brennstoffzelle 190 verbessert.
  • Der Verunreinigungsbeseitigungsabschnitt 190 kann in dem Reformierungsgaskanal C auf einer stromaufwärtigen Seite des CO-Beseitigungsabschnitts 140 vorgesehen sein. Es ist jedoch zu bevorzugen, daß der Verunreinigungsbeseitigungsabschnitt 190 in dem Reformierungsgaskanal C auf der stromabwärtigen Seite des CO-Beseitigungsabschnitts 140 vorgesehen wird, da Kohlendioxid auf Grund der CO-Beseitigungsreaktion in dem CO-Beseitigungsabschnitt 140 erzeugt wird. Da ferner die Verunreinigungen aus dem reformierten Gas beseitigt werden, dessen Temperatur nach der CO-Beseitigungsreaktion niedrig wird, wird ein Adsorptionswirkungsgrad des Adsorptionsmittels höher.
  • Der thermische Rotationsspeicher, der bei den oben erläuterten Ausführungsformen beschrieben wurde, kann bei einer Vorrichtung angewendet werden, die von einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung verschieden ist, beispielsweise bei einer Gasturbine.

Claims (27)

  1. Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Erzeugen und zum Zuführen Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle (60, 160), mit: einem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal (A); einem Hochtemperaturströmungsmittelkanal (B); einem ersten thermischen Rotationsspeicher (41, 201, 131) mit einer Vielzahl an ersten Durchgangslöchern (41a), durch die ein Niedrigtemperatur- und ein Hochtemperaturkanal hindurch verlaufen, wobei der erste thermische Rotationsspeicher für eine Drehung angetrieben wird und wobei ein Reformierungs-Katalysator auf der Oberfläche der ersten Durchgangslöcher (41a) vorgesehen ist; einem Reformierungsmaterialzuführabschnitt (10, 30, 110) zum Zuführen des Reformierungsmaterials zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers; und einem Verbrennungsgaszuführabschnitt (70, 170) zum Erzeugen und zum Zuführen eines Verbrennungsgases zu dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers, wobei der erste thermische Rotationsspeicher sich dreht, um sich abwechselnd zwischen dem Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturströmungsmittelkanal derart zu bewegen, daß der erste thermische Rotationsspeicher einen Reformierungsabschnitt (40, 130) bildet, und zwar um katalytisch das Reformierungsmaterial, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal strömt, in ein reformiertes Gas zu reformieren, welches Wasserstoff enthält, nach dem Empfang von Verbrennungswärme des Verbrennungsgases, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal strömt, wobei die Wasserstoffversorgungsvorrichtung ferner einen zweiten thermischen Rotationsspeicher (21, 121) aufweist, der auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers (41, 201, 131) in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal (A) und auf einer stromabwärtigen Seite des ersten ersten thermischen Rotationsspeichers (41, 201, 131) in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal (B) angeordnet ist, der zweite thermischen Rotationsspeicher (21, 121) eine Vielzahl anzweiten Durchgangslöchern (21a) aufweist, durch die der Niedrig- und Hochtemperaturströmungsmittelkanal hindurch verlaufen und wobei der zweite thermische Rotationsspeicher (21, 121) für eine Drehung angetrieben wird und ein Oxidations-Katalysator (24) auf der Oberfläche der zweiten Durchgangslöcher (21a) vorgesehen ist, und wobei wenigstens ein Teil des Reformierungsmaterials dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal (A) auf einer stromaufwärtigen Seite des zweiten thermischen Rotationsspeichers (21, 121) zugeführt wird, und sich der zweite thermische Rotationsspeicher (21, 121) dreht, um sich abwechselnd zwischen dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal (A) und dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal (B) zu bewegen, so daß der zweite thermische Rotationsspeicher (21, 121) einen Verdampfungsabschnitt zum Erhitzen und zum Verdampfen von wenigstens einem Teil des Reformierungsmaterials bildet, welches in den Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal (A) strömt, auf den die Verbrennungswärme des Verbrennungsgases, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal (B) strömt, übertragen wird.
  2. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit: einem Paar von ersten Flanschen (42), die auf sich gegenüberliegenden axialen Endseiten des ersten thermischen Rotationsspeichers angeordnet sind, von denen jeder der ersten Flansche in zwei Zonen aufgeteilt ist, von denen eine mit dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal kommuniziert und von denen die andere mit dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal kommuniziert, wobei der erste thermische Rotationsspeicher in seinem Inneren mit der Vielzahl von ersten Durchgangslöchern (41a) ausgestattet ist, die sich axial erstrecken, so daß das Verbrennungsgas, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal strömt, durch die ersten Durchgangslöcher hindurch verläuft, deren Öffnungsenden der einen der zwei Zonen des ersten Flansches gegenüber liegen und wobei das Reformierungsmaterial, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal strömt, durch die ersten Durchgangslöcher hindurch verläuft, deren Öffnungsenden der anderen einen der zwei Zonen des ersten Flansches gegenüber liegen.
  3. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit: einem Abgaszuführpfad (61), durch den Abgas, welches Wasserstoff enthält, welches nicht in ausreichender Weise in der Wasserstoffverbrauchsvorrichtung verbraucht worden ist, von der Wasserstoffverbrauchsvorrichtung zu dem Verbrennungsgaszuführabschnitt zugeführt wird, so daß das Verbrennungsgas durch Verbrennen des Abgases erzeugt wird.
  4. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Verbrennungsgaszuführabschnitt mit einem Verbrennungsbrennstoffzuführabschnitt (72, 171) zum Zuführen von Verbrennungsbrennstoff und mit einer Zündeinrichtung (75, 173) zum Zünden des Verbrennungsbrennstoffes ausgestattet ist, um das Verbrennungsgas zu erzeugen.
  5. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit: einem Paar von zweiten Flanschen (22), die auf sich gegenüberliegenden axialen Endseiten des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers angeordnet sind, wobei jeder zweite Flansch in zwei Zonen aufgeteilt ist, von denen eine mit dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal kommuniziert und von denen der andere mit dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal kommuniziert, wobei der zweite thermische Rotationsspeicher in seinem Inneren mit einer Vielzahl von zweiten Durchgangslöchern (21a) ausgestattet ist, die sich in diesem axial erstrecken, so daß das Verbrennungsgas, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal strömt, durch die zweiten Durchgangslöcher hindurch verläuft, deren Öffnungsenden der einen der zwei Zonen des zweiten Flansches gegenüber liegen, und wobei das Reformierungsmaterial, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal strömt, durch die zweiten Durchgangslöcher hindurch verläuft, deren Öffnungsenden der anderen einen der zwei Zonen des zweiten Flansches gegenüber liegen.
  6. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Rotationsgeschwindigkeiten des ersten und des zweiten thermischen Rotationsspeichers so eingestellt sind, um die erforderlichen Erhitzungstemperaturen sicherzustellen.
  7. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der der erste und der zweiten thermische Rotationsspeicher eine identische Rotationswelle (25, 123) aufweisen.
  8. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 7, bei der der Verdampfungsabschnitt in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromabwärtigen Seite des Reformierungsabschnitts angeordnet ist.
  9. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8, bei der das Reformierungsmaterial ein erstes Reformierungsmaterial umfaßt, welches wenigstens Wasser enthält, und ein zweites Reformierungsmaterial umfaßt, welches wenigstens eine Wasserstoffverbindung enthält und wobei ferner der Reformierungsmaterialzuführabschnitt einen ersten Reformierungsmaterialzuführabschnitt (10) umfaßt, in welchem das erste Reformierungsmaterial dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts zugeführt wird, und einen zweiten Reformierungsmaterialzuführabschnitt (30) umfaßt, in welchem das zweite Reformierungsmaterial zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromabwärtigen Seite des Verdampfungsabschnitts zugeführt wird und mit dem ersten Reformierungsmaterial gemischt wird, um das Reformierungsmaterial zwischen dem Verdampfungsabschnitt und dem Reformierungsabschnitt zu bilden.
  10. Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Erzeugen und zum Zuführen Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle (60, 160), mit: einem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal (A); einem Hochtemperaturströmungsmittelkanal (B); einem ersten thermischen Rotationsspeicher (41, 201, 131), durch den ein Niedrigtemperatur- und ein Hochtemperaturkanal hindurch verlaufen, wobei der erste thermische Rotationsspeicher für eine Drehung angetrieben wird; einem Reformierungsmaterialzuführabschnitt (10, 30, 110) zum Zuführen des Reformierungsmaterials zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers; und einem Verbrennungsgaszuführabschnitt (70, 170) zum Erzeugen und zum Zufuhren eines Verbrennungsgases zu dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers, wobei der erste thermische Rotationsspeicher sich dreht, um sich abwechselnd zwischen dem Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturströmungsmittelkanal derart zu bewegen, daß der erste thermische Rotationsspeicher einen Reformierungsabschnitt (40, 130) bildet, und zwar um katalytisch das Reformierungsmaterial, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal strömt, in ein reformiertes Gas zu reformieren, welches Wasserstoff enthält, nach dem Empfang von Verbrennungswärme des Verbrennungsgases, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal strömt, bei der ferner der erste thermische Rotationsspeicher ein gemeinsamer thermischer Rotationsspeicher (201) ist, der nicht nur den Reformierungsabschnitt (40), sondern auch einen Verdampfungsabschnitt (20) zum Erhitzen und zum Verdampfen des Reformierungsmaterials bildet, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal strömt, auf welches die Verbrennungswärme des Verbrennungsgases übertragen wird, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal strömt.
  11. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 10, ferner mit: einem Paar von gemeinsamen Flanschen (201a), die auf sich gegenüberliegenden axialen Endseiten des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers angeordnet sind, wobei jeder der gemeinsamen Flansche in zwei Zonen aufgeteilt ist, von denen eine mit dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal kommuniziert und von denen die andere mit dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal kommuniziert, wobei der gemeinsame thermische Rotationsspeicher in seinem Inneren mit einer Vielzahl von gemeinsamen Durchgangslöchern (201a) ausgestattet ist, die sich in axialer Richtung erstrecken, so daß das Verbrennungsgas, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal strömt, durch die gemeinsamen Durchgangslöcher hindurch verläuft, deren offene Enden einer der zwei Zonen der gemeinsamen Flansche gegenüber liegen und wobei das Reformierungsmaterial, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal strömt, durch die gemeinsamen Durchgangsöffnungen hindurch verläuft, deren Öffnungsenden der anderen einen der zwei Zonen der gemeinsamen Flansche gegenüber liegen.
  12. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der ein Abschnitt (Lh) des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers auf einer stromaufwärtigen Seite des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals dem Verdampfungsabschnitt entspricht, und bei der ein Abschnitt (Lr) des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers auf einer stromabwärtigen Seite des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals dem Reformierungsabschnitt entspricht.
  13. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 12, bei der der Abschnitt des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers auf einer stromabwärtigen Seite des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals mit einem daran angebrachten Reformierungskatalysator ausgestattet ist.
  14. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, bei der der Abschnitt des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers auf einer stromaufwärtigen Seite des Niedrigtemperaturströmungsmittelkanals mit einem daran angebrachten Oxidationskatalysator ausgestattet ist.
  15. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der ein identischer Abschnitt (Lh, Lr) des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers sowohl dem Verdampfungsabschnitt als auch dem Reformierungsabschnitt entspricht.
  16. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 15, bei der der identische Abschnitt des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers mit einer Katalysatormischung ausgestattet ist, die einen Reformierungskatalysator und einen Oxidationskatalysator enthält.
  17. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 16, ferner mit: einem Abgasreinigungsabschnitt (80), der in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromabwärtigen Seite des gemeinsamen thermischen Rotationsspeichers angeordnet ist.
  18. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 17, bei der der Abgasreinigungsabschnitt einen Abgasreinigungskörper (81) aufweist, der eine Vielzahl an Abgasdurchgangslöchern besitzt und der einen Oxidationskatalysator aufweist, der an den Oberflächen der Abgasdurchgangslöcher angebracht ist.
  19. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 18, bei der der Abgasreinigungsabschnitt mit einer Heizeinrichtung (82) zum Aufheizen des Abgasreinigungskörpers ausgestattet ist.
  20. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, bei der der Abgasreinigungsabschnitt auf einer stromaufwärtigen Seite des Abgasreinigungskörpers mit einem Adsorptionsstoff (86) ausgestattet ist.
  21. Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Erzeugen und zum Zuführen Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle (60, 160), mit: einem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal (A); einem Hochtemperaturströmungsmittelkanal (B); einem ersten thermischen Rotationsspeicher (41, 201, 131), durch den ein Niedrigtemperatur- und ein Hochtemperaturkanal hindurch verlaufen, wobei der erste thermische Rotationsspeicher für eine Drehung angetrieben wird; einem Reformierungsmaterialzuführabschnitt (10, 30, 110) zum Zuführen des Reformierungsmaterials zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers; und einem Verbrennungsgaszuführabschnitt (70, 170) zum Erzeugen und zum Zuführen eines Verbrennungsgases zu dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers, wobei der erste thermische Rotationsspeicher sich dreht, um sich abwechselnd zwischen dem Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturströmungsmittelkanal derart zu bewegen, daß der erste thermische Rotationsspeicher einen Reformierungsabschnitt (40, 130) bildet, und zwar um katalytisch das Reformierungsmaterial, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal strömt, in ein reformiertes Gas zu reformieren, welches Wasserstoff enthält, nach dem Empfang von Verbrennungswärme des Verbrennungsgases, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal strömt, ferner mit: einem Reformierungsgaskanal (C), durch den das reformierte Gas hindurch verläuft, welches in dem Reformierungsabschnitt erzeugt wurde; einem Abgaskanal (D), durch den die Abgase hindurch verlaufen, die Wasserstoff enthalten, der nicht in ausreichender Weise in der Wasserstoffverbrauchsvorrichtung verbraucht worden ist; und einen dritten thermischen Rotationsspeicher (142, 192) mit einer Vielzahl an dritten Durchgangslöchern, durch die Reformierungsgas- und Abgaskanäle hindurch verlaufen, wobei der dritte thermische Rotationsspeicher für eine Drehung ange trieben wird, und an den Oberflächen der dritten Durchgangslöcher mit einem Adsorptionsstoff ausgestattet ist, wobei der dritte thermische Rotationsspeicher sich dreht, um sich abwechselnd zwischen den Reformierungsgas- und Abgaskanälen zu bewegen, so daß das wenigstens eine spezifizierte Material, welches an dem Adsorptionsmittel adsorbiert wurde, in einem der Reformierungsgas- und Abgaskanäle aus dem Adsorptionsmittel in den anderen einen der Reformierungsgas- und Abgaskanäle ausgeschieden oder ausgetrieben wird.
  22. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 21, bei der der dritte thermische Rotationsspeicher einen CO-Beseitigungsabschnitt (140) bildet.
  23. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 22, bei der der CO-Beseitigungsabschnitt mit einem CO-Beseitigungskatalysator ausgestattet ist, wobei der CO-Beseitigungskatalysator an den Oberflächen der dritten Durchgangslöcher angebracht ist.
  24. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 21, ferner mit: einem CO-Beseitigungsabschnitt (140) der einen Katalysator enthält, und in dem Reformierungsgaskanal angeordnet ist, und zwar auf einer stromabwärtigen Seite des dritten thermischen Rotationsspeichers.
  25. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 24, bei der das wenigstens eine spezifizierte Material in dem Abgas enthaltene Feuchtigkeit ist, wobei die Feuchtigkeit, die aus dem Adsorptionsstoff in dem Reformierungsgaskanal ausgetrieben wurde, in dem Abgaskanal katalytisch zur Reaktion mit dem CO gebracht wird, welches in dem Reformierungsgas enthalten ist, entsprechend einer Konvertierungsreaktion.
  26. Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Erzeugen und zum Zuführen Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle (60, 160), mit: einem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal (A); einem Hochtemperaturströmungsmittelkanal (B); einem ersten thermischen Rotationsspeicher (41, 201, 131), durch den ein Niedrigtemperatur- und ein Hochtemperaturkanal hindurch verlaufen, wobei der erste thermische Rotationsspeicher für eine Drehung angetrieben wird; einem Reformierungsmaterialzuführabschnitt (10, 30, 110) zum Zuführen des Reformierungsmaterials zu dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers; und einem Verbrennungsgaszuführabschnitt (70, 170) zum Erzeugen und zum Zuführen eines Verbrennungsgases zu dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des ersten thermischen Rotationsspeichers, wobei der erste thermische Rotationsspeicher sich dreht, um sich abwechselnd zwischen dem Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturströmungsmittelkanal derart zu bewegen, daß der erste thermische Rotationsspeicher einen Reformierungsabschnitt (40, 130) bildet, und zwar um katalytisch das Reformierungsmaterial, welches in dem Niedrigtemperaturströmungsmittelkanal strömt, in ein reformiertes Gas zu reformieren, welches Wasserstoff enthält, nach dem Empfang von Verbrennungswärme des Verbrennungsgases, welches in dem Hochtemperaturströmungsmittelkanal strömt, wobei die Vorrichtung ferner folgendes aufweist: einen Reformierungsluftkanal (E), durch den die Reformierungsluft hindurch verläuft; einen Luftbefeuchtungsabgaskanal (F), durch den das Abgas, welches Wasserstoff enthält, der nicht in ausreichender Weise in der Wasserstoffverbrauchsvorrichtung verbraucht worden ist, hindurch verläuft; einen vierten thermischen Rotationsspeicher (203) mit einer Vielzahl von vierten Durchgangslöchern, durch die der Reformierungsluftkanal und der Luftbefeuchtungsabgaskanal hindurch verlaufen, wobei der vierte thermische Rotationsspeicher für eine Drehung angetrieben wird und an den Oberflächen der vierten Durchgangslöcher ein Wasseradsorptionsstoff für die Adsorption von Feuchtigkeit vorgesehen ist, wobei der vierte thermische Rotationsspeicher sich dreht, um sich abwechselnd zwischen dem Reformierungsluftkanal und dem Luftbefeuchtungsabgaskanal zu bewegen, so daß der vierte thermische Rotationsspeicher einen Reformierungsluftbefeuchtungsabschnitt (200) bildet, in welchem Feuchtigkeit, die an dem Wasseradsorptionsmittel in dem Luftbefeuchtungsabgaskanal adsorbiert wurde, aus dem Wasseradsorptionsstoff in den Reformierungsluftkanal ausgeschieden wird, um diese erneut als Reformierungsluft zu verwenden.
  27. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 26, bei der der Druck des Luftbefeuchtungsabgaskanals höher ist als der Druck des Reformierungsluftkanals.
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