DE10152083B4 - Brennstoffreformiervorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Reformers - Google Patents

Brennstoffreformiervorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Reformers Download PDF

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Abstract

Brennstoffreformiervorrichtung zum Reformieren eines eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung enthaltenden Rohbrennstoffs, um so ein wasserstoffreiches, in einer Brennstoffzelle zu verwendendes Brennstoffgas zu erzeugen, mit:
einem Reformer (130), der einen Reformierkatalysator aufweist und den Rohbrennstoff unter Nutzung zumindest einer Dampfreformierreaktion und einer Teiloxidationsreaktion reformiert;
einer Rohbrennstoffzuführungseinrichtung (110, 151, 152), die dem Reformer (130) den Rohbrennstoff zuführt; einer Wasserzuführungseinrichtung (120, 155, 156), die dem Reformer (130) Wasser zuführt, so dass zumindest ein Teil des zugeführten Wassers für die Dampfreformierreaktion verwendet wird;
einer Sauerstoffzuführungseinrichtung (166), die dem Reformer (130) Sauerstoff zuführt, so dass zumindest ein Teil des zugeführten Sauerstoffs für die Teiloxidationsreaktion des Rohbrennstoffs an dem Reformierkatalysator verwendet wird; und
einer Steuerung (70) zum Steuern der Rohbrennstoffzuführungseinrichtung (110, 151, 152), der Wasserzuführungseinrichtung (120, 155, 156) und der Sauerstoffzuführungseinrichtung (166), wobei
die Steuerung (70) so gestaltet ist, dass sie im Betrieb unter einer vorbestimmten Bedingung einen Kohlenstoffentfernungsvorgang zum Entfernen von auf...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffreformiervorrichtung mit einem Reformer, die aus einem eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung enthaltenden Rohbrennstoff ein wasserstoffreiches Brennstoffgas erzeugt, und auf eine Technik zur Steuerung des Betriebs eines Reformers, um in dem Reformer abgelagerten Kohlenstoff zu entfernen.
  • Von einer Brennstoffreformiervorrichtung wird üblicherweise eine Dampfreformierreaktion genutzt, um aus einem kohlenwasserstoffhaltige Verbindung(en) enthaltenden Rohbrennstoff ein wasserstoffreiches Brennstoffgas zu erzeugen. Da die Dampfreformierreaktion eine endotherme Reaktion ist, wird von der Brennstoffreformiervorrichtung neben der Dampfreformierreaktion auch eine Teiloxidationsreaktion des Rohbrennstoffs genutzt, die eine exotherme Reaktion ist. Die für die Dampfreformierreaktion benötigte Wärme gleicht sich daher gut mit der durch die exotherme Teiloxidationsreaktion erzeugten Wärme aus. Im Betrieb werden die der Brennstoffreformiervorrichtung zuzuführenden Mengen an Rohbrennstoff, Wasser und Sauerstoff (Luft) mit Blick auf das Gleichgewicht zwischen der Dampfreformierreaktion und der Teiloxidationsreaktion optimal gesteuert. Ein Beispiel für diese Art von Brennstoffreformiervorrichtung ist in der JP 11-79703 A offenbart.
  • Diese bekannte Brennstoffreformiervorrichtung leidet jedoch unter dem Problem, dass sich der durch die Zersetzung des Rohbrennstoffs erzeugte Kohlenstoff auf einem Reformierkatalysator ablagert und sammelt, was die Aktivität des Reformierkatalysators verschlechtert. Das Problem der Kohlenstoffablagerung ist insbesondere dann deutlich oder schwerwiegend, wenn ein Rohbrennstoff verwendet wird, der als Hauptkomponente eine höhere Kohlenwasserstoffverbindung enthält. Es wird daher nach einer Technik zur Reduzierung der sich auf dem Reformierkatalysator ablagernden und ansammelnden Kohlenstoffmenge gesucht.
  • Darüber hinaus befasst sich die DE 197 25 007 C1 mit einem Verfahren zum Betrieb einer Methanolreformierungsanlage, bei dem im Reformierungsreaktionsbetrieb mittels eines Katalysators Methanol reformiert wird. Der Reformierungsreaktionsbetrieb wird periodisch für Katalysatorreaktivierungsphasen unterbrochen, während denen der Katalysator, der im Reformierungsreaktionsbetrieb in seiner katalytischen Aktivität nachlässt, aktivitätsregenerierend behandelt wird. Dazu wird eine Methode eingesetzt, bei der die Reformierungsanlage während der Katalysatorreaktivierungsphasen mit einer gegenüber dem Reformierungsreaktionsbetrieb geringeren Belastung gefahren wird. Je geringer die Belastung in den Katalysatorreaktivierungsphasen eingestellt wird, umso größer ist bei sonst gleichen Bedingungen der aktivitätsregenerierende Effekt. Als begleitende Maßnahme kann in den Katalysatorreaktivierungsphasen auch der Luft-Lambdawert erhöht werden, um eine stärkere Reduzierung des CO-Gehaltes in der CO-Oxidationsstufe zu erreichen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffreformiervorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der sich die Menge des sich auf ihrem Reformierkatalysator ablagernden und ansammelnden Kohlenstoffs effizient reduzieren lässt. Außerdem hat sie die Aufgabe, ein Verfahren zur Steuerung eines Reformers zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die Menge des sich auf dem Reformier katalysator ablagernden und sammelnden Kohlenstoffs effizient reduzieren lässt.
  • Zur Lösung der obigen Aufgaben sind eine Brennstoffreformiervorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 12 vorgesehen.
  • Bei der Erfindung wird der Kohlenstoffentfernungsvorgang so ausgeführt, dass das O/C-Verhältnis der Anzahl der dem Reformer zugeführten Sauerstoffatome O zu der Anzahl der dem Reformer zugeführten Kohlenstoffatome C größer als ein geeigneter Bereich des O/C-Verhältnisses ist, der während des Normalbetriebs des Reformers einzustellen ist. Der auf dem Reformierkatalysator angesammelte Kohlenstoff kann daher verbrannt werden, was zu einer Reduzierung der auf dem Reformierkatalysator abgelagerten und angesammelten Kohlenstoffmenge führt.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung führt die Steuerung den Kohlenstoffentfernungsvorgang mehrmals intermittierend aus.
  • Wenn der Kohlenstoffentfernungsvorgang über eine lange Zeitdauer kontinuierlich durchgeführt wird, kann sich die Temperatur des Reformierkatalysators allmählich erhöhen. Dagegen nimmt die Temperatur des Reformierkatalysators bei Beendigung des Kohlenstoffentfernungsvorgangs rasch ab. Wenn der Kohlenstoffentfernungsvorgang mehrmals intermittierend ausgeführt wird, kann demnach die auf dem Reformierkatalysator angesammelte Kohlenstoffmenge reduziert werden, während ein unerwünschtes Aufheizen des Reformierkatalysators verhindert wird.
  • Die Erfindung lässt sich übrigens in verschiedenen Formen umsetzen. Die Erfindung kann beispielsweise auch in Form eines Brennstoffzellensystems, eines Verfahrens zur Steuerung des Brennstoffzellensystems, eines sich bewegenden Objekts mit der Brennstoffreformiervorrichtung oder eines solchen Brennstoffzellensystems, eines Verfahrens zur Steuerung des sich bewegenden Objekts, eines Computerprogramms, mit dem diese Verfahren oder Funktionen der Vorrichtung oder des Systems verwirklicht werden, eines ein solches Computerprogramm speichernden Aufzeichnungsmediums oder eines für ein solches Computerprogramm stehendes und die Form einer Übertragungswelle einnehmenden Code- oder Datensignals umgesetzt bzw. ausgeführt werden.
  • Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt, in denen gleiche Bezugszahlen für gleiche oder ähnliche Elemente stehen. Es zeigen:
  • 1 schematisch den Aufbau eines Elektrofahrzeugs, das mit einer Brennstoffreformiervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestattet ist, mit dem sich verschiedene Steuerungsverfahren realisieren lassen;
  • 2 schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems der Brennstoffreformiervorrichtung in 1;
  • 3A bis 3C grafische Darstellungen zur Erläuterung der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems in 2 in einem Kohlenstoffentfernungsmodus gemäß einem ersten, nicht zur Erfindung gehörigen Beispiel des Steuerungsverfahrens;
  • 4 eine grafische Darstellung mit dem Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der Anzahl an Sauerstoffatomen zur Anzahl an Kohlenstoffatomen (O/C-Verhältnis) und der Länge Δt einer Kohlenstoffentfernungsdauer;
  • 5 eine grafische Darstellung mit dem Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der Anzahl an Sauerstoffatomen zur Anzahl an Kohlenstoffatomen und einer Katalysatortemperatur Tcat;
  • 6 ein Flussdiagram mit einem ersten Beispiel einer Steuerungsroutine zur Bestimmung des Zeitpunkts für die Kohlenstoffentfernungssteuerung, wobei die Routine ausgeführt wird, wenn sich das Elektrofahrzeug in 1 in einem normalen Betriebsmodus befindet;
  • 7 eine grafische Darstellung, die bezogen auf das O/C-Verhältnis ein Beispiel für vorhergesagte Werte der abgelagerten Kohlenstoffmenge Cdep pro Zeiteinheit angibt;
  • 8 ein Flussdiagramm mit einem Beispiel für eine Steuerungsroutine, die ausgeführt wird, wenn das Brennstoffzellensystem im Kohlenstoffentfernungsmodus betrieben wird;
  • 9 ein Flussdiagramm mit einem zweiten Beispiel einer Steuerungsroutine zur Bestimmung des Zeitpunkts der Kohlenstoffentfernungssteuerung, wobei die Routine ausgeführt wird, wenn sich das Elektrofahrzeug in 1 in einem normalen Betriebsmodus befindet;
  • 10 eine grafische Darstellung mit einem Beispiel für den Zusammenhang zwischen einer integrierten Menge abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep und der Anzahl, wie oft der Kohlenstoffentfernungsvorgang ausgeführt wurde;
  • 11A bis 11C grafische Darstellungen zur Erläuterung der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems in 2 im Kohlenstoffentfernungsmodus gemäß einem zweiten, nicht zur Erfindung gehörigen Beispiel des Steuerungsverfahrens;
  • 12A bis 12C grafische Darstellungen zur Erläuterung der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems in 2 im Kohlenstoffentfernungsmodus gemäß einem dritten, nicht zur Erfindung gehörigen Beispiel des Steuerungsverfahrens;
  • 13 ein Flussdiagramm mit einem Beispiel einer Steuerungsroutine zur Bestimmung des Zeitpunkts der Kohlenstoffentfernungsmodusvorgangs gemäß einem vierten, nicht zur Erfindung gehörigen Beispiel des Steuerungsverfahrens;
  • 14A bis 14C grafische Darstellungen zur Erläuterung der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems in 2 im Kohlenstoffentfernungsmodus, wenn sich das Fahrzeug in einem Startzustand befindet;
  • 15A bis 15C grafische Darstellungen zur Erläuterung der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems in 2 im Kohlenstoffentfernungsmodus bei abgezogenem Fahrzeugschlüssel;
  • 16 ein Flussdiagramm mit einer Steuerungsroutine für die Kohlenstoffentfernungssteuerung beim Start des Brennstoffzellensystems gemäß einem fünften Beispiel des Steuerungsverfahrens, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt; und
  • 17A bis 17C grafische Darstellungen zur Erläuterung der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems in 2 in einem starken Kohlenstoffentfernungsmodus gemäß dem fünften Beispiel des Steuerungsverfahrens, wenn in dem Reformer eine verhältnismäßig große Kohlenstoffmenge abgelagert ist.
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Elektrofahrzeugs, das mit einer Brennstoffreformiervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung versehen ist. Das Elektrofahrzeug (das nachstehend einfach als ”Fahrzeug” bezeichnet wird) weist einen Radantriebsmechanismus mit einem Motor 20, einem Drehmomentwandler 30 und einem Getriebe 40 auf. Der Motor 20 weist eine sich drehende Welle 13 auf, die mit dem Drehmomentwandler 30 verbunden ist, und der Drehmomentwandler 30 eine Abtriebswelle 14, die mit dem Getriebe 40 verbunden ist. Das Getriebe 40 weist eine Abtriebswelle 15 auf, die überein Ausgleichsgetriebe 16 mit einer Achse 17 mit Rädern 18 verbunden ist.
  • Der Motor 20 ist ein Dreiphasensynchronmotor mit einem Rotor 22 und einem Stator 24. An der Außenumfangsfläche des Rotors 22 befinden sich mehrere Permanentmagnete. Um den Stator 24 ist eine Dreiphasenwicklung gewickelt, um Magnetfelder für die Drehbewegung zu bilden. Der Motor 20 wird durch die Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern, die durch die an dem Rotor 22 befindlichen Permanentmagnete erzeugt werden, und den von der Dreiphasenwicklung des Stators 24 gebildeten Magnetfeldern angetrieben bzw. gedreht. Wenn der Rotor 22 durch eine darauf aufgebrachte äußere Kraft gedreht wird, erzeugt der Motor 20 an den entgegengesetzten Enden der Dreiphasenwicklung unter Nutzung der Wechselwirkung zwischen den angesprochenen Magnetfeldern eine elektromotorische Kraft. In diesem Fall arbeitet der Motor 20 als ein Generator.
  • Der Motor 20 ist mit zwei Energieversorgern ausgestattet, und zwar mit einem Brennstoffzellensystem 60 als Hauptenergieversorger und einer Batterie 50 als Hilfsenergieversorger. Die Batterie 50 dient dazu, dem Motor 20 zusätzliche elektrische Energie zuzuführen, wenn das Brennstoffzellensystem 60 ausfällt oder wenn das Brennstoffzellensystem 60 nicht dazu in der Lage ist, beim Start des Fahrzeugs eine ausreichende Menge elektrischer Energie für den Motor 20 zu erzeugen. Die Batterie 50 dient außerdem dazu, einer elektronischen Steuerungseinheit 70 zur Durchführung der Fahrzeugsteuerung und anderen (nicht gezeigten) elektrischen Komponenten, die in dem Fahrzeug eingebaut sind, wie einem Beleuchtungssystem, elektrische Energie zuzuführen.
  • Die von beiden Energieversorgern 50, 60 erzeugte elektrische Energie wird dem Motor 20 über entsprechende Ansteuerungsschaltungen 51, 52 und einen Übertragungsschalter 80 zugeführt. Der Übertragungsschalter 80 kann den Verbindungszustand zwischen der Batterie, dem Brennstoffzellensystem 60 und dem Motor 20 nach Wunsch ändern. Genauer gesagt kann der Stator 24 über den Übertragungsschalter 80 und die erste Ansteuerungsschaltung 51 elektrisch mit der Batterie 50 verbunden werden und über den Übertragungsschalter 80 und die zweite Ansteuerungsschaltung 52 elektrisch mit dem Brennstoffzellensystem 60 verbunden werden. Die erste und zweite Ansteuerungsschaltung 51, 52 bestehen jeweils aus einem Transistorwechselrichter, der mehrere Transistoren umfasst, die für jede der drei Phasen des Motors 20 ein Paar quellenseitiger und senkenseitiger Transistoren ergeben. Die erste und zweite Ansteuerungsschaltung 51, 52 sind ebenfalls elektrisch an die Steuerungseinheit 70 angeschlossen.
  • Die Steuerungseinheit 70 führt beim Fahrzeug auf der Grundlage von Anweisungen oder Befehlen der das Fahrzeug bedienenden Person, die sie von einem Schalthebel 72, einem Gaspedal 74 und einem Bremspedal 76 empfängt, verschiedene Steuerungsvorgänge durch. Die Steuerungseinheit 70 führt eine Pulsweitenmodulationssteuerung (PWM-Steuerung) aus, um die An/Aus-Zeit jedes Transistors der Ansteuerungsschaltungen 51, 52 zu steuern. Infolgedessen wird von der Batterie 50 und dem Brennstoffzellensystem 60 als den Stromversorgern auf die Dreiphasenwicklung des Stators 24 ein dreiphasiger Pseudowechselstrom aufgebracht, wodurch Magnetfelder für die Drehung des Motors 20 gebildet werden. Mit den auf diese Weise gebildeten Magnetfeldern arbeitet der Motor 20 wie vorstehend beschrieben als Elektromotor oder Generator.
  • Die Steuerungseinheit 70 nimmt verschiedene Steuerungsvorgänge vor, indem sie verschiedene Steuerungsprogramme ausführt, die in einem Speicher 71 (siehe 2) in der Steuerungseinheit 70 gespeichert sind. Der Speicher 71 kann. einer von mehreren möglichen Speichermedienarten entsprechen, etwa einem Festspeicher (ROM) oder einer Festplatte.
  • 2 zeigt den Aufbau des Brennstoffzellensystems 60. Das Brennstoffzellensystem 60 umfasst einen Brennstofftank 110 zur Speicherung eines Rohbrennstoffs wie etwa Benzin, einen Wassertank 120 zur Speicherung von Wasser und einen Reformer 130 zur Erzeugung eines Brennstoffgases (oder eines Reformatgases) durch Reformieren des Rohbrennstoffs, sowie eine Brennstoffzelle 140. Der Reformer 130 umfasst eine Verdampfungseinheit 132 zum Verdampfen oder Gasifizieren des Rohbrennstoffs, eine Katalysatorheizeinheit 134 zur Zuführung von Wärme zur Verdampfungseinheit 132, eine elektrische Heizeinheit 135 und eine Reformier einheit 136, in der ein Reformierkatalysator untergebracht ist. Der Reformer 130 umfasst außerdem eine Wärmetauschereinheit 137 zum Abkühlen des Reformatgases, eine Konvertierungsreaktionseinheit 138 zur Reduzierung des Kohlenmonoxidgehalts in dem Reformatgas unter Nutzung einer Konvertierungsreaktion und eine Teiloxidationseinheit 139 zur Reduzierung des Kohlenmonoxidgehalts in dem Reformatgas unter Nutzung einer Teiloxidationsreaktion.
  • Mit dem Rohbrennstofftank 110 ist eine Brennstoffzuführungsleitung 202 verbunden, während mit dem Wassertank 120 eine Wasserzuführungsleitung 208 verbunden ist. Die Brennstoffzuführungsleitung 202 teilt sich in zwei Leitungen auf, und zwar in eine erste Umgehungsleitung 204 und eine zweite Umgehungsleitung 208. Die erste Umgehungsleitung 204 und die Wasserzuführungsleitung 208 gehen in eine erste Brennstoffzuführungsleitung 210 über, die mit der Verdampfungseinheit 132 verbunden ist. Die zweite Umgehungsleitung 206 ist mit der Katalysatorheizeinheit 134 verbunden. Die erste Umgehungsleitung 204 ist mit einem Durchflussmesser 151 und einer Pumpe 152 versehen, während die zweite Umgehungsleitung 206 mit einem Durchflussmesser 153 und einer Pumpe 154 versehen ist. Die Wasserzuführungsleitung 208 ist auf vergleichbare Weise mit einem Durchflussmesser 155 und einer Pumpe 156 versehen.
  • Eine geeignete Menge von der Pumpe 152 abgezogenen Benzins und eine geeignete Menge von der Pumpe 156 abgezogenen Wassers werden miteinander gemischt und dann in die Verdampfungseinheit 132 eingespeist. Die Mischung aus dem Benzin und dem Wasser wird im folgenden als ”zu reformierender Stoff” oder als ”unreformierter Stoff” bezeichnet. Der unreformierte Stoff wird in der Verdampfungseinheit 132 verdampft, so dass ein Benzindampf und Wasserdampf enthaltendes unreformiertes Gas gebildet wird. Das unreformierte Gas wird bei Bedarf in der elektrischen Heizeinheit 135 erhitzt und dann in die Reformiereinheit 136 eingespeist. Das unreformierte Gas wird durch chemische Reaktionen, die in der Reformiereinheit 136, der Konvertierungsreaktionseinheit 138 und der Teiloxidationseinheit 139 stattfinden, zu einem wasserstoffreichen Brennstoffgas (HRG) umgewandelt.
  • Das auf diese Weise in dem Reformer 130 erzeugte Brennstoffgas HRG wird über eine Brennstoffgasleitung 212 in eine Brennstoffgasleitung 142 eingespeist, die durch die Brennstoffzelle 140 geht. Die Brennstoffzelle 140 ist außerdem mit einer Luftleitung 144 versehen, in die mittels einer Luftpumpe 146 Luft eingespeist wird. Als Luftpumpe 146 kann beispielweise ein Gebläse verwendet werden. Die Brennstoffzelle 140 erzeugt durch eine elektrochemische Reaktion zwischen dem in dem Brennstoffgas HRG enthaltenen Wasserstoff und dem in der Luft ARF enthaltenen Sauerstoff elektrische Energie, wobei der in dem Brennstoffgas HRG enthaltene Wasserstoff verbraucht wird.
  • Das von der Brennstoffzelle 140 abgegebene Brennstoffgasabgas wird über eine Abgabeleitung 214, die die Brennstoffgasleitung 142 mit der Katalysatorheizeinheit 134 verbindet, zurückgeführt bzw. erneut in die Katalysatorheizeinheit 134 eingeleitet. Die Katalysatorheizeinheit 134 ist daran angepasst, in dem Brennstoffgasabgas enthaltenen Wasserstoff zu verbrennen und die Verdampfungseinheit 132 unter Nutzung der durch die Wasserstoffverbrennung erzeugten Wärme zu erhitzen. Die Katalysatorheizeinheit 134 kann beispielsweise von einer Einrichtung gestellt werden, die einen Edelmetallkatalysator wie etwa einen Platin- oder Palladiumkatalysator verwendet, um die Verbrennungsreaktionen des Brennstoffgasabgases oder Benzins zu unterstützen. In der Verdampfungseinheit 132 wird der zu reformierende Stoff durch die von der Katalysatorheizeinheit 134 abgegebene Wärme verdampft. Wenn die durch die Verbrennung des Brennstoffgasabgases erzeugte Wärme nicht ausreicht, um den unreformierten Stoff in der Verdampfungseinheit 132 zu verdampfen, wird von dem Brennstofftank 110 über die Pumpe 154 eine zusätzliche Menge Benzin als Rohbrennstoff in die Katalysatorheizeinheit 134 eingespeist.
  • Stromaufwärts von der elektrischen Heizeinheit 135 befindet sich eine Mischkammer 135a. Um der Mischkammer 135a Luft ARO zuzuführen, ist eine Luftzuführungseinheit 166 vorgesehen. Die Luftzuführungseinrichtung 166 umfasst eine Luftpumpe 166a, einen Durchflussmesser 166b und ein elektrisch betriebenes Ventil 166c. Die elektrische Heizeinheit 135 kann so betrieben werden, dass sie die Luft ARO und das unreformierte Gas (d. h. die Mischung aus dem Benzindampf und dem Wasserdampf) auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt, die für die Reaktion in der Reformiereinheit 136 geeignet ist.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden der Rohbrennstofftank 110, der Durchflussmesser 151 und die Pumpe 152 eine Rohbrennstoffzuführungseinheit der Brennstoffreformiervorrichtung. Der Wassertank 120, der Durchflussmesser 155 und die Pumpe 156 bilden eine Wasserzuführungseinheit der Brennstoffreformiervorrichtung. Des weiteren entspricht die Luftzuführungseinrichtung 166 einer Sauerstoffzuführungseinheit der Brennstoffreformiervorrichtung. Als Sauerstoffzuführungseinheit kann allgemein ein System oder eine Einrichtung verwendet werden, das/die dazu in der Lage ist, eine oxidierende chemische Substanz wie etwa Sauerstoff zuzuführen.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst außerdem mehrere weitere (nicht gezeigte) Luftzuführungseinheiten, die der Luftzuführungseinrichtung 166 entsprechen. Diese Luftzuführungseinheiten können so betrieben werden, dass sie der Katalysatorheizeinheit 134 und den jeweils stromaufwärts von der Konvertierungsreaktionseinheit 138 und der Teiloxidationseinheit 139 angeordneten Mischkammern 138a, 139a Luft (d. h. Sauerstoff) zuführen.
  • Die Reformiereinheit 136 ist mit einem Temperatursensor 192 versehen, um die Temperatur des Reformierkatalysators zu messen. Auf ähnliche Weise können die innerhalb des Reformers 130 stromaufwärts von den jeweiligen Einheiten 135–139 angeordneten Mischkammern 135a–139a mit Temperatursensoren 231–235 versehen sein.
  • Abgesehen davon ist die Brennstoffgaszuführungsleitung 212, die den Reformer 130 mit der Brennstoffzelle 140 verbindet, mit einem Temperatursensor 236, einem Sauerstoffkonzentrationssensor 194 und einem Kohlenmonoxidkonzentrationssensor 196 versehen. Die Steuerungseinheit 70 empfängt als Steuerungseingangssignale Messwerte, die von den verschiedenen Sensoren einschließlich der angegebenen Sensoren 231–236, 194, 196 ermittelt werden. Die Steuerungseinheit 70 führt dann beruhend auf den Eingangsinformationen eine Steuerung des Brennstoffzellensystems 60 durch. Die Steuerungseinheit 70 steuert also den Betrieb des Brennstoffzellensystems 60 auf der Grundlage der von diesen Sensoren 231–236, 194, 196 empfangenen Steuerungssignale. In 2 ist dabei aus Vereinfachungsgründen lediglich ein Teil der Verbindungen der Steuerungseinheit 70 mit den Komponenten (wie etwa Sensoren und Pumpen) gezeigt, die die Brennstoffreformiervorrichtung bilden.
  • Bei der Brennstoffreformiervorrichtung dieses Ausführungsbeispiels findet in der Reformiereinheit 136 hauptsächlich eine Dampfreformierreaktion und eine Teiloxidationsreaktion statt. Bei der Dampfreformierreaktion reagieren in der/den wasserstoffhaltigen Verbindung(en) enthaltener Rohbrennstoff (Benzin) und Dampf miteinander, so dass hauptsächlich Wasserstoffgas und Kohlendioxiderzeugt werden. Da die Dampfreformierreaktion eine endotherme Reaktion ist, wird als eine mögliche Art exothermer Reaktionen eine Teiloxidationsreaktion genutzt, um in der Reformiereinheit 136 die für die Dampfreformierreaktion benötigte Wärme mit der durch die Teiloxidationsreaktion erzeugten Wärme auszugleichen. Der Ausdruck ”Teiloxidationsreaktion” steht dabei für eine oxidierende Reaktion, bei der zumindest ein Teil des in dem Rohbrennstoff enthaltenen Kohlenstoffs oxidiert wird, um daraus lediglich Kohlenmonoxid herzustellen. Für diese Teiloxidationsreaktion wird die Luft ARO verwendet, die der stromaufwärts von der elektrischen Heizeinheit 135 gelegenen Mischkammer 135a zugeführt wird.
  • Bei der Reformierreaktion der kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung lagert sich auf dem Reformierkatalysator leicht Kohlenstoff ab, der während der Zersetzung des Rohbrennstoffs erzeugt wird, was zu einer geringeren oder schlechteren Aktivität des Reformierkatalysators führt. Insbesondere die Verwendung eines Rohbrennstoffs wie etwa Benzin, der als Hauptkomponente eine höhere Kohlenwasserstoffverbindung enthält, führt leicht zu einer größeren Ablagerungsmenge an Kohlenstoff. Dabei steht der Ausdruck ”höhere Kohlenwasserstoffverbindung” für eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung mit vier oder mehr Kohlenstoffatomen. Mit Hilfe verschiedener Steuerungsverfahren, die später beschrieben werden, wird die auf dem Reformierkatalysator abgelagerte und angesammelte Kohlenstoffmenge effektiv gesenkt, indem die Mengen an Rohbrennstoff, Wasser und Sauerstoff, die dem Reformer 130 zugeführt werden, geeignet gesteuert werden.
  • Der Reformierkatalysator in der Reformiereinheit 136 ist vorzugsweise so gewählt, dass er eine geringere Menge Russ erzeugt. Für den Katalysator kann beispielsweise ein Edelmetallkatalysator, ein Nickelkatalysator, ein Cobaltkatalysator, ein Perovskitkatalysator oder ein Hexaaluminatkatalysator verwendet werden. Der den Katalysator tragende Katalysatorträger oder das Substrat kann aus einem Keramikmaterial wie etwa Aluminiumoxid, Zirconiumoxid oder Titanoxid gebildet sein.
  • Erstes Beispiel für das Steuerungsverfahren
  • Die 3A bis 3C zeigen die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 60 (einschließlich der Brennstoffreformiervorrichtung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels) in einem Kohlenstoffentfernungsmodus gemäß einem ersten, nicht zur Erfindung gehörigen Beispiel des Steuerungsverfahrens. 3A ist eine grafische Darstellung der zeitlichen Änderung der Anzahl der Dampfmoleküle S (d. h. der Molzahl der Dampfmoleküle), der Anzahl der Kohlenstoffatome C und der Anzahl der Sauerstoffatome O, die der Reformiereinheit 136 zugeführt werden, wenn das Brennstoffzellensystem 60 im Kohlenstoffentfernungsmodus betrieben wird. Diese Werte S, C, O werden jeweils auf Grundlage der Durchflussmengen an Wasser, Benzin und Luft berechnet, die von den jeweiligen Durchflussmessern 155, 151, 166b (siehe 2) gemessen werden. 3B ist eine grafische Darstellung der zeitlichen Änderung des Verhältnisses der Anzahl der Sauerstoffatome O zur Anzahl der Kohlenstoffatome C (das nachstehend als ”O/C-Verhältnis” bezeichnet wird). 3C ist eine grafische Darstellung der zeitlichen Äderung des Verhältnisses der Anzahl der Dampfmoleküle zur Anzahl der Kohlenstoffatome (das nachstehend als ”S/C-Verhältnis” bezeichnet wird).
  • Bei diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass das Brennstoffzellensystem 60 in einem stetigen oder konstanten Betriebsmodus arbeitet, bis die Zeit t1 in den 3A bis 3C erreicht ist. In dem stetigen Betriebsmodus werden die Mengen an Wasser, Rohbrennstoff und Luft ARO, die der Reformiereinheit 136 zugeführt werden, konstant gehalten. Genauer gesagt ist das O/C-Verhältnis in diesem stetigen Betriebsmodus etwa gleich 0,7 und ist das S/C-Verhältnis in dem gleichen Modus etwa gleich 2,0. Wie aus 3B hervorgeht, wird das O/C-Verhältnis in dem stetigen Betriebsmodus auf einem passenden oder geeigneten Wert (O/C)reg in einem Bereich von etwa 0,7 bis etwa 1,0 gehalten. Der geeignete Wert für das O/C-Verhältnis (O/C) reg kann sich in Abhängigkeit von der Last der Brennstoffzelle 140 ändern. Während das Brennstoffzellensystem 60 in dem stetigen oder normalen Betriebsmodus arbeitet, überschreitet das tatsächliche O/C-Verhältnis jedoch nicht den geeigneten Wert für das O/C-Verhältnis (O/C)reg.
  • Wie in 3A gezeigt ist, wird die der Reformiereinheit 136 zugeführte Luft ARO um einen Schritt (d. h. gestuft) erhöht und vom Zeitpunkt t1, t2 und t3 an um eine vorbestimmte Zeitdauer Δt auf dem erhöhten Niveau gehalten. Entsprechend dieser erhöhten Menge Luft ARO überschreitet das O/C-Verhältnis wie in 3B gezeigt den oben angegebenen geeigneten Bereich des O/C-Verhältnisses für den stetigen Betriebsmodus (d. h. den Bereich von etwa 0,7 bis 1,0) und wird auf etwa 1,5 erhöht. Und zwar wird während der vorbestimmten Zeitdauer Δt der Reformiereinheit 136 eine Überschussmenge Luft ARO zugeführt. Dabei steht der Ausdruck ”Überschussmenge Luft ARO” für die Luftmenge ARO, die das O/C-Verhältnis dazu veranlasst, den oben angegebenen geeigneten Bereich für den stetigen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 60 zu überschreiten. Die Zeitdauer Δt wird im Folgenden als ”Kohlenstoffentfernungszeitdauer” oder ”Kohlenstoffverbrennungszeitdauer” bezeichnet, und der in dem Reformer 130 während der Kohlenstoffentfernungszeit Δt durchgeführte Vorgang wird als ”Kohlenstoffentfernungsvorgang” bezeichnet.
  • Die Zuführung der Überschussmenge Luft ARO zu der Reformiereinheit 136 erlaubt die Verbrennung des auf dem Reformierkatalysator abgelagerten und angesammelten Kohlenstoffs. Wenn die Überschussmenge Luft ARO jedoch kontinuierlich der Reformiereinheit 136 zugeführt würde, könnte sich der Reformierkatalysator auf eine unerwünscht hohe Temperatur erhitzen. Bei dem ersten Beispiel des Steuerungsverfahrens ist die Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt daher auf eine verhältnismäßig kurze Zeitdauer von etwa mehreren Sekunden eingestellt und folgen mehrere Kohlenstoffentfernungszeitdauern Δt in im Wesentlichen regelmäßigen Zeitabständen. Mit anderen Worten wird der Kohlenstoffentfernungsvorgang mehrmals intermittierend oder periodisch ausgeführt. Dadurch kann die Menge des auf dem Reformierkatalysator abgelagerten und angesammelten Kohlenstoffs durch Verbrennen des abgelagerten Kohlenstoffs gesenkt werden, während eine übermäßige Erhitzung des Reformierkatalysators verhindert wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Kohlenstoffentfernungsvorgang auch nur einmal ausgeführt werden kann, das heißt, der auf dem Reformierkatalysator abgelagerte Kohlenstoff kann während einer einzigen Kohlenstoffentfernungszeitdauer entfernt werden.
  • Im Folgenden wird ein Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 60, der mindestens eine Kohlenstoffentfernungs zeitdauer Δt umfasst, als ”Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb” bezeichnet.
  • 4 zeigt eine Abbildung mit einem Beispiel des Zusammenhangs zwischen dem O/C-Verhältnis während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt und der Länge der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt. Diese Abbildung basiert auf der Annahme, dass die während des Kohlenstoffentfernungsmodusbetriebs zu entfernende Kohlenstoffmenge konstant ist und dass die Anzahl, wie oft der Kohlenstoffentfernungsvorgang (d. h. die Anzahl der Kohlenstoffentfernungszeitdauern Δt) ausgeführt wird, konstant ist. Wie aus der Abbildung in 4 hervorgeht, nimmt das O/C-Verhältnis mit zunehmender Länge der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt ab, wobei die Menge der der Reformiereinheit 136 zuzuführenden Luft ARO reduziert werden kann. Umgekehrt nimmt das O/C-Verhältnis mit abnehmender Länge der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt zu. Wenn die während des Kohlenstoffentfernungsmodusbetriebs des Brennstoffzellensystems 60 zu entfernende Kohlenstoffmenge erhöht wird, wird die Linie in der Abbildung der 4 (die für den Zusammenhang zwischen dem O/C-Verhältnis und der Zeitdauer Δt steht) nach oben verschoben. Die Steuerungseinheit 70 bestimmt die Länge der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt und die der Reformiereinheit 136 zuzuführende Menge der Luft ARO, indem sie auf verschiedene vorbestimmte Speicherabbildungen einschließlich der in 4 zurückgreift.
  • 5 zeigt eine Abbildung eines Beispiels für den Zusammenhang zwischen dem O/C-Verhältnis während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt und der Katalysatortemperatur Tcat. Diese Abbildung basiert auf der Annahme, dass die während des Kohlenstoffentfernungsmodusbetriebs zu entfernende Kohlenstoffmenge konstant ist und dass die Länge der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt konstant ist. Für den Fall, dass die Länge der Kohlenstoffentfernungsdauer Δt konstant ist, erhöht sich die Katalysatortemperatur Tcat leicht mit zunehmendem O/C-Verhältnis. Ein zu starker Anstieg der Katalysatortemperatur kann zu einer Zerstörung des Katalysators führen und ist daher unerwünscht. Um diese Situation zu vermeiden, bestimmt die Steuerungseinheit 70 die Menge der in die Reformiereinheit 136 eingespeisten Luft so, dass die Katalysatortemperatur Tcat während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt unter einer vorbestimmten Obergrenze Tlim gehalten wird.
  • Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, dass die Steuerungseinheit 70 die Länge der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt, die Anzahl, wie oft der Kohlenstoffentfernungsvorgang ausgeführt wird, und das O/C-Verhältnis (d. h. die Menge der in die Reformiereinheit 136 eingespeisten Luft ARO) beispielsweise unter Bezugnahme auf die in den 4 und 5 gezeigten Abbildungen bestimmt, während die in dem Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb zu entfernende Kohlenstoffmenge, die Obergrenze Tlim der Reformierkatalysatortemperatur und andere Parameter berücksichtigt werden.
  • Die Steuerungseinheit 70 kann die Temperatur des Reformierkatalysators mit Hilfe des Temperatursensors 192 (siehe 2) überwachen. In diesem Fall kann die Steuerungseinheit 70 das Brennstoffzellensystem 60 in dem Kohlenstoffentfernungsmodus arbeiten lassen, indem mindestens ein Parameter, etwa die Länge der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt, die Anzahl, wie oft der Kohlenstoffentfernungsvorgang ausgeführt wird, und das O/C-Verhältnis, so gesteuert wird, dass die Temperatur des Reformierkatalysators nicht die Obergrenze Tlim überschreitet.
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm, das ein erstes Beispiel für eine Steuerungsroutine der Kohlenstoffentfernungssteuerung veranschaulicht, die von der Steuerungseinheit 70 durchgeführt wird, wenn das Fahrzeug in einem normalen Betriebsmodus läuft. In Schritt S1 sagt die Steuerungseinheit 70 die auf dem Reformierkatalysator abgelagerte Kohlenstoffmenge Cdep pro Zeiteinheit vorher, während sich das Fahrzeug im normalen Betriebszustand befindet. 7 zeigt eine Abbildung mit Vorhersagewerten für die Menge des abgelagerten Kohlenstoffs Cdep pro Zeiteinheit in Beziehung zum O/C-Verhältnis. Wenn das S/C-Verhältnis konstant ist, nimmt die Menge des abgelagerten Kohlenstoffs Cdep mit zunehmenden O/C-Verhältnis ab. Solche Speicherabbildungen, die die Vorhersagewerte für die abgelagerte Kohlenstoffmenge Cdep pro Zeiteinheit angeben, können für mehrere Werte des S/C-Verhältnisses vorbereitet und abgespeichert werden. Die tatsächliche Menge des abgelagerten Kohlenstoffs Cdep ist außerdem zu der in die Reformiereinheit 136 eingespeisten Menge des Rohbrennstoffs proportional. Die Steuerungseinheit 70 berechnet die Menge des abgelagerten Kohlenstoffs Cdep dementsprechend an jedem Betriebspunkt des Fahrzeugs auf der Grundlage des S/C-Verhältnisses, des O/C-Verhältnisses und der Menge des der Reformiereinheit 136 zugeführten Rohbrennstoffs (Benzins).
  • Schritt S2 wird dann ausgeführt, um eine integrierte Menge abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep (d. h. die auf dem Reformierkatalysator angesammelte Kohlenstoffmenge) zu berechnen, indem die vorhergesagte Menge des abgelagerten Kohlenstoffs Cdep bezüglich der Zeit aufintegriert wird. In Schritt S3 wird die ermittelte integrierte Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep mit einem vorbestimmten Schwellenwert Σth verglichen. Wenn die integrierte Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep kleiner als der Schwellenwert Σth ist, kehrt die Steuerung zu Schritt S1 zurück. Wenn die integrierte Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep größer oder gleich dem Schwellenwert Σth ist, fährt die Steuerung mit Schritt S4 fort, um den Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb des Brennstoffzellensystems 60 auszuführen.
  • 8 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Steuerungsroutine veranschaulicht, die von der Steuerungseinheit 70 ausgeführt wird, wenn sich das Brennstoffzellensystem 60 in dem Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb befindet. In Schritt T1 berechnet die Steuerungseinheit 70 auf der Grundlage der Gaspedalposition oder dergleichen den erforderlichen Wert für die Antriebsleistung Preq des Motors 20. Schritt T2 wird dann ausgeführt, um die erforderliche Antriebsleistung Preq abhängig von dem derzeitigen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 60 und der Menge der in der Batterie 50 gespeicherten elektrischen Energie in eine Brennstoffzellenausgangsleistung Pfc und eine Batterieausgangsleistung Psc aufzuteilen oder zu trennen.
  • Schritt T3 wird dann ausgeführt, um die Verringerung ΔP der Brennstoffzellenausgangsleistung während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt zu berechnen, wenn sich das Brennstoffzellensystem 60 im Kohlenstoffentfernungsmodus befindet. Die Verringerung ΔP wird entsprechend der innerhalb der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt in die Reformiereinheit 136 eingespeisten Menge Luft ARO, d. h. entsprechend dem O/C-Verhältnis, berechnet. Die ermittelte Verringerung ΔP wird zu der der Batterie zugewiesenen Ausgangsleistung Psc hinzuaddiert, so dass sich eine endgültige Batterieausgangsleistung Psc' ergibt. Die Ausgangsleistung der Batterie 50 kompensiert auf diese Weise die durch den Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb bedingte Abnahme der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 140, so dass die Batterie 50 und die Brennstoffzelle 140 den Motor gemeinsam mit der erforderlichen Antriebsleistung versorgen.
  • In Schritt T4 veranlasst die Steuerungseinheit 70 das Brennstoffzellensystem 60 dazu, im Kohlenstoffentfernungsmodus zu arbeiten, indem der Kohlenstoffentfernungsvorgang einmal oder mehrmals (N-mal) ausgeführt wird. Schritt T5 wird dann ausgeführt, um die während des Kohlenstoffentfernungsmodusbetriebs entfernte Kohlenstoffmenge zu berechnen. Die dabei ermittelte entfernte Kohlenstoffmenge wird von der integrierten Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep abgezogen. Die durch den Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb des Brennstoffzellensystems 60 entfernte Kohlenstoffmenge kann entsprechend der Länge der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt, der Anzahl N, wie oft der Kohlenstoffentfernungsvorgang ausgeführt wurde, und dem O/C-Verhältnis berechnet werden. Dies erlaubt eine passende Beurteilung der integrierten Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep nach dem Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb. Bei Beendigung des Kohlenstoffentfernungsmodusbetriebs des Brennstoffzellensystems 60 kehrt die Steuerungseinheit 70 zu Schritt S1 des Flussdiagramms in 6 zurück, um erneut die Schritte S1 bis S4 auszuführen.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen ersten Beispiel des Steuerungsverfahrens wird die integrierte Menge des auf dem Reformierkatalysator abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep berechnet und der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb durchgeführt, wenn die berechnete Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep größer oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert Σth ist. Auf diese Weise kann die integrierte Menge des auf dem Reformierkatalysators abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep so eingeschränkt werden, dass er kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert ist. Folglich kann verhindert werden, dass sich die Aktivität des Reformierkatalysators zu sehr verschlechtert. Des Weiteren wird der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb nicht durchgeführt, wenn die integrierte Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep noch gering ist, wodurch verhindert wird, dass der Rohbrennstoff durch unnötiges Ausführen des Kohlenstoffentfernungsmodusbetriebs vergeudet wird.
  • Die integrierte Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep (d. h. die auf dem Reformierkatalysator angesammelte Kohlenstoffmenge) kann auch nach einem anderen als dem vorstehend beschriebenen Verfahren berechnet werden. Die in dem Reformer 130 angesammelte Kohlenstoffmenge lässt sich allgemein auf Grundlage des vergangenen Betriebszustands des Reformers 130 berechnen.
  • 9 zeigt ein Flussdiagramm, das ein zweites Beispiel für eine Steuerungsroutine der Kohlenstoffentfernungssteuerung darstellt, die von der Steuerungseinheit 70 durchgeführt wird, wenn das Fahrzeug in einem normalen Betriebsmodus läuft. In den Schritten S11 und S12 wird die integrierte Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep auf die gleiche Weise wie in den Schritten S1 und S2 der Steuerungsroutine in 6 berechnet. Schritt S13 wird dann durchgeführt, um die seit dem letzten Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb verstrichene Zeit Σt zu berechnen. In Schritt S14 wird die ermittelte verstrichene Σt mit einem vorbestimmten Schwellenwert Tp verglichen. Wenn die verstrichene Zeit Σt kleiner als der Schwellenwert Tp ist, kehrt die Steuerung zu Schritt S11 zurück. Wenn die verstrichene Zeit Σt größer oder gleich dem Schwellenwert Tp ist, fährt die Steuerung dagegen mit Schritt S15 fort, um abhängig von der integrierten Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep die Anzahl N zu bestimmen, wie oft der Kohlenstoffentfernungsvorgang während des folgenden Kohlenstoffentfernungsmodusbetriebs durchgeführt wird.
  • 10 zeigt ein Beispiel für eine Abbildung, die den Zusammenhang zwischen der integrierten Menge abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep und der Anzahl N der Ausführungen des Kohlenstoffentfernungsvorgangs angibt. Wie aus 10 hervorgeht, ist die Anzahl N der durchzuführenden Kohlenstoffentfernungsvorgänge umso größer, je größer die integrierte Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep ist. Wenn also in der Steuerungsroutine in 9 in Schritt S15 die Anzahl N der Ausführungen des Kohlenstoffentfernungsvorgangs bestimmt wird, fährt die Steuerung mit Schritt S16 fort, um den Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb auszuführen, der die festgelegte Anzahl N auszuführender Kohlenstoffentfernungsvorgänge umfasst. Der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb erfolgt dabei mit der gleichen Steuerungsroutine, wie sie in 8 gezeigt ist. Bei diesem ersten Beispiel des Steuerungsverfahrens wird der Kohlenstoffentfernungsvorgang also zu vorbestimmten Zeitabständen Tp ausgeführt, so dass der Kohlenstoff daran gehindert wird, sich zu stark auf dem Reformierkatalysator anzusammeln oder abzulagern.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen ersten Beispiel für das Steuerungsverfahrens wird während des Kohlenstoffentfernungsmodusbetriebs des Brennstoffzellensystems 60 der Reformiereinheit 136 eine Überschussmenge Luft ARO zugeführt, so dass das O/C-Verhältnis größer als der geeignete Bereich für das O/C-Verhältnis wird, der im stetigen Betriebsmodus anzustreben ist. Infolgedessen wird der auf dem Reformierkatalysator abgelagerte und angesammelte Kohlenstoff durch seine Verbrennung entfernt und kann eine zu starke Verringerung der Aktivität des Reformierkatalysators vermieden werden.
  • Zweites Beispiel für das Steuerungsverfahren
  • Die 11A bis 11C sind grafische Darstellungen, die die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 60 in einem Kohlenstoffentfernungsmodus gemäß einem zweiten, nicht zur Erfindung gehörigen Beispiel des Steuerungsverfahrens erläutern. Die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 60 gemäß dem zweiten Steuerungsverfahren unterscheidet sich von dem in den 3A bis 3C dargestellten ersten Steuerungsverfahren nur dadurch, dass die der Reformiereinheit 136 zugeführte Wassermenge (die Anzahl der Dampfmoleküle S) geändert wird und dass sich dementsprechend das sich ergebende S/C-Verhältnis ändert. Die Menge zugeführten Rohbrennstoffs (die Anzahl an Kohlenstoffatomen C), die Menge zugeführter Luft ARO (die Anzahl an Sauerstoffatomen O) und das O/C-Verhältnis werden im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie bei dem ersten Beispiel des Steuerungsverfahrens gesteuert.
  • Bei dem zweiten Steuerungsverfahren überwacht die Steuerungseinheit 70 die Temperatur des Reformierkatalysators mit Hilfe des (in 2 gezeigten) Temperatursensors 192 und steuert die in den Reformierteil 136 eingespeiste Wassermenge so, dass die Temperatur des Reformierkatalysators eine vorbestimmte Obergrenze nicht überschreitet. Wenn also während jeder Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt eine Überschussmenge Sauerstoff in den Reformierteil 136 eingespeist wird, erhöht sich allmählich die Temperatur des (nicht gezeigten) Reformierkatalysators. Im Ansprechen auf den Anstieg der Katalysatortemperatur erhöht die Steuerungseinheit 70 die dem Reformierteil 136 zugeführte Wassermenge, was die Wahrscheinlichkeit für die Dampfreformierreaktion in der Reformiereinheit 136 erhöht. Da die Dampfreformierung eine endotherme Reaktion ist, bewirkt die stärkere Dampfreformierreaktion eine Senkung der Reformierkatalysatortemperatur. Indem die Steuerungseinheit 70 die in die Reformiereinheit 136 eingespeiste Wassermenge wie in 11A dargestellt steuert, wird die Katalysatortemperatur daher so gesteuert, dass sie kleiner oder gleich der vorbestimmten Obergrenze ist.
  • Gemäß dem vorstehend beschriebenen zweiten Beispiel für das Steuerungsverfahren wird also während des Kohlenstoffentfernungsvorgangs die der Reformiereinheit 136 zugeführte Wassermenge geeignet gesteuert, wodurch eine Beeinträchtigung des Reformierkatalysators durch die Hitze verhindert wird.
  • Drittes Beispiel für das Steuerungsverfahren
  • Die 12A bis 12C zeigen grafische Darstellungen, die die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 60 in einem Kohlenstoffentfernungsmodus gemäß einem dritten, nicht zur Erfindung gehörigen Beispiel des Steuerungsverfahrens erläutern. Die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 60 gemäß dem dritten Steuerungsverfahren unterscheidet sich von dem in den 3A bis 3C dargestellten ersten Steuerungsverfahren dadurch, dass die der Reformiereinheit 136 zugeführte Luftmenge ARO (die Anzahl an Sauerstoffatomen O) während jeder Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt konstant gehalten und die Menge des Rohbrennstoffs (der Anzahl an Kohlenstoffatomen C) während jeder Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt gesenkt wird.
  • Wie aus einem Vergleich von 12B und 3B hervorgeht, ändert sich das O/C-Verhältnis beim dritten Steuerungsverfahren auf die gleiche Weise wie beim ersten Steuerungsverfahren. Das heißt, dass ein Sauerstoff überschusszustand in der Reformiereinheit 136 auch dadurch erreicht werden kann, dass die Menge des Rohbrennstoffs verringert wird, was eine Verbrennung des auf dem Reformierkatalysators abgelagerten und angesammelten Kohlenstoffs erlaubt.
  • Gemäß dem dritten Beispiel des Steuerungsverfahrens wird während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt das S/C-Verhältnis erhöht, und zwar indem die Menge des zugeführten Dampfs bezogen auf den zugeführten Rohbrennstoff erhöht wird. Mit Erhöhung des S/C-Verhältnisses kommt es während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt in der Reformiereinheit 136 leicht zu der Dampfreformierreaktion, die eine endotherme Reaktion ist, und kann ein unerwünschtes Erhitzen des Reformierkatalysators verhindert werden. Die der Reformiereinheit 136 zugeführte Dampfmenge kann in diesem Zusammenhang auch so gesteuert werden, dass die Temperatur des Reformierkatalysators, wie bei dem in den 11A bis 11C gezeigten zweiten Steuerungsverfahren, die vorbestimmte Obergrenze nicht überschreitet. Die Steuerung der Temperatur des Reformierkatalysators durch Steuerung der zugeführten Dampfmenge ist ebenso bei den folgenden Beispielen des Steuerungsverfahrens anwendbar.
  • Viertes Beispiel für das Steuerungsverfahren
  • 13 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Steuerungsroutine zur Bestimmung des Zeitpunkts für die Ausführung eines Kohlenstoffentfernungsmodusbetriebs gemäß einem vierten, nicht zur Erfindung gehörigen Beispiel des Steuerungsverfahrens veranschaulicht. Während das vorstehend beschriebene erste bis dritte Steuerungsverfahren die Ausführung des Kohlenstoffentfernungsmodusbetriebs betreffen, wenn sich das Fahrzeug in einem normalen Betriebs- oder Fahrzustand befindet, wird der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb gemäß dem vierten Beispiel des Steuerungsverfahrens bei verschiedenen Fahrzeugbetriebs- oder Antriebsbedingungen auf unterschiedliche Weise ausgeführt.
  • Bei der Steuerungsroutine in 13, die die Schritte S21 bis S25 umfasst, erfolgt der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb, wenn sich das Fahrzeug in einem der folgenden vier Betriebszustände befindet, und zwar (1) einem Startzustand, (2) einem Leerlaufzustand, (3) einem Verlangsamungszustand und (4) einem Zustand bei abgezogenem Schlüssel.
  • Das Fahrzeug befindet sich unmittelbar nach dem Betriebsstart des Brennstoffzellensystems 60, nachdem der Zündschlüssel von der AUS-Position zur AN-Position bewegt wurde, im ”Startzustand”. Das Fahrzeug befindet sich im ”Leerlaufzustand”, wenn das Fahrzeug steht und das Gaspedal 74 nicht niedergedrückt wird, während das Brennstoffzellensystem 60 in Betrieb ist. So wird für das Fahrzeug zum Beispiel ein Leerlaufzustand angenommen, wenn das Brennstoffzellensystem 60 bei stehendem Fahrzeug zum Aufladen der Batterie 50 betätigt wird. Das Fahrzeug befindet sich im ”Verlangsamungszustand”, wenn sich das Fahrzeug fortbewegt oder läuft und das Gaspedal 74 nicht niedergedrückt ist. Das Fahrzeug befindet sich im ”Zustand mit abgezogenem Schlüssel”, nachdem der Zündschlüssel von der AN-Position zur AUS-Position bewegt wurde und unmittelbar bevor der Betrieb des Brennstoffzellensystems 60 vollständig eingestellt wird.
  • Bei den oben angegebenen vier Zuständen ist der erforderliche Ausgangsleistungswert der Brennstoffzellen 140 verhältnismäßig gering und ist demnach auch die der Brennstoffzelle 140 zuzuführende Wasserstoffmenge gering. Wenn der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb in diesen vier Fahrzeugbetriebszuständen durchgeführt wird, ist dies demnach insofern vorteilhaft, als auf den Fahrzustand des Fahrzeugs ein verhältnismäßig geringer Vorabeinfluss ausgeübt wird. Wie nachstehend beschrieben ist, kann der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb unter den jeweiligen Fahrzeugbetriebszuständen auf verschiedene Weise durchgeführt werden.
  • Die 14A bis 14C zeigen grafische Darstellungen, die die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 60 im Kohlenstoffentfernungsmodus erläutern, wenn sich das Fahrzeug im Startzustand befindet. Zum Zeitpunkt t10 befindet sich der Zündschlüssel des Fahrzeugs in der AN-Position und wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 60 begonnen. In der Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t10 und dem Zeitpunkt t11 wird lediglich die Katalysatorheizeinheit 134 (2) betrieben, so dass sich ihre Temperatur erhöht. Zum Zeitpunkt t11, zu dem die Temperatur der Katalysatorheizeinheit 134 auf ein bestimmtes hohes Niveau angestiegen ist, beginnt die Zufuhr des Wassers und des Rohbrennstoffs zur Verdampfungseinheit 132 und der Luft ARO zur Luftzuführungseinrichtung 166. Anschließend wird während jeder Kohlenstoffentfernungszeitdauer Δt, die vom Zeitpunkt t12 und Zeitpunkt t13 an beginnt, der Kohlenstoffentfernungsvorgang durchgeführt.
  • Die 15A bis 15C zeigen grafische Darstellungen, die die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 60 im Kohlenstoffentfernungsmodus erläutern, wenn sich das Fahrzeug in dem Zustand bei abgezogenem Schlüssel befindet. Zum Zeitpunkt t20 befindet sich der Zündschlüssel des Fahrzeugs in der AUS-Position und wird der Betrieb der Brennstoffzelle 140 beendet. Die dem Reformer 130 zugeführte Wasser- und Rohbrennstoffmenge ist daher beinahe null. Die Steuerungseinheit 70 wird jedoch so betrieben, dass sie die Zufuhr der Luft ARO bis zum Zeitpunkt t21 fortführt. Infolgedessen wird der auf dem Reformierkatalysator abgelagerte und angesammelte Kohlenstoff während der Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t20 und dem Zeitpunkt t21 (die als ”Kohlenstoffentfernungszeitdauer” bezeichnet wird) verbrannt und entfernt. In dieser Kohlenstoffentfernungszeitdauer t20–t21 wird die Menge zugeführter Luft ARO geeigneter Weise so gesteuert, dass sie nicht zu einem zu starken Anstieg der Temperatur des Reformierkatalysators führt.
  • Wie aus 15B hervorgeht, ist das O/C-Verhältnis während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer t20–t21 erheblich höher als der geeignete Bereich des O/C-Verhältnisses für den stetigen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 60 (d. h. als der Bereich von 0,7 bis etwa 1,0). Das O/C-Verhältnis nimmt nämlich unendlich zu, da dem Reformer 130 während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer t20–t21 kein Rohbrennstoff zugeführt wird. Es versteht sich von selbst, dass die oben angesprochene Situation, in der ”das O/C-Verhältnis erheblich höher als der geeignete Bereich” ist, die Situation einschließt, in der die Rohbrennstoffzufuhrmenge null ist, während die Luftzufuhrmenge ARO nicht null ist.
  • Der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb für den Leerlaufzustand und Verlangsamungszustand des Fahrzeugs kann jeweils auf ähnliche Weise wie bei dem ersten bis dritten Steuerungsverfahren durchgeführt werden, das in den 3A, 11A bzw. 12A dargestellt ist. Da die erforderliche Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 140 und die erforderliche Wasserstoffmenge im Leerlauf- und Verlangsamungszustand des Fahrzeugs verhältnismäßig gering sind, sind die erforderlichen, dem Reformer 130 zugeführten Mengen an Wasser, Rohbrennstoff und Luft jedoch deutlich geringer als in dem Fall, in dem das Fahrzeug in einem normalen Betriebsmodus läuft.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen vierten Beispiel des Steuerungsverfahrens wird der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb des Brennstoffzellensystems 60 durchgeführt, wenn die erforderliche Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 140 gering ist, was zu einem deutlich geringeren Einfluss auf den Fahrzustand des Fahrzeugs führt. Es ist ersichtlich, dass der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb nicht in sämtlichen der vier angegebenen Betriebszuständen des Fahrzeugs durchgeführt werden muss, sondern auch nur in einem oder mehreren der vier Betriebszustände des Fahrzeugs durchgeführt werden kann. Anders als bei den angegeben vier Betriebszuständen des Fahrzeugs kann der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 60 auch dann durchgeführt werden, wenn die erforderliche Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 140 geringer als ein vorbestimmter Wert ist. Wahlweise kann der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb des Brennstoffzellensystems 60 auch durchgeführt werden, wenn die erforderliche Ausgangsleistung des Motors 20 geringer als ein vorbestimmter Wert ist.
  • Fünftes Beispiel für das Steuerungsverfahren
  • 16 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Steuerungsroutine einer Kohlenstoffentfernungssteuerung gemäß einem fünften Beispiel des Steuerungsverfahrens veranschaulicht, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Bei diesem Beispiel wird der Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb beim Start des Brennstoffzellensystems 60 abhängig von der auf dem Reformierkatalysator angesammelten Kohlenstoffmenge auf verschiedene Weise durchgeführt. Dabei steht der ”Start des Brennstoffzellensystems 60” für einen Kaltstart des Brennstoffzellensystems 60, bei dem das Brennstoffzellensystem 60 von Zimmertemperatur aus gestartet wird.
  • Im Schritt S31 liest die Steuerungseinheit 70 die integrierte Menge abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep aus dem (in 2 gezeigten) Speicher 71. Der Speicher 71 kann ein nichtflüchtiger Speicher sein, etwa ein EEPROM.
  • In Schritt S32 wird die integrierte Menge abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep mit einem ersten Schwellenwert L1 verglichen. Wenn die integrierte Menge abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep kleiner als der erste Schwellenwert L1 ist, fährt die Steuerung mit Schritt S34 fort, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems 60 in einem normalen oder stetigen Betriebsmodus zu beginnen, ohne einen Kohlenstoffentfernungsmodusbetrieb auszuführen. Wenn der integrierte Wert des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep jedoch größer oder gleich dem ersten Schwellenwert L1 ist, fährt die Steuerung mit Schritt S33 fort, um die integrierte Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep mit einem zweiten Schwellenwert L2 zu vergleichen. Der zweite Schwellenwert L2 ist größer als der erste Schwellenwert L1 eingestellt.
  • Wenn die integrierte Menge des abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep kleiner als der zweite Schwellenwert L2 ist, fährt die Steuerung mit Schritt S35 fort, um den Kohlenstoffentfernungsvorgang in einem ersten Modus durchzuführen. Wenn die integrierte Menge abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep größer oder gleich dem zweiten Schwellenwert L2 ist, fährt die Steuerung dagegen mit Schritt S36 fort, um den Kohlenstoffentfernungsvorgang in einem zweiten Modus durchzuführen. Bei diesem Beispiel ist der erste Modus ein verhältnismäßig schwacher Modus, in dem eine verhältnismäßig geringe Kohlenstoffmenge entfernt wird, und ist der zweite Modus ein verhältnismäßig starker Modus, in dem eine verhältnismäßig große Kohlenstoffmenge entfernt wird.
  • Der Kohlenstoffentfernungsvorgang gemäß dem ersten (schwachen) Modus kann beispielsweise auf die in den 14A bis 14C dargestellte Weise erfolgen. Der Kohlenstoffentfernungsvorgang gemäß dem zweiten (starken) Modus kann auf beliebige Weise erfolgen, vorausgesetzt, dass die in diesem Kohlenstoffentfernungsvorgang entfernte Kohlenstoffmenge größer als die in dem Kohlenstoffentfernungsvorgang gemäß dem ersten Modus entfernte Menge ist. Der Kohlenstoffentfernungsvorgang gemäß dem zweiten Modus kann beispielsweise auf die in den 17A bis 17C dargestellte Weise erfolgen.
  • Wie in den 17A bis 17C gezeigt ist, beginnt der Betrieb des Brennstoffzellensystems 60 zum Zeitpunkt t30. Während einer Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t30 und dem Zeitpunkt t31 wird lediglich die Katalysatorheizeinheit 134 (2) betrieben, so dass sich ihre Temperatur erhöht. Wenn die Temperatur der Katalysatorheizeinheit 134 zum Zeitpunkt t31 auf ein bestimmtes hohes Niveau gestiegen ist, wird der Kohlenstoffentfernungsvorgang während einer Zeitdauer (d. h. einer Kohlenstoffentfernungszeitdauer). zwischen dem Zeitpunkt t31 und dem Zeitpunkt t32 ausgeführt. Während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer t31–t32 wird in die Reformiereinheit 136 kein Dampf eingeleitet und werden in die Reformiereinheit 136 lediglich Rohbrennstoffgas (Benzin) und Luft (ARO) eingespeist. Die elektrische Heizeinheit 135 wird zu diesem Zeitpunkt dazu verwendet, das Rohbrennstoffgas und die Luft ARO auf eine Temperatur zu erwärmen, die hoch genug ist, um auf dem Reformierkatalysator abgelagerten und angesammelten Kohlenstoff zu verbrennen.
  • Während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer t31–t32 ist die der Reformiereinheit 136 zugeführte Rohbrennstoffmenge geringer als in dem Fall, in dem sich das Brennstoffzellensystem 60 im stetigen Betriebsmodus befindet, während die Menge der der Reformiereinheit 136 zugeführten Luft ARO auf Überschuss erhöht wird. Wie aus 17B hervorgeht, ist das O/C-Verhältnis deutlich höher als der geeignete Bereich des O/C-Verhältnisses für den stetigen Betriebsmodus (d. h. als der Bereich von etwa 0,7 bis etwa 1,0) und hat einen Spitzenwert von etwa 4,8. Bei diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass die zugeführte Luftmenge, die ein O/C-Verhältnis von etwa 3,1 ergibt, der Sauerstoffmenge entspricht, die zur vollständigen Verbrennung des zugeführten Rohbrennstoffs erforderlich ist. Die Menge des der Reformiereinheit 136 während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer t31–t32 zugeführten Sauerstoffs ist daher größer als die für die vollständige Verbrennung des zugeführten Rohbrennstoffs benötigte Sauerstoffmenge.
  • 17C zeigt die Schwankung bzw. Änderung des Luftüberschussverhältnisses λ in der Reformiereinheit 136 des Reformers 130. Dabei gibt das ”Luftüberschussverhältnis λ” einen Anhaltspunkt für das Verhältnis der der Reformiereinheit 136 zugeführten Sauerstoffmenge zu der für die vollständige Verbrennung des zugeführten Rohbrennstoffs erforderliche Sauerstoffmenge. Da in diesem Beispiel angenommen wird, dass das zur vollständigen Verbrennung des zugeführten Rohbrennstoffs erforderliche O/C-Verhältnis etwa 3,1 beträgt, nimmt das Luftüberschussverhältnis λ in etwa den Wert ein, der durch Dividieren des O/C-Verhältnisses durch 3,1 erhalten wird. Wenn das Luftüberschussverhältnis λ 1 überschreitet, bleibt ein Teil des zugeführten Sauerstoffs zurück, ohne zur Oxidation des Rohbrennstoffs verwendet zu werden, und wird der restliche Sauerstoff dazu verwendet, den auf dem Katalysator angesammelten Kohlenstoff zu entfernen.
  • Während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer t31–t32 werden also der Rohbrennstoff und die Luft ARO durch die elektrische Heizung 135 auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt und ist die der Reformiereinheit 136 zugeführte Luftmenge größer als die zur vollständigen Verbrennung des Rohbrennstoffs erforderliche Luftzufuhrmenge. Dadurch wird es möglich, den auf dem Reformierkatalysator angesammelten und abgelagerten Kohlenstoff zu verbrennen, was zu einer geringeren Menge des auf dem Reformierkatalysator angesammelten Kohlenstoffs führt.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen fünften Beispiel des Steuerungsverfahrens überwacht die Steuerungseinheit 70 die Temperatur an jeder Stelle in dem Reformer 130, indem der in der Reformiereinheit 136 angeordnete Temperatursensor 192 und die stromaufwärts oder stromabwärts der jeweiligen Einheiten 136 bis 139 angeordneten Temperatursensoren 232 bis 236 verwendet werden. Die Steuerungseinheit 70 steuert außerdem die der Reformiereinheit 136 zugeführte Luftmenge ARO so, dass die Temperaturen der Katalysatoren in den jeweiligen Einheiten des Reformers 130 so schnell wie möglich angehoben werden. Durch diese Steuerung der zugeführten Luftmenge ARO wird verhindert, dass sich die in der Reformiereinheit 136, der Konvertierungsreaktionseinheit 138 und der Teiloxidationseinheit 139 angeordneten Katalysatoren zu stark erwärmen.
  • Anstatt die der Reformiereinheit 136 zugeführte Luftmenge ARO zu steuern, während die Menge des zugeführten Rohbrennstoffs konstant gehalten wird, kann die Steuerungseinheit 70 auch die der Reformiereinheit 136 zugeführte Rohbrennstoffmenge steuern, während die Zufuhrmenge der Luft ARO konstant gehalten wird. Wahlweise kann die Steuerungseinheit 70 auch die der Reformiereinheit 136 zugeführten Mengen Luft ARO und Rohbrennstoff steuern, um dadurch für eine ähnliche Wirkung zu sorgen, mit der ein unerwünschtes Aufheizen der Katalysatoren verhindert wird. Anstelle der Temperatursensoren können zur Steuerung der zugeführten Mengen Rohbrennstoff und Luft ARO auch Messwerte von Sauerstoffkonzentrations- und/oder Brennstoffkonzentrationssensoren verwendet werden.
  • Während der Kohlenstoffentfernungszeitdauer t31–t32 kann der Reformiereinheit 136 auch nur die Luft ARO zugeführt werden, ohne Rohbrennstoffgas (Benzin) zuzuführen. Wenn dem Reformierteil 136 jedoch sowohl das Rohbrennstoffgas als auch die Luft ARO zugeführt werden, erhöht sich die Temperatur des Katalysators schneller.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen fünften Beispiel des Steuerungsverfahrens wird abhängig von der integrierten Menge abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep einer von zwei Modi des Kohlenstoffentfernungsvorgangs ausgewählt und erfolgt der Kohlenstoffentfernungsvorgang in dem ausgewählten Modus. Der Kohlenstoffentfernungsvorgang kann jedoch auch in einem Modus erfolgen, der aus drei oder mehr Modi ausgewählt wurde. Da bei dem fünften Steuerungsverfahren abhängig von der integrierten Menge abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep aus mehreren Modi für den Kohlenstoffentfernungsvorgang der geeignete ausgewählt wird, kann ein anpassungsfähiger, für die integrierte Menge abgelagerten Kohlenstoffs ΣCdep geeigneter Kohlenstoffentfernungsvorgang durchgeführt werden.
  • Erstes abgewandeltes Beispiel
  • Dem Reformer wurde zwar Benzin als Rohbrennstoff zugeführt, doch können als Rohbrennstoff auch verschiedene andere Arten kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoffe eingesetzt werden. Als Rohbrennstoff können beispielsweise verschiedene Arten kohlenwasserstoffhaltiger Verbindungen verwendet werden, einschließlich Alkohole wie Methanol, Erdgas, Aldehyd und Ether. Wenn der gewählte Rohbrennstoff eine höhere Kohlenwasserstoffverbindung (d. h. eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung mit vier oder mehr Kohlenstoffatomen) enthält, sind die Probleme mit dem sich ablagernden Kohlenstoffs gravierend. Die Wirkung der Erfindung wird daher umso deutlicher, wenn ein solcher Rohbrennstoff eingesetzt wird.
  • Zweites abgewandeltes Beispiel
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel findet die Erfindung bei einem Elektrofahrzeug Verwendung, das mit einem Brennstoffzellensystem 60 ausgestattet ist. Die Erfindung ist jedoch auch bei einem Hybridfahrzeug anwendbar, das einen zusätzlichen Verbrennungsmotor zum Antrieb oder Drehen der Räder aufweist, und auch bei verschiedenen anderen Arten sich bewegender Objekte, die keine Kraftfahrzeuge oder Motorfahrzeuge sind, wie etwa Schiffe oder Züge. Die Erfindung ist allgemein bei jedem sich bewegenden Objekt anwendbar, das eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffreformiervorrichtung und einen Motor enthält, der durch Energie angetrieben wird, die von der Brennstoffzelle zugeführt wird.
  • Drittes abgewandeltes Beispiel
  • Bei dem vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Beispiel des Steuerungsverfahrens wird das Brennstoffzellensystem 60 im Kohlenstoffentfernungsmodus betrieben, indem während mehrerer Kohlenstoffentfernungszeitdauern intermittierend der Kohlenstoffentfernungsvorgang ausgeführt wird. Beim vierten und fünften Beispiel des Steuerungsverfahrens wird die der Reformiereinheit 136 zugeführte Sauerstoff- oder Rohbrennstoffmenge kontinuierlich über eine einzige Kohlenstoffentfernungszeitdauer gesteuert. Wie aus diesen Beispielen hervorgeht, erfordert der Kohlenstoffentfernungsvorgang lediglich, dass die zuzuführende Sauerstoff- und/oder Rohbrennstoffmenge so zugeführt wird, dass das O/C-Verhältnis den geeigneten Bereich für den stetigen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems überschreitet. Um diesem Erfordernis zu genügen, können verschiedene Steuerungsverfahren eingesetzt werden. Dabei ist zu beachten, dass der Ausdruck, dass ”das O/C-Verhältnis den geeigneten Bereich für den stetigen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems überschreitet”, die Bedeutung hat, dass das O/C-Verhältnis in dem geeigneten Bereich des O/C-Verhältnisses für den stetigen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems den Maximalwert überschreitet. Um eine wirksame Kohlenstoffentfernung zu erreichen, sollte das O/C-Verhältnis vorzugsweise auf etwa mindestens das 1,2-fache des geeigneten Werts für den stetigen Betriebsmodus und besser noch auf etwa mindestens das 1,5-fache des geeigneten Werts eingestellt werden.
  • Wie aus den vorstehenden Beispielen hervorgeht, kann der Kohlenstoffentfernungsvorgang unter verschiedenen Bedingungen ausgeführt werden. Und zwar lässt sich der Kohlenstoffentfernungsvorgang erfindungsgemäß durchführen, wenn die unter bestimmten Bedingungen zuzuführende Sauerstoff- und/oder Rohbrennstoffmenge gesteuert wird.
  • Viertes abgewandeltes Beispiel
  • Die Wirkung des Kohlenstoffentfernungsvorgangs kann durch verschiedene Parameter beeinflusst werden, etwa durch die zugeführte Rohbrennstoffmenge, die zugeführte Sauerstoffmenge, die Länge der Kohlenstoffentfernungszeitdauer, die Anzahl, wie oft der Kohlenstoffentfernungsvorgang ausgeführt wird, usw. Allgemein wird der Kohlenstoffentfernungsvorgang bei Betrieb des Brennstoffzellensystems 60 im Kohlenstoffentfernungsmodus so ausgeführt, dass zumindest ein Teil der oben angegebenen Parameter geändert wird.

Claims (21)

  1. Brennstoffreformiervorrichtung zum Reformieren eines eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung enthaltenden Rohbrennstoffs, um so ein wasserstoffreiches, in einer Brennstoffzelle zu verwendendes Brennstoffgas zu erzeugen, mit: einem Reformer (130), der einen Reformierkatalysator aufweist und den Rohbrennstoff unter Nutzung zumindest einer Dampfreformierreaktion und einer Teiloxidationsreaktion reformiert; einer Rohbrennstoffzuführungseinrichtung (110, 151, 152), die dem Reformer (130) den Rohbrennstoff zuführt; einer Wasserzuführungseinrichtung (120, 155, 156), die dem Reformer (130) Wasser zuführt, so dass zumindest ein Teil des zugeführten Wassers für die Dampfreformierreaktion verwendet wird; einer Sauerstoffzuführungseinrichtung (166), die dem Reformer (130) Sauerstoff zuführt, so dass zumindest ein Teil des zugeführten Sauerstoffs für die Teiloxidationsreaktion des Rohbrennstoffs an dem Reformierkatalysator verwendet wird; und einer Steuerung (70) zum Steuern der Rohbrennstoffzuführungseinrichtung (110, 151, 152), der Wasserzuführungseinrichtung (120, 155, 156) und der Sauerstoffzuführungseinrichtung (166), wobei die Steuerung (70) so gestaltet ist, dass sie im Betrieb unter einer vorbestimmten Bedingung einen Kohlenstoffentfernungsvorgang zum Entfernen von auf dem Reformierkatalysator abgelagertem Kohlenstoff ausführt, indem sie die Menge des dem Reformer (130) zugeführten Rohbrennstoffs und/oder die Menge des dem Reformer (130) zugeführten Sauerstoffs so steuert, dass, während die Menge des dem Reformer (130) zugeführten Rohbrennstoffs nicht Null beträgt, das O/C-Verhältnis der Anzahl der von der Sauerstoffzuführungseinrichtung (166) zugeführten Sauerstoffatome O zu der Anzahl der in dem von der Rohbrennstoffzuführungseinrichtung (110, 151, 152) zugeführten Rohbrennstoff enthaltenen Kohlenstoffatome C größer als ein geeigneter Bereich des O/C-Verhältnisses ist, der während eines Normalbetriebs des Reformers (130) einzustellen ist, und die Steuerung (70) so gestaltet ist, dass sie im Betrieb abhängig von der Menge (ΣCdep) des abgelagerten Kohlenstoffs aus mehreren vorbereiteten Kohlenstoffentfernungsmodi einen Modus auswählt und den Kohlenstoffentfernungsvorgang in dem ausgewählten Kohlenstoffentfernungsmodus ausführt.
  2. Brennstoffreformiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung mit vier oder mehr Kohlenstoffatomen ist.
  3. Brennstoffreformiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Steuerung (70) den Kohlenstoffentfernungsvorgang mehrmals intermittierend ausführt.
  4. Brennstoffreformiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Steuerung (70) so gestaltet ist, dass sie im Betrieb die Menge (ΣCdep) des abgelagerten Kohlenstoffs berechnet, indem sie Vorhersagewerte (Cdep) für die Menge abgelagerten Kohlenstoffs pro Zeiteinheit bezüglich der Zeit aufintegriert.
  5. Brennstoffreformiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Steuerung (70) die Menge des Rohbrennstoffs und die Menge des Sauerstoffs, die dem Reformer (130) während des Kohlenstoffentfernungsvorgangs zugeführt werden, abhängig von der Menge (ΣCdep) des abgelagerten Kohlenstoffs steuert.
  6. Brennstoffreformiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Steuerung (70) den Kohlenstoffentfernungsvorgang beim Start der Brennstoffreformiervorrichtung ausführt.
  7. Brennstoffreformiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Temperatursensor (192), der die Temperatur des Reformierkatalysators erfasst, wobei die Steuerung (70) die Menge des Rohbrennstoffs, die Menge des Sauerstoffs und eine Wassermenge, die dem Reformer (130) zugeführt werden, während des Kohlenstoffentfernungsvorgangs so steuert, dass die von dem Temperatursensor (192) erfasste Temperatur des Reformierkatalysators daran gehindert wird, einen vorbestimmten Grenzwert zu überschreiten.
  8. Brennstoffreformiervorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Steuerung (70) die dem Reformer (130) zugeführte Wassermenge während des Kohlenstoffentfernungsvorgangs erhöht.
  9. Brennstoffreformiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Steuerung (70) den Kohlenstoffentfernungsvorgang ausführt, indem sie die Menge des dem Reformer (130) zugeführten Sauerstoffs so steuert, dass sie größer als eine vorbestimmte Sauerstoffmenge ist, die für den Normalbetrieb des Reformers bestimmt ist.
  10. Brennstoffreformiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Steuerung (70) den Kohlenstoffentfernungsvorgang ausführt, indem sie die Menge des dem Reformer (130) zugeführten Rohbrennstoffs so steuert, dass sie kleiner als eine vorbestimmte Rohbrennstoffmenge ist, die für den Normalbetrieb des Reformers bestimmt ist.
  11. Verwendung einer Brennstoffreformiervorrichtung (130) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 für ein mittels einer Brennstoffzelle (140) betriebenes Fahrzeug.
  12. Verfahren zur Steuerung eines Reformers (130), der einen eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung enthaltenden Rohbrennstoff reformiert, um so ein wasserstoffreiches, in einer Brennstoffzelle zu verwendendes Brennstoffgas zu erzeugen, mit dem Schritt: unter einer vorbestimmten Bedingung Ausführen eines Kohlenstoffentfernungsvorgangs zum Entfernen von auf einem Reformierkatalysator abgelagertem Kohlenstoff, indem die Menge des dem Reformer (130) zugeführten Rohbrennstoffs und/oder die Menge von dem Reformer (130) zugeführtem Sauerstoff so gesteuert wird, dass, während die Menge des dem Reformer (130) zugeführten Rohbrennstoffs nicht Null beträgt, das O/C-Verhältnis der Anzahl der dem Reformer (130) zugeführten Sauerstoffatome O zu der Anzahl der in dem Rohbrennstoff enthaltenen Kohlenstoffatome C größer als ein geeigneter Bereich des O/C-Verhältnisses wird, der während eines Normalbetriebs des Reformers (130) einzustellen ist, wobei abhängig von der Menge (ΣCdep) des abgelagerten Kohlenstoffs aus mehreren vorbereiteten Kohlenstoffentfernungsmodi einen Modus ausgewählt wird und der Kohlenstoffentfernungsvorgang in dem ausgewählten Kohlenstoffentfernungsmodus ausgeführt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung mit vier oder mehr Kohlenstoffatomen ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Kohlenstoffentfernungsvorgang mehrmals intermittierend ausgeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Menge (ΣCdep) des abgelagerten Kohlenstoffs berechnet wird, indem Vorhersagewerte (Cdep) für die Menge abgelagerten Kohlenstoffs pro Zeiteinheit bezüglich der Zeit aufintegriert werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die Menge des Rohbrennstoffs und die Menge des Sauerstoffs, die dem Reformer (130) während des Kohlenstoffentfernungsvorgangs zugeführt werden, abhängig von der Menge (ΣCdep) des abgelagerten Kohlenstoffs gesteuert werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem der Kohlenstoffentfernungsvorgang beim Start der Brennstoffreformiervorrichtung ausgeführt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem die Menge des Rohbrennstoffs, die Menge des Sauerstoffs und eine Wassermenge, die dem Reformer (130) zugeführt werden, während des Kohlenstoffentfernungsvorgangs so gesteuert werden, dass die Temperatur des Reformierkatalysators nicht einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die dem Reformer (130) zugeführte Wassermenge während des Kohlenstoffentfernungsvorgangs erhöht wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem der Kohlenstoffentfernungsvorgang ausgeführt wird, indem die Menge des dem Reformer (130) zugeführten Sauerstoffs so gesteuert wird, dass sie größer als eine vorbestimmte Sauerstoffmenge ist, die für den Normalbetrieb des Reformers (130) bestimmt ist.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem der Kohlenstoffentfernungsvorgang ausgeführt wird, indem die Menge des dem Reformer (130) zugeführten Rohbrennstoffs so gesteuert wird, dass sie kleiner als eine vorbestimmte Rohbrennstoffmenge ist, die für den Normalbetrieb des Reformers (130) bestimmt ist.
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