DE10219333B4

DE10219333B4 - Betriebsverfahren eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE10219333B4
Application number: DE10219333A
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Wako Shimada; Yoshio Wako Nuiya; Takahiro Wako Kuriiwa
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-01
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2022-05-01
Also published as: US6800387B2; JP4713758B2; JP2002329519A; DE10219333A1; US20020172845A1

Abstract

Betriebsverfahren eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
(a) Zuführen von Elektrizität, die durch eine elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle (4) durch Wasserstoffgas und Sauerstoffgas erzeugt wird, zu einer Last (12), wobei das Wasserstoffgas aus einer Reformierungsreaktion in einer Reformierungsvorrichtung (2) erhalten wird;
(b) Laden oder Entladen von Elektrizität entsprechend einem Überschuss oder Mangel an Elektrizität, die von der Brennstoffzelle (4) zugeführt wird, und einer benötigten Elektrizität, die von der Last (12) verbraucht wird, in einen elektrischen Puffer (CAPA); und
(c) Laden oder Entladen des Wasserstoffgases entsprechend einem Überschuss oder Mangel an einer benötigten Menge von Wasserstoffgas für die Brennstoffzelle (4) und einer Menge von Wasserstoffgas, die von der Reformierungsvorrichtung (2) zugeführt wird, in einen oder aus einem Wasserstoffpuffer (MHB), der eine Wasserstoff einschließende Legierung enthält; und gekennzeichnet durch die Schritte:
(d) Erhöhen der Menge des Wasserstoffgases, die von dem Wasserstoffpuffer (MHB) der Brennstoffzelle...

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren eines Brennstoffzellensystems zum Erzeugen von Elektrizität unter Verwendung von Wasserstoffgas.

2. Beschreibung der relevanten Technik

In den letzten Jahren ist in Hinblick auf die Umwelt ein Fahrzeug entwickelt worden, das von einer Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität als Energiequelle verwendet. Das in ein solches Fahrzeug geladene Brennstoffzellensystem hat bevorzugt eine kompakte Größe, ein geringes Gewicht und einen hohen Energienutzungs-Wirkungsgrad. Ein Beispiel der relevanten Technik, betrachtet von diesem Standpunkt her, ist in der JP-A-2000-67898 offenbart.

Das in der JP-A-2000-67898 offenbarte Brennstoffzellensystem soll bewirken, dass eine Wasserstoff einschließende Legierung in einem Wasserstoffspeichermittel den Wasserstoff, der von einer Brennstoffzelle nicht verbraucht und abgegeben wird, oder reformiertes Wasserstoffgas von einer Reformervorrichtung einschließt.

Jedoch erzeugt das Wasserstoffspeichermittel eine Zeitverzögerung von der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle bis zur Erzeugung von Strom. Ein solches Brennstoffzellensystem kann die zugeführte Elektrizität entsprechend einer Zunahme der angeforderten Ausgangsleistung nicht rasch erhöhen und könnte daher keine ausreichende Übergangsreaktion ergeben.

Das Brennstoffzellensystem mit ungenügender Übergangsreaktion benötigt eine lange Zeit ab dann, wenn ein Fahrer einen Accelerator betätigt, bis dann das Fahrzeug tatsächlich beschleunigt oder verzögert wird. Wenn die von einer Reformervorrichtung zu behandelnde Menge zu stark erhöht oder gesenkt wird, um die Übergangsreaktion zu verbessern, wird das Brennstoffzellensystem belastet.

Aus der DE 195 23 109 A1 , auf der der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht, ist ein Brennstoffzellensystem mit einer mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Brennstoffzelle 4 entnehmbar, die einem Verbraucher 5 elektrische Energie zuführt. Der zugeführte Wasserstoff wird in einer Spaltanlage 10 durch Reformierung eines Kraftstoffs erzeugt. Ein Wasserstoff-Zwischenspeicher 13 dient zum Aufnehmen zumindest eines Teils des durch Reformierung erzeugten Wasserstoffs. Außerdem kann der von der Brennstoffzelle erzeugte Strom zum Laden einer Batterie 6 verwendet werden.

Aus der DE 195 23 109 A1 ist entnehmbar, dass Verbraucher und Batterie parallelgeschaltet sind; d.h. je nach Lastabnahme durch die Verbraucher kann ein vorhandener Überschuss an elektrischer Energie in die Batterie geladen werden. Bei Unterbrechung des Brennstoffzellenbetriebs (d.h. Mangel an von der Brennstoffzelle zuführbarer elektrischer Energie) wird die Batterie entladen, um die Brennstoffzelle und/oder die Spaltanlage zu starten (d.h. eine Last mit elektrischer Energie zu versorgen). Bei Inbetriebnahmevorgängen und somit bei abgeschalteter Spaltanlage (d.h. Mangel an von der Reformiereinrichtung zuführbarem Wasserstoffgas) wird Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Zwischenspeicher entladen und der Brennstoffzelle zugeführt. Bei betriebener Spaltanlage kann der Wasserstoff-Zwischenspeicher dann wieder auf Sollfüllstand geladen werden.

In der US 5 527 632 A wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem durch Reformierung erzeugtes Wasserstoffgas einem Brennstoffzellenstapel zwecks Erzeugung elektrischer Energie zur Versorgung einer Last zugeführt wird. Wasserstoffgas wird darüber hinaus in einen Wasserstoffpuffer geladen oder aus diesem entladen, wobei der Puffer eine wasserstoffspeichernde Metallhydridlegierung enthält. Wenn der Reformer bei plötzlichen hohen elektrischen Lastanforderungen seitens der Brennstoffzelle die benötigte Wasserstoffmenge nicht schnell genug liefern kann (Mangel an Wasserstoffgas), wird Wasserstoffgas aus dem Puffer entladen. Hierbei wird die Wasserstoffmenge, die aus dem Puffer entnommen und der Brennstoffzelle zugeführt wird, erhöht.

Die US 5 334 463 A beschreibt die Versorgung einer schwankenden elektrischen Last durch eine mittels Reformer mit Wasserstoff versorgte Brennstoffzelle und eine dazu parallelgeschaltete Speicherbatterie.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, den Erzeugungswirkungsgrad des Brennstoffzellensystems so zu optimieren, dass Wasserstoffgas und Energie effizient genutzt werden, um die Reaktion auf eine Änderung der Ausgangsleistung zu verbessern.

Zur Lösung des oben beschriebenen Problems wird ein Betriebsverfahren eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1 angegeben.

Wenn bei diesem Betriebsverfahren eines Brennstoffzellensystems die benötigte Elektrizität zunimmt, wird anfänglich die Elektrizität der Last von dem elektrischen Puffer mit der schnellsten Reaktion zugeführt, um die Übergangsreaktion zu verbessern. Als nächstes wird die erzeugte Elektrizität mit Hilfe des Wasserstoffgases, das von dem Wasserstoffpuffer mit hoher Energiedichte zugeführt wird, erhöht, so dass die Elektrizitätsversorgung stabil durchgeführt werden kann.

In dem Betriebsverfahren eines Brennstoffzellensystems wird, nachdem die Reaktion der Elektrizitätszufuhr in der Übergangszeit, während die benötigte Elektrizität zunimmt, mit Hilfe des Elektrizitätspuffers und des Wasserstoffpuffers verbessert worden ist, das von der Reformierungsvorrichtung zugeführte Wasserstoffgas erhöht, so dass die Elektrizitätsversorgung stabil durchgeführt werden kann.

In diesem Brennstoffzellensystem wird, während der Übergangsperiode, während sich die Ausgangsleistung ändert, bis das von der Reformierungsvorrichtung zugeführte Wasserstoffgas zunimmt, dort, wo die benötigte Elektrizität nicht allein mit der Hilfe des von der Reformierungsvorrichtung (z.B. dem Reformer) zugeführten Wasserstoffgas zugeführt werden kann, das zuvor in dem Wasserstoffpuffer aufgenommene Wasserstoffgas der Brennstoffzelle zugeführt und/oder die zuvor in dem elektrischen Puffer gespeicherte elektrische Energie der Last zugeführt, um hierdurch die benötigte Elektrizität bereitzustellen. Andererseits ist die Elektrizität, die aufgrund des Wasserstoffgases von der Reformierungsvorrichtung erzeugt ist, im Überschuss, und die überschüssige Elektrizität wird in den elektrischen Puffer gefüllt und das überschüssige Wasserstoffgas wird aufgenommen. Diese Vorbereitung für die nächste Ausgangsleistungsänderung gestattet, dass die Energie wirkungsvoll verwendet wird.

Da in diesem Brennstoffzellensystem elektrische Puffer mit der schnellsten Reaktion auf eine Zunahme der benötigten Elektrizität bevorzugt verwendet werden, kann die Übergangsreaktion des mit der Brennstoffzelle ausgestatteten Elektrofahrzeugs verbessert werden.

Bevorzugt wird das Wasserstoffgas von dem Wasserstoffpuffer gemäß der Restmenge der in dem elektrischen Puffer gespeicherten elektrischen Energie entladen.

Da in diesem Brennstoffzellensystem das Wasserstoffgas, das von dem Wasserstoffpuffer mit langsamster Reaktion jedoch hoher Energiedichte zugeführt wird, entsprechend der Restmenge des elektrischen Puffers mit niedriger Energiedichte erhöht wird, kann die Elektrizität stabil zugeführt werden, um die für die Last benötigte Elektrizität bereitzustellen.

Bevorzugt wird das Wasserstoffgas von der Reformierungsvorrichtung gemäß der Restmenge des in dem Wasserstoffpuffer aufgenommenen Wasserstoffgases entladen.

In diesem Brennstoffzellen-Zwillingssystem wird dort, wo die benötigte Elektrizität durch die von der Brennstoffzelle mit Hilfe des Wasserstoffpuffers erzeugte Elektrizität nicht bereitgestellt werden kann, das Wasserstoffgas, das von der Reformierungsvorrichtung mit der langsamsten Reaktion jedoch höchsten Stabilität zugeführt wird, erhöht, um hierdurch die Zufuhr der benötigten Elektrizität sicher fortzusetzen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Blockdiagramm, das eine Anordnung des Brennstoffzellen_{systems zur Durchführung des erfindungsgemäsen Betriebsverfahrens
zeigt;}

2 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Steuervorrichtung;

3 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsprozess des Brennstoffzellensystems zeigt;

4 ist ein Flussdiagramm, das die Details eines Teils von 3 zeigt;

5 ist ein Flussdiagramm, das die Details eines Teils von 3 zeigt;

6A ist eine Konzeptansicht zum Befüllen eines Wasserstoffspeichers und eines elektrischen Puffers;

6B ist eine Konzeptansicht der Unterstützung durch den Wasserstoffpuffer und den elektrischen Puffer;

7A ist eine Grafik, die den Fall zeigt, wo die benötigte Elektrizität mit der Unterstützung des Wasserstoffpuffers und des elektrischen Puffers zugeführt wird;

7B ist eine Grafik, die das Befüllen des Wasserstoffpuffers und des elektrischen Puffers zeigt, wenn die benötigte Elektrizität abnimmt;

8 ist eine Konzeptansicht der Wiedergewinnung eines Teils des nicht benutzten Wasserstoffgases, das in dem von einer Brennstoffzelle abgegebenen Abgas enthalten ist, in den Wasserstoffpuffer; und

9 ist eine Grafik, die den Betriebszustand eines Brennstoffzellensystems zeigt, wo die benötigte Elektrizität kontinuierlich variiert.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
Nun wird in Bezug auf die Zeichnungen eine detaillierte Erläuterung von Ausführungen dieser Erfindung angegeben.
Ein Blockdiagramm der Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems ist in 1 gezeigt. Ein Brennstoffzellensystem 1 soll eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoffgas, das aus einem durch eine Reformierungsvorrichtung 2 reformierten flüssigen Rohbrennstoff erzeugt wird, und Sauerstoffgas, das in der von einer Luftzufuhreinrichtung 3 zugeführten Luft enthalten ist, durchführen, um elektrische Energie auszugeben. Eine Brennstoffzelle 4 führt die elektrische Energie einer Elektrizitätszufuhreinrichtung 5 zu, einschließlich eines Motors.
Die Brennstoffzelle 4 hat eine Mehrzahl von Zellen. Jede der Zellen nimmt eine Festpolymerelektrolytmembrane aus einer Perfluorkarbonsulfonsäuremembrane zwischen einer anodenseitigen Elektrode und einer kathodenseitigen Elektrode auf. Das der anodenseitigen Elektrode jeder Zelle zugeführte Wasserstoffgas wird durch einen Platinkatalysator protonisiert (ionisiert). Der ionisierte Wasserstoff bewegt sich durch den Festelektrolyt, um die kathodenseitige Elektrode zu erreichen, und reagiert mit dem Wasserstoffgas unter Erzeugung von Wasser. Die Elektronen, die beim Protonisieren des Wasserstoffgases erzeugt werden, werden als Strom ausgegeben. Das erzeugte Wasser und das nichtreagierte Gas werden als Abgas ausgegeben.
Die Reformierungsvorrichtung 2 enthält einen Tank 6 zum Speichern von Rohbrennstoff aus einer gemischten Lösung von Wasser und Methanol. Der Tank ist in Serie mit einem Brennstoffverdampfer 7 verbunden, um den Rohbrennstoff zu verdampfen, während dieser mit Luft vermischt wird, einem Reformer 8 zum Reformieren eines gemischten Gases des verdampf ten Wassers, Methanols und Luft, um ein Wasserstoffgas zu erzeugen, sowie einen Beseitiger 9 zum Beseitigen des während der Reformierung erzeugten Kohlenmonoxidgases (CO). Das in dem reformierten Gas enthaltene Wasserstoffgas, das den CO-Beseitiger 9 durchströmt hat, wird der anodenseitigen Elektrode der Brennstoffzelle 4 zugeführt. Ein Teil davon kann von der Wasserstoff einschließenden Legierung innerhalb eines Wasserstoffspeichers MHB eingeschlossen werden, der an einer Stufe vor der Brennstoffzelle 4 angeordnet ist.
In dieser Ausführung ist der Brennstoffverdampfer 7 mit einem katalytischen Verbrenner 7a versehen, um das nicht benutzte Wasserstoffgas zu verbrennen, das in dem Anodenabgas enthalten ist, das von der anodenseitigen Elektrode der Brennstoffzelle 4 abgegeben wird. Der Brennstoffverdampfer 7 dient dazu, den Rohbrennstoff unter Verwendung der Wärme zu verdampfen, die durch den katalytischen Verbrenner 7a erzeugt wird. Ferner ist eine Luftzufuhrleitung (nicht gezeigt), die in der Lage ist, Luft einzuführen, um eine Verbrennung des Wasserstoffgases zu fördern und die Reaktion einzustellen, jeweils mit dem katalytischen Verbrenner 7a, dem Reformer 8 und dem CO-Beseitiger 9 der Reformierungsvorrichtung 2 verbunden.
Der Wasserstoffpuffer MHB enthält eine Mehrzahl von Tanks (nicht gezeigt), um das Wasserstoffgas jederzeit einzuschließen/zu entladen. Jeder Tank enthält eine Wasserstoff einschließende Legierung. Der Wasserstoffpuffer MHB ist mit einer Temperatursteuereinheit 13 versehen, um die Temperatur jedes Tanks zu steuern/zu regeln. Die Temperatursteuereinheit 13 dient dazu, die Temperatur jedes Tanks anzuheben oder abzusenken, so dass die Temperatursteuereinheit das Einschließen und Entladen des Wasserstoffgases in der Wasserstoff einschließenden Legierung steuert. Als Temperatursteuereinheit 13 verwendet werden können: Kühlwasser für die Brennstoffzelle 4, ein elektrischer Heizer, ein Luftkühlungsmittel, Kühlwasser für einen Radiator. Die Mehrzahl der Tanks des Wasserstoffpuffers MHB können gleichzeitig als Tanks vorbereitet werden, die in einem einschließbaren Zustand und einem entladbaren Zustand temperaturmäßig eingestellt sind. Daher wird eine Zeitverzögerung aufgrund der Temperaturänderung in den Tanks vermieden. Bedarfsweise wird der Tank austauschbar zwischen einem Einschlusszustand und einem Entladezustand temperaturmäßig eingestellt. Eine Steuervorrichtung 14 steuert/regelt die Tanks derart, dass zumindest ein Tank im entladbaren Zustand ist und zumindest einer der anderen Tanks in dem einschließbaren Zustand ist.
Die Luftzufuhreinrichtung 3 enthält einen Luftkompressor 10, um die aus der Atmosphäre angesaugte Luft auf einen vorbestimmten Druck zu setzen, sowie einen Befeuchter 11 zum Befeuchten der Druckluft unter Verwendung des Kathodenabgases, das eine Menge Wasser enthält, das von der kathodenseitigen Elektrode der Brennstoffzelle 4 abgegeben wird. Die durch den Befeuchter 11 befeuchtete Luft wird der kathodenseitigen Elektrode der Brennstoffzelle 4 zugeführt.
Die Elektrizitätszufuhreinrichtung 5 enthält eine Last 12, die einen Motor enthält, der mit dem Anschluss zum Abführen des Stroms von der Brennstoffzelle elektrisch verbunden ist, sowie Hilfsmaschinen, wie etwa eine Fahrzeug-Klimaanlage, Beleuchtungsinstrumente, Messgeräte, sowie einen elektrischen Puffer CAPA, der mit der Brennstoffzelle 4 parallel zu der Last verbunden ist und überschüssige Elektrizität speichern kann. Anzumerken ist, dass die Steuerung des Stroms, der aus der Brennstoffzelle 4 zu entnahmen ist, und des Wechsels der Elektrizitätszufuhr zu dem elektrischen Puffer CAPA von einer Steuereinheit (nicht gezeigt) durchgeführt werden.
In dieser Ausführung kann der elektrische Puffer CAPA ein elektrischer Doppelschichtkondensator sein, der eine Speicher-Kapazität von z.B. 1 kWh hat. Der elektrische Puffer CAPA kann als elektrische Energie einen Teil der Elektrizität speichern, die von der Brennstoffzelle 4 erzeugt ist, und regenerative Energie, wenn das Fahrzeug gebremst wird. Beim Starten des Brenn stoffzellensystems 1 oder während der Übergangsperiode, während sich die Ausgangsleistung ändert, wird die Reaktionfähigkeit des Brennstoffzellensystems 1 verbessert, indem Elektrizität von dem elektrischen Puffer CAPA der Last 12 zugeführt wird, so dass die Zeit, die es bis zum Starten braucht, verkürzt wird. Übrigens ist der elektrische Puffer CAPA bevorzugt mit einem elektrischen Umwandler versehen, um die Elektrizitätsdifferenz zwischen der Brennstoffzelle 4 und dem elektrischen Doppelschichtkondensator einzustellen.
Das Brennstoffzellensystem 1 nach dieser Ausführung wird durch die Steuervorrichtung 14 gesteuert/geregelt, wie in 2 gezeigt. Die Steuervorrichtung 14 enthält eine CPU, ein ROM und eine vorbestimmte elektrische/elektronische Schaltung. Für diese Komponenten ist ein vorgeschriebenes Programm entwickelt, um verschiedene Prozessarten durchzuführen. In Antwort auf die später beschriebene Auswahl des Betriebsmodus, der Öffnung eines Accelerators, des Werts eines Fahrzeuggeschwindigkeitssensors des Fahrzeugs und eines Startsignals für die Hilfsmaschine steuert/regelt in dieser Ausführung die Steuervorrichtung 14 den Rohbrennstoff, der aus dem Brennstoffverdampfer 7 auszustoßen ist. Jeder Prozess, der von der Steuervorrichtung 14 ausgeführt wird, wird in Bezug auf den Prozessfluss erläutert.
In Bezug auf das Flussdiagramm der 3, 4 und 5 wird nun eine Erläuterung des Betriebsprozesses des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführung angegeben. Die 4 und 5 sind Flussdiagramme zum Erläutern eines Teils des Prozesses in 3 im Detail. Zuerst akquiriert die Steuervorrichtung 14 in Schritt S1 die von dem Fahrer gewählten Daten des Betriebsmodus und setzt in Schritt S2 die Energieerzeugung (Basisausgabe) entsprechend dem Betriebsmodus. Der Betriebsmodus ist klassifiziert in einen allgemeinen Betrieb, einen Betrieb (ökonomischer Modus), der die Kraftstoffökonomie höher bewertet, einen Betrieb (Sportmodus), der die Beschleunigungseffizienz höher bewertet als die Kraftstoffökonomie. Die Basisausgabe kann akquiriert werden, indem z.B. das in der Steuervorrichtung 14 vorbereitete Kennfeld an einer Adresse jedes Betriebsmodus abgefragt wird.
In Schritt S3 bewirkt die Steuervorrichtung 14, dass die Reformierungsvorrichtung 2 das Wasserstoffgas in der Menge erzeugt, die zum Erzeugen der im vorherigen Schritt gesetzten Basisausgabe benötigt wird, und dieses der Brennstoffzelle 4 zuzuführt. Der Schritt S3 wird im Detail näher erläutert. Zuerst wird der Rohbrennstoff in einer Menge, die jener des Wasserstoffgases entspricht, die die Basisausgabe ergibt, aus dem Tank 6 zugeführt. Der Rohbrennstoff wird durch den Brennstoffverdampfer 7 verdampft, um Kraftstoffdampf zu erzeugen. Der Kraftstoffdampf wird durch den Reformer bearbeitet, um reformiertes Gas zu erzeugen. Das in dem reformierten Gas enthaltene Kohlenmonoxid wird durch den CO-Beseitiger 9 beseitigt. Das resultierende reformierte Gas wird der Brennstoffzelle 4 zugeführt. Der Prozess in Schritt S3 wird bevorzugt einer Rückkopplungsregelung entsprechend der Menge des Wasserstoffgases an der hinteren Stufe des CO-Beseitigers 9 und/oder der erzeugten Elektrizität der Brennstoffzelle 4 unterzogen.
Als nächstes erfasst die Steuervorrichtung 14 die Acceleratoröffnung durch eine Beschleunigerbetätigung durch den Fahrer (Schritt S4), erfasst die Fahrzeuggeschwindigkeit von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (Schritt S5) und fragt das gespeicherte Kennfeld ab, um die benötigte Motorausgangsleistung zu bestimmen. Die Steuervorrichtung 14 addiert die elektrische Energie, die von den verschiedenen Hilfsmaschinen und der Klimaanlage verbraucht wird, zu der bestimmten Motorausgangsleistung, um die benötigte Elektrizität vorzusehen (Schritt S6).
Wenn in Schritt S7 die Steuervorrichtung 14 entscheidet, dass die von der Reformierungsvorrichtung 2 zugeführte Wasserstoffgasmenge die benötigte Elektrizität liefern kann (Ja), geht der Prozess zu Schritt S8 weiter, indem die elektrische Energie nur durch die elektrochemische Reaktion des Wasserstoffgases zugeführt wird, das von der Reformervorrichtung 2 zugeführt wird. Wenn andererseits die der Basisausgabe entsprechende Wasserstoffgasmenge die benötigte Elektrizität nicht liefern kann (Nein), geht der Prozess zu Schritt S9 weiter, in dem die Basisausgabe durch den Wasserstoffpuffer MHB und/oder den elektrischen Puffer CAPA unterstützt wird.
Nun wird in Bezug auf das Flussdiagramm von 4 eine Erläuterung der Elektrizitätszufuhr durch nur die Reformierungsvorrichtung 2 angegeben.
Zuerst erfasst in Schritt S21 die Steuervorrichtung 14 die Menge (Restmenge) des in dem Wasserstoffpuffer MHB aufgenommenen Wasserstoffgases, und erfasst in Schritt S22 die Menge (Restmenge) der in dem elektrischen Puffer CAPA gespeicherten elektrischen Energie.
Die Steuervorrichtung 14 berechnet die restliche elektrische Energie (überschüssige Elektrizität), die akquiriert wird, indem die von der Last 12 verbrauchte benötigte Elektrizität von der von der Brennstoffzelle 4 erzeugten Elektrizität subtrahiert wird (Schritt S23). Bei Bedarf wird die Elektrizität, die der durch regenerative Bremsung akquirierten regenerativen Energie entspricht, zu der überschüssigen Elektrizität addiert. Nachdem die überschüssige Elektrizität akquiriert worden ist, wird in Schritt S24 bis S26, wie in 6A zu sehen, ein Teil des in der Reformierungsvorrichtung erzeugten Wasserstoffgases in dem Wasserstoffpuffer MHB aufgenommen und wird ein Teil der von der Brennstoffzelle 4 erzeugten Elektrizität in dem elektrischen Puffer CAPA gespeichert.
Zuerst berechnet die Steuervorrichtung 14, auf der Basis der jeweiligen Restmengen, die zulässige Wasserstoffgasmenge, die in dem Wasserstoffpuffer MHB aufgenommen werden kann, und jene der elektrischen Energie, die in dem elektrischen Puffer CAPA gespeichert werden kann (Schritt S24). Auf der Basis der berechneten Ergebnisse stellt die Steuervorrichtung 14 die erzeugte Elektrizität der Brennstoffzelle 4 derart ein, dass das Strömungsratensteuerventil (nicht gezeigt) schließt, das an der anodenseitigen Elektrode der Brennstoffzelle 4 vorgesehen ist, um die zugeführte Wasserstoffgasmenge zu reduzieren (Schritt S25).
Ferner schließt die Steuervorrichtung 14 die Schaltung (nicht gezeigt) der Elektrizitätszufuhrleitung, um die Brennstoffzelle 4 und den elektrischen Puffer CAPA zu verbinden. Dann wird die Restelektrizität, bei der die von der Last 12 verbrauchte Elektrizität von der von der Brennstoffzelle 4 abgenommenen Elektrizität ausgeschlossen ist, in dem elektrischen Puffer CAPA gespeichert.
Da andererseits die erzeugte Elektrizität der Brennstoffzelle 4 eingestellt worden ist, wird das Wasserstoffgas, das von der Reformierungsvorrichtung 2 der Brennstoffzelle zugeführt wird, überschüssig. Dieses überschüssige Wasserstoffgas wird in dem Wasserstoffpuffer MHB derart untergebracht, dass es durch die Wasserstoff einschließende Legierung in dem Tank des Wasserstoffpuffers MHB eingeschlossen wird, der durch die Temperatursteuereinheit 13 gekühlt ist (Schritt S26).
Um dann das Überfließen durch übermäßiges Befüllen jeweils des Wasserstoffpuffers MHB und des elektrischen Puffers CAPA zu verhindern, prüft in Schritt S27 die Steuervorrichtung 14 die Restmenge in jedem der Puffer MHB und CAPA. Wenn die Restmenge 95 % erreicht hat (Ja), wird die zuzuführende Menge des Rohbrennstoffs reduziert, um die Ausgabe von der Reformierungsvorrichtung 2 zu senken (Schritt S28). Danach geht der Prozess zu Schritt S10 in 3 weiter.
Es wird eine Erläuterung des Prozesses angegeben, wo in Schritt S7 in 3 die benötigte Elektrizität durch die erzeugte Elektrizität der Brennstoffzelle 4 aufgrund des von der Reformierungsvorrichtung 2 zugeführten Wasser stoffgases nicht geliefert werden kann (Nein). Es wird nämlich in Bezug auf das Flussdiagramm von 5 die Erläuterung des Prozesses angegeben, wo, wie in 6B gezeigt, das unterstützende Wasserstoffgas von dem Wasserstoffpuffer MHB zusätzlich zu dem von der Reformierungsvorrichtung 2 erzeugten Wasserstoffgas zugeführt wird, um die von der Brennstoffzelle 4 erzeugte Elektrizität zu erhöhen, und die unterstützende Elektrizität zu der erzeugten Elektrizität der Brennstoffzelle 4 addiert wird, um die benötigte Elektrizität zu liefern.
Wie aus 5 ersichtlich, erfasst die Steuervorrichtung 14 die Restmenge des Wasserstoffgases, die von dem Wasserstoffpuffer MHB eingeschlossen ist (Schritt S31), und erfasst die Restmenge der elektrischen Energie, die in dem elektrischen Puffer CAPA gespeichert ist (Schritt S32).
In Schritt S33 berechnet die Steuervorrichtung 14 ungenügende Elektrizität (oder Elektrizitätsmangel), die eine Differenz zwischen der von der vorliegenden Reformierungsvorrichtung 2 erzeugten Elektrizität und der benötigten Elektrizität ist. In Schritt S34 entscheidet die Steuervorrichtung 14, ob die ungenügende Elektrizität durch die Aktion des elektrischen Puffers CAPA und/oder des Wasserstoffpuffers MHB gegeben werden kann. Diese Entscheidung erfolgt durch Vergleich der ungenügenden Elektrizität mit der Pufferrestmenge in dem elektrischen Puffer CAPA und/oder dem Wasserstoffpuffer MHB, multipliziert mit einem Koeffizienten α, der für jeden Betriebsmodus vorgeschrieben ist.
Dieser Koeffizient α dient dazu, die Zulässigkeit der Restmenge entsprechend dem Betriebszustand zu setzen. Dieser Koeffizient soll verhindern, dass die elektrische Energie des elektrischen Puffers CAPA und das eingeschlossene Wasserstoffgas in dem Wasserstoffpuffer MHB vollständig verbraucht werden, z.B. dann, wenn eine abrupte Beschleunigung fortgesetzt wird. Übrigens wird, in der Aufeinanderfolge eines Sportmodus, Normalmodus und ökonomischen Modus, der Wert des Koeffizienten α kleiner.
Wenn in Schritt S34 die ungenügende Elektrizität größer ist als die Pufferrestkapazität der Elektrizität, multipliziert mit dem Koeffizienten α (Ja), d.h. die ungenügende Elektrizität nur durch die Pufferrestmenge nicht geliefert werden kann, erhöht die Steuervorrichtung 14 in Schritt S35 die zuzuführende Rohbrennstoffmenge, um die Ausgabe von der Reformierungsvorrichtung 2 zu erhöhen, und geht anschließend zu Schritt S36 weiter. Übrigens ist der Grund dafür, warum die Steuervorrichtung 14 eine Anweisung zur Erhöhung der Ausgabe von der Reformierungsvorrichtung 2 vor der Unterstützung durch den Wasserstoffpuffer MHB und den elektrischen Puffer CAPA ausgibt, der, dass die langsame Reaktion der Reformierungsvorrichtung 2 zu einer Zeitverzögerung führt, bis die zugeführte Wasserstoffgasmenge zunimmt, um die von der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität tatsächlich zu erhöhen.
Wenn andererseits die ungenügende Elektrizität weniger ist als die Pufferrestkapazität multipliziert mit α (Nein), ist es nicht notwendig, die Ausgabe von der Reformierungsvorrichtung 2 zu verändern. Daher geht der Prozess direkt zu Schritt S36 weiter.
In Schritt S36 berechnet die Steuervorrichtung 14 die elektrische Energie (Unterstützungsmenge), die von dem elektrischen Puffer CAPA entladen wird, bzw. die erzeugte Elektrizität (Unterstützungsmenge) der Brennstoffzelle 4, die mit der Hilfe des vom Wasserstoffpuffer MHB entladenen Wasserstoffgases erhöht werden soll.
In Schritt S37 bewirkt die Steuervorrichtung 14, dass der Wasserstoffpuffer MHB das Wasserstoffgas entsprechend der Unterstützungsmenge entlädt.
In Schritt S38 bewirkt die Steuervorrichtung 14, dass der elektrische Puffer CAPA die gespeicherte elektrische Energie als unterstützende Elektrizität der Last 12 zuführt.
Die Unterstützung durch den Wasserstoffspeicher MHB in Schritt S37 und die Unterstützung durch den elektrischen Puffer CAPA in Schritt S38 kann in jeder Reihenfolge ausgeführt werden. Gewöhnlich werden sie gleichzeitig ausgeführt. Jedoch sorgt die Unterstützung durch den Wasserstoffpuffer MHB, die zuerst realisiert wird, nachdem das Wasserstoffgas entladen worden ist und die elektrochemische Reaktion durch die Brennstoffzelle 4 erfolgt ist, für eine längere Zeitverzögerung als die Unterstützung durch den elektrischen Puffer CAPA.
Wenn z.B. die benötigte Elektrizität in stufenartiger Funktion zunimmt, wie in 7A gezeigt, bis die Ausgabe von der Reformierungsvorrichtung 2 der benötigten Elektrizität folgt, wird bevorzugt die Unterstützung durch den elektrischen Puffer CAPA ausgeführt, der eine schnellere Reaktion bietet. Diese Unterstützung durch den elektrischen Puffer CAPA ermöglicht es, dass das Brennstoffzellensystem 1 die benötigte Elektrizität rasch zuführt. Jedoch behält der elektrische Puffer CAPA, der eine kleine Energiedichte hat, die Unterstützungsmenge nur während einer kurzen Zeit T1 bei. Während dieser Zeit beginnt das Wasserstoffgas, das allmählich aus dem Wasserstoffpuffer MHB entladen wird, der die Unterstützung gleichzeitig mit dem elektrischen Puffer CAPA begonnen hat, damit, Stück für Stück zur Zunahme der Elektrizität beizutragen, die von der Brennstoffzelle 4 erzeugt wird. Während eines Zeitraums T2 wird die ungenügende Elektrizität durch den Wasserstoffpuffer MHB unterstützt. Mittlerweile beginnt die Wasserstoffgasmenge von der Reformierungsvorrichtung 2, die eine Anweisung zur Erhöhung der zuzuführenden Wasserstoffmenge in Schritt S35 erhalten hat, damit, allmählich zuzunehmen, so dass die von der Brennstoffzelle 4 erzeugte Elektrizität zuzunehmen beginnt. Schließlich wird die zur Elektrizitätserzeugung erforderliche Wasserstoffgasmenge allein durch die Reformierungsvorrichtung geliefert (nicht gezeigt).
Wenn die Restmenge der in dem elektrischen Puffer CAPA gespeicherten elektrischen Engerie und die Wasserstoffgasmenge, die in den Wasserstoffspeicher MHB gefüllt ist, weniger als 30 % ihrer jeweiligen Mengen durch die Unterstützung in den Schritten S37 und S38 geworden sind (Ja in Schritt S39), wird die Ausgabe von der Reformierungsvorrichtung 2 erhöht (Schritt S40). Daher kehrt der Prozess durch die Steuervorrichtung 14 zu Schritt S10 in 3 zurück. Wenn andererseits die Restmengen immer noch mehr sind als die jeweiligen Kapazitäten nach der Unterstützung in Schritt S39 (Nein), geht der Prozess direkt zu Schritt S10 weiter.
In Schritt S10 bis Schritt S12 in 3, die sich an die 4 und 5 anschließen, wie in 8 gezeigt, wird ein Teil des nicht benutzten Wasserstoffgases, das in dem Anodenabgas enthalten ist, das von der Brennstoffzelle 4 abgegeben wird und als Brennstoff zum Verdampfen des Rohbrennstoffs in dem Brennstoffverdampfer 7 benutzt wird, durch den Wasserstoffpuffer MHB wiedergewonnen.
Insbesondere wird in Schritt S10 die Menge des Anodenabgases (Wasserstoffgases), die zum Erzeugen des Heizmediums benötigt wird, das den Rohbrennstoff in dem Brennstoffverdampfer verdampft, berechnet.
In Schritt S11 wird die Menge des nicht benutzten Wasserstoffgases berechnet, indem die Wasserstoffgasmenge, die zum Erzeugen des Heizmediums erforderlich ist, von der Wasserstoffgasmenge, die in dem Anodenabgas enthalten ist, subtrahiert wird. Um eine große Menge des Rohbrennstoffs zu verdampfen, ist eine entsprechend große Wärmemenge erforderlich. Daher muss das Wasserstoffgas in dem Anodenabgas einer katalytischen Verbrennung dem katalytischen Verbrenner 7a unterzogen werden. So nimmt die Menge des nicht benutzten Wasserstoffgases ab.
Wenn umgekehrt eine kleine Menge des Rohbrennstoffs erforderlich ist, ist eine kleine Wärmemenge erforderlich. Daher nimmt der Wasserstoff zur katalytischen Verbrennung ab. Im Ergebnis nimmt die Menge des nicht benutzten Wasserstoffgases, das in dem Wasserstoffpuffer MHB wiedergewonnen wird, zu.
Nachdem die Menge des nicht benutzten Wasserstoffgases berechnet worden ist, öffnet die Steuervorrichtung 14 das in 1 gezeigte Ventil V1, um das Anodenabgas entsprechend der Menge des nicht benutzten Wasserstoffgases in den Wasserstoffpuffer MHB einzuführen. Da ein Kondensator (nicht gezeigt) zwischen dem Ventil V1 und dem Wasserstoffpuffer MHB angeordnet ist, fließt das Anodenabgas, nach dem diesen Feuchtigkeit entfernt wurde, in den Wasserstoffpuffer MHB hinein, so dass das in dem Anodenabgas enthaltene Wasserstoffgas eingeschlossen wird (Schritt S12). Anzumerken ist, dass die Feuchtigkeit beseitigt wird, um eine Vergiftung der Wasserstoff einschließenden Legierung zu verhindern.
Nachdem der Wasserstoffpuffer MHB mit dem nicht benutzten Wasserstoff des Anodenabgases befüllt ist, geht dann der Prozess zu Schritt S13 weiter. Auf der Basis der Fahrzeuggeschwindigkeit und anderer erfasster Ergebnisse wird der Prozess insgesamt abgeschlossen, wenn die Steuervorrichtung 14 entscheidet, dass der Antrieb des Fahrzeugs abgeschlossen worden ist (Ja). Wenn andererseits die Steuervorrichtung 14 entscheidet, dass die Fahrt fortgesetzt wird (Nein), kehrt der Prozess zu Schritt S4 zurück, so dass der Prozess wiederholt wird.
Wenn die Restmenge jeweils des Wasserstoffpuffers MHB und des elektrischen Puffers CAPA aufgrund der Unterstützung der Ausgabe von der Reformierungsvorrichtung 2 reduziert wird, wird, wenn die Ausgabe von der Reformierungsvorrichtung 2 größer ist als die benötigte Elektrizität, in Schritt S8 (d.h. Schritte S21 bis S28) der Wasserstoffpuffer MHB mit dem Wasserstoffgas befüllt und wird der elektrische Puffer CAPA mit der elek trischen Energie befüllt, um für die nächste Zunahme der benötigten Elektrizität vorzusorgen.
Während, wie z.B. in 7B gezeigt, die Ausgabe von der Reformierungsvorrichtung 2 auf die benötigte Elektrizität sinkt, wird ein Teil der überschüssigen Elektrizität gespeichert, und das überschüssige Wasserstoffgas, das der restlichen überschüssigen Elektrizität entspricht, wird in den Wasserstoffpuffer MHB gefüllt.
Ferner, wenn die Zunahme/Abnahme in der benötigten Elektrizität unregelmäßig und kontinuierlich erfolgt, wie in 9 gezeigt, werden die Unterstützung und das Befüllen nach Bedarf wiederholt. Insbesondere wenn die Ausgabe von der Reformierungsvorrichtung 2, wie mit der unterbrochenen Linie angegeben, kleiner ist als die benötigte Ausgabe, wie mit der durchgehenden Linie angegeben (Zeitzone von P1), wird die Unterstützung durch den elektrischen Puffer CAPA und den Wasserstoffpuffer MHB verwendet. Umgekehrt, wenn die Ausgabe von der Reformierungsvorrichtung 2 größer ist als die benötigte Ausgabe (Zeitzone von P2), werden der elektrische Puffer CAPA und der Wasserstoffpuffer MHB mit der überschüssigen Elektrizität und dem überschüssigen Wasserstoffgas befüllt. Ferner, wenn eine kleine Differenz zwischen der Ausgabe von der Reformierungsvorrichtung 2 und der benötigten Ausgabe vorliegt, wird die Unterstützung allein durch den elektrischen Puffer CAPA (Zeitzone von P3) oder die Befüllung nur des elektrischen Puffers CAPA (Zeitzone von P4) nach Bedarf selektiv durchgeführt.
Das oben beschriebene Brennstoffzellensystem 1 kann eine hohe Reaktionsfähigkeit aufzeigen, um die benötigte Elektrizität zu erhöhen, indem die Unterstützung und Befüllung durch den Wasserstoffpuffer MHB und den elektrischen Puffer CAPA geeignet gesteuert/geregelt wird. Zusätzlich kann durch Steuern/Regeln der Unterstützungsmenge durch den Wasserstoffpuffer MHB und den elektrischen Puffer CAPA eine Änderung in der durch die Reformierungsvorrichtung 2 behandelten Menge minimiert werden. Andererseits kann auch dort, wo die durch die Reformierungsvorrichtung zu behandelnde Menge geändert wird, die benötigte Elektrizität ohne abrupte Änderung zugeführt werden, so dass die Belastung der Reformierungsvorrichtung 2 ausgeglichen werden kann.
Ferner gestattet die wirkungsvolle Nutzung der überschüssigen Elektrizität, dass die Brennstoffzelle 4 miniaturisiert wird, und die Verwendung des Wasserstoffpuffers MHB gestattet, dass der elektrische Puffer CAPA mit niedriger Energiedichte und der Brennstoffverdampfer 7 miniaturisiert werden. Somit kann das Brennstoffzellensystem 1 miniaturisiert werden. Ferner kann der Nutzungsgrad des Wasserstoffgases verbessert werden, indem bewirkt wird, dass der Wasserstoffpuffer MHB das nicht benutzte Wasserstoffgas einschließt, das im vom Brennstoffpuffer 4 abgegebenen Anodenabgas enthalten ist.
Im Übrigen sollte der Wasserstoffpuffer MHB nicht auf die Wasserstoff einschließende Legierung beschränkt sein, solange er Einschließen und Entladen kann. Der elektrische Puffer CAPA sollte nicht auf den elektrischen Doppelschichtkondensator beschränkt sein, solange er Elektrizität laden/entladen kann.
Gemäß der Erfindung, die in Anspruch 1 dieser Anmeldung beschrieben ist, kann die Energie wirkungsvoll genutzt werden, indem die ungenügende Elektrizität mit dem Wasserstoffpuffer und/oder dem elektrischen Puffer ergänzt wird oder die überschüssige Elektrizität oder das überschüssige Wasserstoffgas in den Wasserstoffpuffer oder elektrischen Puffer gefüllt wird. Daher können Gewicht und Größe des Systems reduziert werden. Der Brennstoffwirkungsgrad des Fahrzeugs kann genutzt werden.
Des Weiteren kann die Reaktion auf eine Änderung der benötigten Elektrizität verbessert werden, indem bevorzugt der elektrische Puffer mit schneller Reaktion verwendet wird. Daher wird der Fahrer nicht belastet.
Gemäß der in Anspruch 2 beschriebenen Erfindung kann die Elektrizität stabil zugeführt werden, indem die Unterstützung durch den elektrischen Puffer mit kleiner Energiedichte mit der Unterstützung durch den Wasserstoffpuffer mit langsamer Reaktion jedoch hoher Energiedichte kombiniert wird.
Gemäß der in Anspruch 3 beschriebenen Erfindung kann eine stabile Elektrizitätszufuhr beibehalten werden, indem eine Zunahme der benötigten Elektrizität während einer Übergangsperiode mit dem elektrischen Puffer oder dem Wasserstoffpuffer ergänzt wird, und danach die Menge des von der Reformierungsvorrichtung zugeführten Wasserstoffgases erhöht wird.
In einem Brennstoffzellensystem 1, in dem von einer Brennstoffzelle 4, die mit dem von einer Reformierungsreaktion erzeugten Wasserstoffgas versorgt wird, Elektrizität erzeugt wird und die Elektrizität einer externen Last 12 zugeführt wird, ist ein elektrischer Puffer CAPA zum Speichern überschüssiger Elektrizität oder zum Ergänzen ungenügender Elektrizität zwischen der Brennstoffzelle 4 und der externen Last 12 angeordnet, und ist ein Wasserstoffpuffer MHB zum Aufnehmen von überschüssigem Wasser stoffgas und Ergänzen des ungenügenden Wasserstoffgases zwischen einer Reformierungsvorrichtung 2 und einer Brennstoffzelle angeordnet. Wenn der Elektrizitätsverbrauch in der Last 12 abrupt zunimmt, wird die benötigte Elektrizität mit der Unterstützung des elektrischen Puffers CAPA und des Wasserstoffpuffers MHB zugeführt.

Claims

Betriebsverfahren eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Zuführen von Elektrizität, die durch eine elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle (4) durch Wasserstoffgas und Sauerstoffgas erzeugt wird, zu einer Last (12), wobei das Wasserstoffgas aus einer Reformierungsreaktion in einer Reformierungsvorrichtung (2) erhalten wird; (b) Laden oder Entladen von Elektrizität entsprechend einem Überschuss oder Mangel an Elektrizität, die von der Brennstoffzelle (4) zugeführt wird, und einer benötigten Elektrizität, die von der Last (12) verbraucht wird, in einen elektrischen Puffer (CAPA); und (c) Laden oder Entladen des Wasserstoffgases entsprechend einem Überschuss oder Mangel an einer benötigten Menge von Wasserstoffgas für die Brennstoffzelle (4) und einer Menge von Wasserstoffgas, die von der Reformierungsvorrichtung (2) zugeführt wird, in einen oder aus einem Wasserstoffpuffer (MHB), der eine Wasserstoff einschließende Legierung enthält; und gekennzeichnet durch die Schritte: (d) Erhöhen der Menge des Wasserstoffgases, die von dem Wasserstoffpuffer (MHB) der Brennstoffzelle (4) zugeführt wird, nachdem die Zufuhr von Elektrizität von dem elektrischen Puffer (CAPA) zu der Last (12) erhöht wurde, und wenn die benötigte Elektrizität zunimmt, um hierdurch eine von der Brennstoffzelle (4) erzeugte Elektrizität zu erhöhen und die benötigte Elektrizität bereitzustellen, und (e) Erhöhen der von der Reformierungsvorrichtung (2) zugeführten Wasserstoffgasmenge nach dem Erhöhen der von dem Wasserstoffpuffer (MHB) zugeführten Wasserstoffgasmenge, um hierdurch die von der Brennstoffzelle (4) erzeugte Elektrizität zu erhöhen und die benötigte Elektrizität bereitzustellen.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffgas von dem Wasserstoffpuffer (MHB) in Antwort auf eine in dem elektrischen Puffer (CAPA) gespeicherte Restmenge von elektrischer Energie entladen wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffgas von der Reformierungsvorrichtung (2) in Antwort auf eine in dem Wasserstoffpuffer (MHB) aufgenommene Restmenge des Wasserstoffgases entladen wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffpuffer (MHB) eine Mehrzahl von Tanks zum Aufnehmen oder Abgeben eines Teils des Wasserstoffgases sowie eine Temperatursteuereinheit (13) enthält, wobei die Temperatursteuereinheit (13) steuert oder regelt, um zumindest einen der Tanks in dem entladbaren Zustand zu halten.