DE10350318A1 - Gerät zur Brennstoffreformierung und Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Ein Gerät zur Reformierung von Brennstoff (12) hat einen vorgemischten Brennstofftank (20). In dem vorgemischten Brennstofftank (20) wird vorgemischter Brennstoff durch das Emulgieren von Benzin und Wasser ausgebildet, die miteinander in einem vorbestimmten Verhältnis unter Verwendung eines Emulgators vermischt werden. Der vorgemischte Brennstoff wird durch eine Düse (52) auf einen Verdampfungsabschnitt (22) gesprüht. Wärme kann zu dem Verdampfungsabschnitt (22) durch den Reformer (26), in dem eine Oxidationsreaktion voranschreitet, einen ersten Erwärmungsabschnitt (24) und über einen Wärmetauscher (28) zu dem Verdampfungsabschnitt (22) zugeführte Luft zugeführt werden. Der vorgemischte Brennstoff, der in den Verdampfungsabschnitt (22) gesprüht wird, wird sofort durch die auf diese Weise zugeführte Wärme verdampft und zu dem Reformer (26) zugeführt. Zusätzlich kann Luft, die in einem Befeuchtungsmodul befeuchtet wurde, zu dem Verdampfungsabschnitt (22) zugeführt werden.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Brennstoffreformierung, das unter Einsatz einer Reformierungsreaktion Wasserstoff erzeugt, und auf ein Brennstoffzellensystem, das das Gerät zur Brennstoffreformierung umfasst.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Wenn Wasserstoff durch eine Dampfreformierungsreaktion erzeugt wird, ist es notwendig, einen Reformierungskatalysator mit Kohlenwasserstoffbrennstoff als reformierten Brennstoff und Wasser im verdampften Zustand zuzuführen. Um die Reformierungsreaktion gleichmäßig vorantreiben zu können, ist es erforderlich, dass ein Verhältnis der Zufuhrmenge zwischen dem Kohlenwasserstoffbrennstoff und dem Wasser innerhalb eines vorbestimmten Bereichs angepasst ist. Wenn ein hydrophober, flüssiger Kohlenwasserstoffbrennstoff, wie zum Beispiel Benzin für die Reformierungsreaktion als reformierter Brennstoff zugeführt wird, war es teilweise schwierig, das Verhältnis der Zufuhrmenge zwischen dem Kohlenwasserstoffbrennstoff und dem Wasser so anzupassen, dass sie sich innerhalb des vorbestimmten Bereichs befindet. Da der hydrophobe, flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoff nicht einfach mit Wasser vermischt werden kann, sind ihre Verteilungen ungleichmäßig, selbst wenn vorbestimmte Mengen des hydrophoben, flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffs und das Wasser miteinander in der Rohrleitung vermischt werden. Dementsprechend sind die Konzentrationsverteilungen im Gas ungleichmäßig, wenn der hydrophobe, flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoff und das Wasser verdampft werden.
  • Eine Anordnung zum Verringern dieser Unannehmlichkeit, ist zum Beispiel in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002-12404 offenbart. Bei dieser Anordnung ist ein Mischabschnitt zwischen einem Brennstofftank und einem Verdampfer angeordnet, Brennstoff wird aus dem Brennstofftank zu dem Verdampfer zugeführt, und der Brennstoff und das Wasser werden vor der Verdampfung ausreichend durch den Mischabschnitt miteinander vermischt.
  • Jedoch verursacht das Bereitstellen des Mischabschnitts zusätzlich zu dem Brennstofftank und dem Verdampfer ein Problem, das eine Anordnung zum Zuführen des reformierten Brennstoffes zu einem Reformer komplizierter wird. Deswegen ist gewünscht, dass die Anordnung zum Zuführen des reformierten Brennstoffes weiter vereinfacht wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung wird gemacht, um das oben erwähnte Problem zu lösen. Entsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Technik zum Stabilisieren eines Verhältnisses der Zufuhrmenge zwischen reformiertem Brennstoff und Wasser bereitzustellen, die für eine Reformierungsreaktion bei einem vorbestimmten Wert zugeführt werden, wobei eine einfachere Anordnung verwendet wird.
  • Um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, hat ein Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung eine Gemischzustandstabilisierungseinrichtung zum Erhalten eines Zustands, bei dem der reformierte Brennstoff und das Wasser, die für die Reformierungsreaktion zugeführt werden, gleichmäßig vermischt sind; einen Speicherabschnitt für vorgemischten Brennstoff, der den reformierten Brennstoff und das Wasser als vorgemischten Brennstoff speichert, der im Wesentlichen durch das gleichmäßige Vermischen des reformierten Brennstoffes und des Wassers durch die Gemischzustandstabilisierungseinrichtung ausgebildet wird; einen Reformer, der einen Reformierungskatalysator zum Verbessern der Reformierungsreaktion hat; und einen Abschnitt zur Zufuhr von vorgemischtem Brennstoff, der den in dem Abschnitt zum Speichern des vorgemischten Brennstoffs gespeicherten vorgemischten Brennstoff zu dem Reformer zuführt.
  • Gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung werden der reformierte Brennstoff und das Wasser als vorgemischter Brennstoff gespeichert, wobei der Zustand, in dem der reformierte Brennstoff und das Wasser miteinander im Wesentlichen gleichmäßig gemischt werden, durch die Gemischzustandsstabilisierungseinrichtung erhalten wird. Der vorgemischte Brennstoff wird dann zu dem Reformer zugeführt, der den Reformierungskatalysator umfasst, um die Reformierungsreaktion zu verbessern.
  • Gemäß dem auf diese Weise angeordneten Gerät zur Brennstoffreformierung ist es möglich, den reformierten Brennstoff und das Wasser mit einem vorbestimmten Mischungsverhältnis zu verdampfen, ohne den reformierten Brennstoff und das Wasser vor der Verdampfung zu vermischen, da der reformierte Brennstoff und das Wasser in dem Zustand gespeichert werden, in dem sie miteinander im Wesentlichen gleichmäßig vermischt werden. Dementsprechend kann die Anordnung zum Verdampfen des reformierten Brennstoffs und des Wassers mit einem vorbestimmten Gemischverhältnis vereinfacht werden. Ebenfalls kann das Verhältnis zwischen dem reformierten Brennstoff und dem Wasser stabilisiert werden, die zu dem Reformer zuzuführen sind.
  • Bei dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann der reformierte Brennstoff ein hydrophober, flüssiger Kohlenwasserstoff sein. Durch das Verwenden des hydrophoben, flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffes, der nicht leicht mit Wasserstoff vermischt werden kann, als reformiertem Brennstoff, kann außerdem das Verhältnis zwischen dem reformierten Brennstoff und dem Wasser stabilisiert werden, die für die Reformierungsreaktion zuzuführen sind.
  • Bei dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann die Gemischzustandsstabilisierungseinrichtung mit einem Emulgator bereitgestellt sein, der mit dem vorgemischten Brennstoff vermischt wird, und der dafür sorgt, dass der reformierte Brennstoff und das Wasser eine stabile Emulsion bilden. Durch das Verwenden des Emulgators kann der Zustand, bei dem der reformierte Brennstoff und das Wasser gleichmäßig vermischt werden, leicht erhalten werden.
  • Bei dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann die Gemischzustandsstabilisierungseinrichtung einen Mischabschnitt zum physikalischen Erregen des reformierten Brennstoffs und des Wassers haben. Gemäß solch einer Anordnung ist es möglich, den Zustand zu erhalten, bei dem der reformierte Brennstoff und das Wasser miteinander gleichmäßig in dem vorgemischten Brennstoff vermischt sind, ohne einen Bestandteil zu verwenden, der nicht direkt auf die Reformierungsreaktion bezogen ist.
  • Bei dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann der Abschnitt zum Zuführen des vorgemischten Brennstoffes einen Verdampfungsabschnitt haben, der ein vorbestimmter, mit dem Reformer in Verbindung stehender Zwischenraum ist; einen Heizabschnitt, der den Verdampfungsabschnitt mit Wärme versorgt, um zu ermöglichen, dass der vorgemischte Brennstoff verdampft wird; und einen Sprühabschnitt, der den vorgemischten, in dem Abschnitt zum Speichern des vorgemischten Brennstoffs gespeicherten Brennstoff in den Verdampfungsabschnitt sprüht.
  • Gemäß solch einer Anordnung kann der vorgemischte Brennstoff, der durch das gleichmäßige, vorangehende Mischen des reformierten Brennstoffs und des Wassers ausgebildet wird, durch das Sprühen in den Verdampfungsabschnitt sofort verdampft werden. Entsprechend besteht keine Möglichkeit, dass das Gemischverhältnis zwischen einem reformierten Brennstoff und dem Wasser sich von dem vorbestimmten Verhältnis unterscheidet, sogar wenn die Verdampfung durchgeführt wird.
  • Bei dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann außerdem ein Abschnitt zum Zuführen eines unabhängigen Materials bereitgestellt sein, der den Reformer mit einem unabhängigen Material versorgt, das unabhängig von dem Abschnitt zur Zufuhr des vorgemischten Brennstoffs entweder reformierten Brennstoff oder Wasser enthält.
  • Gemäß solch einer Anordnung kann das Gemischverhältnis zwischen dem reformierten Brennstoff und dem Wasser, die zu dem Reformer zuzuführen sind, so angepasst werden, dass ein Wert unterschiedlich von dem Gemischverhältnis des vorgemischten Brennstoffes ist. Auf diese Weise ist es möglich, das Gemischverhältnis zwischen dem reformierten Brennstoff und dem Wasser in dem Reformer so zu steuern, dass der Wirkungsgrad der Reformierungsreaktion weiter verbessert wird. Bei dem Fall, bei dem das unabhängige Material den reformierten Brennstoff enthält, kann eine Temperatur des Reformierungskatalysators erhöht werden, indem die Menge und das Verhältnis des reformierten Brennstoffes erhöht wird, der zuzuführen ist, wenn das Gerät gestartet wird, die Temperatur des Reformers niedriger wird, oder ähnliches. Bei dem Fall, bei dem das unabhängige Material Wasser enthält, kann die Temperatur des Reformierungskatalysators verringert werden, indem weiteres Wasser zugesetzt wird, wenn die Temperatur des Reformers ansteigt oder ähnliches.
  • In diesem Fall kann das unabhängige Material Wasser enthalten, wobei das Wasser in einem System mit dem Gerät zur Brennstoffreformierung erzeugtes Wasser enthalten kann.
  • Auf diese Weise kann der Rauminhalt eines Wassertanks, der zusätzlich zu einem Tank für vorgemischten Brennstoff bereitgestellt ist, um das Wasser vorzubereiten, das zu dem Reformer zugeführt werden soll, verringert werden, oder der Wassertank selbst kann weggelassen werden. Da der Wassertank nicht bereitgestellt ist, und die erforderliche Menge des Wassers durch das Verwenden des in dem System erzeugten Wassers erhalten wird, gibt es keine Möglichkeit, dass das Wasser in dem Wassertank bei niedrigen Temperaturen friert und die Reformierungsreaktion behindert. Selbst wenn die Temperatur niedrig ist, kann die Reformierungsreaktion sofort durch das Zuführen des vorgemischten Brennstoffes zu dem Reformer gestartet werden.
  • Der Abschnitt zur Zufuhr des unabhängigen Materials kann außerdem einen Gaszufuhrabschnitt haben, der den Reformer mit sauerstoffenthaltendem Gas versorgt; und einen Befeuchtungsabschnitt, der das in dem System erzeugte Wasser in Dampfform zu dem sauerstoffenthaltenden Gas zufügt, das aus dem Gaszufuhrabschnitt zu dem Reformer zuzuführen ist.
  • Gemäß solch einer Anordnung wird zusätzlich zu dem vorgemischten Brennstoff das zu dem Reformer zuzuführende Wasser in Dampfform zu dem sauerstoffenthaltenden Gas zugeführt. Entsprechend ist es nicht notwendig, eine weitere Wärmeenergie zuzuführen, um das zu dem Reformer zuzuführende Wasser zu verdampfen, wobei der Energiewirkungsgrad verbessert werden kann. Darüber hinaus können der vorgemischte Brennstoff und das Wasser in Form von Gasen vermischt werden, da das außerdem beizufügende Wasser in Dampfform zu dem Reformer zugeführt wird. Dementsprechend ist es einfach, den vorgemischten Brennstoff und das Wasser in dem vorbestimmten Verhältnis zu vermischen.
  • Bei dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann der Abschnitt zum Speichern des vorgemischten Brennstoffes das Verhältnis der Molekülanzahl des Wassers in dem vorgemischten Brennstoff mit Bezug auf die Anzahl der Kohlenstoffatome in dem vorgemischten Brennstoff von zumindest 0,5 erzeugen. Auf diese Weise ist es möglich, das Auftreten von Unannehmlichkeiten wie zum Beispiel die Erzeugung von Ruß in dem Reformer zu unterdrücken, selbst wenn der vorgemischte Brennstoff ohne weiteres Hinzufügen von Wasser zu dem Reformer zugeführt wird.
  • Bei dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann der Abschnitt zum Speichern des vorgemischten Brennstoffes das Verhältnis der Anzahl der Wassermoleküle in dem vorgemischten Brennstoff mit Bezug auf die Anzahl der Kohlenstoffatome in dem reformierten Brennstoff von zumindest 1,0 erzeugen. Auf diese Weise ist es möglich, eine ausreichende Menge des reformierten Brennstoffes in dem vorgemischten Brennstoff zu erhalten, während der Wirkungsgrad der Reformierungsreaktion ausreichend sichergestellt ist.
  • Bei dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann der Abschnitt zum Zuführen des vorgemischten Brennstoffes einen Abschnitt zum Erhöhen der Temperatur des vorgemischten Brennstoffes haben, der eine Temperatur des in dem Abschnitt zum Speichern des vorgemischten Brennstoffes gespeicherten vorgemischten Brennstoffes unter Verwendung der Wärme des Gases erhöht, das Wasserstoff enthält, der durch die Reformierungsreaktion erzeugt wurde; und einen Verdampfungsabschnitt, der den vorgemischten Brennstoff verdampft, dessen Temperatur in dem Abschnitt zur Erhöhung der Temperatur des vorgemischten Brennstoffes erhöht wurde, bevor der vorgemischte Brennstoff zu dem Reformer zugeführt wird.
  • Bei dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann der Abschnitt zur Zufuhr des vorgemischten Brennstoffes außerdem einen Abschnitt zum Erhöhen der Temperatur des vorgemischten Brennstoffs haben, der die Temperatur des vorgemischten Brennstoffs erhöht, indem er die Wärme des Gases verwendet, das den Wasserstoff enthält, der durch die Reformierungsreaktion erzeugt wurde, bevor der vorgemischte Brennstoff in den Verdampfungsabschnitt gesprüht wird.
  • Gemäß den oben erwähnten Anordnungen wird es einfacher, den vorgemischten Brennstoff zu verdampfen, während das Gemischverhältnis zwischen dem reformierten Brennstoff und dem Wasser beibehalten wird, indem die Temperatur des vorgemischten Brennstoffs erhöht wird, der durch das Mischen des reformierten Brennstoffs und des Wassers ausgebildet wird, deren Siedepunkte zueinander vor der Verdampfung unterschiedlich sind. Entsprechend ist es möglich, das Verhältnis zwischen dem reformierten Brennstoff und dem Wasser, die zu dem Reformer zuzuführen sind, weiter zu stabilisieren.
  • Darüberhinaus kann der Energiewirkungsgrad verbessert werden, und das System kann verglichen mit einem Fall vereinfacht werden, bei dem außerdem eine Erwärmungseinrichtung bereitgestellt ist, um den vorgemischten Brennstoff zu erwärmen, da die Wärme des Gases, das den Wasserstoff enthält, der durch die Reformierungsreaktion erzeugt wurde, verwendet wird, wenn die Temperatur des vorgemischten Brennstoffs vor der Verdampfung erhöht wird.
  • Die Erfindung ist nicht auf die oben erwähnte Ausführungsform beschränkt, sondern die Erfindung kann in vielen anderen Ausführungsformen verwirklicht werden. Zum Beispiel kann die Erfindung in einem Brennstoffzellensystem verwirklicht werden, einem Verfahren zum Zuführen von reformiertem Brennstoff zu einem Reformer und ähnlichem.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorangehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlicher werden, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen, und worin:
  • 1 ein Diagramm ist, das schematisch eine Anordnung eines Brennstoffzellensystems 10 zeigt, das eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 2 ein Flussdiagramm ist, das eine Startzeitroutine zeigt; und
  • 3 ein Diagramm ist, das schematisch eine Anordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben
  • A. gesamte Anordnung des Gerätes
  • 1 ist ein Diagramm, und zeigt schematisch eine Anordnung eines Brennstoffsystems 10, das eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist. Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer ersten Ausführungsform ist an einem Fahrzeug angebracht, und wird als Stromzufuhr zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet. Das Brennstoffzellensystem 10 hat eine Brennstoffzelle 36 und ein Gerät zur Brennstoffreformierung 12 zum Erzeugen von Wasserstoff, der zu der Brennstoffzelle 36 zuzuführen ist. Das Gerät zur Brennstoffreformierung 12 hat einen Tank für vorgemischten Brennstoff 20, einen Verdampfungsabschnitt 22, einen ersten Erwärmungsabschnitt 24 (EHC 1), einen Reformer 26, einen Wärmetauscher 28, einen Shift-Reaktionsabschnitt 30 und einen Wasserstofftrennabschnitt 32.
  • Der Tank für vorgemischten Brennstoff 20 speichert vorgemischten Brennstoff, der durch das Mischen von Benzin und Wasser in einem vorbestimmten Verhältnis ausgebildet wird. In der Ausführungsform wird der vorbestimmte Brennstoff verwendet, der durch das solcherartige Vermischen von Benzin und Wasser ausgebildet wird, das ein Verhältnis der Anzahl der Wassermoleküle mit Bezug auf die Anzahl der Kohlenstoffatome in dem Benzin (im Folgenden wird das Verhältnis als S/C bezeichnet) 0,5 beträgt. In diesem Fall wird der vorgemischte Brennstoff durch das weitere Vermischen mit einem additiven Mittel, wie zum Beispiel einem Emulgator (das heißt einem oberflächenaktiven Mittel) in dem Benzin und dem Wasser emulgiert. Bei dem Fahrzeug, an dem das Brennstoffzellensystem 10 befestigt ist, wird das Nachtanken durchgeführt, indem der vorgemischte Brennstoff zu dem Tank für vorgemischten Brennstoff 20 zugeführt wird, der durch das Vermischen mit dem oberflächenaktiven Mittel emulgiert ist.
  • Der Wert S/C in dem vorgemischten Brennstoff ist so eingestellt, dass die Reformierungsreaktion ohne Hindernis voranschreiten kann (das heißt ohne Auftreten von Unannehmlichkeiten wie zum Beispiel der Erzeugung von Ruß), sogar wenn der vorgemischte Brennstoff ohne Änderungen zu dem Reformer 26 zugeführt wird, wie später beschrieben wird. Wenn Benzin als reformierter Brennstoff verwendet wird, ist es wünschenswert, dass der Wert S/C auf zumindest 0,5 eingestellt ist, wie in der Ausführungsform. Der zum Vermischen des Benzins mit dem Wasser verwendete Emulgator muss in der Lage sein, das Benzin und das Wasser stabil zu emulgieren. Zum Beispiel können ein Polyoxyethylenalkylenalkylether und ein Derivat davon, Polyoxyethylenlaurylether oder Ähnliches verwendet werden. Insbesondere ist es bevorzugt, einen Emulgator zu verwenden, dessen bestimmende Elemente nur Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff sind, da das Auftreten von Unannehmlichkeiten wie das Vergiften des Reformierungskatalysators verhindert werden kann. Wenn der Verursachungsgrad der Vergiftung des Reformierungskatalysators sich innerhalb eines erlaubbaren Bereichs befindet, darf ein Emulgator eingesetzt werden, der außerdem andere Elemente wie zum Beispiel Schwefel und Stickstoff enthält.
  • Der in dem Tank für vorgemischten Brennstoff 20 gespeicherte, vorgemischte Brennstoff wird durch eine Pumpe 50 zu einem vorbestimmten Durchtritt geliefert. Danach wird der Druck des vorbestimmten Brennstoffes in dem Durchtritt durch ein Regulierungsventil 51 auf einen vorbestimmten Wert angepasst, und der vorgemischte Brennstoff wird von einer an einem Endabschnitt des Durchtritts bereitgestellten Düse 52 in den Verdampfungsabschnitt 22 gesprüht. Die Düse 52 hat ein elektromagnetisches Ventil, wobei die Menge des in den Verdampfungsabschnitt 22 gesprühten, vorgemischten Brennstoffes durch die Öffnungszeit des elektromagnetischen Ventils gesteuert wird. Der Verdampfungsabschnitt 22 ist ein Zwischenraum, der durch den ersten Erwärmungsabschnitt 24, in dem Reformer 26 erzeugte Wärme und feuchte Luft hoher Temperatur, die durch den Wärmetauscher 28 durchgetreten ist, erwärmt wird. Wenn der vorgemischte Brennstoff in den Hochtemperaturverdampfungsabschnitt 22 gesprüht wird, wird er sofort wegen der von der feuchten Luft hoher Temperatur zugeführten Wärme verdampft und mit der feuchten Luft vermischt. Die feuchte Luft hoher Temperatur wird später genau beschrieben.
  • Der erste Erwärmungsabschnitt 24 ist ein Heizer und kann die Temperaturen des Verdampfungsabschnitts 22 und des Reformers 26 erhöhen.
  • Der Reformer 26 umfasst den Reformierungskatalysator und schreitet mit der Reformierungsreaktion voran, um so Wasserstoff zu erzeugen, wenn er mit dem verdampften, vorgemischten Brennstoff und der feuchten Luft versorgt wird. Der Reformer 26 schreitet mit einer teilweisen Oxidationsreaktion voran, wobei der Sauerstoff in der feuchten Luft verwendet wird, und führt die Dampfreformierungsreaktion unter Verwendung der durch die teilweise Oxidationsreaktion erzeugten Wärme durch. Der Reformer 26 hat einen Edelmetallkatalysator, der ein Edelmetall wie zum Beispiel Platin, Ruthenium, Rhodium, Palladium oder Iridium enthält, als Reformierungskatalysator zum Verbessern der oben erwähnten Reaktion. Der Reformer 26 hat einen Temperatursensor 54 zum Erfassen einer Innentemperatur (Trfm) des Reformers 26.
  • Die Temperatur des wasserstoffreichen, reformierten Gases, das durch die Reformierungsreaktion in dem Reformer 26 erzeugt wird, wird in dem Wärmetauscher 28 verringert. Dann wird das reformierte Gas zu dem Shift-Reaktionsabschnitt 30 zugeführt. Da eine Reaktionstemperatur der Shift-Reaktion, die in dem Shift-Reaktionsabschnitt 30 voranschreitet, niedriger ist als eine Reaktionstemperatur der Reformierungsreaktion in dem Reformer 26, wird die Temperatur des reformierten Gases unter Verwendung des Wärmetauschers 28 verringert.
  • Um das reformierte Gas von dem bei Temperaturen von ungefähr 600°C bis 1000°C betriebenen Reformer 26 zu dem bei Temperaturen von ungefähr 200°C bis 600°C betriebenen Verschiebungsabschnitt 30 zuzuführen, wird die Temperatur des reformierten Gases auf ungefähr 200°C bis 600°C verringert. In dem Wärmetauscher 28 wird die von einem Befeuchtungsmodul 38 zugeführte feuchte Luft eingesetzt, um Wärme mit dem reformierten Gas zu tauschen und die Temperatur des reformierten Gases zu verringern. Der Verschiebungsabschnitt 30 umfasst einen Verschiebungskatalysator, der die Shift-Reaktion zum Erzeugen von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Wasser und Kohlenmonoxid verbessert, und eine Kohlenmonoxidkonzentration in dem reformierten Gas durch das Voranschreiten der Shift-Reaktion verringert. Als Verschiebungskatalysator kann z.B. ein Kupferkatalysator (wie z.B. ein Cu/Zn-Katalysator) und ein Platin enthaltender Edelmetallkatalysator verwendet werden.
  • Aus dem reformierten Gas, dessen Kohlenmonoxidkonzentration in dem Verschiebungsabschnitt 30 verringert wird, wird Wasserstoff in dem Wasserstofftrennabschnitt 32 getrennt. Der Wasserstofftrennabschnitt 32 hat einen reformierten Gasabschnitt 32a und einen Extraktionsabschnitt 32b, die durch eine Wasserstoff-trennende Membran 31 getrennt sind. Die Wasserstoff-trennende Membran weist ein Merkmal auf, dass sie selektiv dafür sorgt, dass Wasserstoff durchdringt, und ist aus Palladium und einer Palladiumlegierung ausgebildet. Das reformierte Gas, dessen Kohlenmonoxidkonzentration in dem Verschiebungsabschnitt 30 verringert wurde, und das zu dem Wasserstofftrennabschnitt 32 zugeführt wird, wird in den reformierten Gasabschnitt 32a eingebracht. In dem reformierten Gasabschnitt 32a dringt der Wasserstoff in dem reformierten Gas durch die Wasserstofftrennmembran 31 auf die Seite des Extraktionsabschnitts 32b. Wie später beschrieben wird, wird von einer Kathodenseite der Brennstoffzelle 36 abgegebenes Abgas zu dem Extraktionsabschnitt 32b zugeführt. Durch das Zuführen von Gas, das keinen Wasserstoff enthält, wie z.B. Kathodenabgas, zu dem Extraktionsabschnitt 32b, ist es möglich, einen großen Unterschied in der Wasserstoffkonzentration zwischen der Seite des reformierten Gasabschnitts 32a und der Seite des Extraktionsabschnitts 32b zu jeder Zeit beizubehalten, was eine wirkungsvolle Extraktion des Wasserstoffes ermöglicht.
  • Normalerweise verbleibt in dem Kathodenabgas Sauerstoff. Deswegen reagiert der Sauerstoff in dem Kathodenabgas mit dem Wasserstoff, der durch die Wasserstofftrennmembran 31 durchgedrungen ist, wenn solches Kathodenabgas zu dem Extraktionsabschnitt 32b zugeführt wird. Es wirken nämlich das Palladium und ähnliches, die den Wasserstofftrennabschnitt 32 ausbilden, als Katalysator, wobei eine Verbrennungsreaktion in dem Wasserstofftrennabschnitt 32 auftritt. Durch das Verwenden des Kathodenabgases zum Extrahieren des Wasserstoffes, wird eine geringe Wasserstoffmenge verbraucht. Jedoch ist die wegen der Verbrennung verbrauchte Wasserstoffmenge (die Wasserstoffmenge, die durch Verbrennung verloren wird) normaler Weise ein kleiner Wert von ungefähr 1%. Zum Zweck der Wasserstoffextraktion kann eine Anordnung angenommen werden, bei der ein anderes Edelgas zu dem Extraktionsabschnitt 32b zugeführt wird. Inzwischen ist es durch die Verwendung des Kathodenabgases möglich, ein Ansteigen der Komplexität des Systems zu unterdrücken, während die durch Verbrennung verlorene Wasserstoffmenge innerhalb eines erlaubbaren Bereichs bleibt, wie oben erwähnt wurde.
  • Der von dem reformierten Gas in dem Wasserstofftrennabschnitt 32 extrahierte Wasserstoff wird mit dem Kathodenabgas vermischt, und Brennstoffgas, das tatsächlich kein Kohlenmonoxid enthält, wird auf eine Anodenseite der Brennstoffzelle 36 eingebracht und für die elektrochemische Reaktion zugeführt. Ein Wärmetauscher 34 ist in dem den Wasserstofftrennabschnitt 32 und die Brennstoffzelle 36 verbindenden Brennstoffdurchtritt bereitgestellt. Der Wärmetauscher 34 verringert die Temperatur des Brennstoffgases so, dass die Temperatur des Brennstoffgases nahe an die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 36 kommt, bevor das Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle 36 zugeführt wird.
  • In der Zwischenzeit wird Luft als Oxidationsgas bezogen auf eine Zellenreaktion auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 36 verwendet. Die als Oxidationsgas verwendete Luft wird durch einen Filter 67 in einen Oxidationsgaszufuhrdurchtritt 70 von der Außenseite genommen und wird durch ein in dem Oxidationsgaszufuhrdurchtritt 70 bereitgestelltes Gebläse 64 zu der Brennstoffzelle 36 zugeführt. Eine zu der Brennstoffzelle 36 zuzuführende Oxidationsgasmenge wird durch das Gebläse 64 angepasst.
  • Die Brennstoffzelle 36 ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle und wird durch das Aufstapeln einer Vielzahl von Einheitszellen ausgebildet, von denen jede eine bestimmende Einheit ist. Durch das Zuführen des Wasserstoff enthaltenden Brennstoffgases auf die Anodenseite jeder Einheitszelle und zuführen des Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases auf die Kathodenseite jeder Einheitszelle schreitet die elektrochemische Reaktion voran und eine elektromotorische Kraft wird erzeugt. Eine Gleichung, die die elektrochemische Reaktion zeigt, die in der Brennstoffzelle 36 voranschreitet ist wie folgt. H2 → 2H+ + 2e– (1) 2H+ + 2e– + (1/2)O2 → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
  • Die Gleichung (1) zeigt eine Reaktion auf der Anodenseite, die Gleichung (2) zeigt eine Reaktion auf der Kathodenseite und die Gleichung (3) zeigt eine in der gesamten Brennstoffzelle durchgeführte Reaktion. Die in der Brennstoffzelle 36 erzeugte elektrische Kraft wird zu einem Antriebsmotor 60 eines Fahrzeuges zugeführt, auf dem das Brennstoffzellensystem 10 befestigt ist.
  • Das auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle verbleibende Abgas wird nach der Zellenreaktion durch einen Kathodenabgasdurchtritt 72 zu dem Befeuchtungsmodul 38 zugeführt, und wird zum Befeuchten der zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zuzuführenden Luft verwendet. Wenn die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 36 voranschreitet, wird Wasser auf der Kathodenseite erzeugt, wie aus der Gleichung (2) ersichtlich ist. Da das Kathodenabgas viel Dampf enthält, wird die zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zuzuführende Luft unter Verwendung des Wassers befeuchtet.
  • Das Befeuchtungsmodul 38 hat einen Befeuchtungsabschnitt 38a und einen Kathodenabgasabschnitt 38b, die durch eine dampfdurchlässige Membran getrennt sind. Die dampfdurchlässige Membran 39 weist eine Wasserstoffdurchlässigkeit auf. Zum Beispiel kann eine Hohlfasermembran verwendet werden. Das in den Kathodenabgasdurchtritt 72 eingebrachte Kathodenabgas wird in den Kathodenabgasabschnitt 38b eingebracht. Die Luft, die in einem Luftdurchtritt 71 aufgenommen wird, der von dem Oxidationsgaszufuhrdurchtritt 70 abzweigt, wird in den Befeuchtungsabschnitt 38a durch ein Gebläse 62 eingebracht, das in dem Luftdurchtritt 71 bereitgestellt ist. Das Kathodenabgas enthält mehr Dampf als Luft. Deswegen dringt Dampf gemäß dem Unterschied im Dampfpartialdruck zwischen dem Kathodenabgas und der Luft durch die dampfdurchlässige Membran 39 von der Kathodenabgasseite auf die Luftseite.
  • Die befeuchtete Luft, zu der der Dampf in dem Befeuchtungsmodul 38 zugeführt wird, wird zu dem Wärmetauscher 28 zugeführt, wobei die Temperatur der feuchten Luft durch das Durchführen des Wärmetauschens mit dem reformierten Gas erhöht wird, und zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zugeführt und mit dem vorgemischten Brennstoff gemischt. Entsprechend wird der zu der Luft hinzugefügte Dampf in dem Befeuchtungsmodul 38 für die Dampfreformierungsreaktion und die Shift-Reaktion zusammen mit dem in dem vorgemischten Brennstoff enthaltenen Wasser verwendet. Die zu der Luft hinzugefügte Dampfmenge (im folgenden als "Befeuchtungsmenge" bezeichnet) in dem Befeuchtungsmodul wird ausgehend von der Dampfmenge in dem aus der Brennstoffzelle 36 abgegebenen Kathodenabgas, der Temperatur des Befeuchtungsmoduls 38, dem Druck der mit der dampfdurchlässigen Membran 39 fließenden Gase, die zwischen den Gasdurchtritten bereitgestellt ist, und ähnlichem entschieden. Bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der Ausführungsform wird die Befeuchtungsmenge in dem Befeuchtungsmodul 38 während des dauerhaften Betriebs der Brennstoffzelle 36 so eingestellt, dass der Wert S/C in dem Reformer 26 ungefähr 1,0 beträgt. Der Reformierungsreaktionswirkungsgrad in dem Reformer 26 kann außerdem durch das Erhöhen der zu dem vorgemischten Brennstoff hinzugefügten Dampfmenge erhöht werden, wobei die feuchte Luft verwendet wird. Es wird gesagt, dass bei dem Fall, bei dem Benzin als reformierter Brennstoff verwendet wird, und die Dampfreformierungsreaktion und die teilweise Oxidationsreaktion in Kombination durchgeführt werden, der Wirkungsgrad der Reformierungsreaktion am höchsten ist, wenn der S/C Wert in dem Reformer ungefähr 2,0 beträgt. Die zu dem Verdampfungsabschnitt 22 als feuchte Luft zuzuführende Luftmenge wird angepasst, wobei das Antriebsausmaß des Gebläses 63 so verwendet wird, dass das Verhältnis der Anzahl der Sauerstoffmoleküle mit Bezug auf die Anzahl der Kohlenstoffatome in dem Benzin (im folgenden als O/C bezeichnet) ungefähr 0,8 ist.
  • Ein Teil des Kathodenabgases, das nach der Befeuchtung der Luft in dem Befeuchtungsmodul 38 verbleibt, wird durch einen Kathodenabgasdurchtritt 73 in den Extraktionsabschnitt 32b des Wasserstoffbrennabschnitts 32 eingebracht und zum Extrahieren von Wasserstoff aus dem reformierten Gas verwendet, wie oben erwähnt wurde. Ein Flusssteuerventil 47 zum Anpassen des zu dem Extraktionsabschnitt 32b des Wasserstofftrennabschnitts 32 zuzuführenden Kathodenabgases ist in dem Kathodenabgasdurchtritt 73 bereitgestellt. In der Ausführungsform wird die Steuerung so durchgeführt, dass die in den Extraktionsabschnitt 32b des Wasserstofftrennabschnitts 32 eingebrachte Kathodenabgasmenge ungefähr 10% der gesamten Kathodenabgasmenge beträgt.
  • Das Gas, das nach der Extraktion des Wasserstoffs aus dem reformierten Gas in dem Wasserstofftrennabschnitt 32 (das Extraktionsabgas) verbleibt, wird durch einen Extraktionsabgasdurchtritt 75 von dem reformierten Gasabschnitt 32a zu einem Reinigungsabschnitt 40 zugeführt. Das Extraktionsabgas enthält den Wasserstoff, der nach der Extraktion des Wasserstoffs in dem Trennabschnitt 32 verbleibt, den Kohlenwasserstoff, der nach der Erzeugung des Wasserstoffs in dem Reformer 26 verbleibt, Kohlenmonoxid und ähnliches. Der Reinigungsabschnitt 40 ist eine Vorrichtung zum Oxidieren der oben erwähnten Bestandteile. Ein Drucksensor 33 zum Erfassen eines Innendrucks ist in dem reformierten Gasabschnitt 32a des Wasserstofftrennabschnitts 32 bereitgestellt, wobei ein Regulierungsventil 48 in dem Extraktionsabgasdurchtritt 75 bereitgestellt ist.
  • Der Reinigungsabschnitt 40 hat einen Adsorber 41, einen zweiten Erwärmungsabschnitt 42 (EHC2), einen Oxidationskatalysator 43 und einen Temperatursensor 45 zum Erfassen einer Temperatur des Oxidationskatalysators 43. Der Adsorber hat ein Merkmal, die oben erwähnten Bestandteile in dem Extraktionsabgas zu adsorbieren, wenn die Temperatur des Oxidationskatalysators 43 niedrig ist, z.B. während des Startens des Brennstoffzellensystems 10, und die Bestandteile zu desorbieren, wenn die Temperatur ansteigt. Als Adsorber 41 kann zum Beispiel ein zeolithischer Adsorber verwendet werden. Wenn die innere Temperatur des Reinigungsabschnitts 40 ausreichend hoch ist, werden die Bestandteile, die von dem Adsorber 41 desorbierte Bestandteile umfassen, in dem Oxidationskatalysator 43 oxidiert. Der zweite Erwärmungsabschnitt 42 ist ein Heizer und wird zum Erwärmen des Oxidationskatalysators 43 und des Adsorbers 41 verwendet.
  • Ein Kathodenabgaszweigdurchtritt 74, der von dem Kathodenabgasdurchtritt 73 abzweigt, ist mit dem Reinigungsabschnitt 40 verbunden. Das Kathodenabgas kann zu dem Reinigungsabschnitt 40 zugeführt werden. Bei dem Oxidationskatalysator 43 wird die Oxidationsreaktion unter Verwendung des in dem Kathodenabgas zurückbleibenden Sauerstoffs durchgeführt. Ein Fließsteuerventil 46 zum Anpassen der Kathodenabgasmenge, die zu dem Reinigungsabschnitt 40 zuzuführen ist, ist in dem Kathodenabgaszweigdurchtritt 74 bereitgestellt. Das durch die Oxidatonsreaktion in dem Oxidationskatalysator 43 erzeugte Abgas wird durch einen Oxidationsabgasdurchtritt 76 nach außen abgegeben. Um den für die Oxidationsreaktion in dem Reinigungsabschnitt 40 erforderlichen Sauerstoff zuzuführen, kann auch von der Außenseite genommene Luft anstelle des Kathodenabgases verwendet werden.
  • Ein Kühlmitteldurchtritt 78 ist außerdem in dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Der Kühlmitteldurchtritt 78 ist so bereitgestellt, dass er durch den Wärmetauscher 34, den Antriebsmotor 60, die in den Gebläsen 62, 64 bereitgestellten Motoren durchtritt und diese kühlt, wobei das darin fließende Kühlmittel verwendet wird. Außerdem ist der Kühlmitteldurchtritt 78 bereitgestellt, um durch einen Kühler 68 durchzutreten, wobei das Kühlmittel in dem Kühler 68 gekühlt wird. Eine Pumpe 66 ist in dem Kühlmitteldurchtritt 78 bereitgestellt. Durch das Antreiben der Pumpe 66 fließt das Kühlmittel in dem Kühlmitteldurchtritt 78, während es die Wärme mit den oben erwähnten Abschnitten austauscht. Das Brennstoffzellensystem hat außerdem einen Steuerabschnitt (nicht gezeigt). Der Steuerabschnitt ist als logischer Schaltkreis angeordnet, der hauptsächlich mit einem Mikrocomputer bereitgestellt ist, und hat eine CPU, ROM, RAM und einen Eingabe/Ausgabeanschluss, der verschiedene Signale eingibt/ausgibt. Der Steuerabschnitt erhält Informationen, die den Betriebszustand des Fahrzeuges betreffen, auf dem das Brennstoffzellensystem befestigt ist, wobei eine Lastanforderung Antriebssignale zu verschiedenen das Brennstoffzellensystem ausbildenden Abschnitten abgibt und einen Betriebszustand des gesamten Brennstoffzellensystems 10 steuert.
  • Das Fahrzeug, an dem das Brennstoffzellensystem befestigt ist, hat außerdem eine Nebenzelle (nicht gezeigt) als Stromquelle, die mit der Brennstoffzelle 36 nicht identisch ist. Die Nebenzelle funktioniert als eine Stromzufuhr zum Antreiben, die elektrischen Strom während des Starts des Fahrzeuges und des Brennstoffzellensystems zu dem Antriebsmotor 60 zuführt, bis das Aufwärmen des Brennstoffzellensystems vervollständigt ist. Bei dem Fahrzeug gemäß der Ausführungsform wird ein Wiederherstellvorgang durchgeführt, bei dem der Antriebsmotor 60 als Stromerzeuger funktioniert, wenn ein Bremspedal des Fahrzeugs niedergedrückt wird, und die Nebenzelle wird mit dem wegen des Wiederherstellvorgangs in dem Antriebsmotor 60 erzeugten, elektrischen Stroms geladen. Die Nebenzelle kann durch die Brennstoffzelle 36 geladen werden. Wenn die Lastanforderung in dem Antriebsmotor 60 während des dauerhaften Betriebs nach der Vollendung des Aufwärmens ansteigt, kann die Nebenzelle zusätzlich zu der Brennstoffzelle 36 elektrischen Strom zu dem Antriebsmotor 60 liefern.
  • B. Betrieb des Brennstoffzellensystems 10:
  • 2 ist ein Flussdiagramm und zeigt eine Startzeitroutine, die durch den Steuerabschnitt durchgeführt wird, wenn das Brennstoffzellensystem 10 gestartet wird. Wenn die Routine durchgeführt wird, wird das Erwärmen durch den ersten Erwärmungsabschnitt 24 und den zweiten Erwärmungsabschnitt 42 begonnen (Schritt S100, S110). Auf diese Weise beginnen die Temperaturen des Verdampfungsabschnitts 22, des Reformers 26, und des Oxidationskatalysators 43 sich zu erhöhen. Als nächstes wird ein Erfassungssignal von dem in dem Reformer 26 bereitgestellten Temperatursensor 50 erhalten und eine Innentemperatur Trfm und eine vorbestimmte erste Bezugstemperatur Trefl werden miteinander verglichen (Schritt S120). Die erste Bezugstemperatur Trefl wird eingestellt, um zu bestimmen, ob die Temperatur des Katalysators auf ein Niveau angestiegen ist, bei dem die Oxidationsreaktion (der Verbrennungsvorgang) unter Verwendung des vorgemischten Brennstoffes durchgeführt werden kann. In der Ausführungsform ist die Bezugstemperatur Trefl auf 350°C eingestellt. Wenn die Temperatur des Reformers 26 die erste Bezugstemperatur Trefl erreicht, wird die Innentemperatur des Verdampfungsabschnitts 22 auf eine Temperatur erhöht, bei der der vorgemischte, auf den Verdampfungsabschnitt 22 gesprühte Brennstoff sofort verdampft werden kann.
  • Der Reformer 26 wird durch den ersten Erwärmungsabschnitt 24 erwärmt. Wenn bestimmt wird, dass Trfm die erste Bezugstemperatur Trefl in Schritt S120 übersteigt, wird das Gebläse 62 angetrieben und die Luftzufuhr zu dem Verdampfungsabschnitt 22 gestartet (Schritt S130) und die Pumpe 50, das Regulierungsventil 51 und die Düsen 52 werden so angetrieben, dass die Zufuhr des vorgemischten Brennstoffes zu dem Verdampfungsabschnitt 22 begonnen wird (Schritt S140). Wenn die Luft und der vorgemischte Brennstoff zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zugeführt werden, wird die Oxidationsreaktion in dem Reformer 26 begonnen. Die Menge des zuzuführenden, vorgemischten Brennstoffes wird im voraus als die Zufuhrmenge während der Aufwärmstartzeit bestimmt. Die zuzuführende Luftmenge wird so eingestellt, dass das Verhältnis der zugeführten Luftmenge mit Bezug auf die zugeführte, vorgemischte Brennstoffmenge zum Starten der Oxidationsreaktion in dem Oxidationskatalysator geeignet ist (ein zum Zünden geeignetes Verhältnis). Während des Starts wird die Oxidationsreaktion des Benzins in dem vorgemischten Brennstoff aktiv durchgeführt und der Reformierungskatalysator wird durch Wärme aus dem ersten Erwärmungsabschnitt 24 und durch die Oxidationsreaktion erzeugte Wärme erwärmt. Da die Oxidationsreaktion in dem Reformer 26 begonnen wird und das Hochtemperaturgas zu dem Wärmetauscher 28 zugeführt wird, wird die zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zuzuführende Luft erwärmt, und außerdem wird Wärme durch die Luft zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zugeführt. Während der Aufwärmstartzeit wird die Stromerzeugung in der Brennstoffzelle 36 nicht begonnen und das Kathodenabgas wird nicht zu dem Befeuchtungsmodul 38 zugeführt. Entsprechend wird die zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zuzuführende Luft nicht befeuchtet.
  • Als nächstes wird abermals das Erfassungssignal von dem in dem Reformer 26 bereitgestellten Temperatursensor 54 erhalten und die Innentemperatur Trfm des Reformers 26 und eine vorbestimmte zweite Bezugstemperatur Tref2 werden miteinander verglichen (Schritt S150). Die zweite Bezugstemperatur Tref2 wird eingestellt, um zu bestimmen, ob die Temperatur des Reformierungskatalysators auf ein Niveau erhöht wurde, bei dem die Reformierungsreaktion durchgeführt werden kann. In der Ausführungsform wird die zweite Bezugstemperatur Tref2 auf 500°C eingestellt.
  • Wenn bestimmt wird, dass Trfm die zweite Bezugstemperatur Tref2 in Schritt S150 überschreitet, wird die Erwärmung durch den ersten Erwärmungsabschnitt 24 angehalten (Schritt 5160). Wenn die innere Temperatur Trfm des Reformers 26 die zweite Bezugstemperatur Tref2 erreicht und die Temperatur des Reformierungskatalysators ausreichend erhöht ist, kann die Temperatur des Reformierungskatalysators ausreichend durch die Oxidationsreaktion beibehalten werden, die in dem Reformer 26 voranschreitet, ohne dass ein Erwärmen durch den ersten Erwärmungsabschnitt 24 durchgeführt wird. Der vorgemischte, auf den Verdampferabschnitt 22 gesprühte Brennstoff kann wegen der von dem Reformierungskatalysator auf den Verdampfungsabschnitt 22 übertragenen Wärme und der durch den Wärmetauscher 28 zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zugeführten Luft ausreichend verdampft werden.
  • Das Gebläse 64 wird so angetrieben, dass die Oxidationsgaszufuhr zu der Brennstoffzelle 36 begonnen wird (Schritt S170), und die Steuerung entsprechend der Lastanforderung begonnen wird (Schritt S180). Wenn die Oxidationsgaszufuhr begonnen wird, wird das Kathodenabgas zu dem Extraktionsabschnitt 32b des Wasserstofftrennabschnitts 32 durch das Befeuchtungsmodul 38 zugeführt. Beim Zuführen des Kathodenabgases zu dem Extraktionsabschnitt 32b des Wasserstofftrennabschnitts 32 wird die Brennstoffgaszufuhr zu der Anodenseite der Brennstoffzelle 36 aktiver durchgeführt. Durch das Zuführen des Oxidationsgases zusammen mit dem Brennstoffgas schreitet die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 36 voran. Wenn die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 36 voranschreitet, erhöht sich die Menge des in dem Kathodenabgas enthaltenen Dampfes, wobei die zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zuzuführende Luft in dem Befeuchtungsmodul 38 befeuchtet wird. Wie oben erwähnt wurde, tritt in dem Extraktionsabschnitt 32b des Wasserstofftrennabschnitts 32 eine Verbrennungsreaktion des extrahierten Wasserstoffs unter Verwendung des Sauerstoffes in dem Kathodenabgas auf, wobei das die Wasserstofftrennmembran 31 ausbildende Edelmetall als Katalysator verwendet wird. Sofort nachdem die Oxidationsgaszufuhr zu der Brennstoffzelle 36 begonnen wurde, ist das Ausmaß der elektrochemischen Reaktion, die in der Brennstoffzelle 36 voranschreitet, klein, und die Menge des in dem Kathodenabgas verbleibenden Sauerstoffes ist besonders groß. Entsprechend tritt die Verbrennungsreaktion des Wasserstoffs aktiver auf der Wasserstofftrennmembran 31 auf. Auf diese Weise erhöht sich die Temperatur der Wasserstofftrennmembran 31, das Aufwärmen des Wasserstofftrennabschnitts 32 wird verbessert, und der Wasserstofftrennwirkungsgrad in dem Wasserstofftrennabschnitt 32 wird sofort verbessert.
  • Wenn die Steuerung entsprechend der Lastanforderung in Schritt S180 begonnen wird, wird die Steuerung so durchgeführt, dass der elektrische Strom entsprechend der Lastanforderung durch die Brennstoffzelle 36 gemäß dem Aufwärmzustand der Brennstoffzelle 36 soweit wie möglich erzeugt wird. Während eines Zeitraumes nach dem Start des Fahrzeuges bis vollständigen Aufwärmen der Brennstoffzelle 36, besteht eine Möglichkeit, dass eine verlangte Menge elektrischen Stroms von der Brennstoffzelle 36 nicht erhalten werden kann. Entsprechend wird, wie oben erwähnt wurde, elektrischer Strom von der Nebenzelle zu der Last des Antriebsmotors 60 oder ähnlichem zugeführt. Deswegen werden die Mengen des Brennstoffgases und des Oxidationsgases, die zu der Brennstoffzelle 36 zuzuführen sind, entsprechend der Lastanforderung gesteuert, so dass die verlangte Menge elektrischen Stroms von der Brennstoffzelle 36 soweit wie möglich geliefert werden kann, wenn die Oxidationsgaszufuhr in Schritt S170 begonnen wurde, und die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 36 durchgeführt wird. Insbesondere wird die Menge des vorgemischten Brennstoffes, der zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zuzuführen ist, durch das Ventil 52 so angepasst, dass Wasserstoff erzeugt werden kann, und die Wasserstoffmenge der Lastanforderung und dem Aufwärmzustand entspricht. Durch das Anpassen der Antriebsmenge des Gebläses 62, so dass die zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zuzuführende Luftmenge eine Menge ist, die der Menge des vorgemischten Brennstoffes entspricht, wird die für die Reformierungsreaktion erforderliche Wärme durch die teilweise Oxidationsreaktion erzeugt.
  • Als Nächstes wird das Erfassungssignal von dem Temperatursensor 45 erhalten, und die Temperatur Tbrn des Oxidationskatalysators 43 und eine vorbestimmte dritte Bezugstemperatur Tref3 werden miteinander verglichen (Schritt S190). Die dritte Bezugstemperatur Tref3 wird eingestellt, um zu bestimmen, ob die Temperatur des Oxidationskatalysators 43 auf ein Niveau erhöht wurde, bei dem die Oxidationsreaktion durchgeführt werden kann. In der Ausführungsform wird die dritte Bezugstemperatur Tref3 auf 350°C eingestellt.
  • Wenn bestimmt wird, dass Tbrn die dritte Bezugstemperatur Tref3 in Schritt S190 überschreitet, wird das Erwärmen durch den zweiten Erwärmungsabschnitt 42 angehalten, das Flusssteuerventil 46 wird geöffnet und die Kathodenabgaszufuhr zu dem Reinigungsabschnitt 40 wird begonnen (Schritt S200). Durch das Starten der Zufuhr des Sauerstoff enthaltenden Kathodenabgases, wobei die Temperatur des Oxidationskatalysators 43 ausreichend erhöht ist, wird die Oxidation jedes Bestandteils in dem Extraktionsabgas in dem Oxidationskatalysator 43 durchgeführt. Während die Innentemperatur des Reinigungsabschnitts 40, der den Oxidationskatalysator 43 umfasst, niedrig ist, wird jeder Bestandteil in dem Extraktionsabgas, das zu dem Reinigungsabschnitt 40 zuzuführen ist, durch den Adsorber 41 adsorbiert, wie oben erwähnt wurde. Wenn die Innentemperatur des Reinigungsabschnitts 40 auf ein Niveau erhöht wurde, bei dem Tbrn bestimmt ist Tref3 in Schritt S190 zu überschreiten, wird jeder Bestandteil von dem Adsorber 41 desorbiert und auf dem Oxidationskatalysator 43 oxidiert.
  • Dann wird das Erfassungssignal von dem Drucksensor 33 erhalten, ein Innendruck Prfg des reformierten Gasabschnittes 32a des Wasserstofftrennabschnitts 32 und ein vorbestimmter Bezugsdruck Pref werden miteinander verglichen, und das Regulierungsventil 48 wird so gesteuert, dass der Druck Prfg gleich dem Bezugsdruck Pref (Schritt S210) wird, wobei danach die Routine beendet wird. Der Bezugsdruck Pref wird so eingestellt, dass der Unterschied zwischen dem Innendruck des reformierten Gasabschnitts 32a und dem Innendruck des Extraktionsabschnitts 32b ausreichend groß ist, wobei der Wasserstoffextraktionswirkungsgrad in dem Wasserstofftrennabschnitt 32 ausreichend hoch ist. In der Ausführungsform wird der Bezugsdruck Pref auf 300 kPa eingestellt. Beim Durchführen der Routine endet das Aufwärmen des Brennstoffzellensystems 10.
  • C. Auswirkungen:
  • Gemäß dem auf diese Weise angeordneten Brennstoffzellensystem 10 in der Ausführungsform wird das Benzin, das der reformierte Brennstoff ist, als vorgemischter Brennstoff gespeichert, der durch das Vermischen von Benzin und Wasser in einem vorbestimmten Verhältnis ausgebildet wird. Entsprechend ist es möglich, das Benzin und das Wasser in dem vorbestimmten Gemischverhältnis zu verdampfen, wobei die Anordnung zum Verdampfen des Benzins und des Wassers in dem vorbestimmten Verhältnis vereinfacht werden kann. Ebenfalls kann das Verhältnis zwischen dem Benzin und dem Wasser, die zu dem Reformer 26 zuzuführen sind, stabilisiert werden. Da das Benzin und das Wasser ausreichend in dem vorbestimmten Verhältnis gemischt und dann verdampft werden, ist es möglich, zu verhindern, dass das Mischungsverhältnis zwischen dem Benzin und dem Wasser sich von dem vorbestimmten Verhältnis unterscheidet. Insbesondere in der Ausführungsform werden das Benzin und das Wasser durch die Verwendung eines zusätzlichen Mittels wie zum Beispiel einem oberflächenaktiven Mittel (dem Emulgator) emulgiert. Entsprechend ist es möglich, außerdem den Gemischzustand des reformierten Brennstoffes und des Wassers zu stabilisierten und zu erhalten, wobei die Wirkung der Stabilisierung des Gemisches bemerkenswert erhalten werden kann, sogar wenn der hydrophobe, flüssige Kohlenwasserstoff, zum Beispiel Benzin, als reformierter Brennstoff verwendet wird.
  • Da der vorgemischte Brennstoff, der unter Verwendung des Oberflächenmittel emulgiert wurde, in der Ausführungsform auf den Hochtemperaturverdampfungsabschnitt 22 gesprüht wird, kann der vorgemischte Brennstoff mit dem vorbestimmten Mischungsverhältnis sofort verdampft werden. Entsprechend gibt es keine Möglichkeit, dass der S/C-Wert wegen des Verdampfungsvorgangs ein unerwünschter Wert wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Auswirkung, das Gemischverhältnis zwischen dem Benzin und dem Wasser (das S/C-Verhältnis in dem Reformer 26), die zu dem Reformer 26 zuzuführen sind, weiter zu verbessern.
  • Wenn die Luft weiter zu dem Reformer 26 zugeführt wird, werden zusätzlich der vorgemischte Brennstoff und die Luft miteinander in dem Verdampfungsabschnitt 22 vermischt, wobei beide in Dampfform vorliegen. Entsprechend kann das erforderliche Gemischverhältnis einfach erhalten werden. Da der erste Erwärmungsabschnitt 24 zum Erwärmen des Verdampfungsabschnitts 22 und der Reformer 26 bereitgestellt sind, kann außerdem während des Startens des Brennstoffzellensystems 10 durch das Sprühen des vorgemischten Brennstoffs auf dem Verdampfungsabschnitt 22, dessen Temperatur erhöht wurde, und durch das Zuführen des vorgemischten Brennstoffes zu dem Reformer 26, die Oxidationsreaktion und die Reformierungsreaktion sofort gestartet werden. Deswegen kann die Zeit bis zum Beginn der Reaktion während des Startens stark verringert werden, verglichen mit einem Fall, bei dem der flüssige, reformierte Brennstoff und das Wasser unter Verwendung einer vorbestimmten Wärmequelle verdampft werden.
  • In der Ausführungsform ist das Mischungsverhältnis in dem vorgemischten Brennstoff auf 0,5 eingestellt. Deswegen ist es möglich, tatsächlich zu verhindern, dass in dem Reformer 26 Ruß erzeugt wird, sogar wenn der vorgemischte Brennstoff ohne das Zusetzen von Dampf zu dem Reformer 26 zugeführt wird. Entsprechend besteht keine Möglichkeit, dass die Aktivität der Reformierungsreaktion verringert wird und der Reformierungskatalysator wegen des Anhaftens von Ruß auf den Reformierungskatalysator verschlechtert wird. Auf diese Weise kann die Lebensdauer des Gerätes zur Brennstoffreformierung 12 verbessert werden. Ebenfalls ist es möglich, den Wirkungsgrad der Oxidationsreaktion zu verbessern, die in dem Reformer 26 während des Startens voranschreitet, um so den Wirkungsgrad während des Aufwärmens zu verbessern, indem der S/C-Wert in dem vorgemischten Brennstoff in dem Bereich gehalten wird, in dem ein Hindern der Reformierungsreaktion nicht auftritt, und durch das Unterdrücken des Wertes so tief wie möglich in dem Bereich.
  • Außerdem ist es in dieser Ausführungsform möglich, das Wasser unabhängig von dem vorgemischten Brennstoff zu dem Reformer 26 zuzuführen. Entsprechend ist es möglich, durch das weitere Zuführen von Wasser zu dem vorgemischten Brennstoff den S/C-Wert während der Reformierungsreaktion näher an den optimalen Wert zu bringen, um so den Reformierungswirkungsgrad zu verbessern. In diesem Fall wird das Befeuchtungsmodul 38 verwendet, um das Wasser außerdem zu dem vorgemischten Brennstoff zuzuführen. Deswegen ist es möglich, das Wasser in der Form von Dampf zuzuführen, und es nicht notwendig eine spezielle Anordnung zum Verdampfen des Wassers bereitzustellen, das außerdem zu dem vorgemischten Brennstoff zugeführt wird. Ebenfalls ist es nicht notwendig eine weitere Wärmeenergie zum Verdampfen des Wassers zu verbrauchen.
  • Wie oben erwähnt wurde, ist es möglich, die Reformierungsreaktion in einem guten Zustand jederzeit zu erhalten, selbst wenn die Last schwankt, indem der vorgemischte Brennstoff gespeichert wird, indem S/C so eingestellt ist, dass die Reformierungsreaktion ohne Hindernis voranschreitet, sogar wenn Wasser nicht weiter zugeführt wird, und durch das Voranschreiten der Reformierungsreaktion während der Dampf wie notwendig ergänzt wird. Wenn zum Beispiel sogar die Lastanforderung plötzlich ansteigt und die dem Anstieg entsprechende Dampfmenge nicht plötzlich hinzugefügt werden kann, da die vorbestimmte Wassermenge als vorbestimmter Brennstoff erhalten wurde, gibt es keine Möglichkeit, dass wegen eines Wassermangels eine Unannehmlichkeit in der Reformierungsreaktion auftritt.
  • Insbesondere wird in der Ausführungsform außerdem das durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 36 erzeugte Wasser als das zu dem vorgemischten Brennstoff hinzugefügte Wasser verwendet. Deswegen ist es nicht notwendig, einen Wassertank bereitzustellen, um das Wasser vorzubereiten, das außerdem dem vorgemischten Brennstoff hinzugefügt werden soll. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellensystem auf einem beweglichen Körper befestigt ist, bei dem ein Raum zum Befestigen des Brennstoffs und ähnlichem beschränkt ist, wie zum Beispiel einem Fahrzeug gemäß der Ausführungsform. Da der Wassertank nicht erforderlich ist, ist es möglich, einen größeren vorgemischten Brennstofftank bereitzustellen, und einen Reiseweg des beweglichen Körpers wie zum Beispiel eines Fahrzeuges zu erhöhen. Wenn die Wassermenge, die außerdem zu dem vorgemischten Brennstoff hinzuzufügen ist, nicht nur durch das durch die elektrochemische Reaktion erzeugte Wasser erhalten werden kann, kann ein Wassertank zum Speichern des Wassers im voraus bereitgestellt werden. In diesem Fall kann durch das Verwenden des erzeugten Wassers eine Auswirkung erhalten werden, dass die Größe des Wassertanks verringert wird.
  • Zusätzlich gibt es in der Ausführungsform keine Möglichkeit, dass das Wasser in dem Wassertank gefriert, wenn die Temperatur niedrig ist, da der Wassertank nicht bereitgestellt ist. Wenn das für die Reformierungsreaktion zuzuführende Wasser in dem Wassertank gespeichert wird, kann die Dampfreformierungsreaktion nicht durchgeführt werden, wenn das Wasser in dem Wassertank gefroren ist, bis das Wasser aufgetaut ist. In dieser Ausführungsform kann die Reformierungsreaktion sofort unter Verwendung des vorgemischten Brennstoffes gestartet werden, der einen Gefrierpunkt aufweist, der viel niedriger ist als der von Wasser. Wie oben erwähnt wurde, kann der Wassertank bereitgestellt werden, während das Wasser durch die elektrochemische Reaktion verwendet wird. In diesem Fall kann die Reformierungsreaktion sofort gestartet werden, da der vorgemischte Brennstoff vorbereitet wurde, sogar wenn das Wasser in dem Wassertank gefroren ist.
  • D. Zweite Ausführungsform:
  • 3 ist ein Diagramm, und zeigt schematisch eine Anordnung eines Brennstoffzellensystem 110 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Da das Brennstoffzellensystem 110 gemäß der zweiten Ausführungsform eine Anordnung aufweist, die ähnlich ist zu dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform, werden dieselben Bezugszeichen für die gemeinsamen Bauteile zugewiesen und deren ausführliche Beschreibung wird ausgelassen. In dem Brennstoffzellensystem 110 gemäß der zweiten Ausführungsform wird die selbe Steuerung ausgeführt wie in dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Im folgenden werden nur die Anordnungen des Brennstoffzellensystems 110 gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben, die sich von denen des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der ersten Ausführungsform unterscheiden.
  • In dem Brennstoffzellensystem 110 tritt der in dem vorgemischten Brennstofftank 20 gespeicherte, vorgemischte Brennstoff durch einen Wärmetauscher 134 und wird dann von der Düse 52 in den Verdampfungsabschnitt 22 gesprüht. Der Wärmetauscher 134 ist so angeordnet, dass das Brennstoffgas, das aus dem Wasserstoffbrennabschnitt 32 abgegeben wird und zu der Brennstoffzelle 36 zuzuführen ist, dort durchtritt, wie in dem Fall des Wärmetauschers 34 gemäß der ersten Ausführungsform. Bei dem Wärmetauscher 134 wird Wärme zwischen dem vorgemischten Brennstoff und dem Brennstoffgas ausgetauscht. Entsprechend wird die Temperatur des vorgemischten Brennstoffes erhöht, bevor der vorgemischte Brennstoff von der Düse 52 gesprüht wird, und die Temperatur des Brennstoffgases wird verringert, bevor das Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle 36 zugeführt wird, da der vorgemischte Brennstoff durch den Wärmetauscher 134 durchtritt.
  • Gemäß dem auf diese Weise angeordneten Brennstoffzellensystem 110 in der zweiten Ausführungsform kann durch das Erhöhen der Temperatur des vorgemischten Brennstoffes in dem Wärmetauscher 134 der vorgemischte Brennstoff leichter verdampft werden und die Anordnung zum Verdampfen des vorgemischten Brennstoffes kann außerdem vereinfacht werden. Da der vorgemischte Brennstoff leichter zu verdampfen ist, kann das Verhältnis zwischen dem Benzin und dem Wasser, das zu dem Reformer 26 zuzuführen ist, weiter stabilisiert werden.
  • Ebenfalls ist es durch das Erhöhen der Temperatur des vorgemischten Brennstoffes, das auf den Verdampfungsabschnitt 22 gesprüht wird, möglich, das Ausmaß der Oxidationsreaktion zu verringern, die in dem Reformer 22 voranschreitet, um den Verdampfungsabschnitt 22 zu erwärmen. Es ist nämlich möglich, die Luftmenge zu verringern, die in dem Verdampfungsabschnitt einzubringen ist, und außerdem den Wert O/C in dem Reformer 26 zu verringern. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Wasserstofferzeugung in dem Reformer 26 verbessert werden.
  • Da der vorgemischte Brennstoff durch den Wärmeaustausch mit dem aus dem Wasserstofftrennabschnitt 32 abgegebenen Brennstoffgas erwärmt wird, kann in der Ausführungsform das gesamte Gerät zusätzlich kompakt gemacht werden, verglichen mit einem Fall, bei dem eine Wärmevorrichtung wie zum Beispiel eine Brennkammer zum Erwärmen des vorgemischten Brennstoffs bereitgestellt ist. Insbesondere wird in der Ausführungsform als Brennstoffzelle 36 eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur, die niedriger ist als die des Wasserstoffbrennabschnitts 32, verwendet. Entsprechend ist es möglich, den Vorgang zum Erwärmen des vorgemischten Brennstoffes und den Vorgang zum Verringern der Temperatur des Brennstoffgases, das zu der Brennstoffzelle 36 zuzuführen ist, auf eine der Brennstoffzelle 36 entsprechende Temperatur gleichzeitig durchzuführen, indem der vorgemischte Brennstoff unter Verwendung des Brennstoffgases erwärmt wird, das von dem Wasserstofftrennabschnitt 32 abgegeben wird. Wenn das Gas, das in dem Brennstoffzellensystem 110 erzeugt wird und dessen Temperatur verringert werden muss verwendet wird, um den vorgemischten Brennstoff zu erwärmen, gibt es keine Möglichkeit, dass der Systemwirkungsgrad durch das Erwärmen des vorgemischten Brennstoffes verringert wird.
  • In der Ausführungsform wird die Temperatur des vorgemischten Brennstoffes unter Verwendung des von dem Wasserstofftrennabschnitt 32 abgegebenen Brennstoffgases erhöht. Jedoch kann eine andere Anordnung eingesetzt werden. Wenn zum Beispiel die Wasserstoffextraktion in der Wasserstofftrennmembran 31 bei einer Temperatur durchgeführt werden kann, die ausreichend niedriger ist als die Betriebstemperatur des Verschiebungsabschnitts 30, kann der Wärmetausch zwischen dem reformierten Gas, das von dem Verschiebungsabschnitt 30 abgegeben wird, und dem vorgemischten Brennstoff vor der Wasserstoffextraktion in der Wasserstofftrennmembran 31 durchgeführt werden. Ebenfalls kann der Wärmetausch zwischen dem Extraktionsabgas, das nach der Wasserstoffextraktion verbleibt, und dem vorgemischten Brennstoff durchgeführt werden.
  • Gas, das den Wasserstoff enthält, und nicht dem zu dem Wasserstofftrennabschnitt 32 zugeführten Gas entspricht, das den Wasserstoff enthält, kann als Wärmequelle zum Erhöhen der Temperatur des vorgemischten Brennstoffs verwendet werden. Zum Beispiel kann in dem Wärmetauscher 28 ein vorgemischter Brennstoffdurchtritt anstelle des Durchtritts für die feuchte Luft oder zusätzlich zu dem Durchtritt für die feuchte Luft bereitgestellt sein. Auf: diese Weise kann die Temperatur des vorgemischten Brennstoffes erhöht werden, wobei die Wärme des von dem Reformer 26 abgegebenen reformierten Gases verwendet wird. Durch das Erhöhen der Temperatur des vorgemischten Brennstoffes unter Verwendung der Wärme des Gases, das den durch die Reformierungsreaktion erzeugten Wasserstoff enthält, kann ein Verringern des Wirkungsgrades des Brennstoffzellensystems 110 unterdrückt werden.
  • E. Abgewandelte Beispiele:
  • Die Erfindung ist nicht auf die oben erwähnten Ausführungsformen beschränkt, sondern die Erfindung kann in verschiedenen anderen Ausführungsformen innerhalb des Bereiches der Erfindung realisiert werden. Zum Beispiel können die folgenden Ausführungsformen realisiert werden.
  • E1. Abgewandeltes Beispiel 1:
  • Eine Anordnung des Brennstoffzellensystems mit dem Gerät zur Brennstoffreformierung 12 gemäß der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform kann sich von den oben erwähnten Ausführungsformen unterscheiden: Zum Beispiel kann das in dem Reformer 26 erzeugte, reformierte Gas ohne Änderung zu dem Wasserstofftrennabschnitt 32 zugeführt werden, ohne dass der Verschiebungsabschnitt 30 bereitgestellt ist. Alternativ kann ein CO selektiv oxidierender Abschnitt mit einem CO selektiv oxidierenden Katalysator zum selektiven Oxidieren von CO zwischen dem Verschiebungsabschnitt 30 und dem Wasserstofftrennabschnitt 32 so bereitgestellt sein, dass das reformierte Gas, dessen CO-Konzentration weiter verringert ist, zu dem Wasserstofftrennabschnitt 32 zugeführt wird.
  • In der ersten Ausführungsform kann das reformierte Gas, dessen Kohlenmonoxidkonzentration in dem Verschiebungsabschnitt und dem Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt verringert wurde, ohne Änderungen zu der Brennstoffzelle 36 zugeführt werden, ohne dass der Wasserstofftrennabschnitt 32 bereitgestellt ist.
  • In der ersten Ausführungsform und in der zweiten Ausführungsform ist die Anordnung zum Zuführen des Dampfes, der für die Shift-Reaktion zuzuführen, ist vereinfacht, indem der für die Shift-Reaktion notwendige Dampf und der für die Reformierungsreaktion durch den Verdampfungsabschnitt 22 notwendige Dampf zugeführt wird. Jedoch kann eine verschiedene Anordnung angenommen werden. Es kann nämlich der für die Shift-Reaktion zugeführte Dampf auf einer stromabwärtigen Seite mit Bezug auf den Reformer hinzugefügt werden.
  • E2. Abgewandeltes Beispiel 2:
  • In der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform beträgt das Mischungsverhältnis zwischen dem Benzin und dem Wasser in dem vorgemischten Brennstofftank 20 gespeicherten vorgemischten Brennstoff 0,5. Jedoch kann das Mischungsverhältnis unterschiedlich von 0,5 sein. Wenn das Aufwärmen jedoch durch das Oxidieren des vorgemischten Brennstoffes während des Startens durchgeführt wird, wird die Wirkung des Aufwärmens verringert, wenn die in dem vorgemischten Brennstoff gemischte Wassermenge erhöht wird. Ebenfalls kann die Menge des reformierten Brennstoffes, der auf dem Fahrzeug angebracht werden kann, verringert werden, wenn die Wassermenge in dem vorgemischten Brennstoff erhöht wird. Entsprechend wird die Reichweite des Fahrzeugs verringert. Deswegen ist bevorzugt, dass S/C sich zumindest bei 1,0 in dem vorgemischten Brennstoff befindet.
  • E3. Abgewandeltes Beispiel 3:
  • In der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform werden die Dampfreformierungsreaktion und die teilweise Oxidationsreaktion in dem Reformer 26 durchgeführt. Jedoch kann nur die Dampfreformierungsreaktion durchgeführt werden. In diesem Fall muss eine Wärmequelle zum Zuführen der notwendigen Wärme für die Dampfreformierungsreaktion bereitgestellt werden. Zum Beispiel ist es möglich, den in dem Anodenabgas verbleibenden Wasserstoff zu verbrennen und die durch die Verbrennungsreaktion erzeugte Wärme zu verwenden. Wenn nur die Dampfreformierungsreaktion durchgeführt wird, ist es nicht notwendig, das Sauerstoff enthaltende Gas als Kathodenabgas zu dem Reformer zuzuführen. Entsprechend muss in solch einem Fall eine vorbestimmte Wassermenge unter Verwendung einer Düse auf den Verdampfungsabschnitt 22 gesprüht werden, wie in dem Fall des vorgemischten Brennstoffs, um so sofort verdampft zu werden, und muss außerdem mit dem vorgemischten Brennstoff vermischt werden.
  • E4. Abgewandeltes Beispiel 4:
  • In der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform wird Benzin als der reformierte, in dem vorgemischten Brennstoff gemischte Brennstoff verwendet. Jedoch kann unterschiedlich reformierter Brennstoff verwendet werden. Durch das Speichern des vorgemischten Brennstoffes der durch das Mischen des reformierten Brennstoffes und Wassers in einem Verhältnis innerhalb eines vorbestimmten Bereiches ausgebildet wird, können die gleichen Auswirkungen erhalten werden. Insbesondere wenn ein hydrophober, flüssiger Kohlenwasserstoff als reformierter Brennstoff verwendet wird, wie in dem Fall von Benzin, kann die Auswirkung der Stabilisierung des Mischungsverhältnisses zwischen dem reformierten Brennstoff und dem Wasser bemerkenswert erhalten werden. Der Wert S/C in dem vorgemischten Brennstoff muss abhängig von dem reformierten, zu verwendenden Brennstoff, ausgehend von der minimal erforderlichen Menge zum Voranschreiten der Reformierungsreaktion, ohne den Wirkungsgrad während des Startens zu behindern, eingestellt werden.
  • E5. Abgewandeltes Beispiel 5:
  • In der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform kann Brennstoff zusätzlich zu dem vorgemischten Brennstoff zu dem Reformer 26 zugeführt werden. Jedoch kann der reformierte Brennstoff, der kein Wasser enthält, unabhängig von dem vorgemischten Brennstoff zugeführt werden. Gemäß solch einer Anordnung ist es möglich, das Verhältnis des zu dem Reformer zuzuführenden, reformierten Brennstoffes zu erhöhen und die Temperatur des Katalysators während des Startens oder wenn die Temperatur verringert ist schneller zu erhöhen.
  • Durch das Bereitstellen eines unabhängigen Materialzufuhrabschnittes zum Versorgen des Reformers mit dem unabhängigen Material, das nur entweder reformierten Brennstoff oder Wasser unabhängig von dem vorgemischten Brennstoff enthält, ist es möglich, den reformierten Brennstoff und das Wasser in einem Verhältnis zu dem Reformer zuzuführen, das unterschiedlich von dem des vorgemischten, in dem vorgemischten Brennstofftank gespeicherten Brennstoffes ist. Insbesondere in dem Fall, bei dem Wasser (Dampf) unabhängig zugeführt werden kann, wenn die Temperatur des Reformierungskatalysators auf ein nicht wünschenswertes Niveau erhöht wurde, ist es möglich, die Wasserzufuhrmenge zu erhöhen und die Temperatur des Katalysators zu verringern. Wenn der reformierte Brennstoff unabhängig zugeführt werden kann, ist es möglich die Temperatur des Katalysators durch das Durchführen der Oxidationsreaktion der größeren Menge reformierten Brennstoffes zu erhöhen. Auf diese Weise ist es durch das Steuern der Menge des unabhängigen, zuzuführenden Materials möglich, die Temperatur des Katalysators zu steuern.
  • E6. Abgewandeltes Beispiel 6:
  • In der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform ist die zu dem Reformer 26 zuzuführende Luft (die Luft für die teilweise Oxidationsreaktion) unter Verwendung des Dampfes in dem Kathodenabgas befeuchtet. Jedoch kann die Befeuchtung unter Verwendung eines anderen Dampfes in dem gleichen Befeuchtungsmodul durchgeführt werden. Zum Beispiel kann der Dampf in dem Anodenabgas verwendet werden.
  • Alternativ kann außerdem ein Verbrennungsabschnitt zum Verbrennen des Wasserstoffes, der in dem Anodenabgas verbleibt, bereitgestellt sein, wobei der wegen der Verbrennungsreaktion in dem Verbrennungsabschnitt erzeugte Dampf verwendet werden kann. Ebenfalls kann der Dampf, der durch das Verbrennen des nicht reagierten, reformierten Brennstoffes und CO, das in dem Extraktionsabgas verbleibt, das von dem Wasserstofftrennabschnitt 32 abgegeben wird, verwendet werden. Zusätzlich kann die Befeuchtung durch die Kombination von zwei oder mehr Dampfarten durchgeführt werden, die von den oben erwähnten Abschnitten abgegeben werden. In diesem Fall kann die Wirkung der Befeuchtung sichergestellt werden, wenn die Befeuchtungsmodule mit dem Luftdurchtritt in einer Reihenfolge von dem Befeuchtungsmodul, das das Gas verwendet, das die kleinste Dampfmenge verwendet, zu dem Befeuchtungsmodul, das das Gas enthält, das die größte Dampfmenge enthält verbunden sind. Ebenfalls kann der Dampf verwendet werden, der in einem anderen Abschnitt des Geräts inklusive dem Brennstoffzellensystem erzeugt wurde.
  • In jedem der oben erwähnten Fälle ist die Vorrichtung zum Verdampfen des Wassers durch Erhitzen nicht erforderlich und die Anordnung des Systems kann vereinfacht werden, da das Wasser, das für die Reformierungsreaktion zuzuführen ist, durch das Befeuchtungsmodul zugeführt wird. Ebenfalls kann der Energiewirkungsgrad des gesamten Geräts verbessert werden, da es nicht notwendig ist, Energie insbesondere zum Verdampfen des Wassers zu verbrauchen. Ebenfalls kann die Eigenwärme des Verbrennungsgases verwendet werden, da der durch die Verbrennungsreaktion erzeugte Dampf verwendet wird. Wenn die Luft in dem Befeuchtungsmodul 38 befeuchtet wird, wird ein Wärmeaustausch zwischen dem Verbrennungsgas und der Luft durchgeführt. Entsprechend kann die Temperatur der feuchten Luft weiter erhöht werden. Deswegen ist es möglich, die Temperatur des Reformierungskatalysators beizubehalten, wobei die Wärme des Verbrennungsgases verwendet wird, sogar wenn die Lastanforderung plötzlich erhöht wird und das Ausmaß der Reformierungsreaktion plötzlich gesteigert wird.
  • E7. Abgewandeltes Beispiel 7:
  • In der ersten Ausführungsform und in der zweiten Ausführungsform wird der Emulgator verwendet, um den Gemischzustand des vorgemischten Brennstoffes, der durch das Mischen des reformierten Brennstoffes und des Wassers ausgebildet ist, stabil beizubehalten. Um den Zustand beizubehalten, bei dem der reformierte Brennstoff und das Wasser im Wesentlichen gleichmäßig in dem vorgemischten Brennstofftank gemischt sind, kann jedoch ein Mittel oder ein Material verwendet werden, das unterschiedlich von dem Emulgator ist. Zusätzlich kann als Gemischzustandsstabilisierungseinrichtung zum Beispiel ein Mischabschnitt zum physikalischen Mischen des reformierten Brennstoffes und des Wassers in dem vorgemischten Brennstofftank bereitgestellt sein. Beim Fortsetzen den vorgemischten Brennstoff zu mischen, ist es möglich den gleichmäßig gemischten, vorgemischten Brennstoff in dem Tank zu speichern. Wahlweise kann ein Ultraschalloszillator in dem vorgemischten Brennstofftank bereitgestellt sein, um den Gemischzustand und Verwendung der Ultraschallenergie zu stabilisieren. Der vorgemischte Brennstoff muss im Wesentlichen gleichmäßig gespeichert werden. Wenn eine vorbestimmte Gemischzustandstabilisierungseinrichtung in dem vorgemischten Brennstofftank bereitgestellt ist, kann das gesamte Gerät kompakt sein, verglichen mit einem Fall, bei dem eine Erregungsvorrichtung oder Ähnliches zusätzlich zu dem Tank und dem Verdampfer bereitgestellt ist.
  • Ein Gerät zu Reformierung von Brennstoff (12) hat einen vorgemischten Brennstofftank (20). In dem vorgemischten Brennstofftank (20) wird vorgemischter Brennstoff durch das Emulgieren von Benzin und Wasser ausgebildet, die miteinander in einem vorbestimmten Verhältnis unter Verwendung eines Emulgators vermischt werden. Der vorgemischte Brennstoff wird durch eine Düse (52) auf einen Verdampfungsabschnitt (22) gesprüht. Wärme kann zu dem Verdampfungsabschnitt (22) durch den Reformer 26, in dem eine Oxidationsreaktion voranschreitet, einen ersten Erwärmungsabschnitt (24) und über einen Wärmetauscher (28) zu dem Verdampfungsabschnitt (22) zugeführte Luft zugeführt werden. Der vorgemischte Brennstoff, der in den Verdampfungsabschnitt (22) gesprüht wird, wird sofort durch die auf diese Weise zugeführte Wärme verdampft und zu dem Reformer (26) zugeführt. Zusätzlich kann Luft, die in einem Befeuchtungsmodul befeuchtet wurde, zu dem Verdampfungsabschnitt (22) zugeführt werden.

Claims (20)

  1. Gerät zur Brennstoffreformierung, um Wasserstoff durch eine Reformierungsreaktion zu erzeugen, gekennzeichnet durch: einen Speicherabschnitt für vorgemischten Brennstoff (20) der eine Gemischzustandstabilisierungseinrichtung zum Beibehalten eines Zustands umfasst, bei dem für die Reformierungsreaktion zuzuführender, reformierter Brennstoff und Wasser gleichmäßig gemischt sind, und den reformierten Brennstoff und das Wasser als vorgemischten Brennstoff speichert, der durch das Mischen des reformierten Brennstoffes und des Wassers durch den Gemischzustand der Stabilisierungseinrichtung im Wesentlichen gleichmäßig ausgebildet ist; einen Reformer (26) der einen Reformierungskatalysator zum Verbessern der Reformierungsreaktion umfasst; und einen Zufuhrabschnitt für vorgemischten Brennstoff (50) der den Reformer (26) mit dem vorgemischten Brennstoff versorgt, der in dem Speicherabschnitt für den vorgemischten Brennstoff (20) gespeichert ist.
  2. Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß Anspruch 1, wobei der reformierte Brennstoff ein hydrophober, flüssiger Kohlenwasserstoff ist.
  3. Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Gemischzustandstabilisierungseinrichtung mit einem Emulgator bereitgestellt ist, der mit dem vorgemischten Brennstoff gemischt ist, und dafür sorgt, dass der reformierte Brennstoff und das Wasser eine stabile Emulsion bilden.
  4. Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Gemischzustandstabilisierungseinrichtung einen Mischabschnitt zum physikalischen Vermischen des reformierten Brennstoffs und des Wassers umfassen.
  5. Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß jedem der Ansprüche von 1 bis 4, wobei der vorgemischte Brennstoffzufuhrabschnitt umfasst: einen Verdampfungsabschnitt (22) der ein mit dem Reformer (26) verbundener, vorbestimmter Zwischenraum ist; einen Erwärmungsabschnitt (24) der den Verdampfungsabschnitt (22) mit Wärme versorgt, um zu ermöglichen, dass der vorgemischte Brennstoff verdampft wird; und einen Sprühabschnitt (52), der den in dem Speicherabschnitt für vorgemischten Brennstoff (20) gespeicherten vorgemischten Brennstoff in den Verdampfungsabschnitt (22) sprüht.
  6. Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß jedem der Ansprüche von 1 bis 5, außerdem mit: einem unabhängigen Materialzufuhrabschnitt (38) der den Reformer (26) unabhängig von dem Zufuhrabschnitt für vorgemischten Brennstoff (50) mit einem unabhängigen Material versorgt, das entweder den reformierten Brennstoff oder Wasser enthält, wobei es die jeweils andere Komponente nicht enthält.
  7. Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß Anspruch 6, wobei das unabhängige Material Wasser enthält, und das Wasser Wasser enthält, das in einem das Gerät zur Brennstoffreformierung umfassenden System erzeugt wurde.
  8. Gerät zur Reformierung von Brennstoff gemäß Anspruch 7, wobei der unabhängige Materialzufuhrabschnitt hat: einen Gaszufuhrabschnitt (62) der den Reformer (26) mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas versorgt; und einen Befeuchtungsabschnitt (38) der das in dem System erzeugte Wasser in Form von Dampf zu dem Sauerstoff enthaltenden Gas dazufügt, das durch den Gaszufuhrabschnitt (62) zu dem Reformer (26) zuzuführen ist.
  9. Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß Anspruch 8, wobei der Befeuchtungsabschnitt (38) umfasst: einen ersten Durchtritt (71) durch den das Sauerstoff enthaltende Gas fließt; einen zweiten Durchtritt (73) durch den das in dem System erzeugte Wasser in Form von Dampf fließt; und eine wasserstoffdurchlässige Membran (39) die zwischen dem ersten Durchtritt (71) und dem zweiten Durchtritt (73) bereitgestellt ist, und durch die Dampf von einer Seite, in der der Dampfpartialdruck hoch ist, auf eine Seite, in der der Dampfpartialdruck niedrig ist durchtritt.
  10. Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß jedem der Ansprüche von 1 bis 9, wobei der Speicherabschnitt für vorgemischten Brennstoff (20) ein Verhältnis der Wassermolekülanzahl in dem vorgemischten Brennstoff mit Bezug auf die Kohlenstoffatomanzahl in dem reformierten Brennstoff von zumindest 0,5 herstellt.
  11. Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß jedem der Ansprüche von 1 bis 9, wobei der vorgemischte Brennstoffspeicherabschnitt (20) ein Verhältnis der Wassermolekülanzahl in dem vorgemischten Brennstoff mit Bezug auf die Kohlenstoffatomanzahl in dem reformierten Brennstoff von maximal 1,0 herstellt.
  12. Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß jedem der Ansprüche von 1 bis 4, wobei der vorgemischte Brennstoffzufuhrabschnitt umfasst: einen Temperaturerhöhungsabschnitt für vorgemischten Brennstoff (28), der die Temperatur des vorgemischten Brennstoffs erhöht, der in dem Speicherabschnitt für vorgemischten Brennstoff (20) gespeichert ist, wobei die Wärme des Gases verwendet wird, das durch die Reformierungsreaktion erzeugten Wasserstoff enthält; und einen Verdampfungsabschnitt, der den vorgemischten Brennstoff verdampft, dessen Temperatur in dem Temperaturerhöhungsabschnitt für vorgemischten Brennstoff (28) erhöht wurde, bevor der vorgemischte Brennstoff zu dem Reformer (26) zugeführt wird.
  13. Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß jedem der Ansprüche von 5 bis 11, wobei der vorgemischte Brennstoffzufuhrabschnitt einen Temperaturerhöhungsabschnitt für vorgemischten Brennstoff (134) umfasst, der die Temperatur des vorgemischten Brennstoffs unter Verwendung des Gases erhöht, das durch die Reformierungsreaktion erzeugten Wasserstoff enthält, bevor der vorgemischte Brennstoff in den Verdampfungsabschnitt (22) gesprüht wird.
  14. Brennstoffzellensystem gekennzeichnet durch: das Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß jedem der Ansprüche von 1 bis 13; und eine Brennstoffzelle (36), die eine elektromotorische Kraft durch eine elektrochemische Reaktion unter Verwendung von in dem Gerät zur Brennstoffreformierung erzeugten Wasserstoff erzeugt.
  15. Brennstoffzellensystem gekennzeichnet durch: das Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß Anspruch 7; und eine Brennstoffzelle (36) die eine elektromotorische Kraft durch eine elektrochemische Reaktion unter Verwendung des in dem Gerät zur Brennstoffreformierung erzeugten Wasserstoffs erzeugt, wobei das von dem unabhängigen Materialzufuhrabschnitt (38) zugeführte Wasser in der Brennstoffzelle (36) erzeugtes Wasser enthält.
  16. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 15, wobei das von dem unabhängigen Materialzufuhrabschnitt (38) zugeführte Wasser in dem von einer Anodenseite der Brennstoffzelle (36) abgegebenen Abgas vorhandenes Wasser enthält.
  17. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 15, wobei das von dem unabhängigen Materialzufuhrabschnitt (38) zugeführte Wasser in dem von einer Kathodenseite der Brennstoffzelle (36) abgegebenen Abgas vorhandenes Wasser enthält.
  18. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 15, außerdem mit: einem ersten Verbrennungsabschnitt, der Wasserstoff verbrennt, der in dem von einer Anode der Brennstoffzelle (36) abgegebenen Abgas zurückbleibt, wobei das von dem unabhängigen Materialzufuhrabschnitt (38) zugeführte Wasser in dem ersten Verbrennungsabschnitt erzeugtes Wasser enthält.
  19. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 15, außerdem mit: einem Wasserstofftrennabschnitt (32) der eine Wasserstoff durchlässige Membran (31) umfasst, die selektiv dafür sorgt, dass Wasserstoff durchdringen kann, und die in dem von dem Gerät zur Brennstoffreformierung abgegebenen Gas vorhandenen Wasserstoff unter Verwendung der Wasserstoff durchlässigen Membran (31) trennt; einem Wasserstoffzufuhrabschnitt, der die Brennstoffzelle (36) mit dem in dem Wasserstofftrennabschnitt (32) getrennten Wasserstoff versorgt; und einem zweiten Verbrennungsabschnitt (43), der Gas verbrennt, das nach der Trennung des Wasserstoffs in dem Wasserstofftrennabschnitt (32) zurückbleibt, wobei das von dem unabhängigen Materialzufuhrabschnitt (38) zugeführte Wasser in dem zweiten Verbrennungsabschnitt (43) erzeugtes Wasser enthält.
  20. Brennstoffzellensystem gekennzeichnet durch: Gerät zur Brennstoffreformierung gemäß Anspruch 12 oder 13; und eine Brennstoffzelle (36) die eine elektromotorische Kraft durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt, wobei das Gerät zur Brennstoffreformierung einen Wasserstoffextraktionsabschnitt (32) umfasst, der eine wasserstoffdurchlässige Membran (31) aufweist, die selektiv dafür sorgt, dass Wasserstoff durchdringt, und unter Verwendung der wasserstoffdurchlässigen Membran (31) Wasserstoff von dem Wasserstoff enthaltenden Gas extrahiert, indem sie mit Gas versorgt wird, das in dem Reformer (26) erzeugten Wasserstoff enthält, und bei einer Temperatur betrieben wird, die höher ist als die der Brennstoffzelle (36), wobei der Temperaturerhöhungsabschnitt für vorgemischten Brennstoff (134) eine Temperatur des vorgemischten Brennstoffes erhöht, wobei Wasserstoff verwendet wird, der durch den Wasserstoffextraktionsabschnitt (32) extrahiert wurde, und den Wasserstoff zuführt, der zum Erhöhen des vorgemischten Brennstoffes für die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle (36) verwendet wird.
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