DE112005000041B4

DE112005000041B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE112005000041B4
Application number: DE112005000041T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Ogino; Satoshi Aoyama; Hiroyuki Mitsui; Hiroshi Aoki; Takashi Shimazu; Satoshi Shiokawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2025-01-18
Also published as: DE112005000041T5; JP2005203320A; JP4464692B2; US7132184B2; WO2005069420A1; CN1906792A; US20060014064A1; CN100459263C

Abstract

Brennstoffzellensystem mit: einem Reformierabschnitt (12), dem Kohlenwasserstoffbrennstoff zugeführt wird und der durch eine Reformierreaktion ein Wasserstoff enthaltendes reformiertes Gas generiert; einer Energie erzeugenden Brennstoffzellenbaugruppe (14) mit einer Anode, der das reformierte Gas zugeführt wird, und einer Kathode, der ein Sauerstoff enthaltendes Kathodengas zugeführt wird; einer Kathodenabgaszufuhreinrichtung (20), die ein Kathodenabgas, das von der Kathode abgegeben wird, dem Reformierabschnitt (12) zuführt; und einer Umgehungseinrichtung (22, 24), die eine Umgehung zum Umgehen der Kathode aufweist und angepasst ist, das Kathodengas zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens dem Reformierabschnitt (12) zuzuführen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, das einen Reformierabschnitt hat, der Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffkraftstoff durch Gebrauchmachen einer Reformierreaktion generiert, und auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
Wenn eine Brennstoffzellenbaugruppe als ein Generator zu verwenden ist, ist es notwendig, Wasserstoff zu einer Brennstoffzellenbaugruppenanode zuzuführen. Um den Wasserstoff zu generieren, der zu der Anode zuzuführen ist, kann ein bekanntes Verfahren zum Erhalten von Wasserstoff aus Benzin, Methanol, Erdgas oder anderen Kohlenwasserstoffbrennstoffen verwendet werden, das von einer Reformierreaktion Gebrauch macht. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel aus der US 4 539 267 A , der DE 101 06 799 A1 und der DE 101 11 259 A1 bekannt.
Es gibt verschiedene Reformierreaktionen, wie beispielsweise eine Dampfreformierreaktion und eine Teiloxidationsreaktion. Als ein Beispiel ist nachstehend die Reformierreaktion von Isooktan (C₈H₁₈), das ein Bestandteil von Benzin ist, beschrieben. C₈H₁₈ + 8H₂O → 8CO + 17H₂ (1) C₈H₁₈ + 4O₂ → 8CO + 9H₂ (2)
Die Reaktion, die vorstehend durch Gleichung (1) angegeben ist, ist eine Dampfreformierreaktion. Die Reaktion, die durch die vorstehende Gleichung (2) angegeben ist, ist eine Teiloxidationsreaktion. Die Dampfreformierreaktion ist eine endothermische Reaktion. Die Teiloxidationsreaktion ist eine exothermische Reaktion. Diese Reaktionen treten im Allgemeinen in einem Reaktorkessel auf, der Reformer genannt wird. Eine oder beide dieser Reformierreaktionen können gesetzt werden, um in einem einzigen Reformer aufzutreten.
Die Betriebstemperatur einer Brennstoffzellenbaugruppe beträgt ungefähr 80°C für eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEM), die die niedrigste Betriebstemperatur mit sich bringt, oder ist so hoch wie 1000°C für eine bestimmte Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). Um Energie zu generieren, ist es daher notwendig, die Brennstoffzellenbaugruppe auf die Betriebstemperatur aufzuwärmen. Eine Technologie zum Zuführen eines Kathodenabgases, das von einer Kathode einer Brennstoffzellenbaugruppe abgegeben wird, zu dem Reformer für Zirkulationszwecke ist in der JP 2003-151599 A offenbart. Bei Systemstart übt die offenbarte Technologie eine Steuerung aus, so dass die Menge der Kathodenabgaszufuhr zu dem Reformer ungefähr viermal die Luftmenge korrespondierend zu dem theoretischen Luftbrennstoffverhältnis beträgt, und führt das Hochtemperaturgas, das von dem Reformer abgegeben wird, zu der Anode für Brennstoffzellenbaugruppenaufwärmzwecke.
Wenn ein Kathodengas zu der Brennstoffzellenbaugruppe zum Zeitpunkt eines Aufwärmens zugeführt wird und das Kathodenabgas, das von der Brennstoffzellenbaugruppe abgegeben wird, zu dem Reformer zugeführt wird, kühlt jedoch das Kathodengas unerwartet die Brennstoffzellenbaugruppe, da das Kathodengas Luft ist, die eine normale Temperatur hat. Somit nimmt das Aufwärmen des Systems einschließlich der Brennstoffzellenbaugruppe eine beträchtliche Zeit ein. Dementsprechend dauert es einen langen Zeitraum, bevor tatsächlich Energie aus der Brennstoffzellenbaugruppe erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung ist erfolgt, um das vorstehende Problem zu lösen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zeit zu minimieren, die zum Aufwärmen erforderlich ist, wenn ein Brennstoffzellensystem zu starten ist.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das die im Anspruch 1 angegeben Merkmale hat.
Da die Kathode zum Zeitpunkt eines Systemaufwärmens umgangen wird, um das Kathodengas direkt zu dem Reformierabschnitt zuzuführen, ist es möglich, zu unterbinden, dass das Kathodengas die Brennstoffzellenbaugruppe kühlt. Dementsprechend kann die Aufwärmeffizienz gesteigert werden, um einen Brennstoffzellenbaugruppenaufwärmprozess innerhalb einem kurzen Zeitraum zu vervollständigen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das wie vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem vorgesehen, wobei Brennstoffzellensystem angepasst ist, das Kathodenabgas, das dem Reformierabschnitt zugeführt wird, und der Kohlenwasserstoffbrennstoff als Materialien zu verwenden, um das reformierte Gas nach Abschluss des Systemaufwärmens zu generieren.
Da das Kathodenabgas und der Kohlenwasserstoffbrennstoff, der dem Reformierabschnitt zugeführt wird, als Materialien verwendet werden, um ein reformiertes Gas zu generieren, können Dampf und Sauerstoff in dem Kathodenabgas für eine Reformierreaktion verwendet werden. Somit kann die Gesamtsystemeffizienz verbessert werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das wie vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem vorgesehen, das ferner Folgendes hat: eine Kühlfluidzufuhreinrichtung, die angepasst ist, der Brennstoffzellenbaugruppe ein Kühlfluid zuzuführen; und eine Kühlfluidzufuhrabschalteinrichtung, die nagepasst ist, die Zufuhr des Kühlfluids zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens abzuschalten.
Da die Zufuhr des Kühlfluids zu der Brennstoffzellenbaugruppe zum Zeitpunkt eines Systemaufwärmens abgeschaltet werden kann, kann die Aufwärmeffizienz verbessert werden.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das die im Anspruch 4 angegeben Merkmale hat.
Da die Brennstoffzellenbaugruppe umgangen wird, um das Kühlgas zu dem Reformierabschnitt zum Zeitpunkt eines Systemaufwärmens zuzuführen, ist es möglich, zu unterbinden, dass das Kühlgas die Brennstoffzellenbaugruppe kühlt. Dementsprechend kann die Aufwärmeffizienz gesteigert werden, um einen Brennstoffzellenbaugruppeaufwärmprozess innerhalb eines kurzen Zeitraums abzuschließen.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein wie vorstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem vorgesehen, das ferner eine Kathodengaszufuhrabschalteinrichtung hat, die angepasst ist, die Zufuhr des Kathodengases zu der Kathode zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens abzuschalten.
Da die Zufuhr des Kathodengases zum Zeitpunkt eines Systemaufwärmens abgeschaltet werden kann, ist es möglich, zu unterbinden, dass die Kathode die Brennstoffzellenbaugruppe kühlt.
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das die im Anspruch 6 angegeben Merkmale hat.
Da mindestens entweder die Zufuhr des Kathodengases oder die Zufuhr des Kühlgases zu der Brennstoffzellenbaugruppe zum Zeitpunkt eines Systemaufwärmens abgeschaltet ist, ist es möglich, zu unterbinden, dass die Brennstoffzellenbaugruppe durch das Kathodengas oder das Kühlgas gekühlt wird. Dementsprechend kann die Aufwärmeffizienz gesteigert werden, um einen Brennstoffzellenbaugruppenaufwärmprozess innerhalb eines kurzen Zeitraums abzuschließen. Ferner stellt das Gas, das von der Magerverbrennungsgaszufuhreinrichtung zugeführt wird, eine magere Verbrennung des Kohlenwasserstoffbrennstoffes bereit. Ferner kann die Wärme, die während der mageren Verbrennung generiert wird, verwendet werden, um das Innere des Systems einschließlich dem Reformierabschnitt und der Brennstoffzellenbaugruppe geeignet aufzuwärmen.
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das wie vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem vorgesehen, wobei die Gaszufuhrabschalteinrichtung derart angepasst ist, dass zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens sowohl die Zufuhr des Kathodengases zu der Kathode als auch die Zufuhr des Kühlgases zu der Brennstoffzellenbaugruppe abgeschaltet werden.
Da die Zufuhr des Kathodengases und die Zufuhr des Kühlgases zu der Brennstoffzellenbaugruppe beide zum Zeitpunkt eines Systemaufwärmens abgeschaltet sind, kann die Aufwärmeffizienz verbessert werden.
Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung, sind Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorgesehen, die die in den Ansprüchen 8 bis 16 angegebenen Merkmale haben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A und 1B sind schematische Zeichnungen, die die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen.
2A und 2B sind schematische Zeichnungen, die die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen.
3A und 3B sind schematische Zeichnungen, die die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen.
Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Gleiche Elemente in den Zeichnungen sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und sind nicht wiederholend beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt.
Erstes Ausführungsbeispiel
1A und 1B sind schematische Zeichnungen, die die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Brennstoffzellensystem 10 hat einen von außen beheizbaren Reformer 12 der Bauart mit Wärmeaustauscher und eine Brennstoffzellenbaugruppe 14. Der Reformer 12 verwendet Kohlenwasserstoffbrennstoff, Wasser und Luft als Materialien, um ein wasserstoffreiches Brennstoffgas zu generieren (reformiertes Gas). Die Brennstoffzellenbaugruppe 14 generiert Energie durch Verwenden des reformierten Gases als Brennstoff und Luft als Oxidationsgas.
Die Brennstoffzellenbaugruppe 14 ist so weit akzeptabel, so sie Wasser (Dampf) zum Zeitpunkt einer Energiegenerierung generiert. Insbesondere kann eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEM), eine Phosphorsäure (PAFC) oder eine Wasserstofftrennmembranbrennstoffzellenbaugruppe verwendet werden. Wenn zum Beispiel die eingesetzte Brennstoffzellenbaugruppe 14 eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle ist, hat sie mehrschichtige Zellen, die eine Elektrolytmembran, eine Anode, eine Kathode und einen Separator haben. Ein Durchflussweg eines Brennstoffgases (reformierten Gases) und ein Oxidationsgasdurchflussweg sind zwischen der Anode und der Kathode ausgebildet. Die Elektrolytmembran ist eine Protonen leitende Ionenaustauschmembran, die mit Fluorkohlenwasserstoffharz oder einem anderen festen Polymermaterial ausgebildet ist. Die Anode und die Kathode sind beide mit Karbonstoff ausgebildet, der aus Karbonfaser gemacht ist. Der Separator ist mit einem Gas undurchlässigem leitfähigen Element wie beispielsweise Kompaktkarbon, das durch Komprimieren von Karbon gasundurchlässig gemacht ist, ausgebildet.
Der Reformer 12 kann funktionell in eine Reformierseite und eine Verbrennungsseite geteilt werden. Die Reformierseite ruft eine Reformierreaktion hervor, wie durch Gleichungen (1) und (2) angezeigt ist. Die Verbrennungsseite führt Wärme zu, um eine Reformierreaktion hervorzurufen. Benzin, das Isooktan (C₈H₁₈) enthält, wird zu der Reformierseite als Brennstoff zugeführt. Dampf und Luft (Sauerstoff) werden ebenso zu der Reformierseite zugeführt. Das Benzin, der Dampf und die Luft, die zu der Reformierseite zugeführt werden, werden verwendet, um eine Reformierreaktion hervorzurufen, wie durch die Gleichungen (1) und (2) angezeigt ist. Als der Kraftstoff, der zu der Reformierseite zuzuführen ist, kann Erdgas oder anderer Kohlenwasserstoffbrennstoff, Alkohol oder anderer Sauerstoff enthaltender Brennstoff oder anderer Kohlenwasserstoffbrennstoff verwendet werden. Zusätzlich können Ether oder Aldehyd als der Brennstoff verwendet werden.
Die Reformierseite hat einen Reformierkatalysator, um die Reformierreaktion zu beschleunigen. Wenn Benzin oder Erdgas als ein Material verwendet wird, kann ein Nickelkatalysator oder Rhodiumedelmetall als der Reformierkatalysator verwendet werden. Es ist bekannt, dass CuO-ZnO-Katalysatoren und Cu-ZnO-Katalysatoren wirksame Katalysatoren sind, wenn Methanol als das Material verwendet werden.
Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft werden zu der Verbrennungsseite des Reformers 12 zugeführt. Der Verbrennungsbrennstoff wird verbrannt, um die Wärme für eine Reformierreaktion zu generieren. Die Verbrennungsseite des Reformers 12 kann eine bestimmte Brennkammer haben, die von dem Reformer 12 getrennt ist. In dieser Hinsicht werden der Verbrennungsbrennstoff und die Verbrennungsluft in der Brennkammer verbrannt und Hochtemperaturverbrennungsgas, das von der Brennkammer ausgegeben wird, wird verwendet, um die Wärme für eine Reformierreaktion zuzuführen. Wenn Wärme von der Verbrennungsseite des Reformers 12, wie vorstehend beschrieben ist, zugeführt wird, werden Benzin, Dampf und Luft (Sauerstoff) zu der reformerseitigen Reaktion zugeführt. Somit treten beide, die Dampfreformierreaktion und die Teiloxidationsreaktion, die durch Gleichungen (1) und (2) angezeigt sind, auf. Diese Reaktionen werden durch den Reformierkatalysator beschleunigt, so dass ein wasserstoffreiches reformiertes Gas generiert wird.
Das wasserstoffreiche reformierte Gas, das aus der Reformierreaktion stammt, wird über einen Durchflussweg 16 des reformierten Gases zu der Anode der Brennstoffzellenbaugruppe 14 zugeführt. Unterdessen wird Luft (Kathodengas) zu der Kathode der Brennstoffzellenbaugruppe 14 als das Oxidationsgas zugeführt. Wenn das reformierte Gas zu der Anode der Brennstoffzellenbaugruppe 14 zugeführt wird, wird ein Wasserstoffion aus dem Wasserstoff in dem reformierten Gas generiert (H₂ 2H⁺ + 2e^–). Wenn das Oxidationsgas zu der Kathode zugeführt wird, generiert die Kathode ein Sauerstoffion aus dem Sauerstoff in dem Oxidationsgas, so dass Energie innerhalb der Brennstoffzellenbaugruppe 14 generiert wird. Zur gleichen Zeit generiert die Kathode Wasser aus dem vorstehenden Wasserstoffion und dem Sauerstoffion ((1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– H₂O). Das meiste Wasser wird als Dampf generiert, da es die Wärme absorbiert, die innerhalb der Brennstoffzellenbaugruppe 14 generiert wird.
Die Kathode der Brennstoffzellenbaugruppe 14 ist mit einer Kathodenluftpumpe 18 verbunden. Die Kathodenluftpumpe 18 führt ein Kathodengas zu der Kathode zu. Ein Kathodenabgasdurchflussweg 20 ist ausgebildet, um die Kathode mit der Reformierseite des Reformers 12 zu verbinden. Ein Kathodenabgas wird von der Kathode abgegeben und über den Kathodenabgasdurchflussweg 20 zu der Reformierseite zugeführt.
Der Durchflussweg, der die Kathodenluftpumpe 18 mit der Kathode verbindet, ist mit einem Dreiwegeventil 22 versehen. Das Dreiwegeventil 22 ist über einen Umgehungsdurchflussweg 24 mit der Reformierseite des Reformers 12 verbunden. Daher kann, wenn die Einstellung für das Dreiwegeventil 22 geändert wird, das Kathodengas direkt zu der Reformierseite zugeführt werden, ohne über die Kathode der Brennstoffzellenbaugruppe 14 zugeführt zu werden.
Zum Zeitpunkt einer Energiegenerierung wird Wärme innerhalb der Brennstoffzellenbaugruppe 14 generiert. Daher ist eine Kühlluftpumpe 26 vorgesehen, um die Brennstoffzellenbaugruppe 14 zu kühlen. Die Kühlluftpumpe 26 führt ein Kühlgas zu der Brennstoffzellenbaugruppe 14 zu, um die Brennstoffzellenbaugruppe 14 mit Luft zu kühlen.
Für einen normalen Betrieb wird die Einstellung für das Dreiwegeventil 22 eingestellt, wie in 1A angezeigt ist, so dass das Kathodengas, das von der Kathodenluftpumpe 18 geliefert wird, zu der Kathode der Brennstoffzellenbaugruppe 14 weitergeführt wird. Das Kathodenabgas, das von der Kathode abgegeben wird, enthält den Sauerstoff, der nicht innerhalb der Kathode zusätzlich zu dem Dampf reagiert, der durch die Kathode generiert wird. Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liefert das Kathodenabgas über den Kathodenabgasdurchflussweg 20 zu der Reformierseite des Reformers 12 und führt den Dampf und den Sauerstoff in dem Kathodenabgas als das Material zum Hervorrufen der Reformierreaktion zu, die durch die Gleichungen (1) und (2) angezeigt sind. Die Gesamtsystemeffizienz kann durch Verwenden des Dampfes und des Sauerstoffs in dem Kathodenabgas für eine Reformierreaktion verbessert werden, wie vorstehend beschrieben ist.
Unterdessen arbeitet die Brennstoffzellenbaugruppe 14 bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur, um Energie zu generieren. Daher ist es notwendig, wenn das System startet, die Brennstoffzellenbaugruppe 14 aufzuwärmen, bis es auf die Betriebstemperatur aufgewärmt ist. Wenn das Kühlgas zu der Brennstoffzellenbaugruppe 14 in dieser Hinsicht zugeführt wird, wird die Aufwärmeffizienz gesenkt. Daher wird die Kühlgaszufuhr von der Kühlluftpumpe 26 zu der Brennstoffzellenbaugruppe 14 abgeschaltet, wie in 1B angezeigt ist.
Die Einstellung für das Dreiwegeventil 22 wird zum Zeitpunkt eines Systemstarts (Aufwärmens) geändert, so dass das Kathodengas, das von der Kathodenluftpumpe 18 geliefert wird, zu der Reformierseite des Reformers 12 über den Umgehungsdurchflussweg 24 zugeführt wird. Die Kathodenluftpumpe 18 wird gesteuert, so dass eine geeignete Menge an Luft zu der Reformierseite zum Zwecke eines vollständigen Oxidierens des Benzins, das zu der Reformierseite zugeführt wird, zugeführt wird. Auf diese Weise wird eine große Menge an Sauerstoff enthaltender Luft zu der Reformierseite zugeführt. Katalysatorverbrennung (Verbrennung auf der Grundlage des Reformierkatalysators) und eine Gasphasenverbrennung (Verbrennung auf der Grundlage eines Brennstoff/Oxidationsgasgemisches) treten auf der Reformierseite auf, so dass das zugeführte Benzin vollständig oxidiert wird. Wasser und Kohlendioxid (CO₂) werden dann generiert, wie in der nachstehenden Gleichung (3) angezeigt ist: C₈H₁₈ + (25/2)O₂ → 8CO₂ + 9H₂O (3)
Wie vorstehend beschrieben ist, wird das Kathodengas, das von der Kathodenluftpumpe 18 geliefert wird, als Magerverbrennungsluft auf die Reformierseite zum Zeitpunkt eines Aufwärmens verwendet. Als Ergebnis steigt die Temperatur des Reformers 12 wegen einer Wärmegenerierung durch vollständige Oxidation. Zusätzlich wird das Hochtemperaturgas (Dampf und CO₂), das aus der vollständigen Oxidation stammt, über den Durchflussweg 16 des reformierten Gases zu der Anode der Brennstoffzellenbaugruppe 14 zugeführt. Daher ist es möglich, das System einschließlich des Reformers und der Brennstoffzellenbaugruppe 14 aufzuwärmen.
Nach Abschluss des Aufwärmens wird die Einstellung für das Dreiwegeventil 22 in den Zustand, der in 1A angezeigt ist, zum Zwecke eines Lieferns des Kathodengases von der Kathodenluftpumpe 18 zu der Kathode der Brennstoffzellenbaugruppe 14 geändert. Zusätzlich führt die Kühlluftpumpe 26 das Kühlgas zu der Kraftstoffzellenbaugruppe 14 zu, um einen normalen Betrieb auszuführen. Ob das Aufwärmen abgeschlossen ist oder nicht, wird durch Beurteilen bestimmt, ob die Betriebstemperatur der Brennstoffzellenbaugruppe 14 durch den Wert, der durch einen Temperatursensor erfasst wird, der an der Brennstoffzellenbaugruppe 14 montiert ist, erreicht ist.
Das Kathodengas, das von der Kathodenluftpumpe 18 geliefert wird, hat eine normale Temperatur. Daher kühlt, wenn das Kathodengas zu der Kathode während einem Aufwärmen zugeführt wird, das Kathodengas die Brennstoffzellenbaugruppe 14, so dass die Aufwärmeffizienz der Brennstoffzellenbaugruppe 14 sinken kann. Vor Abschluss eines Aufwärmens erlaubt das vorliegende Ausführungsbeispiel dem Kathodengas, zu dem Umgehungsdurchflussweg 24 zu strömen. Daher wird das Kathodengas nicht zu der Kathode zugeführt. Somit ist es möglich, zu unterbinden, dass die Brennstoffzellenbaugruppe 14 durch das Kathodengas gekühlt wird, und eine verbesserte Aufwärmeffizienz bereitzustellen. Dementsprechend kann die Brennstoffzellenbaugruppe 14 innerhalb eines kurzen Zeitraums vollständig aufgewärmt werden. Vor Abschluss eines Aufwärmens wird die Kühlgaszufuhr von der Kühlluftpumpe 26 abgeschaltet, so dass die Aufwärmeffizienz steigt.
Ferner wird eine große Menge an Sauerstoff enthaltender Luft von der Kathodenluftpumpe 18 zu der Reformierseite während einem Aufwärmen zugeführt, um eine magere Verbrennung des Benzins auf der Reformierseite bereitzustellen und eine vollständige Oxidation zu erreichen. Die Wärme, die durch eine derartige vollständige Oxidation generiert wird, wird dann verwendet, um das Innere des Systems einschließlich des Reformers 12 und der Brennstoffzellenbaugruppe 14 geeignet aufzuwärmen.
Wie vorstehend beschrieben ist sieht das vorliegende Ausführungsbeispiel den Umgehungsdurchflussweg 24 vor, der die Kathode der Brennstoffzellenbaugruppe 14 umgeht, so dass das Kathodengas direkt zu der Reformierseite des Reformers 12 zugeführt wird, ohne vor Abschluss eines Aufwärmens zu der Kathode weitergeleitet zu werden. Daher unterbindet das vorliegende Ausführungsbeispiel, dass das Kathodengas die Brennstoffzellenbaugruppe 14 kühlt. Dementsprechend kann die Aufwärmeffizienz verbessert werden, um einen Aufwärmprozess für die Brennstoffzellenbaugruppe 14 innerhalb einem kurzen Zeitraum abzuschließen.
Alternativ kann das Kathodengas, das zu dem Umgehungsdurchflussweg 24 geliefert wird, zu der Verbrennungsseite des Reformers 12 während einem Aufwärmen zugeführt werden und als die Verbrennungsluft für die Verbrennungsseite verwendet werden. Die Verbrennung auf der Verbrennungsseite wird dann beschleunigt, um die Aufwärmeffizienz des Systems zu verbessern.
Das Kühlmedium zum Kühlen der Brennstoffzellenbaugruppe 14 ist nicht auf das Kühlgas begrenzt. Eine typische Alternative ist, die Brennstoffzellenbaugruppe 14 mit Kühlwasser oder anderer Flüssigkeit zu kühlen und die Zufuhr des Kühlwassers oder dergleichen zu der Brennstoffzellenbaugruppe 14 während einem Aufwärmen zu kühlen.
Zweites Ausführungsbeispiel
Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist nachstehend beschränkt. 2A und 2B sind schematische Zeichnungen, die die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel darstellen. Die Grundkonfiguration des zweiten Ausführungsbeispiels des Brennstoffzellensystems 10 ist die gleiche wie die des ersten Ausführungsbeispiels.
Wie in dem Fall mit dem ersten Ausführungsbeispiel hat das zweite Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 10 den Kathodenabgasdurchflussweg 20 zum Zwecke eines Zuführens des Kathodenabgases zu der Reformierseite des Reformers 12. Ferner hat das zweite Ausführungsbeispiel auch die Kühlluftpumpe 26 zum Zwecke eines Kühlens der Brennstoffzellenbaugruppe 14. Zusätzlich hat das zweite Ausführungsbeispiel ein Dreiwegeventil 28, das in einem Durchflussweg zum Zuführen des Kühlgases zu der Brennstoffzellenbaugruppe 14 eingebaut ist. Ein anderer Durchflussweg 30 ist vorgesehen, so dass das Kühlgas, das durch das Dreiwegeventil 28 getrennt wird, zu der Reformierseite des Reformers 12 weitergeleitet wird.
Für einen normalen Betrieb wird das Kathodengas, das von der Kathodenluftpumpe 18 geliefert wird, zu der Kathode der Brennstoffzellenbaugruppe 14 weitergeleitet, wie in 2A angezeigt ist. Das Kathodenabgas, das von der Kathode abgegeben wird, wird über den Kathodenabgasdurchflussweg 20 zu der Reformierseite des Reformers 12 zugeführt. Ferner wird die Einstellung für das Dreiwegeventil 28 eingestellt, so dass das Kühlgas, das von der Kühlluftpumpe 26 geliefert wird, zu der Brennstoffzellenbaugruppe 14 zugeführt wird. Dies macht es möglich, wie in dem Fall, der in 1A gezeigt ist, den Dampf und den Sauerstoff in dem Kathodenabgas zu der Reformierseite als die Materialien für eine Reformierreaktion zuzuführen und die Brennstoffzellenbaugruppe 14 mit dem Kühlgas zu kühlen.
Beim Start wird die Kathodengaszufuhr von der Kathodenluftpumpe 18 abgeschaltet, wie in 2B angezeigt ist. Ferner wird die Einstellung für das Dreiwegeventil 28 geändert, so dass das Kühlgas, das von der Kühlluftpumpe 26 geliefert wird, zu dem Durchflussweg 30 strömt. Die Brennstoffzellenbaugruppe 14 wird dann umgangen, so dass das Kühlgas zu der Reformierseite des Reformers 12 zugeführt wird. Dies schaltet die Kühlgaszufuhr der Brennstoffzellenbaugruppe 14 ab. Die Kühlluftpumpe 26 wird dann gesteuert, so dass eine geeignete Menge an Luft zu der Reformierseite zum Zwecke eines vollständigen Oxidierens des Benzins, das zu der Reformierseite zugeführt wird, zugeführt wird. Auf diese Weise wird eine große Menge an Sauerstoff enthaltender Luft zu der Reformierseite zugeführt. Wenn die Zufuhr des Kathodengases und Kühlgases zu der Brennstoffzellenbaugruppe 14 bei Systemstart abgeschaltet ist, wie vorstehend beschrieben ist, ist es möglich, zu unterbinden, dass das Kathodengas und das Kühlgas die Brennstoffzellenbaugruppe 14 kühlt. Daher kann der Aufwärmwirkungsgrad verbessert werden, um einen Aufwärmprozess für die Brennstoffzellenbaugruppe 14 innerhalb eines kurzen Zeitraums abzuschließen. Ferner wird eine große Menge an Sauerstoff enthaltender Luft von der Kühlluftpumpe 26 zu der Reformierseite geliefert, um eine magere Verbrennung des Benzins auf der Reformierseite bereitzustellen und eine vollständige Oxidation zu erhalten, wie es in dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Dementsprechend ist es möglich, das Innere des Systems einschließlich dem Reformer 12 und der Brennstoffzellenbaugruppe 14 geeignet aufzuwärmen.
Wie vorstehend beschrieben ist, schaltet das erste Ausführungsbeispiel die Zufuhr des Kathodengases und des Kühlgases zu der Brennstoffzellenbaugruppe 14 vor Abschluss des Aufwärmens ab. Es ist daher möglich, zu unterbinden, dass das Kathodengas und das Kühlgas die Brennstoffzellenbaugruppe 14 kühlt. Dementsprechend kann die Aufwärmeffizienz verbessert werden, um einen Aufwärmprozess für die Brennstoffzellenbaugruppe 14 innerhalb eines kurzen Zeitraums abzuschließen. Ferner wird das Kühlgas zu der Reformierseite des Reformers 12 vor Abschluss des Aufwärmens zugeführt. Daher ist es möglich, das Benzin, das zu der Reformierseite zugeführt wird, zu oxidieren und das Innere des Systems einschließlich des Reformers 12 und der Brennstoffzellenbaugruppe 14 geeignet aufzuwärmen.
Alternativ kann nur die Zufuhr des Kühlgases zu der Brennstoffzellenbaugruppe 14 während dem Aufwärmen abgeschaltet werden, während das Kathodengas zu der Brennstoffzellenbaugruppe 14 zugeführt wird. Dies macht es möglich, das Kathodengas auf eine geeignete Weise abhängig von dem Aufwärmzustand der Brennstoffzellenbaugruppe 14 zuzuführen.
Eine Alternative zur Zufuhr des Kühlgases, das zu dem Durchflussweg 30 geführt wird, zu der Verbrennungsseite des Reformers 12 zuzuführen und das Kühlgas als die Verbrennungsluft für die Verbrennungsseite zu verwenden. Dies macht es möglich, die Verbrennung auf der Verbrennungsseite zu beschleunigen und die Aufwärmeffizienz des Systems zu verbessern.
Drittes Ausführungsbeispiel
Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist nachstehend beschrieben. 3A und 3B sind schematische Zeichnungen, die die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen. Die Grundkonfiguration des dritten Ausführungsbeispiels des Brennstoffzellensystems 10 ist die gleiche wie die des ersten Ausführungsbeispiels.
Wie in dem Fall des ersten Ausführungsbeispiels hat das dritte Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 10 den Kathodenabgasdurchflussweg 20 zum Zwecke des Zuführens des Kathodenabgases zu der Reformierseite des Reformers 12. Ferner hat das dritte Ausführungsbeispiel ebenso die Kühlluftpumpe 26 zum Zwecke eines Kühlens der Brennstoffzellenbaugruppe 14. Zusätzlich hat das dritte Ausführungsbeispiel eine Luftpumpe 32 zum Zuführen von Luft zu der Reformierseite des Reformers 12 während eines Aufwärmens.
Für einen normalen Betrieb wird das Kathodengas von der Kathodenluftpumpe 18 zu der Kathode der Brennstoffzellenbaugruppe 14 weitergeleitet, wie in 3A angezeigt ist. Das Kathodenabgas, das von der Kathode abgegeben wird, wird über den Kathodenabgasdurchflussweg 20 zu der Reformierseite des Reformers 12 zugeführt. Ferner wird das Kühlgas, das von der Kühlluftpumpe 26 geliefert wird, zu der Brennstoffzellenbaugruppe 14 zugeführt. Dies macht es möglich, wie es in dem in 1A gezeigten Fall ist, den Dampf und den Sauerstoff in dem Kathodenabgas zu der Reformierseite als die Materialien für eine Reformierreaktion zuzuführen und die Brennstoffzellenbaugruppe 14 mit dem Kühlgas zu kühlen.
Bei Start wird die Kathodengaszufuhr von der Kathodenluftpumpe 18 abgeschaltet, wie in 3B angezeigt ist. Ferner wird ebenso die Kühlgaszufuhr von der Kühlluftpumpe 26 abgeschaltet. Die Luftpumpe 32 arbeitet dann, um eine große Menge an Sauerstoff enthaltender Luft zu der Reformierseite zuzuführen und eine magere Verbrennung zum Zwecke eines vollständigen Oxidierens des Benzins, das zu der Reformierseite zugeführt wird, bereitzustellen. Wie vorstehend beschrieben ist, ist die Luftpumpe 32 vorgesehen, um Luft für eine magere Verbrennung während des Aufwärmens zuzuführen. Die Luftzufuhr von der Luftpumpe 32 wird während einem anderen Zeitraum als dem Aufwärmzeitraum abgeschaltet.
Da die Kathodengaszufuhr bei Start abgeschaltet wird, ist es möglich, zu unterbinden, dass das Kathodengas die Brennstoffzellenbaugruppe 14 kühlt. Die Aufwärmeffizienz kann dann verbessert werden, um einen Aufwärmprozess für die Brennstoffzellenbaugruppe 14 innerhalb eines kurzen Zeitraums abzuschließen. Ferner wird eine große Menge an Sauerstoff enthaltender Luft von der Luftpumpe 32 zu der Reformierseite geliefert, um eine magere Verbrennung des Benzins auf der Reformierseite bereitzustellen und eine vollständige Oxidation zu erhalten, wie es in dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Dementsprechend ist es möglich, das Innere des Systems einschließlich des Reformers 12 und der Brennstoffzellenbaugruppe 14 geeignet aufzuwärmen.
Wie vorstehend beschrieben ist schaltet das dritte Ausführungsbeispiel die Kathodengaszufuhr vor Abschluss des Aufwärmens ab. Es ist daher möglich, zu unterbinden, dass das Kathodengas die Brennstoffzellenbaugruppe 14 kühlt. Dementsprechend kann der Aufwärmwirkungsgrad verbessert werden, um einen Aufwärmprozess für die Brennstoffzellenbaugruppe 14 innerhalb eines kurzen Zeitraums abzuschließen. Ferner wird eine große Menge an Luft von der Luftpumpe 32 zu der Reformierseite vor Abschluss des Aufwärmens geliefert. Daher kann das Benzin, das zu der Reformierseite zugeführt wird, vollständig oxidiert werden, um das Innere des Systems einschließlich des Reformers 12 und der Brennstoffzellenbaugruppe 14 geeignet aufzuwärmen.
Alternativ kann die Luftzufuhr von mindestens entweder der Kathodenluftpumpe 18 oder der Kühlluftpumpe 26 während dem Aufwärmen abgeschaltet werden. Dies macht es möglich, das Kathodengas und das Kühlgas auf eine geeignete Weise abhängig von dem Aufwärmzustand der Brennstoffzellenbaugruppe 14 zuzuführen.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie vorstehend beschrieben ist, macht es das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Aufwärmeffizienz zu verbessern, und es ist für verschiedene Brennstoffzellensystemanwendungen zweckmäßig.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einem Reformierabschnitt (12), dem Kohlenwasserstoffbrennstoff zugeführt wird und der durch eine Reformierreaktion ein Wasserstoff enthaltendes reformiertes Gas generiert; einer Energie erzeugenden Brennstoffzellenbaugruppe (14) mit einer Anode, der das reformierte Gas zugeführt wird, und einer Kathode, der ein Sauerstoff enthaltendes Kathodengas zugeführt wird; einer Kathodenabgaszufuhreinrichtung (20), die ein Kathodenabgas, das von der Kathode abgegeben wird, dem Reformierabschnitt (12) zuführt; und einer Umgehungseinrichtung (22, 24), die eine Umgehung zum Umgehen der Kathode aufweist und angepasst ist, das Kathodengas zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens dem Reformierabschnitt (12) zuzuführen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem angepasst ist, das Kathodenabgas, das dem Reformierabschnitt (12) zugeführt wird, und den Kohlenwasserstoffbrennstoff als Materialien zu verwenden, um das reformierte Gas nach Abschluss des Systemaufwärmens zu generieren.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit: einer Kühlfluidzufuhreinrichtung (26), die angepasst ist, der Brennstoffzellenbaugruppe (14) ein Kühlfluid zuzuführen; und einer Kühlfluidzufuhrabschalteinrichtung, die angepasst ist, die Zufuhr des Kühlfluids zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens abzuschalten.
Brennstoffzellensystem mit: einem Reformierabschnitt (12), dem Kohlenwasserstoffbrennstoff zugeführt wird und der durch eine Reformierreaktion ein Wasserstoff enthaltendes reformiertes Gas generiert; einer Energie erzeugenden Brennstoffzellenbaugruppe (14) mit einer Anode, der das reformierte Gas zugeführt wird, und einer Kathode, der ein Sauerstoff enthaltendes Kathodengas zugeführt wird; einer Kathodenabgaszufuhreinrichtung (20), die ein Kathodenabgas, das von der Kathode abgegeben wird, dem Reformierabschnitt (12) zuführt; einer Kühlgaszufuhreinrichtung (26), die angepasst ist, der Brennstoffzellenbaugruppe (14) ein Kühlgas zuzuführen; und einer Einrichtung (28, 30), die eine Umgehung zum Umgehen der Brennstoffzellenbaugruppe (14) aufweist und angepasst ist, das Kühlgas zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens dem Reformierabschnitt (12) zuzuführen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, ferner mit einer Kathodengaszufuhrabschalteinrichtung, die angepasst ist, die Zufuhr des Kathodengases zu der Kathode zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens abzuschalten.
Brennstoffzellensystem mit: einem Reformierabschnitt (12), dem Kohlenwasserstoffbrennstoff zugeführt wird und der durch eine Reformierreaktion ein Wasserstoff enthaltendes reformiertes Gas generiert; einer Energie erzeugenden Brennstoffzellenbaugruppe (14) mit einer Anode, der das reformierte Gas zugeführt wird, und einer Kathode, der ein Sauerstoff enthaltendes Kathodengas zugeführt wird; einer Kathodenabgaszufuhreinrichtung (20), die ein Kathodenabgas, das von der Kathode abgegeben wird, dem Reformierabschnitt (12) zuführt, und/oder einer Kühlgaszufuhreinrichtung (26), die angepasst ist, der Brennstoffzellenbaugruppe (14) ein Kühlgas zuzuführen; einer Gaszufuhrabschalteinrichtung, die angepasst ist, zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens mindestens entweder die Zufuhr des Kathodengases zu der Kathode oder die Zufuhr des Kühlgases zu der Brennstoffzellenbaugruppe (14) abzuschalten; und einer Magerverbrennungsgaszufuhreinrichtung (32), die angepasst ist, dem Reformierabschnitt (12) ein Gas derart zuzuführen, dass zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens eine magere Verbrennung des Kohlenwasserstoffbrennstoffes erfolgt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Gaszufuhrabschalteinrichtung derart angepasst ist, dass zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens sowohl die Zufuhr des Kathodengases zu der Kathode als auch die Zufuhr des Kühlgases zu der Brennstoffzellenbaugruppe (14) abgeschaltet werden.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Schritten: Zuführen von Kohlenwasserstoffbrennstoff zu einem Reformierabschnitt (12) und Generieren eines Wasserstoff enthaltenden reformierten Gases durch eine Reformierreaktion in dem Reformierabschnitt (12); Erzeugen von Energie in einer Brennstoffzellenbaugruppe (14), indem einer Anode das reformierte Gas und einer Kathode ein Sauerstoff enthaltendes Kathodengas zugeführt wird; Zuführen eines Kathodenabgases, das von der Kathode abgegeben wird, zu dem Reformierabschnitt (12); und Zuführen des Kathodengases durch Umgehen der Kathode zu dem Reformierabschnitt (12) zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Kathodengas, das dem Reformierabschnitt (12) zugeführt wird, zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens eine magere Verbrennung des Kohlenwasserstoffbrennstoffes erlaubt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Kathodenabgas, das dem Reformierabschnitt (12) zugeführt wird, und der Kohlenwasserstoffbrennstoff als Materialien verwendet werden, um das reformierte Gas nach Abschluss eines Systemaufwärmens zu generieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, ferner mit den Schritten: Zuführen eines Kühlfluids zu der Brennstoffzellenbaugruppe (14); und Abschalten der Zufuhr des Kühlfluids zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Schritten: Zuführen von Kohlenwasserstoffbrennstoff zu einem Reformierabschnitt (12) und Generieren eines Wasserstoff enthaltenden reformierten Gases durch eine Reformierreaktion in dem Reformierabschnitt (12); Erzeugen von Energie in einer Brennstoffzellenbaugruppe (14), indem einer Anode das reformierte Gas und einer Kathode ein Sauerstoff enthaltendes Kathodengas zugeführt wird; Zuführen eines Kathodenabgases, das von der Kathode abgegeben wird, zu dem Reformierabschnitt (12); Zuführen eines Kühlgases zu der Brennstoffzellenbaugruppe (14); und Zuführen des Kühlgases durch Umgehen der Brennstoffzellenbaugruppe (14) zu dem Reformierabschnitt (12) zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt Abschalten der Zufuhr des Kathodengases zu der Kathode zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Kühlgas, das dem Reformierabschnitt (12) zugeführt wird, zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens eine magere Verbrennung des Kohlenwasserstoffbrennstoffes erlaubt.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Schritten: Zuführen von Kohlenwasserstoffbrennstoff zu einem Reformierabschnitt (12) und Generieren eines Wasserstoff enthaltenden reformierten Gases durch eine Reformierreaktion in dem Reformierabschnitt (12); Erzeugen von Energie in einer Brennstoffzellenbaugruppe (14), indem einer Anode das reformierte Gas und einer Kathode ein Sauerstoff enthaltendes Kathodengas zugeführt wird; Zuführen eines Kathodenabgases, das von der Kathode abgegeben wird, zu dem Reformierabschnitt (12); Abschalten von mindestens entweder der Zufuhr des Kathodengases zu der Kathode oder der Zufuhr des Kühlgases zu der Brennstoffzellenbaugruppe (14) zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens; und Zuführen eines Gases zu dem Reformierabschnitt (12), so dass zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens eine magere Verbrennung des Kohlenwasserstoffbrennstoffes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei zum Zeitpunkt des Systemaufwärmens sowohl die Zufuhr des Kathodengases zu der Kathode als auch die Zufuhr des Kühlgases zu der Brennstoffzellenbaugruppe (14) abgeschaltet werden.