DE112006000502T5 - Wasserstoff erzeugende Vorrichtung und Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Wasserstoff erzeugende Vorrichtung mit: zumindest zwei Reformerreaktoren, die einen Katalysator enthalten, in denen ein zu reformierender Reaktant einer Reformerreaktion an dem erhitzten Katalysator unterzogen wird, wenn der zu reformierende Reaktant zugeführt wird, und bei denen ein Verbrennungsbrennstoff einer Verbrennungsreaktion an dem Katalysator unterzogen wird, um den Katalysator zu erhitzen, wenn der Verbrennungsbrennstoff zugeführt wird; und einer Zuführeinheit zum Zuführen von Sauerstoff enthaltendem Gas zu zumindest einem der Reformerreaktoren für die Reformerreaktion.

Description

  • Technischer Bereich
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoff erzeugende Vorrichtung, bei der eine Brennstoffreformerreaktion unter Verwendung eines Katalysators und eine Regenerationsreaktion zum Regenerieren des Katalysators durch Erhitzen durch Umschalten dazwischen alternierend durchgeführt wird, und ein Brennstoffzellensystem, das mit der Vorrichtung ausgestattet ist.
  • Technologischer Hintergrund
  • Herkömmliche Elektrofahrzeuge führen eine Brennstoffzelle als Energiezufuhr zum Antreiben eines Fahrzeugs und einen Brennstoff, der Wasserstoff oder ein Rohbrennstoff zum Erzeugen von Wasserstoff ist, zum Betreiben der Brennstoffzelle mit, um Elektrizität zu erzeugen.
  • Wenn einem Fahrzeug Wasserstoff selbst zugeführt wird, wird der Wasserstoff verdichtet und in einen Hochdruckzylinder geladen oder verflüssigt, um in einen Tank gefüllt zu werden, oder einem Fahrzeug unter Verwendung einer Wasserstoff absorbierenden Legierung oder eines Wasserstoff adsorbierenden Materials zugeführt. Jedoch hat der Hochdruckbehälter eine relativ geringe Kapazität, woraus sich eine kleinere Wasserstofflademenge ergibt, obwohl er eine größere Wanddicke erfordert. Ein Verflüssigungsladeverfahren unter Verwendung von verflüssigtem Wasserstoff geht unvermeidlich mit einem Verdampfungsverlust einher und verlangt mehr Energie zur Verflüssigung des Wasserstoffgases. Die Wasserstoff absorbierende Legierung oder das Wasserstoff adsorbierende Material hat keine ausreichend hohe Wasserstoffspeicherdichte, die für Elektrofahrzeuge und dergleichen notwendig ist, und eine Steuerung einer Absorption und/oder Adsorption des Wasserstoffs ist ebenso schwierig. Obwohl es ebenso möglich ist, ein Verfahren zum Gewinnen von Wasserstoff durch Dampfreformieren eines Rohbrennstoffs zu verwenden, ist die Reformerreaktion eine endotherme Reaktion und ist daher eine zusätzliche Wärmequelle erforderlich. Demgemäß ist es nicht möglich, die Gesamtenergieeffizienz in einem System zu verbessern, das eine elektrische Heizung oder ähnliches als Wärmequelle einsetzt. Es ist somit notwendig, eine Menge Wasserstoff stabil unter verschiedenartigen Umgebungsbedingungen sicherzustellen.
  • Ein Verfahren zum Zuführen von Wasserstoff muss noch technisch entwickelt werden, und es ist erwünscht, ein solches Wasserstoffzuführverfahren im Lichte der erwarteten Vermehrung des Einsatzes von Wasserstoff bei verschiedenartigen Vorrichtungen in der Zukunft zu entwickeln.
  • Als eine für das vorstehend Genannte relevante Technologie wurde ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das eine Reformervorrichtung hat, bei der eine Dampfreformerreaktion für einen Brennstoff unter Verwendung eines Katalysators, die eine endotherme Reaktion ist, und eine Regenerationsreaktion zum Zurückgewinnen der Temperatur des Katalysators, die durch die Dampfreformerreaktion verringert wird, alternierend untereinander umgeschaltet werden (siehe beispielsweise US-Patentanmeldungsoffenlegung Nummer 2004-175326).
  • Andere Verfahren wurden in Verbindung mit dieser Technologie offenbart (siehe beispielsweise US-Patentanmeldungsoffenlegung Nummer 2003-235529, 2004-170558 und 2004-170559). Zusätzlich ist eine Brennstoffzelle, die ein Wasserstoff permeables Material verwendet, ebenso als Beispiel einer Brennstoffzelle offenbart, die Leistung in Bereichen hoher Temperatur erzeugt (beispielsweise Japanische Patentanmeldungsoffenlegung Nummer 2004-146337).
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Wenn eine erforderliche Menge Wasserstoff groß ist, ist es notwendig, eine Menge des Wasserstoffs zu vergrößern, die kontinuierlich durch Durchführen der Reformerreaktion reformiert wird. Da jedoch eine Dampfreformerreaktion eine endotherme Reaktion ist, fällt die Temperatur eines Katalysators beträchtlich, wenn die Reformerreaktion kontinuierlich durchgeführt wird, was zu einer Erhöhung der Häufigkeit des Umschaltens zu der Regenerationsreaktion von der Reformerreaktion führt, um den Katalysator auf die hohe Temperatur zurückzuführen. Zusätzlich ergibt die Vergrößerung der Umschalthäufigkeit einen höheren Verbrauch des Wasserstoffs, der durch das Reformieren erzeugt wird, so dass es nicht möglich ist, Wasserstoff effizient bei der Reformervorrichtung zu gewinnen. Technologien, die eine Vergrößerung oder Verringerung der Menge des Wasserstoffs steuern können, der durch Reformieren erzeugt wird, während sie das thermische Gleichgewicht des Katalysators beibehalten, wurden nämlich bisher noch nicht vorgeschlagen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend genannten Umstände gemacht, und sie schafft eine Wasserstoff erzeugende Vorrichtung, die eine Verschlechterung einer Reformereffizienz in Verbindung mit der Vergrößerung der Umschalthäufigkeit zu einer Regenerationsreaktion von einer Reformerreaktion ungeachtet der erforderlichen Menge des Wasserstoffs verhindern kann, und die reformierten Wasserstoff stabil erzeugen kann, und ein Brennstoffzellensystem, das eine höhere thermische Nutzeffizienz hat und eine stabile Energieerzeugungsleistungsfähigkeit ungeachtet einer Variation der Last hat.
  • Die Erfinder haben herausgefunden, dass dann, wenn eine Dampfreformerreaktion für einen Brennstoff, die eine endotherme Reaktion ist, und eine Verbrennungsreaktion (im folgenden ebenso als Regenerationsreaktion bezeichnet) zum Regenerieren einer Reformerreaktivität an einer Katalysatorfläche durch Wiederherstellen der verringerten Temperatur des Katalysators aufgrund der Dampfreformerreaktion untereinander umgeschaltet werden, es nützlich ist, das Reaktionsgleichgewicht zwischen der Dampfreformerreaktion und der partiellen Oxidationsreaktion während der Dampfreformerreaktion zu steuern und die Katalysatortemperatur gemäß einer Erhöhung oder Verringerung einer erforderlichen Menge Wasserstoff in Verbindung mit einer Variation der Last oder Ähnlichem zu steuern, um das thermische Gleichgewicht des Katalysators und den Betrag der Erhöhung oder der Verringerung der Menge des zu erzeugenden Wasserstoffs geeignet zu steuern, und somit wurde die vorliegende Erfindung auf der Grundlage dieser Erkenntnis vollendet.
  • Zum Lösen der Aufgabe weist in einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung eine Wasserstoff erzeugende Vorrichtung zumindest zwei Reformerreaktoren, die einen Katalysator enthalten, in denen ein zu reformierender Reaktant einer Reformerreaktion an dem erhitzten Katalysator unterzogen wird, wenn der zu reformierende Reaktant zugeführt wird, und wird ein Verbrennungsbrennstoff einer Verbrennungsreaktion unterzogen, um den Katalysator zu erwärmen, wenn der Verbrennungsbrennstoff zugeführt wird, und eine Zuführeinheit zum Zuführen eines Wasserstoff enthaltenden Gases zu zumindest einem der Reformerreaktoren für die Reformerreaktion auf.
  • Die Wasserstoff erzeugende Vorrichtung gemäß der Erfindung hat zumindest zwei Reformerreaktoren [im folgenden ebenso als „PSR-Reformer (Druckschwingreformer)" bezeichnet], bei denen zwischen einer Brennstoffreformerreaktion, die gespeicherte Wärme einsetzt, und einer Regenerationsreaktion, die die Menge der gespeicherten Wärme (insbesondere eine Katalysatortemperatur), die aufgrund der Reformerreaktion abgesenkt ist, wiederherstellt, alternierend umgeschaltet wird, und wird die Brennstoffreformerreaktion in zumindest einem Reformer durchgeführt und wird die Regenerationsreaktion in dem anderen zumindest einem Reformer durchgeführt (im folgenden kann die Wasserstoff erzeugende Vorrichtung als „PSR-Reformervorrichtung" bezeichnet werden).
  • Die Reformerreaktionen gemäß der Erfindung umfassen die folgende Dampfreformerreaktion, die eine endotherme Reaktion ist, und die folgende partielle Oxidationsreaktion, die eine exotherme Reaktion ist: CnH2n+2 + nH2O → (2n + 1)H2 + nCO (1) CnH2n+2 + (n/2)O2 → (n + 1)H2 + nCO (2)
  • Wenn eine Wasserstoff erzeugende Vorrichtung beispielsweise zwei Reformerreaktoren aufweist, wird die Reformerreaktion, die eine endotherme Reaktion ist, in einem Reformer unter Verwendung der darin gespeicherten Wärme durchgeführt, während die Regenerationsreaktion, die eine exotherme Reaktion ist, in dem anderen Reformer durchgeführt wird; und wird der Reformer zu der Regenerationsreaktion umgeschaltet, wenn die Menge der in dem einen Reformer gespeicherten Wärme sich bei der Dampfreformerreaktion (hauptsächlich der Reaktion (1)) verringert, und wird der andere Reformer zu der Brennstoffreformerreaktion unter Verwendung der durch die Regenerationsreaktion gespeicherten Wärme umgeschaltet. Eine derartige Konfiguration beseitigt den Bedarf nach einer zusätzlichen Heizvorrichtung oder Ähnlichem, und es ist möglich, die Wasserstofferzeugung mit einer hohen Wärmeenergieeinsatzeffizienz durch Wiederholen des Umschaltens fortzusetzen.
  • In einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung werden eine Dampfreformerreaktion ebenso wie eine partielle Oxidationsreaktion durch Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Gases zu einem von mehreren PSR-Reformern durchgeführt, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, um die Sauerstoffkonzentration in der Reformerreaktionsatmosphäre zu erhöhen. Wenn demgemäß beispielsweise eine Menge eines Reformprodukts sich aufgrund einer Vergrößerung der Menge eines erforderlichen Wasserstoffreformerprodukts in dem Fall vergrößert, dass unter anderem der Variationsbereich der Last groß ist, verringert sich die Katalysatortemperatur, insbesondere die Menge der gespeicherten Wärme beträchtlich. Das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung kann effektiv eine Verringerung der Wasserstofferzeugungsgeschwindigkeit aufgrund der Reduktion der Reaktionstemperatur in Verbindung mit der Verringerung der Menge der gespeicherten Wärme verhindern, kann die erforderliche Menge des Wasserstoffs beibehalten und die Länge des Umschaltzyklus von der Reformerreaktion zu der Regenerationsreaktion verlängern.
  • In einem solchen Fall ist es wünschenswert, die Menge des zu reformierenden Reaktanten zu vergrößern, da die Wasserstofferzeugungseffizienz verringert wird, wenn das Verhältnis der partiellen Oxidationsreaktion erhöht wird.
  • In der vorliegenden Erfindung wird als Reaktant, der zu reformieren ist, der einer Reformerreaktion in einem PSR-Reformer unterzogen wird, ein Brennstoff aus Kohlenwasserstoffbrennstoffen ausgewählt, die im Allgemeinen zum Gewinnen von synthetischen Gasen, die Wasserstoff und Kohlenmonoxid (insbesondere Wasserstoff) enthalten, durch eine Reformerreaktion, wie z. B. Dampfreformieren verwendet werden (beispielsweise Methangas und Benzin).
  • Das Brennstoffzellensystem in einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist eine Wasserstoff erzeugende Vorrichtung auf, die in dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung genannt ist, und die Wasserstoff erzeugende Vorrichtung weist zumindest zwei Reformerreaktoren, die einen Katalysator enthalten, in denen ein zu reformierender Reaktant einer Reformerreaktion an dem erhitzten Katalysator unterzogen wird, wenn der zu reformierende Reaktant zugeführt wird, und wird ein Verbrennungsbrennstoff einer Verbrennungsreaktion unterzogen, um den Katalysator zu erwärmen, wenn der Verbrennungsbrennstoff zugeführt wird, und eine Zuführeinheit zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Gases zu zumindest einem der Reformerreaktoren, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, und eine Brennstoffzelle auf, die Elektrizität durch Zuführen des reformierten Wasserstoff enthaltenden Gases erzeugt, das in der Wasserstoff erzeugenden Vorrichtung erzeugt wird, wobei die Zuführeinheit, die die Wasserstoff erzeugende Vorrichtung bildet, ein Kathodenauslassgas, das von der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, direkt zu zumindest einem Reformerreaktor zuführt, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, so dass ein Sauerstoff enthaltendes Gas zu dem Reformerreaktor zugeführt wird.
  • Da das Kathodenauslassgas, das von der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, eine relativ betrachtet höhere Temperatur hat, können Wasser und Restsauerstoff, die in dem Kathodenauslassgas enthalten sind, effizient durch direktes Zuführen des ausgestoßenen Kathodenauslassgases in den Reformerreaktor eingesetzt werden, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, und kann durch den Einsatz der Abgaswärme eine drastische Verringerung der Menge der gespeicherten Wärme verhindert werden, kann nämlich die Verringerung der Temperatur des Katalysators aufgrund der endothermen Dampfreformerreaktion verhindert werden, und kann stabil elektrische Leistung ungeachtet der Lastschwankungen erzeugt werden. Der Restsauerstoff wird in der partiellen Oxidationsreaktion verwendet, während das Wasser in der Dampfreformerreaktion verwendet wird.
  • Demgemäß kann im Vergleich mit den herkömmlichen Brennstoffzellensystemen, bei denen das Kathodenauslassgas zu einem Reformerreaktor als Reaktant für die Dampfreformerreaktion nach einer separaten Rückgewinnung des Wassers in dem Kathodenauslassgas zugeführt wird, das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung die Abgaswärme in dem Kathodenauslassgas einsetzen und effektiv die Effizienz des Einsatzes der Wärme in dem Gesamtsystem verbessern, da kein Bedarf nach einer Verdampfung von Wasser durch Erhitzen beispielsweise mit einer zusätzlichen Heizung besteht, wenn zurückgewonnenes Wasser zum Reformieren zugeführt wird.
  • In dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist es wirksam, eine Brennstoffzelle zu verwenden, die einen Elektrolyt einsetzt, der eine Elektrolytschicht hat, die an zumindest einer Wand einer Wasserstoff permeablen Metallschicht ausgebildet ist. Eine derartige Brennstoffzelle, die einen Elektrolyt einsetzt, der eine an zumindest einer Wand einer Wasserstoff permeablen Metallschicht ausgebildete Elektrolytschicht einsetzt, hat einen Betriebstemperaturbereich von 300 bis 600°C, was nahezu derselbe wie der Reaktionstemperaturbereich ist, bei dem die Reformerreaktion voranschreitet; und somit ist die Konstitution des Systems, bei dem das Kathodenauslassgas der Brennstoffzelle in den PSR-Reformer eingeführt wird, wirksam zum Verhindern eines drastischen Abfalls der Katalysatortemperatur in Verbindung mit der endothermen Dampfreformerreaktion. Sie beseitigt ebenso den Bedarf nach der Vorwärmung des Gases vor der Gaseinführung, und somit ist das System insbesondere geeignet vom Blickwinkel der effektiven Verwendung thermischer Energie.
  • Es kann so konfiguriert werden, dass eine Dampfreformerreaktion und eine partielle Oxidationsreaktion in zumindest einem Reaktor von mehreren Reformerreaktoren durchgeführt werden kann, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird. Wenn die Brennstoffzelle von dem Leistungserzeugungsbetrieb unter niedriger Last zu demjenigen unter hoher Last (im Übergang) umgestellt wird, ist es wünschenswert, die Temperaturbedingungen während der Reformerreaktion und innerhalb eines geeigneten Bereichs durch Installieren einer Reaktionssteuereinheit zu steuern, so dass das Verhältnis der partiellen Oxidationsreaktion in dem Reformerreaktor, insbesondere das Verhältnis „a"(<1) der partiellen Oxidationsreaktion mit Bezug auf 1 der Dampfreformerreaktion unter hoher Last größer als das Verhältnis „b"(<1) der partiellen Oxidationsreaktion mit Bezug auf 1 der Dampfreformerreaktion unter niedriger Last wird, nämlich dass „a" > "b" gilt.
  • In der Übergangsperiode von einem Niedriglastzustand zu einem Hochlastzustand vergrößert sich die erforderliche Menge des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle beträchtlich und kann die Menge des Dampfs in dem Kathodenauslassgas nicht mit dem Anstieg der erforderlichen Menge des Dampfs durch den PSR-Reformer mithalten, was eine Verzögerung der Zufuhr des Kathodenauslassgases und eine weitergehende Verringerung der Menge der gespeicherten Wärme, insbesondere eine Reduktion der Katalysatortemperatur zur Folge hat. Die partielle Oxidationsreaktion ist eine exotherme Reaktion, die keinen Dampf erfordert, und es ist möglich, eine drastische Reduktion der Menge der gespeicherten Wärme zu verhindern und eine hohe Temperatur des Katalysators bis zu einem gewissen Ausmaß aufrecht zu erhalten, und somit die Menge des durch das Reformieren erzeugten Wasserstoffs ungeachtet einer Variation einer Last durch Erhöhen des Anteils der partiellen Oxidationsreaktion aufrecht zu erhalten, die in der Dampfreformerreaktion durchgeführt wird. Ferner ist es möglich, die Erzeugung von Ruß durch Vergrößern der Menge des in der Atmosphäre vorhandenen Wasserstoffs zu verhindern. Somit ist es möglich, den stabilen Leistungserzeugungsbetrieb kontinuierlich durchzuführen.
  • Zum Erhöhen des Verhältnisses der partiellen Sauerstoffreaktion ist es vorzuziehen, ein Verfahren zum Erhöhen einer Menge des zu der kathodenseitigen Wand der Brennstoffzelle zuzuführenden Sauerstoffs oder zum Fördern der freien Luft oder der Kühlluft, die zum Kühlen der Brennstoffzelle verwendet wird, von einem separat ausgebildeten Förderpfad in den Reformerreaktor zu verwenden, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird. Es ist wünschenswert, eine Menge des zu reformierenden Recktanten zu vergrößern, da eine Erhöhung des Verhältnisses der partiellen Oxidationsreaktion eine Verringerung der Wasserstofferzeugungseffizienz zur Folge hat.
  • Das Brennstoffzellensystem in dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann eine Kühleinheit mit einem Kühlmedium, wie z. B. Luft oder Wasser haben, und es ist ebenso wirksam, das Kathodenauslassgas ebenso wie das von der Kühleinheit ausgestoßene Kühlmedium in zumindest einen der Vielzahl der Reformerreaktoren zuzuführen, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird. Auf diese Weise kann die Reformerreaktion beschleunigt werden und kann die Menge des für die partielle Sauerstoffreaktion notwendigen Sauerstoffs aufrechterhalten werden, wenn diese durchgeführt wird.
  • Zusätzlich hat das Brennstoffzellensystem in dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Reaktionssteuereinheit zum Steuern der Reaktionen, so dass die Bedingung der vorstehend erwähnten Ungleichung a > b erfüllt wird, und zum Steuern der Reaktionen, um den Umschaltzyklus für eine hohe Last zwischen der Reformerreaktion und der Verbrennungsreaktion in jedem Reformerreaktor kürzer als denjenigen für eine niedrige Last zu machen, wenn die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle von niedrig zu hoch geändert wird (Übergangsperiode).
  • Wie vorstehend beschrieben ist, fällt die Menge der gespeicherten Wärme (die Katalysatortemperatur) in der Übergangsperiode oft beträchtlich ab, und somit ist es möglich, die endotherme Reformerperiode zu verkürzen, eine drastische Reduktion der Menge der gespeicherten Wärme zu verhindern und die Temperatur des Katalysators bis zu einem gewissen Ausmaß hochzuhalten, indem der Umschaltzyklus für eine hohe Last von der Reformerreaktion zu der Regenerationsreaktion kürzer als derjenige für niedrige Last gemacht wird. Als Folge ist es möglich, den Leistungserzeugungsbetrieb ungeachtet der Variation der Last stabil durchzuführen.
  • Die Reformerreaktion wird unter Verwendung der in dem Reformer gespeicherten Wärme durchgeführt, wobei der erzeugte reformierte Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Reduktion der in dem Reformer gespeicherten Wärme durch das Dampfreformieren des Kraftstoffs kann in der exothermen Verbrennungsreaktion wiederhergestellt werden. Dadurch stellt die Erfindung ein System zur Verfügung, das die Brennstoffreformiereffizienz aufrechterhalten kann und eine stabile kontinuierliche Leistungserzeugung ungeachtet einer Brennstoffzellenlaständerung von niedrig zu hoch durchführen kann.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Gestaltungsdiagramm, das das Brennstoffzellensystem in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm, das spezifisch die Gestaltung eines Teils des Brennstoffzellensystems in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht, die den PSR-Reformer in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle (HMFC) in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 5 ist ein Ablaufdiagramm, das die Reaktionsratensteuerroutine zeigt, die in der Übergangsperiode in dem Brennstoffzellensystem in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
  • 6 ist ein Ablaufdiagramm, das die Umschaltzyklussteuerroutine zeigt, die in der Übergangsperiode in dem Brennstoffzellensystem in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
  • 7 ist ein Ablaufdiagramm, das eine weitere Umschaltzyklussteuerroutine zeigt, die in der Übergangsperiode in dem Brennstoffzellensystem ausgeführt wird.
  • 8 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein weiteres typisches Beispiel der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 9 ist eine schematische Querschnittsansicht, die noch ein weiteres Beispiel der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • BESTER WEG ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugaufnahme auf die 1 bis 9 beschrieben, und es werden Details der Wasserstoff erzeugenden Vorrichtung gemäß der Erfindung spezifisch beschrieben.
  • Das Brennstoffzellensystem in dem Ausführungsbeispiel ist ein System, das eine Wasserstoff erzeugende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hat, die zum Einbau in einem Elektrofahrzeug ausgelegt ist, das mit einer Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle (HMFC) ausgestattet ist, die einen für Protonen leitfähigen Keramikfilm, der an der Fläche der Wasserstoff permeablen Metallmembran aufgeschichtet ist, als ihren Elektrolytfilm einsetzt, bei der Leistung erzeugt wird, während der Wasserstoff, der durch Reformieren der Wasserstoff erzeugenden Vorrichtung erzeugt wird, zu der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle als Brennstoff für die Leistungserzeugung zugeführt wird.
  • Die Wasserstoff erzeugende Vorrichtung wird hauptsächlich für den Fall beschrieben, dass beispielsweise Benzin oder ein Gasgemisch aus Benzin und Dampf als Reaktant verwendet wird, der in der Reformerreaktion zu reformieren ist (als Reaktant, der zu reformieren ist), und ein Anodenauslassgas in der Brennstoffzelle (und Benzin, Wasserstoff und dergleichen nach Bedarf) als der Verbrennungsbrennstoff verwendet wird, der in der Verbrennungsreaktion (Regenerationsreaktion) zu verbrennen ist. Jedoch ist die Erfindung nicht auf das folgende Ausführungsbeispiel zu beschränken.
  • Wie in 1 gezeigt ist, hat die Brennstoffzelle in dem Ausführungsbeispiel eine PSR-Reformervorrichtung 1 mit einem ersten PSR-Reformer (PSR1) 10 und einem zweiten PSR-Reformer (PSR2) 20, die jeweils einen Katalysator und eine Einspritzvorrichtung haben, was ein alternierendes Umschalten zwischen einer Reformerreaktion und einer Regenerationsreaktion gestattet, und eine Wasserstoffseperationsmembranbrennstoffzelle (HMFC) 30 zum Erzeugen elektrischer Leistung unter Verwendung des durch das Reformieren in den jeweiligen PSR-Reformern erzeugten Wasserstoffs.
  • Das alternierende Umschalten zwischen den Reformer- und Regenerationsreaktionen in dem ersten PSR-Reformer 10 und dem zweiten PSR-Reformer 20 wird durch Umschalten eines Strömungskanals zum Zuführen von Benzin oder Gasgemisch aus Benzin und Dampf (des zu reformierenden Recktanten) zu den PSR-Reformern, eines Strömungskanals zum Zuführen eines Anodenauslassgases zu den PSR-Reformern, eines Strömungskanals zum Ausstoßen eines wasserstoffreichen Gases, das durch Reformieren erzeugt wird (Wasserstoff enthaltendes Gas), von dem PSR-Reformer und dergleichen unter Verwendung einer Vielzahl von Umschalteinheiten, und insbesondere durch Umschalten der Vielzahl von Ventilen durchgeführt, die durch eine Steuereinheit gesteuert werden.
  • Die Basiskonfiguration des Brennstoffzellensystems in dem Ausführungsbeispiel wird zunächst kurz unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 ist ein schematisches Diagramm zum Erklären der Konfiguration des Brennstoffzellensystems.
  • Ein Zuführrohr 101, das Benzin oder ein Gasgemisch aus Benzin und Dampf zuführt (einen zu reformierenden Recktanten), und ein Rohr 102 oder 103 sind über ein Ventil Va mit einem Ende von jeweils dem ersten PSR-Reformer 10 oder dem zweiten PSR-Reformer 20 verbunden, und der zu reformierende Reaktant wird zu dem jeweiligen PSR-Reformer durch Umschalten des Ventils Va zugeführt.
  • Ein Ausstoßrohr 104 oder 105 zum Ausstoßen des wasserstoffreichen Gases, das durch das Dampfreformieren von Benzin in der Reformerreaktion erzeugt wird, ist mit dem anderen Ende des PSR-Reformers 10 oder des PSR-Reformers 20 über ein Umschaltventil Vb verbunden, und ein Wasserstoffzuführrohr 106 steht in Verbindung mit einer Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle (im Folgenden einfach als „Brennstoffzelle" bezeichnet) 30 über das Ventil Vb, so dass Wasserstoff als Brennstoff zur Leistungserzeugung zu der Brennstoffzelle 30 kontinuierlich durch Umschalten des Ventils Vb zugeführt wird. Ein Wasserstofftank zum zeitweiligen Speichern von Wasserstoff (beispielsweise eine Wasserstoffspeichervorrichtung, ein Hochdrucktank oder Ähnliches) kann an dem Wasserstoffzuführrohr 106 zum Steuern der Menge des zu der Brennstoffzelle 30 zuzuführenden Wasserstoffs oder zum Zuführen eines zusätzlichen Brennstoffs zur Leistungserzeugung angeordnet werden, wenn die Menge der in dem PSR-Reformer gespeicherten Wärme beispielsweise dann gering wird, wenn die Zelle betätigt wird.
  • Ein Ausstoßrohr 107 zum Ausstoßen des Anodenauslassgases aus der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 30 und ein Zuführrohr 108 oder 109 zum Zuführen des ausgestoßenen Anodenauslassgases in den jeweiligen PSR-Reformer ist über ein Ventil Vc mit dem anderen Ende des jeweiligen PSR-Reformers 10 und des PSR-Reformers 20 verbunden. Das Anodenauslassgas, das ein Verbrennungsbrennstoff ist, wird zu den PSR-Reformern, in denen die Regenerationsreaktion durchgeführt wird, durch Umschalten des Ventils Vc zugeführt.
  • Das jeweilige Ende des Wasserstoffzuführrohrs 106 und des Ausstoßrohrs 107 ist mit der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 30 verbunden, und zusätzlich sind ein Luftzuführrohr 111, das Luft mit hohem Sauerstoffgehalt (Oxidationsmittel) zum Leistungserzeugungsbetrieb zuführt, und ein Ausstoßrohr 112, das das Kathodenauslassgas ausstößt, das in der Brennstoffzelle erzeugt wird, mit der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 30 verbunden. Die Brennstoffzelle arbeitet, wenn der durch das Reformieren erzeugte Wasserstoff und die Luft zu der Brennstoffzelle 30 zugeführt werden, und das Auslassgas wird nach der Leistungserzeugung (einschließlich der Anoden- und Kathodenauslassgase) von der Zelle nach außen ausgestoßen.
  • Ein Ende der jeweiligen Zuführrohre 113 und 114 zum Zuführen des Kathodenauslassgases zu den PSR-Reformern 10 und 20 ist jeweils mit einem Ventil Vd verbunden, das mit dem anderen Ende des Ausstoßrohrs 112 verbunden ist, und das Kathodenauslassgas wird zu dem PSR-Reformer, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, durch Umschalten des Ventils Vd zugeführt. Das Kathodenauslassgas ist eine Sauerstoffquelle und ein Teil zu reformierenden Recktanten, die der partiellen Oxidationsreaktion während der Reformerreaktion unterzogen werden.
  • Wenn beispielsweise die Regenerationsreaktion in dem PSR-Reformer 10 durchgeführt wird und die Reformerreaktion in dem PSR-Reformer 20 durchgeführt wird, wird das Ventil Vd umgeschaltet, um zu gestatten, dass das Ausstoßrohr 112 in Verbindung mit dem Zuführrohr 114 steht, und werden die Ventile Va bis Vc jeweils umgeschaltet, um die Verbindung des Zuführrohrs 101 mit dem Rohr 103, des Ausstoßrohrs 105 mit dem Wasserstoffzuführrohr 106 und des Ausstoßrohrs 107 mit dem Zuführrohr 109 zu gestatten; und wird das Kathodenauslassgas, das von der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, für die Reformerreaktion gemeinsam mit einem Gasgemisch aus Benzin und Dampf (einem zu reformierenden Recktanten) verwendet und wird das Anodenauslassgas von der Brennstoffzelle 30 als Verbrennungsbrennstoff bei der Regenerationsreaktion verwendet.
  • Wenn die Menge der in dem PSR-Reformer 20 gespeicherten Wärme für die Reformerreaktion sich verringert, kann eine Reformerreaktion in dem PSR-Reformer 10 durchgeführt werden und kann eine Regenerationsreaktion in dem PSR-Reformer 20 durchgeführt werden, in dem die jeweiligen Ventile noch einmal umgeschaltet werden. Der PSR-Reformer 10, in dem die Regenerationsreaktion durchgeführt werden kann, befindet sich dann in einem Zustand, in welchem die Menge der gespeicherten Wärme vergrößert wird, so dass er die Reformerreaktion durchführen kann. In diesem Fall werden das Ausstoßrohr 112 und das Zuführrohr 113 miteinander durch Umschalten des Ventils Vd in Verbindung gebracht und werden das Zuführrohr 101 und das Rohr 102 miteinander in Verbindung gebracht, werden das Ausstoßrohr 104 und das Wasserstoffzuführrohr 106 miteinander in Verbindung gebracht und werden das Ausstoßrohr 107 und das Zuführrohr 108 miteinander in Verbindung gebracht, indem die Ventile Va bis Vc jeweils umgeschaltet werden.
  • Das Brennstoffzellensystem in dem Ausführungsbeispiel wird im Einzelnen unter Bezugnahme auf 2 hauptsächlich als Beispiel beschrieben, bei dem die Reformerreaktion in dem PSR-Reformer 10 durchgeführt wird und die Regenerationsreaktion in dem PSR-Reformer 20 durchgeführt wird.
  • Eine Einspritzvorrichtung 13 zum Einspritzen eines zu reformierenden Recktanten, von Benzin oder einem Gasgemisch aus Benzin und Dampf, und eine Einspritzvorrichtung 14 zum Einspritzen eines Kathodenauslassgases aus der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle (HMFC) 30 sind mit einem Ende des ersten PSR-Reformers (PSR1) 10 verbunden. Die Einspritzvorrichtung 13 ist mit einem Ende des Zuführrohrs 102 verbunden, das Benzin als Brennstoff zuführt, der einen zu reformierenden Recktanten bildet, (und Dampf oder ein Gasgemisch aus Benzin und Dampf nach Bedarf) und die Einspritzvorrichtung 14 ist mit einem Ende des Zuführrohrs 113 zum Zuführen des Kathodenauslassgases verbunden. Der zu reformierende Reaktant (Benzin oder ein Gasgemisch aus Benzin und Dampf), der durch das Zuführrohr 102 zugeführt wird, wird von der Einspritzvorrichtung 13 mit einem breiten Winkel eingespritzt, und das Kathodenauslassgas, das durch das Zuführrohr 113 zugeführt wird, wird von der Einspritzvorrichtung 14 mit einem breiten Winkel eingespritzt, so dass der zu reformierende Reaktant oder das Gas an dem in dem PSR-Reformer 10 angeordneten Katalysator reagieren kann.
  • Ein Ende des Ausstoßrohrs 104 zum Ausstoßen eines wasserstoffreichen Gases, das in der Dampfreformerreaktion erzeugt wird, ist mit dem anderen Ende des PSR-Reformers 10 verbunden; und das andere Ende des Rohrs 104 ist mit der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 30 verbunden, so dass Wasserstoff als Brennstoff zur Leistungserzeugung zu dieser zugeführt werden kann. Ein Ende eines Ausstoßrohrs 107 ist mit der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 30 verbunden; ein Ende eines Zuführrohrs 108, das ein Ventil V2 hat, ist mit dem anderen Ende des Ausstoßrohrs 107 verbunden, so dass die Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 30 in Verbindung mit dem PSR-Reformer 20 über das Ausstoßrohr 107 und das Zuführrohr 108 steht. Das Anodenauslassgas, das von der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 30 ausgestoßen wird, wird zu dem PSR-Reformer 20 über das Ausstoßrohr 107 und das Zuführrohr 108 zugeführt.
  • Ferner ist ein Ende eines Brennstoffzuführrohrs 120, das ein Ventil V6 hat, mit einem mittleren Punkt des Zuführrohrs 108 verbunden, so dass die Zugabemenge des Benzins oder des Wasserstoffgases als Verbrennungsbrennstoff zur Verwendung bei der Regenerationsreaktion zusätzlich zu dem Anodenauslassgas gesteuert werden kann. Ein Ende eines Bypassrohrs 116, das ein Ventil V4 hat, ist mit einem mittleren Punkt des Ausstoßrohrs 104 verbunden, so dass die Erhöhung oder Verringerung der Brennstoffmenge durch Steuern der Durchflussrate durch das Ventil V4 eingestellt werden kann. Wenn demgemäß die Menge des Wasserstoffs (des Verbrennungsbrennstoffs), der von dem Zuführrohr 108 zugeführt wird, beispielsweise dann geringer ist, wenn die Leistungserzeugung rasch von einem Niedriglast- zu einem Hochlastbetrieb umgeschaltet wird, so dass die Menge des Wasserstoffs, die für die Brennstoffzelle 30 erforderlich ist, sich vergrößert, oder wenn ein Umschalten zwischen dem Reformieren und der Regeneration häufig in einer kurzen Zeitdauer durchgeführt wird, wird der Einsatzfaktor des Anodenauslassgases durch Zuführen von Wasserstoff von außen oder eines Teils des erzeugten reformierten Wasserstoffs zu dem PSR-Reformer 20, in dem die Regenerationsreaktion durchgeführt wird, gesteuert und kann die Größe des Anstiegs oder der Verringerung des Verbrennungsbrennstoffs, der in der Regenerationsreaktion verwendet wird, über einen breiten Bereich gesteuert werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Wärmeakkumulation in dem PSR-Reformer 20 zu beschleunigen, in dem die Regenerationsreaktion durchgeführt wird, und den Umschaltzyklus zwischen den Reformer- und Regenerationsreaktionen zu verkürzen.
  • Zusätzlich kann die Förderrate zu dem PSR-Reformer 20 gesteuert werden, so dass sie sich als Reaktion auf den Betriebszustand der Leistungserzeugung nicht verändert, indem ein Drosselventil zum Einstellen der Rate der Anodenauslassgasströmung gemäß dem Grad einer Öffnung des Ventils oder ein Wasserstoffpuffertank (beispielsweise eine Wasserstoff absorbierende Vorrichtung oder ein Hochdrucktank) in dem Zuführrohr 108 vorgesehen wird und in dem der Grad der Öffnung des Drosselventils oder die Zufuhr des Wasserstoffs von dem Wasserstoffpuffertank eingestellt wird.
  • Ein Ende eines Ausstoßrohrs 109, das mit einer Verbrennungseinrichtung (nicht gezeigt) verbunden ist, ist mit dem Ventil V2 verbunden, und ein Ende eines Rückführrohrs 110, das mit dem Ausstoßrohr 104 in Verbindung steht, ist mit dem Ventil V2 verbunden. Wenn Wasserstoff (Anodenauslassgas) überschüssig mit einer Menge, die für die Regenerationsreaktion erforderlich ist, von dem Zuführrohr 108 zu dem PSR-Reformer 20 zugeführt wird, ist es möglich, die Variation der Menge des Wasserstoffs und von Anderem (Verbrennungsbrennstoff), was verwendet wird, durch Reinigen des Auslassgases in der Verbrennungseinrichtung zu steuern, um das gereinigte Gas aus dem anderen Ende des Ausstoßrohrs 109 nach außen auszustoßen, wenn das Zuführrohr 108 mit dem Ausstoßrohr 109 durch das Ventil V2 in Verbindung steht. Wenn das Zuführrohr 108 mit dem Rückführrohr 110 durch das Ventil V2 in Verbindung steht, wird das Anodenauslassgas in das Wasserstoffzuführrohr 106 zurückgeführt und wird das Gas als Brennstoff zur Leistungserzeugung verwendet.
  • Alternativ kann der überschüssige Wasserstoff in einem Wasserstoffspeichertank gespeichert werden, der separat vorgesehen ist und den Wasserstoff absorbiert, und kann eine Menge des Wasserstoffs (des Verbrennungsbrennstoffs), der zuzuführen ist, durch Zuführen des Wasserstoffs von diesem zu dem PSR-Reformer 20 nach Bedarf gesteuert werden.
  • Ein Ende eines Luftzuführrohrs 111 zum Zuführen von Luft mit hohem Sauerstoffgehalt (eines Oxidationsgases) für den Leistungserzeugungsbetrieb und ein Ende eines Ausstoßrohrs 112 zum Ausstoßen des Kathodenauslassgases, das in der Zellenreaktion erzeugt wird, sind zusätzlich mit der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle verbunden, und die Brennstoffzelle 30 steht mit dem PSR-Reformer 10 über ein Zuführrohr 113 und das Ventil V1 in Verbindung.
  • Ferner ist ein Ende eines Zuführrohrs 119 zusätzlich mit dem Ventil V1 verbunden, und die Brennstoffzelle 30 steht mit dem PSR-Reformer 20 über das Zuführrohr 119 und das Ausstoßrohr 112 in Verbindung. Es ist ebenso möglich, die Menge der Luft (der verbrennungsunterstützenden Luft) zur Verbrennung des Wasserstoffs oder ähnlichem (des Verbrennungsbrennstoffs) in dem Anodenauslassgas, das zu dem PSR-Reformer 20 zugeführt wird, zu steuern, die Sauerstoffmenge darin in einem erwünschten Bereich einzustellen und die Temperatur durch Zuführen des Kathodenauslassgases bei einer relativ hohen Temperatur zu regulieren.
  • Ein Kühlrohr 115 mit einem Ventil V3, das Kühlluft (ein Kühlmedium) einführt, die von der Atmosphäre durch ein Ende des Rohrs 115 eingeführt wird, ist innerhalb der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 30 angeordnet, und das Innere der Zelle wird durch einen Wärmeaustausch mit der Kühlluft in dem Kühlrohr gekühlt. Das andere Ende des Kühlrohrs 115 ist mit dem PSR-Reformer 20 verbunden, und es ist möglich, die Kühlluft, die durch die Verwendung zum Kühlen erwärmt wird, direkt in den PSR-Reformer 20 zuzuführen, die Temperatur in dem Reformer aufrecht zu erhalten, die Durchflussrate zu steuern und die Luft als verbrennungsunterstützende Luft zur Verbrennung des Verbrennungsbrennstoffs, wie z. B. des Wasserstoffs oder ähnlichem, in dem Anodenauslassgas bei der Regenerationsreaktion zu verwenden. Eine derartige Konfiguration ist ebenso wirksam zur Verkürzung des Umschaltzyklus zwischen den Reformer- und Regenerationsreaktionen.
  • Ferner kann die Förderrate der Kühlluft zu dem PSR-Reformer 20 so gesteuert werden, dass sie sich als Reaktion auf den Betriebszustand der Leistungserzeugung nicht verändert, und kann die Menge des Sauerstoffs innerhalb eines erwünschten Bereichs durch Bereitstellen eines Drosselventils zum Steuern der Menge der Kühlluft gemäß dem Grad der Öffnung des Ventils oder eines Puffertanks (beispielsweise einer Sauerstoffadsorptionsvorrichtung oder eines Hochdrucktanks) in dem Kühlrohr 115 eingestellt werden, um das Drosselventil zu betätigen oder die Luft von dem Puffertank zuzuführen.
  • Einspritzvorrichtungen 23, 24, 25 und 26 sind mit einer Wand des PSR-Reformers 20 verbunden und so konfiguriert, dass die Gase mit einem breiten Winkel auf den Katalysator eingespritzt werden können, der in dem PSR-Reformer 20 enthalten ist.
  • Die Einspritzvorrichtung 23 ist mit dem anderen Ende des Zuführrohrs 108 verbunden und die Einspritzvorrichtung 24 ist mit dem anderen Ende des Kondensatorrohrs 115 verbunden. Die Einspritzvorrichtung 25 ist mit dem anderen Ende des Zuführrohrs 119 verbunden und ein Teil des Kathodenauslassgases kann zusätzlich in den PSR-Reformer 20 als verbrennungsunterstützende Luft zugeführt werden. Die Einspritzvorrichtung 26 ist ebenso mit dem anderen Ende des Beipassrohrs 116 verbunden und ein Teil des wasserstoffreichen Gases, das durch Reformieren erzeugt wird, kann zusätzlich in den PSR-Reformer 20 als Verbrennungsbrennstoff zugeführt werden.
  • Ein Ende des Rückführrohrs 117, das ein Ventil V5 zum Wiederverwerten des Gases von der inneren Atmosphäre nach der Regenerationsreaktion hat, und ein Ende des äußeren Ausstoßrohrs 118 zum Ausstoßen des Gases von der inneren Atomosphäre nach der Regenerationsreaktion sind mit der anderen Wand des PSR-Reformers 20 verbunden. Das andere Ende des Rückführrohrs 117 ist mit einem mittleren Punkt in dem Zuführrohr 108 verbunden, um eine Zirkulationssystem auszubilden, so dass das Innere des PSR-Reformers 20 auf einer hohen Temperatur durch Zurückfördern des Hochtemperaturgases nach der Regenerationsreaktion in den PSR-Reformer 20 gehalten werden kann.
  • Wie in 3 gezeigt ist, hat der erste PSR-Reformer 10 einen zylindrischen Behälter 11, der einen kreisförmigen Querschnitt hat, dessen beide Enden geschlossen sind, und einen Katalysator (Katalysatorhalteabschnitt) 12, der an der inneren Fläche des zylindrischen Behälters 11 gehalten ist, und bildet der zylindrische Behälter 11 einen Raum zum Durchführen von Reaktionen und Funktionen als Katalysatorhalteelement.
  • Der zylindrische Behälter 11 ist mit einer hohlzylindrischen Gestalt mit einer wabenförmigen Keramik ausgebildet, die einen kreisförmigen Querschnitt von 10 cm in die Breite hat, und beide Endflächen von dieser in Längsrichtung sind geschlossen. Die Querschnittsgestalt und die Abmessung des Behälters kann frei wählbar bestimmt werden und jede Gestalt, beispielsweise eine kreisförmige, rechteckige oder ovale Form oder jede Abmessung kann frei in Abhängigkeit vom Zweck oder ähnlichem ausgewählt werden.
  • Der Katalysator 12 wird nur an der inneren gekrümmten Fläche des zentralen Abschnitts in Längsrichtung des zylindrischen Behälters gehalten, der Katalysator 12 wird nämlich an allen Flächen außer den Nicht-Katalysatorhalteabschnitten, 12A und 12B, von einer Länge „A" von beiden Enden in die Längsrichtungen innerhalb des zylindrischen Behälters gehalten, an denen kein Katalysator gehalten wird (siehe 2). Beispiele von Katalysatoren 12 zur Verwendung umfassen Metalle, wie z. B. Pd, Ni, Pt, Rh, Ag, Ce, Cu, La, Mo, Mg, Sn, Ti, Y und Zn und dergleichen.
  • Wenn die Reformerreaktion an dem Katalysator 12 durchgeführt wird, wird das wasserstoffreiche Gas, das durch Reformieren erzeugt wird, in dem Nicht-Katalysatorhalteabschnitt 12A an der stromabwärtigen Seite in die Gasausstoßrichtung gekühlt und kann mit einer Temperatur in der Nähe der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zugeführt werden. Wenn dagegen die Reformerreaktion zu der Regenerationsreaktion umgeschaltet wird, hat sich der Nicht-Katalysatorhalteabschnitt 12A schon auf einer angehobenen Temperatur durch einen Wärmeaustausch mit dem wasserstoffreichen Gas befunden, und somit wird der Verbrennungsbrennstoff, der in die Richtung gefördert wird, die entgegengesetzt zu der Strömung des wasserstoffreichen Gases ist, in dem Nicht-Katalysatorhalteabschnitt 12A vorgewärmt und dem Katalysator 12 zugeführt. Somit ist es möglich, eine Temperaturverteilung zu erhalten, bei der die gespeicherte Wärme in dem zentralen Abschnitt, die den Katalysator 12 in den zylindrischen Behälter 11 hält, sich erhöht, je näher zu der Mitte vorangeschritten wird, was im Hinblick auf die Reaktivität vorteilhaft ist.
  • Ein Temperatursensor 15 zum Messen der Temperatur des Katalysators ist an der inneren gekrümmten Fläche des zylindrischen Behälters 11 angeordnet und steuert die Reaktion gemäß der Katalysatortemperatur.
  • Der Aufbau des zweiten PSR-Reformers 20 ist demjenigen des ersten PSR-Reformers 10 ähnlich und die Reformer- und Regenerationsreaktionen in dem zweiten PSR-Reformer 20 werden untereinander in Relation zu der in dem ersten PSR-Reformer 10 durchgeführten Reaktion umgeschaltet (ob nämlich die Reaktion eine Reformerreaktion oder eine Regenerationsreaktion ist).
  • Wie in 4 gezeigt ist, weist die Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle (HMFC) 30 einen Elektrolytfilm 51, die eine dichte Wasserstoff permeable Schicht hat, die aus einem Wasserstoff permeablen Metall ausgebildet ist, und eine Sauerstoffelektrode (O2-Elektrode) 52 sowie eine Wasserstoffelektrode (H2-Elektrode) 53 auf, die den Elektrolytfilm 51 dazwischen halten, bei der Wasserstoff selektiv durchsetzt wird, um Elektrizität zu erzeugen, wenn das wasserstoffreiche Gas, das durch das Reformieren in dem PSR-Reformer 10 erzeugt wird, der Brennstoffzelle 30 zugeführt wird.
  • Luftströmungskanäle 59a zum Führen der Luft als Oxidationsgas, nämlich zum Zuführen und Ausstoßen der Luft, sind zwischen der Sauerstoffelektrode 52 und dem Elektrolytfilm 51 ausgebildet. Brennstoffkanäle 59b zum Führen eines wasserstoffreichen Brennstoffgases (wasserstoffreiches Gas, das durch Reformieren erzeugt wird) nämlich zum Zuführen und Ausstoßen des wasserstoffreichen Brennstoffgases sind zwischen der Wasserstoffelektrode 53 und dem Elektrolytfilm 51 ausgebildet. Die Sauerstoffelektrode 52 und die Wasserstoffelektrode 53 können aus verschiedenartigen Materialien, wie z. B. Kohlenstoff (beispielsweise Kohlenstoffpulver, das Platin trägt, oder einer Legierung, die aus Platin und einem anderen Metall besteht) und einer Elektrolytlösung (beispielsweise NAFION-Solution, hergestellt von Aldrich-Chemical) vorbereitet werden.
  • Der Elektrolytfilm 51 hat einen Vierschichtaufbau mit einem dichten Basismaterial aus Vanadium (V)(dichte Wasserstoff permeable Schicht aus einem Wasserstoff permeablen Metall) 56. Palladiumschichten (Pd-Schichten)(dichte wasserstoffpermeable Schichten, die aus einem wasserstoffpermeablen Material ausgebildet sind) 55 und 57 sind ausgebildet, um die beiden Flächen des Basismaterials 56 einzufassen, und ferner ist eine dünne Elektrolytschicht 54 aus BaCeO3 (Festoxid) an der entgegengesetzten Fläche der Pd-Schicht 55 zu der Fläche ausgebildet, die in Kontakt mit dem Basismaterial 56 steht.
  • Anders als Vanadium kann das Basismaterial 56 aus Niob oder Tantal oder einer Legierung vorbereitet werden, die zumindest eines von Niob, Tantal, zusätzlich zu Vanadium (V) enthält, da ein derartiges Basismaterial höchst Wasserstoff permeabel und relativ kostengünstig ist.
  • Die Elektrolytschicht (BaCeo3-Schicht) 54 kann aus BaCeO3, einem SrCeO3-basierten keramischen Protonenleiter oder ähnlichem vorbereitet werden.
  • Beispiele der Wasserstoff permeablen Metalle umfassen zusätzlich zu Palladium, Vanadium, Niob, Tantal, und Legierungen, die zumindest eines dieser Elemente enthalten, Palladiumlegierungen und dergleichen. Durch Bereiststellen einer dichten Schicht, die diese Materialien enthält, kann die Elektrolytschicht geschützt werden.
  • Die dichte Schicht (der Film), der aus einem Wasserstoff permeablen Metall an der Sauerstoffelektrodenseite ausgebildet ist, enthält vorzugsweise beispielsweise Vanadium (reines Vanadium, eine Legierung aus Vanadium und Nickel oder ähnliches), Niob, Tantal oder eine Legierung, die zumindest eines dieser Materialien enthält, da diese Materialien im Allgemeinen eine hohe Wasserstoffpermeabilität und geringe Kosten aufweisen. Diese Materialien können auf die Wasserstoffelektrode als dichte Schicht aufgebracht werden, aber sie werden vorzugsweise auf die Sauerstoffelektrodenseite zur Verhinderung einer Wasserstoffversprödung aufgebracht. Beispielsweise ist die Verwendung von Palladium oder einer Palladiumlegierung für die dichte Schicht an der Wasserstoffelektrodenseite vom Standpunkt einer relativ hohen Wasserstoffpermeabilität und einer Beständigkeit gegenüber Wasserstoffversprödung vorzuziehen.
  • Wie in 4 gezeigt ist, kann, wenn die Brennstoffzelle einen geschichteten Dreischichtaufbau hat, der aus einer Pd-Schicht 55/Basismaterial 56/Pd-Schicht 57 besteht, insbesondere einem laminierten Aufbau von zwei oder mehreren Schichten, die aus verschiedenen Metallen bestehen (dichte Schichten aus Wasserstoff permeablen Materialien), eine die Metalldiffusion verhindernde Schicht zur Verhinderung einer Diffusion von Metall von einer Metallschicht zu einer anderen Metallschicht an zumindest einem Teil der Schnittstelle zwischen den Schichten ausgebildet werden, die aus verschiedenen Metallen ausgebildet sind (siehe beispielsweise 8 und 9). Die die Metalldiffusion verhindernde Schicht ist in der japanischen Patenanmeldungsoffenlegung Nr. 2004-146337 , Absätze [0015] bis [0016] beschrieben.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, kann der geschichtete Aufbau als Schichtaufbau aus Palladium (Pd)/Vanadium (V)/Pd oder als Fünfschichtaufbau aus Pd/Tantal (Ta)/V/Ta/Pd oder ähnlichem ausgebildet werden. Wie vorstehend beschrieben ist, hat V eine schnellere Permeabilität für Protonen oder Wasserstoffatome und geringere Kosten als Pd, aber geringere Fähigkeiten der Dissoziation eines Wasserstoffmoleküls in Protonen, und somit ist es möglich, die Permeabilität durch Bereitstellen einer Pd-Schicht oder von Pd-Schichten mit einer höheren Fähigkeit der Dissoziation von Wasserstoffmolekülen zu Protonen an einer Fläche oder beiden Flächen der V-Schicht anzuheben. In diesem Fall ist es möglich, eine wechselseitige Diffusion zwischen den verschiedenen Metallen zu verhindern und die Verringerung der Wasserstoffpermeabilität und der elektromotorischen Kraft der Brennstoffzelle durch Ausbilden einer die Metalldiffusion verhindernden Schicht zwischen den Metallschichten zu verhindern.
  • Die Elektrolytschicht 54 besteht aus einem Festoxid, und eine reaktionsverhindernde Schicht zum Verhindern der Reaktion zwischen den Sauerstoffatomen in der Elektrolytschicht und dem Pd kann an zumindest einem Teil der Schnittstelle zwischen der Elektrolytschicht 54 und der Pd-Schicht 55 ausgebildet werden (siehe beispielsweise die reaktionsverhindernde Schicht 65 in 8). Die reaktionsverhindernde Schicht ist in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2004/146337 , Absätze [0024] bis [0025] geschrieben.
  • Durch den Aufbau des Elektrolytfilms 51, der aus einem Basisvanadiummaterial eines dichten Wasserstoff permeablen Materials ausgebildet ist, und eine anorganische Elektrolytschicht, die an der kathodenseitigen Fläche der Brennstoffzelle ausgebildet ist, kann der Elektrolytfilm 51 dünner ausgeführt werden und kann die Betriebstemperatur der Hochtemperaturfestoxidbrennstoffzellen (SOFC) auf einen Temperaturbereich von 300 bis 600°C abgesenkt werden. Somit ist das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung geeignet aufgebaut, bei dem das Kathodenauslassgas, das von der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, direkt in den PSR-Reformer zur Reformerreaktion zugeführt wird.
  • Bei der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 30 wird elektrische Leistung nach außen von der Zelle durch die elektrochemischen Reaktionen (Zellenreaktionen) abgegeben, die durch die folgenden Gleichungen (1) bis (3) dargestellt werden, wenn ein wasserstoffreiches Gas, das eine hohe Wasserstoffkonzentration (H2-Konzentration) hat, zu den Brennstoffkanälen 59b zugeführt wird, und Sauerstoff enthaltende Luft (O2-enthaltende Luft) in die Luftkanäle 59a zugeführt wird. Die Gleichungen (1) und (2) stellen die Reaktionen an der Anode bzw. der Kathode dar und die Gleichung (3) stellt die Gesamtreaktion in der Brennstoffzelle dar. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2) O2 + 2H+ + 2e- → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
  • Die PSR-Reformer 10 und 20 (PSR-Reformervorrichtungen), die Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle (HMFC) 30, die Ventile V1 bis V6, die Einspritzvorrichtungen 13 und 14, die Einspritzvorrichtungen 23, 24, 25, 26, der Temperatursensor 15 und dergleichen sind elektrisch mit einer Steuereinheit 100 verbunden, und die Betriebszeitabstimmungen von diesen werden durch die Steuereinheit 100 gesteuert. Die Steuereinheit 100 führt die Steuerung eines normalen Leistungserzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle durch, bei dem die Abgabe durch Regulieren der Mengen von Wasserstoffgas und Luft in Abhängigkeit vom Niveau der Last (nicht gezeigt) gesteuert wird, die mit der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle verbunden ist, und ebenso werden die Reaktionen zwischen der Reformerreaktion und der Regenerationsreaktion in den PSR-Reformervorrichtungen gesteuert (einschl. der Reaktionssteuerung, wenn sich eine Veränderung der Last während des Leistungserzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle ergibt).
  • Wenn in diesem Ausführungsbeispiel der PSR-Reformer 10 von der Regenerationsreaktion zu der Reformerreaktion umgeschaltet wird und der PSR-Reformer 20 von der Reformerreaktion zu der Regenerationsreaktion umgeschaltet wird, vergrößert sich die Menge der in dem PSR-Reformer 10 gespeicherten Wärme, und wenn Benzin oder ein Gasgemisch aus Benzin und Dampf (zu reformierender Reaktant) auf den Katalysator von der Einspritzvorrichtung 13 eingespritzt und zugeführt wird, wird die Dampfreformation des Benzins an dem Katalysator durchgeführt, um ein wasserstoffreiches synthetisches Gas (wasserstoffreiches Gas) zu erzeugen, und ferner wird das Kathodenauslassgas, das von der Brennstoffzelle 30 ausgestoßen wird, von der Einspritzvorrichtung 14 eingespritzt. Das Kathodenauslassgas enthält hauptsächlich Restsauerstoff, der bei der Zellenreaktion nicht verbraucht wurde, und Wasser, das bei der Zellenreaktion erzeugt wurde. In diesem Stadium befindet sich die Brennstoffzelle 30 in dem normalen Leistungserzeugungszustand, nämlich in dem Zustand, in dem Luft zugeführt wird und das Ausstoßrohr 112 und das Zuführrohr 113 miteinander über das Ventil V1 in Verbindung stehen. Die Reformerreaktion wird vorzugsweise unter einer Bedingung von gespeicherter Wärme von 300 bis 1100°C durchgeführt.
  • Da die Reformerreaktion eine Endothermreaktion ist, besteht eine Tendenz der Verringerung der Menge der gespeicherten Wärme (insbesondere der Katalysatortemperatur) und ergibt sich ein drastischer Abfall der Temperatur, wenn die Reformerreaktion kontinuierlich durchgeführt wird, was eine Verringerung der Wasserstofferzeugungsfähigkeit durch das Reformieren zur Folge hat, aber ist es möglich, den Temperaturabfall durch Zuführen des Kathodenauslassgases, das eine relativ hohe Temperatur hat, auszugleichen und die partielle Oxidationsreaktion an dem Katalysator durchzuführen. Da die partielle Oxidationsreaktion eine endotherme Reaktion ist, ist es möglich, einen stabilisierten Leistungserzeugungsbetrieb ungeachtet der Veränderung der Last durch gleichzeitiges Durchführen der endothermen Reformerreaktion und der exothermen Regenerationsreaktion fortzusetzen.
  • Wenn der Zündschalter eingeschaltet wird, wenn die Menge der in dem PSR-Reformer 10 beispielsweise noch gering ist, die Brennstoffzelle durch Zuführen von Wasserstoff, der in dem Wasserstofftank gespeichert ist, der mit dem Wasserstoffzuführrohr 6 verbunden ist, betätigt und wird das ausgestoßene Kathodenauslassgas zu dem PSR-Reformer 10 zugeführt, so dass die Temperatur des Reformers 10 durch die gewonnene Wärme erhöht, und wird die partielle Oxidationsreaktion des Recktanten, der zu reformieren ist, graduell durchgeführt, um somit die Menge der gespeicherten Wärme zu vergrößern und darauf eine normale Reformerreaktion durchzuführen.
  • Das somit durch das Reformieren erzeugte wasserstoffreiche Gas wird in dem Nicht-Katalysatorhalteabschnitt 12A an der Seite des PSR-Reformers 10 abgekühlt, mit dem das Ausstoßrohr 104 verbunden ist, über das Ausstoßrohr 104 zu der Anodenseite der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 30 zugeführt, im Leistungserzeugungsbetrieb (der Zellenreaktion) verbraucht, durch das Ausstoßrohr 104 als Anodenauslassgas ausgestoßen und über das Zuführrohr 108 von der Einspritzvorrichtung 23 eingespritzt. Das Anodenauslassgas enthält hauptsächlich Restwasserstoff, der in der Zellenreaktion nicht verbraucht wurde, CO und CH4. Es ist möglich, die Förderrate des Anodenauslassgases in dem PSR-Reformer 20 dann durch Umschalten des Ventils V2 zu steuern, um das Zuführrohr 108 mit dem Rückführrohr 110 oder dem Ausstoßrohr 109 in Verbindung zu bringen.
  • Das Anodenauslassgas ebenso wie ein Teil der Kühlluft der Brennstoffzelle 30 und das Kathodenauslassgas zur Verwendung als Sauerstoffquelle zur Verbrennung werden in den PSR-Reformer 20 von den Einspritzvorrichtungen 24 bzw. 25 eingespritzt, um den eingespritzten Wasserstoff an dem Katalysator zu verbrennen und somit die Menge der gespeicherten Wärme zu vergrößern, insbesondere die Katalysatortemperatur durch Verbrennungserwärmung anzuheben. Der Nicht-Katalysatorhalteabschnitt (12A) an der Seite des PSR-Reformers 20, dem das Anodenauslassgas und dergleichen zugeführt wird, wurde durch die Reformerreaktion erwärmt, die vorgenommen wird, bevor die Regenerationsreaktion ähnlich wie vorstehend angegeben durchgeführt wird, und befindet sich somit in dem Zustand, in welchem die Wärme effektiv verwendet werden kann, da der Katalysator 12 noch einmal durch einen Wärmeaustausch mit dem Anodenauslassgas oder ähnlichem erwärmt wird, das während der Regenerationsreaktion zugeführt wird.
  • Wenn der Betrag der Verbrennung nur mit dem Anodenauslassgas gering ist, die Menge der gespeicherten Wärme unzureichend ist oder die Wärmespeicherung in einer kurzen Dauer nicht durchgeführt werden kann, ist es möglich, die Menge der gespeicherten Wärme ausreichend und rasch durch Verbrennungserwärmen durch Zuführen eines Teils des wasserstoffreichen Gases, das durch Reformieren erzeugt wird, von der Einspritzvorrichtung 26, die mit dem Bypassrohr 116 verbunden ist, oder von Benzin und Wasserstoffgas über das Brennstoffzuführrohr 120 von außen als Verbrennungsbrennstoff zu vergrößern oder zurückzustellen.
  • Das Gas in dem Reformer nach der Verbrennung wird durch das Ausstoßrohr 118 nach außen ausgestoßen. Die Rückführung des Gases in dem Reformer nach der Verbrennung über das Rückführrohr 117 in das Zuführrohr 108 führt zu einer Vergrößerung der Menge der verbrennungsunterstützenden Luft, und die Temperaturen des Anodenauslassgases und der verbrennungsunterstützenden Luft, die in die Einspritzvorrichtung 23 zugeführt werden, werden gesteuert.
  • In Folgenden wird die Steuerroutine durch die Steuereinheit 100 bei dem Brennstoffzellensystem in dem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 beschrieben, und als Beispiel wird insbesondere eine Steuerroutine zum Umschaltsteuern der Reformer- und Regenerationsreaktionen erklärt, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 30 von einer niedrigen Last zu einer hohen Last geändert wird.
  • Zuerst wird dann, wenn die Brennstoffzelle 30 von einem Leistungserzeugungsbetrieb unter niedriger Last zu demjenigen unter hoher Last umgestellt wird (in einer Übergangsperiode), die Reaktionsratensteuerroutine zum Steuern der Reaktion vorgenommen, so dass das Verhältnis der partiellen Oxidationsreaktion zu der Reformerreaktion unter hoher Last (Verhältnis des Grades des Fortschritts einer partiellen Oxidationsreaktion zu dem Grad des Fortschritts einer Reformerreaktion) größer als dasjenige unter niedriger Last ist.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, gelangt die Brennstoffzelle 30, nachdem der Zündschalter eingeschaltet wird, in den normalen Leistungserzeugungsbetrieb und schreitet die normale Reformerreaktion in einem der PSR-Reformer 10 und 20 der PSR-Reformvorrichtung 1 voran und schreitet die normale Regenerationsreaktion in dem anderen voran und werden die Reformer- und Regenerationsreaktionen bei einer vorbestimmten Umschaltzeitabstimmung untereinander umgeschaltet. Die Umschaltbetriebe können beispielsweise dann durchgeführt werden, wenn die Temperatur des Katalysators in dem PSR-Reformer, in dem die Reformerreaktion gerade durchgeführt wird (reformierender PSR-Reformer), eine Temperatur wird, die niedriger als die Temperatur ist, bei der das Reformieren durchgeführt wird, oder wenn die Zeitdauer nach der Einleitung der Reaktion eine vorbestimmte Umschaltsteuerdauer übersteigt.
  • Insbesondere wird, wie in 1 gezeigt ist, das Ausstoßrohr 112 in Verbindung mit dem Zuführrohr 113 gebracht, wird das Rohr 102 in Verbindung mit dem PSR-Reformer 10 gebracht, wird das Ausstoßrohr 104 in Verbindung mit dem Wasserstoffzuführrohr 106 gebracht bzw. wird das Ausstoßrohr 107 in Verbindung mit dem Zuführrohr 108 gebracht. Wie in 2 gezeigt ist, wird dann, wenn die Reformerreaktion in dem PSR-Reformer 10 gestartet wird und die Regenerationsreaktion in dem PSR-Reformer 20 gestartet wird, Benzin oder ein Gasgemisch aus Benzin und Dampf (zu reformierender Reaktant) von der Einspritzvorrichtung 13 auf den Katalysator in dem PSR-Reformer 10 zugeführt und wird das Kathodenauslassgas von der Einspritzvorrichtung 14 zugeführt, so dass ein wasserstoffreiches Gas durch das Dampfreformieren des Benzins erzeugt wird. Die Temperatur des Katalysators 12 in dem PSR-Reformer 10 wird abgesenkt, wenn die Dampfreformerreaktion voranschreitet, wie in 1 gezeigt ist, wenn die Temperatur des Katalysators 12, die durch einen Temperatursensor 15 erfasst wird, einen vorbestimmten Wert (beispielsweise eine Temperatur, bei der das Reformieren durchgeführt werden kann) oder darunter, wobei das Ausstoßrohr 112 in Verbindung mit dem PSR-Reformer 20 (Zuführrohr 114) durch Umschalten eines Ventils Vd (nicht gezeigt in 2) gebracht wird. Das Zuführrohr 101, das Wasserstoffzuführrohr 106 und das Ausstoßrohr 107 werden mit dem PSR-Reformer 20 (dem Rohr 103, dem Ausstoßrohr 105, dem Zuführrohr 109) durch Umschalten der Ventile Va bis Vc (in 2 nicht gezeigt) in Verbindung gebracht und der PSR-Reformer 10 wird von der Reformerreaktion zu der Regenerationsreaktion umgeschaltet bzw. der PSR-Reformer 20 wird von der Regenerationsreaktion zu der Reformerreaktion umgeschaltet. Wenn darauf die Temperatur des Katalysators 12 aufgrund einer kontinuierlichen Dampfreformerreaktion in dem PSR-Reformer 20 abgesenkt wird und wenn die erfasste Temperatur eine Temperatur erreicht, die gleich wie oder geringer als ein vorbestimmter Wert ist (beispielsweise eine Temperatur, bei der das Reformieren durchgeführt werden kann), wird die Rohrkonfiguration, die in 2 gezeigt ist, erneut ausgebildet und wird der PSR-Reformer 10 von der Regenerationsreaktion zu der Reformerreaktion umgeschaltet und wird der PSR-Reformer 20 von der Reformerreaktion zu der Regenerationsreaktion umgeschaltet.
  • Wenn die Brennstoffzelle 30 von einem Leistungserzeugungsbetrieb unter Niedriglast auf denjenigen unter Hochlast (im Übergang) vor der nächsten Umschaltperiode umgestellt wird, wird eine Reaktionsratensteuerroutine ausgeführt, um das Verhältnis der partiellen Oxidationsreaktion unter hoher Last größer als das der partiellen Oxidationsreaktion unter niedriger Last zu machen. 5 zeigt die Reaktionsratensteuerroutine, das Verhältnis der partiellen Oxidation unter hoher Last größer als das Verhältnis der partiellen Oxidation unter niedriger Last zu machen.
  • Wenn die Routine ausgeführt wird, wird in Schritt 100 beurteilt, ob die Reaktion in dem PSR-Reformer 10 eine Reformerreaktion oder eine Regenerationsreaktion ist, und wenn die Reaktion eine Reformerreaktion ist, wird in Schritt 102 beurteilt, ob das Brennstoffzellensystem sich in der Übergangsperiode befindet. Wenn andererseits in Schritt 100 beurteilt wird, dass die Reaktion eine Regenerationsreaktion ist, endet die Routine, da es nicht notwendig ist, die partielle Oxidationsreaktion progressiv durchzuführen.
  • In Schritt 102 wird beurteilt, ob der Wert der Veränderung der Last P (= t – s), wenn das System sich in der Übergangsperiode befindet, insbesondere wenn die Brennstoffzelle von einem Niedriglastzustand „s" zu einem Hochlastzustand „t" umgestellt wird, größer als ein vorbestimmter Wert Q ist, und wenn der Wert der Veränderung der Last P größer als der vorbestimmte Wert Q ist, wird die Öffnung des Ventils V1 vergrößert und wird die Menge der Luft (des Oxidationsmittels), die zu der Brennstoffzelle (FC) 30 zugeführt wird, in Schritt 104 vergrößert.
  • Somit ist es möglich, die Menge des Ausstoßes des Kathodenauslassgases zu vergrößern, die Förderrate des Kathodenauslassgases zu vergrößern, das von der Einspritzvorrichtung 14 zugeführt wird, und das Sauerstoffgehaltverhältnis in dem Kathodenauslassgas anzuheben, wenn es keine Veränderung der Last gibt. Die Sauerstoffkonzentration in dem PSR-Reformer kann höher als die Sauerstoffkonzentration in dem PSR-Reformer unter Niedriglast gemacht werden. Wenn demgemäß die Reformerreaktion unter hoher Last t durchgeführt wird (partielle Oxidationsrate Zt), kann das Verhältnis der partiellen Oxidationsreaktion höher als das Verhältnis der partiellen Oxidationsreaktion gemacht werden, wenn die Reformerreaktion unter niedriger Last s durchgeführt wird (partielle Oxidationsrate Zs). Dabei ist es vorzuziehen, die Förderrate des Benzins oder eines Gasgemischs aus Benzin und Dampf zu vergrößern, da die Wasserstofferzeugungseffizienz verringert ist.
  • Wenn dagegen in Schritt 102 beurteilt wird, dass die Veränderung der Last P nicht größer als der vorbestimmte Wert Q ist, endet die Routine, da es nicht notwendig ist, die partielle Oxidationsreaktion aktiv durchzuführen.
  • Als nächstes wird in Schritt 106 entschieden, ob die Temperatur t1 des Katalysators 12 in dem PSR-Reformer 10 ein vorbestimmter Wert T1 oder höher ist, und wenn beurteilt wird, dass die Temperatur t1 höher als der vorbestimmte Wert T1 ist, wird die Menge des Wasserstoffs ungeachtet einer beträchtlich großen Veränderung der Last nicht abgesenkt, da die partielle Oxidationsreaktion unter der Bedingung von Zs > Zt durchgeführt wird, wird eine beträchtliche Verringerung der Menge der gespeicherten Wärme verhindert und wird die Katalysatortemperatur auf einer höheren Temperatur bis zu einem gewissen Ausmaß gehalten. In dem nächsten Schritt 108 wird erneut entschieden, ob die Veränderung der Last P noch größer als der vorbestimmte Wert Q ist, und die Routine endet, wenn beurteilt wird, dass die Veränderung der Last P der vorbestimmte Wert Q oder geringer ist.
  • Wenn andererseits beurteilt wird, dass die Veränderung der Last P noch den vorbestimmten Wert Q in Schritt 108 übersteigt, wird entschieden, ob die Temperatur t1 des Katalysators den vorbestimmten Wert T1 oder höher hat, wird zu Schritt 106 zurückgekehrt und schreitet die Routine zu Schritt 108 unter der Bedingung voran, dass die Temperatur t1 nicht geringer als der vorbestimmte Wert T1 ist. Wenn beurteilt wird, dass die Temperatur t1 geringer als der vorbestimmte Wert T1 ist, befindet sich das System in dem Zustand von Zs ≤ Zt oder in einem Zustand, bei dem auch dann, wenn die Bedingung von Zs > Zt erfüllt ist, dies ein unzureichendes Ausmaß ist, und ist es notwendig, das Verhältnis der partiellen Oxidationsreaktion noch einmal anzuheben. Demgemäß wird entschieden, ob die Temperatur t1 des Katalysators nicht höher als die vorbestimmte Temperatur T0 für die Umschaltsteuerung in Schritt 107 ist, und wenn beurteilt wird, dass die Temperatur t1 höher als die Temperatur T0 für die Umschaltsteuerung ist, kehrt die Routine zu Schritt 104 zurück, da die Umschaltzeitabstimmung zum Umschalten von der Reformerreaktion zu der Regenerationsreaktion nicht vorliegt. Ferner wird die Förderrate des Kathodenauslassgases, das von der Einspritzvorrichtung 14 zugeführt wird, auf eine ähnliche Weise wie bei dem vorstehend genannten Schritt 104 vergrößert.
  • Wenn in Schritt 106 beurteilt wird, dass die Temperatur t1 geringer als der vorbestimmte Wert T1 nach einer Vergrößerung der Luftzufuhr ist, befindet sich das System in dem Zustand, in dem eine Zeitdauer erforderlich ist, um den vorbestimmten Wert T1 zu erreichen, oder in dem Zustand, in welchem das Verhältnis der partiellen Oxidationsreaktion unzureichend ist, und kehrt die Routine zu Schritt 104 unter der Bedingung zurück, dass die Katalysatortemperatur t1 höher als die Temperatur T0 der Umschaltsteuerung ist, und wird die Öffnung des Ventils V1 vergrößert und wird die Menge der Luft (des Oxidationsmittels), die zu der Brennstoffzelle 30 zugeführt wird, vergrößert. Auf diese Weise wird die Förderrate des Kathodenauslassgases von der Einspritzvorrichtung 14 vergrößert und wird das Verhältnis der partiellen Oxidationsreaktion in der Reformerreaktion vergrößert, so dass die Effizienz zur Erwärmung durch die Verbrennung verbessert werden kann. Wenn in Schritt 106 beurteilt wird, dass die Temperatur t1 nicht geringer als der vorbestimmte Wert T1 ist, schreitet darauf die Routine zu Schritt 108 voran und wird das System gesteuert, wie vorstehend beschrieben ist.
  • Wenn in Schritt 107 beurteilt wird, dass die Temperatur t1 nicht höher als die Temperatur T0 für die Umschaltsteuerung ist, ist die Temperatur des Katalysators auf eine Temperatur abgefallen, bei der die Reformerreaktivität unzureichend ist, und somit ist es notwendig, zu der Regenerationsreaktion umzuschalten. Daher wird der PSR-Reformer 10 von der Reformerreaktion zu der Regenerationsreaktion umgeschaltet und endet die Routine. Dabei wird der PSR-Reformer 20 von der Regenerationsreaktion zu der Reformerreaktion umgeschaltet. Anstelle der Umschaltung auf der Grundlage der Temperatur, wie vorstehend beschrieben ist, können die Reaktionen gemäß der Zeit umgeschaltet werden, bei der die Zeitdauer von der Einleitung der Reaktion (Zyklusperiode) eine vorbestimmte Umschaltsteuerperiode (Zyklusperiode > Umschaltsteuerperiode) in Schritt 107 übersteigt.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, kann eine beträchtliche Verringerung der Menge der in dem PSR-Reformer 10 gespeicherten Wärme verhindert werden und kann die Temperatur des Katalysators 12 durch Vergrößern des Verhältnisses der partiellen Oxidationsreaktion in der Reformerreaktion aufrecht erhalten werden, so dass die Menge des durch das Reformieren erzeugten Wasserstoffs auch in einer Übergangsperiode sichergestellt werden kann und die Erzeugung von Ruß aufgrund der Vergrößerung der Menge des Sauerstoffs vermieden werden kann. Somit kann der Erzeugungsbetrieb für elektrische Leistung zuverlässig und kontinuierlich durchgeführt werden.
  • Eine Umschaltzyklussteuerroutine zum Steuern des Umschaltzyklus zwischen der Reformer- und der Verbrennungsreaktion in dem jeweiligen PSR-Reformer, wobei der Umschaltzyklus unter hoher Last kürzer als der Umschaltzyklus unter niedriger Last wird, wenn die Brennstoffzelle 30 von dem Leistungserzeugungsbetrieb unter niedriger Last zum Leistungserzeugungsbetrieb unter hoher Last umgestellt wird (in der Übergangsperiode), wird nachstehend beschrieben. Die Umschaltzeitabstimmung (das Umschaltintervall) wird durch Überwachen des Werts, der durch einen Temperatursensor erfasst wird, der an jedem PSR-Reformer angebracht ist, und unter Verwendung des Werts als Referenzwert bestimmt.
  • Die Umschaltzyklussteuerroutine wird ebenso ausgeführt, wenn die Brennstoffzelle 30 von dem Leistungserzeugungsbetrieb unter niedriger Last zu dem Leistungserzeugungsbetrieb unter hoher Last vor der nächsten Umschaltzeitabstimmung (in der Übergangsperiode) umgestellt wird.
  • 6 zeigt eine Umschaltzyklussteuerroutine, in der der Zyklus zwischen dem Umschalten der Reformerreaktion und der Regenerationsreaktion verkürzt wird, wenn die Temperatur des PSR-Reformers in der Reformerreaktion niedriger als die Grenztemperatur ist oder die Temperatur des PSR-Reformers in der Regenerationsreaktion höher als die Grenztemperatur ist.
  • Wenn die Routine ausgeführt wird, wird beurteilt, ob die Veränderung der Last P (= t – s) höher als der vorbestimmte Wert Q in Schritt 200 ist, wenn das Brennstoffzellensystem sich in der Übergangsperiode befindet, wenn insbesondere die Brennstoffzelle von einem Zustand unter niedriger Last „s" zu einem Zustand unter hoher Last „t" umgestellt wird, und wenn die Veränderung der Last P den vorbestimmten Wert Q übersteigt, schreitet die Routine zu Schritt 202 voran, werden die Temperatur t2 des PSR-Reformer 10 und die Temperatur t3 des PSR-Reformer 20 von den Temperatursensoren eingegeben, und wenn beurteilt wird, dass die Last P nicht höher als der vorbestimmte Wert Q ist, endet die Routine, da es nicht erforderlich ist, die partielle Oxidationsreaktion aktiv durchzuführen.
  • In dem nächsten Schritt 204 wird beurteilt, ob eine der Bedingungen, dass die Temperatur t2 des PSR-Reformers 10 niedriger als der Grenzwert T2 ist (t2 < T2), und/oder die Temperatur t3 des PSR-Reformers 20 nicht geringer als der Grenzwert T3 ist (t3 ≥ T3), erfüllt ist, und wenn beurteilt wird, dass eine der Bedingungen erfüllt ist, werden die Öffnungen der jeweiligen Ventile verändert, um in Schritt 206 den PSR-Reformer 10 erzwungen von der Reformerreaktion zu der Regenerationsreaktion umzuschalten und den PSR-Reformer 20 von der Regenerationsreaktion zu der Reformerreaktion umzuschalten.
  • Auf diese Weise kann die Wasserstoffmenge ungeachtet der Veränderung der Last sichergestellt werden, wenn die für die Brennstoffzelle erforderliche Menge Wasserstoff rasch in einem Übergang von dem Niedriglastzustand zu dem Hochlastzustand ansteigt, und kann der kontinuierliche stabile Erzeugungsbetrieb für elektrische Leistung erhalten werden.
  • Wenn in Schritt 200 beurteilt wird, dass die beiden Bedingungen t2 < T2 und t3 ≥ T3 nicht erfüllt sind, da die Veränderung der Last P den vorbestimmten Wert Q übersteigt und die Gefahr eines drastischen Abfalls der Effizienz der Wasserstofferzeugung besteht, wird die Routine zu Schritt 200 zurückgeführt, um erneut zu bestimmen, ob die Veränderung der Last P den vorbestimmten Wert Q übersteigt, und wird das System auf eine ähnliche Weise gesteuert, wie vorstehend beschrieben ist.
  • Im Folgenden wird ein weiteres Beispiel der Umschaltzyklussteuerroutine beschrieben. 7 zeigt eine Umschaltzyklussteuerroutine, bei der der Zyklus der Umschaltung alternierend zwischen der Reformerreaktion und der Regenerationsreaktion verkürzt wird, wenn die Temperatur des PSR-Reformers, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, geringer als eine Grenztemperatur wird, bevor die Temperatur des PSR-Reformers, in dem Regenerationsreaktion durchgeführt wird, höher als eine Grenztemperatur wird.
  • Wenn die Routine ausgeführt wird, wird in Schritt 300 beurteilt, ob die Veränderung der Last P (= t – s), wenn das Brennstoffzellensystem sich in der Übergangsperiode befindet, insbesondere wenn die Brennstoffzelle zu dem Übergangszustand von einem Niedriglastzustand „s" zu einem Hochlastzustand „t" verschoben wird, den vorbestimmten Wert Q übersteigt, und wenn beurteilt wird, dass die Veränderung der Last P größer als der vorbestimmte Wert Q ist, werden die Temperatur t2 des PSR-Reformers 10 und die Temperatur t3 des PSR-Reformers 20 von den Temperatursensoren in Schritt 302 eingegeben. Wenn beurteilt wird, dass die Veränderung der Last P nicht höher als der vorbestimmte Wert Q ist, endet die Routine, da es nicht notwendig ist, die partielle Oxidationsreaktion aktiv durchzuführen.
  • Als nächstes wird in Schritt 304 beurteilt, ob die Temperatur t2 des PSR-Reformers 10 geringer als der Grenzwert T2 ist (t2 < T2), wobei dann, wenn t2 < T2 erfüllt ist, es notwendig ist, den PSR-Reformer 10 von der Reformerreaktion zu der Regenerationsreaktion umzuschalten. Daher wird in dem nächsten Schritt 306 beurteilt, ob die Temperatur t3 des PSR-Reformers 20 nun niedriger als der Grenzwert T3 ist, und wenn t3 ≥ T3 erfüllt ist, wird in Schritt 312 der Öffnungs- oder Schließzustand der jeweiligen Ventile umgeschaltet, um den PSR-Reformer 10 erzwungen von der Reformerreaktion zu der Regenerationsreaktion umzuschalten und den PSR-Reformer 20 von der Regenerationsreaktion zu der Reformerreaktion umzuschalten, und endet die Routine.
  • Wenn andererseits in Schritt 306 beurteilt wird, dass t3 < T3 erfüllt ist, insbesondere dass die Temperatur t2 des PSR-Reformers 10, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, die Bedingung von t2 < T2 erfüllt, bevor die Temperatur t3 des PSR-Reformers 20, in dem die Regenerationsreaktion durchgeführt wird, die Bedingung von t3 ≥ T3 erfüllt, wird der Öffnungsgrad des Ventils V1 vergrößert, um eine Menge der Luft (des Oxidationsmittels), die zu der Brennstoffzelle 30 zugeführt wird, in Schritt 308 zu vergrößern.
  • Somit ist es möglich, die Ausstoßmenge des Kathodenauslassgases und die Förderrate des Kathodenauslassgases, die von der Einspritzvorrichtung 14 während der Periode zugeführt werden, bevor die Bedingung von t3 ≥ T3 erfüllt ist, zu vergrößern, und den Sauerstoffgehalt in dem Kathodenauslassgas in dem Zustand zu erhöhen, in dem die Veränderung der Last nicht stattfindet. Demgemäß kann das Verhältnis der partiellen Oxidationsreaktion durch Durchführung der Reformerreaktion in dem Zustand unter einer hohen Last „s" mit einer überschüssigen Menge Sauerstoff im Vergleich mit einer Menge Sauerstoff unter einer niedrigen Last „t" vergrößert werden, so dass die Menge des durch das Reformieren erzeugten Wasserstoffs sichergestellt werden kann und der Leistungserzeugungsbetrieb stabil kontinuierlich auch in der Übergangsperiode durchgeführt werden kann. Somit ist es möglich, rasch zu dem stationären Betrieb überzugehen, in dem die Regenerations- und Reformerreaktionen synchron durchgeführt werden.
  • Als nächstes wird in dem nächsten Schritt 310 noch einmal beurteilt, ob die Temperatur t3 des PSR-Reformers 20 die Bedingung von t3 ≥ T3 erfüllt, und wenn beurteilt wird, dass die Bedingung von t3 ≥ T3 erfüllt wird, kann die Reformerreaktion vorzugsweise in dem PSR-Reformer 20 durchgeführt werden, so dass in Schritt 312 der Grad der Öffnung der jeweiligen Ventile verändert wird, um den PSR-Reformer 10 erzwungen von der Reformerreaktion zu der Regenerationsreaktion umzuschalten und den PSR-Reformer 20 von der Regenerationsreaktion zu der Reformerreaktion umzuschalten, und endet die Routine.
  • Wenn in Schritt 310 beurteilt wird, dass die Bedingung noch t3 < T3 erfüllt, befindet sich das System in dem Zustand, bei dem eine Zeitdauer erforderlich ist, um den vorbestimmten Wert T3 zu erreichen, oder das Verhältnis der partiellen Oxidationsreaktion unzureichend ist. Demgemäß wird der Grad der Öffnung des Ventils V1 vergrößert und wird die Menge der zu der Brennstoffzelle 30 zugeführten Luft vergrößert, wobei zu Schritt 308 zurückgeführt wird. Darauf werden, wenn in Schritt 310 beurteilt wird, dass die Bedingung von t3 ≥ T3 erfüllt ist, der Öffnungs- und Schließungsgrad der jeweiligen Ventile auf eine ähnliche Weise wie vorstehend beschrieben ist geändert, und endet die Routine.
  • In dem vorstehend genannten Schritt 308 wird die Förderrate der zu der Brennstoffzelle 30 zugeführten Luft vergrößert, um die partielle Oxidationsreaktion zu vereinfachen, aber der Katalysator kann ebenso durch eine Heizvorrichtung, wie z. B. eine elektrische Heizung erwärmt werden, die in der Nähe des Katalysators angeordnet ist, bis die Bedingung von t3 ≥ T3 erfüllt ist. In diesem Fall kann die Menge des Wasserstoffs in der Übergangsperiode sichergestellt werden und kann der Leistungserzeugungsbetrieb stabil kontinuierlich durchgeführt werden. Somit ist es möglich, rasch zu dem stationären Betrieb überzugehen, in dem die Regenerationsreaktion und die Reformerreaktion synchron durchgeführt werden.
  • Wenn in Schritt 304 beurteilt wird, dass die Bedingung von t2 ≥ T2 erfüllt ist, befindet sich das System in einem Zustand, in dem die Veränderung der Last P den vorbestimmten Wert Q übersteigt, und es besteht eine Gefahr des drastischen Abfalls der Effizienz der Wasserstofferzeugung, werden unter Rückkehr zu Schritt 302 beide Temperaturen t2 und t3 eingegeben und wird das System auf eine Weise gesteuert, die derjenigen ähnlich ist, die vorstehend angegeben ist.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, ist die Fortsetzungszeit der Reformerreaktion in jedem der PSR-Reformer kürzer als die Fortsetzungszeit der Reformerreaktion unter einer niedrigen Last, so dass es möglich ist, einen beträchtlichen Abfall der Menge der in jedem PSR-Reformer gespeicherten Wärme zu unterdrücken und die Temperatur des Katalysators 12 ohne Verschlechterung der Reformerreaktivität zu halten, und somit kann die Menge des durch Reformieren erzeugten Wasserstoffs sichergestellt werden und kann der Leistungserzeugungsbetrieb stabil kontinuierlich auch in der Übergangsperiode durchgeführt werden.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Umschaltzyklussteuerroutine wird, wenn die Temperatur t2 des PSR-Reformers in der Reformerreaktion niedriger als die Grenztemperatur T2 ist, wenn nämlich die Temperatur t3 des PSR-Reformers, in dem die Regenerationsreaktion durchgeführt wird, höher als die Grenztemperatur T3 wird, bevor die Erzeugung des Wasserstoffs durch Reformieren in der Reformerreaktion unzureichend wird, die Förderrate des Wasserstoffs und des Anodenauslassgases durch Steuern der Ventile V2, V4 und V6 gesteuert, um die Temperatur des PSR-Reformers nicht übermäßig zu erhöhen, in dem die Regeneration durchgeführt wird, und wird eine Erhöhung der Temperatur durch Vergrößerung der Förderrate der verbrennungsunterstützenden Luft und des Kathodenauslassgases durch Steuern der Ventile V1 und V3 unterdrückt.
  • Bei der Umschaltzyklussteuerroutine, die vorstehend angegeben ist, wird die Umschaltzeitabstimmung (das Umschaltintervall) durch Überwachen der Temperatur von jedem PSR-Reformer durchgeführt, die durch einen Temperatursensor erfasst wird, aber sie kann ebenso beispielsweise durch Verbinden eines Gaserfassungssensors mit einem Ausstoßrohr durchgeführt werden (beispielsweise dem Ausstoßrohr 104), das an dem PSR-Reformer montiert ist, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, um die Gaszusammensetzung (beispielsweise die Wasserstoffkonzentration) in dem wasserstoffreichen Gas zu überwachen, wobei die überwachten Werte als Referenzwerte zum Bestimmen der Umschaltzeitabstimmung verwendet werden.
  • In der Übergangsperiode, wenn die Brennstoffzelle 30 rasch von dem Niedriglastzustand zu dem Hochlastzustand umgestellt wird und die von der Brennstoffzelle angeforderte Menge Wasserstoff sich vergrößert, ist das Erwärmen des Katalysators durch eine Heizvorrichtung, wie z. B. eine elektrische Heizung ebenso wirksam. In diesem Fall ist die Heizung o. ä. in der Umgebung des Katalysatorhalterabschnitts 12 des PSR-Reformers angeordnet und wird die elektrische Heizung o. ä. in dem PSR-Reformer, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, eingeschaltet, so dass der Katalysator direkt erwärmt werden kann, um die Reformerreaktion beträchtlich zu beschleunigen und den Umschaltzyklus zwischen der Reformerreaktion und den Regenerationsreaktionen zu verkürzen.
  • Wenn eine Heizvorrichtung, wie z. B. eine elektrische Heizung installiert wird, ist es wirksam, die Heizvorrichtung wahlweise an dem Abschnitt zu montieren, an dem die Temperatur in den Katalysatorhalteabschnitten des PSR-Reformers am höchsten ist. Die Reformerreaktion schreitet am raschsten in dem Abschnitt mit höchster Temperatur voran (insbesondere vergrößert sich die Reaktionsrate nicht linear mit der Erhöhung der Temperatur, sondern die Reaktion wird rasch bei einer hohen Temperatur beschleunigt), und ist es möglich, die Heizenergieeffizienz durch Unterdrücken des Heizens für Abschnitte zu verbessern, in denen die Reaktionsvorantreibende Wirkung geringer ist, eher als das Heizen in den Abschnitten mit niedriger Reaktivität oder der Gesamtheit einschließlich den Abschnitten mit niedriger Reaktivität auf einen mittleren Grad.
  • In dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Brennstoffzelle gemäß den Anwendungen aus den Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzellen ausgebildet werden, die einen Elektrolytfilm haben, der mit einer Elektrolytschicht an zumindest einer Fläche eines dichten Wasserstoff permeablen Films (Wasserstoff permeable Metallschicht) unter Verwendung eines Wasserstoff permeablen Metalls laminiert ist (die Zelle kann entweder eine Protonenleitungsfestoxidbauart oder eine Festpolymerbauart sein).
  • Bevorzugte Beispiele davon umfassen Folgendes:
    • (1) Eine Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle mit einem Elektrolytfilm, der ein Wasserstoffpermeables Metall und eine anorganische Elektrolytschicht hat (insbesondere für eine Protonen leitfähige Keramik), die an zumindest einer Fläche des Metalls ausgebildet ist, einer Wasserstoffelektrode, die an einer Fläche des Elektrolytfilms ausgebildet ist, und einem Brennstoffzufuhrelement zum Zuführen eines Brennstoffs zur Leistungserzeugung zu der Wasserstoffelektrode, und einer Sauerstoffelektrode, die an der anderen Fläche des Elektrolytfilms ausgebildet ist, und einem Oxidationsgaszufuhrelement zum Zuführen des Oxidationsgases zu der Sauerstoffelektrode; und
    • (2) eine Festpolymerwasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle mit einem Elektrolytfilm, der eine für Protonen leitfähige Elektrolytschicht und Wasserstoff permeable Metalle zum Einfassen der Elektrolytschicht von beiden Seiten der Elektrolytschicht hat, einer Wasserstoffelektrode, die an einer Fläche des Elektrolytfilms ausgebildet ist, und einem Brennstoffzufuhrelement zum Zuführen eines Brennstoffs zu der Wasserstoffelektrode zur Leistungserzeugung, und einer Sauerstoffelektrode, die an der anderen Fläche des Elektrolytfilms ausgebildet ist, und einem Sauerstoffzufuhrelement zum Zuführen eines Oxidationsgases zu der Sauerstoffelektrode.
  • Die 8 bis 9 zeigen andere spezifische Beispiele der Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzellen, die in dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Auf die Japanische Patentanmeldungsoffenlegung ( JP-A) Nr. 2004-146337 wird für Details hinsichtlich anderer typischer Beispiele verwiesen.
  • 8 zeigt eine Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 60 mit einem Elektrolytfilm 61, der einen fünfschichtigen Aufbau einschließlich eines dichten Basismaterials 66 aus Vanadium (V) hat, und einer Sauerstoffelektrode (O2-Elektrode) 62 sowie einer Wasserstoffelektrode (H2-Elektrode) 63, die den Elektrolytfilm 61 dazwischen einfassen, zusätzlich mit einer Metalldiffusionsverhinderungsschicht und einer Reaktionsverhinderungsschicht. Der Elektrolytfilm 61 hat ein Basismaterial 66, eine dichte Metalldiffusionsverhinderungsschicht 67 und eine Palladiumschicht (Pd-Schicht) 68, die in dieser Reihenfolge an der Fläche der Seite der Wasserstoffelektrode (Anode) 63 ausgebildet sind, eine dichte Reaktionsverhinderungsschicht (beispielsweise eine Schicht aus einem Protonenleiter, einem gemischtem Leiter oder einem Isolator) 65 und eine dünne Elektrolytschicht, die aus einem Festoxid (beispielsweise einer Schicht eines Perowskitmetalloxids wie z. B. SrCeO3) 64 in dieser Reihenfolge an der Fläche der Seite der Sauerstoffelektrode (Kathode) 62 des Basismaterials 66. Die Reaktionsverhinderungsschicht 65 hat eine Funktion zur Verhinderung der Reaktion zwischen den Sauerstoffatomen in der Elektrolytschicht 64 und dem Basismaterial (V) 66. Luftströmungskanäle 59a und Brennstoffkanäle 59b sind zwischen der Sauerstoffelektrode bzw. der Wasserstoffelektrode und dem Elektrolytfilm ähnlich wie vorstehend angegeben ausgebildet. Details der Metalldiffusionsverhinderungsschicht und der Reaktionsverhinderungsschicht sind die gleichen wie diejenigen, die vorstehend beschrieben sind.
  • 9 zeigt eine Festpolymerwasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 70, die einen Elektrolytfilm 71, der eine dichte Wasserstoff permeable Schicht, die aus einem Wasserstoff permeablen Metall ausgebildet ist, und eine Sauerstoffelektrode (O2-Elektrode) 72 und eine Wasserstoffelektrode (H2-Elektrode) 73 zum Einfassen des Elektrolytfilms 71 dazwischen hat. Der Elektrolytfilm 71 hat einen Mehrschichtaufbau, der aus einem Elektrolyt 76, der aus einem Festpolymerfilm, wie z. B. NAFION-Film (eingetragenes Warenzeichen) ausgebildet ist, wobei die beiden Flächen davon zwischen den Wasserstoff permeablen dichten Metallschichten gehalten werden, wobei eine Palladiumschicht (Pd-Schicht) (dichte Schicht) 77 an der wasserstoffelektrodenseitigen (anodenseitigen) Fläche der Elektrolytschicht 76 ausgebildet ist, und eine Schicht aus einer Basismaterialvanadiumnickellegierungsschicht (V-Ni-Schicht) (dichte Schicht) 75 und einer Pd-Schicht (dichte Schicht) 74 an der sauerstoffelektrodenseitigen (kathodenseitigen) Fläche der Elektrolytschicht 76 besteht.
  • Luftströmungskanäle 59a und Brennstoffströmungskanäle 59b sind jeweils zwischen der Sauerstoffelektrode oder der Wasserstoffelektrode und dem Elektrolytfilm 71 auf eine ähnliche Weise ausgebildet, wie vorstehend beschrieben ist. Eine Metalldiffusionsverhinderungsschicht kann ebenso zwischen der V-Ni-Schicht 75 und der Pd-Schicht 74 bei der Brennstoffzelle ausgebildet werden, und eine Reaktionsverhinderungsschicht kann zwischen der V-Ni-Schicht 75 oder der Pd-Schicht 77 und der Elektrolytschicht 76 ausgebildet werden.
  • Bei der Festpolymerbrennstoffzelle, wie in 9 gezeigt ist, bei der die Wasserstoff permeablen Schichten, die aus einem Wasserstoff permeablen Metall ausgebildet sind, so ausgebildet sind, dass sie dazwischen eine Wasser enthaltende Elektrolytschicht einfassen, kann eine Verdampfung von Wasser in der Elektrolytschicht und eine Erhöhung des Filmwiderstands bei hohen Temperaturen verhindert werden und kann die Betriebstemperatur der Festpolymerbrennstoffzellen (PEFC), die im Allgemeinen bei niedrigen Temperaturen betreibbar sind, auf einen Temperaturbereich von 300–600 °C angehoben werden. Somit kann das Kathodenauslassgas, das von der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, direkt zu dem PSR-Reformer zugeführt werden, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, was für das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ist.
  • Ein Gasgemisch aus Benzin und Dampf wird in den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen als zu reformierender Reaktant verwendet, aber in ähnlicher Weise kann ein Kohlenwasserstoffbrennstoff, der etwas anderes als Benzin ist, ebenso verwendet werden.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die Erfindung stellt eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung, bei der die Verringerung der Reformereffizienz in Verbindung mit der Erhöhung der Umschalthäufigkeit zu der Regenerationsreaktion unterdrückt werden kann, und die Erzeugung des Wasserstoffs durch Reformieren kann stabil ungeachtet der erforderlichen Menge des Wasserstoffs durchgeführt werden, und ein Brennstoffzellensystem mit einer hohen Wärmenutzeffizienz zur Verfügung, das ungeachtet der Veränderung der Last eine stabile Leistungserzeugungsfähigkeit hat.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Wasserstoff erzeugende Vorrichtung zur Verfügung, bei der die Verringerung der Reformereffizienz in Verbindung mit einer Vergrößerung der Umschalthäufigkeit zu der Regenerationsreaktion unterdrückt werden kann und bei der die Erzeugung von Wasserstoff durch Reformieren stabil durchgeführt werden kann. In der Reformerreaktion wird ein Kathodenauslassgas, das von einer Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle 30 ausgestoßen wird, die einen Wasserstoffpermeationsfilm hat, zu PSR-Reformern 10, 20 zugeführt, in denen die Reformerreaktion und die Regenerationsreaktion alternierend durchgeführt werden.
  • Zusammenfassung
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Wasserstoff erzeugende Vorrichtung zur Verfügung, bei der die Verringerung der Reformereffizienz in Verbindung mit einer Vergrößerung der Umschalthäufigkeit zu der Regenerationsreaktion unterdrückt werden kann und bei der die Erzeugung von Wasserstoff durch Reformieren stabil durchgeführt werden kann. In der Reformerreaktion wird ein Kathodenauslassgas, das von einer Wasserstoffseparationsmembranbrennstoffzelle (30) ausgestoßen wird, die einen Wasserstoffpermeationsfilm hat, zu PSR-Reformern (10, 20) zugeführt, in denen die Reformerreaktion und die Regenerationsreaktion alternierend durchgeführt werden.

Claims (17)

  1. Wasserstoff erzeugende Vorrichtung mit: zumindest zwei Reformerreaktoren, die einen Katalysator enthalten, in denen ein zu reformierender Reaktant einer Reformerreaktion an dem erhitzten Katalysator unterzogen wird, wenn der zu reformierende Reaktant zugeführt wird, und bei denen ein Verbrennungsbrennstoff einer Verbrennungsreaktion an dem Katalysator unterzogen wird, um den Katalysator zu erhitzen, wenn der Verbrennungsbrennstoff zugeführt wird; und einer Zuführeinheit zum Zuführen von Sauerstoff enthaltendem Gas zu zumindest einem der Reformerreaktoren für die Reformerreaktion.
  2. Brennstoffzellensystem mit: einer Wasserstoff erzeugenden Vorrichtung mit zumindest zwei Reformerreaktoren, die einen Katalysator enthalten, bei denen ein zu reformierender Reaktant einer Reformerreaktion an dem erhitzten Katalysator unterzogen wird, wenn der zu reformierende Reaktant zugeführt wird, und bei denen ein Verbrennungsbrennstoff einer Verbrennungsreaktion unterzogen wird, um den Katalysator zu erhitzen, wenn der Verbrennungsbrennstoff zugeführt wird; einer Zuführeinheit, die Sauerstoff enthaltendes Gas zu zumindest einem der Reformerreaktoren zuführt, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird; und einer Brennstoffzelle, die Elektrizität durch Zuführen des reformierten Wasserstoff enthaltenden Gases erzeugt, das in der Wasserstoff erzeugenden Vorrichtung erzeugt wird, wobei die Zuführeinheit das Sauerstoff enthaltende Gas durch Zuführen eines Kathodenauslassgases, das von der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, direkt zu zumindest einem Reformerreaktor zuführt, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird.
  3. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 2, wobei die Brennstoffzelle einen Elektrolyt enthält, der eine an zumindest einer Wand einer Wasserstoff permeablen Metallschicht ausgebildete Elektrolytschicht hat.
  4. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 2, wobei zumindest ein Reformerreaktor, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, so gebildet ist, dass er eine Dampfreformerreaktion und eine partielle Oxidationsreaktion durchführt, und wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine Reaktionssteuereinheit zum Steuern der Reaktionen aufweist, um den Anteil der partiellen Oxidationsreaktion in dem Reformerreaktor größer als denjenigen für eine niedrige Last zu machen, wenn die Brennstoffzellenleistungslast von niedrig zu hoch umgestellt wird.
  5. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 3, wobei zumindest ein Reformerreaktor, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, so gebildet ist, dass er eine Dampfreformerreaktion und eine partielle Oxidationsreaktion durchführt, und wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine Reaktionssteuereinheit zum Steuern der Reaktionen aufweist, um den Anteil der partiellen Oxidationsreaktion in dem Reformerreaktor größer als denjenigen für eine niedrige Last zu machen, wenn die Brennstoffzellenleistungslast von niedrig zu hoch umgestellt wird.
  6. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 2, wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine Kühleinheit zum Kühlen der Brennstoffzelle mit einem Kühlmedium aufweist, und wobei das Kühlmedium, das von der Kühleinheit ausgestoßen wird, in zumindest einen der Reformerreaktoren, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, gemeinsam mit dem Kathodenauslassgas zugeführt wird.
  7. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 3, wobei die Brennstoffzelle ferner eine Kühleinheit zum Kühlen der Brennstoffzelle mit einem Kühlmedium aufweist, und wobei das Kühlmedium, das von der Kühleinheit ausgestoßen wird, in zumindest einen der Reformerreaktoren, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, gemeinsam mit dem Kathodenauslassgas zugeführt wird.
  8. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 4, wobei die Brennstoffzelle ferner eine Kühleinheit zum Kühlen der Brennstoffzelle mit einem Kühlmedium aufweist, und wobei das Kühlmedium, das von der Kühleinheit ausgestoßen wird, in zumindest einen der Reformerreaktoren, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, gemeinsam mit dem Kathodenauslassgas zugeführt wird.
  9. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5, wobei die Brennstoffzelle ferner eine Kühleinheit zum Kühlen der Brennstoffzelle mit einem Kühlmedium aufweist, und wobei das Kühlmedium, das von der Kühleinheit ausgestoßen wird, in zumindest einen der Reformerreaktoren, in dem die Reformerreaktion durchgeführt wird, gemeinsam mit dem Kathodenauslassgas zugeführt wird.
  10. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 2, ferner mit einer Reaktionssteuereinheit zum Steuern der Reaktionen, um den Umschaltzyklus zwischen der Reformerreaktion und der Verbrennungsreaktion in jedem der Reformerreaktoren unter einer hohen Last kürzer als denjenigen unter einer niedrigen Last zu machen, wenn die Brennstoffzellenleistungslast von niedrig zu hoch umgestellt wird.
  11. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 3, ferner mit einer Reaktionssteuereinheit zum Steuern der Reaktionen, um den Umschaltzyklus zwischen der Reformerreaktion und der Verbrennungsreaktion in jedem der Reformerreaktoren unter einer hohen Last kürzer als denjenigen unter einer niedrigen Last zu machen, wenn die Brennstoffzellenleistungslast von niedrig zu hoch umgestellt wird.
  12. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 4, ferner mit einer Reaktionssteuereinheit zum Steuern der Reaktionen, um den Umschaltzyklus zwischen der Reformerreaktion und der Verbrennungsreaktion in jedem der Reformerreaktoren unter einer hohen Last kürzer als denjenigen unter einer niedrigen Last zu machen, wenn die Brennstoffzellenleistungslast von niedrig zu hoch umgestellt wird.
  13. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5, ferner mit einer Reaktionssteuereinheit zum Steuern der Reaktionen, um den Umschaltzyklus zwischen der Reformerreaktion und der Verbrennungsreaktion in jedem der Reformerreaktoren unter einer hohen Last kürzer als denjenigen unter einer niedrigen Last zu machen, wenn die Brennstoffzellenleistungserzeugung von niedrig zu hoch umgestellt wird.
  14. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 6, ferner mit einer Reaktionssteuereinheit zum Steuern der Reaktionen, um den Umschaltzyklus zwischen der Reformerreaktion und der Verbrennungsreaktion in jedem der Reformerreaktoren unter einer hohen Last kürzer als denjenigen unter einer niedrigen Last zu machen, wenn die Brennstoffzellenleistungserzeugung von niedrig zu hoch umgestellt wird.
  15. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 7, ferner mit einer Reaktionssteuereinheit zum Steuern der Reaktionen, um den Umschaltzyklus zwischen der Reformerreaktion und der Verbrennungsreaktion in jedem der Reformerreaktoren unter einer hohen Last kürzer als denjenigen unter einer niedrigen Last zu machen, wenn die Brennstoffzellenleistungserzeugung von niedrig zu hoch umgestellt wird.
  16. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 8, ferner mit einer Reaktionssteuereinheit zum Steuern der Reaktionen, um den Umschaltzyklus zwischen der Reformerreaktion und der Verbrennungsreaktion in jedem der Reformerreaktoren unter einer hohen Last kürzer als denjenigen unter einer niedrigen Last zu machen, wenn die Brennstoffzellenleistungserzeugung von niedrig zu hoch umgestellt wird.
  17. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 9, ferner mit einer Reaktionssteuereinheit zum Steuern der Reaktionen, um den Umschaltzyklus zwischen der Reformerreaktion und der Verbrennungsreaktion in jedem der Reformerreaktoren unter einer hohen Last kürzer als denjenigen unter einer niedrigen Last zu machen, wenn die Brennstoffzellenleistungserzeugung von niedrig zu hoch umgestellt wird.
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