DE112006002047T5 - Stromversorgungssystem und Verfahren zu dessen Steuerung - Google Patents

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Abstract

Stromversorgungssystem, umfassend:
einen Abschnitt für chemische Reaktionen (100), umfassend:
einen Verdampfungs-Abschnitt (103, 112, 114), der einen Energieerzeugungs-Brennstoff und Wasser empfängt, die an ihn geliefert werden, der mindestens das an ihn gelieferte Wasser erhitzt, um es zu verdampfen; und
einen Reaktions-Abschnitt (105, 107), der ein Energieerzeugungs-Gas auf der Basis des vom Verdampfungs-Abschnitt erzeugten Dampfes und des Energieerzeugungs-Brennstoffs erzeugt;
einen Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt (P1, V1), der den Energieerzeugungs-Brennstoff an den Abschnitt für die chemische Reaktion liefert;
einen Wasser-Lieferungs-Abschnitt (P2, V2), der Wasser an den Abschnitt für die chemische Reaktion liefert; und
einen Steuerungs-Abschnitt (130), der den Betrieb des Systems so steuert, dass die Lieferung des Energieerzeugungs-Brennstoffs aus dem Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt an den Abschnitt für die chemische Reaktion gestoppt wird, wenn der Verdampfungs-Abschnitt nicht in einem Zustand ist, der sich für die Verdampfungs-Operation eignet.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Stromversorgungssystem, ein Verfahren zur Steuerung eines Stromversorgungssystems und eine elektronische Vorrichtung, die ein solches Stromversorgungssystem enthält. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Stromversorgungssystem, das eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Stromversorgungssystems benutzt.
  • Technischer Hintergrund
  • Verschiedene chemische Zellen wurden und werden im täglichen Leben und auch in vielen unterschiedlichen Bereichen der Industrie allgemein benutzt. Elektrische Zellen umfassen Primärzellen, wie z.B. Alkali-Trockenbatterien und Mangan-Trockenbatterien, und Sekundärzellen, wie z.B. Nickel-Cadmium-Zellen, Nickel-Wasserstoff-Zellen und Lithium-Ionen-Zellen, um nur einige zu nennen. Mittlerweile werden seit Jahren Forschungen und Entwicklungen für die praktische Anwendung von Stromversorgungssystemen unternommen, bei denen Brennstoffzellen benutzt werden, weil Brennstoffzellen nur einen geringen Einfluss auf die Umwelt haben (die Umwelt nur wenig belasten) und einen hohen Wirkungsgrad von ungefähr 30 bis 40% für die Energieausnutzung realisieren können. Zusätzlich dazu werden Anstrengungen unternommen, kleinere Stromversorgungssysteme mit Brennstoffzellen zu entwickeln, um solche Systeme für die Antriebseinheiten von mobilen Einrichtungen, elektrischen Autos und ähnlichem anzuwenden.
  • Es sind Brennstoffzellen vom Brennstoff reformierenden Typ bekannt, die zur Verwendung in solchen Stromversorgungssystemen entwickelt wurden. Brennstoffzellen vom Brennstoff reformierenden Typ enthalten einen Abschnitt für chemische Reaktionen, der typischerweise einen Reformer enthält, um den Brennstoff, der zur Energieerzeugung verwendet wird, und der Kohlenwasserstoff-Verbindungen enthält, durch eine chemische Reaktion unter Verwendung eines Katalysators zu reformieren, und das von dem Abschnitt für die chemische Reaktion erzeugte reformierte Gas wird an eine Energieerzeugungs-Zelle geliefert, um Energie zu erzeugen, wozu der im reformierten Gas enthaltene Wasserstoff verwendet wird.
  • Es ist auch bekannt, dass in Stromversorgungssystemen, in denen eine solche Brennstoffzelle vom Brennstoff reformierenden Typ verwendet wird, bei der Erzeugung von reformiertem Gas durch den Abschnitt für die chemische Reaktion Kohlenmonoxid (CO) in geringem Ausmaß erzeugt wird. Spezieller wird Brennstoff reformiert, indem ein Energieerzeugungs-Brennstoff, wie z.B. Methanol und Wasser an den Abschnitt für die chemische Reaktion geliefert wird, sie verdampft und gemischt werden und das Gasgemisch an den Reformer geliefert wird, wo das Gasgemisch in reformiertes Gas umgewandelt wird, das hauptsächlich Wasserstoff enthält, und zu diesem Zeitpunkt wird in geringem Ausmaß als Nebenprodukt CO erzeugt. Daher enthält der Abschnitt für die chemische Reaktion einen CO-Entferner, um das im reformierten Gas enthaltene Kohlenmonoxid zu entfernen.
  • Der Energieerzeugungs-Brennstoff, wie z.B. Methanol, tendiert jedoch dazu, schneller zu verdampfen als Wasser, wenn das Stromversorgungssystem gestartet oder angehalten wird. Dann kann eine Bedingung eintreten, in der das Verhältnis des Inhaltes des Energieerzeugungs-Brennstoff-Gases im Gasgemisch bezogen auf den Dampf temporär ansteigt. Wenn das Verhältnis des Inhaltes des Energieerzeugungs-Brennstoff-Gases im Gasgemisch bezogen auf den Dampf temporär ansteigt, ist es nicht mehr möglich, das Energieerzeugungs-Brennstoff-Gas im Reformierer komplett zu reformieren. Dann wird nicht reformiertes Energieerzeugungs-Brennstoff-Gas vom Reformierer erzeugt. Als Folge davon wird der Katalysator im CO-Entferner durch das nicht reformierte Energieerzeugungs-Brennstoff-Gas verschlechtert, so dass sich die CO-Entfernungs-Kapazität des CO-Entferners verringert und folglich die CO-Konzentration ansteigt.
  • Zusätzlich dazu werden CO, Ameisensäure und Formaldehyd erzeugt, wenn solches nicht reformiertes Energieerzeugungs-Brennstoff-Gas in die Stromerzeugungs-Zelle fließt. Ameisensäure und Formaldehyd beschädigen die Stromerzeugungs-Zelle und verringern die Stromerzeugungs-Kapazität der Stromerzeugungs-Zelle. Andererseits ist im Reformierer und in der Stromerzeugungs-Zelle erzeugtes CO schädlich für den menschlichen Körper und verschlechtert den Katalysator in der Stromerzeugungs-Zelle, der typischerweise aus Pt ist, so dass sich die Effizienz der Stromerzeugung weiter verringert.
  • Es sind Anordnungen bekannt, um das Verhältnis des Inhaltes des Energieerzeugungs-Brennstoff-Gases im Gasgemisch auf einem richtigen Wert zu halten, indem separat ein Konzentrations-Sensor vorgesehen wird, um die Konzentration des Energieerzeugungs-Brennstoff-Gases im Gasgemisch zu überwachen und die Zusammensetzung von reformiertem Gas zu kontrollieren, um es entsprechend dem beobachteten Wert des Konzentrations-Sensors nicht zuzulassen, dass die CO-Konzentration ansteigt. Da ein Konzentrations-Sensor separat vorgesehen werden muss, was die Kosten und die Anzahl der Teile erhöht, werden durch eine solche Anordnung jedoch die Anstrengungen nach einer Verkleinerung vereitelt.
  • Es gibt bekannte Stromversorgungssysteme, die einen Anstieg der CO-Konzentration unterdrücken können, indem sie ein CO-Konzentrations-Messgerät separat vorsehen, um die CO-Konzentration zu überwachen, und wenn die CO-Konzentration hoch ist, die Lieferung von reformiertem Gas in die Stromerzeugungs-Zelle vorübergehend einstellen, indem ein Umschaltventil betätigt wird. Eine solche Anordnung zum Vorsehen eines CO-Konzentrations-Messgerätes und eines Umschaltventils, die teuer sind, ist vom Standpunkt der Kosten nachteilig und hat eine erhöhte Anzahl von Teilen zur Folge, was wiederum die Anstrengungen nach einer Verkleinerung vereitelt.
  • Offenlegung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, den Anstieg der Kohlenmonoxid-Konzentration zu unterdrücken, der stattfinden kann, wenn ein Stromversorgungssystem mit einer Brennstoffzelle gestartet oder gestoppt wird, ohne dass ein Messgerät, wie ein Konzentrations-Sensor vorgesehen werden muss, um zu verhindern, dass sich die Energieerzeugungs-Leistung des Stromversorgungssystems verschlechtert und den Vorteil, dass sie es erlaubt, das Stromversorgungssystem zu verkleinern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Stromversorgungssystem vorgesehen, umfassend: einen Abschnitt für eine chemische Reaktion, der folgendes umfasst: einen Verdampfungs-Abschnitt, der einen Energieerzeugungs-Brennstoff und Wasser erhält, die an ihn geliefert werden, mindestes das an ihn gelieferte Wasser erhitzt, um es zu verdampfen; und einen Reaktions-Abschnitt, der ein Energieerzeugungs-Gas auf der Grundlage des Dampfes, der vom Verdampfungs-Abschnitt erzeugt wird, und des Energieerzeugungs-Brennstoffs erzeugt; einen Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt, der den Energieerzeugungs-Brennstoff an den Abschnitt für die chemische Reaktion liefert; einen Wasser-Lieferungs-Abschnitt, der Wasser an den Abschnitt für die chemische Reaktion liefert; und einen Steuerungs-Abschnitt, der den Betrieb des Systems steuert, um die Lieferung des Energieerzeugungs-Brennstoffs vom Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt an den Abschnitt für die chemische Reaktion anzuhalten, wenn der Verdampfungs-Abschnitt nicht in einem Zustand ist, der sich für die Verdampfungs-Operation eignet.
  • Vorzugsweise ist der Verdampfungs-Abschnitt so angeordnet, dass der an ihn gelieferte Energieerzeugungs-Brennstoff verdampft wird. Dann umfasst der Verdampfungs-Abschnitt vorzugsweise einen ersten Verdampfungs-Abschnitt, der das Wasser erhitzt und verdampft, einen zweiten Verdampfungs-Abschnitt, der den an ihn gelieferten Energieerzeugungs-Brennstoff verdampft, und einen Mischer, der den im ersten Verdampfungs-Abschnitt erzeugten Dampf und den im zweiten Verdampfungs-Abschnitt erzeugten verdampften Energieerzeugungs-Brennstoff mischt und die Mischung an den Reaktions-Abschnitt liefert.
  • Wenn der Energieerzeugungs-Brennstoff ein flüssiger Brennstoff ist, der Wasserstoff-Atome enthält, verdampft der Verdampfungs-Abschnitt das Wasser und den Energieerzeugungs-Brennstoff, und der Reaktions-Abschnitt enthält einen Reformierungs-Abschnitt, der das Gasgemisch aus Energieerzeugungs-Brennstoff und Dampf, das vom Verdampfungs-Abschnitt verdampft wurde, empfängt und ein Wasserstoff enthaltendes reformiertes Gas durch eine Reformierungs-Reaktion und einen Kohlenmonoxid-Entfernungs-Abschnitt, der das im reformierten Gas enthaltene Kohlenmonoxid entfernt und das Energieerzeugungs-Gas produziert, erzeugt.
  • Wenn der Energieerzeugungs-Brennstoff ein Gas-Brennstoff ist, der Wasserstoff-Atome enthält, enthält der Reaktions-Abschnitt einen Reformierungs-Abschnitt, der das Gasgemisch aus Dampf, der vom Verdampfungs-Abschnitt erzeugt wurde, und Gas-Brennstoff empfängt und ein Wasserstoff enthaltendes reformiertes Gas durch eine Reformierungs-Reaktion und einen Kohlenmonoxid-Entfernungs-Abschnitt, der das im reformierten Gas enthaltene Kohlenmonoxid entfernt und das Energieerzeugungs-Gas produziert, erzeugt.
  • Vorzugsweise enthält das Stromerzeugungssystem weiterhin einen Temperaturmessungs-Abschnitt, der die Temperatur des Verdampfungs-Abschnitts misst und den Steuerungs-Abschnitt so steuert, dass die Lieferung des Energieerzeugungs-Brennstoffs vom Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt an den Abschnitt für die chemische Reaktion gestoppt wird, wenn die Temperatur des Verdampfungs-Abschnitts, wie vom Temperatur-Messungs-Abschnitt gemessen, kleiner ist als eine vorher festgelegte Temperatur, die typischerweise der Siedepunkt des Wassers ist.
  • Vorzugsweise enthält das Stromversorgungssystem ferner einen Energieerzeugungs-Abschnitt, der das an ihn gelieferte Energieerzeugungs-Gas empfängt und durch eine elektrochemische Reaktion Energie erzeugt, die eine Last antreibt, wobei die Last typischerweise eine elektronische Vorrichtung ist. Vorzugsweise ist das Stromversorgungssystem mindestens teilweise ganzheitlich mit der Last ausgebildet und umfasst einen Brennstoff enthaltenden Abschnitt, der den Energieerzeugungs-Brennstoff in einem abgedichteten Zustand enthält, und das Stromversorgungssystem ist ganzheitlich mit der Last ausgebildet mit Ausnahme des Brennstoff enthaltenden Abschnitts. Vorzugsweise ist das Stromversorgungssystem als Modul ausgebildet, das konfiguriert ist, um abnehmbar an der Last befestigt zu werden.
  • Beim Beginn des Betriebs des Energieerzeugungs-Abschnitts bewirkt der Steuerungs-Abschnitt, dass der Verdampfungs-Abschnitt mit dem Betrieb beginnt, und auch dass der Wasser-Lieferungs-Abschnitt damit beginnt, Wasser an den Abschnitt für die chemische Reaktion zu liefern, und bewirkt, dass der Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt den Energieerzeugungs-Brennstoff an den Abschnitt für die chemische Reaktion liefert, nachdem der Verdampfungs-Abschnitt in einen Zustand gekommen ist, der sich für das Verdampfen von Wasser eignet.
  • Vorzugsweise enthält das Stromversorgungssystem ferner einen Leistungs-Messungs-Abschnitt, der die Leistungsabgabe des Energieerzeugungs-Abschnitts misst, und wenn der Betrieb des Energieerzeugungs-Abschnitts angehalten wird, stoppt der Steuerungs-Abschnitt die Lieferung des Energieerzeugungs-Brennstoffs vom Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt an den Abschnitt für die chemische Reaktion, bewirkt, dass der Verdampfungs-Abschnitt mit dem Betrieb aufhört, nachdem erkannt wurde, dass die Leistung des Energieerzeugungs-Abschnittes, die von dem Leistungs-Messungs-Abschnitt gemessen wird, unter einen vorher festgesetzten Wert fällt, und stoppt die Lieferung von Wasser aus dem Wasser-Lieferungs-Abschnitt an den Abschnitt für die chemische Reaktion.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Steuerung eines Stromversorgungssystems bereitgestellt, das einen Abschnitt für eine chemische Reaktion enthält, umfassend: Einen Verdampfungs-Abschnitt zum Empfangen eines an ihn gelieferten Energieerzeugungs-Brennstoffs und Wasser und zum Erhitzen und Verdampfen von Wasser; einen Reaktions-Abschnitt zum Erzeugen eines Energieerzeugungs-Gases auf der Grundlage des Dampfes, der vom Verdampfungs-Abschnitt erzeugt wurde, und des Energieerzeugungs-Brennstoffs; und einen Energieerzeugungs-Abschnitt zum Empfangen des an ihn gelieferten Energieerzeugungs-Gases und zum Erzeugen von Energie durch eine elektrochemische Reaktion; wobei beim Beginn des Betriebs des Energieerzeugungs-Abschnitts das Verfahren es umfasst, zu bewirken, dass der Verdampfungs-Abschnitt mit dem Betrieb beginnt, und dass der Wasser-Lieferungs-Abschnitt damit beginnt, Wasser an den Abschnitt für die chemische Reaktion zu liefern, zu warten, bis der Verdampfungs-Abschnitt in einen Zustand gekommen ist, der sich für das Verdampfen von Wasser eignet, und zu bewirken, dass der Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt damit beginnt, den Energieerzeugungs-Brennstoff an den Abschnitt für die chemische Reaktion zu liefern, wenn der Verdampfungs-Abschnitt in einen Zustand kommt, der sich für das Verdampfen von Wasser eignet.
  • Vorzugsweise enthält das Stromerzeugungssystem weiterhin einen Temperaturmessungs-Abschnitt, der die Temperatur des Verdampfungs-Abschnitts misst, und die Sequenz des Wartens, bis der Verdampfungs-Abschnitt in einen Zustand kommt, der sich für das Verdampfen von Wasser eignet, umfasst eine Sequenz des Wartens bis die Temperatur des Verdampfungs-Abschnitts, die vom Temperatur-Messungs-Abschnitt gemessen wurde, größer als eine vorher festgelegte Temperatur wird, die typischerweise der Siedepunkt des Wassers sein kann.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren, wenn der Betrieb des Energieerzeugungs-Abschnitts gestoppt wird, eine Sequenz des Anhaltens der Lieferung des Energieerzeugungs-Brennstoffs vom Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt an den Abschnitt für die chemische Reaktion, des Wartens, bis die Leistung des Energieerzeugungs-Abschnittes unter einen vorher festgelegten Wert fällt, und wenn die Leistung des Energieerzeugungs-Abschnittes unter den vorher festgelegten Wert fällt, des Bewirkens, dass der Verdampfungs-Abschnitt mit dem Betrieb aufhört und auch der Wasser-Lieferungs-Teil mit der Lieferung von Wasser an den Abschnitt für die chemische Reaktion aufhört.
  • Vorzugsweise enthält das Stromversorgungssystem ferner einen Leistungs-Messungs-Abschnitt, der die Leistungsabgabe des Energieerzeugungs-Abschnitts misst, und die Sequenz des Wartens bis die Leistung des Energieerzeugungs-Abschnittes unter den vorher festgesetzten Wert fällt, umfasst eine Sequenz des Wartens, bis die Ausgangsleistung des Energieerzeugungs-Abschnittes, die vom Leistungs-Messungs-Abschnitt gemessen wird, unter den vorher festgelegten Wert fällt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausführung des Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Flussdiagramm des Start-Steuerungs-Prozesses der Ausführung in 1;
  • 3 ist ein Flussdiagramm des Stopp-Steuerungs-Prozesses der Ausführung in 1;
  • 4 ist ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausführung des Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 5 ist ein Flussdiagramm des Start-Steuerungs-Prozesses der Ausführung in 4;
  • 6 ist ein Flussdiagramm des Stopp-Steuerungs-Prozesses der Ausführung in 4;
  • 7 ist ein schematisches Blockdiagramm einer dritten Ausführung des Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 8 ist ein Flussdiagramm des Start-Steuerungs-Prozesses der Ausführung in 7;
  • 9 ist ein Flussdiagramm des Stopp-Steuerungs-Prozesses der Ausführung in 7;
  • 10 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Energieerzeugungs-Einheit, die durch Anwendung eines Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert ist;
  • 11 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer elektronischen Vorrichtung, die angepasst ist, eine Energieerzeugungs-Einheit zu verwenden, die durch Anwendung eines Energieerzeugungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert ist;
  • 12A, 12B und 12C sind Ansichten von drei Seiten einer anderen elektronischen Vorrichtung, die angepasst ist, ein Stromversorgungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden.
  • Beste Art und Weise zur Realisierung der Erfindung Nun werden ein Stromversorgungssystem und ein Verfahren zur Steuerung eines Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben, indem auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird, die bevorzugte Ausführungen der Erfindung zusammen mit einer elektronischen Vorrichtung zeigen, die ein Stromversorgungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
  • <Erste Ausführung>
  • Zuerst wird die Konfiguration der ersten Ausführung des Stromversorgungssystems gemäß der Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben. Das Stromversorgungssystem dieser Ausführung enthält eine Festkörper-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle vom Brennstoff reformierenden Typ (PEFC) und ist angepasst, flüssigen Brennstoff, wie z.B. Methanol, als Energieerzeugungs-Brennstoff zu verwenden.
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm der ersten Ausführung des Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, das dessen Konfiguration zeigt.
  • Das Stromversorgungssystem dieser Ausführung enthält eine Steuerungs-Vorrichtung (Steuerungs-Abschnitt) 130, einen DC/DC-Wandler (Spannungs-Umwandlungs-Abschnitt) 170, eine Sekundärzelle 180 und ein Brennstoffzellen-System vom Brennstoff reformierenden Typ 200.
  • Das Brennstoffzellen-System 200 enthält einen Abschnitt für die chemische Reaktion 100, eine Energieerzeugungs-Zelle (Energieerzeugungs-Abschnitt) 120, einen Methanol-Tank (Brennstoff enthaltender Abschnitt) 140, einen Wassertank 160, die Pumpen P1 bis P3, die Ventile V1 bis V7 und die Durchflussmesser F1 bis F8.
  • Der Abschnitt für die chemische Reaktion 100 wiederum enthält einen Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101, einen elektrischen Heizer/ein Thermometer 102, einen reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer (Verdampfungs-Abschnitt) 103, einen weiteren elektrischen Heizer/ein Thermometer 104, einen CO-Entferner (Kohlenmonoxid-Entfernungs-Abschnitt) 105, einen weiteren elektrischen Heizer/ein Thermometer 106, einen Reformierer (Reformierungs- Abschnitt) 107, einen weiteren elektrischen Heizer/ein Thermometer 108, einen Methanol-Katalysator-Brenner 109 und einen Abgas-Katalysator-Brenner 111.
  • Der Abschnitt für die chemische Reaktion 100 kann auch einen Behälter enthalten, um mindestens den CO-Entferner 105, den elektrischen Heizer/das Thermometer 106, den Reformierer 107, den elektrischen Heizer/das Thermometer 108, den Methanol-Katalysator-Brenner 109 und einen Abgas-Katalysator-Brenner 111 abzudecken, mit oder ohne andere Komponenten, um mindestens den Reformierer 107 und den CO-Entferner 105 auf einer vorher festgelegten Temperatur zu halten, und das Innere des Behälters kann luftleer sein, um eine Vakuum-Isolations-Struktur zu haben.
  • Die Sekundärzelle 180 kann ausgebildet werden, indem ein Kondensator zur Aufnahme einer elektrischen Ladung verwendet wird.
  • Der Methanol-Tank 140 enthält Methanol (Energieerzeugungs-Brennstoff), und der Wassertank 160 enthält Wasser, das von dem Reformierer 107 für Reformierungs-Reaktionen zu benutzen ist.
  • Der Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 erhält einen Teil des Methanols, das im Methanol-Tank 104 enthalten ist, und das in ihn mit der Pumpe P1 als Verbrennungs-Brennstoff eingespritzt wird, erhitzt und verdunstet (verdampft) das Methanol und sendet es als Methanol-Gas an den Methanol-Katalysator-Brenner 109. Die Flussrate von Methanol, das in den Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 eingespritzt wird, wird durch das Ventil V3 geregelt und von dem Durchflussmesser F3 gemessen. Der elektrische Heizer/das Thermometer 102 funktioniert als elektrischer Heizer zum Aufheizen des Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfers 101 und auch als Thermometer zur Messung der Temperatur des Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfers 101.
  • Der Methanol-Katalysator-Brenner 109 mischt Methanol-Gas, das von dem Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 geliefert wird, und Luft, die von der Luftpumpe P3 geliefert wird, und verbrennt das Gasgemisch mittels eines Katalysators. Die Verbrennungs-Hitze des Gasgemisches wird dazu benutzt, den Reformierer 107, den CO-Entferner 105 und andere Komponenten des Abschnitts für die chemische Reaktion 100 zu heizen und sie auf eine vorher festgelegte Reaktionstemperatur einzustellen. Die Durchflussrate der an den Methanol-Katalysator-Brenner 109 gelieferten Luft wird durch das Ventil V5 geregelt und vom Durchflussmesser F5 gemessen. Nach dem Verbrennen des Gasgemisches wird Abgas nach außerhalb des Energieerzeugungs-Systems ausgestoßen.
  • Der reformierende Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 mischt Methanol (Energieerzeugungs-Brennstoff), das vom Methanol-Tank 140 mittels der Pumpe P1 eingespritzt wird, und Wasser, das vom Wasser-Tank 160 mittels der Pumpe P2 eingespritzt wird, und heizt und verdunstet (verdampft) die Mischung, um das Gasgemisch zu erzeugen. Dann sendet er das Gasgemisch an den Reformierer 107. Die Durchflussrate des Methanols, das in den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 eingespritzt wird, wird vom Ventil V1 geregelt und vom Durchflussmesser F1 gemessen. Die Durchflussrate vom Wasser, das in den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 eingespritzt wird, wird vom Ventil V2 geregelt und vom Durchflussmesser F2 gemessen. Der elektrische Heizer/das Thermometer 104 funktioniert als elektrischer Heizer zum Heizen des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 und gleichzeitig als Thermometer zur Messung der Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103.
  • Der Reformierer 107 heizt das vom reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 gelieferte Gasgemisch auf ungefähr 300°C auf, reformiert es durch eine Reformierungs-Reaktion, wie durch die unten angegebene Formel (1) ausgedrückt, und sendet es an den CO-Entferner 105 als Wasserstoff enthaltendes reformiertes Gas (Energieerzeugungs-Gas). CH3OH + H2O → 3H2 + CO2 (1)
  • Im Reformierer 107 wird in geringem Maß als Nebenprodukt durch eine inverse Shift-Reaktion Kohlenmonoxid CO erzeugt, wie durch die unten angegebene Formel (2) ausgedrückt. CO2 + H2 → CO + 3H2O (2)
  • Der elektrische Heizer/das Thermometer 108 funktioniert als elektrischer Heizer zum Heizen des Reformierers 107 und gleichzeitig als Thermometer zur Messung der Temperatur des Reformierers 107.
  • Der CO-Entferner 105 heizt und mischt reformiertes Gas, das vom Reformierer 107 geliefert wird, und Luft, die von der Luftpumpe P3 geliefert wird, und oxidiert Kohlenmonoxid selektiv durch eine Shift-Reaktion, wie durch die unten stehende Formel (3) ausgedrückt. CO + H2O → H2 + CO2 (3)
  • Zusätzlich dazu ist ein Katalysator, wie z.B. Pt oder Al2O3 im Innern des CO-Entferners 105 enthalten, damit die durch die Formel (3) ausgedrückte chemische Reaktion effizient abläuft. Ferner oxidiert der CO-Entferner 105 CO durch eine chemische Reaktion, wie durch die unten stehende Formel (4) ausgedrückt. 2CO + O2 → 2CO2 (4)
  • Dann sendet der CO-Entferner 105 das reformierte Gas, aus dem CO mit den durch die Formeln (3) und (4) ausgedrückten chemischen Reaktionen entfernt wurde, an die Energieerzeugungs-Zelle 120. Die Durchflussrate von Luft, die an den CO-Entferner 105 geliefert wird, wird durch das Ventil V4 geregelt und durch den Durchflussmesser F4 gemessen. Der elektrische Heizer/das Thermometer 106 funktioniert als elektrischer Heizer zum Heizen des CO-Entferners 105 und gleichzeitig als Thermometer zum Messen der Temperatur des CO-Entferners 105.
  • Die Energieerzeugungs-Zelle 120 enthält eine Vielzahl von Energieerzeugungs-Zellen, von denen jede einen Brennstoff-Pol hat, der auf einer von gegenüber liegenden Oberflächen einer Elektrolyt-MEA (Membrane Electrode Assembly, Membran-Elektroden-Anordnung) ausgebildet ist, und einen Luft-Pol, der auf deren anderen Oberfläche ausgebildet ist. Mikro-Partikel eines Katalysators, wie z.B. Pt oder Pt-Ru werden hergestellt, um am Brennstoff-Pol und am Luft-Pol anzuhaften. Da Wasserstoff enthaltendes reformiertes Gas vom Reformierer 107 an den Brennstoff-Pol geliefert wird, werden von dem oben beschriebenen Katalysator durch eine chemische Reaktion, die durch die unten stehende Formel (5) ausgedrückt wird, Wasserstoff-Ionen (Protonen: H+) erzeugt, da Elektronen (e–) abgespaltet und durch eine Ionen leitende Membrane zum Luft-Pol gesendet werden, während Elektronen (e–) durch die Kohlenstoff-Elektrode aus dem Brennstoff-Pol entnommen und an eine Last geliefert werden. 3H2 → 6H+ + 6e– (5)
  • Andererseits bewirkt der oben beschriebene Katalysator, da Luft von der Luftpumpe P3 an den Luft-Pol geliefert wird, dass Elektronen (e–), die durch die Last kommen, Wasserstoff-Ionen (H+) und Sauerstoff-Gas in der Luft miteinander reagieren, um Wasser (3H2O) durch eine chemische Reaktion zu erzeugen, die durch die unten stehende Formel (6) ausgedrückt wird. 6H+ + 3/2O2 + 6e– → 3H2O (6)
  • Die elektrochemischen Reaktionen der Formeln (5) und (6) laufen unter Temperaturbedingungen von 60 bis 80°C ab. Dann liefert die Energieerzeugungs-Zelle 120 elektrische Energie, die durch die elektrochemischen Reaktionen der Formeln (5) und (6) erzeugt wird, an den DC/DC-Wandler 170. Die Durchflussrate des reformierten Gases, das an die Energieerzeugungs-Zelle 120 geliefert wird, wird vom Durchflussmesser F8 gemessen. Die Durchflussrate der Luft, die an Energieerzeugungs-Zelle 120 geliefert wird, wird vom Ventil V7 geregelt und vom Durchflussmesser F7 gemessen. Die Energieerzeugungs-Zelle 120 sendet reformiertes Gas, das durch Formel (5) nicht verbraucht wurde, als Abgas an den Abgas-Katalysator-Brenner 111.
  • Der DC/DC-Wandler 170 erzeugt eine Ausgangsgröße mit einer vorher festgelegten Spannung mittels der angesammelten Energie, mit der die Sekundärzelle 180 geladen wird, wenn das Brennstoffzellen-System 200 gestartet wird oder eine Überlast auftritt, während er die Ausgangsleistung der Energieerzeugungs-Zelle 120 durch eine Schalt-Regelung regelt, und liefert Energie an die externe Last, während er auch die Sekundärzelle 180 auflädt, wenn das Brennstoffzellen-System 200 im Dauerbetrieb läuft.
  • Der Abgas-Katalysator-Brenner 111 mischt von der Energieerzeugungs-Zelle 120 geliefertes Abgas und Luft, die von der Luftpumpe P3 geliefert wird, und verbrennt die Mischung mittels eines Katalysators. Die Verbrennungshitze wird dann dazu benutzt, den Reformierer 107, den CO-Entferner 105 und andere Komponenten des Abschnitts für die chemische Reaktion 100 zu erhitzen und eine vorher festgelegte Reaktionstemperatur einzustellen. Die Durchflussrate der an den Abgas-Katalysator-Brenner 111 gelieferten Luft wird durch das Ventil V6 geregelt und vom Durchflussmesser F6 gemessen. Nach der Verbrennung wird Abgas nach außerhalb des Energieerzeugungs-Systems abgelassen.
  • Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wird typischerweise ausgebildet, indem eine CPU, ein ROM, ein RAM, ein A/D-Wandler und ein D/A-Wandler verwendet werden, und steuert den Betrieb der Komponenten des Systems. Spezieller steuert die Steuerungs-Vorrichtung 130 den Betrieb der Komponenten des Systems, wenn die CPU verschiedene Steuerungsprogramme ausführt, die im ROM gespeichert sind, wozu sie die von den Durchflussmessern F1 bis F8 gemessenen Durchflussraten FO, die von den elektrischen Heizern/Thermometern 102, 104, 106 und 108 gemessenen Temperaturen und den Strom-Ausgangspegel der Energieerzeugungs-Zelle 120 verwendet. Mit anderen Worten gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 Ventil-Steuerungssignale VD zur jeweiligen Ansteuerung der Ventile V1 bis V7, Treiber-Steuersignale CD zur Ausgabe von Steuerbefehlen an Treiber D1 bis D3 zur jeweiligen Ansteuerung/Regelung der Pumpen P1 bis P3 und Heizer-Steuersignale zur jeweiligen Steuerung des Betriebs der Ansteuerung der elektrischen Heizer/Thermometer 102, 104, 106 und 108 aus.
  • Im Folgenden wird die Ursache für die Erzeugung von nicht reformiertem Methanol-Gas beschrieben.
  • Aus der Formel (1) sieht man, dass theoretisch die beste Effizienz erzielt wird, wenn das Mischungsverhältnis des Gasgemisches aus Dampf und Methanol-Gas 1:1 beträgt. Da jedoch der Siedepunkt von Methanol (65°C) kleiner als der Siedepunkt von Wasser (100°C) ist, ist Wasser noch nicht verdampft und nur Methanol wird verdampft, wenn nach dem Start des Energieerzeugungs-Systems die Temperatur im reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 ansteigt und größer als der Siedepunkt von Methanol wird, aber den Siedepunkt von Wasser noch nicht erreicht hat. Auf ähnliche Weise stoppt das Verdampfen von Wasser aber das von Methanol geht weiter, wenn nach dem Anhalten des Stromversorgungssystems die Temperatur im reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 fällt und kleiner als der Siedepunkt von Wasser wird, aber den Siedepunkt von Methanol noch nicht erreicht hat. Unter solchen Bedingungen wird der Anteil von Methanol bezüglich Dampf im Gasgemisch aus Methanol und Dampf größer, und der Reformierer 107 kann Methanol durch eine Reformierungs-Reaktion, wie sie durch Formel (1) ausgedrückt wird, nicht gründlich reformieren, was zu einem Anstieg von nicht reformiertem Methanol führt.
  • Da im Reformierer 107 nicht reformiertes Methanol erzeugt wird, wird es an der CO-Entferner 105 geschickt, wo es den im CO-Entferner 105 enthaltenen Katalysator verschlechtert und die CO-Entfernungs-Rate des CO-Entferners 105 beträchtlich verringert. Dann kann der CO-Entferner 105 CO durch eine Shift-Reaktion, wie in Formel (2) ausgedrückt, nicht mehr gründlich entfernen, und folglich steigt die CO-Konzentration.
  • Im Folgenden wird der Betrieb des Stromversorgungssystems dieser Ausführung mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben.
  • 2 ist ein Flussdiagramm des Start-Steuerungs-Prozesses der Ausführung in 1.
  • 3 ist ein Flussdiagramm des Stopp-Steuerungs-Prozesses der Ausführung in 1.
  • Zuerst wird mit Bezug auf 2 der Start-Steuerungs-Prozess dieser Ausführung (der erste Start-Steuerungs-Prozess) beschrieben. Der erste Start-Steuerungs-Prozess ist ein Prozess, der ausgeführt wird, wenn die Steuerungs-Vorrichtung 130 bewirkt, dass das Brennstoffzellen-System 200 mit dem Betrieb beginnt.
  • Die Steuerungs-Vorrichtung 130 gibt zuerst ein Heizer-Steuerungssignal zum Start einer Temperaturregelungs-Operation an jeden der elektrischen Heizer/Thermometer 102, 104, 106 und 108 aus, um zu bewirken, dass sie jeweils mit der Regelung der Temperaturen des Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfers 101, des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103, des Reformierers 107 und des CO-Entferners 105 beginnen (Schritte A1, A3, A5, A7).
  • Dann bestimmt die Steuerungs-Vorrichtung 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 102 gemessene Temperatur des Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfers 101 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A9). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat (Schritt A9: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A9 wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Temperatur des Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfers 101 einen Temperaturwert erreicht hat, der ausreichend hoch ist, mindestens Methanol zu verdampfen (z.B. ungefähr 65°C, d.h. der Siedepunkt von Methanol) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfers 101 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A9: Ja), gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um zu bewirken, dass Steuerungs-Treiber D1 mit dem Antrieb der Pumpe P1 beginnt, um Methanol zu liefern (Schritt A11), und gibt auch ein Signal aus, um zu bewirken, dass das Ventil V3 geöffnet wird, um mit der Lieferung von Methanol an den Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 zu beginnen (Schritt A13).
  • Dann gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um zu bewirken, dass der Treiber D3 die Luftpumpe P3 antreibt, um Luft an das Stromversorgungssystem zu liefern (Schritt A15), und auch ein Signal, um zu bewirken, dass das Ventil V5 geöffnet wird, um mit der Lieferung von Luft an den Methanol-Katalysator-Brenner 109 zu beginnen (Schritt A17). Als Folge der Verarbeitungs-Operationen in den Schritten A11 bis A17 wird Methanol-Gas, das vom Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 verdampft wurde, an den Methanol-Katalysator-Brenner 109 geliefert und mit Luft auf dem Katalysator im Methanol-Katalysator-Brenner 109 verbrannt. Die erzeugte Verbrennungs-Wärme wird dann dazu benutzt, den Reformierer 107, den CO-Entferner 105 und andere Komponenten des Abschnitts für die chemische Reaktion 100 zu erhitzen.
  • Danach bestimmt die Steuerungs-Vorrichtung 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 108 gemessene Temperatur des Reformierers 107 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A19). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat (Schritt A19: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A19 wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Temperatur des Reformierers 107 einen Temperaturwert erreicht hat, der ausreichend hoch ist, mindestens mit einer Reformierungs-Reaktion fortzufahren, die durch die Formel (1) ausgedrückt wird (z.B. ungefähr 300°C) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des Reformierers 107 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A19: Ja), bestimmt die Steuerungs-Vorrichtung 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 106 gemessene Temperatur des CO-Entferners 105 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A21). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschreitet (Schritt A21: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A21 wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Temperatur des CO-Entferners 105 einen Temperaturwert erreicht hat, der ausreichend hoch ist, mindestens mit den chemischen Reaktionen fortzufahren, die durch die Formel (3) und (4) ausgedrückt werden (z.B. 60 bis 80°C) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des CO-Entferners 105 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A21: Ja), bestimmt der Steuerungs-Abschnitt 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 104 gemessene Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A23). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschreitet (Schritt A23: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A23 wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 einen Temperaturwert erreicht hat, der ausreichend hoch ist, um mindestens Wasser zu verdampfen (z.B. ungefähr 100°C, d.h. den Siedepunkt von Wasser) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A23: Ja), gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um zu bewirken, dass der Treiber D2 die Pumpe P2 antreibt, um Wasser zu liefern (Schritt A25), und gibt auch ein Signal aus, um zu bewirken, dass das Ventil V2 geöffnet wird, um mit der Lieferung von Wasser an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 zu beginnen (Schritt A27). Da nur Wasser und kein Methanol an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 geliefert wird, werden der reformierende Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103, der Reformierer 107, der CO-Entferner 105 und die Rohrleitungen, die sie verbinden, allmählich mit Dampf gefüllt.
  • Dann bestimmt die Steuerungs-Vorrichtung 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 104 gemessene Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A29). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschreitet (Schritt A29: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A29 wird durchgeführt, um erneut festzustellen, ob die Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103, die in den Verarbeitungs-Operationen der Schritte A25 und A27 kurzzeitig durch das Einspritzen von Wasser in den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 gefallen ist, einen Temperaturwert überschreitet, der ausreichend hoch ist, um mindestens Wasser zu verdampfen (z.B. ungefähr 100°C, d.h. den Siedepunkt von Wasser) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A29: Ja), gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um das Ventil V1 zu öffnen, um mit der Lieferung von Methanol an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 zu beginnen (Schritt A33). Als Folge der Verarbeitungs-Operation in Schritt A33 wird Methanol an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 geliefert, und der reformierende Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 verdampft Methanol und erzeugt das Gasgemisch aus Methanol-Gas und Dampf, das an den Reformierer 107 gesendet wird. Somit findet im Reformierer 107 eine Reformierungs-Reaktion statt, wie durch die Formel (1) ausgedrückt.
  • Dann gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal zum Öffnen der Ventile V4, V6 und V7 aus, um mit der Lieferung von Luft an den CO-Entferner 105, den Abgas-Katalysator-Brenner 111 und die Energieerzeugungs-Zelle 120 zu beginnen (Schritt A35).
  • Als Folge davon finden die durch die Formel (3) und (4) ausgedrückten Shift-Reaktionen im CO-Entferner 105 statt, und eine Katalysator-Verbrennungs-Reaktion findet im Abgas-Katalysator-Brenner 111 statt, während elektrochemische Prozesse, wie durch die Formeln (5) und (6) ausgedrückt, in der Energieerzeugungs-Zelle 120 stattfinden, so dass die Energieerzeugungs-Zelle 120 damit beginnt, Elektrizität zu erzeugen.
  • Nun wird mit Bezug auf 3 der Stopp-Steuerungs-Prozess dieser Ausführung (der erste Stopp-Steuerungs-Prozess) beschrieben.
  • Der erste Stopp-Steuerungs-Prozess ist ein Prozess, der ausgeführt wird, wenn die Steuerungs-Vorrichtung 130 bewirkt, dass das Brennstoffzellen-System 200 mit dem Betrieb aufhört.
  • Die Steuerungs-Vorrichtung 130 bestimmt zuerst, ob die in der Sekundärzelle 180, die vom DC/DC-Wandler 170 geladen wird, angesammelte elektrische Energie einen vorher festgelegten Wert überschreitet oder nicht, um festzustellen, ob die Ladung des Stromversorgungssystems ausreicht oder nicht (Schritt B1). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis sie feststellt, dass die Ladung ausreicht (Schritt B1: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt B1 wird ausgeführt, um den Betrieb des Brennstoffzellen-Systems 200 nur anzuhalten, nachdem genug elektrische Energie zum Starten des Brennstoffzellen-Systems 200 angesammelt wurde, so dass das Brennstoffzellen-System 200 das nächste Mal sanft gestartet werden kann, weil das Stromversorgungssystem gestartet wird, um zu arbeiten, indem es die in der Sekundärzelle 180 angesammelte elektrische Energie benutzt, und das Stromversorgungssystem kann nicht gestartet werden, wenn die in der Sekundärzelle 180 angesammelte elektrische Energie nicht ausreicht.
  • Wenn festgestellt wird, dass die angesammelte elektrische Energie ausreicht (Schritt B1: Ja), gibt die Steuerungs-Einrichtung 130 ein Steuerungssignal aus, um das Ventil V1 zur Lieferung von Methanol an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 komplett zu schließen, und unterbricht die Lieferung von Methanol an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 (Schritt B3). Zu diesem Zeitpunkt wird das Ventil V2 zur Lieferung von Wasser an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 noch offen gehalten. Somit wird als Ergebnis der Verarbeitungs-Operation von Schritt B3 die Lieferung von Methanol an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 unterbrochen, und nur Wasser wird an ihn geliefert.
  • Dann bestimmt die Steuerungs-Einrichtung 130 durch den DC/DC-Wandler 170, ob die von der Energieerzeugungs-Zelle 120 erzeugte elektrische Energie kleiner ist als ein vorher festgelegter Energie-Pegel oder nicht (Schritt B5), und wartet, bis die von der Energieerzeugungs-Zelle 120 erzeugte elektrische Energie kleiner als der vorher festgelegte Energie-Pegel wird (Schritt B5: Nein). Zu diesem Zeitpunkt wird kein Methanol an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 geliefert, und nur Wasser wird an ihn geliefert. In der Zwischenzeit wird, obwohl die Reformierungs-Reaktion im Reformierer 107 andauert, kein reformiertes Gas mehr erzeugt und an die Energieerzeugungs-Zelle 120 geliefert, wenn alles nicht reformierte Methanol-Gas im Reformierer 107 reformiert ist. Dann fällt die Leistungsabgabe der Energieerzeugungs-Zelle 120 allmählich ab. Somit wird die Verarbeitungs-Operation in Schritt B5 ausgeführt, um zu erkennen, dass alles nicht reformierte Methanol-Gas reformiert wurde.
  • Wenn die Leistungsabgabe der Energieerzeugungs-Zelle 120 unter einen vorher festgelegten Leistungswert fällt (Schritt B5: Ja), stoppt die Steuerungs-Vorrichtung 130 die Lieferung elektrischer Energie an die Last durch den DC/DC-Wandler 170 (Schritt B7).
  • Danach gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Heizer-Steuerungs-Signal an jeden der elektrischen Heizer/Thermometer 102, 104, 106 und 108 aus (Schritt B9), um zu bewirken, dass sie ihre jeweiligen Temperatur-Regelungs-Operationen anhalten. Sie gibt auch ein Signal aus, um zu bewirken, dass der Steuerungs-Treiber D1 mit dem Antrieb der Pumpe P1 zur Lieferung von Methanol aufhört (Schritt B11), und gibt einen Befehl zum vollständigen Schließen des Ventils V3, um die Lieferung von Methanol an den Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 zu unterbrechen (Schritt B13). Als Folge der Verarbeitungs-Operationen in den Schritten B9 bis B13 stoppen die elektrischen Heizer/Thermometer 102, 104, 106 und 108 ihre jeweiligen Temperaturregelungs-Operationen, und die Lieferung von Methanol an den Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 wird gestoppt.
  • Anschließend gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um zu bewirken, dass der Steuerungs-Treiber D2 mit dem Antreiben der Pumpe P2 zum Liefern von Wasser an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 aufhört (Schritt B15), und auch ein Signal zum vollständigen Schließen des Ventils V2, um das Ventil V2 komplett zu schließen und die Lieferung von Wasser an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 zu unterbrechen (Schritt B17).
  • Schließlich gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal an den Steuerungs-Treiber D3, um das Antreiben der Luftpumpe P3 zum Liefern von Luft anzuhalten (Schritt B19), und gibt auch Signale zum vollständigen Schließen der Ventile V4, V5, V6 und V7 aus, um sie vollständig zu schließen und die Lieferung von Luft an den CO-Entferner 105, den Methanol-Katalysator-Brenner 109, den Abgas-Katalysator-Brenner 111 und die Energieerzeugungs-Zelle 120 zu unterbrechen (Schritt B21). Als Folge davon wird der Betrieb des Brennstoffzellen-Systems 200 komplett angehalten.
  • Somit wird, wenn das Stromversorgungssystem der oben beschriebenen ersten Ausführung gestartet werden soll, die Lieferung von Methanol erst nach dem Beginn der Lieferung von Wasser gestartet, und wenn die Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 einen vorher festgelegten Wert überschreitet. Daher gibt es beim Start des Stromversorgungssystems eine Zeitspanne, in der die interne Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 allmählich ansteigt und zeitweise auf einen Temperaturwert zwischen dem Siedepunkt von Wasser und dem von Methanol kommt. Da die Lieferung von Methanol zu diesem Zeitpunkt jedoch noch nicht begonnen hat, wird praktisch kein Methanol-Gas im reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 erzeugt. Dann wird Methanol nur geliefert, wenn die Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 auf einen ausreichend hohen Wert gestiegen ist, und das Innere des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 wird mit Dampf gefüllt, so dass es möglich ist, die Anlaufzeit des Stromversorgungssystems zu verringern und gleichzeitig die Erzeugung von nicht reformiertem Methanol-Gas zu unterdrücken.
  • Wenn andererseits das Stromversorgungssystem der oben beschriebenen Ausführung gestoppt werden soll, wird die Lieferung von Wasser erst nach dem Anhalten der Lieferung von Methanol gestoppt, und wenn die Ausgangsleistung der Energieerzeugungs-Zelle 120 unter einen vorher festgelegten Wert fällt. Daher gibt es beim Anhalten des Stromversorgungssystems eine Zeitspanne, in der die interne Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 allmählich fällt und zeitweise auf einen Temperaturwert zwischen dem Siedepunkt von Wasser und dem von Methanol kommt. Da die Lieferung von Methanol zu diesem Zeitpunkt jedoch bereits gestoppt ist, steigt der Gehalt an nicht reformiertem Methanol in dem im reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 erzeugten Gas nicht an. Dann wird die Lieferung von Wasser gestoppt, wenn die Ausgangsleistung der Energieerzeugungs-Zelle 120 fällt und der Gehalt an nicht reformiertem Methanol-Gas im reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 wird ausreichend klein. Daher ist es möglich, die zum Anhalten des Stromversorgungssystems benötigte Zeit zu verringern und gleichzeitig die Erzeugung von nicht reformiertem Methanol-Gas zu unterdrücken.
  • Mit dem Start-Steuerungs-Prozess und dem Stopp-Steuerungs-Prozess des Stromversorgungssystems, wie oben beschrieben, ist es möglich, die Anlaufzeit und die zum Anhalten des Stromversorgungssystems benötigte Zeit zu verringern und gleichzeitig die Erzeugung von nicht reformiertem Methanol-Gas zu unterdrücken. Da die Erzeugung von Methanol-Gas unterdrückt wird, wird die Verschlechterung des im CO-Entferner 105 enthaltenen Katalysators durch Methanol-Gas minimiert, und der CO-Entferner 105 kann CO ausreichend entfernen. Als Folge davon wird der Betrieb des Stromversorgungssystems stabilisiert. Zusätzlich dazu erfordern der Start-Steuerungs-Prozess und der Stopp-Steuerungs-Prozess kein Densitometer und ähnliches, das teuer ist, und somit ist die oben beschriebene Ausführung des Stromversorgungssystems vom Standpunkt der Kosten von Vorteil und kann verkleinert werden.
  • Obwohl das Stromversorgungssystem in 1 einen Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 und einen Methanol-Katalysator-Brenner 109 enthält und in der oben angegebenen Beschreibung ein Teil des im Methanol-Tank 140 enthaltenen Methanols (Energieerzeugungs-Brennstoff) als Verbrennungs-Brennstoff zum Heizen des Reformierers 107 und des CO-Entferners 105 benutzt wird, ist die vorliegende Erfindung in keiner Weise darauf beschränkt, und zum Beispiel können der Reformierer 107 und der CO-Entferner 105 alternativ mit dem Abgas-Katalysator-Brenner 111 und einem elektrischen Heizer auf eine vorher festgelegte Reaktionstemperatur aufgeheizt werden, um den Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 und den Methanol-Katalysator-Brenner 109 wegzulassen. Ferner kann es alternativ so angeordnet werden, dass der Reformierer 107 und der CO-Entferner 105 nur durch einen elektrischen Heizer erhitzt werden und der Abgas-Katalysator-Brenner 111 weggelassen wird.
  • <Zweite Ausführung>
  • Nun wird die zweite Ausführung des Stromversorgungssystems gemäß der Erfindung mit Bezug auf die 4 bis 6 beschrieben. Das Stromversorgungssystem dieser Ausführung enthält eine Festkörper-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle vom Brennstoff reformierenden Typ und ist angepasst, gasförmigen Brennstoff, wie z.B. Butan, das ein Hauptbestandteil von LPG ist, als Energieerzeugungs-Brennstoff zu verwenden.
  • 4 ist ein schematisches Blockdiagramm der zweiten Ausführung des Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, das dessen Konfiguration zeigt.
  • Die Komponenten dieser Ausführung, die denen der oben beschriebenen ersten Ausführung gleich oder ähnlich sind, werden jeweils mit den selben Referenz-Symbolen bezeichnet und werden nicht detailliert beschrieben oder weggelassen. Somit werden im Folgenden nur die charakteristischen Aspekte dieser Ausführung beschrieben.
  • Das Stromversorgungssystem dieser Ausführung enthält eine Steuerungs-Vorrichtung (Steuerungs-Abschnitt) 130, einen DC/DC-Wandler (Spannungs-Umwandlungs-Abschnitt) 170, eine Sekundärzelle 180 und ein Brennstoffzellen-System vom Brennstoff reformierenden Typ 201.
  • Das Brennstoffzellen-System 201 dieser Ausführung ist angepasst, Butan-Gas, d.h. gasförmigen Brennstoff bei Raumtemperatur, als Energieerzeugungs-Brennstoff zu verwenden.
  • Somit wird diese Ausführung realisiert, indem in dem in 1 gezeigten Blockdiagramm der ersten Ausführung die Pumpe P1 und der Steuerungs-Treiber D1 zur Lieferung von Methanol weggelassen werden, ein Regler R1 zur Regelung des Drucks von Butan und ein Regler-Steuerungs-Signal RD zur Steuerung des Betriebs des Antreibens des Reglers hinzugefügt werden, und der reformierende Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103, der Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 und der Methanol-Katalysator-Brenner 109 jeweils durch einen reformierenden Brennstoff-Mischer 113, einen Wasser-Verdampfer 112 und einen Katalysator-Brenner 110 ersetzt werden.
  • Der Wasser-Verdampfer 112 verdampft Wasser, das mittels der Pumpe P2 geliefert wird, und sendet Dampf an den reformierenden Brennstoff-Mischer 113. Der Katalysator-Brenner 110 verbrennt Butan-Gas, das von einer Butan-Flasche 150 geliefert wird, auf einem Katalysator, und die Verbrennungs-Hitze wird dazu benutzt, den Reformierer 107 und den CO-Entferner 105 zu erhitzen und sie auf eine vorher festgelegte Reaktionstemperatur einzustellen.
  • Nun wird der Betrieb des Stromversorgungssystems dieser Ausführung mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben.
  • 5 ist ein Flussdiagramm des Start-Steuerungs-Prozesses dieser Ausführung.
  • 6 ist ein Flussdiagramm des Stopp-Steuerungs-Prozesses dieser Ausführung.
  • Wie in 5 gezeigt, wird der Start-Steuerungs-Prozess dieser Ausführung (der zweite Start-Steuerungs-Prozess) realisiert, indem die Schritte A1 und A9, die sich auf den Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 beziehen, Schritt A11, in dem die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal ausgibt, um den Antrieb der Pumpe P1 zur Lieferung von Methanol zu starten, um Methanol zu liefern, und Schritt A29, der sich auf den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 bezieht, des ersten, in 2 gezeigten Start-Steuerungs-Prozesses jeweils durch die Schritte A2 und A10, die sich auf den Wasser-Verdampfer 112, Schritt A12, in dem die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal zum Öffnen des Reglers R1 zum Starten der Lieferung von Butan ausgibt und durch Schritt A30, der sich auf den reformierenden Brennstoff-Mischer 113 bezieht, ersetzt werden.
  • Somit gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 zuerst ein Heizer-Steuerungssignal zum Start einer Temperaturregelungs-Operation an jeden der elektrischen Heizer/Thermometer 102, 104, 106 und 108 aus, um zu bewirken, dass sie jeweils mit der Regelung der Temperaturen des Wasser-Verdampfers 112, des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103, des Reformierers 107 und des CO-Entferners 105 beginnen (Schritte A2, A3, A5, A7)
  • Dann bestimmt die Steuerungs-Vorrichtung 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 102 gemessene Temperatur des Wasser-Verdampfers 112 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A10). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat (Schritt A10: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A10 wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Temperatur des Wasser-Verdampfers 112 einen Temperaturwert erreicht hat, der ausreichend hoch ist, mindestens Wasser zu verdampfen (z.B. ungefähr 100°C, d.h. der Siedepunkt von Wasser) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des Wasser-Verdampfers 112 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A10: Ja), gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um den Regler R1 zur Lieferung von Butan zu öffnen (Schritt A12), und gibt auch ein Signal aus, um das Ventil V3 zu öffnen, um mit der Lieferung von Methanol an den Katalysator-Brenner 110 zu beginnen (Schritt A13).
  • Dann gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um zu bewirken, dass der Treiber D3 die Luftpumpe P3 antreibt, um Luft an das Stromversorgungssystem zu liefern (Schritt A15), und auch ein Signal, um zu bewirken, dass das Ventil V5 geöffnet wird, um mit der Lieferung von Luft an den Katalysator-Brenner 110 zu beginnen (Schritt A17). Als Folge der Verarbeitungs-Operationen in den Schritten A12 bis A17 wird Butan an den Katalysator-Brenner 110 geliefert und mit Luft auf dem Katalysator im Katalysator-Brenner 110 verbrannt. Die erzeugte Verbrennungs-Wärme wird dann dazu benutzt, den Reformierer 107, den CO-Entferner 105 und andere Komponenten des Abschnitts für die chemische Reaktion 100 zu erhitzen.
  • Danach bestimmt die Steuerungs-Vorrichtung 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 108 gemessene Temperatur des Reformierers 107 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A19). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat (Schritt A19: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A19 wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Temperatur des Reformierers 107 einen Temperaturwert erreicht hat, der ausreichend hoch ist, mindestens mit einer Reformierungs-Reaktion fortzufahren, die durch die Formel (1) ausgedrückt wird (z.B. ungefähr 300°C) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des Reformierers 107 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A19: Ja), bestimmt die Steuerungs-Vorrichtung 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 106 gemessene Temperatur des CO-Entferners 105 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A21). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschreitet (Schritt A21: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A21 wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Temperatur des CO-Entferners 105 einen Temperaturwert erreicht hat, der ausreichend hoch ist, mindestens mit den chemischen Reaktionen fortzufahren, die durch die Formel (3) und (4) ausgedrückt werden (z.B. 60 bis 80°C) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des CO-Entferners 105 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A21: Ja), bestimmt der Steuerungs-Abschnitt 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 104 gemessene Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A23). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschreitet (Schritt A23: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A23 wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 einen Temperaturwert erreicht hat, der ausreichend hoch ist, um mindestens Wasser zu verdampfen (z.B. ungefähr 100°C, d.h. den Siedepunkt von Wasser) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers/Verdampfers 103 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A23: Ja), gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um zu bewirken, dass der Treiber D2 die Pumpe P2 antreibt, um Wasser zu liefern (Schritt A25), und gibt auch ein Signal aus, um zu bewirken, dass das Ventil V2 geöffnet wird, um mit der Lieferung von Wasser an den Wasser-Verdampfer 112 zu beginnen (Schritt A27). Da nur Wasser an den Wasser-Verdampfer 112 und kein Butan an den reformierenden Brennstoff-Mischer 113 geliefert wird, werden der Reformierer 107, der CO-Entferner 105 und die Rohrleitungen, die sie verbinden, allmählich mit Dampf gefüllt.
  • Dann bestimmt die Steuerungs-Vorrichtung 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 104 gemessene Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers 112 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A30). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschreitet (Schritt A30: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A30 wird durchgeführt, um erneut festzustellen, ob die Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers 112, die in den Verarbeitungs-Operationen der Schritte A25 und A27 kurzzeitig durch das Einspritzen von Wasser in den reformierenden Brennstoff-Mischer 112 gefallen ist, einen Temperaturwert überschreitet, der ausreichend hoch ist, um mindestens Wasser zu verdampfen (z.B. ungefähr 100°C, d.h. den Siedepunkt von Wasser) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers 112 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A30: Ja), gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um das Ventil V1 zu öffnen, um mit der Lieferung von Butan an den reformierenden Brennstoff-Mischer 112 zu beginnen (Schritt A33). Als Folge der Verarbeitungs-Operation in Schritt A33 wird Butan an den reformierenden Brennstoff-Mischer 112 geliefert, und der reformierende Brennstoff-Mischer 112 erzeugt das Gasgemisch aus Butan und Dampf, das an den Reformierer 107 gesendet wird. Somit findet im Reformierer 107 eine Reformierungs-Reaktion statt, wie durch die Formel (1) ausgedrückt.
  • Dann gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal zum Öffnen der Ventile V4, V6 und V7 aus, um mit der Lieferung von Luft an den CO-Entferner 105, den Abgas-Katalysator-Brenner 111 und die Energieerzeugungs-Zelle 120 zu beginnen (Schritt A35).
  • Als Folge davon finden die durch die Formel (3) und (4) ausgedrückten Shift-Reaktionen im CO-Entferner 105 statt, und eine Katalysator-Verbrennungs-Reaktion findet im Abgas-Katalysator-Brenner 111 statt, während elektrochemische Prozesse, wie durch die Formeln (5) und (6) ausgedrückt, in der Energieerzeugungs-Zelle 120 stattfinden, so dass die Energieerzeugungs-Zelle 120 damit beginnt, Elektrizität zu erzeugen.
  • Somit ist es mit dem zweiten Start-Steuerungs-Prozess wie im Fall des oben beschriebenen ersten Start-Steuerungs-Prozesses möglich, die Anlaufzeit des Stromversorgungssystems zu verringern und gleichzeitig die Erzeugung von nicht reformiertem Methanol-Gas zu unterdrücken.
  • Nun wird mit Bezug auf 6 der Stopp-Steuerungs-Prozess dieser Ausführung (der zweite Stopp-Steuerungs-Prozess) realisiert, indem Schritt B11 des ersten Stopp-Steuerungs-Prozesses in 3, in dem die Steuerungs-Vorrichtung 130 an den Steuerungs-Treiber D1 ein Signal ausgibt, um die Operation des Antriebes der Pumpe P1 anzuhalten, durch Schritt B12 ersetzt wird, in dem die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal ausgibt, um den Regler R1 vollständig zu schließen, um die Lieferung von Butan zu unterbrechen.
  • Die Steuerungs-Vorrichtung 130 bestimmt zuerst, ob die in der Sekundärzelle 180, die vom DC/DC-Wandler 170 geladen wird, angesammelte elektrische Energie einen vorher festgelegten Wert überschreitet oder nicht, um festzustellen, ob die Ladung des Stromversorgungssystems ausreicht oder nicht (Schritt B1). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis sie feststellt, dass die Ladung ausreicht (Schritt B1: Nein).
  • Wenn festgestellt wird, dass die angesammelte elektrische Energie ausreicht (Schritt B1: Ja), gibt die Steuerungs-Einrichtung 130 ein Steuerungssignal aus, um das Ventil V1 zur Lieferung von Butan an den reformierenden Brennstoff-Mischer 112 komplett zu schließen, und unterbricht die Lieferung von Butan an den reformierenden Brennstoff-Mischer 112 (Schritt B3). Zu diesem Zeitpunkt dauert die Lieferung von Wasser an den Wasser-Verdampfer 112 noch an. Somit wird als Ergebnis der Verarbeitungs-Operation von Schritt B3 durch den Wasser-Verdampfer 112 nur Dampf an den reformierenden Brennstoff-Mischer 112 geliefert.
  • Dann bestimmt die Steuerungs-Einrichtung 130 durch den DC/DC-Wandler 170, ob die von der Energieerzeugungs-Zelle 120 erzeugte elektrische Energie kleiner ist als ein vorher festgelegter Energie-Pegel oder nicht (Schritt B5), und wartet, bis die von der Energieerzeugungs-Zelle 120 erzeugte elektrische Energie kleiner als der vorher festgelegte Energie-Pegel wird (Schritt B5: Nein). Zu diesem Zeitpunkt dauert, während nur Wasser an den reformierenden Brennstoff-Mischer 103 geliefert wird, die Reformierungs-Reaktion im Reformierer 107 an, so dass kein reformiertes Gas mehr erzeugt und an die Energieerzeugungs-Zelle 120 geliefert wird, wenn alles nicht reformierte Methanol-Gas im Reformierer 107 reformiert ist. Dann fällt die Leistungsabgabe der Energieerzeugungs-Zelle 120 allmählich ab. Somit wird die Verarbeitungs-Operation in Schritt B5 ausgeführt, um zu erkennen, dass alles nicht reformierte Methanol-Gas reformiert wurde.
  • Wenn die Leistungsabgabe der Energieerzeugungs-Zelle 120 unter einen vorher festgelegten Leistungswert fällt (Schritt B5: Ja), stoppt die Steuerungs-Vorrichtung 130 die Lieferung elektrischer Energie an die Last durch den DC/DC-Wandler 170 (Schritt B7).
  • Danach gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Heizer-Steuerungs-Signal an jeden der elektrischen Heizer/Thermometer 102, 104, 106 und 108 aus (Schritt B9), um zu bewirken, dass sie ihre jeweiligen Temperatur-Regelungs-Operationen anhalten. Sie gibt auch ein Signal aus, um den Regler R1 zur Lieferung von Butan vollständig zu schließen (Schritt B12), und gibt einen Befehl zum vollständigen Schließen des Ventils V3, um die Lieferung von Butan an den Katalysator-Brenner 110 zu unterbrechen (Schritt B13).
  • Anschließend gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um zu bewirken, dass der Steuerungs-Treiber D2 mit dem Antreiben der Pumpe P2 zum Liefern von Wasser an den Wasser-Verdampfer 112 aufhört (Schritt B15), und auch ein Signal zum vollständigen Schließen des Ventils V2, um das Ventil V2 komplett zu schließen und die Lieferung von Wasser an den Wasser-Verdampfer 112 zu unterbrechen (Schritt B17).
  • Schließlich gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal an den Steuerungs-Treiber D3, um das Antreiben der Luftpumpe P3 zum Liefern von Luft anzuhalten (Schritt B19), und gibt auch ein Signal zum vollständigen Schließen der Ventile V4, V5, V6 und V7, um sie vollständig zu schließen und die Lieferung von Luft an den CO-Entferner 105, den Katalysator-Brenner 110, den Abgas-Katalysator-Brenner 111 und die Energieerzeugungs-Zelle 120 zu unterbrechen (Schritt B21). Als Folge davon wird der Betrieb des Brennstoffzellen-Systems 201 komplett angehalten.
  • Alle nachfolgenden Operationen nach Schritt B13 sind dieselben wie die des ersten Start-Steuerungs-Prozesses.
  • Somit ist es, wie im Fall des oben beschriebenen ersten Stopp-Steuerungs-Prozesses mit dem zweiten Start-Steuerungs-Prozess möglich, die zum Anhalten des Stromversorgungssystems benötigte Zeit zu verringern und gleichzeitig die Erzeugung von nicht reformiertem Methanol-Gas zu unterdrücken.
  • Die zweite Ausführung des Stromversorgungssystems, die angepasst ist, gasförmigen Brennstoff, wie z.B. Butan, als Energieerzeugungs-Brennstoff zu benutzen, bietet ähnliche Vorteile wie die erste Ausführung.
  • <Dritte Ausführung>
  • Nun wird die dritte Ausführung des Stromversorgungssystems gemäß der Erfindung mit Bezug auf die 7 bis 9 beschrieben. Das Stromversorgungssystem dieser Ausführung enthält eine Festkörper-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle vom Brennstoff reformierenden Typ und ist angepasst, flüssigen Brennstoff, wie z.B. Methanol, als Energieerzeugungs-Brennstoff zu verwenden.
  • 7 ist ein schematisches Blockdiagramm der dritten Ausführung des Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, das dessen Konfiguration zeigt.
  • Die Komponenten dieser Ausführung, die denen der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführung gleich oder ähnlich sind, werden jeweils mit den selben Referenz-Symbolen bezeichnet und werden nicht detailliert beschrieben oder weggelassen. Somit werden im Folgenden nur die charakteristischen Aspekte dieser Ausführung beschrieben.
  • Das Stromversorgungssystem dieser Ausführung enthält eine Steuerungs-Vorrichtung (Steuerungs-Abschnitt) 130, einen DC/DC-Wandler (Spannungs-Umwandlungs-Abschnitt) 170, eine Sekundärzelle 180 und ein Brennstoffzellen-System vom Brennstoff reformierenden Typ 202.
  • Das Brennstoffzellen-System 202 dieser Ausführung ist angepasst, Methanol und Wasser zu verdampfen und sie anschließend zu mischen. Aus diesem Grund wird diese Ausführung realisiert, indem in dem in 1 gezeigten Blockdiagramm der ersten Ausführung der reformierende Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 weggelassen wird und ein Wasser-Verdampfer (der erste Verdampfer) 112 zum Verdampfen von Wasser, ein reformierender Brennstoff-Verdampfer (der zweite Verdampfer) 114 zum Verdampfen von Methanol und ein Mischer 115 zum Mischen von verdampftem Methanol und Dampf hinzugefügt werden. Der Wasser-Verdampfer 112 ist mit einem elektrischen Heizer/Thermometer 102 zum Zweck der Temperaturregelung ausgestattet, während der reformierende Brennstoff-Verdampfer 114 mit dem elektrischen Heizer/Thermometer 104 zum Zweck der Temperaturregelung ausgestattet ist. Da der Mischer 115 Gas mischt, kann er kleiner gemacht werden als ein Mischer zum Mischen von Flüssigkeiten.
  • In dem Brennstoffzellen-System 202 werden der Reformierer 107 und der CO-Entferner 105 und andere Komponenten des Abschnitts für die chemische Reaktion 100 nur durch die Hitze der Verbrennung erhitzt, die vom elektrischen Heizer/Thermometer 108 und dem Abgas-Katalysator-Brenner 111 erzeugt wird, um sie auf eine vorher festgelegte Reaktionstemperatur einzustellen, so dass der Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101, der Methanol-Katalysator-Brenner 109 und die Ventile V3 und V5 und die Durchflussmesser F3 und F5, die in der ersten Ausführung zu ihnen gehören, in der dritten Ausführung beseitigt werden.
  • Zusätzlich dazu werden in dem Brennstoffzellen-System 202 das Ventil V7 und die Durchflussmesser F7 und F8 der ersten und zweiten Ausführung zur Regelung der Rate der Energieerzeugung der Energieerzeugungs-Zelle 120 durch die Raten der Lieferung von Methanol, Wasser und Luft beseitigt.
  • Mit dieser Anordnung ist es möglich, sowohl die Abmessungen, als auch das Gewicht des Brennstoffzellen-Systems 202 dieser Ausführung im Vergleich zum Brennstoffzellen-System 200 und 201 der ersten und zweiten Ausführung zu verringern, um ein Stromversorgungssystem zu realisieren, das für tragbare elektronische Geräte geeignet ist.
  • Nun wird der Betrieb des Stromversorgungssystems dieser Ausführung mit Bezug auf die 8 und 9 beschrieben.
  • 8 ist ein Flussdiagramm des Start-Steuerungs-Prozesses dieser Ausführung.
  • 9 ist ein Flussdiagramm des Stopp-Steuerungs-Prozesses dieser Ausführung.
  • Wie in 8 gezeigt, wird der Start-Steuerungs-Prozess dieser Ausführung (der dritte Start-Steuerungs-Prozess) realisiert, indem in dem ersten, in 2 gezeigten Start-Steuerungs-Prozess Schritt A1, der sich auf den Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 bezieht, und Schritt A3, der sich auf den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 bezieht, jeweils durch den Schritt A2, der sich auf den Wasser-Verdampfer 112 bezieht, und Schritt A4, der sich auf den reformierenden Brennstoff-Verdampfer 114 bezieht, ersetzt werden, wobei Schritt A9, der sich auf den Verbrennungs-Brennstoff-Verdampfer 101 bezieht, Schritt A11, der sich auf die Pumpe P1 bezieht, und Schritt A13, der sich auf das Ventil V13 bezieht, beseitigt werden, die Schritte A23 und A29, die sich auf den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 beziehen, jeweils durch den Schritt A24, der sich auf den Wasser-Verdampfer 112 bezieht, und Schritt A28, der sich auf den reformierenden Brennstoff-Verdampfer 114 bezieht, ersetzt werden, und Schritt A30 zur Ansteuerung der Pumpe P1 zwischen Schritt A28 und Schritt A31 eingefügt werden.
  • Die Steuerungs-Vorrichtung 130 gibt zuerst ein Heizer-Steuerungssignal zum Start einer Temperaturregelungs-Operation an jeden der elektrischen Heizer/Thermometer 102, 104, 106 und 108 aus, um zu bewirken, dass sie jeweils mit der Regelung der Temperaturen des Wasser-Verdampfers 112, des reformierenden Brennstoff-Verdampfers 114, des Reformierers 107 und des CO-Entferners 105 beginnen (Schritte A2, A4, A5, A7).
  • Dann gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um zu bewirken, dass der Treiber D3 die Luftpumpe P3 antreibt, um Luft an das Stromversorgungssystem zu liefern (Schritt A15), um mit der Lieferung von Luft an die Energieerzeugungs-Zelle 120 zu beginnen.
  • Danach bestimmt die Steuerungs-Vorrichtung 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 108 gemessene Temperatur des Reformierers 107 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A19). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat (Schritt A19: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A19 wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Temperatur des Reformierers 107 einen Temperaturwert erreicht hat, der ausreichend hoch ist, mindestens mit einer Reformierungs-Reaktion fortzufahren, die durch die Formel (1) ausgedrückt wird (z.B. ungefähr 300°C) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des Reformierers 107 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A19: Ja), bestimmt die Steuerungs-Vorrichtung 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 106 gemessene Temperatur des CO-Entferners 105 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A21). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschreitet (Schritt A21: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A21 wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Temperatur des CO-Entferners 105 einen Temperaturwert erreicht hat, der ausreichend hoch ist, mindestens mit den chemischen Reaktionen fortzufahren, die durch die Formel (3) und (4) ausgedrückt werden (z.B. 60 bis 80°C) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des CO-Entferners 105 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A21: Ja), bestimmt der Steuerungs-Abschnitt 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 104 gemessene Temperatur des Wasser-Verdampfers 112 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A24). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschreitet (Schritt A24: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A24 wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Temperatur des Wasser-Verdampfers 112 einen Temperaturwert erreicht hat, der ausreichend hoch ist, um mindestens Wasser zu verdampfen (z.B. ungefähr 100°C, d.h. den Siedepunkt von Wasser) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des Wasser-Verdampfers 112 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A24: Ja), gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um zu bewirken, dass der Treiber D2 die Pumpe P2 antreibt, um Wasser zu liefern (Schritt A25), und gibt auch ein Signal aus, um zu bewirken, dass das Ventil V2 geöffnet wird, um mit der Lieferung von Wasser an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 zu beginnen (Schritt A27). Da Wasser an den Wasser-Verdampfer 112, aber kein Methanol an den reformierenden Brennstoff-Verdampfer 114 geliefert wird, werden der Mischer 115, der Reformierer 107, der CO-Entferner 105 und die Rohrleitungen, die sie verbinden, allmählich mit Dampf gefüllt.
  • Dann bestimmt die Steuerungs-Vorrichtung 130, ob die vom elektrischen Heizer/Thermometer 104 gemessene Temperatur des reformierenden Brennstoff-Verdampfers 114 einen vorher festgelegten Temperaturwert überschritten hat oder nicht (Schritt A28). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis die Temperatur den vorher festgelegten Temperaturwert überschreitet (Schritt A28: Nein). Die Verarbeitungs-Operation aus Schritt A28 wird durchgeführt, um erneut festzustellen, ob die Temperatur des reformierenden Brennstoff-Mischers 114, die in den Verarbeitungs-Operationen der Schritte A25 und A27 kurzzeitig durch das Einspritzen von Wasser in den reformierenden Brennstoff-Verdampfer 114 gefallen ist, einen Temperaturwert überschreitet, der ausreichend hoch ist, um mindestens Wasser zu verdampfen (z.B. ungefähr 100°C, d.h. den Siedepunkt von Wasser) oder nicht.
  • Wenn die Temperatur des reformierenden Brennstoff-Verdampfers 114 über den vorher festgelegten Temperaturwert ansteigt, (Schritt A28: Ja), gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um zu bewirken, dass der Steuerungs-Treiber D1 mit dem Antrieb der Pumpe P1 beginnt, um Methanol zu liefern, und ein Signal zum Öffnen des Ventils V1, um mit der Lieferung von Methanol an den reformierenden Brennstoff-Verdampfer 114 zu beginnen (Schritt A33).
  • Dann gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal zum Öffnen der Ventile V4, V6 und V7 aus, um mit der Lieferung von Luft an den CO-Entferner 105, den Abgas-Katalysator-Brenner 111 und die Energieerzeugungs-Zelle 120 zu beginnen (Schritt A35).
  • Als Folge davon finden die durch die Formel (3) und (4) ausgedrückten Shift-Reaktionen im CO-Entferner 105 statt, und eine Katalysator-Verbrennungs-Reaktion findet im Abgas-Katalysator-Brenner 111 statt, während elektrochemische Prozesse, wie durch die Formeln (5) und (6) ausgedrückt, in der Energieerzeugungs-Zelle 120 stattfinden, so dass die Energieerzeugungs-Zelle 120 damit beginnt, Elektrizität zu erzeugen.
  • Beim dritten Start-Steuerungs-Prozess wird Wasser vom Wasser-Verdampfer 112 verdampft, und anschließend wird Methanol vom reformierenden Brennstoff-Verdampfer 114 verdampft, so dass verdampftes Methanol und Dampf miteinander gemischt werden. Somit wird der Gehalt an Methanol bezüglich des Dampfes niemals zu hoch, so dass es möglich ist, die Anlaufzeit des Stromversorgungssystems zu verringern und gleichzeitig die Erzeugung von nicht reformiertem Methanol-Gas zu unterdrücken.
  • Nun wird mit Bezug auf 9 der Stopp-Steuerungs-Prozess dieser Ausführung (der dritte Stopp-Steuerungs-Prozess) realisiert, indem in dem ersten Stopp-Steuerungs-Prozess in 3 Schritt B13, der sich auf das Ventil V3 bezieht, beseitigt wird, und Schritt B21 des ersten Stopp-Steuerungs-Prozesses, in dem die Steuerungs-Vorrichtung 130 Signale ausgibt, um die Ventile V4, V5, V6 und V7 komplett zu schließen, um die Lieferung von Luft an den CO-Entferner 105, den Methanol-Katalysator-Brenner 109, den Abgas-Katalysator-Brenner 111 und die Energieerzeugungs-Zelle 120 zu unterbrechen, durch Schritt B22 ersetzt wird, in dem die Steuerungs-Vorrichtung 130 Signale ausgibt, um nur die Ventile V4 und V6 komplett zu schließen, um die Lieferung von Luft an den CO-Entferner 105 und den Abgas-Katalysator-Brenner 111 zu unterbrechen, so dass kein Signal ausgegeben wird, um die Ventile V5 und V7 komplett zu schließen, um die Lieferung von Luft an den Methanol-Katalysator-Brenner 109 und die Energieerzeugungs-Zelle 120 zu unterbrechen.
  • Die Steuerungs-Vorrichtung 130 bestimmt zuerst, ob die in der Sekundärzelle 180, die vom DC/DC-Wandler 170 geladen wird, angesammelte elektrische Energie einen vorher festgelegten Wert überschreitet oder nicht, um festzustellen, ob die Ladung des Stromversorgungssystems ausreicht oder nicht (Schritt B1). Die Steuerungs-Vorrichtung 130 wartet, bis sie feststellt, dass die Ladung ausreicht (Schritt B1: Nein).
  • Wenn festgestellt wird, dass die in der Sekundärzelle 180 angesammelte elektrische Energie ausreicht (Schritt B1: Ja), gibt die Steuerungs-Einrichtung 130 ein Steuerungssignal aus, um das Ventil V1 zur Lieferung von Methanol an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 komplett zu schließen, und unterbricht die Lieferung von Methanol an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 (Schritt B3). Zu diesem Zeitpunkt wird das Ventil V2 zur Lieferung von Wasser an den reformierenden Brennstoff-Mischer/Verdampfer 103 kontinuierlich offen gehalten. Somit wird als Ergebnis der Verarbeitungs-Operation von Schritt B3 die Lieferung von Methanol an den reformierenden Brennstoff-Verdampfer 114 unterbrochen.
  • Dann bestimmt die Steuerungs-Einrichtung 130 durch den DC/DC-Wandler 170, ob die von der Energieerzeugungs-Zelle 120 erzeugte elektrische Energie kleiner ist als ein vorher festgelegter Energie-Pegel oder nicht (Schritt B5), und wartet, bis die von der Energieerzeugungs-Zelle 120 erzeugte elektrische Energie kleiner als der vorher festgelegte Energie-Pegel wird (Schritt B5: Nein). Zu diesem Zeitpunkt wird kein Methanol an den reformierenden Brennstoff-Verdampfer 114 geliefert, aber die Lieferung von Wasser an den Wasser-Verdampfer 112 dauert an, und die Reformierungs-Reaktion im Reformierer 107 dauert ebenfalls an, so dass kein reformiertes Gas mehr erzeugt und an die Energieerzeugungs-Zelle 120 geliefert wird, wenn alles nicht reformierte Methanol-Gas im Reformierer 107 reformiert ist. Dann fällt die Leistungsabgabe der Energieerzeugungs-Zelle 120 allmählich ab. Somit wird die Verarbeitungs-Operation in Schritt B5 ausgeführt, um zu erkennen, dass alles nicht reformierte Methanol-Gas reformiert wurde.
  • Wenn die Leistungsabgabe der Energieerzeugungs-Zelle 120 unter einen vorher festgelegten Leistungswert fällt (Schritt B5: Ja), stoppt die Steuerungs-Vorrichtung 130 die Lieferung elektrischer Energie an die Last durch den DC/DC-Wandler 170 (Schritt B7).
  • Danach gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Heizer-Steuerungs-Signal an jeden der elektrischen Heizer/Thermometer 102, 104, 106 und 108 aus (Schritt B9), um zu bewirken, dass sie ihre jeweiligen Temperatur-Regelungs-Operationen anhalten. Sie gibt auch ein Signal aus, um zu bewirken, dass der Steuerungs-Treiber D1 die Pumpe P1 zur Lieferung von Methanol vollständig schließt (Schritt B11).
  • Anschließend gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal aus, um zu bewirken, dass der Steuerungs-Treiber D2 mit dem Antreiben der Pumpe P2 zum Liefern von Wasser an den Wasser-Verdampfer 112 aufhört (Schritt B15), und auch ein Signal zum vollständigen Schließen des Ventils V2, um das Ventil V2 komplett zu schließen und die Lieferung von Wasser an den Wasser-Verdampfer 112 zu unterbrechen (Schritt B17).
  • Schließlich gibt die Steuerungs-Vorrichtung 130 ein Signal an den Steuerungs-Treiber D3, um das Antreiben der Luftpumpe P3 zum Liefern von Luft anzuhalten (Schritt B19), und gibt auch ein Signal zum vollständigen Schließen der Ventile V4 und V6, um sie vollständig zu schließen und die Lieferung von Luft an den CO-Entferner 105, den Abgas-Katalysator-Brenner 111 und die Energieerzeugungs-Zelle 120 zu unterbrechen (Schritt B22). Als Folge davon wird der Betrieb des Brennstoffzellen-Systems 202 komplett angehalten.
  • Beim dritten Stopp-Steuerungs-Prozess wird die Operation des Verdampfens von Wasser im Wasser-Verdampfer 112 angehalten, nachdem die Operation des Verdampfens von Methanol im reformierenden Brennstoff-Verdampfer 114 angehalten wurde, so dass der Gehalt an Methanol bezüglich des Dampfes nicht ansteigt, und somit ist es möglich, die für das Anhalten des Stromversorgungssystems benötigte Zeit zu verringern und gleichzeitig die Erzeugung von nicht reformiertem Methanol-Gas zu unterdrücken.
  • Somit bietet die dritte Ausführung des Stromversorgungssystems ähnliche Vorteile wie die erste Ausführung.
  • [Änderungen der Ausführungen]
  • Obwohl in der ersten und dritten Ausführung Methanol als Energieerzeugungs-Brennstoff verwendet wird, kann es durch andere flüssige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe, wie Ethanol oder Benzin ersetzt werden. Obwohl der Wassertank 160 und der Methanol-Tank 140 in der der ersten und dritten Ausführung getrennt verwendet werden, können sie durch einen einzelnen Tank ersetzt werden, der im Innern Bereiche aufweist, in denen Wasser und Methanol getrennt enthalten sind.
  • Obwohl in der zweiten Ausführung Butan als Energieerzeugungs-Brennstoff verwendet wird, kann es durch andere gasförmige Brennstoffe vom Kohlenwasserstoff-Typ ersetzt werden, wie Methan, Dimethyläther, Stadtgas oder Propangas. Zusätzlich dazu kann zwischen dem Regler und der Butan-Flasche ein Vorheizer vorgesehen werden, um die Anlaufzeit zu verringern und die thermische Effizienz zu verbessern.
  • Die vorliegende Erfindung wird in der oben angegebenen Beschreibung der ersten und dritten Ausführung auf eine Festkörper-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) angewendet, die vorliegende Erfindung kann auch auf eine Festkörper-Oxid-Elektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC) angewendet werden. Wenn die vorliegende Erfindung auf eine SOFC angewendet wird, in der Brennstoff vom Kohlenwasserstoff-Typ verwendet wird, ist es möglich das Phänomen zu unterdrücken, dass sich Kohlenstoff an den Elektroden ablagert, indem Brennstoff vom Kohlenwasserstoff-Typ ohne Reformieren verwendet wird. Dann ist es möglich, zu verhindern, dass sich die Energieerzeugungs-Leistung verschlechtert, wie im Fall der ersten und dritten Ausführung.
  • Der Wasser-Verdampfer 112 und der reformierende Brennstoff-Verdampfer 114 der dritten Ausführung des Stromversorgungssystems sind in der oben angegebenen Beschreibung jeweils mit elektrischen Heizern/Thermometern 102, 104 ausgestattet, um sie zu regeln. Sie können jedoch alternativ durch einen einzelnen gemeinsamen Heizer/ein Thermometer geregelt werden.
  • Obwohl die Operation des Lieferns von Brennstoff, Wasser und Luft und die des Unterbrechens der Lieferung von Brennstoff, Wasser und Luft in der oben angegebenen Beschreibung der Ausführungen durch Steuerventile und Pumpen gesteuert werden, können alternativ nur Pumpen benutzt werden, um den Betrieb des Lieferns von Brennstoff, Wasser und Luft und des Unterbrechens von Brennstoff, Wasser und Luft zu steuern.
  • <Elektronische Vorrichtung>
  • Im Folgenden wird eine elektronische Vorrichtung, die ein Stromversorgungssystems einer beliebigen der ersten bis dritten Ausführung enthält, beschrieben.
  • 10 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Energieerzeugungs-Einheit, die durch Anwendung eines Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert ist.
  • 11 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer elektronischen Vorrichtung, die angepasst ist, eine Energieerzeugungs-Einheit zu verwenden, die durch Anwendung eines Stromversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert ist.
  • 12 zeigt Ansichten von drei Seiten einer anderen elektronischen Vorrichtung, die angepasst ist, ein Stromversorgungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden.
  • Jede der oben beschriebenen Ausführungen des Stromversorgungssystems kann verwendet werden, indem es in eine Energieerzeugungseinheit 801 montiert wird, wie in 10 gezeigt. Mit Bezug auf 10 enthält die Energieerzeugungseinheit 801 typischerweise einen Rahmen 802, einen Brennstoffbehälter 804, der einen Methanol-Tank 140 und einen Wassertank 160 als integralen Bestandteil davon enthält und angepasst ist, abnehmbar am Rahmen 802 befestigt zu werden, eine Durchflussraten-Steuerungs-Einheit 806, die Fluss-Pfade, Pumpen, Durchflussraten-Sensoren und Ventile enthält, ein Mikroreaktor-Modul 600, das in einem wärmeisolierenden Gehäuse 791 enthalten ist, eine Energieerzeugungs-Zelle 808, die eine Brennstoffzelle, einen Befeuchter, einen Wiedergewinnungs-Behälter und so weiter enthält, eine Luftpumpe 810 und eine Stromversorgungseinheit 812, die eine Sekundärzelle, einen DC/DC-Wandler, eine externe Schnittstelle und so weiter enthält. Wasserstoffgas wird als aus Wasser erhaltene Gasmischung erzeugt, und flüssiger Brennstoff im Brennstoff-Behälter 804 wird durch die Durchflussraten-Steuerungseinheit 806 geliefert und an die Brennstoffzelle der Energieerzeugungs-Zelle 808 geliefert. Dann wird die erzeugte Elektrizität in der Sekundärzelle der Stromversorgungseinheit 812 gesammelt.
  • Die Energieerzeugungseinheit 801 ist zum Beispiel in der elektronischen Vorrichtung 851 montiert, wie in 11 gezeigt.
  • Die elektronische Vorrichtung 851 ist ein tragbares elektronisches Gerät, wie z.B. ein Personal-Computer vom Notebook-Typ. Die elektronische Vorrichtung 851 enthält in ihrem Inneren einen Verarbeitungs-Schaltkreis, der aus einer CPU, einem RAM, einem ROM und anderen elektronischen Bauelementen gebildet wird, und ist mit einem Gehäuse-Unterteil 854 ausgestattet, das den Verarbeitungs-Schaltkreis enthält und mit einer Tastatur 852 ausgestattet ist, und einem Gehäuse-Oberteil 858 ausgestattet, das mit einem Flüssigkristall-Bildschirm 856 ausgestattet ist. Das Gehäuse-Unterteil 854 und das Gehäuse-Oberteil 858 sind durch Scharniere auf eine Weise miteinander verbunden, dass sie aufeinander gelegt werden können, wobei die Tastatur 852 und der Flüssigkristall-Bildschirm 856 einander gegenüber liegen. Ein Halterungs-Abschnitt 860 ist ausgebildet, sich von der seitlichen Oberfläche zur unteren Oberfläche des Gehäuse-Unterteils 854 zu erstrecken und in sich die Energieerzeugungseinheit 801 aufzunehmen. Somit wird, wenn die Energieerzeugungseinheit 801 in den Halterungs-Abschnitt 860 montiert ist, die elektronische Vorrichtung 851 durch die Energieerzeugungseinheit 801 mit Strom versorgt.
  • Die in 12 gezeigte elektronische Vorrichtung 900 enthält zwei Brennstoff-Behälter 904A, 904B, die abnehmbar an ihr befestigt werden können, wobei jeder als integralen Bestandteil einen Methanol-Tank 140 und einen Wassertank 160 hat. Die elektronische Vorrichtung 900 enthält Komponenten außer den Brennstoff-Behältern 904A, 904B und ist mit einem vertieften Halterungs-Teil zur Aufnahme des Brennstoff-Behälters 904A, 904B ausgestattet. Wenn die Brennstoff-Behälter 904A, 904B im Halterungs-Teil montiert sind, werden von den Brennstoff-Behältern 904A, 904B Methanol und Wasser in die elektronische Vorrichtung 900 geliefert. Da die elektronische Vorrichtung mit einer Vielzahl von Brennstoff-Behältern 904A, 904B ausgestattet ist, ist es möglich, wenn in einem der Brennstoff-Behälter 904A, 904B Methanol oder Wasser knapp werden, Methanol oder Wasser, je nachdem was geeignet ist, aus dem anderen Brennstoff-Behälter zu benutzen. Somit kann der leere Brennstoff-Behälter herausgenommen werden, neu mit Methanol und Wasser gefüllt werden und wieder in der elektronischen Vorrichtung 900 montiert werden, während die elektronische Vorrichtung 900 kontinuierlich betrieben wird.
  • Alternativ kann nur der Methanol-Tank oder die Tanks 140 abnehmbar an der elektronischen Vorrichtung 900 befestigt sein, und die elektronische Vorrichtung 900 kann im Innern mit einem Wassertank 160 ausgestattet sein. Der Wassertank 160 kann so angepasst sein, dass er das von der Brennstoffzelle erzeugte Wasser sammelt und speichert.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Stromversorgungssystem, bei dem eine Brennstoffzelle benutzt wird, enthält einen Abschnitt für eine chemische Reaktion (100), der einen Verdampfungs-Abschnitt (103, 112, 114) umfasst, der einen Energieerzeugungs-Brennstoff und Wasser empfängt, die an ihn geliefert werden, mindestens das an ihn gelieferte Wasser aufheizt, um es zu verdampfen, und einen Reaktions-Abschnitt (105, 107), der ein Energieerzeugungs-Gas auf der Basis des im Verdampfungs-Abschnitt erzeugten Dampfes und des Energieerzeugungs-Brennstoffs erzeugt, einen Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt (P1, V1), der den Energieerzeugungs-Brennstoff an den Abschnitt für die chemische Reaktion liefert, einen Wasser-Lieferungs-Abschnitt (P2, V2), der Wasser an den Abschnitt für die chemische Reaktion liefert, und einen Steuerungs-Abschnitt (130), der den Betrieb des Systems steuert, so das die Lieferung des Energieerzeugungs-Brennstoffs vom Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt an den Abschnitt für die chemische Reaktion gestoppt wird, wenn der Verdampfungs-Abschnitt sich nicht in einem Zustand befindet, der für das Verdampfen von Wasser geeignet ist. Das Stromversorgungssystem unterdrückt jeden Anstieg der Kohlenmonoxid-Konzentration zum Zeitpunkt des Startens und Stoppens des Systems und verhindert, dass sich die Energieerzeugungs-Leistung des Systems verschlechtert.

Claims (19)

  1. Stromversorgungssystem, umfassend: einen Abschnitt für chemische Reaktionen (100), umfassend: einen Verdampfungs-Abschnitt (103, 112, 114), der einen Energieerzeugungs-Brennstoff und Wasser empfängt, die an ihn geliefert werden, der mindestens das an ihn gelieferte Wasser erhitzt, um es zu verdampfen; und einen Reaktions-Abschnitt (105, 107), der ein Energieerzeugungs-Gas auf der Basis des vom Verdampfungs-Abschnitt erzeugten Dampfes und des Energieerzeugungs-Brennstoffs erzeugt; einen Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt (P1, V1), der den Energieerzeugungs-Brennstoff an den Abschnitt für die chemische Reaktion liefert; einen Wasser-Lieferungs-Abschnitt (P2, V2), der Wasser an den Abschnitt für die chemische Reaktion liefert; und einen Steuerungs-Abschnitt (130), der den Betrieb des Systems so steuert, dass die Lieferung des Energieerzeugungs-Brennstoffs aus dem Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt an den Abschnitt für die chemische Reaktion gestoppt wird, wenn der Verdampfungs-Abschnitt nicht in einem Zustand ist, der sich für die Verdampfungs-Operation eignet.
  2. System gemäß Anspruch 1, wobei der Verdampfungs-Abschnitt angepasst ist, den an ihn gelieferten Energieerzeugungs-Brennstoff zu verdampfen.
  3. System gemäß Anspruch 2, wobei der Verdampfungs-Abschnitt folgendes umfasst: einen ersten Verdampfungs-Abschnitt (112), der das Wasser erhitzt und verdampft; einen zweiten Verdampfungs-Abschnitt (114), der den an ihn gelieferten Energieerzeugungs-Brennstoff verdampft; und einen Mischer (115), der den vom ersten Verdampfungs-Abschnitt erzeugten Dampf und den vom zweiten Verdampfungs-Abschnitt erzeugten verdampften Energieerzeugungs-Brennstoff mischt und die Mischung an den Reaktions-Abschnitt liefert.
  4. System gemäß Anspruch 1, wobei der Energieerzeugungs-Brennstoff ein flüssiger Brennstoff ist, in dessen Zusammensetzung das Wasserstoff-Atom enthalten ist; und der Verdampfungs-Abschnitt das Wasser und den Energieerzeugungs-Brennstoff verdampft; und der Reaktions-Abschnitt (107) einen Reformierungs-Abschnitt enthält, um das Gasgemisch aus Energieerzeugungs-Brennstoff und Dampf zu empfangen, das vom Verdampfungs-Abschnitt verdampft wurde, und um Wasserstoff enthaltendes reformiertes Gas durch eine Reformierungs-Reaktion zu erhalten, und einen Kohlenmonoxid-Entfernungs-Abschnitt (105), um Kohlenmonoxid zu entfernen, das in dem reformierten Gas enthalten ist, und das Energieerzeugungs-Gas zu erzeugen.
  5. System gemäß Anspruch 1, wobei der Energieerzeugungs-Brennstoff ein gasförmiger Brennstoff ist, in dessen Zusammensetzung das Wasserstoff-Atom enthalten ist; und der Reaktions-Abschnitt (107) einen Reformierungs-Abschnitt enthält, um das Gasgemisch aus vom Verdampfungs-Abschnitt erzeugtem Dampf und gasförmigem Brennstoff zu empfangen und um Wasserstoff enthaltendes reformiertes Gas durch eine Reformierungs-Reaktion zu erzeugen, und einen Kohlenmonoxid-Entfernungs-Abschnitt (105), um Kohlenmonoxid zu entfernen, das in dem reformierten Gas enthalten ist, und das Energieerzeugungs-Gas zu erzeugen
  6. System gemäß Anspruch 1, das ferner einen Temperaturmessungs-Abschnitt zur Messung der Temperatur des Verdampfungs-Abschnitts enthält, wobei der Steuerungs-Abschnitt die Steuerung so durchführt, dass die Lieferung des Energieerzeugungs-Brennstoffs vom Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt an den Abschnitt für die chemische Reaktion gestoppt wird, wenn die Temperatur des Verdampfungs-Abschnitts, wie vom Temperaturmessungs-Abschnitt gemessen, kleiner ist als eine vorher festgelegte Temperatur.
  7. System gemäß Anspruch 6, wobei die vorher festgelegte Temperatur der Siedepunkt von Wasser ist.
  8. System gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: einen Energieerzeugungs-Abschnitt (120), der das Energieerzeugungs-Gas empfängt, das an ihn geliefert wird, und durch eine elektrochemische Reaktion Energie zum Antreiben einer Last erzeugt.
  9. System gemäß Anspruch 8, wobei beim Start des Betriebs des Energieerzeugungs-Abschnitts der Steuerungs-Abschnitt bewirkt, dass der Verdampfungs-Abschnitt mit dem Betrieb beginnt und auch der Wasser-Lieferungs-Abschnitt mit der Lieferung von Wasser an den Abschnitt für die chemische Reaktion beginnt, und bewirkt, dass der Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt den Energieerzeugungs-Brennstoff an den Abschnitt für die chemische Reaktion liefert, nachdem der Verdampfungs-Abschnitt einen Zustand erreicht hat, der für das Verdampfen von Wasser geeignet ist.
  10. System gemäß Anspruch 8, das ferner einen Ausgangsleistungs-Messungs-Abschnitt umfasst, um die Ausgangsleistung des Energieerzeugungs-Abschnittes zu messen und wenn er bewirkt, dass der Energieerzeugungs-Abschnitt mit dem Betrieb aufhört, stoppt der Steuerungs-Abschnitt die Lieferung des Energieerzeugungs-Brennstoffs vom Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt an den Abschnitt für die chemische Reaktion, und das bewirkt, dass der Verdampfungs-Abschnitt mit dem Betrieb aufhört und die Lieferung von Wasser vom Wasser-Lieferungs-Abschnitt an den Abschnitt für die chemische Reaktion stoppt, nachdem die Ausgangsleistung des Energieerzeugungs-Abschnitts unter einen vorher festgelegten Wert fällt, wie vom Abschnitt zur Messung der Ausgangsleistung gemessen.
  11. System gemäß Anspruch 8, wobei die Last eine elektronische Vorrichtung (851, 900) ist.
  12. System gemäß Anspruch 8, wobei das Stromversorgungssystem mindestens teilweise integral zusammen mit der Last ausgebildet ist.
  13. System gemäß Anspruch 12, das ferner einen Brennstoff enthaltenden Abschnitt (140, 160, 804) umfasst, der den Energieerzeugungs-Brennstoff in einem abgedichteten Zustand enthält, wobei das Stromversorgungssystem mit Ausnahme des Brennstoff enthaltenden Abschnitts integral zusammen mit der Last ausgebildet ist.
  14. System gemäß Anspruch 8, wobei das System als Modul (801) ausgebildet ist, das konfiguriert ist, abnehmbar an der Last befestigt zu werden.
  15. Verfahren zur Steuerung eines Stromversorgungssystems, das einen Abschnitt für chemische Reaktionen enthält, umfassend: einen Verdampfungs-Abschnitt, der einen Energieerzeugungs-Brennstoff und Wasser empfängt, die an ihn geliefert werden, und der Wasser erhitzt und es verdampft, und einen Reaktions-Abschnitt, der ein Energieerzeugungs-Gas auf der Basis des vom Verdampfungs-Abschnitt erzeugten Dampfes und des Energieerzeugungs-Brennstoffs erzeugt; und einen Energieerzeugungs-Abschnitt, der das an ihn gelieferte Energieerzeugungs-Gas empfängt und durch eine elektrochemische Reaktion Energie erzeugt; wobei wenn der Energieerzeugungs-Abschnitt mit dem Betrieb beginnt, das Verfahren folgendes umfasst: Bewirken, dass der Verdampfungs-Abschnitt mit dem Betrieb beginnt; Bewirken, dass der Wasser-Lieferungs-Abschnitt mit dem Liefern von Wasser an den Abschnitt für die chemische Reaktion beginnt; Warten, bis der Verdampfungs-Abschnitt in einen Zustand gerät, der sich für das Verdampfen von Wasser eignet; und Bewirken, dass der Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt mit der Lieferung von Energieerzeugungs-Brennstoff an den Abschnitt für die chemischen Reaktionen beginnt, wenn der Verdampfungs-Abschnitt in einen Zustand gerät, der sich für das Verdampfen von Wasser eignet.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Stromerzeugungssystem ferner einen Temperaturmessungs-Abschnitt zur Messung der Temperatur des Verdampfungs-Abschnitts enthält; und die Sequenz des Wartens, bis der Verdampfungs-Abschnitt in einen Zustand gerät, der sich für das Verdampfen von Wasser eignet, eine Sequenz des Wartens umfasst, bis die Temperatur des Verdampfungs-Abschnitts, die vom Temperaturmessungs-Abschnitt gemessen wird, größer wird als ein vorher festgelegter Wert.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die vorher festgelegte Temperatur der Siedepunkt von Wasser ist.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 15, das wenn der Betrieb des Energieerzeugungs-Abschnitts angehalten wird, ferner eine Sequenz umfasst, die Lieferung des Energieerzeugungs-Brennstoffs vom Brennstoff-Lieferungs-Abschnitt an den Abschnitt für die chemische Reaktion zu stoppen; zu warten, bis die Ausgangsleistung des Energieerzeugungs-Abschnitts unter einen vorher festgelegten Wert fällt; und zu bewirken, dass der Verdampfungs-Abschnitt mit dem Betrieb aufhört und auch der Wasser-Lieferungs-Abschnitt mit der Lieferung von Wasser an den Abschnitt für die chemische Reaktion aufhört, wenn die Ausgangsleistung des Energieerzeugungs-Abschnitts unter den vorher festgelegten Wert fällt.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Stromversorgungssystem ferner einen Abschnitt zur Messung der Ausgangsleistung enthält, um die Ausgangsleistung des Energieerzeugungs-Abschnitts zu messen; und die Sequenz des Wartens, bis die Ausgangsleistung unter den vorher festgelegten Wert fällt, eine Sequenz des Wartens umfasst, bis die Ausgangsleistung des Energieerzeugungs-Abschnitts, die vom Ausgangsleitungs-Messungs-Abschnitt gemessen wird, unter den vorher festgelegten Wert fällt.
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