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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reformer.
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Stand der Technik
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Als
eine Art von Reformern ist, wie in Patentdokument 1 beschrieben
ist, einer bekannt, der mit einem Verbrennungsabschnitt 7,
in dem eine Verbrennung ausgeführt wird, einem Abgasdurchflussdurchgang 10 zum
Abgeben von Verbrennungsabgas von dem Verbrennungsabschnitt 7 und
einem Sauerstoffsensorelement der Bauart mit begrenztem Strom 11 versehen
ist, das in einem Durchflussweg des Abgasdurchflussdurchgangs 10 angeordnet
ist. In dem Reformer wird ein Sensorausgangssignal (A) gelesen,
wenn das Sensorelement zu dem Verbrennungsabgas exponiert ist, das
eine Sauerstoffkonzentration in einem Bereich von 5 bis 10 aufweist. Falls
das Sensorausgangssignal (A) sich innerhalb eines vorgegebenen Bereichs
befindet, kann beurteilt werden, dass der Verbrennungsvorgang ein
normaler Verbrennungsvorgang ist, in dem die Verbrennung in einem geeigneten
Sauerstoffkonzentrationsbereich durchgeführt wird, während,
falls das Sensorausgangssignal (A) außerhalb des vorgegebenen Bereichs
liegt, beurteilt werden kann, dass der Verbrennungsvorgang ein anormaler
Verbrennungsvorgang ist, in dem die Verbrennung in einem anderen Sauerstoffkonzentrationsbereich
durchgeführt wird. Somit kann die Untersuchung des Verbrennungszustands
leicht durchgeführt werden.
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Ferner
ist der Reformer mit einer Verbrennungsvorgangsbeurteilungseinrichtung 13 versehen,
die neben dem Verbrennungsabschnitt 7 oder der Brennstoffzufuhreinrichtung 9 zum
Beurteilen des Auftretens oder einer Abwesenheit des Verbrennungsvorgangs
angeordnet ist. Die Verbrennungsvorgangsbeurteilungseinrichtung 13 erfasst
den Verbrennungsvorgangszustand auf der Grundlage eines Verbrennungssignals
von einer Erfassungseinrichtung (nicht beschrieben), wie beispielsweise
einer Flammenerfassungsvorrichtung oder dergleichen, die an dem
Verbrennungsabschnitt 7 eingebaut ist, oder des Brennstoffzufuhrzustands der
Brennstoffzufuhreinrichtung 9 und beurteilt das Auftreten
oder die Abwesenheit des Verbrennungsvorgangs.
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Als
Flammenerfassungsvorrichtungen sind, wie in Patentdokument 2 gezeigt
ist, derartige bekannt, in denen eine Flammenerfassungseinrichtung 103 mit
einer Flammenerfassungselektrode in einem Reformierbrenner 100 vorgesehen
ist und die Wasserstoffgas, das Brennstoffgas enthält,
in der Menge zuführt, die es ermöglicht, dass
die Flamme erfasst werden kann.
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Ferner
ist als eine andere Flammenerfassungsvorrichtung, wie in Patentdokument 3 gezeigt ist,
eine derartige bekannt, die mit einer ersten Flammenerfassungseinrichtung (einer
Ionisationselektrode (flame rod) 34) zum Erfassen, dass
eine Flamme eines Kohlenwasserstoff basierenden Gases an einem Verbrennungsabschnitt
generiert wird, und einer zweiten Flammenerfassungseinrichtung (ein
Thermoelement 36) zum Erfassen versehen ist, dass eine Flamme
eines gemischten Gases oder eines Kohlenwasserstoff basierenden
Gases an dem Verbrennungsabschnitt generiert wird, und die die Flammenerfassungseinrichtung
in Abhängigkeit von Betriebsarten umschaltet.
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Ferner
ist als eine andere Art von Reformern, wie in Patentdokument 4 gezeigt
ist, eine Verbrennungsvorrichtung bekannt, die arbeitet, dass sie
die Außenluft durch eine Luftzufuhreinrichtung 17 hereinnimmt,
Brennstoff verbrennt, während selbiger durch eine Brennstoffzufuhreinrichtung 18 zugeführt wird,
und Verbrennungsabgas durch einen Abgasdurchflussdurchgang 5 nach
außen abgibt, und die mit einem Sauerstoffsensor der Bauart
mit begrenzendem Strom 6 in dem Abgasdurchflussdurchgang 5 versehen
ist, um durch Anschließen einer Gleichstromenergiezufuhr 7 und
einer Ausgangserfassungseinrichtung 8 in Reihe mit dem
Sauerstoffsensor der Bauart mit begrenzendem Strom 6 einen
geschlossenen Kreis zu konfigurieren, so dass die Einlassluftmenge
durch die Luftzufuhreinrichtung 17 im Ansprechen auf ein
Signal von der Ausgangserfassungseinrichtung 8 gesteuert
werden kann.
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- Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte veröffentlichte
Patentanmeldung mit der Nr. 2004-198075
- Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte veröffentlichte
Patentanmeldung mit der Nr. 2003-187848
- Patentdokument 3: Japanische ungeprüfte veröffentlichte
Patentanmeldung mit der Nr. 2004-210576
- Patentdokument 4: Japanische ungeprüfte veröffentlichte
Patentanmeldung mit der Nr. 5-164322
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Offenbarung der Erfindung
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Problem,
das durch die Erfindung zu lösen ist In dem in dem vorstehend
genannten Patentdokument 1 genannten Reformer erfolgt jedoch
die Beurteilung hinsichtlich des Auftretens oder der Abwesenheit
des Verbrennungsvorgangs des Verbrennungsabschnitts 7 auf
der Grundlage des Ausgangssignals von der Flammenerfassungsvorrichtung
oder des Brennstoffzufuhrzustands der Brennstoffzufuhreinrichtung 9,
ohne das Ausgangssignal von dem Sauerstoffsensorelement 11 zu
verwenden. Andererseits wird das Ausgangssignal von dem Sauerstoffsensorelement 11 verwendet,
um unter der Annahme, dass die Verbrennung aufgetreten ist, zu beurteilen,
ob die Verbrennung ein normaler Verbrennungsvorgang oder ein anormaler
Verbrennungsvorgang ist. Das heißt, dass die getrennten
Erfassungsvorrichtungen (Erfassungssensoren) entsprechend zum Durchführen
des Überprüfens der Zündung und der Überwachung
des Verbrennungszustands erforderlich sind, was eine Erhöhung
der Kosten und der Abmessungen des Geräts verursacht.
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Ferner
gibt es, während eine in Patentdokument 2 beschriebene
auf die Flammenerfassungsvorrichtung des Reformers, der in Patentdokument 1 beschrieben
ist, angewandt wird, eine Gefahr, dass die Zündung/das
Ausgehen nicht erfasst werden können, da in der Flammenerfassungsvorrichtung der
Bauart mit Ionisationselektrode in Patentdokument 2 der
Ionenstrom als zu erfassendes Zielobjekt schwach ist, wenn ein Gas
(wasserstoffreiches Gas), das Wasserstoff als Hauptbestandteil enthält,
verbrannt wird.
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Ferner
ist es, während jene, die in Patentdokument 3 beschrieben
ist, auf die Flammenerfassungsvorrichtung des Reformers, der in
Patentdokument 1 beschrieben ist, angewandt wird, für
die Flammenerfassungsvorrichtung in Patentdokument 3 möglich,
die Zündung/das Ausgehen zuverlässig zu erfassen,
aber ein Problem tritt dahingehend auf, dass der Reformer als ein
Ganzes in den Abmessungen und Kosten vergrößert
wird, da die Flammenerfassungseinrichtung kompliziert wird.
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Ferner
ist es in Patentdokument 4 beschrieben, dass die Einlassluftmenge
auf der Grundlage des Ausgangssignals von dem Sauerstoffsensor der Bauart
mit begrenzendem Strom 6 gesteuert werden kann, aber es
ist nicht beschrieben, dass das Auftreten oder die Abwesenheit der
Zündung/des Ausgehens erfasst werden können.
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Die
vorliegende Erfindung ist zum Lösen der vorstehend genannten
verschiedenen Probleme erfolgt und es ist ihre Aufgabe, die Zündung
eines Verbrennungsabschnitts in einem Reformer zuverlässiger
zu erfassen, ohne eine Erhöhung der Abmessungen und Kosten
desselbigen zu verursachen.
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Maßnahmen zum Lösen
des Problems
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Um
vorstehend genannte Probleme zu lösen, liegt das in der
Konstruktion der Erfindung befindliche Merkmal gemäß Anspruch
1 darin, dass sie einen Reformierabschnitt zum Generieren von reformiertem
Gas aus hierzu zugeführten Reformierbrennstoff; einen Verbrennungsabschnitt
zum Verbrennen von hierzu zugeführtem Verbrennungsbrennstoff
mit hierzu zugeführten Verbrennungsoxidationsgas, um den
Reformierabschnitt durch das Verbrennungsgas zu erwärmen;
einen Verbrennungsgasdurchflussdurchgang zum Zulassen, das Verbrennungsgas,
das von dem Verbrennungsabschnitt abgegeben wird, fließt;
eine Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung, die an dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang
vorgesehen ist, zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration in dem
Verbrennungsgasdurchflussdurchgang; und eine Steuerung zum Beurteilen
der Zündung des Verbrennungsabschnitts auf der Grundlage
der Sauerstoffkonzentration, die durch die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung
erfasst wird, aufweist.
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Ferner
liegt das in der Konstruktion der Erfindung befindliche Merkmal
gemäß Anspruch 2 darin, dass, in Anspruch 1, die
Steuerung beurteilt, dass der Verbrennungsabschnitt gezündet
worden ist, wenn die Sauerstoffkonzentration, die durch Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung
erfasst wird, gleich wie oder geringer als einer erster Beurteilungswert
wird, nachdem die Steuerung einen Zündungsbefehl zu dem
Verbrennungsabschnitt ausgegeben hat.
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Ferner
liegt das in der Konstruktion der Erfindung befindliche Merkmal
gemäß Anspruch 3 darin, dass, in Anspruch 1 oder
2, die Steuerung beurteilt, dass der Verbrennungsabschnitt ausgegangen
ist, wenn die Sauerstoffkonzentration, die durch die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung
erfasst wird, ein zweiter Beurteilungswert oder mehr wird, nachdem
der Verbrennungsabschnitt gezündet wurde.
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Ferner
liegt das in der Konstruktion der Erfindung befindliche Merkmal
gemäß Anspruch 4 darin, dass, in irgendeinem der
Ansprüche 1 bis 3, die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung stromabwärts
eines Kondensators angeordnet ist, der an dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang vorgesehen
ist.
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Ferner
liegt das in der Konstruktion der Erfindung befindliche Merkmal
gemäß Anspruch 5 darin, dass, in irgendeinem der
Ansprüche 1 bis 4, die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung
ein Sensor ist, der eine Sauerstoffkonzentration erfassen kann,
ohne die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung erwärmen
zu müssen.
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Ferner
liegt das in der Konstruktion der Erfindung befindliche Merkmal
gemäß Anspruch 6 darin, dass, in irgendeinem der
Ansprüche 1 bis 5, ferner ein Temperatursensor an dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang
in einer zu der Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung nebeneinanderliegenden
Beziehung zum Erfassen der Temperatur in dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang
vorgesehen ist, und dass die Steuerung die Sauerstoffkonzentration
in dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang, die durch die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung
erfasst wird, auf der Grundlage der Temperatur in dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang,
die durch den Temperatursensor erfasst wird, kompensiert.
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Wirkungen der Erfindung
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In
der Erfindung gemäß vorstehend aufgeführten
Anspruch 1 wird es, da die Steuerung die Zündung des Verbrennungsabschnitts
auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentration beurteilt, die durch
die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung erfasst ist, möglich,
die Zündung zu beurteilen und den Verbrennungszustand zu überwachen, ohne
zusätzlich eine Flammenerfassungsvorrichtung vorzusehen,
wie sie in dem Stand der Technik vorgesehen ist, und ohne eine Erhöhung
der Abmessungen und der Kosten der Vorrichtung zu verursachen.
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In
der wie vorstehend ausgeführten Erfindung gemäß Anspruch
2 kann, da in der Erfindung gemäß Anspruch 1 die
Steuerung beurteilt, dass der Verbrennungsabschnitt gezündet
worden ist, wenn die Sauerstoffkonzentration, die durch die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung
erfasst ist, gleich wie oder geringer als der erste Beurteilungswert
wird, nachdem die Steuerung den Zündbefehl zu dem Verbrennungsabschnitt
ausgibt, es realisiert werden, die Zündung zuverlässig
zu beurteilen.
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In
der wie vorstehend ausgeführten Erfindung gemäß Anspruch
3 kann es, da in der Erfindung gemäß Anspruch
1 oder 2 die Steuerung beurteilt, dass der Verbrennungsabschnitt
ausgegangen ist, wenn die Sauerstoffkonzentration, die durch die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung
erfasst ist, der zweite Beurteilungswert oder höher wird, nachdem
der Verbrennungsabschnitt gezündet ist, zusätzlich
dazu, dass die Zündung zuverlässig beurteilt werden
kann, verwirklicht werden, auch das Ausgehen zuverlässig
zu beurteilen, ohne eine Erhöhung der Abmessungen und der
Kosten der Vorrichtung zu verursachen.
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In
der wie vorstehend ausgeführten Erfindung gemäß Anspruch
4 kann, da in der Erfindung gemäß irgendeinem
der Ansprüche 1 bis 3 die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung stromabwärts
des Kondensators angeordnet ist, der an dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang
vorgesehen ist, eine Sauerstoffkonzentration erhalten werden, in
der der Einfluss des Dampfdrucks oder der Dampf weiter reduziert
wird, so dass eine präzisere Beurteilung erfolgen kann.
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In
der wie vorstehend ausgeführten Erfindung gemäß Anspruch
5 können, da in der Erfindung gemäß irgendeinem
der Ansprüche 1 bis 4 die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung
ein Sauerstoffsensor ist, der eine Sauerstoffkonzentration erfassen
kann, ohne die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung erwärmen
zu müssen, eine Haltbarkeit, eine Zuverlässigkeit
und eine Starteigenschaft (Zeit) im Vergleich zu jenen in dem Fall verbessert
werden, in dem ein Sauerstoffsensor (zum Beispiel ein Zirkonium
basierender Sauerstoffsensor) verwendet wird, der erwärmt
werden muss.
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In
der wie vorstehend ausgeführten Erfindung gemäß Anspruch
6 kann, da in der Erfindung gemäß irgendeinem
der Ansprüche 1 bis 5 die Steuerung die Sauerstoffkonzentration
in dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang, die durch die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung
erfasst wird, auf der Grundlage der Temperatur in dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang,
die durch den Temperatursensor erfasst wird, der in einer zu der
Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung nebeneinanderliegenden
Beziehung vorgesehen ist, kompensiert, eine Sauerstoffkonzentration
erhalten werden, deren Beeinflussung durch einen Dampfdruck weiter
reduziert ist, so dass eine präzisere Beurteilung erfolgen
kann.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Ansicht, die den Umriss eines Ausführungsbeispiels
eines Brennstoffzellensystems zeigt, auf das ein Reformer gemäß der vorliegenden
Erfindung angewandt wird.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das den Reformer repräsentiert, der
in 1 gezeigt ist.
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3 ist
ein Ablaufdiagramm eines Steuerprogramms, das durch eine Steuerung,
die in 2 gezeigt ist, ausgeführt wird.
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4 ist
ein Ablaufdiagramm eines anderen Steuerprogramms, das durch die
Steuerung, die in 2 gezeigt ist, ausgeführt
wird.
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Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zum Ausführen der Erfindung
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Nachstehend
erfolgt eine Beschreibung hinsichtlich eines Ausführungsbeispiels
eines Brennstoffzellensystems, auf das ein Reformer gemäß der vorliegenden
Erfindung angewandt wird. 1 ist eine
schematische Ansicht, die einen Überblick über das
Brennstoffzellensystem zeigt. Das Brennstoffzellensystem ist mit
einer Brennstoffzelle 10 und einem Reformer 20 zum
Generieren eines reformierten Gases, das Wasserstoffgas enthält,
das für die Brennstoffzelle 10 benötigt
wird, versehen.
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Die
Brennstoffzelle 10 ist mit einem Brennstoffpol 11,
einem Luftpol 12, der ein Oxidationspol ist, und einem
Elektrolyt 13, der zwischen beiden Polen 11 und 12 angeordnet
ist, versehen und ist betriebsfähig, um durch Verwenden
eines zu dem Brennstoffpol 11 zugeführten reformierten
Gases und einer zu dem Luftpol 12 zugeführten
Luft (Kathodenluft), die ein Oxidationsgas ist, zu generieren. Anstelle
von Luft kann ein sauerstoffreiches Luftgas zugeführt werden.
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Der
Reformer 20 dient zum Reformieren von Brennstoff mit Dampf,
um wasserstoffreiches reformiertes Gas zu der Brennstoffzelle 10 zuzuführen, und
besteht aus einem Reformierabschnitt 21, einem Verdampfungsabschnitt 22,
einem Kohlenmonoxidverschiebungsreaktionsabschnitt (nachstehend
als "CO Verschiebungsabschnitt" bezeichnet) 23, einem Reaktionsabschnitt
für wahlweise Oxidation von Kohlenmonoxid (nachstehend
als "Abschnitt für wahlweise Oxidation von CO" bezeichnet) 24 und
einem Brenner (Verbrennungsabschnitt) 25. Als Brennstoff kann
ein gasförmiger Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas,
LPG oder dergleichen, oder flüssiger Brennstoff, wie beispielsweise
Kerosin, Benzin, Methanol oder dergleichen, eingesetzt werden. Das
vorliegende Ausführungsbeispiel ist in der Form beschrieben, die
Erdgas verwendet. Von den Brennstoffen ist einer, der zu dem Reformierabschnitt 21 zugeführt wird,
als Reformierbrennstoff bezeichnet, wogegen ein anderer, der zu
dem Brenner 25 zugeführt wird, als Verbrennungsbrennstoff
bezeichnet ist.
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Der
Reformierabschnitt 21 generiert Wasserstoffgas und Kohlenmonoxidgas
durch Reformieren eines Mischgases, das heißt des Gemisches
aus Reformierbrennstoff, der von einer Brennstoffzufuhrquelle Sf
(z. B. einer Stadtgasleitung) zugeführt wird, und Dampf
(Reformierwasser) von dem Verdampfungsabschnitt 22, mit
einem Katalysator (z. B. ein Ru oder Ni basierender Katalysator),
der in den Reformierabschnitt 21 gefüllt ist (eine
sogenannte Dampfreformierreaktion). Zu diesem Zeitpunkt werden das durch
die Dampfreformierreaktion generierte Kohlenstoffmonoxid und der
Dampf in Wasserstoffgas und Kohlenstoffdioxid umgewandelt (eine
sogenannte Kohlenstoffmonoxidverschiebungsreaktion). Die generierten
Gase (die sogenannten reformierten Gase) werden zu dem CO Verschiebungsabschnitt 23 geleitet.
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Der
Reformierabschnitt 21 wird von der Brennstoffzufuhrquelle
Sf durch die Reformierbrennstoffzufuhrleitung 31 mit Reformierbrennstoff
versorgt. Die Reformierbrennstoffzufuhrleitung 31 ist hieran
mit einem Paar Brennstoffventile 32, 32, einer Brennstoffpumpe 33,
einer Entschwefelungseinrichtung 34 und einem Reformierbrennstoffventil 35 in der
Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite her vorgesehen.
Die Brennstoffventile 32 und das Reformierbrennstoffventil 35 sind
elektromagnetische Abschaltventile zum Öffnen und Schließen
der Reformierbrennstoffzufuhrleitung 31 im Ansprechen auf Befehle
von einer Steuerung 60. Die Brennstoffpumpe 33 ist
auf einen Befehl von der Steuerung 60 ansprechbar, um die
Zufuhrmenge des Brennstoffes von der Brennstoffzufuhrquelle Sf zu
regulieren. Die Entschwefelungseinrichtung 34 entfernt
einen Schwefelbestandteil (z. B. eine Schwefelverbindung) in dem
Reformierbrennstoff.
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Ferner
ist eine Dampfzufuhrleitung 41, die mit dem Verdampfungsabschnitt 22 verbunden
ist, der eine Dampfzufuhrquelle darstellt, zwischen dem Reformierbrennstoffventil 35 und
dem Reformierabschnitt 21 mit der Reformierbrennstoffzufuhrleitung 31 verbunden
und der Dampf von dem Verdampfungsabschnitt 22 wird mit
dem Reformierbrennstoff, der zu dem Reformierabschnitt 21 zuzuführen
ist, gemischt. Ferner ist die Dampfzufuhrleitung 41 mit
einem Temperatursensor 41a verbunden, der eine Dampfzustandserfassungseinrichtung
zum Erfassen der Temperatur des Dampfes darstellt, der zu dem Reformierabschnitt 21 zugeführt
wird. Ein Signal von dem Temperatursensor 41a wird zu der
Steuerung 60 übertragen.
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Der
Verdampfungsabschnitt 22 ist mit einer Zufuhrwasserleitung 42 verbunden,
die mit einem Wasserbehälter Sw verbunden ist, der eine
Reformierwasserzufuhrquelle darstellt. Die Zufuhrwasserleitung 42 ist
hierbei mit einer Reformierwasserpumpe 43, einem Reformierwasserventil 44 in der
Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite versehen. Die
Reformierwasserpumpe 43 führt das Reformierwasser
von dem Wasserbehälter Sw zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zu
und reguliert die Zufuhrmenge des Reformierwassers im Ansprechen
auf einen Befehl von der Steuerung 60. Das Reformierwasserventil 44 ist
ein elektromagnetisches Ventil, das auf einen Befehl von der Steuerung 60 ansprechbar
ist, um die Zufuhrwasserleitung 42 zu öffnen oder zu
schließen. Der Verdampfungsabschnitt 22 wird durch
das Verbrennungsgas (oder der Abwärme von dem Reformierabschnitt 21,
dem CO Verschiebungsabschnitt 23 und dergleichen) erwärmt,
um hierdurch das hierzu zugeführte Reformierwasser in Dampf umzuwandeln.
Der Verdampfungsabschnitt 22 ist mit einem Temperatursensor 22a zum
Erfassen der Temperatur des Verdampfungsabschnitts 22 versehen. Ein
Signal von dem Temperatursensor 22a wird zu der Steuerung 60 übertragen.
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Der
CO Verschiebungsabschnitt 23 bewirkt eine Reaktion des
Kohlenstoffmonoxids und des Dampfes, die in dem reformierten Gas
von dem Reformierabschnitt 21 enthalten sind, durch einen
Katalysator (z. B. ein Cu, Zn basierter Katalysator), der hierin
eingefüllt ist, um Wasserstoffgas und Kohlenstoffdioxidgas
zu generieren. Somit wird die Konzentration an Kohlenstoffmonoxid
in dem reformierten Gas reduziert, das zu dem Abschnitt für
wahlweise Oxidation von CO 24 zuzuführen ist.
Ferner ist der CO Verschiebungsabschnitt 23 mit einem Temperatursensor 23a zum
Erfassen der Temperatur des Katalysators versehen. Ein Signal von
dem Temperatursensor 23a wird zu der Steuerung 60 übertragen.
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Der
Abschnitt für wahlweise Oxidation von CO 24 bewirkt
eine Reaktion des Kohlenstoffmonoxids, das in dem reformierten Gas
verblieben ist, mit der CO Oxidationsluft (Luft), die von der CO
Oxidationsluftzufuhrleitung 38 zugeführt wird,
durch einen Katalysator (z. B. ein Ru oder Pt basierender Katalysator),
der hierin eingefüllt ist, um Kohlenstoffdioxid zu generieren.
Somit wird die Konzentration des Kohlenstoffmonoxids des reformiertes
Gases weiter reduziert (weniger als 10 ppm) und wird zu dem Brennstoffpol 11 der
Brennstoffzelle 10 zugeführt.
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Die
CO Oxidationsluftzufuhrleitung 38 ist hierbei mit einer
Oxidationsluftpumpe 38a und einem Oxidationsluftventil 38b in
der Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite versehen.
Die Oxidationsluftpumpe 38a versorgt den Abschnitt für
wahlweise Oxidation von CO 24 mit der CO Oxidationsluft
von der Atmosphäre, die eine Luftzufuhrquelle darstellt,
und regelt die Zufuhrmenge der CO Oxidationsluft im Ansprechen auf
einen Befehl von der Steuerung 60. Das Oxidationsluftventil 38b ist
ein elektromagnetisches Abschaltventil, das auf einen Befehl von
der Steuerung 60 ansprechbar ist, um die CO Oxidationsluftzufuhrleitung 38 zu öffnen
und zu schließen.
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Der
Brennstoffpol 11 der Brennstoffzelle 10 ist an
seinen Einlassanschluss durch eine Zufuhrleitung für reformiertes
Gas 51 mit dem Abschnitt für wahlweise Oxidation
von CO 24 verbunden und der Brennstoffpol 11 ist
an seinem Auslassanschluss durch eine Abgaszufuhrleitung 52 mit
dem Brenner 25 verbunden. Eine Umgehungsleitung 53 umgeht die
Brennstoffzelle 10, um eine direkte Verbindung zwischen
der Zufuhrleitung für reformiertes Gas 51 und
der Abgasleitung 52 zu schaffen. Die Zufuhrleitung für
reformiertes Gas 51 ist zwischen einem Verzweigungspunkt
zu der Umgehungsleitung 53 und dem Einlassanschluss des
Brennstoffpols 11 mit einem ersten Ventil für
reformiertes Gas 51a versehen. Die Abgaszufuhrleitung 52 ist
zwischen einem Zusammenschlusspunkt mit der Umgehungsleitung 53 und dem
Auslassanschluss des Brennstoffpols 11 mit einem Abgasventil 52a versehen.
Die Umgehungsleitung 53 ist mit einem zweiten Ventil für
reformiertes Gas 53a versehen.
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Zum
Zeitpunkt eines Startvorgangs werden, um ein Versorgen der Brennstoffzelle 10 mit
reformiertem Gas, das eine hohe Konzentration von Kohlenstoffmonoxid
aufweist, von dem Abschnitt für wahlweise Oxidation von
CO 24 zu vermeiden, das erste Ventil für reformiertes
Gas 51a und das Abgasventil 52a geschlossen gehalten,
während das Ventil für reformiertes Gas 53a offen
gehalten wird. Zu dem Zeitpunkt eines normalen Betriebs werden,
um das reformierte Gas von dem Abschnitt für wahlweise Oxidation
von CO 24 zu der Brennstoffzelle 10 zuzuführen,
das erste Ventil für reformiertes Gas 51a und das
Abgasventil 52a offen gehalten, während das zweite
Ventil für reformiertes Gas 53a geschlossen gehalten
wird.
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Ferner
ist der Luftpol 12 der Brennstoffzelle 10 an deren
Einlassanschluss mit einer Kathodenluftzufuhrleitung 54 verbunden,
so dass Luft (Kathodenluft) in den Luftpol 12 zugeführt
wird. Ferner ist der Luftpol 12 der Brennstoffzelle 10 an
deren Auslassanschluss mit einer Abgasleitung 55 verbunden,
so dass die Luft (das Kathodenabgas) von dem Luftpol 12 nach
außen abgegeben wird.
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Ferner
ist eine erste Linie L1 durch die vorstehend genannten Reformierbrennstoffzufuhrleitung 31,
die Zufuhrleitung für reformiertes Gas 51 und
die Abgaszufuhrleitung 52 gebildet. Die erste Linie L1
ist eine Linie, die eine Verbindung der Brennstoffzufuhrquelle Sf
mit dem Brenner 25 durch den Reformierabschnitt 21 herstellt.
Das heißt, dass die erste Linie L1 einen Weg ausbildet,
der durch die Reformierbrennstoffzufuhrleitung 31, die
Zufuhrleitung für reformiertes Gas 51, die Umgehungsleitung 53 und
die Abgaszufuhrleitung 52 verläuft, ohne durch
die Brennstoffzelle 10 zu verlaufen, und ferner eine weitere
Route aufweist, die durch die Reformierbrennstoffzufuhrleitung 31,
die Zufuhrleitung für reformiertes Gas 51 und
die Abgaszufuhrleitung 52 über den Weg der Brennstoffzelle 10 verläuft.
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Parallel
zu der ersten Linie L1 besteht eine Verbrennungsbrennstoffzufuhrleitung 37,
die eine zweite Linie L2 ist, die den Reformierabschnitt 21 umgeht,
so dass sie mit dem Brenner 25 über den Weg des
Brennstoffpols 11 der Brennstoffzelle 10 in Verbindung
steht. Die Verbrennungsbrennstoffzufuhrleitung 37 zweigt
zwischen der Entschwefelungseinrichtung 34 und dem Reformierbrennstoffventil 35 von
der Reformierbrennstoffzufuhrleitung 31 ab und ist zwischen
dem ersten Ventil für reformiertes Gas 51a und
der Brennstoffzelle 10 mit der Zufuhrleitung für
reformiertes Gas 51 verbunden. Die Verbrennungsbrennstoffzufuhrleitung 37 ist
hierbei mit einem ersten Verbrennungsbrennstoffventil 37a versehen. Das
erste Verbrennungsbrennstoffventil 37a ist ein elektromagnetisches
Abschaltventil, das auf einen Befehl von der Steuerung 60 ansprechbar
ist, um die Verbrennungsbrennstoffzufuhrleitung 37 zu öffnen und
zu schließen. Somit wird durch die Entschwefelungseinrichtung 34 ein
Schwefelbestandteil von dem Brennstoff (Verbrennungsbrennstoff)
von der Brennstoffzufuhrquelle Sf entfernt und somit ist es möglich, den
Brennstoff durch die zweite Linie L2 und die Brennstoffzelle 10 zu
dem Brenner 25 zuzuführen.
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Der
Brenner (Verbrennungsabschnitt) 25 dient zum Verbrennen
von hierzu zugeführten Verbrennungsbrennstoff mit einem hierzu
zugeführten Verbrennungsoxidationsgas, um den Reformierabschnitt 21 durch
das Verbrennungsgas aufzuwärmen. Das heißt, dass
der Brenner 25 zum Generieren des Verbrennungsgases dient,
das zum Zuführen von Wärme dient, die für
die Dampfreformierreaktion notwendig ist. Entsprechende brennbare
Gase von der Brennstoffzufuhrquelle Sf, dem Reformierabschnitt 21 und
dem Brennstoffpol 11 der Brennstoffzelle 10 können
zu dem Brenner 25 zugeführt werden und der Brenner 25 verbrennt
zumindest eins dieser brennbaren Gase mit Verbrennungsluft, die
das Verbrennungsoxidationsgas darstellt.
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Ferner
ist eine Verbrennungsluftzufuhrleitung 57 zum Zuführen
von Verbrennungsluft mit dem Brenner 25 verbunden. Die
Verbrennungsluftzufuhrleitung 57 ist hierbei mit einer
Verbrennungsluftpumpe 57a und einem Verbrennungsluftventil 57b in
der Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite versehen.
Die Verbrennungsluftpumpe 57a versorgt den Brenner 25 mit
Verbrennungsluft, die von der Atmosphäre zugeführt
wird, die eine Luftzufuhrquelle darstellt, und reguliert die Zufuhrmenge
an Verbrennungsluft im Ansprechen auf einen Befehl von der Steuerung 60.
Das Verbrennungsluftventil 57b ist ein elektromagnetisches
Abschaltventil, das auf einen Befehl von der Steuerung 60 ansprechbar
ist, um die Verbrennungsluftzufuhrleitung 57 zu öffnen
und zu schließen.
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Somit
wird während eines Zeitraums von dem Zeitpunkt, wenn ein
Systemstartbetrieb begonnen wird, zu dem Zeitpunkt, wenn die Zufuhr
von Reformierbrennstoff zu dem Reformierabschnitt 21 begonnen
wird, der Verbrennungsbrennstoff von der Brennstoffzufuhrquelle
Sf zusammen mit der zweiten Linie L2 zu dem Brenner 25 nicht über
den Weg des Reformierabschnitts 21, sondern über
den Weg des Brennstoffpols 11 der Brennstoffzelle 10 zugeführt.
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Während
eines anderen Zeitraums nach der Zufuhr von Reformierbrennstoff
zu dem Reformierabschnitt 21 bis zu dem Beginn eines herkömmlichen Betriebs
(einer Energiegenerierung) wird das reformierte Gas von dem Abschnitt
für wahlweise Oxidation von CO 24 direkt zu dem
Brenner 25 zugeführt, ohne durch die Brennstoffzelle 10 zu
verlaufen. Dann wird während des herkömmlichen
Betriebs (der Energiegenerierung) der Brenner 25 mit Anodenabgas (das
reformierte Gas oder der unreformierte Reformierbrennstoff, der
zu dem Brennstoffpol 11 der Brennstoffzelle 10 zugeführt
wurde, aber hierin nicht verwendet wurde) von dem Brennstoffpol 11 zu
der Brennstoffzelle 10 zugeführt.
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Das
Verbrennungsgas, das von dem Brenner 25 abgegeben wird,
wird durch einen Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 nach
außerhalb abgegeben. Der Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 ist
angeordnet, so dass er den Reformierabschnitt 21 und den
Verdampfungsabschnitt 22 erwärmt, und das Verbrennungsgas
erwärmt den Reformierabschnitt 21, so dass er
einen Temperaturbereich zur Aktivierung des Katalysators erreicht,
und erwärmt den Verdampfungsabschnitt 22 auch,
um Dampf zu generieren.
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Ein
Kondensator 56a ist in dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 vorgesehen.
Der Kondensator 56a hat jedoch eine Kühlmittelleitung, die
mit kondensiertem Kühlmittel versorgt wird, das mit Niedrigtemperaturfluid
in einen Reserveheißwasserbehälter (nicht gezeigt)
durch einen Wärmeaustauscher oder durch einen Kühlventilator
gekühlt worden ist, so dass der Dampf in dem Verbrennungsgas
durch Wärmeaustausch mit dem Fluid verflüssigt wird.
Dementsprechend wird die Temperatur des Verbrennungsgases, das den
Kondensator 56a durchlaufen hat, gesenkt und verbleibt
in einem Zustand gesättigten Dampfes bei der Temperatur.
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Ein
Sauerstoffsensor 56b, der eine Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung
darstellt, ist stromabwärts des Kondensators 56a in
dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 vorgesehen. Der
Sauerstoffsensor 56b dient zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration
in dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56. Das Erfassungsergebnis
von dem Sauerstoffsensor 56b wird zu der Steuerung 60 übertragen.
Es ist gewünscht, dass der Sauerstoffsensor 56b ein
Sauerstoffsensor ist, der eine Sauerstoffkonzentration erfassen
kann, ohne dass die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung
erwärmt werden muss. Zum Beispiel kann er ein Sauerstoffsensor
mit galvanischer Zelle, ein optischer Gelöstsauerstoffsensor
oder dergleichen sein.
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Ein
Temperatursensor 56c, der eine Temperaturerfassungsvorrichtung
zum Erfassen der Temperatur in dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 darstellt,
ist stromabwärts des Kondensators 56a an dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 vorgesehen.
Ein Erfassungsergebnis von dem Temperatursensor 56c wird
zu der Steuerung 60 übertragen. Es ist bevorzugt,
dass der Temperatursensor 56c in einer zu dem Sauerstoffsensor 56b nebeneinanderliegenden
Beziehung vorgesehen ist. Dies ist so, da die Temperatur des Verbrennungsgases,
das durch den Sauerstoffsensor 56b erfasst wird, erfasst
werden kann, so dass die Sauerstoffkonzentration, die durch den
Sauerstoffsensor 56b erfasst wird, auf der Grundlage der
Temperatur kompensiert werden kann.
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Ferner
sind die entsprechenden Temperatursensoren 22a, 23a, 41a, 56c,
der Sauerstoffsensor 56b, die entsprechenden Ventile 32, 35, 37a, 38b, 44, 51a, 52a, 53a, 57b,
die entsprechenden Pumpen 33, 43, 38a, 57a und
der Brenner 25, die alle vorstehend genannt sind (Bezug
nehmend auf 2), mit der Steuerung 60 verbunden.
Die Steuerung 60 hat einen Mikrocomputer (nicht gezeigt)
eingebaut, der eine Eingangs/Ausgangsschnittstelle, eine CPU, einen
RAM und einen ROM (alle nicht gezeigt) hat, die hiermit mit Busleitungen
verbunden sind. Die CPU führt ein Programm entsprechend
einem Durchflussdiagramm aus, das in 3 gezeigt
ist, und startet das Brennstoffzellensystem, um elektrische Energie zu
generieren. Der RAM speichert vorübergehend Variablen,
die notwendig sind, um das Programm auszuführen, und der
ROM speichert das Programm.
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Als
Nächstes ist der Betrieb des Brennstoffzellensystems, wie
es vorstehend aufgebaut ist, unter Bezugnahme auf die Ablaufdiagramme
beschrieben, die in 3 und 4 gezeigt
sind. Wenn ein Startschalter (nicht gezeigt) eingeschaltet ist,
beurteilt die Steuerung 30, dass ein Betriebsstartbefehl für
den Reformer 20 gegeben worden ist ("JA" bei Schritt 102),
und beginnt den Startbetrieb.
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Die
Steuerung 60 öffnet das Verbrennungsluftventil 66 und
treibt die Verbrennungsluftpumpe 65 an, um den Brenner 25 mit
einer vorgegebenen Durchflussrate A1 zum Ausführen einer
Reinigung zu versorgen (Schritt 104).
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Die
Steuerung 60 erfasst die Sauerstoffkonzentration No der
Verbrennungsluft, die durch den Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 fließt, durch
den Sauerstoffsensor 56b und beurteilt, ob der Sauerstoffsensor 56b normal
ist oder nicht, auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentration No
(Schritt 106). Es ist bevorzugt, die Erfassung der Sauerstoffkonzentration
No ungefähr dann durchzuführen, wenn die Reinigung
mit der Verbrennungsluft durch den Brenner 25 bewirkt worden
ist.
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Der
Sauerstoffsensor 56b wird als normal beurteilt, falls die
Sauerstoffkonzentration No sich innerhalb eines vorgegebenen Bereichs
befindet, das heißt innerhalb des Bereichs zwischen einem
unteren Grenzwert No1a und einem oberen Grenzwert No1b, aber wird
als anormal beurteilt, falls dies nicht zutrifft. Der untere Grenzwert
No1a und der obere Grenzwert No1b sind jene Werte, die bestimmt
worden sind, so dass sie den vorgegebenen Bereich über
der Atmosphärensauerstoffkonzentration (21%), als Referenz
genommen, aufweisen.
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Falls
die Sauerstoffkonzentration No außerhalb des vorgegebenen
Bereichs liegt ("NEIN" bei Schritt 106), beurteilt die
Steuerung 60, dass der Sauerstoffsensor 56b anormal
ist, zeigt diese Tatsache an (oder meldet jene) (Schritt 108)
und stoppt den Startbetrieb des Brennstoffzellensystems (Schritt 110).
Falls die Sauerstoffkonzentration No sich innerhalb des vorgegebenen
Bereichs befindet ("JA" bei Schritt 106), fährt
die Steuerung 60 mit dem Startbetrieb des Brennstoffzellensystems
fort. Zu diesem Zeitpunkt kann der Erfassungswert von dem Sauerstoffsensor 56b durch
die Atmosphärensauerstoffkonzentration kalibriert werden.
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Die
Steuerung 60 öffnet die Brennstoffventile 32,
das Verbrennungsbrennstoffventil 37a und das Abgasventil 52a,
wobei das Reformierbrennstoffventil 35 und das erste und
zweite Ventil für reformiertes Gas 51a, 53a geschlossen
bleiben, und treibt die Pumpe 33 an, um den Brenner 25 mit
Verbrennungsbrennstoff mit einer anderen vorgegebenen Durchflussrate
B1 zu versorgen (Schritt 112). Dann zündet die
Steuerung 60 den Brenner 25.
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Die
Steuerung 60 erfasst die Sauerstoffkonzentration No der
Verbrennungsluft, die durch den Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 strömt, durch
den Sauerstoffsensor 56b und beurteilt, ob der Brenner 25 gezündet
worden ist oder nicht, auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentration
No (Schritt 116). Es ist bevorzugt, dass die Erfassung
und Beurteilung der Sauerstoffkonzentration No ausgeführt werden
sollte, bis ein vorgegebener Zeitraum T1 verstreicht, der eine ausreichende
Zeit dafür darstellt, dass der Verbrennungsbrennstoff den
Brenner 25 erreicht. Eine zu kurze Zeit kann verursachen,
dass der Verbrennungsbrennstoff den Brenner 25 nicht erreicht,
wogegen eine zu lange Zeit in einer Verschwendung von Verbrennungsbrennstoff
resultieren kann.
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Nachdem
die Verbrennung des Brenners 25 beginnt, wird die Verbrennungsluft,
die zugeführt wird, mit der Verbrennung verbraucht, so
dass die Sauerstoffkonzentration in dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 gesenkt
wird. Daher erfolgt eine Beurteilung, dass die Verbrennung normal
gestartet ist, falls die Sauerstoffkonzentration No gleich wie oder
geringer als ein vorgegebener Wert No2 in dem vorgegebenen Zeitraum
T1 wird, aber eine andere Beurteilung erfolgt, dass eine Nichtzündung
aufgetreten ist (die Zündung und die Verbrennung sind nicht
aufgetreten), falls dies nicht zutrifft. Der vorgegebene Wert No2
ist auf einen kleineren Wert (zum Beispiel 15%) als die Atmosphärensauerstoffkonzentration
(21%) eingestellt worden.
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Falls
die Sauerstoffkonzentration No größer als der
vorgegebene Wert No2 ist, sogar nachdem der vorgegebene Zeitraum
T1 ab dem Zündzeitpunkt des Brenners 25 verstrichen
ist ("NEIN" bzw. "JA" bei Schritten 116, 118),
beurteilt die Steuerung 60, dass der Brenner 25 nicht
gezündet worden ist, zeigt diese Tatsache an (oder meldet
jene) (Schritt 120) und stoppt den Startbetrieb des Brennstoffzellensystems (Schritt 122).
Es kann dann zu Schritt 104 zurückgekehrt werden
und der Zündbetrieb wiederholt werden, wobei, falls die
Zündung nicht auftritt, sogar nach der Wiederholung des
Zündbetriebs über eine vorgegebene Anzahl von
Malen, das System gestoppt werden kann und eine Anormalität
angezeigt werden kann.
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Falls
die Sauerstoffkonzentration No gleich wie oder geringer als der
vorgegebene Wert No2 wird, bis der vorgegebene Zeitraum T1 von dem Zündzeitpunkt
des Brenners 25 verstrichen ist ("JA" bei Schritt 116),
beurteilt die Steuerung 60, dass der Brenner 25 gezündet
worden ist (Schritt 124) und fährt mit dem Startbetrieb
des Brennstoffzellensystems fort.
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Wenn
die Verbrennung auf diesem Weg gestartet ist, steigt die Temperatur
des Reformierabschnitts 21 und des Verdampfungsabschnitts 22 durch
Erwärmen durch das Verbrennungsgas, das durch den Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 verläuft.
Nachdem ein vorgegebener Zeitraum T4 von dem Zündzeitpunkt
des Brenners 25 verstrichen ist, öffnet die Steuerung 60 das
Reformierwasserventil 44 und treibt die Reformierwasserpumpe 43 an,
um Reformierwasser zu dem Verdampfungsabschnitt 22 zuzuführen.
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Wenn
die Temperatur T2 des von dem Verdampfungsabschnitt 22 abgegebenen
Dampfes auf eine vorgegebene Temperatur T2a (z. B. 100°C) oder
höher steigt, beurteilt die Steuerung 60, dass
es beginnt, dass der Dampf von dem Verdampfungsabschnitt 22 zu
dem Reformierabschnitt 21 zugeführt wird ("JA"
bei Schritt 130). Dann öffnet die Steuerung 60 das
Reformierbrennstoffventil 35 und das zweite Ventil für
reformiertes Gas 53a, schließt das Verbrennungsbrennstoffventil 37a und
das Abgasventil 52a und treibt die Brennstoffpumpe 33 an,
um Reformierbrennstoff zu dem Reformierabschnitt 21 bei
einer vorgegebenen Durchflussrate zuzuführen (Schritt 132).
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Wenn
der Reformierbrennstoff in den Reformierabschnitt 21 geladen
wird, finden die vorstehend genannte Dampfreformierreaktion und
die Kohlenstoffmonoxidverschiebungsreaktion hierin statt, um reformiertes
Gas zu generieren, und das reformierte Gas wird von dem Abschnitt
für wahlweise Oxidation von CO 24 abgegeben. Da
jedoch immer noch viel Kohlenstoffmonoxid in dem reformierten Gas
enthalten ist, verläuft selbiges um die Brennstoffzelle 10 herum,
so dass es zu dem Brenner 25 zugeführt wird. Ferner
wird zu gleichen Zeit wie dem Laden des Reformierbrennstoffes das
Luftventil 64 geöffnet und die Luftpumpe 63 angetrieben,
so dass Oxidationsluft zu dem Abschnitt für wahlweise Oxidation
von CO 24 bei einer vorgegebenen Durchflussrate zugeführt
wird. Bei dem Abschnitt für wahlweise Oxidation von CO 24 wird
ferner Kohlenstoffmonoxid von dem reformierten Gas reduziert, das
dann von dem Abschnitt für wahlweise Oxidation von CO 24 abgegeben
wird.
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Wenn
die Temperatur T3 des Katalysators in dem CO Verschiebungsabschnitt 23 auf
eine vorgegebene Temperatur T3a (z. B. 200°C) oder höher steigt,
beurteilt die Steuerung 60, dass die Konzentration des
Kohlenstoffmonoxids in dem reformierten Gas geringer als ein vorgegebener
Wert geworden ist, in anderen Worten, der Startbetrieb beendet worden
ist ("JA" bei Schritt 134). Dann öffnet die Steuerung 60 das
erste Ventil für reformiertes Gas 51a und das
Abgasventil 52a und schließt das zweite Ventil für
reformiertes Gas 53a, um das reformierte Gas von dem Abschnitt
für wahlweise Oxidation von CO 24 zu der Brennstoffzelle 10 zuzuführen,
wodurch die Brennstoffzelle 10 eine Energiegenerierung
beginnt (Schritt 136).
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Die
Steuerung 60 führt einen Energiegenerierungsbetrieb
(einen herkömmlichen Betrieb) bei Schritt 136 durch.
Während des herkömmlichen Betriebs steuert die
Steuerung 60 die Zufuhrmengen von Reformierbrennstoff,
Verbrennungsluft, Oxidationsluft, Kathodenluft und Reformierwasser,
so dass ein gewünschter Ausgangsstrom (der elektrische Strom
und die elektrische Leistung, die durch eine Last oder Lasten verbraucht
werden) erhalten werden kann. Die Zufuhrmenge von Reformierbrennstoff ist
auf die Summe einer Zufuhrmenge abhängig von dem gewünschten
elektrischen Ausgangsstrom und einer anderen Zufuhrmenge abhängig
von der Wärmemenge, die für den Reformierabschnitt 21 erforderlich
ist, eingestellt worden. Die Zufuhrmenge an Verbrennungsluft und
die Zufuhrmenge des Reformierwassers sind in Abhängigkeit
der Zufuhrmenge des Reformierbrennstoffs bestimmt worden.
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Bis
eine Betriebsstoppanweisung durch Drücken oder dergleichen
eines Stoppschalters erfolgt ist, wiederholt die Steuerung 60 die
Beurteilung "NEIN" bei Schritt 138, so dass der herkömmliche Betrieb
fortgesetzt wird. Bei der erfolgten Betriebsstoppanweisung beurteilt
die Steuerung 60 bei Schritt 138 "JA", dass das
Programm zu Schritt 140 vorgerückt wird, und führt
einen vorgegebenen Stoppbetrieb aus, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems
zu stoppen.
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Ferner
wird die Sauerstoffkonzentration, die durch den vorstehend genannten
Sauerstoffsensor 56b erfasst wird, durch die Temperatur
in dem Brennstoffgasdurchflussdurchgang 56 kompensiert,
welche Temperatur durch den Temperatursensor 56c zu der
gleichen Zeit erfasst wird, wie die Sauerstoffkonzentration erfasst
wird. Insbesondere berechnet die Steuerung 60 einen gesättigten
Dampfdruck, der bei der Temperatur herrscht, die durch den Temperatursensor 56c erfasst
wird, durch Bezugnahme auf eine Kurve eines gesättigten
Dampfdrucks, die die Beziehung eines temperaturgesättigten
Dampfdrucks repräsentiert, und kompensiert die Sauerstoffkonzentration,
die durch den Sauerstoffsensor 56b erfasst wird, durch
Verwenden eines Werts, in den der berechnete Wert als eine Konzentration
umgewandelt wird.
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In
dem Brennstoffzellensystem, das wie vorstehend beschrieben arbeitet,
führt die Steuerung 60 eine Erfassung eines Ausgehens
in Übereinstimmung mit einem Durchflussdiagramm, das in 4 gezeigt
ist, während des Zeitraums von einem Zeitpunkt, wenn beurteilt
ist, dass die Zündung normal aufgetreten ist, bis zu einem
anderen Zeitpunkt aus, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems
gestoppt ist. Wenn der Brenner 25 ausgeht, werden die Verbrennungsluft
und der Verbrennungsbrennstoff, die zugeführt sind, von
dem Brenner 25 wie sie sind abgegeben, ohne verbrannt zu
werden, und die Sauerstoffkonzentration in dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 steigt.
Dementsprechend wird beurteilt, dass der Brenner 25 ausgegangen
ist, falls die Sauerstoffkonzentration No auf einen vorgegebenen Wert
No3 oder höher steigt, aber wird beurteilt, dass sie noch
immer brennt, ohne auszugehen, falls dies nicht zutrifft. Der vorgegebene
Wert No3 ist auf einen Wert (z. B. 20%) eingestellt worden, der
geringer als die Atmosphärensauerstoffkonzentration (21%)
und größer als der vorgegebene Wert No2 ist. Der
vorgegebene Wert No3 macht es möglich, die Zeit zu verkürzen,
die von dem Ausgehen zu der Beurteilung derselbigen vergeht, falls
der Wert als klein eingestellt ist, aber erhöht die Wahrscheinlichkeit,
dass ein Fehler in der Beurteilung beinhaltet sein kann, falls der
Wert kleiner eingestellt ist, als es erforderlich ist. Somit ist
es bevorzugt, dass der vorgegebene Wert No3 mit den Anforderungen
für ein Ansprechverhalten und eine Zuverlässigkeit
kompatibel ist.
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Falls
die Sauerstoffkonzentration No gleich oder größer
als der vorgegebene Wert No3 ist ("JA" bei Schritt 202),
führt die Steuerung 60 einen Unterbrechungsprozess
in dem Verlauf des Prozesses aus, der in 3 gezeigt
ist, um zu beurteilen, dass der Brenner 25 ausgegangen
ist, und um diese Tatsach anzuzeigen (oder zu melden) (Schritt 204),
und stoppt den Startbetrieb des Brennstoffzellensystems (Schritt 206).
Falls die Sauerstoffkonzentration No geringer als der vorgegebene
Wert No2 ist ("NEIN" bei Schritt 202), fährt die
Steuerung 60 mit dem Prozess in Übereinstimmung
mit dem Ablaufdiagramm fort, das in 3 gezeigt
ist.
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Falls
die Situation vor einer Reformeraufwärmvervollständigung
stattfindet (Schritt 134), kann eine Rückkehr
nach dem Prozess bei Schritt 206 zu Schritt 104 erfolgen,
um den Zündbetrieb wiederholt auszuführen. In
diesem Fall kann, falls die Wiederholung über eine vorgegebene
Zahl von Malen nicht in einer Zündung resultiert, das System
gestoppt werden und eine Anormalität kann angezeigt werden. Falls
die Situation nach der Reformeraufwärmvervollständigung
stattfindet (Schritt 134), wird das System gestoppt.
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Ferner
ist es in dem Brennstoffzellensystem, das wie vorstehend beschrieben
arbeitet, während des Zeitraums, der von dem Zeitpunkt,
wenn die Zündung beurteilt ist, dass sie normal aufgetreten
ist, zu dem Zeitpunkt, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems
gestoppt ist, verstreicht, bevorzugt, die Durchflussrate der Verbrennungsluft
wie folgt zu steuern. Die Durchflussrate der Verbrennungsluft kann
durch Durchführen einer Rückkopplungssteuerung
der Verbrennungsluftpumpe 57a reguliert werden, so dass
die Sauerstoffkonzentration No, die durch den Sauerstoffsensor 56b erfasst
ist, ein vorgegebener Wert No4 wird. Der vorgegebene Wert No4 ist
eingestellt worden, so dass die Emission einen Sollwert erfüllt,
und ist ferner unter Berücksichtigung des vorgegebenen
Werts No3 eingestellt worden, der zur Verwendung in der Beurteilung
des vorstehend genannten Ausgehens dient.
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Ferner
ist es bevorzugt, die Durchflussrate des Reformierbrennstoffes,
wie nachstehend zu steuern. Die Durchflussrate des Reformierbrennstoffes
kann durch Durchführen einer Rückkopplungssteuerung
der Brennstoffpumpe 33 reguliert werden, so dass die Sauerstoffkonzentration
No, die durch den Sauerstoffsensor 56b erfasst wird, der
vorgegebene Wert No4 wird. Bei der Durchflussrate des Reformierbrennstoffes
werden obere und untere Grenzdurchflussraten entsprechend eines
Bereichs einer generierten Wasserstoffmenge eingestellt (ein Wasserstoffverbrauchsratenbereich),
in dem die Brennstoffzelle elektrische Energie stabil generieren
kann, und die Durchflussrate des Reformierbrennstoffs wird reguliert,
so dass sie in dem Bereich liegt. Somit kann verwirklicht werden,
die Zündung (und das Ausgehen) nur durch die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung
zuverlässig zu erfassen, ohne eine andere Erfassungsvorrichtung
vorzusehen, und eine geeignete Steuerung des Verbrennungszustands kann
ebenso erfolgen.
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Der
vorgegebene Wert No4 ist in der Form von Kennfeldern repräsentiert
worden, die von den Arten der Verbrennungsgase abhängen,
die in dem Brenner 25 verwendet werden, wie beispielsweise
in dem Fall, in dem keine Wiedererwärmungslinie vorgesehen
ist, da nur Reformierbrennstoff verbrannt wird, oder in dem Fall,
in dem nur Anodenabgas verbrannt wird, und eine Steuerung wird auf
der Grundlage der Kennfelder für eine optimale Verbrennung durchgeführt.
Ferner ist der vorgegebene Wert No4 ebenso in der Form eines anderen
Kennfelds abhängig von einer Verbrennungslast repräsentiert
worden (einer Energieregenerierungslast) und eine andere Steuerung
wird auf der Grundlage des Kennfelds für eine optimale
Verbrennung durchgeführt.
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Wie
aus der vorhergehenden Beschreibung klar ist, wird es in diesem
Ausführungsbeispiel, da die Steuerung 60 die Zündung
des Verbrennungsabschnitts 25 auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentration,
die durch den Sauerstoffsensor 56b erfasst ist, der eine
Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung darstellt, beurteilt,
möglich, die Zündung zu beurteilen und den Verbrennungszustand
zu beobachten, ohne zusätzlich eine Flammenerfassungsvorrichtung
vorzusehen, die der Stand der Technik zum Erfassen einer Zündung
vorsieht, und ohne zu verursachen, dass die Abmessungen und Kosten steigen.
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Ferner
kann es, da die Steuerung 60, die den Verbrennungsabschnitt 25 gezündet
hat, wenn die Sauerstoffkonzentration No, die durch die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung 56b erfasst
ist, gleich wie oder geringer als der vorgegebene Wert No2 wird,
der der erste Beurteilungswert (Schritt 124) ist, nachdem
die Steuerung 60 den Zündbefehl (Schritt 114)
zu dem Verbrennungsabschnitt 25 ausgegeben hat, erfolgen,
die Zündung zuverlässig zu beurteilen.
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Ferner
kann es, da die Steuerung 60 beurteilt, dass der Verbrennungsabschnitt 25 ausgegangen
ist, wenn die Sauerstoffkonzentration No, die durch die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung 56b erfasst
ist, gleich oder größer als der vorgegebene Wert
No3 wird, der den zweiten Beurteilungswert darstellt, nachdem der
Verbrennungsabschnitt 25 gezündet wurde (Schritt 124),
zusätzlich dazu, dass eine Beurteilung der Zündung
zuverlässig erfolgen kann, ebenso erfolgen, dass das Ausgehen zuverlässig
beurteilt wird, ohne zu verursachen, dass die Abmessungen und Kosten
der Vorrichtung steigen.
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Ferner
kann, da die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung 56b stromabwärts
des Kondensators 56a angeordnet ist, der an dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 vorgesehen ist,
eine Sauerstoffkonzentration erhalten werden, von der der Einfluss
eines Dampfdrucks oder eines Dampfes weiter reduziert wird, so dass
eine präzisere Beurteilung erfolgen kann.
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Das
heißt, dass, da das brennbare Gas, das zu dem Brenner 25 zugeführt
wird, der Verbrennungsbrennstoff sein kann, der von der Brennstoffzufuhrquelle
Sf zugeführt wird, das reformierte Gas sein kann, das von
dem Reformierabschnitt 21 zugeführt wird, oder
das Anodenabgas von der Brennstoffzelle 10 sein kann, sich
das Verhältnis der Zusammensetzungsbestandteile des brennbaren
Gases ändert. Da das Verhältnis der Zusammensetzungsteile
von jedem von dem reformierten Gas und dem Anodenabgas sich in Abhängigkeit
von dem Betriebszustand des Reformers 20 oder dem Betriebszustand
der Brennstoffzelle 10 ändert, ändert
sich das Verhältnis der Zusammensetzungsbestandteile des
brennbaren Gases. Daher ist, da sich die Dampfkonzentration in dem
Verbrennungsgas stark ändert, der Einfluss auf den Sauerstoffkonzentrationswert,
der durch den Sauerstoffsensor 56b erfasst wird, groß.
Dementsprechend sind ein Erzeugen des Zustands mit gesättigtem
Dampf in dem Kondensator 56a und ein Erfassen der Sauerstoffkonzentration
in einer Umgebung mit einer stabilen Dampfkonzentration sehr wirksame
Maßnahmen zur präzisen Beurteilung.
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Ferner
kann, da die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung 56b ein
Sauerstoffsensor ist, der die Sauerstoffkonzentration erfassen kann, ohne
die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung 56b selber
erwärmen zu müssen, eine Haltbarkeit, eine Zuverlässigkeit
und eine Starteigenschaft (Zeit) im Vergleich zu jenen in dem Fall
verbessert werden, in dem einen Sauerstoffsensor (z. B. ein Zirkoniumsauerstoffsensor)
verwendet wird, der erwärmt werden muss.
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Ferner
kann, da die Steuerung 60 die Sauerstoffkonzentration in
dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56, die durch die
Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung 56b erfasst
wird, auf der Grundlage der Temperatur in dem gleichen Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56,
die durch den Temperatursensor 56c erfasst wird, kompensiert wird,
eine Sauerstoffkonzentration erhalten werden, bei der der Einfluss
eines Dampfdrucks weiter reduziert ist, so dass eine präzisere
Beurteilung erfolgen kann.
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Obwohl
das vorstehende Ausführungsbeispiel hinsichtlich des Brennstoffzellensystems
beschrieben worden ist, das nicht mit einer Wiedererwärmlinie
versehen ist, ist die vorliegende Erfindung ebenso auf jenes anwendbar,
das mit einer derartigen Wiedererwärmlinie versehen ist.
Die Wiedererwärmlinie ist eine separate Linie zum direkten
Zuführen von Verbrennungsbrennstoff zu dem Brenner 25. In
diesem Fall wird Verbrennungsbrennstoff nur von der Wiedererwärmlinie
zu dem Zeitpunkt des Startbetriebs zugeführt und Reformierbrennstoff
wird auf die gleiche Weise wie vorstehend zugeführt, nachdem
begonnen wurde, dass Dampf zu dem Reformierabschnitt 21 zugeführt
wird. Dann wird, wenn die Wärmemenge zu dem Reformierabschnitt 21 wenig wird,
Verbrennungsbrennstoff von der Wiedererwärmlinie wiedernachgefüllt.
Zu diesem Zeitpunkt kann eine Rückkopplungssteuerung für
die Durchflussrate des Verbrennungsbrennstoffs von der Wiedererwärmlinie
durchgeführt werden, so dass die Sauerstoffkonzentration
No, die durch den Sauerstoffsensor 56b erfasst wird, der
vorgegebene Wert No4 wird.
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Ferner
kann in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel ebenso ein
Gebläse anstelle der Pumpe zum Zuführen von Gas
verwendet werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist ein Reformer gemäß der
vorliegenden Erfindung zum zuverlässigeren Erfassen der
Zündung eines Verbrennungsabschnitts geeignet.
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Zusammenfassung
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In
einem Reformer kann die Zündung eines Reformierabschnitts
zuverlässiger erfasst werden, ohne zu verursachen, dass
die Abmessungen und die Kosten der Vorrichtung steigen.
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Der
Reformer 20 ist mit einem Reformierabschnitt 21 zum
Generieren von reformiertem Gas aus hierzu zugeführten
Reformierbrennstoff, einem Verbrennungsabschnitt 25 zum
Verbrennen von hierzu zugeführtem Verbrennungsbrennstoff
mit hierzu zugeführten Verbrennungsoxidationsgas, um den
Reformierabschnitt mit dem Verbrennungsgas zu erwärmen,
einem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56, um zuzulassen,
dass von dem Verbrennungsabschnitt 25 abgegebenes Verbrennungsgas
fließt, einer Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung 56b,
die an dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 zum Erfassen
einer Sauerstoffkonzentration in dem Verbrennungsgasdurchflussdurchgang 56 vorgesehen
ist, und einer Steuerung zum Beurteilen der Zündung des
Verbrennungsabschnitts 25 auf der Grundlage der durch die
Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung 56b erfassten
Sauerstoffkonzentration versehen.
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Beschreibung
der Bezugszeichen:
- 10 Brennstoffzelle, 11 Brennstoffpol, 12 Luftpol, 20 Reformer, 21 Reformierabschnitt, 22 Verdampfungsabschnitt, 22a Temperatursensor, 23 Kohlenmonoxidverschiebungsreaktionsabschnitt (ein
CO Verschiebungsabschnitt), 23a Temperatursensor; 24 Reaktionsabschnitt
für wahlweise Oxidation von Kohlenmonoxid (ein Abschnitt
für wahlweise Oxidation von CO), 25 Brenner (ein
Verbrennungsabschnitt), 31 Reformierbrennstoffzufuhrleitung, 32 Brennstoffventil, 33 Brennstoffpumpe, 34 Entschwefelungseinrichtung, 35 Reformierbrennstoffventil, 37 Verbrennungsbrennstoffzufuhrleitung, 37a Verbrennungsbrennstoffventil, 38 CO
Oxidationsluftzufuhrleitung, 38a Oxidationsluftpumpe, 38b Oxidationsluftventil, 41 Dampfzufuhrleitung, 41a Temperatursensor, 42 Zufuhrwasserleitung, 43 Reformierwasserpumpe, 44 Reformierwasserventil, 51 Zufuhrleitung für
reformiertes Gas, 51a erstes Ventil für reformiertes
Gas, 52 Abgaszufuhrleitung, 52a Abgasventil, 53 Umgehungsleitung, 53a zweites
Ventil für reformiertes Gas, 54 Kathodenluftzufuhrleitung, 55 Abgasleitung, 56 Verbrennungsgasdurchflussdurchgang, 56a Kondensator, 56b Sauerstoffsensor
(eine Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung), 56c Temperatursensor
(eine Temperaturerfassungsvorrichtung), 57 Verbrennungsluftzufuhrleitung, 57a Verbrennungsluftpumpe, 57b Verbrennungsluftventil, 60 Steuerung,
L1 erste Leitung, L2 zweite Leitung, Sf Brennstoffzufuhrquelle,
Sw Wasserbehälter.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2004-198075 [0006]
- - JP 2003-187848 [0006]
- - JP 2004-210576 [0006]
- - JP 5-164322 [0006]