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TECHNISCHES GEBIET:
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abschaltverfahren für eine Reformiervorrichtung.
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TECHNISCHER HINTERGRUND:
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Als
eine Form von Abschaltverfahren für eine Reformiervorrichtung
war eine bekannt, welche im Patentdokument 1 beschrieben ist. Wie
in 4 von Patentdokument 1 gezeigt,
wird bei einem Abschaltverfahren für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle brennbares
Gas durch Strömen
von Dampf innerhalb eines Reformersystems zur Zeit des Abschaltens ausgespült, wonach
Dampf innerhalb des Reformersystems durch Einführen von Luft in den Reformer
zu einem Zeitpunkt, wenn die Temperatur eines Reformierkatalysators
in dem Reformer niedriger wird als die Temperatur, bei welcher der
Reformierkatalysator oxidiert, ausgespült wird. Ferner wird, wie in 5 von Patentdokument 1 gezeigt, bei einem
Abschaltverfahren für
eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle Verbrennungsabgas aus dem
Reformer in eine CO Oxidiereinheit eingeleitet, anstatt Luft einzuleiten
und wird wiederum durch eine CO Metamorphoseeinheit und den Reformer
geleitet, um das Reformersystem zu spülen.
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Als
eine andere Form war eine bekannt, welche in Patentdokument 2 gezeigt
ist. Wie in 4 von Patentdokument 2
gezeigt, wird, bei einem Abschaltverfahren für einen Reformer für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle durch
Senken der Temperatur einer Reformierkatalysatorschicht in einem
Reformerreformierabschnitt zur Zeit des Abschaltens, reformiertes
Gas in dem Reformer durch Dampf ausgespült, und danach wird die Temperatur
der Reformierkatalysatorschicht auf eine Temperatur oder niedriger
gesenkt, bei welcher Materialgas nicht pyrolisiert wird und welche
gleich oder höher
als eine Kondensationstemperatur für Dampf ist, und dann wird
das Materialgas eingeführt,
um den Dampf innerhalb des Reformers auszuspülen. Ferner wird das entleerte
Materialgas vorübergehend
in dem Reformerreformierabschnitt verbrannt.
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Als
eine andere Form war eine bekannt, welche in Patentdokument 3 gezeigt
ist. Wie in 9 von Patentdokument 3
gezeigt, wird bei einem Abschaltverfahren für einen Reformer Kühlung durch Strömen eines
Mischgases aus Dampf und Materialgas durchgeführt, bis die Temperatur eines
Reformierkatalysators auf 400°C
sinkt, wird Kühlung
in einem Bereich von 400–300°C durchgeführt, während das
Materialgas durch Einströmen
von Dampf ausgespült
wird, und Kühlung
wird bei oder unter 300°C durchgeführt, während Luft
zum Ausspülen
von Dampf geströmt
wird.
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Wie
ferner in 10 von Patentdokument 3 gezeigt,
wird bei einem Abschaltverfahren für einen Reformer Kühlung durch
natürliches
Kühlen
durch Anhalten von Dampf und Reformiergas durchgeführt, bis
die Temperatur des Reformierkatalysators auf 400°C sinkt, und Kühlung wird
in einem Bereich von 400–300°C durchgeführt, während das
Materialgas durch Strömen
von Dampf ausgespült
wird, und Kühlung
wird bei oder unter 300°C
durchgeführt,
während
der Dampf durch Strömen
von Luft ausgespült wird.
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Wie
ferner in 11 von Patentdokument 3 gezeigt,
wird bei einem Abschaltverfahren für einen ReformerKühlung durch
Strömen
einer Mischung aus Dampf und Materialgas durchgeführt, bis
die Temperatur des Reformierkatalysators auf 400°C sinkt, und Kühlung wird
bei oder unter 400°C
durchgeführt,
während
der Dampf und das Materialgas durch Strömen von Stickstoff ausgespült werden.
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Wie
ferner in 12 von Patentdokument 3 gezeigt,
wird bei einem Abschaltverfahren für einen ReformerKühlung durch
natürliches
Kühlen
durch Anhalten von Dampf und Reformiergas durchgeführt, bis
die Temperatur eines Reformierkatalysators auf 400°C sinkt,
und Kühlung
wird bei oder unter 400°C durchgeführt, während der
Dampf und das Materialgas durch Strömen von Stickstoff ausgespült werden.
- Patentdokument 1: Japanische
ungeprüfte,
veröffentlichte
Patentanmeldung Nr. 2002-8701
- Patentdokument 2: Japanische
ungeprüfte,
veröffentlichte
Patentanmeldung Nr. 2002-151124
- Patentdokument 3: Japanische
ungeprüfte,
veröffentlichte
Patentanmeldung Nr. 2002-93447
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG:
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Durch
die Erfindung zu lösendes
Problem:
Bei dem in jedem der zuvor genannten Patentdokumente
beschriebenen Abschaltverfahren für eine Reformiervorrichtung
wird, obwohl reformiertes Gas durch Dampf, Luft, Materialgas (Reformierkraftstoff) oder
dergleichen ausgespült
wird, die Zufuhr oxidierender Luft zur Verringerung von Kohlenmonoxid während des
Abschaltens beendet, und daher tritt ein Problem auf, dass das Kohlenmonoxid
in dem reformierten Gas ohne behandelt zu werden ausgelassen wird.
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Bei
den in jedem der zuvor genannten Patentdokumente 1 und 3 beschriebenen
Abschaltverfahren für
eine Reformiervorrichtung wird, wenn die Reformiervorrichtung schließlich mit
Luft versiegelt wird, der Katalysator in der Reformiervorrichtung
in geringem Umfang oxidiert. Ferner wird beim Hochfahren der Reformiervorrichtung
der Katalysator in der Reformiervorrichtung mit dem reformierten
Gas desoxidiert. Das heißt,
es tritt ein Problem auf, dass die Wiederholung des Hochfahrens
und des Abschaltens der Reformiervorrichtung verursacht, dass die Lebensdauer
des Katalysators aufgrund der Wiederholung von Desoxidation und
Oxidation verringert wird.
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Bei
dem in dem zuvor genannten Patentdokument 2 beschriebenen Abschaltverfahren
für eine Reformiervorrichtung
wird, da das Spülen
durch das Materialgas durchgeführt
wird, das Materialgas überflüssigerweise
geströmt
und das überflüssigerweise geströmte Materialgas
wird vorübergehend
in einem Brenner verbrannt; der Überschuss
macht einen Verlust an Energie aus.
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Bei
dem in dem zuvor genannten Patentdokument 1 beschriebenen Abschaltverfahren
für eine Reformiervorrichtung
tritt ein Problem auf, dass der Reformierabschnitt im leeren Zustand
erwärmt
wird, weil Verbrennung in dem Brennerabschnitt ausgeführt wird,
indem das Spülen
durch das Verbrennungsabgas durchgeführt wird, und dass die Lebensdauer
des Reformierabschnitts aufgrund von durch Wärme verursachter Schädigung verringert
wird.
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Bei
dem in dem zuvor genannten Patentdokument 3 beschriebenen Abschaltverfahren
für eine Reformiervorrichtung,
obwohl die Kühlung
durch natürliches
Kühlen
durch Anhalten von Dampf und Materialgas durchgeführt wird,
bis die Temperatur des Reformierkatalysators auf 400°C sinkt,
wird üblicherweise
rostfreier Stahl als das Baumaterial für den Reformierabschnitt verwendet,
und deshalb tritt ein Problem auf, dass der rostfreie Stahl gefährdet ist
interkristalline Korrosion zu erleiden, wo in einem Bereich von
400°C bis
500°C oder
höher graduell
gekühlt.
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Die
vorliegende Erfindung wurde zum Lösen der zuvor genannten verschiedenen
Probleme angefertigt, und ein Ziel davon ist es, das Abschalten
auszuführen
ohne unbehandeltes Kohlenmonoxid wie es ist auszuströmen, zu
verhindern, dass die Lebensdauer des Katalysators verringert wird,
ungeachtet der Wiederholung von Hochfahren und Abschalten, das Abschalten
in einer Weise auszuführen,
welche eine Verschlechterung der Lebensdauer eines Reformierabschnitts
erschwert, und das Abschalten mit einem geringen Verlust an Energie
auszuführen.
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MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS:
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Um
die zuvor genannten Probleme zu lösen ist nach einem ersten Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung ein Abschaltverfahren für eine Reformiervorrichtung
bereitgestellt, welche ausgestattet ist mit einem Reformierabschnitt
für die
Zufuhr von Reformierkraftstoff und Dampf, um reformiertes Gas zu erzeugen;
einem Verdampferabschnitt zum Heizen und Sieden von Reformierwasser,
um den Dampf dem Reformierabschnitt zuzuführen; und einem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt
zum Verringern (Reduzieren) von Kohlenmonoxid in dem von dem Reformierabschnitt
zugeführten
reformierten Gas durch Oxidieren des reformierten Gases mit dazu
zugeführter
oxidierender Luft und dann für
die Abgabe des reformierten Gases; und einem Brennerabschnitt zum Verbrennen
von Verbrennungskraftstoff mit Verbrennungsoxidationsmittelgas,
um den Reformierabschnitt mit dem Verbrennungsgas zu erwärmen. Das Verfahren
umfasst die Schritte: zur Zeit eines Abschaltens, Beenden der Zufuhr
von Reformierkraftstoff zu dem Reformierabschnitt, Beenden der Zufuhr von
Reformierwasser zu dem Verdampferabschnitt und des Verbrennungsbetriebs
des Brennerabschnitts, und Erhöhen
der Strömgeschwindigkeit
des Verbrennungsoxidationsmittelgases, höher als die, welche unmittelbar
vor dem Ende der Stromerzeugung war. Das Verfahren umfasst ferner
die Schritte des Strömens
oxidierender Luft für
eine vorbestimmte Zeit, nur ab dem Zeitpunkt, wenn die Zufuhr des Reformierkraftstoffs,
die Zufuhr des Reformierwassers und der Verbrennungsbetrieb des
Brennerabschnitts beendet werden; Durchführen einer Druckentlastung,
wenn der Innendruck der Reformiervorrichtung steigt nachdem das
Strömen
der oxidierenden Luft beendet wird; und Versiegeln der Reformiervorrichtung,
wenn der Anstieg des Innendrucks der Reformiervorrichtung endet.
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Bei
einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird die Reformiervorrichtung
unmittelbar bevor das Abschalten der Reformiervorrichtung vollendet ist
mit dem Reformierkraftstoff befüllt.
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Ein
dritter Gesichtspunkt der Erfindung stellt ein Abschaltverfahren
für eine
Reformiervorrichtung bereit, welche ausgestattet ist mit einem Reformierabschnitt
für die
Zufuhr von Reformierkraftstoff und Dampf, um reformiertes Gas zu
erzeugen; einem Verdampferabschnitt zum Heizen und Sieden von Reformierwasser,
um den Dampf dem Reformierabschnitt zuzuführen; und einem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt
zum Verringern von Kohlenmonoxid in dem von dem Reformierabschnitt
zugeführten
reformierten Gas durch Oxidieren des reformierten Gases mit dazu
zugeführter
oxidierender Luft und dann für die
Abgabe des reformierten Gases; und einem Brennerabschnitt zum Verbrennen
von Verbrennungskraftstoff mit Verbrennungsoxidationsmittelgas,
um den Reformierabschnitt mit dem Verbrennungsgas zu erwärmen. Das
Verfahren umfasst die Schritte: unmittelbar vor dem Abschalten,
Schließen
eines Ausgangsventils der Reformiervorrichtung und Füllen der
Reformiervorrichtung mit Reformierkraftstoff; und zur Zeit des Abschaltens,
Beenden der Zufuhr des Reformierkraftstoffs zu dem Reformierabschnitt und
Beenden der Zufuhr des Reformierwassers zu dem Verdampferabschnitt
und des Verbrennungsbetriebs des Brennerabschnitts.
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Bei
einem vierten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst das Verfahren
ferner den Schritt des Strömens
oxidierender Luft für
eine vorbestimmte Zeit, nur ab dem Zeitpunkt, wenn die Zufuhr des
Reformierkraftstoffs, die Zufuhr des Reformierwassers und der Verbrennungsbetrieb
des Brennerabschnitts beendet werden.
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EFFEKTE DER ERFINDUNG:
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Bei
dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung, da zur Zeit des Abschaltens
das Spülen
Restgases, wie etwa reformiertes Gas in der Reformiervorrichtung,
ausgeführt
wird durch Beenden der Zufuhr von Reformierkraftstoff zu dem Reformierabschnitt,
durch Beenden der Zufuhr von Reformierwasser zu dem Verdampferabschnitt
und des Verbrennungsbetriebs des Brennerabschnitts, und durch die
Zufuhr von in dem Verdampferabschnitt verbleibenden Reformierwassers,
während
das Reformierwasser unter Verwendung der Restwärme der Reformiervorrichtung verdampft
wird, kann der Spülprozess
für die
Reformiervorrichtung in einer bestehenden Struktur und bei geringen
Kosten vollzogen werden, ohne eine spezielle Struktur, wie zum Beispiel
eine Vorrichtung zum Zuführen
von Stickstoff für
Spülzwecke,
bereitzustellen. Ferner wird zu dem Zeitpunkt, wenn die Zufuhr des
Reformierkraftstoffs, die Zufuhr des Reformierwassers und der Verbrennungsbetrieb
des Brennerabschnitts beendet werden, die Strömgeschwindigkeit des Verbrennungsoxidationsmittelgases
erhöht,
höher als
die, welche unmittelbar vor dem Ende der Stromerzeugung war, so
dass es leichter wird die Temperatur des Reformierabschnitts zu
senken. Da kein Verbrennungsabgas verwendet wird, tritt des Weiteren
ein Erwärmen
des Reformierabschnitts im leeren Zustand nicht auf, und demzufolge kann
es realisiert werden, eine Verringerung der Lebensdauer des Reformierabschnitts
aufgrund der durch Wärme
verursachten Schädigung
zu verhindern.
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Ferner
kann, da oxidierende Luft für
eine vorbestimmte Zeitdauer ab dem Zeitpunkt, wenn die Zufuhr des
Reformierkraftstoffs, die Zufuhr des Reformierwassers und des Verbrennungsbetriebs
des Brennerabschnitts beendet werden, Kohlenmonoxid in dem Restgas
verringert werden, indem es mit der oxidierenden Luft in dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt
oxidiert wird und kann aus der Reformiervorrichtung ausgelassen
werden. Somit ist es möglich
das Abschalten so durchzuführen,
dass das Kohlenmonoxid in dem Abgas von der Reformiervorrichtung
so unterdrückt
wird, dass es eine geringe Dichte hat.
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Da
eine Druckentlastung durchgeführt
wird, wenn der Innendruck der Reformiervorrichtung steigt nachdem
des Strömen
des oxidierenden Gases beendet ist, und da die Reformiervorrichtung
versiegelt wird, wenn der Anstieg des Innendrucks der Reformiervorrichtung
endet, wird ferner die Druckbelastung auf die Reformiervorrichtung,
welche durch den Druck des von dem Verdampferabschnitt erzeugten Dampfes
verursacht wird, reduziert, so dass eine Verringerung der Lebensdauer
der Reformiervorrichtung vermieden werden kann. Gleichzeitig kann
eine Verringerung des Innendrucks der Reformiervorrichtung vermieden
werden, und dies verhindert, dass Luft in die Reformiervorrichtung
eingelassen wird, so dass eine Verringerung der Lebensdauer des
Katalysators in der Reformiervorrichtung vermieden werden kann.
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Bei
dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung kann, da die Reformiervorrichtung
mit Reformierkraftstoff befüllt
wird unmittelbar bevor das Abschalten der Reformiervorrichtung vollendet
ist, die Reformiervorrichtung für
die Zeitdauer von der Vollendung des Abschaltens der Reformiervorrichtung bis
zu dem nächsten
Hochfahren in einem geeigneten Druckzustand gehalten werden, und
demzufolge wird der Belastungsdruck auf die Reformiervorrichtung
reduziert, so dass eine Verringerung der Lebensdauer der Reformiervorrichtung
vermieden werden kann. Da die Reformiervorrichtung schließlich mit
Reformierkraftstoff versiegelt wird, kann ferner eine Oxidierung
des Katalysators in der Reformiervorrichtung für die Zeitdauer von der Vollendung
des Abschaltens der Reformiervorrichtung bis zu dem nächsten Hochfahren
zuverlässig
vermieden werden. Trotz des wiederholten Hochfahrens und Abschaltens
der Reformiervorrichtung, kann folglich eine Verschlechterung der
Lebensdauer des Katalysators durch die Wiederholung von Desoxidation
und Oxidation vermieden werden. Des Weiteren wird, da die Reformiervorrichtung
für die
Zeitdauer mit Reformierkraftstoff befüllt ist, Reformierkraftstoff
nicht überflüssig verwendet,
so dass das Abschalten ohne einen wesentlichen Verlust an Energie
ausgeführt werden
kann. Tatsächlich
gibt es ein Wenig Verlust an Energie, weil der eingefüllte Reformierkraftstoff zur
Zeit des nächsten
Hochfahrens als Brennkraftstoff verwendet wird.
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Bei
dem dritten Gesichtspunkt der Erfindung, da zur Zeit eines Abschaltens
das Spülen
von Restgas, wie etwa reformiertes Gas in der Reformiervorrichtung,
durchgeführt
wird durch Beenden der Zufuhr von Reformierkraftstoff zu dem Reformierabschnitt,
durch Beenden der Zufuhr von Reformierwasser zu dem Verdampferabschnitt
und des Verbrennungsbetriebs des Brennerabschnitts, und durch die
Zufuhr von in dem Verdampferabschnitt verbleibendem Wasser zu dem
Reformierabschnitt, während
das Reformierwasser unter Verwendung der Restwärme der Reformiervorrichtung
verdampft wird, kann der Spülprozess
für die
Reformiervorrichtung in einer bestehenden Struktur und bei geringen
Kosten vollzogen werden, ohne eine spezielle Struktur, wie zum Beispiel
eine Vorrichtung zum Zuführen
von Stickstoff für
Spülzwecke,
bereitzustellen. Ferner kann, da unmittelbar vor dem Abschalten
das Ausgangsventil der Reformiervorrichtung geschlossen wird und
die Reformiervorrichtung mit dem Reformierkraftstoff befüllt wird,
die Reformiervorrichtung für
die Dauer von der Vollendung des Abschaltens der Reformiervorrichtung
bis zum nächsten
Hochfahren in einem geeigneten Druckzustand gehalten werden, und
demzufolge wird der Belastungsdruck auf die Reformiervorrichtung
verringert, so dass eine Verringerung der Lebensdauer der Reformiervorrichtung
verhindert werden kann. Ferner kann, da die Reformiervorrichtung
letztlich mit Reformierkraftstoff versiegelt wird, für die Dauer
von der Vollendung des Abschaltens der Reformiervorrichtung bis
zum nächsten
Hochfahren zuverlässig
verhindert werden, dass der Katalysator in der Reformiervorrichtung
oxidiert wird. Folglich kann trotz des wiederholten Hochfahrens
und Abschaltens der Reformiervorrichtung eine Verschlechterung der
Lebensdauer des Katalysators durch die Wiederholung von Desoxidierung und
Oxidierung verhindert werden. Des Weiteren. wird, da die Reformiervorrichtung
für die
Dauer mit Reformierkraftstoff gefüllt ist, Reformierkraftstoff nicht überflüssig verwendet,
so dass das Herunterfahren ohne einen wesentlichen Verlust an Energie ausgeführt werden
kann. Tatsächlich
gibt es ein Wenig Verlust an Energie, weil der eingefüllte Reformierkraftstoff
zu der Zeit des nächsten
Hochfahrens als Verbrennungskraftstoff verwendet wird.
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Bei
einem vierten Gesichtspunkt der Erfindung kann, da oxidierende Luft
für eine
vorbestimmte Zeit, nur ab dem Zeitpunkt geströmt wird, wenn die Zufuhr des
Reformierkraftstoffs, die Zufuhr des Reformierwassers und der Verbrennungsbetrieb
des Brennerabschnitts beendet werden, Kohlenmonoxid in dem Restgas
verringert werden, indem es mit der oxidierenden Luft in dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt
oxidiert wird, bevor es aus der Reformiervorrichtung ausgelassen
wird. Daher ist es möglich das
Abschalten durchzuführen,
wobei das Kohlenmonoxid in dem Abgas von der Reformiervorrichtung auf
eine geringe Dichte unterdrückt
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
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[1]
ist eine schematische Ansicht, die den Entwurf einer Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems, auf welches eine Reformiervorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung angewandt wird, zeigt.
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[2]
ist ein Blockdiagramm, das die in 1 gezeigte
Reformiervorrichtung zeigt.
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[3]
ist ein Zeitdiagramm, das den Ablauf beim Abschalten der Reformiervorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Beschreibung von Bezugszeichen:
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- 10 ... Brennstoffzelle, 11 ... Kraftstoffpol, 12 ...
Luftpol, 20 ... Reformiervorrichtung, 21 ... Reformierabschnitt, 21c ...
Temperatursensor, 22 ... Kühlerabschnitt (Wärmeaustauschabschnitt), 23 ...
Kohlenmonoxid-Shiftreaktionsabschnitt
(CO Shiftabschnitt), 24 ... Abschnitt der selektiven Oxidationsreaktion
von Kohlenmonoxid (CO Selektivoxidierabschnitt), 25 ... Brennerabschnitt, 26 ...
Verdampferabschnitt, 27 ... Verbrennungsgasströmungsdurchgang, 28 ...
Wärmeisolationsabschnitt, 41 ...
Brennstoffversorgungsleitung, 42 ... Reformierkraftstoffpumpe, 43 ...
Reformierkraftstoffventil, 44 ... Verbrennungskraftstoffversorgungsleitung, 45 ...
Verbrennungskraftstoffpumpe, 46 ... Verbrennungskraftstoffventil, 51 ...
Dampfversorgungsleitung, 52 ... Speisewasserleitung, 53 ... Reformierwasserpumpe, 54 ...
Reformierwasserventil, 61 ... Oxidierluftversorgungsleitung, 62 ...
Oxidierluftpumpe, 63 ... Oxidierluftventil, 64 ...
Verbrennungsluftversorgungsleitung, 65 ... Verbrennungsluftpumpe, 66 ...
Verbrennungsluftventil, 67 ... Kathodenluftversorgungsleitung, 68 ...
Kathodenluftpumpe, 69 ... Kathodenluftventil, 71 ...
Versorgungsleitung für reformiertes
Gas, 72 ... Abgasversorgungsleitung, 73 ... Umführungsleitung, 74 ...
erstes Ventil für
reformiertes Gas, 75 ... Abgasventil, 76 ... zweites
Ventil für
reformiertes Gas, 81, 82 ... Auslassleitung, 89 ... Verbindungsleitung, 90 ...
Drucksensor.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG:
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Nachstehend
wird eine Beschreibung bezüglich
einer Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems, auf welches eine Reformiervorrichtung nach
der vorliegenden Erfindung angewandt wird, gemacht. 1 ist
eine schematische Ansicht, die den Entwurf des Brennstoffzellensystems
zeigt. Das Brennstoffzellensystem ist mit einer Brennstoffzelle 10 und
einer Reformiervorrichtung 20 zum Erzeugen von für die Brennstoffzelle 10 benötigtem Wasserstoffgas
enthaltendem reformiertem Gas ausgestattet.
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Die
Brennstoffzelle 10 ist mit einem Kraftstoffpol 11,
einem Luftpol 12, der ein Oxidationsmittelpol ist, und
einem zwischen den beiden Polen 11, 12 eingefügten Elektrolyten 13 ausgestattet,
und kann zum Erzeugen elektrischer Energie unter Verwendung von
zu dem Kraftstoffpol 11 zugeführten reformierten Gases und
zu dem Luftpol 12 zugeführter Luft
(Kathodenluft), die ein Oxidationsmittelgas ist, betrieben werden.
Anstatt Luft kann sauerstoffreiches Gas zugeführt werden.
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Die
Reformiervorrichtung 20 ist zum Reformieren von Kraftstoff
mit Dampf, um wasserstoffreiches reformiertes Gas zu der Brennstoffzelle 10 zuzuführen und
ist aus einem Reformierabschnitt 21, einem Kühlerabschnitt 22,
einem Kohlenmonoxid-Shiftreaktionsabschnitt (nachfolgend als „CO Shiftabschnitt” bezeichnet) 23,
einem Abschnitt der selektiven Oxidationsreaktion von Kohlenmonoxid (nachfolgend
als CO Selektivoxidierabschnitt bezeichnet) 24, einem Brennerabschnitt 25,
und einem Verdampferabschnitt 26 zusammengesetzt. Als der Reformierkraftstoff
kann gasförmiger
Reformierkraftstoff, wie etwa Erdgas, LPG oder dergleichen oder Reformierflüssigkraftstoff,
wie etwa Kerosin, Benzin, Methanol oder dergleichen eingesetzt werden.
Die vorliegende Ausführungsform
wird in der Erdgas verwendenden Form beschrieben werden.
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Der
Reformierabschnitt 21 erzeugt und gewinnt reformiertes
Gas aus einem Mischgas als Reformiermaterial, in welchem Dampf mit
dem Reformierkraftstoff gemischt wird. Der Reformierabschnitt 21 nimmt
eine Zylinderform mit Boden an und ist mit einem ringförmigen Zylinder
mit einem ringförmigen Umsatzströmdurchgang 21a,
der sich entlang der Achse des ringförmigen Zylinders ausdehnt,
ausgestattet. Der Reformierabschnitt 21 ist aus rostfreiem Stahl
hergestellt.
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Ein
Katalysator 21b (z. B. Ru oder Ni basierter Katalysator)
ist in den Umsatzströmdurchgang 21a des
Reformierabschnitts 21 eingefüllt, in welchem ein Mischgas
aus von dem Kühlerabschnitt 22 zugeführtem Reformierkraftstoff
und von einer Dampfversorgungsleitung 51 zugeführter Dampf durch
den Katalysator 21b reagiert und reformiert wird, um Wasserstoffgas
und Kohlenmonoxidgas zu erzeugen (eine sogenannte Dampfreformierungsreaktion).
Zur gleichen Zeit findet eine sogenannte Kohlenmonoxid-Shiftreaktion
statt, wobei das Kohlenmonoxid, erzeugt durch die Dampfreformierungsreaktion,
und Dampf reagieren, um in Wasserstoffgas und Kohlendioxid umgewandelt
zu werden. Die erzeugten Gase (sogenannte reformierte Gase) werden
zu dem Kühlerabschnitt
(Wärmetauscherabschnitt) 22 abgegeben.
Die Dampfreformierungsreaktion ist eine endotherme Reaktion, wohingegen
die Kohlenmonoxid-Shiftreaktion eine exotherme Reaktion ist.
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Ferner
ist der Reformierabschnitt 21 darin mit einem Temperatursensor 21c zum
Messen der Temperatur in dem Reformierabschnitt 21, wie
etwa z. B. der Temperatur (T1) in der Nachbarschaft einer Wand,
welche an den Brennerabschnitt 25 angrenzt, ausgestattet.
Das Ermittlungsergebnis des Temperatursensors 21c wird
an die Kontrollvorrichtung 30 übermittelt.
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Der
Kühlerabschnitt 22 ist
ein Wärmetauscher
(Wärmetauscherabschnitt)
zum Durchführen eines
Wärmeaustauschs
zwischen dem von dem Reformierabschnitt 21 abgegebenen
reformierten Gas und der Mischung aus Reformierkraftstoff und Reformierwasser
(Dampf). Der Kühlerabschnitt 22 senkt die
Temperatur des reformierten Hochtemperaturgases mit dem Niedrigtemperaturmischgas,
um das reformierte Gas an den CO Shiftabschnitt 23 abzugeben,
während
er die Temperatur des Mischgases mit dem reformierten Gas erhöht, um das
Mischgas an den Reformierabschnitt 21 abzugeben.
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Speziell
hat der Kühlerabschnitt 22 daran eine
Kraftstoffversorgungsleitung 41 angeschlossen, welche mit
einer nicht gezeigten Kraftstoffversorgungsquelle (z. B. eine Stadtgasleitung)
verbunden ist. Die Kraftstoffversorgungsleitung 41 ist
darauf mit einer Reformierkraftstoffpumpe 42 und einem
Reformierkraftstoffventil 43 in der Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite
ausgestattet. Das Reformierkraftstoffventil 43 wirkt zum Öffnen oder
Schließen der
Kraftstoffversorgungsleitung 41. Die Reformierkraftstoffpumpe 42 ist
zum Zuführen
von Reformierkraftstoff und zum Regulieren der Zufuhrmenge. Ferner
ist eine mit dem Verdampferabschnitt 26 verbundene Dampfversorgungsleitung 51 zwischen
dem Kraftstoffversorgungsventil 43 und dem Kühlerabschnitt 22 mit
der Kraftstoffversorgungsleitung 41 verbunden. Der von
dem Verdampferabschnitt 26 zugeführte Dampf wird mit Reformierkraftstoff
gemischt, und das Mischgas wird dem Reformierabschnitt 21 über den
Kühlerabschnitt 22 zugeführt.
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Der
CO Shiftsabschnitt 23 ist zum Verringern (Reduzieren) von
Kohlenmonoxid in dem von dem Reformierabschnitt 21 über den
Kühlerabschnitt 22 zugeführten reformierten
Gas, d. h. ist ein Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt. Der CO Shiftabschnitt 23 ist
darin mit einem sich in einer vertikalen Richtung ausdehnenden Umsatzströmdurchgang 23a ausgestattet.
Der Umsatzströmdurchgang 23a ist
mit Katalysator 23b (z. B. Cu-Zn basierter Katalysator)
gefüllt. In
dem CO Shiftabschnitt 23 findet eine sogenannte Kohlenmonoxid-Shiftreaktion
statt, in welcher das Kohlenmonoxid und der in dem Reformiergas,
das von dem Kühlerabschnitt 22 zugeführt wird,
enthaltene Dampf durch den Katalysator 23b reagieren, um in
Wasserstoffgas und Kohlendioxidgas umgewandelt zu werden. Die Kohlenmonoxid-Shiftreaktion ist eine
exotherme Reaktion.
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Der
CO Selektivoxidierabschnitt 24 ist zum weiteren Verringern
des Kohlenmonoxids in dem von dem CO Shiftabschnitt 23 zugeführten reformierten Gas,
um das reformierte Gas der Brennstoffzelle 10 zuzuführen, d.
h. ist ein Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt. Der CO Selektivoxidierabschnitt 24 nimmt eine
kreisförmige
zylindrische Form an und ist in Kontakt mit der äußeren Umfangswand des Verdampferabschnitts 26 bereitgestellt,
um die äußere Umfangswand
zu bedecken. Der CO Selektivoxidierabschnitt 24 ist darin
mit einem Katalysator 24a (z. B. Ru oder Pt basierter Katalysator)
gefüllt.
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Der
CO Selektivoxidierabschnitt 24 ist an unteren und oberen
Abschnitten seiner seitlichen Wandoberfläche entsprechend mit einer
mit dem CO Shiftabschnitt 23 verbundenen Verbindungsleitung 89 und
einer mit dem Kraftstoffpol 11 der Brennstoffzelle 10 verbundenen
Versorgungsleitung für
reformiertes Gas 71 verbunden. Die Verbindungsleitung 89 hat
daran eine Versorgungsleitung für
oxidierende Luft 61 angeschlossen. Somit kann dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 reformiertes
Gas von dem CO Shiftabschnitt 23 und oxidierende Luft aus
der Atmosphäre
zugeführt
werden. Die Oxidierluftversorgungsleitung 61 ist darauf
mit einer Oxidierluftpumpe 62 und einem Oxidierluftventil 63 in
der Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite ausgestattet.
Die Oxidierluftpumpe 62 ist zum Zuführen oxidierender Luft und
zum Regulieren der Zufuhrmenge. Das Oxidierluftventil 63 wirkt
zum Öffnen
oder Schließen
der Oxidierluftversorgungsleitung 61.
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Folglich
reagiert das zu dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 geleitete
Kohlenmonoxid in dem reformierten Gas mit (wird oxidiert mit) Sauerstoff
in der oxidierenden Luft, um Kohlendioxid zu werden. Diese Reaktion
ist eine exotherme Reaktion und wird durch den Katalysator 24a beschleunigt.
Somit wird das reformierte Gas in der Dichte an Kohlenmonoxid durch Oxidationsreaktion
weiter reduziert (weniger als 10 ppm) und wird dem Kraftstoffpol 11 der
Brennstoffzelle 10 zugeführt.
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Ferner
ist die Versorgungsleitung für
reformiertes Gas 71 darauf mit einem Drucksensor 90 zum
Messen des Drucks in der versiegelten Reformiervorrichtung 20 ausgestattet.
Das Ermittlungsergebnis des Drucksensors 90 wird an die
Kontrollvorrichtung 30 übermittelt.
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Der
Brennerabschnitt 25 verbrennt Verbrennungskraftstoff mit
Verbrennungsoxidationsmittelgas (z. B. Luft) und erwärmt den
Reformierabschnitt 21 mit Verbrennungsgas. Das heißt, der
Brennerabschnitt 25 erzeugt Verbrennungsgas, welches für die Dampfreformierungsreaktion
notwendige Wärme
zuführt,
indem es den Reformierabschnitt 21 erwärmt. Der Brennerabschnitt 25 ist
innerhalb des Reformierabschnitts 21, mit seinem unteren
Endabschnitt innerhalb einer inneren Umfangswand des Reformierabschnitts 21 eingefügt und von
der inneren Umfangswand räumlich
getrennt, angeordnet.
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Der
Brennerabschnitt 25 ist mit einer Verbrennungskraftstoffversorgungsleitung 44 verbunden,
welche mit einer nicht gezeigten Kraftstoffversorgungsquelle (z.
B. eine Stadtgasleitung) verbunden ist, und auch mit dem anderen
Ende einer Abgasversorgungsleitung 72 verbunden ist, welche
an einem Ende mit einem Auslassanschluss des Kraftstoffpols 11 verbunden
ist. Am Anfang eines Hochfahrens der Brennstoffzelle 10 wird
dem Brennerabschnitt 25 Verbrennungskraftstoff zugeführt, und während des
Startbetriebs der Brennstoffzelle 10 wird das reformierte
Gas von dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 dem Brennerabschnitt 25 zugeführt ohne
die Brennstoffzelle 10 zu durchlaufen. Ferner wird während eines
gewöhnlichen
Betriebs der Brennstoffzelle 10 das von der Brennstoffzelle 10 ausgelassene
Anodenabgas (wasserstoffenthaltendes reformiertes Gas, das nicht
an dem Kraftstoffpol 11 verbraucht wird) dem Brennerabschnitt 25 zugeführt. Die
Fehlmenge des reformierten Gases oder des Abgases wird mit dem Verbrennungskraftstoff
ergänzt.
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Ferner
ist eine Verbrennungsluftversorgungsleitung 64 mit dem
Brennerabschnitt 25 verbunden und Verbrennungsluft wird
aus der Atmosphäre
zum Verbrennen (Oxidieren) brennbaren Gases, wie etwa z. B. Verbrennungskraftstoff,
Anodenabgas, reformiertes Gas oder dergleichen, zugeführt.
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Die
Verbrennungskraftstoffversorgungsleitung 44 ist darauf
mit der Verbrennungskraftstoffpumpe 45 und dem Verbrennungskraftstoffventil 46 in
der Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite ausgestattet.
Die Verbrennungskraftstoffpumpe 45 ist zum Zuführen von
Verbrennungskraftstoff und zum Regulieren der Zufuhrmenge. Das Verbrennungskraftstoffventil 46 wirkt
zum Öffnen
oder Schließen
der Verbrennungskraftstoffversorgungsleitung 44. Ferner
ist die Verbrennungsluftversorgungsleitung 64 darauf mit
einer Verbrennungsluftpumpe 65 und einem Verbrennungsluftventil 66 in
der Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite ausgestattet.
Die Verbrennungsluftpumpe 65 ist zum Zuführen von
Verbrennungsluft und zum Regulieren der Zufuhrmenge. Das Verbrennungsluftventil 66 wirkt
zum Öffnen
oder Schließen
der Verbrennungsluftversorgungsleitung 64.
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Wenn
der wie oben ausgebildete Brennerabschnitt 25 gezündet wird,
wird Verbrennungskraftstoff, reformiertes Gas oder Anodenabgas,
das dazu zugeführt
wird, mit Verbrennungsluft verbrannt, um Hochtemperaturverbrennungsgas
zu erzeugen. Das Verbrennungsgas strömt durch einen Verbrennungsgasströmdurchgang 27 und
wird als Verbrennungsabgas durch eine Auslassleitung 81 ausgelassen. Somit
erwärmt
das Verbrennungsgas den Reformierabschnitt 21 und den Verdampferabschnitt 26.
Der Verbrennungsgasströmdurchgang 27 ist
ein Strömdurchgang,
welcher angeordnet ist, um entlang einer inneren Umfangswand des
Reformierabschnitts 21 in Kontakt mit der Wand, dann entlang
zwischen der äußeren Umfangswand
des Reformierabschnitts 21 und eines Wärmeisolationsabschnitts 28,
in Kontakt damit nachdem er nach unten umgebogen wird, und schließlich entlang
zwischen dem Wärmeisolationsabschnitt 28 und
dem Verdampferabschnitt 26, in Kontakt damit nachdem er
nach oben umgebogen wird, zu laufen.
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Der
Verdampferabschnitt 26 ist zum Erzeugen von Dampf durch
Heizen und Sieden von Reformierwasser und zum Zuführen des
Dampfes zu dem Reformierabschnitt 21 über den Kühlerabschnitt 22. Der
Verdampferabschnitt 26 ist gebildet, um eine zylindrische
Form anzunehmen und ist bereitgestellt, um die äußere Umfangswand für den äußersten
Abschnitt des Verbrennungsgasströmdurchgangs 27 in Kontakt
mit der Wand zu bedecken.
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Der
Verdampferabschnitt 26 ist an seinem unteren Abschnitt
(z. B. ein unterer Teil der seitlichen Wandoberfläche oder
eine Bodenoberfläche)
mit einer Speisewasserleitung 52 verbunden, welche mit einem
Reformierwasserbehälter
(nicht gezeigt) verbunden ist. Der Verdampferabschnitt 26 ist
an seinem oberen Abschnitt (z. B. ein oberer Abschnitt auf der seitlichen
Wandoberfläche)
mit der vorgenannten Dampfversorgungsleitung 51 verbunden.
Das von dem Reformierwasserbehälter
zugeleitete Reformierwasser wird mit der Wärme des Verbrennungsgases und
der Wärme
von dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 im Zuge des Strömens durch
den Verdampferabschnitt 26 erwärmt und wird in durch die Dampfversorgungsleitung 51 und
den Kühlerabschnitt 22 zu
dem Reformierabschnitt 21 zu leitenden Dampf verwandelt.
Die Speisewasserleitung 52 ist darauf mit einer Reformierwasserpumpe 53 und
einem Reformierwasserventil 54 in der Reihenfolge von der
stromaufwärtigen
Seite ausgestattet. Die Reformierwasserpumpe 53 ist zum
Zuführen von
Reformierwasser zu dem Verdampferabschnitt 26 und zum Regulieren
der Zufuhrmenge des Reformierwassers. Das Reformierwasserventil 54 wirkt
zum Öffnen
oder Schließen
der Speisewasserleitung 52.
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Der
Kraftstoffpol 11 der Brennstoffzelle 10 ist an
seinem Einlassanschluss mit dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 durch
die Versorgungsleitung für
reformiertes Gas 71 und an seinem Auslassanschluss mit
dem Brennerabschnitt 25 durch die Abgasversorgungsleitung 72 verbunden.
Eine Umführungsleitung 73 umgeht
die Brennstoffzelle 10, um eine direkte Verbindung zwischen
der Versorgungsleitung für
reformiertes Gas 71 und der Abgasversorgungsleitung 72 herzustellen.
Die Versorgungsleitung für
reformiertes Gas 71 ist darauf mit einem ersten Ventil
für reformiertes
Gas 74 zwischen einem Verzweigungspunkt zu der Umführungsleitung 73 und
der Brennstoffzelle 10 ausgestattet. Die Abgasversorgungsleitung 72 ist
darauf mit einem Abgasventil 75 zwischen einem Verbindungspunkt
mit der Umführungsleitung 73 und
der Brennstoffzelle 10 ausgestattet. Die Umführungsleitung 73 ist
mit einem zweiten Ventil für
reformiertes Gas 76 ausgestattet.
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Während eines
Startbetriebs sind das erste Ventil für reformiertes Gas 74 und
das Abgasventil 75 geschlossen und das zweite Ventil für reformiertes Gas 76 ist
geöffnet,
um zu vermeiden, dass das reformierte Gas mit einer hohen Dichte
an Kohlenmonoxid der Brennstoffzelle 10 von der Reformiervorrichtung 20 zugeführt wird.
Während
eines gewöhnlichen
Betriebs (während
eines Stromerzeugungsbetriebs) sind das erste Ventil für reformiertes
Gas 74 und das Abgasventil 75 geöffnet und
das zweite Ventil für
reformiertes Gas 76 ist geschlossen, um das reformierte
Gas der Brennstoffzelle 10 von der Reformiervorrichtung 20 zuzuführen.
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Der
Luftpol 12 der Brennstoffzelle 10 ist mit einer
Kathodenluftversorgungsleitung 67 an seinem Einlassanschluss
und mit einer Auslassleitung 82 an seinem Auslassanschluss
verbunden. Der Luftpol 12 wird mit Luft versorgt und das
Abgas wird ausgelassen. Die Kathodenluftversorgungsleitung 67 ist
darauf mit einer Kathodenluftpumpe 68 und einem Kathodenluftventil 69 in
der Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite ausgestattet.
Die Kathodenluftpumpe 68 ist zum Zuführen von Kathodenluft und zum
Regulieren der Zufuhrmenge. Das Kathodenluftventil 69 wirkt
zum Öffnen
oder Schließen
der Kathodenluftversorgungsleitung 67.
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Ferner
ist das Brennstoffzellensystem mit der Kontrollvorrichtung 30 ausgestattet,
welche den Temperatursensor 21c, den Drucksensor 90,
die jeweiligen Pumpen 42, 45, 53, 62, 65, 68,
die jeweiligen Ventile 43, 46, 54, 63, 66, 69, 74, 75, 76,
und den Brennerabschnitt 25, alle zuvor genannt (siehe 2),
daran angeschlossen hat. Die Kontrollvorrichtung 30 umfasst
darin einen Mikrocomputer (nicht gezeigt), welcher eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle,
eine CPU, einen RAM und einen ROM (alle nicht gezeigt) damit verbunden
aufweist. Die CPU führt
das Abschalten des Brennstoffzellensystems durch Steuern der jeweiligen
Pumpen 42, 45, 53, 62, 65, 68,
der jeweiligen Ventile 43, 46, 54, 63, 66, 69, 74, 75, 76,
und des Brennerabschnitts 25, basierend auf der Temperatur
von dem Temperatursensor 21c und dem Druck von dem Drucksensor 90 aus.
Der RAM speichert vorübergehend
Variablen, welche notwendig sind, um ein Abschaltkontrollprogramm (nicht
gezeigt) auszuführen,
und der ROM speichert das Abschaltkontrollprogramm.
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Es
ist anzumerken, dass während
des Stromerzeugungsbetriebs die Temperatur des Reformierabschnitts 21 in
einem Bereich von 600–700°C liegt,
die Temperatur des CO Shiftabschnitts 23 in einem Bereich
von 200–300°C liegt,
und die Temperatur des CO Selektivoxidierabschnitts 24 in
einem Bereich von 100–200°C liegt.
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Als
Nächstes
wird der Betrieb des wie oben beschriebenen Brennstoffzellensystems
beschrieben werden. Wenn ein Startschalter (nicht gezeigt) eingeschaltet
wird, startet die Kontrollvorrichtung 30 einen Startbetrieb.
Spezieller wird das Verbrennungsluftventil 66 geöffnet und
die Verbrennungsluftpumpe 65 wird betrieben, wobei Verbrennungsluft
dem Brennerabschnitt 25 mit einer vorbestimmten Strömgeschwindigkeit
zugeführt
wird. Das Verbrennungskraftstoffventil 46 wird geöffnet und
die Verbrennungskraftstoffpumpe 45 wird betrieben, wobei
der Verbrennungskraftstoff dem Brennerabschnitt 25 mit einer
vorbestimmten Strömgeschwindigkeit
zugeführt
wird. Dann wird der Brennerabschnitt gezündet, um die Verbrennung des
Verbrennungskraftstoffs zu starten. Mit Beginn der Verbrennung erhöhen der
Reformierabschnitt 21 und der Verdampferabschnitt 26 dadurch
ihre Temperaturen, dass sie mit dem Verbrennungsgas erhitzt werden,
wenn selbiges durch den Verbrennungsgasströmdurchgang 27 zieht.
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Wenn
der Verdampferabschnitt 26 bis zum Erreichen einer vorbestimmten
Temperatur oder höher
aufgewärmt
ist, wird das Reformierwasserventil 54 geöffnet und
die Reformierwasserpumpe 53 wird betrieben, um dem Verdampferabschnitt 26 Reformierwasser
zuzuführen.
Sobald der Dampf beginnt dem Reformierabschnitt 21 von
dem Verdampferabschnitt 26 zugeführt zu werden, wird dem Reformierabschnitt 21 Reformierkraftstoff
mit einer vorbestimmten Strömgeschwindigkeit
zugeführt.
Der Zufuhrstart von Dampf wird basierend auf der Auslasstemperatur
des Verdampferabschnitts 26 bestimmt. Zum Beispiel wird
die Festsetzung des Zufuhrstarts gemacht, wenn die Temperatur auf
100°C steigt.
Ferner wird das Reformierkraftstoffventil 43 geöffnet und die
Reformierkraftstoffpumpe 42 wird betrieben, um dem Reformierabschnitt 21 Reformierkraftstoff über den
Kühlerabschnitt 22 mit
einer vorbestimmten Strömgeschwindigkeit
zuzuführen.
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Wenn
mit Reformierkraftstoff versorgt, erzeugt der Reformierabschnitt 21 reformiertes
Gas durch Auftreten der zuvor genannten Dampfreformierungsreaktion
und Kohlenmonoxid-Shiftreaktion, und das reformierte Gas wird von
dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 abgegeben. Da allerdings
in diesem Stadium viel Kohlenmonoxid enthalten ist, wird das reformierte
Gas dem Brennerabschnitt 25 zugeführt, da es die Brennstoffzelle 10 umläuft. Ferner
wird gleichzeitig mit der Zufuhr des Reformierkraftstoffs, das Luftventil 63 geöffnet und
die Luftpumpe 62 wird betrieben, um dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 ein
vorbestimmtes Volumen an oxidierender Luft zuzuführen. Das Kohlenmonoxid in
dem reformierten Gas wird in dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 weiter
verringert und das reformierte Gas wird aus dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 abgegeben.
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Wenn
die Dichte an Kohlenmonoxid in dem reformierten Gas geringer als
ein vorbestimmter Wert ist, wird der Startbetrieb beendet und das
reformierte Gas von dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 wird
der Brennstoffzelle 10 zugeführt, um die Stromerzeugung
zu starten. Das heißt
der Stromerzeugungsbetrieb (gewöhnlicher
Betrieb) wird initiiert. Es sollte angemerkt werden, dass ein Beginn
der Stromerzeugung basierend auf der Temperatur eines festen Abschnitts
(z. B. Katalysatortemperatur in dem CO Shiftabschnitt 23)
bestimmt wird.
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Als
Nächstes
wird das Abschalten des Brennstoffzellensystems unter Bezug auf 3 beschrieben.
Im Stromerzeugungsbetrieb des Brennstoffzellensystems initiiert
die Kontrollvorrichtung 30 eine Abschaltsteuerung, wenn
zum Beispiel ein Stoppschalter (nicht gezeigt) betätigt wird
(Zeit t0).
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Zur
Zeit t0 stellt die Kontrollvorrichtung 30 das Betreiben
der Reformierkraftstoffpumpe 42 und der Reformierwasserpumpe 53,
welche bis dahin die jeweiligen Zufuhren mit Strömgeschwindigkeit Nc1 und Strömgeschwindigkeit
Nd1 durchgeführt
hat, ein, um das Zuführen
von Reformierkraftstoff und Reformierwasser zu beenden und schließt das Reformierkraftstoffventil 43 und
das Reformierwasserventil 54. Ferner wird das zweite Ventil
für reformiertes
Gas 76 geöffnet
und das erste Ventil für
reformiertes Gas 74 und das Abgasventil 75 werden
geschlossen, wobei der Reformierabschnitt 21 durch den
Kühlerabschnitt 22,
den CO Shiftabschnitt 23, den CO Selektivoxidierabschnitt 24,
den Brennerabschnitt 25, den Verbrennungsgasströmdurchgang 27 und
die Auslassleitung 81 in Verbindung mit dem Äußeren (Atmosphäre) gebracht
wird. Zusätzlich
stellt die Kontrollvorrichtung 30 das Betreiben der Verbrennungskraftstoffpumpe 45 ein,
welche bis dahin die Zufuhr mit einer Strömgeschwindigkeit Nb1 durchgeführt hat,
um ein Zuführen
von Verbrennungskraftstoff zu beenden und schließt das Verbrennungskraftstoffventil 46.
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Somit
tritt eine Situation auf, bei der dem Reformierabschnitt 21 nichts
zugeführt
wird und die Verbrennung in dem Brennerabschnitt 25 wird
eingestellt. In dieser Situation verbleibt allerdings, da keine lange
Zeit vergangen ist nachdem das Brennstoffzellensystem den Stromerzeugungsbetrieb
eingestellt hat, die Reformiervorrichtung 20 in einem Hochtemperaturzustand,
und die Restwärme
verursacht ein Verdampfen des in dem Verdampferabschnitt 26 verbleibenden
Reformierwassers, wodurch das Restgas in der Reformiervorrichtung 20 durch
den Dampf ausgespült
wird.
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Ferner
schaltet die Kontrollvorrichtung 30 zur Zeit t0 die Oxidierluftpumpe 62 von
einer bis dahin Zufuhrströmgeschwindigkeit
Ne1 auf eine andere Strömgeschwindigkeit
Ne2 um (z. B. 0,5 Liter/Min (der gewöhnliche Zustand) und führt die
Zufuhr oxidierender Luft zu dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 für eine vorbestimmte
Dauer TD1 fort. Das heißt
oxidierende Luft strömt
während
der vorbestimmten Zeit nur von der Zeit t0 an. Somit wird Kohlenmonoxid
in dem Restgas, welches zumindest in dem Durchgang von dem Reformierabschnitt 21 zu
dem CO Shiftabschnitt 23 verblieben ist, durch die oxidierende
Luft oxidiert, wenn das Restgas durch den CO Selektivoxidierabschnitt 24 zieht,
und das Restgas wird von der Reformiervorrichtung 20 mit
verringerter Kohlenmonoxiddichte abgegeben.
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Die
vorbestimmte Zeit TD1 ist ein Wert, welche unter Beachtung der Strömgeschwindigkeit
von Dampf von dem Verdampferabschnitt 26 und dem Volumen
in dem Raum von dem Reformierabschnitt 21 zu dem CO Shiftabschnitt 23 bestimmt
ist. Das heißt
es ist vorzuziehen, dass die vorbestimmte Zeit TD1 auf eine ausreichende
Zeitdauer gesetzt wird, um das Restgas, welches in dem Raum von
dem Reformierabschnitt 21 zu dem CO Shiftabschnitt 23 verblieben
war, durch den Dampf von dem Verdampferabschnitt 26 auszuspülen.
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Es
ist vorzuziehen, dass die Strömgeschwindigkeit
Ne2 geringer ist, als die Strömgeschwindigkeit
Ne1. Die Strömgeschwindigkeit
Ne2 wird eingestellt, um ein ausreichendes Volumen zum Behandeln
des Restgases zu erlangen, welches in dem Raum von dem Reformierabschnitt 21 zu
dem CO Shiftabschnitt 23 verblieben war, und wird zum Zuführen des
Volumens, welches den Katalysator 24a nicht über ein
erforderliches Maß oxidiert,
gesetzt.
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Ferner
schaltet die Kontrollvorrichtung 30 zur Zeit t0 die Verbrennungsluftpumpe 65 von
der Strömgeschwindigkeit
Na1, mit welcher sie bis dahin Luft zugeführt hatte, auf eine Strömgeschwindigkeit
Na2 um und führt
die Zufuhr oxidierender Luft zu dem Brennerabschnitt 25 fort
bis (Zeit t4) die Temperatur des Reformierabschnitts 21 eine
vorbestimmte Temperatur (z. B. 200°C) oder niedriger erreicht.
Die vorbestimmte Temperatur wird niedriger festgelegt, als die Temperatur,
bei welcher ein den Reformierabschnitt 21 bildender rostfreier
Stahl gefährdet
ist interkristalline Korrosion zu erleiden. Vorzugsweise ist die
Strömgeschwindigkeit
Na2 eine höhere
Strömgeschwindigkeit
als die Strömgeschwindigkeit
Na1.
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Zur
Zeit t1, die ein Zeitpunkt ist, an dem von der Zeit t0 die vorbestimmte
Zeit TD1 verstrichen ist, schließt die Kontrollvorrichtung 30 das
zweite Ventil für
reformiertes Gas 76, um die Reformiervorrichtung 20 zu
versiegeln. In der versiegelten Reformiervorrichtung 20 fährt die
Verdampfung in dem Verdampferabschnitt 26 fort, weil die
Reformiervorrichtung 20 noch immer bei einer hohen Temperatur
verbleibt, und somit verursacht der Dampfdruck ein Erhöhen des
Drucks P1 in der Reformiervorrichtung 20. Andererseits
wird der Druck in der Reformiervorrichtung 20 durch den
Drucksensor 90 ermittelt, und wenn der Druck 21 in
dem Reformierabschnitt 20 einen vorbestimmten Wert erreicht
(z. B. 5 kPaG (Manometerdruck)) (Zeit t2) wird das zweite Ventil
für reformiertes Gas 76 nur
ein paar Sekunden geöffnet,
um eine Druckentlastung durchzuführen.
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Die
Druckentlastungsprozessierung wird ausgeführt, bis sich ergibt, dass
die Erzeugung von Dampf nicht auftritt, als ein Ergebnis davon,
dass das Reformierwasser in dem Verdampferabschnitt 26 verbraucht
ist, oder dass die Temperatur in dem Reformierabschnitt 20 sinkt,
das heißt,
bis sich ergibt, dass der Druck 21 in dem Reformierabschnitt 20 einen
vorbestimmten Wert nicht überschreitet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
wird angenommen, dass das Reformierwasser in dem Verdampferabschnitt 26 zwischen
der Zeit t2 und der Zeit t3 verbraucht ist. Da wie später beschrieben
die dem Brennerabschnitt 25 zugeführte Verbrennungsluft den Reformierabschnitt 21 und
demzufolge den Reformierabschnitt 20 kühlt, wandelt sich andererseits
der Druck 21 in dem Reformierabschnitt 20 zu einer
Zeit t3 oder später
in einen negativen Druck.
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Unmittelbar
vor der Vollendung des Abschaltens (Zeit t4) öffnet die Kontrollvorrichtung 30 das
Reformierkraftstoffventil 43 und betreibt die Reformierkraftstoffpumpe 42 für eine vorbestimmte
Zeit TD2, nur um die Reformiervorrichtung 20 mit Reformierkraftstoff
zu füllen.
Die vorbestimmte Zeit TD2 ist ein Wert, welcher unter Beachtung
der Strömgeschwindigkeit
von der Reformierkraftstoffpumpe 42 und dem Volumen in
dem Raum von dem Reformierabschnitt 21 zu dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 gesetzt
ist. Das heißt
es ist vorzuziehen, dass die vorbestimmte Zeit TD2 auf eine Zeitdauer
festgesetzt ist, lange genug, um den Raum von dem Reformierabschnitt 21 zu
dem CO Selektivoxidierabschnitt 24 mit Reformierkraftstoff
zu füllen.
Somit tritt es nicht auf, dass ein Überschuss des Reformierkraftstoffs
aus der Reformiervorrichtung 20 ausströmt.
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Zur
Zeit t4 schließt
die Kontrollvorrichtung 30 das Verbrennungsluftventil 66 und
stellt das Betreiben der Verbrennungsluftpumpe 65 ein.
Zu einem Zeitpunkt (Zeit t5), an dem von der Zeit t4 eine vorbestimmte
Zeit TD2 verstrichen ist, schließt die Kontrollvorrichtung 30 das
Reformierkraftstoffventil 43 und stellt das Betreiben der
Formierkraftstoffpumpe 42 ein, um das Abschalten zu vollenden.
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Ferner
wird die Reformiervorrichtung 20 weiter gekühlt, um
während
der Dauer von der Vollendung des Abschaltens (Zeit t5) der Reformiervorrichtung 20 bis
zum nächsten
Hochfahren in einen negativen Druck zu fallen. Da allerdings die
Reformiervorrichtung 20 unmittelbar vor dem Abschalten
(Zeit t4) bei nahezu dem Atmosphärendruck
mit Reformierkraftstoff befüllt
wurde, kann die Reformiervorrichtung 20 in einem geeigneten
Druckzustand gehalten werden, und demzufolge wird der Belastungsdruck auf
die Reformiervorrichtung 20 reduziert, so dass eine Verringerung
der Lebensdauer der Reformiervorrichtung 20 verhindert
werden kann. Bei nahezu dem Atmosphärendruck mit Reformierkraftstoff
gefüllt,
kann bei der Reformiervorrichtung 20 ferner ein Einlass
von Luft dorthinein verhindert werden, so dass eine Verringerung
der Lebensdauer des Katalysators in der Reformiervorrichtung 20 verhindert
werden kann.
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Wie
aus der vorangegangenen Beschreibung klar ist, wird bei der vorliegenden
Ausführungsform
das Ausspülen
des Restgases, wie etwa reformiertes Gas in der Reformiervorrichtung 20,
ausgeführt
durch Beenden der Zufuhr von Reformierkraftstoff zu dem Reformierabschnitt 21,
durch Beenden der Zufuhr von Reformierwasser zu dem Verdampferabschnitt 26 und
die Zufuhr des in dem Verdampferabschnitt 26 verbleibenden
Reformierwassers zu dem Reformierabschnitt 21, während das
Reformierwasser unter Verwendung der Restwärme der Reformiervorrichtung 20 verdampft
wird. Somit kann der Spülvorgang
für die
Reformiervorrichtung 20 in einer existierenden Struktur
durchgeführt
werden, ohne irgendeine spezielle Struktur, so wie zum Beispiel
eine Vorrichtung zum Zuführen
von Stickstoff zur Spülverwendung,
bereitzustellen.
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Hier
beinhaltet die Restwärme
der Reformiervorrichtung 20 die Restwärme bei dem Verbrennungsgasströmdurchgang 27 des
Brennerabschnitts 25 und die Wärme, welche das dem Brennerabschnitt 25 zugeführte Verbrennungsoxidationsmittelgas
bei Erhalt der Restwärme
des Reformierabschnitts 21 an den Verbrennungsgasströmdurchgang 27 transferiert.
Es sollte angemerkt werden, dass der Brennerabschnitt nicht notwendigerweise
benötigt wird,
wo der Reformierabschnitt der Bauart ist, die eine teilweise Reformierreaktion,
welche eine exotherme Reaktion ist, verwendet. In diesem Fall wirkt die
Restwärme
des Reformierabschnitts als die Restwärme der Reformiervorrichtung.
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Da
ferner oxidierende Luft für
eine vorbestimmte Zeit TD1, von dem Zeitpunkt (Zeit t0) wenn das
Spülen
gestartet wird, geströmt
wird, kann Kohlenmonoxid in dem Restgas verringert werden, indem
es mit der oxidierenden Luft in dem CO Selektivoxidierabschnitt 24,
welcher ein Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt ist, oxidiert wird
und kann aus der Reformiervorrichtung 20 ausgelassen werden.
Somit ist es möglich
das Abschalten durchzuführen,
wobei das Kohlenmonoxid in dem Abgas von der Reformiervorrichtung 20 auf
eine geringe Dichte unterdrückt
wird. Da ferner kein Verbrennungsabgas verwendet wird, tritt eine
Erwärmung
des Reformierabschnitts 21 im leeren Zustand nicht auf,
und demzufolge kann unterdrückt
werden, dass die Lebensdauer des Reformierabschnitts 21 aufgrund
der durch Wärme
verursachten Schädigung
verringert wird.
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Ferner
wird nach dem Anhalten des Stroms von oxidierender Luft (Zeit t1)
eine Druckentlastung ausgeführt,
wenn der Innendruck der Reformiervorrichtung 20 steigt,
und die Reformiervorrichtung 20 wird versiegelt, wenn der
Anstieg des Innendrucks der Reformiervorrichtung 20 endet.
Somit wird die Druckbelastung auf die Reformiervorrichtung 20 verringert,
welche durch den Druck des von dem Verdampferabschnitt 26 erzeugten
Dampfes verursacht wird, so dass verhindert werden kann, dass die
Lebensdauer der Reformiervorrichtung 20 verringert wird.
Gleichzeitig kann verhindert werden, dass der Innendruck der Reformiervorrichtung 20 verringert wird,
und das verhindert, dass Luft in die Reformiervorrichtung 20 eingelassen
wird, so dass verhindert werden kann, dass die Lebensdauer des Katalysators
in der Reformiervorrichtung 20 verringert wird.
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Da
ferner die Reformiervorrichtung 20 schließlich mit
Reformierkraftstoff versiegelt wird, kann für die Dauer von der Vollendung
des Abschaltens der Reformiervorrichtung 20 bis zum nächsten Hochfahren
zuverlässig
verhindert werden, dass der Katalysator in der Reformiervorrichtung 20 oxidiert wird.
Folglich kann, trotz des wiederholten Hochfahrens und Abschaltens
der Reformiervorrichtung 20, verhindert werden, dass der
Lebensdauer des Katalysators durch die Wiederholung von Desoxidation und
Oxidation verschlechtert wird. Da des Weiteren die Reformiervorrichtung 20 für die Dauer
mit Reformierkraftstoff befüllt
ist, wird Reformierkraftstoff nicht überflüssigerweise verwendet, so dass
das Abschalten ohne einen wesentlichen Verlust an Energie ausgeführt werden
kann. Es sollte angemerkt werden, dass es ein Wenig Verlust an Energie
gibt, weil der eingefüllte
Reformierkraftstoff zu der Zeit des nächsten Hochfahrens als Verbrennungskraftstoff
verwendet wird.
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Da
ferner, während
das Spülen
ausgeführt wird,
dem Brennerabschnitt 25 Verbrennungsoxidationsmittelgas
nur zugeführt
wird, bis die Temperatur des Reformierabschnitts 21 auf
die vorbestimmte Temperatur sinkt, ist es möglich den Reformierabschnitt 21 abrupt
mit dem Verbrennungsoxidationsmittelgas zu kühlen. Wo rostfreier Stahl als
Baumaterial verwendet wird, wird folglich das abrupte Kühlen auf
eine niedrigere Temperatur, als die Temperatur, bei welcher rostfreier
Stahl gefährdet
ist interkristalline Korrosion zu erleiden, durchgeführt, so
dass eine Verschlechterung der Lebensdauer der Reformiervorrichtung 21 vermieden
wird.
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Es
sollte angemerkt werden, dass die Pumpen jeweils zum Zuführen von
Gas durch Gebläse
ersetzt werden können.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT:
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Wie
oben beschrieben ist eine Reformiervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung dafür
geeignet ein Abschalten auszuführen,
ohne unbehandeltes Kohlenmonoxid wie es ist auszulassen, um zu Verhindern,
dass die Lebensdauer des Katalysators trotz der Wiederholung von
Hochfahren und Abschalten verringert wird, um das Abschalten ohne
die Lebensdauer eines Reformierabschnitts zu verringern auszuführen, und
um das Abschalten mit einem geringen Verlust an Energie auszuführen.