DE112009001804B4 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (10) zum Zuführen von erzeugter elektrischer Leistung zu externen Leistungslasten (35), die mit einer Systemenergiequelle (33) verbunden sind, einem Reformer (20) zur Zufuhr von Brennstoffgas, das durch Reformieren von unreformierten Brennstoff erzeugt wird, zu der Brennstoffzelle (10), und einer Steuerungseinrichtung (40) zur Steuerung des Betriebs der Brennstoffzelle (10) und des Reformers (20), wobei die Steuerungseinrichtung (40), wenn diese nicht in der Lage gewesen ist, das Brennstoffzellensystem zu einer Zeit, zu der die Systemenergiequelle (33) anormal ist, normal zu stoppen, automatisch einen Wiederherstellungsbetrieb derart ausführt, dass das Brennstoffzellensystem in einen erneut startbaren Zustand gebracht wird, und bei Abschluss des Wiederherstellungsbetriebs (Schritt 320), das Brennstoffzellensystem in einen Bereitschaftszustand versetzt (Schritt 322), dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (20) versehen ist mit einem Reformierabschnitt (21) zum Reformieren von unreformierten Brennstoff zur Erzeugung von Brennstoffgas und einem Brennerabschnitt (25), dem verbrennbares Gas und Verbrennungsoxidationsgas zur Verbrennung des verbrennbaren Gases mit dem Verbrennungsoxidationsgas zugeführt wird, um den Reformierabschnitt (21) mit Verbrennungsgas zu erwärmen, und der Wiederherstellungsbetrieb eine Kühlverarbeitung (Schritt 310; Schritte 402–408) für den Brennerabschnitt (25) und eine Druckregulierungsverarbeitung (Schritte 324 und 326) für jeweilige Innenräume des Reformers (20) und der Brennstoffzelle (10) aufweist, wobei die Druckregulierungsverarbeitung (Schritte 324 und 326) bei Abschluss (JA in Schritt 308) der Kühlverarbeitung (Schritt 310; Schritte 402–408) ausgeführt wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • STAND DER TECHNIK
  • Als eine Form von Brennstoffzellensystemen ist eines bekannt, die in der Patentdruckschrift 1 beschrieben ist. Wie es in 1 der Patentdruckschrift 1 gezeigt ist, wird in dem Brennstoffzellensystem 1, wenn eine Energieversorgung zu dem Brennstoffzellensystem 1 wieder hergestellt wird, der Betriebsschritt direkt zu einer vorbestimmten Stoppstufe versetzt, die den jeweiligen Schritten unmittelbar vor Unterbrechung der Energieversorgung zu den Brennstoffzellensystemen 1 entspricht, und wird das Brennstoffzellensystem 1 dann durch vorbestimmte Stoppstufen darauffolgend gestoppt.
  • Somit kann vermieden werden, dass der Hauptkörper einer Brennstoffzelle 20 und eines Reformers 10 aufgrund einer Verschlechterung eines Katalysators oder dergleichen beschädigt werden.
  • DRUCKSCHRIFT GEMÄß DEM STAND DER TECHNIK
  • PATENTDRUCKSCHRIFT
    • Patentdruckschrift 1: JP2006-31995 A
  • Die Druckschrift DE 10 2007 000 546 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, wie es im Oberbegriff von Patentanspruch 1 angegeben ist, und das eine Brennstoffzelle, eine Systemenergiequelle, einen Reformer und eine Steuerungseinrichtung aufweist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
  • DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
  • In dem in der vorstehend erwähnten Patentdruckschrift 1 beschriebenen Brennstoffzellensystem wird, da in dem Fall des Auftretens eines Energieausfalls das Brennstoffzellensystem in eine Stoppstufe versetzt wird, ohne dass Fluktuationen in Druck und Temperatur des Brennstoffzellensystems berücksichtigt werden, und durch vorbestimmte Stoppschritte gestoppt wird, eine unüblich hohe Temperatur an vorbestimmten Stellen in dem Brennstoffzellensystem fortgesetzt auftritt oder Stellen in einem inkorrekten Druckzustand auftreten, so dass die Befürchtung besteht, dass das System nicht in einem erneut startbarem Zustand gestoppt werden kann. Zusätzlich tritt die weitere Befürchtung auf, dass Wartung durch einen Menschen bei Ausführung des erneuten Starts erforderlich ist.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen der vorstehend beschriebene Probleme gemacht, und eine Aufgabe davon ist es, in der Lage zu sein, einen erneuten Start ohne Erfordernis nach Wartung durch einen Menschen bei Ausführung eines erneuten Starts nach einem Energieausfall in einem Brennstoffzellensystem durchzuführen.
  • MASSNAHMEN ZUM LÖSEN DER PROBLEME:
  • Zum Lösen der vorstehend beschriebenen Probleme liegt das strukturelle Merkmal gemäß der Erfindung gemäß einer ersten Ausgestaltung in einem Brennstoffzellensystem, das auf aufweist: eine Brennstoffzelle zum Zuführen von erzeugter elektrischer Leistung zu externen Leistungslasten, die mit einer Systemenergiequelle verbunden sind, einen Reformer zur Zufuhr von Brennstoffgas, das durch Reformieren von unreformierten Brennstoff erzeugt wird, zu der Brennstoffzelle, und eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Betriebs der Brennstoffzelle und des Reformers, wobei die Steuerungseinrichtung, wenn diese nicht in der Lage gewesen ist, das Brennstoffzellensystem zur einem Zeitpunkt, zu dem die Systemenergiequelle anormal ist, normal zu stoppen, automatisch einen Wiederherstellungsbetrieb derart ausführt, dass das Brennstoffzellensystem in einen erneut startbaren Zustand gebracht wird, und bei Abschluss des Wiederherstellungsbetriebs, das Brennstoffzellensystem in einen Bereitschaftszustand versetzt.
  • Weiterhin ist gemäß der ersten Ausgestaltung der Reformer versehen mit einem Reformierabschnitt zum Reformieren von unreformierten Brennstoff zur Erzeugung von Brennstoffgas und einem Brennerabschnitt, dem verbrennbares Gas und Verbrennungsoxidationsgas zur Verbrennung des verbrennbaren Gases mit dem Verbrennungsoxidationsgas zugeführt wird, um den Reformierabschnitt mit Verbrennungsgas zu erwärmen, und dass der Wiederherstellungsbetrieb eine Kühlverarbeitung für den Brennerabschnitt und einen Wärmemedium-Umwälzkreis sowie eine Druckregulierungsverarbeitung für jeweilige Innenräume des Reformers und der Brennstoffzelle aufweist, wobei die Druckregulierungsverarbeitung bei Abschluss der Kühlverarbeitung ausgeführt wird.
  • Das strukturelle Merkmal gemäß einer zweiten Ausgestaltung beruht darin, dass, nach der ersten Ausgestaltung, das Brennstoffzellensystem weiterhin mit einem ersten Wärmemedium-Umwälzkreis, durch die ein erstes Wärmemedium zur Sammlung von Abwärme des Reformers umläuft, und einer ersten Wärmemedium-Umwälzeinrichtung zum Umwälzen des ersten Wärmemediums versehen ist, dass die Abwärme des Reformers ebenfalls eine Abwärme des Abgases aus dem Brennerabschnitt aufweist, und dass die Kühlverarbeitung eine Verarbeitung ist, um das Verbrennungsoxidationsgas nach Start des Umwälzbetriebs des ersten Wärmemediums durch die erste Wärmemedium-Umwälzeinrichtung lediglich in den Brennerabschnitt strömen zu lassen.
  • Das strukturelle Merkmal gemäß einer dritten Ausgestaltung beruht darin, dass, nach der ersten oder zweiten Ausgestaltung, während des Wiederherstellungsbetriebs die Steuerungseinrichtung eine Anormalität in dem Brennstoffzellensystem erfasst, die einen Fehler von Sensoren, die in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen sind, Austritte von unreformierten Brennstoff, verbrennbaren Gas und Brennstoffgas, ein Feuer in dem Brennstoffzellensystem und/oder eine unüblich hohen Temperatur in dem Brennstoffzellensystem aufweist, und bei Erfassung der Anormalität den erneuten Start des Brennstoffzellensystems unterbindet.
  • Das strukturelle Merkmal der Erfindung gemäß einer vierten Ausgestaltung beruht darin, dass, nach der dritten Ausgestaltung, wenn die Temperatur an einer vorbestimmten Stelle in dem Brennstoffzellensystem höher als eine vorbestimmte Temperatur steigt, die Steuerungseinrichtung das Auftreten einer unüblich hohen Temperatur beurteilt, falls der Hochtemperaturzustand für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger anhält.
  • Das strukturelle Merkmal der Erfindung gemäß einer fünften Ausgestaltung beruht darin, dass, nach irgendeiner der ersten bis vierten Ausgestaltungen, die Steuerungseinrichtung die Anzahl von Stoppbetrieben, die aufgrund von Anormalitäten der Systemenergiequelle ausgeführt worden sind, und die Anzahl von Wiederherstellungsbetrieben, die aufgrund der Anormalitäten ausgeführt worden sind, speichert und einen weiteren Wiederherstellungsbetrieb aus einer gegenwärtig auftretenden Anormalität unterbindet, falls eine der Zahlen eine vorbestimmte Zahl erreicht.
  • WIRKUNGEN DER ERFINDUNG:
  • Gemäß der Erfindung gemäß der ersten Ausgestaltung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau führt die Steuerungseinrichtung, wenn diese nicht in der Lage ist, das Brennstoffzellensystem zu der Zeit, wenn die Systemenergiequelle anormal ist, normal zu stoppen, automatisch den Wiederherstellungsbetrieb aus, so dass das Brennstoffzellensystem in einen erneut startbaren Zustand versetzt wird, und versetzt das Brennstoffzellensystem bei Abschluss des Wiederherstellungsbetriebs in den Bereitschaftszustand. Somit wird, wenn das Brennstoffzellensystem zu der Zeit, wenn die Systemenergiequelle anormal ist, nicht normal gestoppt worden ist, das Brennstoffzellensystem automatisch wiederhergestellt, um in einen erneut startbaren Zustand versetzt zu werden, und wird bei Abschluss der Wiederherstellung in den Bereitschaftszustand gebracht, selbst falls eine unüblich hohe Temperatur an einer vorbestimmten Stelle in dem Brennstoffzellensystem anhaltend auftritt, oder selbst falls eine Stelle in einem unkorrekten Druckzustand auftritt. Somit ist es zu dem Zeitpunkt eines nachfolgenden erneuten Starts möglich, das Brennstoffzellensystem ohne Bedarf nach einer Wartung durch einen Menschen normal zu starten.
  • Weiterhin ist der Reformer gemäß der ersten Ausgestaltung mit dem Reformierabschnitt zum Reformieren von unreformierten Brennstoff, um Brennstoffgas zu erzeugen, und dem Brennerabschnitt versehen, dem brennbares Gas und Verbrennungsoxidationsgas zur Verbrennung des verbrennbaren Gases mit dem Verbrennungsoxidationsgas zugeführt, um den Reformierabschnitt mit dem Verbrennungsgas zu erwärmen, und weist der Wiederherstellungsbetrieb die Kühlverarbeitung für den Brennerabschnitt und den Wärmemedium-Umwälzkreis sowie die Druckregulierungsverarbeitung für die jeweiligen Innenräume des Reformers und der Brennstoffzelle auf. Somit kann, selbst falls eine unübliche hohe Temperatur an der vorbestimmten Stelle in dem Brennstoffzellensystem anhaltend auftritt oder die Stelle in einem unkorrekten Druckzustand in dem Fall auftritt, dass das Brennstoffzellensystem zu dem Zeitpunkt, zu dem die Systemenergiequelle anormal ist, nicht normal gestoppt worden ist, die Kühlverarbeitung die hohe Temperatur unterdrücken und kann die Druckregulierungsverarbeitung verhindern, dass der Druck unkorrekt wird. Daher kann das System insgesamt vor einer Verschlechterung in der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer bewahrt werden, und kann deren Zuverlässigkeit hoch aufrechterhalten werden.
  • Außerdem wird die Druckregulierungsverarbeitung bei Abschluss der Kühlverarbeitung ausgeführt. Da die Druckregulierungen in den Innenräumen des Reformers und der Brennstoffzelle ausgeführt werden, nachdem Temperatur in dem Brennabschnitt des Reformers abgesunken ist, kann somit jede zufällige Zündung verhindert werden, selbst falls als ein Ergebnis der Druckregulierungen die verbrennbaren Gase wie der unreformierte Brennstoff und das Brennstoffgas in den Innenräumen strömen.
  • Gemäß der zweiten Ausgestaltung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau ist das Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausgestaltung weiterhin mit dem ersten Wärmemedium-Umwälzkreis, durch den das erste Wärmemedium zur Sammlung der Abwärme aus dem Reformer umläuft, und der ersten Wärmemedium-Umwälzeinrichtung zum Umwälzen des ersten Wärmemediums versehen, wobei die Abwärme aus dem Reformer ebenfalls die Abwärme des Abgases aus dem Brennerabschnitt aufweist, und die Kühlverarbeitung eine Verarbeitung ist, um das Verbrennungsoxidationsgas lediglich in den Brennerabschnitt strömen zu lassen, nachdem der Umwälzbetrieb des ersten Wärmemediums durch die erste Wärmemedium-Umwälzeinrichtung gestartet ist. Somit kann, da, wenn das erste Wärmemedium die Abwärme des Abgases aus dem Brennerabschnitt in Zusammenhang mit dem Kühlen des Brennerabschnitts durch Umwälzung des Verbrennungsoxidationsgases sammelt, die Abwärme des Abgases durch das erste Wärmemedium gesammelt werden kann, das bereits umgelaufen ist, verhindert werden, dass das erste Wärmemedium mit der Abwärme von dem Abgas erhitzt wird, so dass der Wiederherstellungsbetrieb normal durchgeführt werden kann.
  • Gemäß der dritten Ausgestaltung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau erfasst während des Wiederherstellungsbetriebs die Steuerungseinrichtung gemäß der ersten oder zweiten Ausgestaltung eine Anormalität in dem Brennstoffzellensystem, die Fehler der in dem Brennstoffzellensystem vorgesehenen Sensoren, Austritte von unreformierten Brennstoff, verbrennbaren Gas und Brennstoffgas, ein Feuer in dem Brennstoffzellensystem und/oder eine unüblich hohe Temperatur in dem Brennstoffzellensystem aufweist, und unterbindet bei Erfassung der Anormalität den erneuten Start des Brennstoffzellensystems. Somit ist es möglich, das System normal in dem Wiederherstellungsbetrieb wiederherzustellen.
  • Gemäß der vierten Ausgestaltung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau beurteilt, wenn die Temperatur an der vorbestimmten Stelle in dem Brennstoffzellensystem höher als die vorbestimmte Temperatur ansteigt, die Steuerungseinrichtung gemäß der dritten Ausgestaltung das Auftreten einer unüblich hohen Temperatur, falls die hohe Temperatur zumindest für die vorbestimmte Zeitdauer oder länger anhält. Somit ist es möglich, eine fehlerhafte Erfassung in Bezug auf eine unüblich hohe Temperatur während eines normalen Betriebs zu unterdrücken.
  • Gemäß der fünften Ausgestaltung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau speichert die Steuerungseinrichtung gemäß den ersten bis vierten Ausgestaltungen die Anzahl von Stoppbetrieben, die aufgrund von Anormalitäten der Systemsleistungsquelle ausgeführt worden sind, und die Anzahl von Wiederherstellungsbetrieben, die aus Anormalitäten heraus ausgeführt worden sind, und unterbindet einen weiteren Wiederherstellungsbetrieb aus einer gegenwärtig auftretenden Anormalität, falls eine der Zahlen die vorbestimmte Anzahl erreicht. Somit können Ausführungen von weiteren Wiederherstellungsbetrieben und weitere erneute Starts, die unvernünftig oder sinnlos sind, unterdrückt werden, so dass es möglich ist, das System normal wiederherzustellen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung, die ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung in groben Zügen darstellt.
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild, das einen Reformer gemäß 1 und deren Umgebung veranschaulicht.
  • 3 zeigt ein Blockschaltbild, das ein in 1 gezeigtes Umrichtersystem und dessen Umgebung veranschaulicht.
  • 4 zeigt ein Blockschaltbild, dass das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem veranschaulicht.
  • 5 zeigt Flussdiagramm eines Steuerungsprogramms, das durch eine in 1 Steuerungseinrichtung ausgeführt wird.
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm eines Steuerungsprogramms, das durch die in 1 gezeigte Steuerungseinrichtung ausgeführt wird.
  • 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Steuerungsprogramms, das durch die in 1 gezeigte Steuerungseinrichtung ausführt wird.
  • 8 zeigt ein Flussdiagramm eines Steuerungsprogramms, das durch die in 1 gezeigte Steuerungseinrichtung ausführt wird.
  • 9 zeigt einen Zeitverlauf, der den Übergang einer wandnahen Temperatur (T1) eines Reformers unter einer Kühlverarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 10 zeigt einen Zeitverlauf, der den Übergang der wandnahen Temperatur (T1) des Reformers in dem Fall veranschaulicht, dass bei Auftreten eines Energieausfalls eine normale Stoppverarbeitung nicht durchgeführt wird, ohne Ausführung der Kühlverarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 11 zeigt einen Zeitverlauf, der die Übergänge von einer Wärmetauschereinlasstemperatur (T9) eines Kondensierkühlmittels und der Außenwandoberflächentemperatur (T5) eines Brennerabschnitts 25 unter der Kühlverarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 12 zeigt einen Zeitverlauf, der die Übergänge der Wärmetauschereinlasstemperatur (T9) eines Kondensierkühlmittels und der Außenwandoberflächentemperatur (T5) des Brennerabschnitts 25 in dem Fall veranschaulicht, dass bei Auftreten eines Energieausfalls die normale Stoppverarbeitung nicht durchgeführt wird, ohne Ausführung der Kühlverarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 13 zeigt einen Zeitverlauf, der die Übergänge eines Drucks (P1) von reformiertem Gas an einem Reformerauslass und eines Drucks (P2) von reformiertem Gas an einem Brennstoffzelleneinlass unter einer Druckregulierungsverarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • 14 zeit einen Zeitverlauf, der die Übergänge des Drucks (P1) von reformiertem Gas an dem Reformerauslass und des Drucks (P2) von reformiertem Gas an dem Brennstoffzelleneinlass in dem Fall veranschaulicht, das bei Auftreten eines Energieausfalls die normale Stoppverarbeitung nicht durchgeführt wird, ohne Ausführung der Druckregulierungsverarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 15 zeigt ein Flussdiagramm eines Steuerungsprogramms, das durch die in 1 gezeigte Steuerungseinrichtung ausgeführt wird.
  • FORM ZUR UMSETZUNG DER ERFINDUNG
  • Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt eine schematische Darstellung, die das Brennstoffzellensystem in groben Zügen veranschaulicht, 2 zeigt eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Reformers veranschaulicht, 3 zeigt ein Blockschaltbild, das ein elektrisches System einschließlich eines Umrichtersystems veranschaulicht, und 4 zeigt ein Blockschaltbild, dass das Brennstoffzellensystem veranschaulicht.
  • Wie es in 1 gezeigt, ist das Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle 10, dem Reformer 20, dem Umrichtersystem 30, einer Brennstoffzellensystemsteuerungseinrichtung (die nachstehend als Systemsteuerungseinrichtung bezeichnet ist) 40 und einen Abwärmesammelsystem 60 versehen.
  • 1) Brennstoffzelle
  • Die Brennstoffzelle 10 ist mit einer Brennstoffelektrode 11, einer Luftelektrode 12, die eine Oxidationselektrode ist, versehen, und ist zur Erzeugung von elektrischer Leistung durch Verwendung von reformiertem Gas, das der Brennstoffelektrode 11 zugeführt wird, und Luft (Katodenluft), die ein der Luftelektrode 12 zugeführtes Oxidationsgas ist, betreibbar. Statt Luft kann sauerstoffreiches Luftgas zugeführt werden.
  • 2) Reformer
  • Wie es in 2 gezeigt ist, dient der Reformer 20 zum Reformieren von unreformiertem Brennstoff mit Dampf, um wasserstoffreiches reformiertes Gas (Brennstoffgas) der Brennstoffzelle 10 zuzuführen, und ist aus einem Reformierabschnitt 21, einem Kühlerabschnitt 22, einem Kohlenstoffmonoxid-Shift-Reaktionsabschnitt (der nachstehend als CO-Shift-Abschnitt bezeichnet ist) 23, einen Kohlenstoffmonoxid-Selektivoxidationsreaktionsabschnitt (der nachstehend als CO-Selektivoxidationsabschnitt bezeichnet ist) 24, einen Brennerabschnitt 25 und einem Verdampferabschnitt 26 zusammengesetzt. Als unformierter Brennstoff kann unreformierter gasförmiger Brennstoff wie Erdgas Gas, LPG oder dergleichen oder unreformierter flüssiger Brennstoff wie Kerosin, Benzin, Methanol oder dergleichen angewandet werden. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist in der Form beschrieben, die Erdgas verwendet.
  • Der Reformierabschnitt 21 erzeugt aus einem Gasgemisch als ein unreformiertes Rohmaterial reformiertes Gas und leitet es ab, in dem Reformierungswasser mit unreformiertem Brennstoff vermischt wird. Der Reformierabschnitt nimmt eine zylindrische Form mit einer Unterseite an und ist mit einem ringförmigen Zylinder mit einem ringförmigen Umlaufströmungskanal 21a versehen, der sich entlang der Achse des ringförmigen Zylinders erstreckt.
  • Ein Katalysator 21b (beispielsweise ein Ru- oder Ni-Basis-Katalysator) ist in dem Umlaufströmungskanal 21a des Reformierabschnitts 21 gefüllt, in dem ein Gasgemisch aus unformiertem Brennstoff und Dampf, der aus dem Kühlerabschnitt 22 zugeführt wird, durch den Katalysator 21b reagiert und reformiert wird, um Wasserstoffgas und Kohlenmonoxidgas zu erzeugen (eine sogenannte Dampfreformierungsreaktion). Gleichzeitig findet eine sogenannte Kohlenstoffmonoxid-Shift-Reaktion statt, wobei das durch die Dampfreformierungsreaktion erzeugte Kohlenmonoxid und Dampf reagieren, um in Wasserstoffgas und Kohlendioxid umgewandelt zu werden. Die erzeugten Gase (sogenannte reformierte Gase) werden zu dem Kühlerabschnitt (Wärmetauscherabschnitt) 22 ausgestoßen. Die Dampfreformierungsreaktion ist eine endothermische Reaktion, wohingegen die Kohlenstoffmonoxid-Shift-Reaktion eine exothermische Reaktion ist. Der aktive Temperaturbereich des Katalysators 21b in dem Reformierabschnitt 21 liegt von 400°C bis 800°C. Soweit wie die Temperatur des Reformierabschnitts 21 in dem aktiven Temperaturbereich des Katalysators 21b liegt, wird bei einer höheren Temperatur weitaus mehr Wasserstoff erzeugt.
  • Weiterhin ist der Reformierabschnitt 21 darin mit einem Temperatursensor 21c zum Messen der Temperatur in dem Reformierabschnitt 21 wie beispielsweise der Temperatur (T1) in der Nähe einer Wand versehen, die benachbart zu dem Brennerabschnitt 25 ist. Die Temperatur T1, die durch den Temperatursensor 21c erfasst wird, gibt eine Innentemperatur des Brennerabschnitts 25 an. Das Erfassungsergebnis des Temperatursensors 21c wird zu der Systemsteuerungseinrichtung 40 gesendet.
  • Der Kühlerabschnitt 22 ist ein Wärmetauscher (Wärmetauschabschnitt) zur Durchführung eines Wärmetauschs zwischen dem aus dem Reformierabschnitt 21 ausgestoßenen reformierten Gas und dem Gasgemisch von unreformiertem Brennstoff und Reformierungswasser (Dampf). Der Kühlerabschnitt 22 verringert die Temperatur des reformierten Gases auf hoher Temperatur mit dem Gasgemisch auf niedriger Temperatur, um das reformierte Gas zu dem CO-Shift-Abschnitt 23 auszustoßen, während die Temperatur des Gasgemisches mit dem reformierten Gas angehoben wird, um das Gasgemisch zu dem Reformierabschnitt 21 auszustoßen.
  • Insbesondere weist der Kühlerabschnitt 22 daran eine Leitung zur Zufuhr von unreformierten Brennstoff 41 auf, die mit einer nicht gezeigten Brennstoffzufuhrquelle (beispielsweise ein Stadtgasrohrleitung) verbunden ist. Wie es in 1 gezeigt ist, ist die Rohrleitung zur Zufuhr von unreformiertem Brennstoff 41 darauf mit einem Brennstoffventil 41a, eine Pumpe für unreformierten Brennstoff 41b, einem Entschwefler 41c und einem Ventil für unreformiertem Brennstoff 41d in dieser Reihenfolge von einer stromaufwärtigen Seite versehen. Das Brennstoffventil 41a und das Ventil für reformierten Brennstoff 41d arbeiten zum Öffnen oder Schließen der Rohrleitung zur Zufuhr von unreformiertem Brennstoff 41. Die Pumpe für unreformierten Brennstoff 41b ist eine Einrichtung zur Zufuhr von unformiertem Brennstoff, um unreformiertem Brennstoff zuzuführen und die Zufuhrmenge zu regulieren. Der Entschwefler 41c dient zum Eliminieren von Schwefelinhalt (beispielsweise einer Schwefelverbindung) in dem Brennstoff. Von dem Brennstoff wird derjenige, der dem Reformierabschnitt 21c zugeführt wird, um reformiert zu werden, als unreformierter Brennstoff bezeichnet, wohingegen derjenige, der direkt den Brennerabschnitt 25 zugeführt wird, um verbrannt zu werden, als Verbrennungsbrennstoff bezeichnet wird.
  • Eine Dampfzufuhrrohrleitung 42, die mit dem Verdampferabschnitt 26 verbunden ist, ist zwischen dem Ventil für unformierten Brennstoff 41d an der Rohrleitung zur Zufuhr von unreformiertem Brennstoff 41 und dem Kühlerabschnitt 22 angeschlossen. Der aus dem Verdampferabschnitt 26 zugeführte Dampf wird mit unreformiertem Brennstoff gemischt, und das Gasgemisch wird dem Reformierabschnitt 21 mittels des Kühlerabschnitts 22 zugeführt.
  • Wie es in 2 gezeigt ist, dient der Verdampferabschnitt 26 zur Erzeugung von Dampf durch Verdampfen von Reformierungswasser, um den Dampf dem Reformierabschnitt 21 durch den Kühlerabschnitt 22 zuzuführen. Der Verdampferabschnitt 26 nimmt eine zylindrische Form an und ist vorgesehen, um eine äußere umlaufende Wand eines Verbrennungsgasströmungskanals 27 abzudecken und zu berühren.
  • Eine Speisewasserrohrleitung 43, die mit einem Reformierungswassertank 43a verbunden ist, ist mit einem unteren Teil (beispielsweise einem unteren Teil einer Seitenwandoberfläche oder einer unteren Oberfläche) des Verdampferabschnitts 26 verbunden. Ein oberer Teil (beispielsweise ein oberer Teil der Seitenwandoberfläche) des Verdampferabschnitts 26 ist mit der Dampfzufuhrrohrleitung 42 verbunden. Reformierungswasser, das aus dem Reformierungswassertank 43a geleitet wird, wird durch die Wärme von dem Verbrennungsgas und der Wärme aus dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 im Verlauf des Strömens durch den Verdampferabschnitt 26 erwärmt und wird zu Dampf, um durch die Dampfzufuhrrohrleitung 42 und dem Kühlerabschnitt 22 zu dem Reformierabschnitt 21 ausgestoßen zu werden. Die Speisewasserrohrleitung 43 ist darauf mit einer Reformierungswasserpumpe 43b und einem Reformierungswasserventil 43c in dieser Reihenfolge von der oberen Dampfseite versehen. Die Reformierungswasserpumpe 43b dient zur Zufuhr von Reformierungswasser zu dem Verdampferabschnitt 26 und zum Regulieren der Zufuhrmenge. Das Reformierungswasserventil 43c dient zum Öffnen und Schließen der Speisewasserrohrleitung 43.
  • Weiterhin ist der Verdampferabschnitt 26 mit einem Temperatursensor 26a zur Erfassung der Temperatur des Dampfes in dem Verdampferabschnitt 26 versehen. Das Erfassungsergebnis des Temperatursensors 26a wird zur der Systemsteuerungseinrichtung 40 gesendet. Falls es möglich ist, die Temperatur des Dampfes zu erfassen, kann der Temperatursensor 26a in der Nähe des Einlass des Kühlerabschnitts 22 oder an der Dampfzufuhrrohrleitung 42 zwischen dem Verdampferabschnitt 26 und dem Kühlerabschnitt 22 vorgesehen werden. Die Temperatur (T2) des Dampfes ist die Temperatur des dem Reformierabschnitt 21 zugeführten Reformierungswassers.
  • Der CO-Shift-Abschnitt 23 ist einer zum Reduzieren von Kohlenstoffmonoxid in dem reformierten Gas, das aus dem Reformierabschnitt 21 über den Kühlerabschnitt 22 zugeführt wird, das heißt, ein Kohlenstoffmonoxid-Reduktionsabschnitt. Der CO-Shift-Abschnitt 23 ist darin mit einem Strömungsumkehrkanal 23a versehen, der sich in einer vertikalen Richtung erstreckt. Der Strömungsumkehrkanal 23a ist mit einem Katalysator 23b (beispielsweise ein Cu-Zn-Basiskatalysator) gefüllt. In dem CO-Shift-Abschnitt 23 findet eine sogenannte Kohlenstoffmonoxid-Shift-Reaktion statt, in der das Kohlenstoffmonoxid und der Dampf, die in dem reformierten Gas enthalten sind, das aus dem Kühlerabschnitt 22 zugeführt wird, durch den Katalysator 23b reagieren, um in Wasserstoffgas und Kohlendioxidgas umgewandelt zu werden. Diese Kohlenstoffmonoxid-Shift-Reaktion ist eine exothermische Reaktion.
  • Weiterhin ist der CO-Shift-Abschnitt 23 darin mit einem Temperatursensor 23c zum Messen der Temperatur (T3) in dem CO-Shift-Abschnitt 23 versehen. Das Erfassungsergebnis des Temperatursensors 23c wird zu der Systemsteuerungseinrichtung 40 gesendet.
  • Der CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 ist einer zur weiteren Reduzierung des Kohlenstoffmonoxids in dem aus dem CO-Shift-Abschnitt 23 zugeführten reformierten Gases, um das reformierte Gas der Brennstoffzelle 10 zuzuführen, das heißt, er ist ein Kohlenstoffmonoxid-Reduktionsabschnitt. Der CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 nimmt eine ringförmige zylindrische Form an und ist in Kontakt mit der äußeren umlaufenden Wand des Verdampferabschnitts 26 vorgesehen, um die äußere umlaufende Wand abzudecken. Der CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 ist darin mit einem Katalysator 24a (beispielsweise einem Ru- oder Pt-Basis-Katalysator) befüllt.
  • Weiterhin ist der CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 darin mit einem Temperatursensor 24b zum Messen der Temperatur T4) in dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 versehen. Das Erfassungsergebnis des Temperatursensors 24b wird zu der Systemsteuerungseinrichtung 40 gesendet.
  • Der CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 ist an unteren und oberen Abschnitten von dessen seitlicher Wandoberfläche jeweils mit einer Verbindungsrohrleitung 44, die mit dem CO-Shift-Abschnitt 23 verbunden ist, und einer Rohrleitung zur Zufuhr von reformiertem Gas 45 verbunden, die mit der Brennstoffelektrode 11 der Brennstoffzelle 10 verbunden ist. Die Verbindungsrohrleitung 44 weist eine damit verbundene Oxidationsluftzufuhrrohrleitung 46 auf. Somit kann der CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 mit dem reformierten Gas aus dem CO-Shift-Abschnitt 23 und Oxidationsluft aus der Atmosphäre versorgt werden. Die Oxidationsluftzufuhrrohrleitung 46 ist darauf mit einer Oxidationsluftpumpe 46a und einem Oxidationsluftventil 46b in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite versehen. Die Oxidationsluftpumpe 46a dient zur Zufuhr von Oxidationsluft und zur Regulierung der Zufuhrmenge. Das Oxidationsluftventil 46b arbeitet zum Öffnen oder Schließen der Oxidationsluftzufuhrrohrleitung 46.
  • Das Kohlenstoffmonoxid in dem zu dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 geführte reformierte Gas reagiert dementsprechend mit (wird oxidiert mit) Sauerstoff in der Oxidationsluft, um zu Kohlenstoffdioxid zu werden. Diese Reaktion ist eine exothermische Reaktion und wird durch den Katalysator 24a gefördert. Somit wird das reformierte Gas mit weiter reduzierter Dichte von Kohlenstoffmonoxid (auf weniger als 10 ppm) durch eine Oxidationsreaktion erlangt und zu der Brennstoffelektrode 11 der Brennstoffzelle 10 zugeführt.
  • Wie es in 1 gezeigt ist, ist die Brennstoffelektrode 11 der Brennstoffzelle 10 an deren Einlassanschluss mit dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 durch die Rohrleitung zur Zufuhr von reformiertem Gas 45 verbunden und an dessen Auslassanschluss mit dem Brennerabschnitt 25 durch eine Abgaszufuhrrohrleitung 47 verbunden. Eine Umgehungsrohrleitung 48 umgeht die Brennstoffzelle 10, um eine direkte Verbindung zwischen der Rohrleitung zur Zufuhr von reformiertem Gas 45 und der Abgaszufuhrrohrleitung 47 herzustellen. Die Rohrleitung zur Zufuhr von reformiertem Gas 45 ist darauf mit einem ersten Ventil für reformiertes Gas 45a zwischen einem Verzweigungspunkt zu der Umgehungsrohrleitung 48 und der Brennstoffzelle 10 versehen. Die Abgaszufuhrrohrleitung 47 ist darauf mit einem Abgasventil 47a zwischen einem Verbindungspunkt mit der Umgehungsrohrleitung 48 und der Brennstoffzelle 10 verbunden. Die Umgehungsrohrleitung 48 ist mit einem zweiten Ventil für reformiertes Gas 48a darauf versehen.
  • Die Rohrleitung zur Zufuhr von reformiertem Gas 45 ist mit zwei Drucksensoren 45b und 45c darauf versehen. Der Drucksensor 45b dient zur Erfassung des Drucks des reformierten Gases an einem Reformerauslassanschluss, und somit des Innendrucks des Reformers 20, der während eines Wartezustands oder dergleichen verschlossen ist. Der Drucksensor 45c dient zur Erfassung des Drucks von Reformgas an einen Brennstoffzelleneinlassanschluss und somit des Innendrucks der Brennstoffzelle 10, die während eines Wartezustands oder dergleichen verschlossen ist. Die Erfassungsergebnisse aus den Drucksensoren 45b und 45c werden zu der Systemsteuerungseinrichtung 40 gesendet.
  • Die Luftelektrode 12 der Brennstoffzelle 10 ist mit einer Kathodenluftzufuhrrohrleitung 49 an deren Einlassanschluss und mit einer Kathodenabgasausströmungsrohrleitung 51 an dessen Auslassanschluss verbunden. Die Luftelektrode 12 wird mit Luft versorgt, und Abgas wird ausgestoßen. Die Kathodenluftzufuhrrohrleitung 49 ist darauf mit einer Kathodenluftpumpe 49a und einem Kathodenluftventil 49b in der Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite versehen. Die Kathodenluftpumpe 49a dient zur Zufuhr von Kathodenluft und zum Regulieren der Zufuhrmenge. Das Kathodenluftventil 49b arbeitet zum Öffnen oder Schließen der Kathodenluftzufuhrrohrleitung 49. Weiterhin ist die Kathodenabgasausströmungsrohrleitung 51 darauf mit einem Kathodenabgasventil 51a versehen. Das Kathodenabgasventil 51a arbeitet zum Öffnen oder Schließen der Kathodenabgasausströmungsrohrleitung 51.
  • Der Brennerabschnitt 25 dient zur Erzeugung von Verbrennungsgas, das den Reformierabschnitt 21 erwärmt, um für die Dampfreformierungsreaktion notwendige Wärme zuzuführen, und ist derart angeordnet, dass dessen unterer Endabschnitt innerhalb einer inneren umlaufenden Wand des Reformierabschnitts 21 eingesetzt ist und von der inneren umlaufenden Wand beabstandet ist. Der Brennerabschnitt 25 ist mit einer (nicht gezeigten) Zündelektrode versehen, die in Reaktion auf einen Befehl aus der Systemsteuerungseinrichtung 40 gezündet wird. Der Brennerabschnitt 25 ist derart konfiguriert, dass er mit verbrennbarem Gas wie ein Verbrennungsbrennstoff, Anodengas und reformiertem Gas als auch mit Oxidationsgas, wie Verbrennungsluft zum Verbrennen (Oxidieren) des verbrennbaren Gases versorgt wird.
  • Insbesondere ist, wie es in 1 und 2 gezeigt ist, der Brennerabschnitt 25 mit dem anderen Ende der Abgaszufuhrrohrleitung 47 verbunden, die an einem Ende mit dem Auslassanschluss der Brennstoffelektrode 11 verbunden ist. Der Brennerabschnitt 25 wird mit dem reformierten Gas aus dem Reformer 20 durch die Rohrleitung zur Zufuhr von reformiertem Gas 45, die Umgehungsrohrleitung 48 und die Abgaszufuhrrohrleitung 47 bei einem Startbetrieb des Brennstoffzellensystems (Reformer 20) versorgt und wird ebenfalls mit dem Anodengas (unreformierten Brennstoff, der in dem Reformierabschnitt 21 nicht reformiert wird oder das wasserstoffhaltige reformierte Gas, das nicht an der Brennstoffelektrode 11 verbraucht wird) versorgt, das aus der Brennstoffzelle 10 bei einem Leistungserzeugungsbetrieb des Brennstoffzellensystems (Reformers 20) ausgestoßen wird.
  • Weiterhin ist der Brennerabschnitt 25 mit einer Verbrennungsluftzufuhrrohrleitung 52 verbunden und wird mit Verbrennungsluft versorgt, die ein Verbrennungsoxidationsgas zum Verbrennen von Verbrennungsbrennstoff, reformiertem Gas oder Anodenabgas ist. Die Verbrennungsluftzufuhrrohrleitung 52 ist darauf mit einer Verbrennungsluftpumpe 52a und einem Verbrennungsluftventil 52b versehen. Die Verbrennungsluftpumpe 52a dient zum Ziehen von Verbrennungsluft aus der Atmosphäre, um die Verbrennungsluft dem Brennerabschnitt 25 zuzuführen, als auch zum Regulieren der Zufuhrmenge der dem Brennerabschnitt 25 zugeführten Verbrennungsluft. Das Verbrennungsluftventil 25b arbeitet zum Öffnen oder Schließen der Verbrennungsluftrohrleitung 52.
  • Weiterhin ist zwischen dem Brennstoffventil 41a und der Pumpe für unreformierten Brennstoff 41b die Rohrleitungszufuhr von unreformiertem Brennstoff 41 mit dem anderen Ende einer Verbrennungsbrennstoffzufuhrrohrleitung 53 verbunden, deren eines Ende mit der Verbrennungsluftzufuhrrohrleitung 52 zwischen dem Brennerabschnitt 25 und dem Verbrennungsluftventil 52b verbunden ist. Die Verbrennungsbrennstoffzufuhrrohrleitung 53 ist mit einer Verbrennungsbrennstoffpumpe 53a daran versehen. Die Verbrennungsbrennstoffpumpe 53a dient zur Zufuhr von Verbrennungsbrennstoff und zur Regulierung der Zufuhrmenge.
  • Zwischen dem Entschwefler 41c und der Pumpe für unreformierten Brennstoff 41d ist die Rohrleitung zur Zufuhr von unreformiertem Brennstoff 41 mit dem anderen Ende einer Brennstoffzufuhrrohrleitung 54 verbunden, von der ein Ende mit der Rohrleitung zur Zufuhr von reformiertem Gas 45 zwischen der Brennstoffzelle 10 und dem ersten Ventil für reformiertes Gas 45a verbunden ist. Die Brennstoffzufuhrrohrleitung 54 ist daran mit einem Brennstoffventil 54a versehen. Das Brennstoffventil 54a arbeitet zum Öffnen oder Schließen der Brennstoffzufuhrrohrleitung 54. Die Brennstoffzufuhrrohrleitung 54 ist eine Rohrleitung zum hermetischen Abdichten der Brennstoffzelle 10 (Brennstoffelektrode 11) mit Rohbrennstoff (dem vorstehend erwähnten unreformierten Brennstoff) oder zum Entleeren der Brennstoffzelle 10 von dem Rohbrennstoff. In dem Fall eines Systems, das die Brennstoffzufuhrrohrleitung 54 nicht benötigt, wird Rohbrennstoff aus dem Reformer 20 eingeführt, indem die Ventile 41a, 41d und 45a in den offenen Zustand versetzt werden.
  • In dem Brennerabschnitt 25 wird während der Zeitdauer von dem Zeitpunkt, zu dem das Systemstarten beginnt, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Zufuhr von unreformiertem Brennstoff zu dem Reformierabschnitt 21 gestartet wird, das Verbrennungsluftventil 52b geöffnet und wird die Verbrennungsluftpumpe 52a angetrieben. Somit wird Verbrennungsluft dem Brennerabschnitt 25 zugeführt. Weiterhin werden das Ventil für unreformierten Brennstoff 41d, das erste Ventil für reformiertes Gas 45a, das Abgasventil 47a und das Brennstoffventil 54a gleichzeitig mit dem Öffnen des Brennstoffventils 41a und dem Antrieb der Verbrennungsluftpumpe 53a geschlossen. Somit wird Verbrennungsbrennstoff dem Brennerabschnitt 25 durch die Rohrleitung zur Zufuhr von unreformiertem Brennstoff 41, die Verbrennstoffzufuhrrohrleitung 53 und die Verbrennungsluftzufuhrrohrleitung 52 ohne Durchlaufen des Reformierabschnitts 21 zugeführt. Dementsprechend werden Verbrennungsbrennstoff und Verbrennungsluft vorab gemischt, um dem Brennerabschnitt 25 zugeführt zu werden, in dem eine vorgemischte Verbrennung durchgeführt wird.
  • Weiterhin werden während der Zeitdauer von dem Zeitpunkt nach dem Start der Zufuhr von unreformiertem Brennstoff zu dem Reformierabschnitt 21 bis zu dem Zeitpunkt des Startens der Leistungserzeugung das Ventil für unreformierten Brennstoff 41d und das zweite Ventil für reformiertes Gas 48a geöffnet, wird der Antrieb der Verbrennungsbrennstoffpumpe 53a gestoppt und wird die Pumpe für unreformierten Brennstoff 41b angetrieben. Das Brennstoffventil 54a, das erste Ventil für reformiertes Gas 45a und das Abgasventil 47a verbleiben geschlossen. Somit wird zur Vermeidung, dass reformiertes Gas mit hoher Dichte von Kohlenstoffmonoxid aus dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, das reformierte Gas aus dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 dem Brennerabschnitt 25 durch die Rohrleitung zur Zufuhr von reformiertem Gas 45, die Umgehungsrohrleitung 48 und die Abgaszufuhrrohrleitung 47 ohne Durchlaufen durch die Brennstoffzelle 10 zugeführt. Weiterhin wird die Zufuhr der Verbrennungsluft zu dem Brennerabschnitt 25 fortgesetzt. Dementsprechend wird eine Diffusionsverbrennung mit dem reformierten Gas und der Verbrennungsluft durchgeführt, die unabhängig dem Brennerabschnitt 25 zugeführt werden.
  • Dann werden während des Leistungserzeugungsbetriebs das Ventil für unreformierten Brennstoff 21d, das erste Ventil für reformiertes Gas 45a und das Abgasventil 47a geöffnet, wohingegen das zweite Ventil für reformiertes Gas 48a geschlossen wird und die Pumpe für unreformierten Brennstoff 41b angetrieben wird. Somit wird das Anodenabgas (das reformierte Gas, das Wasserstoff und den unreformierten Brennstoff als Ergebnis davon enthält, dass er der Brennstoffelektrode 11 der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, jedoch ausgestoßen wird, ohne darin verbraucht worden zu sein) aus der Brennstoffelektrode 11 der Brennstoffzelle 10 dem Brennerabschnitt 25 zugeführt. Dabei wird in dem Brennerabschnitt 25 keine erneute Erwärmung durchgeführt, so dass verbrennbares Gas wie unreformierter Brennstoff getrennt addiert wird, um verbrannt zu werden. Dies ist ein sogenanntes ”ohne erneute Erwärmung” (”reheatingless”). Weiterhin geht die Zufuhr von Verbrennungsluft zu dem Brennerabschnitt 25 weiter. Dementsprechend wird eine Diffusionsverbrennung mit dem Anodenabgas und der Verbrennungsluft ausgeführt, die unabhängig dem Brennerabschnitt 25 zugeführt werden.
  • Auf diese Weise wird in dem Verbrennungsabschnitt 25 der Verbrennungsbrennstoff, das reformierte Gas oder das Anodenabgas (diese sind verbrennbare Gase), die dem Brennerabschnitt 25 zugeführt werden, mit der dem Brennerabschnitt 25 zugeführten Verbrennungsluft verbrannt, um Verbrennungsgas zu erzeugen, das auf einer hohen Temperatur liegt. Dieses Verbrennungsgas strömt durch den Verbrennungsgasströmungskanal 27, der zwischen dem Reformierabschnitt 21 und einem Wärmeisolatorabschnitt 28 und zwischen dem Wärmeisolatorabschnitt 28 und dem Verdampferabschnitt 26 geformt ist und der eingerichtet ist, den Reformierabschnitt 21 und den Verdampferabschnitt 26 zu erwärmen, und gelangt durch eine Verbrennungsgasabgasrohrleitung 55, um nach außerhalb als ein Verbrennungsabgas ausgestoßen zu werden. Das Verbrennungsgas erwärmt den Reformierkatalysator 21b in dem Reformierabschnitt 21 auf den Aktivierungstemperaturbereich und erwärmt den Verdampferabschnitt 26 zur Erzeugung von Dampf.
  • Auf der Oberfläche, die die äußere Wandoberfläche des Brennerabschnitts 25 ist und die ebenfalls die äußere Wand des Reformers 20 ist, ist ein Temperatursensor 25a zum Messen der äußeren Wandoberflächentemperatur des Brennerabschnitts 25 vorgesehen. Das Erfassungsergebnis des Temperatursensors 25a wird zu der Systemsteuerungseinrichtung 40 gesendet.
  • 3) Umrichtersystem
  • Wie es in 3 gezeigt ist, ist ein Umrichtersystem 30 mit einer Umrichtereinheit 31 und einer Gleichrichterschaltung 32 versehen. Die Umrichtereinheit 31 weist eine erste Funktion zum Umwandeln von Gleichspannung, die aus der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird, in eine vorbestimmte Wechselspannung, um die Wechselspannung an Stromleitungen 34 abzugeben, die mit einer Systemenergiequelle 33 verbunden sind, eine zweite Funktion zum Umwandeln von Wechselspannung aus den Stromleitungen 34 in eine vorbestimmte Gleichspannung, um die Gleichspannung zu ersten und zweiten Zubehöreinrichtungen 37 und 39 auszugeben, und eine dritte Funktion zum Umwandeln der Gleichspannung aus der Brennstoffzelle 10 in eine vorbestimmte Gleichspannung auf, um die Gleichspannung an die ersten und zweiten Zubehöreinrichtungen 37 und 39 auszugeben.
  • Die Systemenergiequelle (oder kommerzielle Leistungsversorgung) 33 führt elektrische Leistung externen Leistungslasten 35 durch die Stromleitungen 34 zu, die mit der Systemenergiequelle 33 verbunden sind. Die Brennstoffzelle 10 ist mit den Stromleitungen 34 über die Umrichtereinheit 31 verbunden.
  • Die ersten Zubehöreinrichtungen 37 sind erste Leistungslasten, die ebenfalls gespeist werden, während das Brennstoffzellensystem sich in Bereitschaft befindet. Die ersten Zubehöreinrichtungen 37 sind diejenigen, deren Betrieb ebenfalls während der Bereitschaftszeit erforderlich ist, und umfassen Gassensoren 72 und 73 zur Erfassung von Lecks von Gasen wie Erdgas (Methan), reformiertem Gas (Wasserstoff) und dergleichen, die Temperatursensoren 21c, 23c, 24b, 25a, 26a, 62b, 63b, 63c, 65b und 71, die Drucksensoren 45b, 45c und dergleichen. Die ersten Zubehöreinrichtungen 37 sind diejenigen, die zur Beobachtung des Brennstoffzellensystems auch während der Bereitschaftszeit notwendig sind. Die ersten Zubehöreinrichtungen 37 sind diejenigen, die mit 5 V betrieben werden, zusammen mit einem Mikrocomputer der Brennstoffzellensystemsteuerungseinrichtung 40 (das heißt, elektrische Komponenten bei 5 V).
  • Die zweiten Zubehöreinrichtungen 30 sind zweite Leistungslasten, die lediglich während des Betriebs (einschließlich eines Startbetriebs, eines Leistungserzeugungsbetriebs und eines Herunterfahrbetriebs) des Brennstoffzellensystems gespeist werden, jedoch nicht während der Bereitschaftszeit gespeist werden. Die zweiten Zubehöreinrichtungen 39 sind diejenigen, die während des Betriebs betrieben werden, wie beispielsweise (nicht gezeigte) Strömungsmesseinrichtungen, die motorbetriebenen Pumpen (wie die vorstehend beschriebene Pumpe für unreformierten Brennstoff 41b und dergleichen) und die elektromagnetischen Ventile (wie das vorstehend beschriebene Brennstoffventil 41a und dergleichen). Die zweiten Zubehöreinrichtungen 39 sind diejenigen, die mit 24 V betrieben werden (das heißt, elektrische Komponenten bei 24 V).
  • Die Umrichtereinheit 31 ist aus einem Gleichspannungswandler 31a, einem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b, einer Systemverbindungs-Umrichtungssteuerungseinrichtung (die nachstehend als Umrichtersteuerungseinrichtung bezeichnet ist) 31d und einem Umrichter-Energieversorgungs-Gleichspannungswandler 31c aufgebaut.
  • Der Gleichspannungswandler 31a wandelt die Gleichspannung (beispielsweise 40 V), die aus der Brennstoffzelle 10 ausgegeben wird, in eine vorbestimmte Gleichspannung (beispielsweise 350 V) um. Der Gleichspannungswandler 31a wandelt die von der Brennstoffzelle 10 eingegebene Gleichspannung in die vorbestimmte Gleichspannung um und gibt diese durch einen Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb der Systemsteuerungseinrichtung 40 und der ersten Zubehöreinrichtung 37 aus, die zum Betrieb des vorliegenden Brennstoffzellensystems dienen. Weiterhin wandelt der Gleichspannungswandler 31a die von der Brennstoffzelle 10 zugeführte Gleichspannung in die vorbestimmte Gleichspannung um und gibt dieselbe durch einen Gleichspannungswandler 38 für Bereitschaftszeit-Stopp-Zubehöreinrichtungen zu den zweiten Zubehöreinrichtungen 39 aus, die zum Betrieb des vorliegenden Brennstoffzellensystems dienen.
  • Der Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb empfängt die Gleichspannung aus dem Gleichspannungswandler 31a, dem Gleichstrom-/Wechselstrom-Umrichter 31b und der Gleichrichterschaltung 32 und wandelt die Spannung in eine vorbestimmte Gleichspannung um (beispielsweise 5 V), um diese als eine Leistungsspannung der Systemsteuerungseinrichtung 41 und den ersten Zubehöreinrichtungen 37 zuzuführen. Der Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb wird betrieben, indem ihm stets eine elektrische Antriebsleistung zugeführt wird.
  • Der Gleichspannungswandler 38 für Bereitschaftszeit-Stopp-Zubehöreinrichtungen empfängt die Gleichspannung aus dem Gleichspannungswandler 31a, dem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b und der Gleichrichterschaltung 32 und wandelt die Spannung in eine vorbestimmte Gleichspannung um (beispielsweise 24 V) um diese als eine Leistungsspannung den zweiten Zubehöreinrichtungen 39 zuzuführen. Der Betrieb des Gleichspannungswandlers 38 für die Bereitschaftszeit-Stopp-Zubehöreinrichtungen wird entsprechend einem Befehl aus der Systemsteuerungseinrichtung 40 gesteuert, wobei dieser während des Betriebs des Brennstoffzellensystems betrieben wird, jedoch der Betrieb während der Bereitschaftszeit gestoppt ist.
  • Der Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b empfängt die Gleichspannung (beispielsweise 350 V), die aus dem Gleichspannungswandler 31a ausgegeben wird, und wandelt die Spannung in eine Wechselspannung um (beispielsweise 200 V), um diese an die Stromleitungen 34 auszugeben. Der Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b wandelt die Wechselspannung (beispielsweise 200 V) aus der Systemenergiequelle, die aus den Stromleitungen 34 zugeführt wird, in die vorbestimmte Gleichspannung (350 V), und gibt diese zu dem Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb und den Gleichspannungswandler 38 für die Bereitschaftszeit-Stopp-Zubehöreinrichtungen aus. Auf diese Weise weist der Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b eine Funktion zum Umwandeln von Gleichspannung in Wechselspannung und eine weitere Funktion zum Umwandeln von Wechselspannung in Gleichspannung auf.
  • Der Umrichter-Energieversorgungs-Gleichspannungswandler 31c empfängt die Gleichspannung aus dem Gleichspannungswandler 31a, dem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b und der Gleichrichterschaltung 32 und wandelt die Spannung in die vorbestimmte Gleichspannung um, um diese als eine Leistungsversorgungsspannung (Antriebsspannung) dem Gleichspannungswandler 31a, dem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b und der Umrichtersteuerungseinrichtung 31d zuzuführen. Wie der Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb wird der Umrichter-Energieversorgungs-Gleichspannungswandler 31c betrieben, indem er stets mit elektrischer Antriebsleistung versorgt wird.
  • Die Gleichrichterschaltung 32 ist zwischen den Stromleitungen 34 und dem Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb und dem Gleichspannungswandler 38 für die Bereitschaftszeit-Stopp-Zubehöreinrichtungen parallel zu dem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b vorgesehen. Die Gleichrichterschaltung 32 ist in der Lage, die Wechselspannung aus den Stromleitungen 34 gleichzurichten und in Gleichspannung umzuwandeln, und ist in der Lage, dieselbe an die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d, die Systemsteuerungseinrichtung 40 und die ersten und zweiten Zubehöreinrichtungen 37 und 39 durch den Umrichter-Energieversorgungs-Gleichspannungswandler 31c, dem Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb und den Gleichspannungswandler 38 für die Bereitschaftszeit-Stopp-Zubehöreinrichtungen anzulegen. Der Eingang der Gleichrichterschaltung 32 ist zwischen einem Systemschalter 30b und den Stromleitungen 34 angeschlossen. Beispielsweise ist die Gleichrichterschaltung 32 durch vier Dioden, die Gleichrichterelemente sind, aufgebaut, die eingerichtet sind, um eine Diodenbrückenschaltung zu bilden. Die Gleichrichterschaltung 32 kann mit einem Transformator kombiniert werden, oder kann mit Widerständen, Kondensatoren, Spulen oder dergleichen zur Glättung kombiniert werden. Die Gleichrichterschaltung 32 ist in der Lage, elektrische Leistung aus der Systemenergiequelle 33 der Umrichtersteuerungseinrichtung 31d, der Systemsteuerungseinrichtung 40 und den ersten und zweiten Zubehöreinrichtungen 37 und 39 ungeachtet des Öffnens/Schließens des Systemschalters 30b zuzuführen.
  • Weiterhin ist das Umrichtersystem 30 mit Schaltern 30a, 30b, einem Stromsensor 34a und einem Spannungssensor 34b versehen. Der Schalter 30a ist einer (Brennstoffzellenschalter), der zwischen der Brennstoffzelle 10 und dem Gleichspannungswandler 31a angeordnet ist, um die Brennstoffzelle 10 und den Gleichspannungswandler 31a in Verbindung zu bringen oder diese zu trennen. Der Schalter 30b ist einer (Systemschalter), der zwischen dem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b und der Systemenergiequelle 333 (externe Leistungslasten 35) angeordnet ist, um den Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b und die Systemenergiequelle 33 (externe Leistungslasten 35) in Verbindung zu bringen oder zu trennen. Jeder Schalter 30a und 30b wird zum Öffnen oder Schließen entsprechend einem Befehl aus der Umrichtersteuerungseinrichtung 31d gesteuert (das heißt, dem Befehl aus der Systemsteuerungseinrichtung 40 einschließlich desjenigen, der durch die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d ausgegeben wird).
  • Der Stromsensor 34a ist an den Stromleitungen 34 vorgesehen und erfasst einen elektrischen Strom der umgekehrt fließenden elektrischen Leistung aus dem Umrichtersystem 30 zu der Systemenergiequelle 33, den elektrischen Strom der vorwärts strömenden elektrischen Leistung aus der Systemenergiequelle 33 zu dem Umrichtersystem 30 und der Anormalität der Systemenergiequelle 33, um das Erfassungssignal zu dem Umrichtersystem 30, nämlich der Umrichtersteuerungseinrichtung 31d auszugeben.
  • Der Spannungssensor 34b ist zwischen den Schalter 30b, der Gleichrichterschaltung 32 und den Stromleitungen 34, den Leistungslasten 35 vorgesehen, und erfasst die Spannung der elektrischen Leistung aus dem Umrichtersystem 30 zu den Stromleitungen 34 (das heißt der Systemenergiequelle 33 oder den Leistungslasten 35) oder von den Stromleitungen 34 (das heißt der Systemenergiequelle 33 oder den Leistungslasten 35) zu dem Umrichtersystem 30. Das Erfassungsergebnis des Spannungssensors 34b wird zu der Umrichtersteuerungseinrichtung 31d gesendet.
  • Der Stromsensor 34a und der Spannungssensor 34b erfassen jeweils die R-Phase und die S-Phase der Systemenergiequelle 33, die drei Einzelphasenleitungen sind. Der Stromsensor 34a und der Spannungssensor 34b weisen jeweils zwei Sensoren für die R-Phase und die S-Phase auf. Die elektrische Leistung aus dem Umrichtersystem 30 zu den.
  • Stromleitungen 34 oder aus den Stromleitungen 34 zu dem Umrichtersystem 30 kann durch Addieren des Produkts des Stroms und der Spannung in der R-Phase und des Produkts des Stroms und der Spannung in der S-Phase erhalten werden.
  • Die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d steuert den Betrieb des Gleichspannungswandlers 31a und des Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichters 31b und steuert ebenfalls das Öffnen/Schließen der jeweiligen Schalter 30a und 30b auf der Grundlage der Erfassungssignale aus dem Stromsensor 34a und dem Spannungssensor 34b als auch der Zustände der elektrischen Leistung aus dem Gleichspannungswandler 31a und dem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b. Die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d ist mit der Systemsteuerungseinrichtung 40 verbunden, um wechselseitig kommunizieren zu können, und steuert den Betrieb des Gleichspannungswandlers 31a und des Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichters 31b entsprechend Befehlen aus der Systemsteuerungseinrichtung 40.
  • Weiterhin ist die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d in der Lage, die Arten von Energieausfällen auf der Grundlage von denjenigen der Erfassungssignale aus dem Stromsensor 34a und dem Spannungssensor 34b zu beurteilen, die sich auf einen Energieausfall beziehen. Die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d erfasst das Vorhandensein eines Energieausfalls auf der Grundlage der Erfassungssignale aus dem Stromsensor 34a und dem Spannungssensor 34b. In dem Fall eines Energieausfalls erfasst sie, dass die Spannung aus der Systemenergiequelle 33, die durch den Spannungssensor 34b erfasst wird, gleich oder kleiner als eine vorbestimmte Spannung ist (beispielsweise gleich oder kleiner als 1/10 der Nennspannung). Die Energieausfallsarten können beispielweise anhand der Länge der Zeitdauer unterschieden werden, in der ein Energieausfall vorhanden ist.
  • Weiterhin ist die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d auf der Grundlage der Erfassungssignale aus dem Stromsensor 34a und dem Spannungssensor 34b, die sich auf die elektrische Leistung der Systemenergiequelle 33 beziehen, in der Lage, nicht nur Energieausfälle und die Arten der Energieausfälle zu beurteilen, sondern ebenfalls die Anormalität des Systemenergiequelle 33 zu erfassen. In dem Fall einer Spannungseinanormalität wird diese dadurch erfasst, dass sie außerhalb eines Standardbereichs (der durch einen Standard bestimmt worden ist) liegt, der in Abhängigkeit von einer Nennspannung bestimmt worden ist. In dem Fall einer Frequenzanormalität wird dieselbe dadurch erfasst, dass sie außerhalb eines Standardbereichs liegt (die durch einen Standard bestimmt worden ist), der die Frequenz der Spannung oder des Stroms bestimmt. Somit kann neben dem Energieausfall der Systemenergiequelle 33 erfasst werden, dass die Spannung oder die Frequenz außerhalb des vorbestimmten Standardbereichs hinausgeht. Das heißt, es ist möglich, zu erfassen, dass die Systemenergiequelle 33 sich in der Qualität verschlechtert. Die Anormalitäten der Systemenergiequelle 33 umfassen einen Energieausfall, eine Spannungsanormalität, eine Frequenzanormalität und dergleichen.
  • Wenn die Zubehöreinrichtungen (37, 39) die durch das Umrichtersystem 30 umgewandelte elektrische Leistung verwendet, wie es gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall ist, tritt ein Problem in dem Umrichtersystem 30 auf, wenn die Frequenz oder die Spannung der Systemenergiequelle 33 über den vorbestimmten Standardbereich hinausgeht, weshalb die vorliegende Erfindung ebenfalls dahingehend effektiv ist, ein derartiges Problem zu verhindern. In dem Fall des Systems, bei dem die Zubehöreinrichtung (37, 39) direkt durch die Systemenergiequelle 33 betrieben werden, tritt ein Problem bei den Zubehöreinrichtungen (37, 39) auf, wenn die Frequenz oder Spannung der Systemenergiequelle 33 über den vorbestimmten Standardbereich hinausgeht, weshalb die vorliegende Erfindung ebenfalls effektiv ist, ein derartiges Problem zu verhindern.
  • Weiterhin berechnet in dem Zustand, dass die Brennstoffzelle 10 in der Lage ist, elektrische Leistung bzw. Energie zu erzeugen, die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d einen Leistungsverbrauch, der durch die externen Leistungslasten 35 verbraucht wird, auf der Grundlage der Ausgangsleistung aus der Umrichtereinheit 31, die durch den Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b erfasst wird, als auch der elektrischen Leistung, die zu bzw. aus der Systemsleistungsquelle 33 eingegeben bzw. ausgegeben wird, und die durch den Stromsensor 34a und den Spannungssensor 34b erfasst wird. Beispielsweise wird die Summe der Ausgangsleistung aus der Umrichtereinheit 31 und der elektrischen Leistung, die in oder aus der Systemenergiequelle 33 eingegeben bzw. ausgegeben wird, als der Leistungsverbrauch berechnet. Die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d sendet den Leistungsverbrauch und die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle 10 zu der Systemsteuerungseinrichtung 40.
  • Diese Systemsteuerungseinrichtung 40 steuert die Zufuhrmengen des Rohbrennstoffs, Wasser und dergleichen, die dem Reformer 20 zuzuführen sind, so dass die erzeugte elektrische Leistung der Brennstoffzelle 10 mit einem eingegebenen Leistungsverbrauch übereinstimmt. Wenn der Leistungsverbrauch die maximale erzeugte elektrische Leistung der Brennstoffzelle 10 überschreitet, wir die Brennstoffzelle 10 auf den Pegel der maximalen erzeugten elektrischen Leistung betrieben. Bei Erfassung des Energieausfalls oder der Wiederherstellung der Systemenergiequelle 33 sendet die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d einen derartigen Effekt zu der Systemsteuerungseinrichtung 40.
  • Diese Systemsteuerungseinrichtung 40 führt die Gesamtsteuerung des Brennstoffzellensystems in Zusammenarbeit mit der Umrichtersteuerungseinrichtung 31d durch. Die Systemsteuerungseinrichtung 40 steuert die Brennstoffzelle 10 und der Reformer 20 durch Steuerung des Antriebs der vorstehend beschriebenen jeweiligen Pumpen und Ventil (der ersten und zweiten Zubehöreinrichtungen 37, 39), steuert den Antrieb der Umrichtereinheit 31 und steuert den Gleichspannungswandler 38 für die Zubehöreinrichtungen. Die Systemsteuerungseinrichtung 40 verbleibt stets mit Spannung versorgt, selbst während der Bereitschaftszeit und selbst während des Betriebs.
  • Der Betrieb des Umrichtersystems, das wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist, ist beschrieben. Wenn das Brennstoffzellensystem sich in Bereitschaft befindet, stoppt die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d den Antrieb des Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichters 31b und des Gleichspannungswandlers 31a in Reaktion auf einen Befehl aus der Systemsteuerungseinrichtung 40. Das heißt, die Umrichtereinheit 31 stoppt ihre Funktion des Umwandelns der Wechselspannung aus den Stromleitungen 34 (der Systemenergiequelle 33) in die vorbestimmte Gleichspannung und der Ausgabe derselben zu dem Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb und den Gleichspannungswandler 38 für die Bereitschaftszeit-Stopp-Zubehöreinrichtung. Weiterhin werden während der Bereitschaftszeit die Schalter 30a und 30b in dem geöffneten Zustand beibehalten.
  • Demgegenüber richtet die Gleichrichterschaltung 32 die Wechselspannung aus den Stromleitungen 34 zur Umwandlung in eine Gleichspannung gleich und führt dieselbe dem Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb und dem Gleichspannungswandler 38 für die Bereitschaftszeit-Stopp-Zubehöreinrichtungen zu. In Reaktion auf einen Befehl aus der Systemsteuerungseinrichtung 40 wird der Antrieb des Gleichspannungswandlers 38 für die Bereitschaftszeit-Stopp-Zubehöreinrichtungen gestoppt. Somit wird die elektrische Leistung aus den Stromleitungen 34 (der Systemenergiequelle 33) dem Gleichspannungswandler 38 für die Bereitschaftszeit-Stopp-Zubehöreinrichtungen durch die Gleichrichterschaltung 32 ohne Gelangen durch die Umrichtereinheit 31 zugeführt, jedoch nicht den zweiten Zubehöreinrichtungen 39 zugeführt.
  • Weiterhin wird, wenn elektrische Leistung korrekt aus der Systemsleistungsquelle 33 zugeführt wird, der Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb stets angetrieben, so dass die elektrische Leistung aus den Stromleitungen 34 (der Systemenergiequelle 33) der Systemsteuerungseinrichtung 40 und den ersten Zubehöreinrichtungen 37 durch die Gleichrichterschaltung 32 und durch den Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb ohne Gelangen durch den Umrichtereinheit 31 zugeführt wird.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem sich in der Zeit der Vorbereitung für die Leistungserzeugung (zu der Zeit eines Startbetriebs) befindet, treibt die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d, die auf Befehle aus der Systemsteuerungseinrichtung 40 anspricht, den Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b an, stoppt den Betrieb des Gleichspannungswandlers 31a und bringt die Schalter 30a und 30b jeweils in die geöffneten und geschlossenen Zustände. Somit wird die elektrische Leistung aus den Stromleitungen 34 (der Systemenergiequelle 33) durch den Schalter 33b dem Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b zugeführt und wird in Gleichspannungsleistung umgewandelt, die dem Umrichter-Energieversorgungs-Gleichspannungswandler 31c, dem Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb und dem Gleichspannungswandler 38 für die Bereitschaftszeit-Stopp-Zubehöreinrichtungen und somit der Systemsteuerungseinrichtung 40 und den ersten und zweiten Zubehöreinrichtungen 37 und 39 zugeführt wird.
  • Dabei beträgt die durch die Gleichrichterschaltung 32 gleichgerichtete Spannung etwa 280 V Gleichspannung. Da die durch den Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b gleichgerichtete Spannung etwa 350 V Gleichspannung beträgt und höher als 280 V Gleichspannung ist, wird die im Leistungsfaktor verbesserte Gleichrichterfunktion des Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichters 31b in Betrieb gebracht, wohingegen die Gleichrichterschaltung 32 gestoppt wird, um keine elektrische Leistung zu verbrauchen. Wenn eine Anormalität in der Umrichtereinheit 31 auftritt, wird die Gleichrichterschaltung 32 zur Zufuhr von elektrischer Leistung betrieben.
  • Weiterhin treibt, wenn das Brennstoffzellensystem sich in dem Leistungserzeugungsbetrieb befindet, die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d, die auf Befehle aus der Systemsteuerungseinrichtung 40 anspricht, den Gleichspannungswandler 31a und den Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b an, und versetzt die Schalter 30a und 30b in den geschlossenen Zustand. Somit wird die elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle 10 durch den Gleichspannungswandler 31a und dem Gleichspannungswandler 36 für den Bereitschaftszeitbetrieb des Systemsteuerungseinrichtung 40 und den ersten Zubehöreinrichtungen 37 zugeführt und wird durch den Gleichspannungswandler 31a und den Gleichspannungswandler 38 für die Bereitschaftszeit-Stopp-Zubehöreinrichtungen den zweiten Zubehöreinrichtungen 39 zugeführt. Weiterhin wird die elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle 10 durch den Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b den externen Leistungslasten 35 zugeführt. Außerdem verbleibt während dieser Zeit, wie während der Zeit des Startbetriebs, die Gleichrichterschaltung 32 in dem gestoppten Zustand.
  • Weiterhin treibt, wenn das Brennstoffzellensystem sich in dem Stoppbetrieb (Stoppverarbeitung) befindet, falls die mit dem verbleibenden Brennstoff in der Brennstoffzelle 10 erzeugte elektrische Leistung größer als eine durch die Zubehöreinrichtungen verbrauchte Leistung (Leistungsverbrauch durch die Systemsteuerungseinrichtung 40, die ersten und zweiten Zubehöreinrichtungen 37, 39 und dergleichen) ist, die für die Stoppverarbeitung verwendet wird, die Umrichtersteuerungseinrichtung 31, die auf Befehle aus der Systemsteuerungseinrichtung 40 anspricht, den Gleichspannungswandler 31a und dem Umrichter 31 an und versetzt die Schalter 30a und 30b in den geschlossenen Zustand. Somit wird die elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle 10 als die durch die Zubehöreinrichtungen verbrauchte Leistung verwendet, und der Rest der elektrischen Leistung wird den externen Leistungslasten 35 durch den Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b zugeführt.
  • Falls die mit dem restlichen Brennstoff in der Brennstoffzelle 10 erzeugte elektrische Leistung kleiner als die für die Stoppverarbeitung verwendete durch Zubehöreinrichtungen verbrauchte Leistung ist, treibt die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d in Reaktion auf einen Befehl aus der Systemsteuerungseinrichtung 40 den Gleichspannungswandler 31a und den Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b an und versetzt die Schalter 30a und 30b in den geschlossenen Zustand. Somit wird die elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle 10 als die durch Zubehöreinrichtungen verbrauchte Leistung verwendet, und wird die fehlende Leistung aus der Systemenergiequelle 33 durch den Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b zugeführt.
  • Wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 kleiner als eine vorbestimmte elektrische Leistung wird, stoppt die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d in Reaktion auf einen Befehl aus der Systemsteuerungseinrichtung 40 den Antrieb des Gleichspannungswandlers 31a, treibt den Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b an und versetzt die Schalter 30a und 30b jeweils in den geöffneten Zustand und den geschlossenen Zustand. Somit wird die von Zubehöreinrichtungen verbrauchte elektrische Leistung aus der Systemenergiequelle 33 durch den Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter 31b zugeführt.
  • Die Bereitschaftszeit bedeutet der Zustand, dass das Brennstoffzellensystem die Erzeugung elektrische Leistung stoppt (das heißt, den Zustand, dass weder der Startbetrieb, der Leistungserzeugungsbetrieb noch der Stoppbetrieb durchgeführt wird) und bedeutet den Zustand, dass ein Warten auf einen Leistungserzeugungsbefehl (wie ein EIN eines Startschalters) andauert.
  • 4) Abwärmesammelsystem
  • Nachstehend ist ein Abwärmesammelsystem beschrieben. Wie es in 1 gezeigt ist, ist das Abwärmesammelsystem versehen mit einem Reserveheißwassertank 61 zum Speichern von reserviertem Heißwasser (Reserveheißwasser), einem Reserveheißwasserumwälzkreis 62, der unabhängig von einem Kondensierkühlmittelumwälzkreis 65 vorgesehen ist, zum Umwälzen des Reserveheißwassers, einem FC-Kühlwasserumwälzkreis 63, der ein Brennstoffzellen-Wärmemedium-Umwälzkreis zum Umwälzen von FC-Kühlwasser ist, das ein Brennstoffzellenwärmemedium ist, das Wärme mit der Brennstoffzelle 10 tauschen kann, einem ersten Wärmetauscher 64 zur Durchführung eines Wärmetausches zwischen den Reserveheißwasser und dem Brennstoffzellenwärmemedium, dem Kondensierkühlmittelumwälzkreis 65 zum Umwälzen des Kondensierkühlmittels, das eine Flüssigkeit einschließlich des Wassers ist, das zumindest die Abwärme gesammelt hat, die aus der Brennstoffzelle 10 ausgestoßen worden ist, und/oder die Abwärme aufweist, die in dem Reformer 20 erzeugt wird, einem zweiten Wärmetauscher 66 zur Durchführung eines Wärmetauschens zwischen dem Reserveheißwasser und dem Kondensierkühlmittel und einem Kondensator 67.
  • Somit wird die durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 erzeugte Abwärme (thermische Energie) durch das FC-Kühlwasser gesammelt und wird dann durch das Reserveheißwasser durch den ersten Wärmetauscher 64 gesammelt, wodurch das Reserveheißwasser erwärmt wird (in der Temperatur angehoben wird). Weiterhin werden die Abwärme (thermische Energie) der Abgase (Anodenabgas und Katodenabgas), die aus der Brennstoffzelle 10 ausgestoßen werden, und die in dem Reformer 20 erzeugte Abwärme (thermische Energie) durch das Kondensierkühlmittel durch den Kondensator 67 gesammelt und dann durch das Reserveheißwasser durch den zweiten Wärmetauscher 66 gesammelt, wodurch das Reserveheißwasser erwärmt wird (in der Temperatur angehoben wird). Die in dem Reformer 20 erzeugte Abwärme umfasst die Abwärme des reformierten Gases, die Abwärme des Verbrennungsabgases aus dem Brennerabschnitt 25 und die Abwärme (Abwärme des Reformers per se), für die ein Wärmetausch mit dem Reformer 20 durchgeführt wird. ”FC” in der vorliegenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen wird als die Abkürzung für ”Brennstoffzelle” verwendet.
  • Der Reserveheißwassertank 61 ist mit einem säulenartigen Behälter versehen, in dem Heißwasser in einer geschichteten Struktur gespeichert wird, das heißt, in einer derartigen Form, dass die Temperatur an dem oberen Abschnitt am höchsten ist, niedriger wird, wenn die Schichten niedriger werden, und die niedrigste an dem unteren Abschnitt ist. Wasser (Niedrigtemperaturwasser) wie Leitungswasser wird zu der Unterseite des Säulenartigen Behälters des Reserveheißwassertanks 61 nachgefüllt, wohingegen das in dem Reserveheißwassertank 61 gespeicherte Heißwasser auf hoher Temperatur aus der Oberseite des säulenartigen Behälters des Reserveheißwassertanks 61 herausgeführt wird. Der Reserveheißwassertank 61 ist von einer verschlossenen (abgedichteten) Bauart, so dass er von der Bauart ist, dass der Leitungswasserdruck innerhalb und somit an dem Reserveheißwasserumwälzkreis 62 unverändert einwirkt.
  • Ein Ende des Reserveheißwasserumwälzkreises 62 ist mit der Unterseite des Reserveheißwassertanks 61 verbunden, und das andere Ende des Reserveheißwasserumwälzkreises 62 ist mit der Oberseite des Reserveheißwassertanks 61 verbunden. Von dem einen Ende zu dem anderen Ende davon weist der Reserveheißwasserumwälzkreis 62 darauf in dieser Folge angeordnet eine Reserveheißwasserumwälzpumpe 62a, die eine Reserveheißwasserumwälzvorrichtung ist, den Temperatursensor 62b, den zweiten Wärmetauscher 66 und den ersten Wärmetauscher 64 auf.
  • Die Reserveheißwasserumwälzpumpe 62a dient zum Ziehen des Reserveheißwassers an der Unterseite des Reserveheißwassertanks 61, um das Reserveheißwasser zu der Oberseite des Reserveheißwassertanks 61 mittels des Reserveheißwasserumwälzkreises 62 auszustoßen, und ist durch die Systemsteuerungseinrichtung 40 steuerbar, um deren Strömungsmenge (Ausflussvolumen) unter Steuerung zu bringen. Somit fließt das Reserveheißwasser aus dem Reserveheißwassertank 61 durch den zweiten Wärmetauscher 66 und dem ersten Wärmetauscher 64 in dieser Reihenfolge und wird einem Wärmetausch mit dem Kondensierkühlmittel an dem zweiten Wärmetauscher 66 unterzogen und weiter einem Wärmetausch mit dem FC-Kühlwasser an dem ersten Wärmetauscher 64 unterzogen. Der Temperatursensor 62b ist an einem Abschnitt stromabwärts des Teils vorgesehen, der die niedrigste Temperatur an dem Reserveheißwasserumwälzkreis 62 annimmt, um eine Reserveheißwassertankauslasstemperatur T6 des Reserveheißwassers zu erfassen, das durch den Teil fließt. Der stromabwärtige Abschnitt liegt zwischen dem Teil, der die niedrigste Temperatur annimmt, und einem Einlass des zweiten Wärmetauschers 66. Die durch den Temperatursensor 62b gemessener Temperatur des Reserveheißwassers wird zu der Systemsteuerungseinrichtung 40 gesendet.
  • An dem FC-Kühlwasserumwälzkreis 63 sind der Temperatursensor 63c, der erste Wärmetauscher 64, eine FC-Kühlwasserumwälzpumpe 63a, die eine FC-Kühlwasserumwälzvorrichtung ist, und der Temperatursensor 63b in dieser Reihenfolge entlang der Strömung (der durch den Fall in 1 angegebenen Richtung) des FC-Kühlwassers beginnend an der Brennstoffzelle 10 angeordnet. Die FC-Kühlwasserumwälzpumpe 63a dient zum Umwälzen des FC-Kühlwassers in der durch den Fall in 1 angegebenen Richtung und ist durch die Systemsteuerungseinrichtung 40 steuerbar, um dessen Strömungsmenge (Ausflussvolumen) unter Steuerung zu bringen. Somit strömt das FC-Kühlwasser durch die Brennstoffzelle 10, um durch Sammeln der in der Brennstoffzelle 10 erzeugten Wärme in der Temperatur anzusteigen, und fließt, nachdem dessen Temperatur als Ergebnis davon verringert wurde, dass die Wärme durch das Reserveheißwasser an dem ersten Wärmetauscher 64 gesammelt worden ist, erneut durch die Brennstoffzelle 10. Weiterhin ist es, wenn die Temperatur des FC-Kühlwassers während der Zeit des Startbetriebs niedrig ist, demgegenüber möglich, die Temperatur des FC-Kühlwassers und somit der Brennstoffzelle 10 mit der Wärme des Reserveheißwassers zu erhöhen.
  • Die Temperatursensoren 63b und 63c dienen jeweils zur Erfassung einer Einlasstemperatur T7 und einer Auslasstemperatur T8 des FC-Kühlwassers an dem Einlass und dem Auslass der Brennstoffzelle 10, um die Erfassungsergebnisse zu der Systemsteuerungseinrichtung 40 auszugeben.
  • Eine Kondenswasserkühlmittelumwälzpumpe 65a die eine Abwärmesammel-Wärmemediumumwälzvorrichtung ist, ist and dem Kondensierkühlmittelumwälzkreis 65 angeordnet, der ein Abwärmesammel-Wärmemedium-Umwälzkreis ist. Die Kondensierkühlmittelumwälzpumpe 65a dient zum Umwälzen von Kondensierkühlmittel, das ein Abwärmesammelwärmemedium ist, in der Richtung des Pfeils und ist durch die Systemsteuerungseinrichtung 40 steuerbar, um dessen Strömungsmenge (Ausströmungsvolumen) unter Steuerung zu bringen. Weiterhin ist der zweite Wärmetauscher 66 an dem Kondensierkühlmittelumwälzkreis 65 angeordnet. Zusätzlich sind an dem Kondensierkühlmittelumwälzkreis 65 die Kondensierkühlmittelumwälzpumpe 65a, ein Anodenabgaskondensator 67a, ein Verbrennungsgaskondensator 67b, ein Kathodenabgaskondensator 67c, ein Reformiergaskondensator 67d und der Temperatursensor 65b in dieser Reihenfolge an der stromwärtigen Seite des zweiten Wärmetauschers 66 angeordnet. Der Temperatursensor 65b erfasst eine Wärmetauschereinlasstemperatur T9 des Kondensierkühlmittels, um das Erfassungsergebnis zu der Systemsteuerungseinrichtung 48 auszugeben.
  • Der Anodenabgaskondensator 67a, der Verbrennungsgaskondensator 67b, der Kathodenabgaskondensator 67c und der Reformiergaskondensator 67d sind an mittleren Abschnitten der Abgaszufuhrrohrleitung 47, der Verbrennungsgasabgasrohleitung 55, der Kathodenabgasausströmungsrohrleitung 51 und der Reformiergaszufuhrrohrleitung 45 jeweils vorgesehen. Obwohl separat in der Figur dargestellt, bilden diese jeweiligen Kondensatoren 67a bis 67d den Kondensator 67 mit einer Einkörperstruktur, in der diese einstückig verbunden sind. Der Kondensator 67 ist nicht auf die Einkörperstruktur begrenzt, und kann durch zwei oder mehr Strukturen aufgebaut sein.
  • Der Reformiergaskondensator 67d kondensiert den Dampf in dem reformierten Gas, der durch die Rohrleitung zur Zufuhr von reformiertem Gas 45 strömt, um der Brennstoffelektrode 11 der Brennstoffzelle 10 zugeführt zu werden. Der Anodenabgaskondensator 67a kondensiert den Dampf in dem Anodenabgas, der durch die Abgaszufuhrrohrleitung strömt, die eine Verbindung zwischen der Brennstoffelektrode 11 der Brennstoffzelle 10 und dem Brennerabschnitt 25 des Reformers 20 herzustellen, um aus der Brennstoffelektrode 11 zu der Brennstoffzelle 10 ausgestoßen zu werden. Der Kathodenabgaskondensator 67c kondensiert den Dampf in dem Kathodenabgas, der durch die Kathodenabgasausströmungsrohrleitung 51 strömt, um zu der Luftelektrode 12 der Brennstoffzelle 10 ausgestoßen zu werden. Der Verbrennungsgaskondensator 67b kondensiert den Dampf in dem Verbrennungsabgas, das durch die Verbrennungsabgasrohrleitung 55 strömt, um aus dem Reformer 20 ausgestoßen zu werden. In diese Kondensatoren 67a bis 67d führt das Kondensierkühlmittel einen Wärmetausch mit den jeweiligen Gasen durch, die durch die jeweiligen Kondensatoren 67a bis 67d strömen, und steigt in der Temperatur als Ergebnis des Sammelns der fühlbaren Wärmen und latenten Wärmen der jeweiligen Gase an.
  • Diese Kondensatoren 67a bis 67d befinden sich in Kommunikation bzw. Verbindung mit dem Reformierungswassertank 43a durch ein Rohrleitung 56. Der Reformierungswassertank 43a dient zum zeitweiligen Speichern des gesammelten Wassers als Reformierungswasser.
  • Weiterhin ist das Brennstoffzellensystem mit einem Gehäuse 1 versehen. Das Gehäuse enthält darin die Brennstoffzelle 10, den Reformer 20, das Umrichtersystem 30, die Systemsteuerungseinrichtung 40, die ersten und zweiten Zubehöreinrichtungen 37 und 39 sowie das Abwärmesammelsystem 60 (mit Ausnahme des Reserveheißwassertanks 61 und eines Teils des Reserveheißwasserumwälzkreises 62), die alle vorstehend erwähnt worden sind. An einem oberen Abschnitt des Gehäuses 1 ist ein Temperatursensor 71 zur Erfassung der Temperatur T10 des oberen Abschnitts vorgesehen, wobei der Temperatursensor 71 das Erfassungsergebnis zu der Systemsteuerungseinrichtung 40 ausgibt.
  • Auf der Oberseite des Gehäuses 1 ist ein Ausströmungsanschluss 1a zum Ausströmen lassen des Gases in dem Gehäuse 1 vorgesehen. Die zwei Gassensoren 72 und 73 sind an der Innenseite des Abgasanschlusses 1a vorgesehen. Die Gassensoren 72 und 73 dienen zur jeweiligen Erfassung der Dichte von Wasserstoff und der Dichte von Methan (der Dichte des unreformierten Brennstoffes) und geben die Erfassungsergebnisse zu der Systemsteuerungseinrichtung 40 aus. Das Gehäuse 1 ist mit einem Lüfter 1b versehen. Der Lüfter 1b kühlt den Innenraum des Gehäuses 1 durch ventilieren des Gehäuses 1, um die Außenluft darin strömen zu lassen, und wir in Reaktion auf einen Befehl aus der Systemssteuerungseinrichtung 40 angetrieben. Der Lüfter 1b kann den Innenraum des Gehäuses 1 kühlen, in dem die Luft in dem Gehäuse 1 nach außen strömen gelassen wird.
  • Weiterhin ist die Systemsteuerungseinrichtung 40 mit den Temperatursensoren 21c, 23c, 24b, 25a, 26a, 62b, 63b, 63c, 65b und 71, den jeweiligen Drucksensoren 45b und 45c, den jeweiligen Gassensoren 72 und 73, den jeweiligen Pumpen 41b, 43b, 46a, 49a, 52a, 53a, 62a, 63a, und 65a den jeweiligen Ventilen 41a, 41d, 54a, 43c, 46b, 52b, 49b, 51a, 45a, 48a und 47a, dem Brennerabschnitt 25 (Zündelektrode), dem Lüfter 1b und der Umrichtersteuerungseinrichtung 31d verbunden, die alle vorstehend beschrieben worden sind (vergleiche 4). Die Systemsteuerungseinrichtung 40 weist einen (nicht gezeigten) Mikrocomputer auf, der mit einer Eingangs-/Ausgangsschnittstelle, einer CPU, einem RAM und einem ROM (die alle nicht gezeigt sind) versehen ist, die alle durch Busse verbunden sind. Die CPU spricht auf Temperaturen aus den Temperatursensoren 21c, 23c, 24b, 25a, 26a, 62b, 63b, 63c, 65b und 71, der Drücker aus den jeweiligen Drucksensoren 45b und 45c, den Gasdichten aus den jeweiligen Gassensoren 72 und 73 und Informationen an, die aus der Umrichtersteuerungseinrichtung 31d zugeführt werden, und führt den Betrieb des Brennstoffzellensystems durch Ausführung des Antriebs der jeweiligen Pumpen 41b, 43b, 46a, 49a, 52a, 53a, 62a, 63a und 65a des Öffnens/Schließens der jeweiligen Ventile 41a, 41d, 54a, 43c, 46b, 52b, 49b, 51a, 45a, 48a und 47a der Steuerung des Brennerabschnitts 25, des Antriebs des Lüfters 1b und der Steuerung des Umrichtersystems 30 durch. Das RAM dient zur zeitweiligen Speicherung von Variablen, die für Ausführungen von Programmen für einen derartigen Betrieb notwendig sind, und das ROM dient zum Speichern der Programme.
  • 5) Ein Beispiel für den grundsätzlichen Betrieb des Brennstoffzellensystems
  • Nachstehend ist eine Beschreibung in Bezug auf ein Beispiel für den grundsätzlichen Betrieb des vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems gegeben. Die Systemsteuerungseinrichtung 40 beginnt einen Startbetrieb in einem der Fälle, dass der Betrieb bei Betätigung eine (nicht gezeigten) Startschalters gestartet wird, und dass der Betrieb entsprechend einem Betriebsplan gestartet wird. Mit dem Beginn des Startbetriebs wird der Schalter 30b in Reaktion auf einen Befehl aus der Umrichtersteuerungseinrichtung 31d in den geschlossenen Zustand versetzt, und die elektrische Leistung aus der Systemenergiequelle 33 wird dem Umrichtersystem 30 zugeführt. Die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d, die Systemsteuerungseinrichtung 40 und die ersten und zweiten Zubehöreinrichtungen 37 und 39 werden durch die zugeführte elektrische Leistung aus der Systemenergiequelle 33 angetrieben.
  • Die Systemsteuerungseinrichtung 40 führt Verbrennungsluft dem Brennerabschnitt 25 zu und speist die Zündelektrode des Brennabschnitts 25, wie vorstehend beschrieben worden ist. Weiterhin führt die Systemsteuerungseinrichtung 40 Verbrennungsbrennstoff dem Brennerabschnitt 25 zu, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Somit wird der Verbrennungsbrennstoff in eine vorab gemischte Verbrennung an dem Brennerabschnitt 25 gebracht, und das resultierende Verbrennungsgas erwärmt den Reformierabschnitt 21 und den Verdampferabschnitt 26. Dabei verbleiben das Ventil für unreformierten Brennstoff 41d, das Reformierungswasserventil 43c, das Oxidationsluftventil 46b, das erste Ventil für reformierte Gas 45a, das zweite Ventil für reformierte Gas 48a, das Abgasventil 47a und das Brennstoffventil 54a geschlossen.
  • Dann steuert die Systemsteuerungseinrichtung 40 das Reformierungswasserventil 43c und die Reformierungswasserpumpe 43b, um eine vorbestimmte Menge von Wasser dem Verdampferabschnitt 26 zuzuführen, und stoppt dann die Zufuhr zeitweilig. Danach, wenn die Temperatursensoren 26a einen vorbestimmten Wert (beispielsweise 100°C) oder höher angibt, beurteilt die Systemsteuerungseinrichtung 40, dass Dampf erzeugt worden ist. Dann, nach der Bestätigung der Erzeugung von Dampf, öffnet die Systemsteuerungseinrichtung 40 das Reformierungswasserventil 43c und treibt die Reformierungswasserpumpe 43b an, um die Zufuhr von Wasser zu dem Verdampferabschnitt 26 mit einer vorbestimmten Strömungsrate zu beginnen.
  • Danach öffnet die Systemsteuerungseinrichtung 40 das Ventil für unreformierten Brennstoff 41d, und treibt die Pumpe für unreformierten Brennstoff 41b an, um unreformierten Brennstoff den Reformierabschnitt 21 zuzuführen. Weiterhin öffnet die Systemsteuerungseinrichtung 40 dass Oxidationsluftventil 46b und treibt die Oxidationsluftpumpe 46a an, um Oxidationsluft mit einer vorbestimmten Strömungsrate (vorbestimmte Zufuhrmenge) dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 zuzuführen. Somit wird das Gasgemisch aus unreformierten Brennstoff und Dampf dem Reformierabschnitt 21 zugeführt, und in den Reformierabschnitt 21 finden die vorstehend erwähnte Dampfreformierungsreaktion und Kohlenstoffmonoxid-Shift-Reaktion statt, um reformiertes Gas zu erzeugen. Dann wärmt das aus dem Reformierabschnitt 21 heraus geführte reformierte Gas den CO-Shift-Abschnitt 23 (und den CO-Selektivoxidationsabschnitt 24) auf, wird aus den CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 herausgeführt und wird direkt dem Brennerabschnitt 25 durch die Umgehungsrohrleitung 48 ohne Durchlaufen durch die Brennstoffzelle 10 zugeführt, um verbrannt zu werden.
  • Während das reformierte Gas auf diese Weise erzeugt wird, wird das reformierte Gas, das sich auf einer hohen Temperatur befindet, aus dem Reformierabschnitt 21 dem CO-Shift-Abschnitt 23 zugeführt. Die Temperatur des zugeführten reformierten Gases veranlasst, dass die Temperatur in dem CO-Shift-Abschnitt 23 in Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite ansteigt. Wenn die erhöhte Temperatur des stromaufwärtigen Abschnitts die aktive Temperatur des CO-Shift-Abschnitts 23 erreicht, wird ein Temperaturanstieg aufgrund der Erzeugung von Wärme hinzugefügt, die aus der Katalysatorreaktion resultiert. Als Ergebnis steigt die Temperatur des CO-Shift-Abschnitts 23 in Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite davon während der Zeit des Startbetriebs an, und der Bereich, der sich auf einer vorbestimmten Temperatur oder höher befindet, breitet sich von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite hin aus. Eine Heizung zum Erwärmen des reformierten Gases kann an der Einlassseite des CO-Shift-Abschnitts 23 vorgesehen sein, um das Aufwärmen zu beschleunigen, wodurch eine ähnliche Steuerung möglich ist.
  • Wenn weiterhin in einer derartigen Erzeugung des reformierten Gases die Temperatur (T3) des CO-Shift-Abschnitts 23 und/oder die Temperatur (T4) des CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 eine vorbestimmte Temperatur erreicht, das heißt, wenn beurteilt wird, dass die Dichte des Kohlenstoffmonoxids des aus dem CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 herausgeführten reformierten Gases auf eine vorbestimmte Dichte oder tiefer heruntergegangen ist, öffnet die Systemsteuerungseinrichtung 40 das erste Ventil für reformierte Gas 45a sowie das Abgasventil 47a und schließt das zweite Ventil für reformierte Gas 48a, um den CO-Selektivoxidationsabschnitt 24 in Verbindung mit dem Einlass der Brennstoffelektrode 11 der Brennstoffzelle 10 zu bringen, und um den Auslass der Brennstoffelektrode 11 in Verbindung mit dem Brennerabschnitt 25 zu bringen. Somit startet die Brennstoffzelle 10 einen Leistungserzeugungsbetrieb. Beim Starten der Leistungserzeugung wird der Schalter 30a in Reaktion auf einen Befehl aus der Umrichtersteurungseinrichtung 31d in den geschlossenen Zustand versetzt, wodurch die ausgegebene elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle 10 dem Umrichtersystem 30 zugeführt wird.
  • Während des Leistungserzeugungsbetriebs steuert die Systemsteuerungseinrichtung 40 die vorstehend beschriebenen jeweiligen Pumpen 41b, 52a, 46a, 49a und 43b, um unreformierten Brennstoff, Verbrennungsluft, Oxidationsluft, Kathodenluft und Reformierungswasser derart zuzuführen, dass die erzeugte elektrische Leistung mit dem Leistungsverbrauch durch die externen Leistungslasten 35 übereinstimmt, den sie aus der Umrichtersteuerungseinrichtung 31d empfängt. Die Zufuhrmenge von unreformiertem Brennstoff wird auf eine Zufuhrmenge eingestellt, die von einem gewünschten elektrischen Ausgangsstrom abhängt. Die Zufuhrmenge von Verbrennungsluft und die Zufuhrmenge von Reformierungswasser werden Abhängigkeit von der Zufuhrmenge von unreformiertem Brennstoff bestimmt.
  • Wenn in einem derartigen Leistungserzeugungsbetrieb der Betrieb durch Betätigung eines (nicht gezeigten) Stoppschalters zu stoppen ist, oder der Betrieb entsprechend den Betriebsplan zu stoppen ist, führt die Systemsteuerungseinrichtung 40 einen Stopperbetrieb (Stoppverarbeitung) durch.
  • Die Systemsteuerungseinrichtung 40 stoppt den Antrieb der Pumpe für unreformierten Brennstoff 41b, um die Zufuhr von unreformiertem Brennstoff zu stoppen, und schließt das Brennstoffventil 41a und das Ventil für unreformierten Brennstoff 41d. Die Systemsteuerungseinrichtung 40 stoppt den Antrieb der Reformierungswasserpumpe 43b, um die Zufuhr von Reformierungswasser zu stoppen, und schließt das Reformierungswasserventil 43c. Die Systemsteuerungseinrichtung 40 stoppt den Antrieb der Oxidationsluftpumpe 46a, um die Zufuhr von Oxidationsluft zu stoppen, und schließt das Oxidationsluftventil 46b. Die Systemsteuerungseinrichtung 40 stoppt den Antrieb der Verbrennungsluftpumpe 52a, um die Zufuhr von Verbrennungsluft zu stoppen, und schließt das Verbrennungsluftventil 52b. Dann schließt dieses Systemsteuerungseinrichtung 40 das erste Ventil für reformiertes Gas 45a, das Abgasventil 47a und das zweite Ventil für reformiertes Gas 48a. Weiterhin schließt die Systemsteuerungseinrichtung 40 das Brennstoffventil 54a und schließt das Kathodenluftventil 49b und das Kathodenabgasventil 51a. Somit werden der Reformer 20 und die Brennstoffzelle 10 verschlossen.
  • Zu dieser Zeit wird, falls Brennstoffzelle 10 elektrische Leistung mit dem restlichen Brennstoff erzeugt, die elektrische Ausgangsleistung den ersten und zweiten Zubehöreinrichtungen 37, 39 und dergleichen zugeführt. Dann, bei Beendigung der Leistungserzeugung mit dem restlichen Brennstoff versetzt die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d den Schalter 30a in den geöffneten Zustand und behält den Schalter 30b in dem geschlossenen Zustand bei, um die elektrische Leistung aus der Systemenergiequelle 33 den ersten und zweiten Zubehöreinrichtungen 37, 39 und dergleichen zuzuführen. Weiterhin versetzt bei Beendigung des Stoppbetriebs die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d den Schalter 30b in den geöffneten Zustand.
  • Wenn ein derartiger Stoppbetrieb beendet wird, wird das Brennstoffzellensystem in den Bereitschaftszustand (Bereitschaftszeit) gebracht. Die Bereitschaftszeit bedeutet, dass das Brennstoffzellensystem sich in dem Zustand befindet, in dem die Leistungserzeugung gestoppt ist (das heißt, es befindet sich weder in dem Startbetrieb, dem Leistungserzeugungsbetrieb noch in dem Stoppbetrieb), und bedeutet der Zustand, in dem auf einen Leistungserzeugungsbefehl (EIN des Startschalters oder dergleichen) gewartet wird. Das heißt, der Zustand, dass der Stoppbetrieb beendet worden ist, wird beibehalten. Selbst während der Bereitschaftszeit wird die Leistungsversorgungsspannung an die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d, die Systemsteuerungseinrichtung 40 und den ersten Zubehöreinrichtungen 37 angelegt, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
  • 6) Ein Betriebsbeispiel des Brennstoffzellensystems in dem Fall, dass ein Energieausfall der Systemenergiequelle auftritt
  • Nachstehend ist der Betrieb, bei dem ein Energieausfall der Systemenergiequelle in dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem auftritt, unter Bezugnahme auf Flussdiagramme beschrieben, die in 5 bis 8 gezeigt sind.
  • 6-1) Vom Auftreten eines Energieausfalls zu einer Leistungswiederherstellung
  • Die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d beobachtet stets auf der Grundlage der Erfassungsergebnisse aus dem Stromsensor 34a und dem Spannungssensor 34b, ob an der Systemenergiequelle 33 ein Energieausfall aufgetreten ist oder nicht (Schritt 102). Bei Erfassung, dass der Energieausfall der Systemenergiequelle 33 aufgetreten. ist, macht die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d, eine Beurteilung ”JA” in Schritt 102 und empfängt aus der Systemsteuerungseinrichtung 40 Informationen, die angeben, dass der Systembetriebszustand zu der Zeit des Auftretens des Energieausfalls einer des Startbetriebs, des Leistungserzeugungsbetriebs, des Stoppbetriebs und des Bereitschaftszustands ist, um die Informationen zu speichern (Schritt 104).
  • Falls der Leistungserzeugungsbetrieb während des Auftretens des Energieausfalls durchgeführt wird, und falls die Brennstoffzelle 10 sich in dem Zustand befindet, in dem sie in der Lage ist, die Leistungserzeugung fortzusetzen, macht die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d eine Beurteilung ”JA” in den Schritten 106 und 108 und versetzt den Schalter 30b in den geöffneten Zustand, um das Umrichtersystem 30 von der Systemenergiequelle 33 zu blockieren, und versetzt ebenfalls den Schalter 30a in den geschlossenen Zustand, um das Umrichtersystem 30 mit der Brennstoffzelle 10 zu verbinden (Schritt 110). Zusätzlich empfängt dieses Systemsteuerungseinrichtung 40 aus der Umrichtersteuerungseinrichtung 31d Informationen, die angeben, dass der Energieausfall aufgetreten ist, und setzt die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 10 solang wie möglich von der Zeit des Auftretens der Energieausfalls fort. ”Solang wie möglich”, wie es vorstehend beschrieben worden ist, bedeutet, solang wie die Brennstoffzelle 10 auf einer geeigneten Temperatur für die Leistungserzeugung verbleibt. Während dieser Zeit wird ein eigenständiger Betrieb durchgeführt, in dem die erzeugte elektrische Leistung innerhalb des Brennstoffzellensystems verbraucht wird. Die Leistungserzeugung nach der Zeit des Auftretens des Energieausfalls kann nicht für die Zeit, die so lang wie möglich ist, fortgesetzt werden, sondern für eine vorbestimmte Zeitdauer.
  • Wenn die Grenze der möglichen Leistungserzeugung erreicht ist (die vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist), oder wenn der Startbetrieb oder der Stoppbetrieb während der Zeit des Auftretens des Energieausfalls durchgeführt wird, beurteilt das Umrichtersystem 31 in Schritt 106 oder 108 ”NEIN”, wodurch eine Systemabschaltung durchgeführt wird (Schritt 112). Die Systemabschaltung bedeutet, dass die Systemsteuerungseinrichtung 40 den Antrieb der jeweiligen Pumpen stoppt, die zu Steuerung von Fluiden (unreformierten Brennstoff, Reformierungswasser, Kathodenluft und dergleichen) dienen, die dem vorstehend beschriebenen Reformer 20 unter Brennstoffzelle 10 zugefügt werden, und steuert die jeweiligen Ventile in den geschlossenen Zustand, und dass die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d den Schalter 30a in den geöffneten Zustand versetzt wird. Mit der Systemabschaltung steigen die Temperaturen und Drücke in dem Reformer 20 und der Brennstoffzelle 10 abrupt an. Es ist möglich, diesen Zustand durch einen Wiederherstellungsbetrieb zu beseitigen, der nachstehend beschrieben ist.
  • Daraufhin, wenn die Systemenergiequelle 33 von dem Energieausfall wiederhergestellt ist, erfasst die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d die Wiederherstellung der Systemenergiequelle 33 auf der Grundlage der Erfassungssignale aus dem Stromsensor 34a und dem Spannungssensor 34b (beurteilt ”JA” in Schritt 114). Bis die Leistungszufuhr wiederhergestellt ist, wiederholt die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d die Beurteilung von ”NEIN” in Schritt 114. Bei Erfassung der Wiederherstellung der Systemenergiequelle 33 berichtet die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d (oder die Systemsteuerungseinrichtung 40) einen Fehler, der das Auftreten eines Energieausfalls mitteilt, und versetzt das Brennstoffzellensystem in einen Nachenergieausfall-Bereitschaftszustand. Der Nachenergieausfall-Bereitschaftszustand ist derselbe wie der Zustand, in dem das System in einer Abschaltung versetzt worden ist.
  • 6-2) Zustand, der den Betrieb in den Wiederherstellungsbetrieb überprüft
  • Wenn das Brennstoffzellensystem in den Nachenergieausfall-Bereitschaftszustand versetzt worden ist, überprüft die Systemsteuerungseinrichtung 40 den Zustand des Brennstoffzellensystems. Insbesondere führt die Systemsteuerungseinrichtung 40 einen Zustandsüberprüfungsbetrieb entsprechend einem in 6 gezeigten Flussdiagramm aus.
  • Bei Wiederherstellung der elektrischen Leistung wird Antriebsleistung durch die Gleichrichterschaltung 32 dem Umrichterenergieversorgungs-Gleichspannungswandler 31c, der Umrichtersteuerungseinrichtung 31d, der Systemsteuerungseinrichtung 40 und den ersten Zubehöreinrichtungen 37 zugeführt. Der Umrichterenergieversorgungs-Gleichspannungswandler 31c, die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d, die Systemsteuerungseinrichtung 40 und die ersten Zubehöreinrichtungen 37 werden angetrieben, in dem ihnen elektrische Leistungen zugeführt wird.
  • Die Gassensoren 72 und 73 sind in den ersten Zubehöreinrichtungen 37 enthalten, und wenn deren Antrieb durch die Antriebsleistungsversorgung nach der Wiederherstellung der elektrischen Leistung gestartet wird, wartet die Systemsteuerungseinrichtung 40, bis deren Betrieb stabil wird (Schritt 204). Die Gassensoren 72, 73 sind durch eine Hochtemperaturbetriebsbauart und eine Normaltemperaturbetriebsbauart klassifiziert. In einem Sensor der Hochtemperaturbetriebsbauart ist eine Heizung vorgesehen, um den Sensor auf die Betriebstemperatur beizubehalten. In dem Sensor dieser Bauart wird überprüft, dass eine geeignete Temperatur erreicht worden ist, oder es wird überprüft, dass der Sensorausgang stabil geworden ist. In einem Sensor der Normaltemperaturbetriebsart wird überprüft, dass der Sensorausgang stabil geworden ist.
  • Die jeweiligen Temperatursensoren 21c, 26a, 23c, 24b, 25a, 62b, 63b, 63c, 65b und 71 sind ebenfalls in den ersten Zubehöreinrichtungen 37 enthalten, und wenn deren Antrieb durch die Antriebszufuhrleistung nach der Wiederherstellung der elektrischen Leistung gestartet wird, wartet die Systemsteuerungseinrichtung 40, bis der Betrieb der Sensoren stabil geworden ist (Schritt 204). Es wird überprüft, dass der Sensorausgang jedes Temperatursensors stabil geworden ist. Wenn eine Vorrichtung zur Erfassung von Anomalitäten der Sensoren vorgesehen ist, wird das Überprüfen durch Verwendung von derartigen Vorrichtungen ausgeführt, ob diese Gassensoren oder Temperatursensoren sind.
  • Die Systemsteuerungseinrichtung 40 beginnt eine Erfassung der Signale aus den Gassensoren 72 und 73 und der jeweiligen Temperatursensoren (21c und dergleichen) und von Anomalitäten davon (Schritt 206). Dann beurteilt (überprüft) die Systemsteuerungseinrichtung 40 auf der Grundlage der erfassten Signale das Auftreten von Anomalitäten wie Komponentenfehler, Feuer, Gaslecks und dergleichen. Beispielsweise weisen die Komponentenfehler Trennungen und Kurzschlüsse in den Gassensoren 72 und 73 sowie in den jeweiligen Temperatursensoren (21c und dergleichen) auf. Weiterhin kann ein in den Gehäuse 1 gefangenes Feuer durch den Temperatursensor 71 zu erfassende Temperatur (T10) in den Gehäuse 1 und den Temperatursensor 25a zur Erfassung der Außenwandoberflächentemperatur (T5) des Brennerabschnitts 25 erfasst werden. Von Gaslecks, die in dem Gehäuse 1 auftreten, kann ein Leck von reformierten Gas (Wasserstoff) durch den Gassensor 72 erfasst werden, wohingegen ein Leck von Erdgas durch den Gassensor 73 erfasst werden kann. Die Anomalitäten in den Anomalitäterfassungen, die vorstehend beschrieben worden sind, bedeuten den Zustand, dass das Auftreten einer Beschädigung in den Brennstoffzellensystem wahrscheinlich ist, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems erneut gestartet wird.
  • Bei Erfassung des Fehlers oder der Anomalität einer Komponente beurteilt die Systemsteuerungseinrichtung 40 ”JA” in Schritt 208 und versetzt das Brennstoffzellensystem in einen Anomalitätsbereitschaftszustand, um dessen erneuten Start zu unterbinden (Schritt 210). Wenn der erneute Start unterbunden wird, wird dieses dem Anwender mitgeteilt, und wird die Unterbindung des erneuten Starts aufgehoben, nachdem eine geeignete Verarbeitung (Reparatur) ausgeführt worden ist. In Schritt 208 wird beurteilt, ob der Fehler oder eine Anomalität einer Komponente aufgetreten ist. Der Fehler und die Anomalität einer Komponente kann separat erfasst werden, um als ein Betriebsunterbindungsfehler eingestellt zu werden, wobei in diesem Fall nichts als die Beurteilung des Auftretens des Betriebsunterbindungsfehlers notwendig ist.
  • Wenn kein Fehler oder Anomalität einer Komponente erfasst wird, beurteilt die Systemsteuerungseinrichtung 40 in Schritt 208 ”NEIN” und beurteilt (überprüft) das Auftreten von Temperaturanomalitäten (unüblich hohe Temperaturen) der Brennstoffzelle 10, des Reformers 20, des Abwärmesammelsystem 60. Falls die durch einen der jeweiligen Temperatursensoren 21c, 26a, 23c, 24b, 25a, 62b, 63b, 63c, 65b und 71 erfasste Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger kontinuierlich innerhalb eines höheren Temperaturbereichs als ein vorbestimmter normaler Bereich verbleibt, beurteilt die Systemsteuerungseinrichtung 40 das Vorhandensein einer unüblich hohen Temperatur, beurteilt in den Schritten 212 und 214 ”JA” und versetzt das Brennstoffzellensystem in den anomalen Bereitschaftszustand, um den erneuten Start zu unterbinden (Schritt 210). Die kürzeste Zeitdauer der vorbestimmten Zeitdauer ist auf einen derartigen Pegel eingestellt, dass eine Fehlbeurteilung vermieden wird, die aufgrund dessen auftreten: kann, dass zeitweilig eine hohe Temperatur vorhanden ist, wohingegen die maximale Zeitdauer davon auf einen derartigen Pegel eingestellt ist, dass eine Fehlbeurteilung vermieden wird, die auftreten kann, wenn die Temperatur in den Nachenergieausfall-Bereitschaftszustand kurz nach der Systemabschaltung ansteigt.
  • Dann beurteilt, sofern nicht der Fehler oder die Anomalität einer Komponente erfasst wird und sofern nicht eine der von den jeweiligen Temperatursensoren (21c und dergleichen) erfassten Temperaturen eine unüblich hohe Temperatur ist, die für die vorbestimmte Zeitdauer andauert, die Systemsteuerungseinrichtung 40 in den Schritten 208 und 212 ”NEIN” und stellt ein, dass der Zustand des Brennstoffzellensystems überprüft worden ist (Schritt 216).
  • 6-3) Kühlverarbeitung für den Brennerabschnitt in den Wiederherstellungsbetrieb
  • Nachdem der Zustand des Brennstoffzellensystems überprüft worden ist, startet die Systemsteuerungseinrichtung 40 einen substanziellen Wiederherstellungsbetrieb für das Brennstoffzellensystem. In dem Fall, dass das Brennstoffzellensystem bei dem Auftreten des Energieausfalls in der Systemenergiequelle 33 nicht korrekt gestoppt worden ist, wird der Wiederherstellungsbetrieb automatisch derart ausgeführt, dass das Brennstoffzellensystem in einen erneut startbaren Zustand versetzt wird. Der Wiederherstellungsbetrieb umfasst ein Kühlverarbeitung zum Kühlen des Brennerabschnitts 25 und eine Druckregulierverarbeitung zum Regulieren des Drucks in den jeweiligen Innenräumen der Brennstoffzelle 10 und des Reformers 20. Der Wiederherstellungsbetrieb umfasst ebenfalls einen Zustand, der den Betrieb prüft, und eine Kühlverarbeitung für den Brennerabschnitt. Die Kühlverarbeitung wird zunächst ausgeführt, und bei Abschluss davon wird die Druckregulierverarbeitung ausgeführt.
  • Bei Überprüfung des Zustands des Brennstoffzellensystems (bei Beurteilung eines ”JA” in Schritt 302) treibt die Systemsteuerungseinrichtung 40 den Gleichspannungswandler 38 für die Bereitschaftszeit Stoppzubehöreinrichtungen an und beginnt die Zufuhr einer elektrischen Antriebsleistung zu den zweiten Zubehöreinrichtungen 39 (Schritt 304). Somit wird die elektrische Antriebsleistung den zweiten Zubehöreinrichtungen 39 zugeführt.
  • Die zweiten Zubehöreinrichtungen 39 weisen die Drucksensoren 45b, 45c, (nicht gezeigte) Strömungsmesseinrichtungen, die jeweiligen Ventile (41a und dergleichen) und die jeweiligen Pumpen (41b und dergleichen) auf. Die Systemsteuerungseinrichtung 40 startet eine Erfassung der Signale aus den Drucksensoren 45b und 45c und den (nicht gezeigten) Strömungsmesseinrichtungen und eine Erfassung der Anomalitäten bezüglich der Drucksensoren 45b, 45c der (nicht gezeigten) Strömungsmesseinrichtungen, der jeweiligen Ventilen (41a und dergleichen) und der jeweiligen Pumpen (41b und dergleichen). Dann beurteilt (überprüft) die Systemsteuerungseinrichtung 40 das Auftreten eines Fehlers und einer unüblich hohen Temperatur einer Komponente auf der Grundlage der erfassten Signale (Schritt 306). Beispielsweise weisen die Fehler von Komponenten Unterbrechungen und Kurzschlüsse der Drucksensoren 45b, 45c der (nicht gezeigten) Strömungsmesseinrichtungen, der jeweiligen Ventile (41a und dergleichen) und der jeweiligen Pumpen (41b und dergleichen) auf. Bei Erfassung eines Fehlers oder einer Anomalität einer Komponente beurteilt die Systemsteuerungseinrichtung 40 ”JA” in Schritt 307 und bringt das Brennstoffzellensystem in den anomalen Bereitschaftszustand, um dessen erneuten Start zu unterbinden (Schritt 314). In Schritt 307, wie in dem vorstehend beschriebenen Schritt 208, wird das Auftreten einer fehlerhaften Komponente oder einer Anomalitätserfassung beurteilt.
  • Wenn kein Fehler oder keine Anomalität einer Komponente erfasst wird, beurteilt die Systemsteuerungseinrichtung 40 in Schritt 307 ”NEIN” und führt die Kühlverarbeitung für den Brennerabschnitt 25 aus. Insbesondere beurteilt die Systemsteuerungseinrichtung 40, ob die Temperatur des Brennerabschnitts 25 in dem Reformer 20 eine normal zündbare Temperatur (200°C oder niedriger) ist oder nicht (Schritt 308). Dabei ist die Temperatur des Brennerabschnitts 25 die von den Temperatursensor 21c erfasste Temperatur (T1). Der Temperatursensor 21c ist in dem Reformierabschnitt 21 vorgesehen, und in diesem Fall ist der Zweck davon, die Temperatur in der Verbrennungskammer (den Brennerabschnitt 25) zu erfassen. Da die Bereitstellung des Temperatursensors in der Verbrennungskammer ein Problem bezüglich der Haltbarkeit des Sensors an sich aufwirft, ist dieser in der Nähe einer Wand nahe der Verbrennungskammer des Reformierabschnitts 21 vorgesehen. Der Temperatursensor kann in der Verbrennungskammer vorgesehen werden.
  • Falls die Brennerabschnitttemperatur (T1) größer ist als 200°C ist, wird beurteilt, dass nicht nur der Brennerabschnitt 25 sondern der Innenraum des Brennstoffzellensystems eine hohe Temperatur aufweist (was als ”NEIN” in Schritt 308 beurteilt wird), und wird die Kühlverarbeitung ausgeführt. Die Kühlverarbeitung deckt nicht nur das Kühlen des Brennerabschnitts 25 sondern ebenfalls das Kühlen des gesamten Brennstoffzellensystems ab.
  • Als die Kühlverarbeitung wird zumindest eine Kühlverarbeitung entsprechend dem in 8 gezeigten Flussdiagramm ausgeführt. Die Systemsteuerungseinrichtung 40 startet den Antrieb des Lüfters 1b in Schritt 402, um die Temperatur innerhalb des Gehäuses 1 zu verringern. Dann startet die Systemsteuerungseinrichtung 40 den Antrieb der Reserveheißwasserumwälzpumpe 62a, der FC-Kühlwasserumwälzpumpe 63a und der Kondensierkühlmittelumwälzpumpe 65a in Schritt 404. Dabei kann zumindest der Antrieb der Kondensierkühlmittelumwälzpumpe 65a gestartet werden. Weiterhin kann die Kondensierkühlmittelumwälzpumpe 65a zuerst gestartet werden, und können dann die Reserveheißwasserumwälzpumpe 62a und die FC-Kühlwasserumwälzpumpe 63a angetrieben werden.
  • Die Systemsteuerungseinrichtung 40 wartet auf das Verstreichen einer vorbestimmten Zeitdauer (beispielsweise zwei Minuten) (Schritt 406) und startet dann den Antrieb der Verbrennungsluftpumpe 52a (Schritt 408). Zu dieser Zeit wird, da der Brennerabschnitt 25 lediglich mit Verbrennungsluft versorgt worden ist, die aus der Atmosphäre um das Brennstoffzellensystem herum erhalten werden kann, der Brennerabschnitt 25, der eine hohe Temperatur aufweist, mit der Verbrennungsluft gekühlt, die relativ niedrig ist (beispielsweise 20°C). Demgegenüber wird die Verbrennungsluft, deren Temperatur als Ergebnis des Sammelns der Wärme des Brennerabschnitts 25 angestiegen ist, nach außerhalb durch die Verbrennungsgasausströmungsrohrleitung 55 ausströmen gelassen. In dem Verbrennungsgaskondensator 67b, der an der Verbrennungsgasausströmungsrohrleitung 55 vorgesehen ist, wird ein Wärmetausch zwischen der Verbrennungsluft, die eine hohe Temperatur angenommen hat, und dem Kondensierkühlmittel in dem Kondensierkühlmittelumwälzkreis 65 ausgeführt. Jedoch kann, wenn das Kondensierkühlmittel die Bewegung stoppt, ohne dass sie umgewälzt wird (strömen gelassen wird), das Risiko auftreten, dass das Kondensierkühlmittel in dem Verbrennungsgaskondensator 67b derart erwärmt wird, dass der Verbrennungsgaskondensator 67b beschädigt wird. Somit wird, um dieses zu verhindern, bewirkt, dass das Kondensierkühlmittel zum Strömen gebracht wird, bevor die Verbrennungsluft umgewälzt wird. Weiterhin ist es möglich, den Wärmesammelwirkungsgrad hoch zu behalten, da die Abwärme aus dem Brennerabschnitt 25 (des Reformers 20) durch die Verbrennungsluft durch das Kondensierkühlmittel und somit durch das Reserveheißwasser gesammelt werden kann.
  • Das Kondensierkühlmittel ist ein erstes Wärmemedium zum Sammeln der Abwärme des Reformers 20, der Kondensierkühlmittelumwälzkreis 65 ist ein erster Wärmemedium-Umwälzkreis, und die Kondensierkühlmittelumwälzpumpe 65a ist eine erste Wärmemedium-Umwälzeinrichtung zum Umwälzen des ersten Wärmemediums. Weiterhin können das Kühlen durch den Lüfter 1b nach dem Kühlen des Brennerabschnitts 25 mit der Verbrennungsluft gestartet werden.
  • Weiterhin beurteilt in Schritt 312 die Systemsteuerungseinrichtung 40 das Auftreten einer unüblich hohen Temperatur gleichzeitig mit der Durchführung der vorstehend beschriebenen Kühlverarbeitung. Das heißt, ungeachtet der Ausführung der Kühlverarbeitung beurteilt die Systemsteuerungseinrichtung 40 das Auftreten der unüblich hohen Temperatur, falls jede der durch die jeweiligen Temperatursensoren 21c, 26a, 23c, 24b, 25a, 62b, 63b, 63c, 65b und 71 erfassten Temperaturen einen Temperaturbereich erreichen, der höher als der vorbestimmte normale Bereich ist, um in Schritt 312 eine Beurteilung ”JA” zu machen, und unterbindet das erneute Starten des Brennstoffzellensystems, um zu bewirken, das dasselbe aufgrund des anormalen Zustands wartet (Schritt 314).
  • Sofern nicht die unüblich hohe Temperatur beurteilt wird, geht die Systemsteuerungseinrichtung 40 mit der Kühlverarbeitung voran (Schritt 310), und falls die Brennerabschnitttemperatur (T) gleich 200°C oder niedriger wird, beurteilt sie in Schritt 308 ”JA”, wodurch das Programm zu Schritt 316 und den darauf folgenden voranschreitet, um die Druckregulierungsverarbeitung auszuführen.
  • Weiterhin ist die Wirkung der Kühlverarbeitung unter Bezugnahme auf in 9 bis 12 gezeigte Zeitverläufe beschrieben. 9 und 11 zeigen die Übergänge der wandnahen Temperatur (T1) des Reformierabschnitts 21, der Wärmetauschereinlasstemperatur (T9) des Kondensierkühlmittels und der Außenwandoberflächentemperatur (T5) des Brennerabschnitts 25. 10 und 12 zeigen die Übergänge der wandnahen Temperatur (T1) des Reformierabschnitts 21, der Wärmetauschereinlasstemperatur (T9) des Kondensierkühlmittels und der Außenwandoberflächentemperatur (T) des Brennerabschnitts 25' in dem Fall, dass die Kühlverarbeitung nicht durchgeführt wird, da die normale Stoppverarbeitung aufgrund des Auftretens eines Energieausfalls nicht ausgeführt wird.
  • Wie es in 9 gezeigt ist, wird gefunden, dass durch Kühlen des Brennerabschnitts 25 durch den Antrieb der Verbrennungsluftpumpe 52a die wandnahe Temperatur (T1) innerhalb von etwa 40 Minuten nach der Wiederherstellung der elektrischen Leistung die normal zündbare Temperatur (200°C oder niedriger) erreicht. Dem gegenüber werden, falls die Kühlverarbeitung nicht ausgeführt wird, wie es in 10 gezeigt ist, 2 Stunden oder länger nach der Systemabschaltung (der Wiederherstellung elektrischer Leistung) benötigt, damit die wandnahe Temperatur (T1) die normal zündbare Temperatur (200°C oder niedriger) erreicht. Wie daraus hervorgeht, wird gefunden, dass die Zeitdauer zum Erreichen der normal zündbaren Temperatur nach der Wiederherstellung elektrischer Leistung durch die Kühlverarbeitung verkürzt werden kann.
  • Weiterhin wird, wie es in 11 gezeigt ist, die Wärmetauschereinlasstemperatur (T9) des Kondensierkühlmittels im Verlaufe des Temperaturanstiegs durch Kühlen der Reserveheißwasserleitung durch den Antrieb der Reserveheißwasserumwälzpumpe 62a, der FC-Kühlwasserumwälzpumpe 63a und der Kondensierkühlmittelumwälzpumpe 65a verringert. Demgegenüber steigt, wenn die Kühlverarbeitung nicht ausgeführt wird, wie es in 12 gezeigt ist, die Wärmetauschereinlasstemperatur (T9) des Kondensierkühlmittels nach der Systemabschaltung an, erreicht den Spitzenwert (100°C) innerhalb von etwa 15 Minuten und wird auf etwa 60°C innerhalb der nachfolgenden 15 Minuten verringert. Wie daraus hervorgeht, wird gefunden, dass der Temperaturanstieg des Kondensierkühlmittels nach der Systemabschaltung durch das Kühlen der Reserveheißwasserleitung verhindert wird.
  • Weiterhin wird, wie es in 11 gezeigt ist, die Außenwandoberflächentemperatur (T5) des Brennerabschnitts 25 im Verlaufe des Temperaturanstiegs durch Kühlen des Brennerabschnitts 25 durch den Antrieb der Verbrennungsluftpumpe 52a verringert. Dem gegenüber steigt, wenn die Kühlverarbeitung nicht ausgeführt wird, wie es in 12 gezeigt ist, die Außenwandoberflächentemperatur (T5) des Brennerabschnitts 25 nach einer Systemabschaltung an, erreicht die Spitze (90°C) innerhalb etwa der nachfolgenden einen Stunde und verringert sich im weiteren Verlauf. Wie daraus hervorgeht, wird gefunden, dass der Temperaturanstieg des Brennerabschnitts nach der Systemabschaltung durch die Kühlverarbeitung verhindert wird.
  • 6-4) Druckregulatierungsverarbeitung für den Reformer um die Brennstoffzelle in dem Wiederherstellungsbetrieb
  • Wenn die Brennerabschnittstemperatur T5 durch die Kühlverarbeitung die normal zündbare Temperatur wird, führt die Systemssteuerungseinrichtung 40 die Druckregulierungsverarbeitung aus. Die Systemssteuerungseinrichtung 40 beurteilt ”JA” jeweils in den Schritten 316 und 318, falls der Druck (P1) an dem Reformerauslass des reformierten Gases und der Druck (P2) an den Brennstoffzelleneinlass des reformierten Glases, wobei die Temperaturen jeweils durch die Drucksensoren 45b und 45c erfasst werden, innerhalb eines korrekten Bereichs (des Bereichs von –20 kPa bis 8 kPa) liegen, und stoppt ohne Durchführung unnötiger Druckregulierungen den Wiederherstellungsbetrieb und hebt das Angeben des Auftretens des Energieausfalls auf (Schritt 320), wodurch das Brennstoffzellensystem in den Bereitschaftszustand (nicht in den Nachenergieausfall-Bereitschaftszustand, sondern in einen gewöhnlichen Bereitschaftszustand) versetzt wird, um der erneut startbare Zustand zu werden (Schritt 322). Wenn dieser Zustand erreicht ist, wird das erneute Starten die Reaktion auf einen von dem Anwender gegebenen Startbefehl möglich. Dieses erneute Starten kann in einem Automatikbetrieb ausgeführt werden.
  • In diesem Fall bedeutet der gestoppte Wiederherstellungsbetrieb den Betrieb in Bezug auf die Kühlverarbeitung und umfasst den Antrieb der Reserveheißwasserumwälzpumpe 62a, der FC-Kühlwasserumwälzpumpe 63a, der Kondensierkühlmittelumwälzpumpe 65a, der Verbrennungsluftpumpe 52a und des Lüfters 1b.
  • Falls der Druck (P1) des reformierten Gases an dem Reformerauslass und/oder der Druck (P2) des reformierten Gases an den Brennstoffzelleneinlass höher als der korrekte Bereich ist, wird in Schritt 316 ”NEIN” beurteilt, und wird eine Druckreduzierverarbeitung ausgeführt (Schritt 324).
  • Falls der Druck (P1) des reformierten Gases an dem Reformerauslass hoch ist, das heißt, falls der Innendruck (P1) des Reformers 20 hoch ist, da dieser als Ergebnis davon, dass das Ventil für unreformierten Brennstoff 41d, das Reformierungswasserventil 43c, das Oxidationsluftventil 46b, das erste Ventil für reformierte Gas 45a und das zweite Ventil für reformierte Gas 48a in den geschlossenen Zustand gehalten werden, verschlossen ist, wird das zweite Ventil für reformierte Gas 48a in den geöffneten Zustand versetzt. Somit wird der hohe Druck in dem Reformer 20 nach außerhalb durch das zweite Ventil für reformierte Gas 48a und weiter durch den Brennerabschnitt 25 geleitet und wird reduziert (Schritt 324). Dabei wird bevorzugt, dass das zweite Ventil für reformiertes Gas 48a unter eine PWM-Steuerung gesetzt ist, wobei bevorzugt wird, dass der Druck (P1) unter dessen Beobachtung in den korrekten Bereich reguliert wird. Stattdessen kann der Öffnungsgrad gesteuert werden.
  • Weiterhin wird, falls der Druck (P2) des reformierten Gases an dem Brennstoffzelleneinlass hoch ist, das heißt, falls der Innendruck (P2) der Brennstoffzelle 10 (der Brennstoffelektrode 11) aufgrund davon hoch ist, dass sie als Ergebnis davon, dass das Brennstoffventil 54a, das erste Ventil für reformierte Gas 45a und das Abgasventil 47a in den geschlossenen Zustand gehalten werden, verschlossen ist, das Abgasventil 47a in den geöffneten Zustand versetzt. Somit wird der hohe Druck in der Brennstoffzelle 10 (der Brennstoffelektrode 11) durch das Abgasventil 47a und weiter durch den Brennerabschnitt 25 nach außerhalb geführt und wird reduziert (Schritt 324). Dabei wird bevorzugt, dass das Abgasventil 47a unter einer PWM-Steuerung gesetzt ist, wobei bevorzugt wird, dass der Druck (P2) unter dessen Beobachtung auf den korrekten Bereich reguliert wird. Stattdessen kann der Öffnungsgrad gesteuert werden.
  • Falls der Druck (P1) des reformierten Gases an dem Reformerauslass und/oder der Druck (P2) des reformierten Gases an dem Brennstoffzelleneinlass niedriger als der korrekte Bereich ist, wird in Schritt 318 eine Beurteilung ”NEIN” gemacht und wird eine Druckerhöhungsverarbeitung ausgeführt (Schritt 326).
  • Falls der Druck (P1) des reformierten Gases an dem Reformerauslass niedrig ist, (Unterdruck) (falls der Innendruck (P1) des Reformers 20, der verschlossen ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, niedrig ist), werden das Brennstoffventil 41a und das Ventil für unreformierten Brennstoff 41d in den geöffneten Zustand versetzt. Somit wird unreformierter Brennstoff in den Reformer 20, der sich auf einen Unterdruck befindet, strömen gelassen, und wird der Druck erhöht (Schritt 326). Dabei wird bevorzugt, dass das Brennstoffventil 41a in den geöffneten Zustand gehalten wird und dass das Ventil für unreformierten Brennstoff 41d unter einer PWM-Steuerung versetzt wird, wobei der Druck (P1), wie er beobachtet wird, auf den korrekten Bereich reguliert wird. Stattdessen kann der Öffnungsgrad gesteuert werden. In der Druckerhöhungsverarbeitung kann die Pumpe (41b) betätigt werden, um den Druck zu erhöhen.
  • Weiterhin werden, falls der Druck (P2) an dem Brennstoffzelleneinlass des reformierten Gases niedrig ist (falls er ein Unterdruck ist) (falls der Innendruck (P2) der Brennstoffzelle 10, die verschlossen ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, niedrig ist), das Brennstoffventil 41a und das Brennstoffventil 54a in den geöffneten Zustand versetzt. Somit wird unreformierter Brennstoff in die Brennstoffzelle 10, die sich auf einem Unterdruck befindet, strömen gelassen, und wird der Druck erhöht (Schritt 326). Dabei wird bevorzugt, dass das Brennstoffventil 41a in den geöffneten Zustand gehalten wird, und dass das Brennstoffventil 54a unter einer PWM-Steuerung gesetzt wird, wobei der Druck (P2) bei dessen Beobachtung auf den korrekten Bereich reguliert wird. Stattdessen kann der Öffnungsgrad gesteuert werden.
  • Die Systemsteuerungseinrichtung 40 schließt die Ventile, die bis dahin in den geöffneten Zustand gehalten worden sind, falls die Drücke innerhalb des korrekten Bereichs gelangen.
  • Weiterhin ist die Wirkung der Druckregulierungsverarbeitung unter Bezugnahme auf in 13 und 14 gezeigte Zeitverläufe beschrieben. 13 zeigt die Übergänge des Drucks (P1) des reformierten Gases an dem Reformerauslass und des Drucks (P2) des reformierten Gases an dem Brennstoffzelleneinlass. 14 zeigt die Übergänge des Drucks (P1) des reformierten Gases an dem Reformerauslass und des Drucks (P2) des reformierten Gases an dem Brennstoffzelleneinlass in dem Fall, dass die Druckregulierungsverarbeitung nicht durchgeführt wird, da die normale Stoppverarbeitung aufgrund des Auftretens eines Energieausfalls nicht ausgeführt wird.
  • Wie es in 13 gezeigt ist, ist zu der Zeit, wenn die wandnahe Temperatur (T1) die normal zündbare Temperatur (200°C oder niedriger) als Ergebnis davon erreicht, dass der Brennerabschnitt 25 durch den Antrieb der Verbrennungsluftpumpe 52b gekühlt wird, der Reformerdruck P1 16 kPa (> 8 kPa), und ist der Brennstoffzellendruck P2 –27 kPa (< –20 kPa). 9 und 13 (ebenfalls 11) zeigen bezogene Daten (ihre Abszissen sind in Übereinstimmung) und die vertikale Linie, die durch den Pfeil angegeben ist, die die Druckregulierungsverarbeitung darstellt, die in 13 gezeigt ist, ist in Ausrichtung mit der vertikalen Linie, die die Zeit zeigt, wenn T1 in 9 verringert worden ist, wobei T1 200°C geworden ist. Dementsprechend ändert sich der Reformerdruck P1 von 16 kPa auf etwa 0 kPa durch die Druckverringerung, wohingegen sich der Brennstoffzellendruck P2 von –27 kPa auf etwa 0 kPa durch die Aufhebung des Unterdrucks ändert, wodurch jeder Druck auf den korrekten Druckbereich reguliert werden kann. Falls demgegenüber die Druckregulierung nicht durchgeführt wird, wie es in 14 gezeigt ist, wird ein hoher Druckzustand für die Zeitdauer von etwa 30 Minuten nach der Systemabschaltung beibehalten, wobei insbesondere der Reformerdruck P1 einen höheren Druckwert als den normalen Druckbereich angibt. Danach, mit Verringerung der Temperatur in dem System, verringern sich beide Drücke und werden starke Unterdruckzustände unterhalb des normalen Druckbereichs (der negative Druck von P1: ein Druck, der in den Reformer hineingezogen wird, der negative Druck von P2: ein Druck, der in die Stapel gezogen wird). Die Fortsetzung der starken Unterdruckzustände würde Anormalitäten wie einen Fehler jedes Ventils (Anhaften in dem geschlossenen Zustand) verursachen. Wie aus diesen Tatsachen hervorgeht, ist es, da die Kühlverarbeitung zur Unterdrückung eines abrupten Anstiegs der Temperatur in dem System dient, möglich, Anstiege in dem Reformerdruck P1 und dem Brennstoffzellendruck P2 zu unterdrücken, und bei Beendigung der Kühlverarbeitung die Drücke zu der Zeit einer derartigen Beendigung innerhalb des korrekten Bereichs (normalen Druckbereichs) beizubehalten.
  • Dementsprechend kann durch den wie vorstehend aufgebauten Wiederherstellungsbetrieb das Kühlen und die Druckregulierung in dem System nach der Wiederherstellung der elektrischen Leistung ausgeführt werden, da eine Überprüfung für eine Möglichkeit einer normalen Zündung gemacht wird, selbst falls die normale Stoppverarbeitung aufgrund eines Energieausfalls nicht ausgeführt wird. Somit wird es möglich, die Verschlechterung und den Fehler des Systems auf ein Minimum zu steuern, und gleichzeitig die Wartung durch menschliche Arbeit unnötig zu machen. Weiterhin kann, da der Wiederherstellungsbetrieb und das automatische erneute Starten bei der Wiederherstellung elektrischer Leistung nach dem Energieausfall möglich werden, die praktische Verwendung durch den Anwender verbessert werden. Weiterhin ist es ebenfalls möglich, das Brennstoffzellensystem bei Abschluss des Wiederherstellungsbetriebs in den Bereitschaftszustand zu versetzen.
  • Es sei bemerkt, dass die in den Patentansprüchen beschriebene Steuerungseinrichtung durch die vorstehend beschriebene Systemsteuerungseinrichtung 40 und/oder die Umrichtersteuerungseinrichtung 31d gebildet ist.
  • Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, führt die Steuerungseinrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wenn diese nicht in der Lage gewesen ist, das Brennstoffzellensystem zu dem Zeitpunkt einer Anormalität der Systemenergiequelle 33 (zu dem Zeitpunkt eines Energieausfalls) normal zu stoppen, automatisch den Wiederherstellungsbetrieb durch, so dass das Brennstoffzellensystem in den erneut startbaren Zustand versetzt wird, und versetzt das Brennstoffzellensystem in den Bereitschaftszustand bei Abschluss des Wiederherstellungsbetriebs (Flussdiagramme gemäß 5 bis 8). Somit wird, wenn das Brennstoffzellensystem in dem Fall, dass die Systemenergiequelle 33 anormal ist (zu der Zeit eines Energieausfalls), selbst falls ungewöhnlich hohe Temperaturen an vorbestimmten Stellen in dem Brennstoffzellensystem (gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel den jeweiligen Stellen, die durch die jeweiligen Temperatursensoren 21c, 26a, 23c, 24b, 25a, 62b, 63b, 63c, 65b, 71 erfasst werden) andauern oder selbst falls Stellen in einem unkorrekten Druckzustand auftreten, das Brennstoffzellensystem automatisch wiederhergestellt, um in den erneut startbaren Zustand gebracht zu werden, und wird bei Abschluss der Wiederherstellung in den Bereitschaftszustand versetzt (Schritt 32). Somit ist es bei einem darauf folgenden erneuten Start möglich, das Brennstoffzellensystem ohne Notwendigkeit nach Wartung durch einen Menschen erneut zu starten.
  • Im Übrigen wird in dem Brennstoffzellensystem, das in dem vorstehend beschriebenen Patentdokument 1 beschrieben ist, in dem Fall des Auftretens eines Energieausfalls das Brennstoffzellensystem in eine Stoppstufe versetzt und wird durch vorbestimmte Stoppschritte ohne Berücksichtigung von Fluktuationen in den Drücken und Temperaturen in dem Brennstoffzellensystem gestoppt, und als Ergebnis treten unüblich hohe Temperaturen zumindest an vorbestimmten Stellen in dem Brennstoffzellensystem oder Stellen in einem Druckzustand außerhalb eines korrekten Bereichs auf, so dass das System insgesamt dazu neigt, in Leistungsvermögen und Haltbarkeit verschlechtert zu werden, und somit in der Zuverlässigkeit verringert zu werden.
  • Dem gegenüber ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Reformer 20 mit dem Reformierabschnitt 21 zum Reformieren von unreformierten Brennstoff, um reformiertes Brennstoffgas zu erzeugen und dem Brennerabschnitt 25 versehen, dem verbrennbares Gas und Verbrennungsoxidationsgas zum Verbrennen des verbrennbaren Gases mit dem Verbrennungsoxidiergas zugeführt wird, um den Reformierabschnitt mit dem Verbrennungsgas zu erwärmen, und weist der Wiederherstellungsbetrieb die Kühlverarbeitung (Schritt 310) für den Brennerabschnitt 25 und die Wärmemedium-Umwälzkreise (die Umwälzkreise, die aus dem Reserveheißwasserumwälzkreis 62, dem FC-Kühlwasserumwälzkreis 63 und dem Kondensierkühlmittelumwälzkreis 65 aufgebaut sind) und die Druckregulierungsverarbeitung (Schritte 324, 326) für die jeweiligen Innenräume des Reformers 20 und der Brennstoffzelle 10 auf. Mit dieser Konfiguration kann, selbst falls eine unüblich hohe Temperatur an vorbestimmten Stellen in dem Brennstoffzellensystem anhaltend auftritt, oder Stellen in einem unkorrekten Druckzustand in dem Fall auftreten, dass das Brennstoffzellensystem aufgrund des Auftretens eines Energieausfalls in der Systemenergiequelle 33 nicht normal gestoppt worden ist, die Kühlverarbeitung die hohe Temperatur unterdrücken und kann die Druckregulierungsverarbeitung verhindern, dass der Druck unkorrekt wird, so dass das System insgesamt davor bewahrt werden kann, im Leistungsvermögen und Haltbarkeit verschlechtert zu werden, und kann eine hohe Zuverlässigkeit beibehalten werden.
  • Weiterhin wird die Druckregulierungsverarbeitung bei Abschluss der Kühlverarbeitung ausgeführt. Somit kann, da die Druckregulierungen in den Innenräumen des Reformers 20 und der Brennstoffzelle 10 nach Absinken der Temperatur in dem Brennerabschnitt 25 des Reformers ausgeführt werden, jegliche unbeabsichtigte Zündung verhindert werden, selbst wenn die verbrennbaren Gase wie unreformierter Brennstoff und Brennstoffgas in den Innenräumen als Ergebnis der Druckregulierung strömen.
  • Weiterhin ist das Brennstoffzellensystem weiterhin mit dem ersten Wärmemedium-Umwälzkreis (dem Kondensierkühlmittelumwälzkreis) 65, durch den das erste Wärmemedium (Kondensierkühlmittel) zum Sammeln der Abwärme aus dem Reformer 20 umläuft, und der ersten Wärmemedium-Umwälzeinrichtung (der Kondensierkühlmittelumwälzpumpe) 65a zum Umwälzen des ersten Wärmemediums versehen, weist die Abwärme aus dem Reformer 20 ebenfalls die Abwärme des Abgases aus dem Brennerabschnitt 25 auf, und ist die Kühlverarbeitung die Verarbeitung, um Verbrennungsoxidationsgas lediglich in dem Brennerabschnitt 25 nach Starten des Umwälzbetriebs des ersten Wärmemediums durch die erste Wärmemedium-Umwälzeinrichtung strömen zu lassen. Somit kann, da, wenn das erste Wärmemedium die Abwärme des Abgases aus dem Brennerabschnitt 25 in Verbindung mit dem Kühlen des Brennerabschnitts 25 durch das Umwälzen des Verbrennungsoxidationsgases sammelt, die Abwärme des Abgases durch das erste Wärmemedium gesammelt werden, das bereits umgewälzt worden ist, verhindert werden, dass das erste Medium mit der Abwärme des Abgases erhitzt wird, so dass der Wiederherstellungsbetrieb normal durchgeführt werden kann.
  • Weiterhin erfasst die Steuerungseinrichtung während des Wiederherstellungsbetriebs eine Anormalität in dem Brennstoffzellensystem einschließlich zumindest einer von Fehlern der Sensoren (der Gassensoren, der Temperatursensoren und der Drucksensoren, die alle vorstehend beschrieben worden sind), die in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen sind, Austritten von unreformierten Brennstoff, verbrennbarem Gas und Brennstoffgas, einem Feuer in dem Brennstoffzellensystem und einer unüblich hohen Temperatur in dem Brennstoffzellensystem, und unterbindet bei Erfassung der Anormalität den erneuten Start des Brennstoffzellensystems. Somit ist es möglich, das System in den Wiederherstellungsbetrieb normal wiederherzustellen.
  • Weiterhin beurteilt, wenn die Temperatur an einer vorbestimmten Stelle in der Brennstoffzelle auf höher als eine vorbestimmte Temperatur ansteigt, die Steuerungseinrichtung das Auftreten einer unüblich hohen Temperatur, falls der hohe Temperaturzustand für die vorbestimmte Zeitdauer oder länger anhält. Somit ist es möglich, eine fehlerhafte Erfassung in Bezug auf eine unüblich hohe Temperatur während eines normalen Betriebs zu unterdrücken.
  • Weiterhin kann entsprechend dem Flussdiagramm gemäß 15 die Systemsteuerungseinrichtung 40 die Anzahl der Stoppbetriebe, die aufgrund von Energieausfällen der Systemenergiequelle 33 ausgeführt worden sind, und die Anzahl der Wiederherstellungsbetriebe speichern, die aus den Energieausfällen heraus ausgeführt worden sind (Schritt 502), und kann weitere Wiederherstellungsbetriebe aus einem gegenwärtig auftretenden Energieausfall und darauffolgenden Energieausfällen (Schritt 506) unterbinden, falls eine der Zahlen eine vorbestimmte Zahl erreicht (indem in Schritt 504 ”JA” beurteilt wird). Somit können die Ausführungen von weiteren Wiederherstellungsbetrieben und weiteren erneuten Starts, die unvernünftig oder sinnlos sind, unterdrückt werden, so dass es möglich ist, das System normal wiederherzustellen.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist ein Reformer gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet, normal erneut gestartet zu werden, ohne einen Bedarf nach menschlicher Arbeit bei dem Neustartbetrieb nach einem Energieausfall.
  • BESCHREIBUNG DER BEZUGSZEICHEN
    • 10 Brennstoffzelle, 20 Reformer, 21 Reformierabschnitt, 22 Kühlerabschnitt, 23 CO-Shift-Abschnitt, 24 CO-Selektionoxidationsabschnitt, 25 Brennerabschnitt, 26 Verdampferabschnitt, 30 Umrichtersystem, 31 Umrichtereinheit, 31a Gleichspannungswandler, 31b Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Umrichter, 31c Umrichterleistungsversorgungs-Gleichspannungswandler, 31d Umrichtersteuerungseinrichtung (Steuerungseinrichtung), 32 Gleichrichterschaltung, 33 Systemenergiequelle, 35 externe Leistungslast, 37, 39 erste und zweite Zubehöreinrichtungen, 40 Systemsteuerungseinrichtung (Steuerungseinrichtung), 60 Abwärmesammelsystem, 61 Reserveheißwassertank, 62 Reserveheißwasserumwälzkreis, 63 FC-Kühlwasserumwälzkreis, 64 zweiter Wärmetauscher, 65 Kondensierkühlmittelumwälzkreis (erster Wärmemedium-Umwälzkreis), 65a Kondensierkühlmittelumwälzpumpe (erste Wärmemedium-Umwälzeinrichtung), 66 erster Wärmetauscher.

Claims (5)

  1. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (10) zum Zuführen von erzeugter elektrischer Leistung zu externen Leistungslasten (35), die mit einer Systemenergiequelle (33) verbunden sind, einem Reformer (20) zur Zufuhr von Brennstoffgas, das durch Reformieren von unreformierten Brennstoff erzeugt wird, zu der Brennstoffzelle (10), und einer Steuerungseinrichtung (40) zur Steuerung des Betriebs der Brennstoffzelle (10) und des Reformers (20), wobei die Steuerungseinrichtung (40), wenn diese nicht in der Lage gewesen ist, das Brennstoffzellensystem zu einer Zeit, zu der die Systemenergiequelle (33) anormal ist, normal zu stoppen, automatisch einen Wiederherstellungsbetrieb derart ausführt, dass das Brennstoffzellensystem in einen erneut startbaren Zustand gebracht wird, und bei Abschluss des Wiederherstellungsbetriebs (Schritt 320), das Brennstoffzellensystem in einen Bereitschaftszustand versetzt (Schritt 322), dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (20) versehen ist mit einem Reformierabschnitt (21) zum Reformieren von unreformierten Brennstoff zur Erzeugung von Brennstoffgas und einem Brennerabschnitt (25), dem verbrennbares Gas und Verbrennungsoxidationsgas zur Verbrennung des verbrennbaren Gases mit dem Verbrennungsoxidationsgas zugeführt wird, um den Reformierabschnitt (21) mit Verbrennungsgas zu erwärmen, und der Wiederherstellungsbetrieb eine Kühlverarbeitung (Schritt 310; Schritte 402–408) für den Brennerabschnitt (25) und eine Druckregulierungsverarbeitung (Schritte 324 und 326) für jeweilige Innenräume des Reformers (20) und der Brennstoffzelle (10) aufweist, wobei die Druckregulierungsverarbeitung (Schritte 324 und 326) bei Abschluss (JA in Schritt 308) der Kühlverarbeitung (Schritt 310; Schritte 402–408) ausgeführt wird.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem weiterhin mit einem ersten Wärmemedium-Umwälzkreis (65), durch den ein erstes Wärmemedium zur Sammlung von Abwärme des Reformers (20) umläuft, und einer ersten Wärmemedium-Umwälzeinrichtung (65a) zum Umwälzen des ersten Wärmemediums versehen ist, die Abwärme des Reformers (20) ebenfalls eine Abwärme des Abgases aus dem Brennerabschnitt (25) aufweist, und die Kühlverarbeitung (Schritt 310; Schritte 402–408) eine Verarbeitung ist, um das Verbrennungsoxidationsgas nach Start des Umwälzbetriebs des ersten Wärmemediums durch die erste Wärmemedium-Umwälzeinrichtung (65a) lediglich in den Brennerabschnitt (25) strömen zu lassen.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Wiederherstellungsbetriebs die Steuerungseinrichtung (40) eine Anormalität in dem Brennstoffzellensystem erfasst, die einen Fehler von Sensoren (21c, 23c, 24b, 25a, 26a, 62b, 63b, 63c, 65b, 71; 45b, 45c, 72, 73), die in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen sind, Austritte des unreformierten Brennstoffs, verbrennbaren Gases und des Brennstoffgases, ein Feuer in dem Brennstoffzellensystem und/oder eine unüblich hohe Temperatur in dem Brennstoffzellensystem (Schritt 206) aufweist, und bei Erfassung der Anormalität (Schritt 208) den erneuten Start des Brennstoffzellensystems unterbindet (Schritt 210).
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Temperatur an einer vorbestimmten Stelle in dem Brennstoffzellensystem höher als eine vorbestimmte Temperatur steigt, die Steuerungseinrichtung (40) das Auftreten einer unüblich hohen Temperatur beurteilt, falls der Hochtemperaturzustand für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger anhält (Schritte 212 und 214).
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (40) die Anzahl von Stoppbetrieben, die aufgrund von Anormalitäten der Systemenergiequelle ausgeführt worden sind, und die Anzahl von Wiederherstellungsbetrieben, die aufgrund der Anormalitäten ausgeführt worden sind (Schritt 502), speichert und einen Wiederherstellungsbetrieb aus einer gegenwärtig auftretenden Anormalität unterbindet, falls eine der Zahlen eine vorbestimmte Zahl erreicht (Schritt 504).
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