DE112017005847T5

DE112017005847T5 - Brennstoffbatteriesystem und Brennstoffbatteriesystem-Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE112017005847T5
Application number: DE112017005847.3T
Authority: DE
Inventors: Tomonori Miura
Original assignee: Sawafuji Electric Co Ltd
Current assignee: Sawafuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2019-08-01
Also published as: CN109792062A; JP2018081870A; WO2018092478A1; US20190267652A1; DE112017005847T8; JP6789080B2

Abstract

Ein Brennstoffbatteriesystem wird bereitgestellt, das starten kann, ohne eine Energieversorgung von außen zu empfangen. Dieses Brennstoffbatteriesystem (1) ist mit einer Eingabeeinheit (11), die mit einer Wasserstoffquelle (41) verbunden ist, einem Reformer (12), der ein Wasserstoff enthaltendes Gas erzeugt, einem Wasserstoffspeicherbehälter (13), einer Brennstoffbatterie (15), die Leistung unter Verwendung des Wasserstoff enthaltenden Gases erzeugt, und einer Steuereinheit (18) versehen. Die Steuereinheit (18) speichert einen Schwellenwert des Wasserstoff enthaltenden Gases, der für den Start der Brennstoffbatterie (15) erforderlich ist, und steuert die im Wasserstoffspeicherbehälter (13) gespeicherte Menge so, dass sie größer als oder gleich der Menge ist, die für den Start der Brennstoffbatterie (15) erforderlich ist. Beim Starten erzeugt die Brennstoffbatterie (15) ferner Leistung durch Empfangen einer Zufuhr des Wasserstoff enthaltenden Gases, das im Wasserstoffspeicherbehälter (13) gespeichert ist, und führt Leistung zum Reformer (12) von einem ersten Leistungsversorgungsweg (16) zu. Der Reformer (12) startet und der erforderliche Wasserstoff wird erzeugt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffbatteriesysteme (Brennstoffzellensysteme). Insbesondere betrifft die Erfindung ein Brennstoffbatteriesystem, das eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung und eine Brennstoffbatterie umfasst, das in der Lage ist zu starten und den Betrieb fortzusetzen, ohne eine Energieversorgung von außen zu empfangen, wie z. B. während eines Stromausfalls oder einer Naturkatastrophe.
Beschreibung des Standes der Technik
Brennstoffbatterien (Brennstoffzellen) sind bekannt, die Wasserstoff und Sauerstoff als Brennstoff verwenden und Energie durch chemische Reaktionen davon erzeugen. Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffbatterien wie z. B. Feststoffpolymer-Brennstoffbatterien, die eine Ionenaustauschmembran als Elektrolyt verwenden, Phosphorsäure-Brennstoffbatterien, die Phosphorsäure als Elektrolyt verwenden, und Schmelzcarbonat-Brennstoffbatterien, die Lithium- oder Kaliumcarbonat als Elektrolyt verwenden. Von diesen beginnen Feststoffpolymer-Brennstoffbatterien umfangreich in Haushalten übernommen zu werden, da sie bei niedrigen Temperaturen von 100 °C oder weniger arbeiten können und miniaturisiert werden können.
Der als Brennstoff in Brennstoffbatterien verwendete Wasserstoff ist gewöhnlich kostspieliger zu speichern und zu transportieren im Vergleich zu anderen Brennstoffgasen. Aufgrund dessen umfassen viele Brennstoffbatteriesysteme eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung, um Wasserstoff an Ort und Stelle zu erzeugen. Eine bekannte Ausführungsform einer Wasserstofferzeugungsvorrichtung ist ein Reformer, der Wasserstoff durch eine Zersetzungsreaktion unter Verwendung von gasförmigen Formen von Ammoniak, Harnstoff oder Kohlenwasserstoffen als Wasserstoffquelle erzeugt.
Das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffbatteriesystems mit einem Reformer umfasst mindestens zwei Schritte: erstens Starten des Reformers, um Wasserstoff zu erzeugen, und dann Zuführen des erzeugten Wasserstoffs, um die Brennstoffbatterie zu starten und Leistung zu erzeugen. Das Starten des Reformers erfordert eine Energiezufuhr von außen und in den meisten Fällen wurde elektrische Leistung von einer externen elektrischen Leistungsversorgung empfangen. Unter normalen Umständen kann das Brennstoffbatteriesystem mit einer externen elektrischen Leistungsversorgung verbunden werden, um leicht Energie zu empfangen. Wenn jedoch die externe Leistungsversorgung aufgrund eines Stromausfalls, einer Naturkatastrophe oder dergleichen unterbrochen wurde, konnte das Starten des gestoppten Brennstoffbatteriesystems schwierig sein.
Um den Bedarf an einer externen Energieversorgung zu vermeiden, sind Techniken zum Speichern von Energie, die erforderlich ist, um ein Brennstoffbatteriesystem in einer Speicherbatterie zu starten, bekannt. Speicherbatterien mit genügend Kapazität, um einen Reformer zu starten, sind jedoch teuer und daher ein Faktor, der die Kosten des Brennstoffbatteriesystems als Ganzes hochtreibt. Wenn eine Speicherbatterie als Notfallenergiespeichermittel verwendet wird, erschöpft ferner das wiederholte Aufladen und Entladen allmählich die Kapazität der Speicherbatterie, was zu dem Risiko führt, dass die erforderliche elektrische Leistung nach einer bestimmten Verwendungszeit nicht zugeführt werden könnte.
Verschiedene Techniken wurden zum Starten eines Brennstoffbatteriesystems während Stromausfällen oder Naturkatastrophen vorgeschlagen. Das Patentdokument 1 offenbart ein Notfallbrennstoffbatteriesystem, das gestartet werden kann, indem es mit einer Leistungserzeugungsvorrichtung eines Fahrzeugs oder dergleichen verbunden wird. Die Patentdokumente 2 und 3 offenbaren Brennstoffbatteriesysteme mit einem Startenergiespeicher- und -zufuhrmittel wie z. B. Speicherbatterien. Außerdem offenbart das Patentdokument 4 eine Technik zum Sicherstellen, dass die Stoppperiode eines Brennstoffbatteriesystems nicht mit einer Stromausfallperiode überlappt, auf der Basis von Stromausfallinformationen, die im Voraus erhalten werden.
Das Patentdokument 5 offenbart ein Brennstoffbatterie-Leistungserzeugungssystem, das eine Wasserstoffspeichervorrichtung zum Speichern eines Teils des reformierten Gases für Notfälle umfasst, die die Batterieausgabe der Brennstoffbatterie durch Abführen des gespeicherten Wasserstoffs zu einer Brennstoffumschaltzeit aufrechterhalten kann. Die Konfiguration der Wasserstoffspeichervorrichtung des Brennstoffbatteriesystems, das im Patentdokument 5 offenbart ist, hat den Zweck der Kompensation einer vorübergehenden Verzögerung der Reaktion des Reformers zur Brennstoffumschaltzeit und geht keinen vollständigen Stopp und Start des Brennstoffbatteriesystems an.
DOKUMENTE DES STANDES DER TECHNIK
Patentdokumente

Patentdokument 1: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2007-179886
Patentdokument 2: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2012-38559
Patentdokument 3: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2016-143619
Patentdokument 4: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2016-167382
Patentdokument 5: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 1990-56866

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Von der Erfindung zu lösendes Problem
Herkömmliche Brennstoffbatteriesysteme mit Reformern, die mit Energie wie z. B. elektrischer Energie von außen versorgt werden müssen, oder der Reformer konnten nicht gestartet werden und folglich konnte das Brennstoffbatteriesystem nicht gestartet werden.
Dies wurde insofern zu einem Problem, als der autonome Betrieb während Stromausfällen oder Naturkatastrophen nicht möglich war.
Mittel zum Lösen des Problems
Um das vorstehend erwähnte Problem zu überwinden, stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffbatteriesystem bereit, das in der Lage ist zu starten, ohne eine Energieversorgung von außen zu empfangen. Das Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Eingabeeinheit, die mit einer Wasserstoffquelle verbunden ist und ein Wasserstoff enthaltendes Rohmaterial einführt, einen Reformer, der das durch die Eingabeeinheit eingeführte Rohmaterial zersetzt, um ein Wasserstoff enthaltendes Gas zu erzeugen, einen Wasserstoffspeicherbehälter, der das durch den Reformer erzeugte Wasserstoff enthaltende Gas vorübergehend speichert, eine Messeinheit, die eine Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases im Wasserstoffspeicherbehälter misst, eine Brennstoffbatterie, die Leistung unter Verwendung des vom Wasserstoffspeicherbehälter zugeführten Wasserstoff enthaltenden Gases erzeugt, einen ersten Leistungsversorgungsweg, der zumindest einen Teil der durch die Brennstoffbatterie erzeugten Leistung zum Reformer zuführt, einen zweiten Leistungsversorgungsweg, der einen Teil der durch die Brennstoffbatterie erzeugten Leistung zur Außenseite zuführt, und eine Steuereinheit, die Messdaten von der Messeinheit empfängt, um die Menge des durch den Reformer erzeugten Wasserstoff enthaltenden Gases, die Menge des Wasserstoff enthaltenden Gases, das durch den Wasserstoffspeicherbehälter gespeichert wird, und die Menge an Leistung, die durch die Brennstoffbatterie erzeugt wird, zu steuern. Die Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung speichert einen Schwellenwert der Messdaten, der der minimalen Menge des Wasserstoff enthaltenden Gases entspricht, die für den Start der Brennstoffbatterie erforderlich ist, und steuert die Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases im Wasserstoffspeicherbehälter so, dass sie größer als oder gleich der Menge ist, die für den Start der Brennstoffbatterie erforderlich ist, auf der Basis der Ergebnisse eines Vergleichs der Messdaten mit dem Schwellenwert. Dann erzeugt die Brennstoffbatterie beim Start Leistung unter Verwendung des im Wasserstoffspeicherbehälter gespeicherten Wasserstoff enthaltenden Gases und führt Leistung zum Reformer über den ersten Leistungsversorgungsweg zu.
Während des normalen Betriebs führt die Steuereinheit des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung eine Steuerung durch, um sicherzustellen, dass eine Menge des Wasserstoff enthaltenden Gases, die für den Start der Brennstoffbatterie erforderlich ist, immer im Wasserstoffspeicherbehälter gespeichert ist. Wenn das Brennstoffbatteriesystem gestartet wird, wird die Leistungserzeugung durch Zuführen des im Wasserstoffspeicherbehälter gespeicherten Wasserstoff enthaltenden Gases zur Brennstoffbatterie begonnen. Ferner wird die Wasserstofferzeugung durch Zuführen von Leistung, die durch die Brennstoffbatterie erzeugt wird, begonnen, um den Reformer zu starten. Die Brennstoffbatterie kann den durch den Reformer erzeugten Wasserstoff verwenden, um die Erzeugung von Leistung fortzusetzen.
Im Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Ausgangsleistung der Brennstoffbatterie vorzugsweise größer als die durch den Reformer verbrauchte Leistung. Außerdem ist die Betriebstemperatur der Brennstoffbatterie des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise größer als oder gleich der Betriebstemperatur des Reformers.
Im Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Reformer, der Wasserstoff enthaltendes Gas erzeugt, vorzugsweise einen Plasmareaktor zum Zersetzen von Rohmaterial und Umwandeln desselben in Plasma, wobei der Plasmareaktor einen Rohmaterialzufuhrkanal und einen Wasserstoffauslasskanal, eine Leistungsversorgung für die Plasmaerzeugung, die mit dem ersten Leistungsversorgungsweg verbunden ist, und eine Wasserstofftrenneinheit, die die Wasserstoffauslasskanalseite des Plasmareaktors abgrenzt, aufweist. Die Wasserstofftrenneinheit des Reformers ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Wasserstoff vom Rohmaterial abtrennt, das im Plasmareaktor in Plasma umgewandelt wird, und den Wasserstoff zur Wasserstoffauslasskanalseite überführt.
Ferner ist die Wasserstofftrenneinheit des Reformers gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Wasserstofftrennmembran, die mit der Leistungsversorgung für die Plasmaerzeugung verbunden ist. Die Wasserstofftrennmembran ist dadurch gekennzeichnet, dass sie als Hochspannungselektrode funktioniert, indem sie mit Leistung versorgt wird, und Elektrizität zwischen der Wasserstofftrennmembran und einer Erdungselektrode entlädt, um das Rohmaterial in Plasma umzuwandeln.
Das Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ferner ein Steuerventil an einem Wasserstoffzufuhrseitenauslass des Wasserstoffspeicherbehälters, dessen Öffnungsgrad vorzugsweise durch die Steuereinheit gesteuert wird. Die Steuereinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass sie die Menge an Wasserstoff enthaltendem Gas, das im Wasserstoffspeicherbehälter gespeichert wird, durch Steuern des Öffnungsgrades steuert.
Das Wasserstoff enthaltende Rohmaterial ist vorzugsweise Ammoniak oder Harnstoff. Unter Verwendung von Ammoniak oder Harnstoff als Rohmaterial kann die Anhaftung von Kohlenstoff an der Wasserstofftrennmembran des Reformers im Vergleich dazu verhindert werden, wenn ein Kohlenwasserstoffgas als Wasserstoffquelle verwendet wird, was es möglich macht, eine Verschlechterung der Wasserstofftrennmembran zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Betriebsverfahren eines Brennstoffbatteriesystems bereit. Das Betriebsverfahren des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf ein Brennstoffbatteriesystem mit einer Eingabeeinheit, die mit einer Wasserstoffquelle verbunden ist und ein Wasserstoff enthaltendes Rohmaterial von der Wasserstoffquelle einführt, einem Reformer, der das durch die Eingabeeinheit eingeführte Rohmaterial zersetzt, um ein Wasserstoff enthaltendes Gas zu erzeugen, einem Wasserstoffspeicherbehälter, der das durch den Reformer erzeugte Wasserstoff enthaltende Gas vorübergehend speichert, einer Messeinheit, die eine Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases im Wasserstoffspeicherbehälter misst, einer Brennstoffbatterie, die Leistung unter Verwendung des Wasserstoff enthaltenden Gases, das vom Wasserstoffspeicherbehälter zugeführt wird, erzeugt, einem ersten Leistungsversorgungsweg, der zumindest einen Teil der durch die Brennstoffbatterie erzeugten Leistung zum Reformer zuführt, einem zweiten Leistungsversorgungsweg, der einen Teil der durch die Brennstoffbatterie erzeugten Leistung zur Außenseite zuführt, und einer Steuereinheit angewendet. Die Steuereinheit des Brennstoffbatteriesystems empfängt Messdaten von der Messeinheit, um die Menge des durch den Reformer erzeugten Wasserstoff enthaltenden Gases, die Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases im Wasserstoffspeicherbehälter und die Menge an Leistung, die durch die Brennstoffbatterie erzeugt wird, zu steuern. Die Steuereinheit speichert einen Schwellenwert der Messdaten, der der minimalen Menge des Wasserstoff enthaltenden Gases entspricht, die für den Start der Brennstoffbatterie erforderlich ist. Durch Vergleichen und Beurteilen der Messdaten, die von der Messeinheit eingegeben werden, und des gespeicherten Schwellenwerts führt die Steuereinheit eine Rückkopplungssteuerung der Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases im Wasserstoffspeicherbehälter durch, so dass sie größer als oder gleich der Menge ist, die für den Start der Brennstoffbatterie erforderlich ist. Das Betriebsverfahren des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt, in dem die Steuereinheit, die einen Startbefehl empfangen hat, Wasserstoff enthaltendes Gas vom Wasserstoffspeicherbehälter zur Brennstoffbatterie zuführt, einen Schritt, in dem die Brennstoffbatterie die Erzeugung von Leistung unter Verwendung des zugeführten Wasserstoff enthaltenden Gases startet, einen Schritt, in dem die durch die Brennstoffbatterie erzeugte Leistung zum Reformer zugeführt wird, einen Schritt, in dem der Reformer Wasserstoff durch Zersetzen des Rohmaterials und Umwandeln desselben in Plasma erzeugt, und einen Schritt, in dem das erzeugte Wasserstoff enthaltende Gas zur Brennstoffbatterie zugeführt wird, um die Erzeugung von Leistung fortzusetzen, umfasst.
Effekte der Erfindung
Das Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, autonom zu starten und die Leistungserzeugung zu starten, ohne eine Energieversorgung wie z. B. elektrische Energie von außen zu empfangen. Überdies ist das Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage, ohne den Bedarf an einer Speicherbatterie oder dergleichen für den Start autonom zu starten und die Leistungserzeugung zu starten.
Da die Ausgangsleistung der Brennstoffbatterie des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung größer ist als die durch den Reformer verbrauchte Leistung, kann eine ausreichende Menge an Wasserstoff enthaltendem Gas für die Leistungserzeugung unter Verwendung nur der durch die Brennstoffbatterie zugeführten Leistung erzeugt werden. Folglich kann eine ausreichende Menge an Wasserstoff zur Brennstoffbatterie zugeführt werden, was einen stabilen Betrieb der Brennstoffbatterie und eine fortgesetzte Leistungserzeugung ermöglicht. Mit anderen Worten, das Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist zum autonomen Betrieb zusätzlich zum autonomen Start in der Lage.
Da die Betriebstemperatur der Brennstoffbatterie des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung größer als oder gleich der Betriebstemperatur des Reformers ist, ist ein Kühlmittel für das Wasserstoff enthaltende Gas, das vom Reformer zugeführt wird, nicht erforderlich. Dies ermöglicht eine einfachere Konstruktion des Brennstoffbatteriesystems als Ganzes und ermöglicht einen verringerten Leistungsverbrauch. Es ermöglicht auch, dass das System in einem breiteren Bereich von Orten installiert wird.
Durch Bilden des Reformers des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem Plasmareaktor, einer Leistungsversorgung für die Plasmaerzeugung und einer Wasserstofftrenneinheit ist es möglich, eine elektrische Entladung zwischen der Wasserstofftrennmembran und einer Erdungselektrode unter Raumtemperatur- und Atmosphärendruckbedingungen zu bewirken, um das Wasserstoff enthaltende Rohmaterial in Plasma umzuwandeln und dadurch ein Wasserstoff enthaltendes Gas zu erzeugen. Da der Reformer gemäß der vorliegenden Erfindung ein Plasmareformer ist, der bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck arbeitet, besteht kein Bedarf an einem Heizmittel wie bei anderen Arten von Reformern, was eine einfachere Konstruktion des Systems als Ganzes ermöglicht und einen Betrieb unter Verwendung von weniger Energie ermöglicht.
Da das Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Feststoffpolymer-Brennstoffbatterie mit einer Betriebstemperatur von 100 °C oder weniger anwendet, kann Leistung unter Verwendung von Wasserstoff mit Raumtemperatur erzeugt werden, der vom Reformer zugeführt wird, wobei somit der thermische Entwurf des Brennstoffbatteriesystems als Ganzes vereinfacht wird. Ohne den Bedarf an einem Heizmittel für den Reformer oder einem Kühlmittel für den Wasserstoffspeicherbehälter kann das Brennstoffbatteriesystem als Ganzes eine einfachere Konstruktion aufweisen und der Leistungsverbrauch kann verringert werden. Folglich kann das Brennstoffbatteriesystem preiswerter und kleiner gemacht werden.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration des Brennstoffbatteriesystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegendem Erfindung zeigt.
2 ist ein Ablaufplan, der die Startsequenz des Brennstoffbatteriesystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Ablaufplan, der die Stoppsequenz des Brennstoffbatteriesystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine schematische Ansicht des vertikalen Querschnitts des Reformers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Leistungsverbrauch und der Wasserstofferzeugungsmenge des Reformers gemäß den Beispielen zeigt.
6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Wasserstoffzufuhrrate und der Leistungserzeugungsrate der Brennstoffbatterie gemäß den Beispielen zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend befindet sich eine aufgegliederte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

(1) „Autonomer Start“ des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass der Reformer und die Brennstoffbatterie gestartet werden können, ohne elektrische Energie oder eine äquivalente Energieversorgung von außen zu empfangen, woraufhin die Leistungserzeugung gestartet werden kann und Energie zu einer externen Last zugeführt werden kann.
(2) Die „Wasserstoffquelle“ bezieht sich auf ein Mittel zum Speichern eines Wasserstoff enthaltenden Rohmaterials und Zuführen dieser Substanz als Rohmaterial zum Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Insbesondere bezieht sie sich auf einen Speicherbehälter für ein Wasserstoff enthaltendes Rohmaterial oder ein Zufuhrrohr in Verbindung mit diesem Speicherbehälter. Die gespeicherte oder durch die Wasserstoffquelle zugeführte Substanz ist Ammoniak, Harnstoff oder ein Kohlenwasserstoffgas wie z. B. Methan oder dergleichen.
(3) Der „Reformer“ bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wasserstoff unter Verwendung einer Wasserstoff enthaltenden Substanz als Rohmaterial. Der Reformer gemäß der am meisten bevorzugten Ausführungsform ist ein Plasmareformer, der einen Plasmareaktor, eine Leistungsversorgung für die Plasmaerzeugung, eine Wasserstofftrenneinheit, die als Hochspannungselektrode funktioniert, und eine Erdungselektrode umfasst, wobei der Reformer die Wasserstoff enthaltende Substanz durch Bewirken einer elektrischen Entladung zwischen den Elektroden in Plasma umwandelt, und ermöglicht, dass nur Wasserstoff durch die Wasserstofftrenneinheit hindurchgeht.
(4) Als Reformer, der zu einem Plasmareformer äquivalent ist, können ein Reformer, der die Wasserstoff enthaltende Substanz unter Verwendung eines Katalysators zersetzt, um Wasserstoff zu extrahieren, und ein Reformer, der eine Plasmareaktion mit einer Katalysatorreaktion kombiniert, angewendet werden.
(5) Aufgrund der Wasserstofftrennmembran weist das Wasserstoff enthaltende Gas, das durch den Plasmareformer erzeugt wird, eine Wasserstoffkonzentration von 99,9 % oder höher auf.
(6) Während des normalen Betriebs führt die Steuereinheit die folgende Steuerung durch:
- - Steuert die Menge an Wasserstoff enthaltendem Rohmaterial, das in die Eingabeeinheit von der Wasserstoffquelle eingeführt wird.
- - Speichert den Schwellenwert der Speichermenge des Wasserstoffspeicherbehälters, der einer minimalen Menge des Wasserstoff enthaltenden Gases entspricht, die für den Start der Brennstoffbatterie erforderlich ist. Überwacht und steuert Messdaten, die durch die Messeinheit ausgegeben werden, vergleicht die Speichermenge des Wasserstoffspeicherbehälters auf der Basis der Messdaten mit dem gespeicherten Schwellenwert und verwendet die Ergebnisse des Vergleichs, um eine Rückkopplungsteuerung der Menge des durch den Reformer erzeugten Wasserstoff enthaltenden Gases durchzuführen. Durch Steuern der Menge des durch den Reformer erzeugten Wasserstoff enthaltenden Gases reguliert die Steuereinheit die Menge an Wasserstoff enthaltendem Gas, das im Wasserstoffspeicherbehälter gespeichert wird.
- - Steuert ein Sauerstoffzufuhrmittel, um eine Menge an Sauerstoff zu steuern, der zur Brennstoffbatterie zugeführt wird.
- - Steuert den Öffnungsgrad des Steuerventils, das mit dem Wasserstoffspeicherbehälter verbunden ist, um dadurch die Menge an Leistung zu steuern, die durch die Brennstoffbatterie erzeugt wird.
- - Überwacht die Menge an Leistung, die durch die Brennstoffbatterie erzeugt wird, um die Menge an Leistung, die zum Reformer zugeführt wird, zu steuern.
(7) Wenn die Steuereinheit eine Anomalie detektiert, wie z. B. einen Stromausfall oder eine Naturkatastrophe, und einen Stoppbefehl von außen empfangen hat, prüft die Steuereinheit die Speichermenge des Wasserstoffspeicherbehälters und stoppt die Lei stungserzeugung.
(8) Wenn die Steuereinheit einen Startbefehl von außen empfangen hat und eine vorgeplante Zeit erreicht ist, führt sie die Startsequenz des Brennstoffbatteriesystems aus.
(9) Ein Druckmesser, der den Druck des Wasserstoffspeicherbehälters misst, kann als Messeinheit angewendet werden. Alternativ kann ein Gewichtssensor, der das Gewicht des im Wasserstoffspeicherbehälter gespeicherten Gases misst, verwendet werden.
(10) Die Brennstoffbatterie, die am meisten bevorzugt im Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist eine Feststoffpolymer-Brennstoffbatterie. Andere Typen von Brennstoffbatterien können auch verwendet werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Brennstoffbatteriesystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Das Brennstoffbatteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung und das Betriebsverfahren des Systems werden nun mit Bezug auf 1 bis 4 beschrieben. Das Brennstoffbatteriesystem 1 (Brennstoffzellensystem 1), das in 1 gezeigt ist, umfasst eine Eingabeeinheit 11, einen Reformer 12, einen Wasserstoffspeicherbehälter 13, eine Messeinheit 14, eine Brennstoffbatterie 15 (Brennstoffzelle 15) und eine Steuereinheit 18. Die Auslassseite des Wasserstoffspeicherbehälters 13 ist mit einem Steuerventil 19 versehen. Die Steuereinheit 18 ist jeweils in Verbindung mit der Eingabeeinheit 11, dem Reformer 12, der Messeinheit 14, der Brennstoffbatterie 15, einem Sauerstoffzufuhrmittel 43 und dem Steuerventil 19 verbunden. Die Brennstoffbatterie 15 ist mit einem ersten Leistungsversorgungsweg 16, der zumindest einen Teil der erzeugten Leistung zum Reformer zuführt, und mit einem zweiten Leistungsversorgungsweg 17, der Leistung zu einer externen Last 42 zuführt, verbunden.
Die Eingabeeinheit 11 ist mit einer Wasserstoffquelle 41 verbunden, die ein Wasserstoff enthaltendes Rohmaterial speichert und zuführt und Rohmaterial, das von der Wasserstoffquelle 41 empfangen wird, zum Reformer 12 über einen Rohmaterialeinlassweg 29 einführt. Die Eingabeeinheit 11 besteht vorzugsweise aus einem Solenoidventil. Die Steuereinheit 18 steuert den Öffnungsgrad der Eingabeeinheit 11, um die Menge an eingeführtem Rohmaterial zu steuern, und steuert dadurch die Menge an Wasserstoff enthaltendem Gas, das durch den Reformer 12 erzeugt wird.
Der Reformer 12 zersetzt eine vorbestimmte Menge an Rohmaterial, das über den Rohmaterialeinlassweg 29 eingeführt wird, um ein Wasserstoff enthaltendes Gas zu erzeugen. Das erzeugte Wasserstoff enthaltende Gas wird vorübergehend im Wasserstoffspeicherbehälter 13 über einen Wasserstoffzufuhrweg 21 gespeichert. Die Messeinheit 14 ist mit dem Wasserstoffspeicherbehälter 13 verbunden und misst die Menge des Wasserstoff enthaltenden Gases, das im Wasserstoffspeicherbehälter 13 gespeichert ist. Die Messeinheit 14 ist vorzugsweise ein Druckmesser, der den Druck innerhalb des Wasserstoffspeicherbehälters 13 misst. Der gemessene Wert des gemessenen Drucks wird in die Steuereinheit 18 eingegeben. Die Steuereinheit 18 speichert einen Schwellenwert der Speichermenge des Wasserstoffspeicherbehälters 13, der der minimalen Menge des Wasserstoff enthaltenden Gases entspricht, die für den Start der Brennstoffbatterie 15 erforderlich ist (nachstehend als „Startwasserstoffmenge“ bezeichnet), und überwacht und steuert die Speichermenge. In einem Fall, in dem die Messeinheit 14 ein Druckmesser ist und die ausgegebenen Messdaten ein Druckwert sind, ist der durch die Steuereinheit 18 gespeicherte Schwellenwert auch ein Druckwert.
Das Steuerventil 19 ist auf der Auslassseite des Wasserstoffspeicherbehälters 13 angeordnet. Das Steuerventil 19 besteht vorzugsweise aus einem Solenoidventil. Die Steuereinheit 18 steuert den Öffnungsgrad des Steuerventils 19, um die Speichermenge des Wasserstoffspeicherbehälters 13 und die Menge des zur Brennstoffbatterie 15 zugeführten Wasserstoff enthaltenden Gases zu steuern.
Die Brennstoffbatterie 15 verwendet Wasserstoff enthaltendes Gas, das vom Wasserstoffspeicherbehälter 13 zugeführt wird, und Sauerstoff in Luft, die vom Sauerstoffzufuhrmittel 43 zugeführt wird, um Leistung zu erzeugen. Die Brennstoffbatterie 15 ist vorzugsweise eine Feststoffpolymer-Brennstoffbatterie mit einer Betriebstemperatur von 100 °C oder weniger. Die durch die Brennstoffbatterie ausgegebene Leistung wird zum ersten Leistungsversorgungsweg 16 und zum zweiten Leistungsversorgungsweg 17 verteilt und zugeführt. Die Steuereinheit 18 überwacht die Menge an Leistung, die durch die Brennstoffbatterie 15 erzeugt wird, und stellt eine erforderliche Menge an erzeugter Leistung sicher. Dazu steuert die Steuereinheit 18 den Öffnungsgrad des Steuerventils 19 und die Menge an Sauerstoff, der vom Sauerstoffzufuhrmittel 43 zugeführt wird. Das Sauerstoffzufuhrmittel 43 ist vorzugsweise ein gewöhnliches Gebläse.
Während des normalen Betriebs führt die Steuereinheit 18 zusätzlich zum Durchführen der Steuerung zum Erreichen einer erforderlichen Menge an erzeugter Leistung konstant eine Steuerung durch, um eine minimale Menge an Wasserstoff enthaltendem Gas, die für den Start der Brennstoffbatterie 15 erforderlich ist, im Wasserstoffspeicherbehälter 13 zu speichern. Beim Empfangen von Messdaten von der Messeinheit 14 vergleicht die Steuereinheit 18 die Messdaten mit dem gespeicherten Schwellenwert. Wenn auf der Basis der Ergebnisse des Vergleichs bestimmt wird, dass das gespeicherte Wasserstoff enthaltende Gas unter der Startwasserstoffmenge liegt, führt die Steuereinheit 18 eine Rückkopplungssteuerung durch, um die Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases zu erhöhen. Insbesondere steuert die Steuereinheit 18 die Eingabeeinheit 11, um die Menge an Rohmaterial zu erhöhen, die zum Reformer 12 zugeführt wird, und führt eine Steuerung durch, um die von der Brennstoffbatterie 15 zum Reformer 12 zugeführte Leistung zu erhöhen, um die Menge an Wasserstoff enthaltendem Gas, das durch den Reformer 12 erzeugt wird, prompt zu erhöhen, so dass die Speichermenge des Wasserstoffspeicherbehälters 13 größer als oder gleich der Startwasserstoffmenge wird.
Das Stoppverfahren des Brennstoffbatteriesystems 1 wird nun mit Bezug auf 3 beschrieben. Die Reihe von Schritten zum Stoppen des Brennstoffbatteriesystems 1 wird vollständig durch die Steuerung der Steuereinheit 18 durchgeführt. Wenn das Brennstoffbatteriesystem 1 die Zufuhr von Leistung zur externen Last 42 über den zweiten Leistungsversorgungsweg 17 stoppt (Schritt S21), prüft die Steuereinheit 18 die Messdaten der Messeinheit 14 und bestätigt, dass die Startwasserstoffmenge im Wasserstoffspeicherbehälter 13 gespeichert ist (Schritt S22). Nach der Bestätigung schließt die Steuereinheit 18 die Eingabeeinheit 11 (Schritt S23) und stoppt den Reformer 12 (Schritt S24). Wenn die Steuereinheit 18 bestätigt hat, dass die Wasserstofferzeugung vollständig gestoppt hat (Schritt S25), schließt sie das Steuerventil 19 und schließt den Wasserstoffspeicherbehälter 13 (Schritt S26). Dies stoppt die Zufuhr von Wasserstoff zur Brennstoffbatterie 15. Als nächstes stoppt die Steuereinheit 18 das Sauerstoffzufuhrmittel 43, um die Sauerstoffzufuhr zur Brennstoffbatterie 15 zu stoppen (Schritt S27). Schließlich stoppt die Steuereinheit 18 den Betrieb der Brennstoffbatterie 15 (Schritt S28). Durch diese Schritte wird das Brennstoffbatteriesystem 1 vollständig gestoppt, wobei die Startwasserstoffmenge im Wasserstoffspeicherbehälter 13 gespeichert ist.
Das Startverfahren des Brennstoffbatteriesystems 1, wobei die Startwasserstoffmenge im Wasserstoffspeicherbehälter 13 gespeichert ist, wird nun mit Bezug auf 2 beschrieben. Der Start wird durch die Steuerung der Steuereinheit 18 durchgeführt. Die Steuereinheit 18 prüft die Menge an Wasserstoff, die im Wasserstoffspeicherbehälter 13 gespeichert ist (Schritt S1), öffnet das Steuerventil 19 (Schritt S2) und führt Wasserstoff vom Wasserstoffspeicherbehälter 13 zur Brennstoffbatterie 15 zu (Schritt S3). Die Steuereinheit 18 führt Sauerstoff vom Sauerstoffzufuhrmittel 43 zur Brennstoffbatterie 15 zu (Schritt S4) und startet die Brennstoffbatterie 15 (Schritt S5). Dies leitet die Leistungserzeugung ein. Beim Start der Leistungserzeugung führt die Steuereinheit 18 die ganze erzeugte Leistung zum Reformer 12 über den ersten Leistungsversorgungsweg 16 zu (Schritt S6). Die Steuereinheit 18 öffnet dann die Eingabeeinheit 11 und führt Rohmaterial in den Reformer 12 ein (Schritt S7). Der Reformer 12 startet, wobei die Wasserstofferzeugung eingeleitet wird (Schritt S8). Die Steuereinheit 18 prüft die Messdaten der Messeinheit 14 erneut und prüft, ob eine Menge des Wasserstoff enthaltenden Gases, die größer als oder gleich der Startwasserstoffmenge ist, im Wasserstoffspeicherbehälter 13 gespeichert ist (Schritt S9). Wenn die Speichermenge sichergestellt ist, ist das Ergebnis von Schritt S9 JA und die Steuereinheit 18 leitet den normalen Betrieb ein und steuert die Menge an erzeugter Leistung (Schritt S10). Die Steuereinheit 18 leitet dann die Zufuhr von Leistung zur externen Last 42 über den zweiten Leistungsversorgungsweg ein (Schritt S11).
Wenn das in 3 dargestellte normale Stoppverfahren durchgeführt wird, wird eine Menge an Wasserstoff, die größer als oder gleich der Startwasserstoffmenge ist, immer im Wasserstoffspeicherbehälter 13 des Brennstoffbatteriesystems 1 gespeichert. Nur wenn ein vollständig neu installiertes Brennstoffbatteriesystem 1 gestartet wird, kann die Brennstoffbatterie 15 durch Einführen einer Menge an Wasserstoff enthaltendem Gas, die für den Start der Brennstoffbatterie 15 erforderlich ist, in den Wasserstoffspeicherbehälter 13 gestartet werden.
Der Reformer 12, der vorzugsweise bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, wird nun mit Bezug auf 4 beschrieben. Der Reformer 12 ist ein Plasmareformer, der einen Plasmareaktor 23, eine Hochspannungselektrode 25, die innerhalb des Plasmareaktors 23 aufgenommen ist, und eine Erdungselektrode 27, die in Kontakt mit der Außenseite des Plasmareaktors 23 angeordnet ist, umfasst. Der Plasmareaktor 23 besteht aus Quarz und ist in einer zylindrischen Form ausgebildet. Die Hochspannungselektrode 25 umfasst eine zylindrische Wasserstofftrennmembran 32 und scheibenförmige Stützen 33, die beide Enden der Wasserstofftrennmembran 32 abstützen. Die Wasserstofftrennmembran 32 ist vorzugsweise ein dünner Film einer Palladiumlegierung.
Die Hochspannungselektrode 25 ist mit einer gepulsten Hochspannungsleistungsversorgung 22 verbunden, die mit der Brennstoffbatterie 15 über den ersten Leistungsversorgungsweg 16 verbunden ist, und wird mit einer hohen Spannung versehen. O-Ringe 34 sind zwischen den Plasmareaktor 23 und die Stützen 33 eingefügt, so dass die Wasserstofftrennmembran 32 konzentrisch zur Innenwand des Plasmareaktors 23 angeordnet ist. Folglich wird ein Entladungsraum 24, in dem ein konstanter Abstand aufrechterhalten wird, zwischen der Innenwand des Plasmareaktors 23 und der Wasserstofftrennmembran 32 gebildet. An der Innenseite der Wasserstofftrennmembran 32 ist außerdem eine abgedichtete innere Kammer 26 gebildet, die durch die Wasserstofftrennmembran 32 und die Stützen 33 eingeschlossen ist. Die Erdungselektrode 27 ist konzentrisch zum Plasmareaktor 23 und zur Wasserstofftrennmembran 32 angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist das am meisten geeignete Rohmaterial, das von der Wasserstoffquelle 41 über die Eingabeeinheit 11 und den Rohmaterialeinlassweg 29 zugeführt wird, Ammoniakgas. Dieses Ammoniakgas wird zum Entladungsraum 24 des Reformers 12 zugeführt.
Die Wasserstofftrennmembran 32 und die Erdungselektrode 27 sind einander zugewandt und der Plasmareaktor 23, der aus Quarz besteht, ist zwischen ihnen angeordnet, so dass der Plasmareaktor 23 als Dielektrikum wirkt, das ermöglicht, dass eine dielektrische Barrierenentladung durch Anlegen einer hohen Spannung an die Hochspannungselektrode 25 in Form der Wasserstofftrennmembran 32 erzeugt wird. Die gepulste Hochspannungsleistungsversorgung 22, die die hohe Spannung an die Hochspannungselektrode 25 anlegt, legt eine Spannung mit einer äußerst kurzen Retentionszeit von 10 µs an.
Die Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung des Reformers 12 wird durch Zuführen von Ammoniakgas zum Entladungsraum mit einer vorbestimmten Durchflussrate, Erzeugen einer dielektrischen Barrierenentladung zwischen der Wasserstofftrennmembran 32, die als Hochspannungselektrode 25 wirkt, und der Erdungselektrode 27 und Erzeugen eines Nicht-Gleichgewichts-Plasmas auf Atmosphärendruck aus Ammoniak im Entladungsraum 24 ausgeführt. Der aus dem Nicht-Gleichgewichts-Plasma auf Atmosphärendruck aus Ammoniak erzeugte Wasserstoff wird durch die Wasserstofftrennmembran 32 in Form von Wasserstoffatomen adsorbiert, die sich verteilen, wenn sie durch die Wasserstofftrennmembran 32 hindurchtreten, wonach sie sich zu Wasserstoffmolekülen rekombinieren und sich in die innere Kammer 26 bewegen. In dieser Weise wird nur der Wasserstoff abgetrennt.
Der hierin beschriebene Reformer 12 arbeitet bei Raumtemperatur. Wenn Ammoniak verwendet wird, können ungefähr 100 % des im Ammoniak enthaltenen Wasserstoffs abgetrennt und in die innere Kammer 26 eingeführt werden. Folglich ist das erhaltene Wasserstoff enthaltende Gas ein Wasserstoffgas mit einer Reinheit von 99,9 % oder mehr.
Beispiele
Nachstehend wird ein Beispiel eines autonomen Starts des Brennstoffbatteriesystems 1 gezeigt, das einen Plasmareformer als Reformer 12 und eine Feststoffpolymer-Brennstoffbatterie als Brennstoffbatterie 15 anwendet. Das vorliegende Beispiel verwendet eine Feststoffpolymer-Brennstoffbatterie mit einer Startwasserstoffmenge von 50 Litern (0,05 m³) bei 0,1 MPa (1 Standardatmosphäre).
Im vorliegenden Beispiel wird ein Druckmesser als Messeinheit 14 zum Messen der Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases im Wasserstoffspeicherbehälter 13 verwendet. Die Steuereinheit 18 speichert einen Schwellenwert des Drucks, der der Menge des Wasserstoff enthaltenden Gases entspricht, die für den Start der Brennstoffbatterie 15 erforderlich ist. Während der Leistungserzeugung überwacht die Steuereinheit 18 die gemessenen Ergebnisse der Messeinheit, führt eine Rückkopplungssteuerung der Menge an Wasserstoff enthaltendem Gas, das durch den Reformer 12 erzeugt wird, und der Speichermenge des Wasserstoffspeicherbehälters 13 unter Verwendung der Ergebnisse eines Vergleichs des gespeicherten Schwellenwerts mit den gemessenen Ergebnissen durch und speichert konstant Wasserstoff enthaltendes Gas, das der Wasserstoffmenge von 50 Litern entspricht, die für den Start erforderlich ist.
Der Reformer 12 des vorliegenden Beispiels ist ein Plasmareformer, der einen Plasmareaktor 23, eine Hochspannungselektrode 25, die innerhalb des Plasmareaktors 23 aufgenommen ist, und eine Erdungselektrode 27, die in Kontakt mit der Außenseite des Plasmareaktors 23 angeordnet ist, umfasst. Ein Beispiel der Beziehung zwischen der Leistung, die durch den Plasmareformer verbraucht wird, und der Menge an erzeugtem Wasserstoff ist in Tabelle 1 und 5 gezeigt. Die nachstehend gezeigten Volumina werden auf der Basis von Standardbedingungen (1 Standardatmosphäre, 0 °C) berechnet. [Tabelle 1]

Durch den Plasmareformer verbrauchte Leistung (Wh) Menge an erzeugtem Wasserstoff (L/min)

37,5 2,09

75 4,18

150 8,35

225 12,53

300 16,70
Wie in Tabelle 1 und 5 gezeigt, kann der Plasmareformer, der den Reformer 12 im vorliegenden Beispiel bildet, Wasserstoff im Verhältnis zur zugeführten Leistung erzeugen. Insbesondere wenn das Rohmaterial Ammoniak mit 1,39 Litern pro Minute (auf der Basis von Standardbedingungen berechnet) zugeführt wird, werden 2,09 Liter Wasserstoff pro Minute mit einem Leistungsverbrauch von 37,5 W erzeugt. An sich werden 5,57 Liter Wasserstoff pro Minute mit einem Leistungsverbrauch von 100 W erzeugt.
Ein Beispiel der Beziehung zwischen der zugeführten Menge an Wasserstoff und der Menge an durch die im vorliegenden Beispiel angewendete Feststoffpolymer-Brennstoffbatterie erzeugter Leistung ist in Tabelle 2 und 6 gezeigt. Die Brennstoffbatterie 15 gemäß dem vorliegenden Beispiel kann Leistung im Verhältnis zur Menge an zugeführtem Wasserstoff erzeugen.

Durch die Brennstoffbatterie erzeugte Leistung (Wh) Menge an zugeführtem Wasserstoff (L/min)

250 2,09

500 4,18

1000 8,35

1500 12,53

2000 16,70
Die Steuereinheit 18 führt einen Teil der durch die Brennstoffbatterie 15 erzeugten Leistung zum Reformer 12 zu. Diese Leistung startet den Reformer 12 und erzeugt eine dielektrische Barrierenentladung zwischen der Hochspannungselektrode 25 in Form der Wasserstofftrennmembran 32 und der Erdungselektrode, was die Wasserstofferzeugung einleitet. Durch Zuführen von 150 W der 1000 W von Leistung, die durch die Brennstoffbatterie 15 erzeugt wird, zum Reformer 15, kann der Wasserstoff, der für die Leistungserzeugung durch die Brennstoffbatterie 15 erforderlich ist, erzeugt werden. In dieser Weise können die Brennstoffbatterie 15 und der Reformer 12 starten und die Leistungserzeugung kann fortgesetzt werden.
Die Konfiguration und das Betriebsverfahren des Brennstoffbatteriesystems 1, die in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben sind, können nach Bedarf geändert werden. Beispielsweise kann in einer Variante des Reformers 12 die zylindrische Wasserstofftrennmembran 32, die im Plasmareaktor 23 aufgenommen ist, geerdet sein und eine Elektrode, die in Kontakt mit der Außenseite des Plasmareaktors 23 angeordnet ist, kann mit der gepulsten Hochspannungsleistungsversorgung 22 verbunden sein. Zu dieser Zeit wirkt die Wasserstofftrennmembran 32 als Erdungselektrode und eine dielektrische Barrierenentladung kann wie in dem Beispiel erzeugt werden. Selbst in diesem Fall ist die Wasserstofftrennmembran 32 dem Plasma ausgesetzt, was die Abtrennung von Wasserstoff ermöglicht.
In der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, in dem der Wasserstoffspeicherbehälter 13 und das Steuerventil 19 an separaten Stellen angeordnet waren, aber das Steuerventil 19 kann auch am Auslass des Wasserstoffspeicherbehälters 13 angeordnet sein. Außerdem kann die Messeinheit 14, die die Speichermenge des Wasserstoffspeicherbehälters 13 misst, eine andere Messvorrichtung abgesehen von einem Druckmesser sein. Irgendein Mittel zum Steuern der Durchflussrate kann im Wasserstoffzufuhrweg 21 vom Reformer 12 zur Brennstoffbatterie 15 über den Wasserstoffspeicherbehälter 13 angeordnet sein. Die Verdrahtung und das Strom/Spannungs-Steuermittel der Leistungsversorgungswege 16 und 17 zum Zuführen von Leistung von der Brennstoffbatterie 15 zum Reformer 12 und zur externen Last 42 können auch in Abhängigkeit von der gesamten Anordnung und Funktion der Vorrichtung als Ganzes geändert werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffbatteriesystem
11: Eingabeeinheit
12: Reformer
13: Wasserstoffspeicherbehälter
14: Messeinheit
15: Brennstoffbatterie
16: erster Leistungsversorgungsweg
17: zweiter Leistungsversorgungsweg
18: Steuereinheit
19: Steuerventil
21: Wasserstoffzufuhrweg
22: gepulste Hochspannungsleistungsversorgung
23: Plasmareaktor
24: Entladungsraum
25: Hochspannungselektrode
27: Erdungselektrode
29: Rohmaterialeinlassweg
32: Wasserstofftrennmembran
33: Stütze
41: Wasserstoffquelle
42: externe Last
43: Sauerstoffzufuhrmittel

Claims

Brennstoffbatteriesystem, das umfasst: eine Eingabeeinheit, die mit einer Wasserstoffquelle verbunden ist und dazu ausgelegt ist, ein Wasserstoff enthaltendes Rohmaterial von der Wasserstoffquelle einzuführen; einen Reformer, der dazu ausgelegt ist, das durch die Eingabeeinheit eingeführte Rohmaterial zu zersetzen, um ein Wasserstoff enthaltendes Gas zu erzeugen; einen Wasserstoffspeicherbehälter, der dazu ausgelegt ist, das durch den Reformer erzeugte Wasserstoff enthaltende Gas vorübergehend zu speichern; eine Messeinheit, die dazu ausgelegt ist, eine Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases im Wasserstoffspeicherbehälter zu messen; eine Brennstoffbatterie, die dazu ausgelegt ist, Leistung unter Verwendung des Wasserstoff enthaltenden Gases, das vom Wasserstoffspeicherbehälter zugeführt wird, zu erzeugen; einen ersten Leistungsversorgungsweg, der dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil der durch die Brennstoffbatterie erzeugten Leistung zum Reformer zuzuführen; einen zweiten Leistungsversorgungsweg, der dazu ausgelegt ist, einen Teil der durch die Brennstoffbatterie erzeugten Leistung zur Außenseite zuzuführen; und eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, Messdaten von der Messeinheit zu empfangen und die Menge des durch den Reformer erzeugten Wasserstoff enthaltenden Gases, die Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases des Wasserstoffspeicherbehälters und die Menge an Leistung, die durch die Brennstoffbatterie erzeugt wird, zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einen Schwellenwert der Messdaten speichert, der einer minimalen Menge an Wasserstoff enthaltendem Gas entspricht, die für den Start der Brennstoffbatterie erforderlich ist, und die Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases des Wasserstoffspeicherbehälters so, dass sie größer als oder gleich der Menge ist, die für den Start der Brennstoffbatterie erforderlich ist, auf der Basis von Ergebnissen eines Vergleichs der Messdaten mit dem Schwellenwert steuert, und die Brennstoffbatterie beim Start das im Wasserstoffspeicherbehälter gespeicherte Wasserstoff enthaltende Gas verwendet, um Leistung zu erzeugen, und Leistung zum Reformer über den ersten Leistungsversorgungsweg zuführt.
Brennstoffbatteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleistung der Brennstoffbatterie größer ist als die durch den Reformer verbrauchte Leistung.
Brennstoffbatteriesystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betriebstemperatur der Brennstoffbatterie größer als oder gleich einer Betriebstemperatur des Reformers ist.
Brennstoffbatteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer umfasst: einen Plasmareaktor zum Zersetzen des Rohmaterials und Umwandeln desselben in Plasma, wobei der Plasmareaktor einen Rohmaterialzufuhrkanal und einen Wasserstoffauslasskanal aufweist; eine Leistungsversorgung für die Plasmaerzeugung, die mit dem ersten Leistungsversorgungweg verbunden ist; und eine Wasserstofftrenneinheit, die die Wasserstoffauslasskanalseite des Plasmareaktors abgrenzt, wobei die Wasserstofftrenneinheit Wasserstoff vom Rohmaterial abtrennt, das innerhalb des Plasmareaktors in Plasma umgewandelt wird, und den Wasserstoff zur Wasserstoffauslasskanalseite überführt.
Brennstoffbatteriesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstofftrenneinheit eine Wasserstofftrennmembran ist, die mit der Leistungsversorgung für die Plasmaerzeugung verbunden ist, wobei die Wasserstofftrennmembran als Hochspannungselektrode wirkt, indem sie mit Leistung versorgt wird, und eine elektrische Entladung zwischen der Wasserstofftrennmembran und einer Erdungselektrode bewirkt, um das Rohmaterial in Plasma umzuwandeln.
Brennstoffbatteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffspeicherbehälter ferner ein Steuerventil an einem Wasserstoffzufuhrseitenauslass umfasst, wobei die Steuereinheit einen Öffnungsgrad des Steuerventils steuert, um die Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases des Wasserstoffspeicherbehälters zu steuern.
Brennstoffbatteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoff enthaltende Rohmaterial Ammoniak oder Harnstoff ist.
Betriebsverfahren eines Brennstoffbatteriesystems, wobei das System umfasst: eine Eingabeeinheit, die mit einer Wasserstoffquelle verbunden ist und dazu ausgelegt ist, ein Wasserstoff enthaltendes Rohmaterial von der Wasserstoffquelle einzuführen; einen Reformer, der dazu ausgelegt ist, das durch die Eingabeeinheit eingeführte Rohmaterial zu zersetzen, um ein Wasserstoff enthaltendes Gas zu erzeugen; einen Wasserstoffspeicherbehälter, der dazu ausgelegt ist, das durch den Reformer erzeugte Wasserstoff enthaltende Gas vorübergehend zu speichern; eine Messeinheit, die dazu ausgelegt ist, eine Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases im Wasserstoffspeicherbehälter zu messen; eine Brennstoffbatterie, die dazu ausgelegt ist, Leistung unter Verwendung von Wasserstoff enthaltendem Gas, das vom Wasserstoffspeicherbehälter zugeführt wird, zu erzeugen; einen ersten Leistungsversorgungsweg, der dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil der durch die Brennstoffbatterie erzeugten Leistung zum Reformer zuzuführen; einen zweiten Leistungsversorgungsweg, der dazu ausgelegt ist, einen Teil der durch die Brennstoffbatterie erzeugten Leistung zur Außenseite zuzuführen; und eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, Messdaten von der Messeinheit zu empfangen und die Menge des Wasserstoff enthaltenden Gases, das durch den Reformer erzeugt wird, die Speichermenge des Wasserstoff enthaltenden Gases des Wasserstoffspeicherbehälters und die Menge an Leistung, die durch die Brennstoffbatterie erzeugt wird, zu steuern, wobei die Steuereinheit einen Schwellenwert, der einer minimalen Menge des Wasserstoff enthaltenden Gases entspricht, die für den Start der Brennstoffbatterie erforderlich ist, mit den Messdaten der Messeinheit vergleicht, um eine Rückkopplungssteuerung der Menge des erzeugten Wasserstoff enthaltenden Gases durchzuführen, um die Speichermenge des Wasserstoffspeicherbehälters so zu steuern, dass sie größer als oder gleich der Menge ist, die für den Start der Brennstoffbatterie erforderlich ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: die Steuereinheit, die einen Startbefehl empfangen hat, führt Wasserstoff enthaltendes Gas vom Wasserstoffspeicherbehälter zur Brennstoffbatterie zu; die Brennstoffbatterie leitet die Leistungserzeugung mittels des zugeführten Wasserstoff enthaltenden Gases ein; die Brennstoffbatterie führt erzeugte Leistung zum Reformer zu; der Reformer erzeugt Wasserstoff durch Zersetzen des Rohmaterials und Umwandeln desselben in Plasma; und das erzeugte Wasserstoff enthaltende Gas wird zur Brennstoffbatterie zugeführt, um die Leistungserzeugung fortzusetzen.