DE60200187T2

DE60200187T2 - Temperaturregelung der Brennervorrichtung einer Brennstoffzellenkraftanlage

Info

Publication number: DE60200187T2
Application number: DE60200187T
Authority: DE
Inventors: Masaru Yokosuka-shi Okamoto
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2022-04-05
Also published as: DE60200187D1; US20020182460A1; EP1261054B1; US6777123B2; JP3480452B2; JP2002352823A; EP1261054A2; EP1261054A3

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer-Temperaturkontrolleinrichtung in einer Brennstoffzellenkraftanlage, die nachformiertes Gas benutzt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Patente Tokkai 2000-178001 und Tokkai 2000-185903, veröffentlicht durch das Japanische Patentamt in 2000, offenbaren eine Verdampfertemperaturkontrolleinrichtung einer Brennstoffzellenkraftanlage, die nachformiertes Gas verwendet.
Die Brennstoffzellenkraftanlage ist mit einem Brennstoffzellenblock versehen, der Strom durch eine Reaktion von Reformatgas erzeugt, einen Reformer, der verdampften Brennstoff nachformiert und Reformatgas erzeugt, einem Verdampfer, der flüssigen Brennstoff verdampft, und eine Brennkammer, die den Verdampfer erhitzt. Die Brennkammer verbrennt Anodenabfluss, das von der Anode des Brennstoffzellenblocks abgegeben wird, und erhitzt den Verdampfer durch das Verbrennungsgas.
Ergänzungsbrennstoff wird ebenfalls der Brennkammer zugeführt und die Brennkammer verbrennt den Ergänzungsbrennstoff zusammen mit dem Anodenabfluss, um Verbrennungsgas zu erzeugen. Wenn die Zufuhr flüssigen Brennstoffes zum Verdampfer erhöht wird, wird auch die Wärme, die zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffes benötigt wird, erhöht. Folglich wird die Zufuhr von Ergänzungsbrennstoff zur Brennkammer erhöht, um die Temperatur des Verbrennungsgases zu erhöhen. Methanol wird als flüssiger Brennstoff und als Ergänzungsbrennstoff verwendet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ergänzungsbrennstoff, der der Brennkammer zugeführt wird, verdampft zuerst durch die Wärme der Brennkammer, und wird danach verbrannt, um Verbrennungsgas zu erzeugen. Wenn die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes erhöht wird, wird die gebundene Wärme der Verdampfung auch erhöht, das lässt die Temperatur in der Brennkammer zeitweise fallen. Obwohl die Verbrennung des verdampften Brennstoffes danach die Temperatur erhöht, wenn die Temperatur durch diesen Temperatursturz niedriger als die Verbrennungs-Mindesttemperatur wird, kann die Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkammer nicht aufrecht erhalten werden.
Gemäss der bekannten Technik wird, wenn die Temperatur in der Brennkammer fällt, die Zufuhr des Ergänzungsbrennstoffes erhöht. Als Folge sinkt die Temperatur in der Brennkammer noch weiter ab.
Wenn die Brennkammertemperatur sinkt, sinkt auch die Verdampfer-Temperatur. Tritt ein kurzes Absinken in der Energieerzeugungsmenge durch den Brennstoff-Zellenblock infolge des Temperaturabfalles im Verdampfer auf, gibt eine zweite Batterie Energie ab, um das kurze Absinken in der Energieerzeugung aufzufangen. Als Folge nimmt die Belastung der zweiten Batterie zu. Wenn die Temperatur des Verdampfers absinkt, kann dem Reformer ein Teil des flüssigen Brennstoffes, ohne verdampft zu sein, zugeführt werden. Wenn der Brennstoff im flüssigen Zustand in den Reformer fließt, verschlechtert sich die Reformierleistung des Reformers und erhöht die Erzeugung von Kohlenmonoxyd im Reformer. Kohlenmonoxyd ist bekannt dafür, die Vergiftung des Brennstoffzellenblocks zu verursachen und wirkt sich ungünstig auf die Energieerzeugungsleistung des Brennstoffzellenblocks aus.
EP-A-1 160 902, das eine bekannte Technik gemäß Art. 54(3) EPC konstatiert, offenbart ein Brennstoffzellensystem, dessen Ziel es ist, Mangel an verdampftem Brennstoff zum Reformer zu verhindern, der sich in der Situation ergibt, dass, obwohl die Temperatur im Verdampfer höher als die vorbestimmte Zieltemperatur ist, da der Siedepunkt des Brennstoffes infolge des hohen Druckes im Verdampfer größer geworden ist, die Temperatur im Verdampfer nicht ausreichend hoch genug ist bezüglich der Siedetemperatur, um eine erforderliche Menge an Brennstoffdampf zu erzeugen. Für diesen Zweck steuert das Referenz-Brennstoffzellensystem die Brennzufuhrmenge zur Brennkammer, die auf einer Differenz zwischen der Temperatur im Verdampfer und dem Siedepunkt basiert.
EP-A-1 211 744 offenbart eine Brennstoffzellen-Kraftanlage mit einem Reformer, der dem Reformer über einen zweiten Luftzufuhrkanal eine Mindestmenge an Luft zuführt, wenn sich die Kraftanlage im Stand-By-Zustand befindet. Ferner ist diese Brennstoffenzellenkraftanlage für eine Steuerung/Regelung der Brennstoffdampfzufuhr zum Reformer gemäss der Anlagentemperatur ausgestattet.
Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, die Temperatur der Brennkammer, die für eine Brennstoffzellenkraftanlage verwendet wird, innerhalb eines bevorzugten Bereiches aufrecht zu erhalten.
Um obiges Ziel zu erreichen, schafft diese Erfindung eine Brennstoffzellenkraftanlage, die eine Brennkammer aufweist, die Wärme infolge der Brennstoffverbrennung erzeugt, einen Verdampfer, der Wärme, die von der Brennkammer zugeführt wird, zu einem flüssigen Ausgangsmaterial bringt und ein verdampftes Ausgangsmaterial erzeugt, einen Brennstoffzellenblock, der Elektroenergie durch Anwendung von verdampftem Aus gangsmaterial erzeugt, eine Brennstoffzufuhreinrichtung, die der Brennkammer Brennstoff zuführt, einen Sensor, der einen Energieerzeugungsbedarf des Brennstoffzellenblocks ermittelt, und eine programmierbare Steuereinrichtung.
Eine programmierbare Steuereinrichtung, die programmiert ist, um die Zufuhrmenge eines flüssigen Ausgangsmaterials für den Verdampfer, die auf dem Energieerzeugungsbedarf basiert, zu berechnen, Berechnung einer Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung, die auf der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials zum Verdampfer basiert, Berechnung einer vorhergesagten Temperatur der Brennkammer, die auf der Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung basiert, und Steuerung/Regelung der Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung, um zu verhindern, dass die vorhergesagte Temperatur unter eine vorbestimmte Temperatur fällt.
Diese Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Steuerung/Regelung einer Brennstoffzellenkraftanlage, die eine Brennkammer aufweist, die Wärme infolge der Brennstoffverbrennung erzeugt, einen Verdampfer, der Wärme, die ihm von der Brennkammer zugeführt wird, für ein flüssiges Ausgangsmaterial verwendet und ein verdampftes Ausgangsmaterial erzeugt, einen Brennstoffzellenblock, der Elektroenergie durch Anwendung von verdampftem Ausgangsmaterial erzeugt, und eine Brennstoffzufuhreinrichtung, die der Brennkammer Brennstoff zuführt. Das Steuerungs-/Regelungsverfahren weist folgende Schritte auf: Ermitteln eines Energieerzeugungsbedarfs des Brennstoffzellenblocks, Berechnen einer Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials für den Verdampfer, der auf dem Energieerzeugungsbedarf basiert, Berechnen einer Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung, die auf der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials zum Verdampfer basiert, Berechnung einer vorhergesagten Temperatur der Brennkammer, die auf der Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung basiert, und Steuerung/Regelung der Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung, um zu verhindern, dass die vorhergesagte Temperatur unter eine vorbestimmte Temperatur fällt.
Die Einzelheiten sowie auch andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind im Rest dieser Patentbeschreibung dargelegt und werden in den begleitenden Zeichnungen dargestellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenkraftanlage gemäß dieser Erfindung.
2 ist ein Blockdiagramm, das die Funktion einer Steuereinrichtung gemäß dieser Erfindung beschreibt.
3A bis 3C sind Zeitdiagramme, die die Relation zwischen einer Zunahme einer Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes zu einer Brennkammer der Brennstoffzellenkraftanlage und einer resultierenden Temperaturänderung der Brennkammer beschreiben.
4A–4C sind ähnlich wie 3A–3C, zeigen aber einen Fall, in dem die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes stufenweise erhöht wird.
5A–5C sind ähnlich wie 4A–4C, zeigen aber einen Fall in anderer Situation.
6 ist ein Diagramm, das einen Gewichtungskoeffizienten λ, der von der Steuereinrichtung verwendet wird, beschreibt.
7 ist ein Programmablaufplan, der eine Brennkammertemperatur-Steuerroutine, die von der Steuereinrichtung ausgeführt wird, beschreibt.
8 ist ähnlich wie 7, die aber eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezüglich der 1 der Zeichnungen, wird eine Brennstoffzellenkraftanlage als eine Antriebskraftquelle eines Fahrzeuges mit einem Brennstoffzellenblock 8 ausgestattet, der Elektrizität durch die Reaktion von Wasserstoff und Luft erzeugt. Der Brennstoffzellenblock 8 ist ein Block von so genannten polymerischen elektrolytischen Brennstoffzellen, der Energie durch Anwendung wasserstoffreichen Gases, das eine große Menge Wasserstoff enthält, und durch Luft, das von einem Kompressor 11 zugeführt wird, erzeugt. Die Energie, die durch den Brennstoffzellenblock 8 erzeugt wird, wird durch einen Verbraucher 9, wie z. B. einen Elektromotor und eine Sekundärbatterie, verbraucht.
Das wasserstoffreiche Gas wird aus Methanol und Wasser erzeugt. Aus diesem Grund ist die Brennstoffzellenkraftanlage mit einem Wassertank 1 und einem Methanoltank 2, einem Verdampfer 5, der Wasser und Methanol verdampft, einem Reformer 6, der Reformierungsgas aus der gasförmigen Mischung von Wasserdampf und Methanoldampf erzeugt, und einem Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7, das Kohlenmonoxid (CO) aus dem Reformierungsgas entfernt, ausgestattet. Es sollte jedoch erwähnt werden, dass Methanol durch Benzin oder irgendein anderes flüssiges Material, das Wasserstoff enthält, ersetzt werden kann.
Wasser im Wassertank 1 wird durch eine Wasserpumpe 3 und Methanol im Methanoltank 2 durch eine Methanolpumpe 4 jeweils dem Verdampfer 5 zugeführt, und jeweils durch Einspritzvorrichtungen in den Verdampfer 5 eingespritzt.
Der Verdampfer 5 verdampft das Wasser und das Methanol durch Anwendung der Wärme, die durch eine Brennkammer 10 erzeugt wird.
Der Reformer 6 ist durch das US-Patent Nr. 6,232,005 bekannt und führt die Dampfreformierung und die Teiloxidationsreformierung des verdampften Brennstoffes aus. Im Einzelnen erzeugt der Reformer 6 Wasserstoff durch Oxidation des Methanols zusammen mit einem Oxidationskatalysator. Diese Reaktion ist eine exothermische Reaktion. Auf der anderen Seite lässt der Reformer 6 Methanol mit Dampf reagieren, um Wasserstoff zu erzeugen. Diese Reaktion ist eine endothermische Reaktion. In beiden Reaktionen wird Reformierungsgas, das Sauerstoff enthält, aus dem Methanol erzeugt. Für die Sauerstoffzufuhr, die für die Teiloxidationsreformierung benötigt wird, und die Temperatursteuerung/-regelung des Reformers 6, wird dem Reformer 6 von einem Kompressor 11 über ein Durchfluß-Steuerungsventil 13 Luft zugeführt.
Das Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7 führt die katalytische Verbrennung infolge der empfohlenen Oxidation von Kohlenmonoxid in dem Reformierungsgas aus, um wasserstoffreiches Gas mit wenig Kohlenmonoxid zu erzeugen, indem es Edelmetallkatalysatoren wie Ruthenium (Ru) und Platinium (Pt) verwendet. Um Sauerstoff, das für die katalytische Verbrennung benötigt wird, zuzuführen, wird dem Kohlenmonoxid- Oxidierungsmittel 7 Luft vom Kompressor 11 über ein Durchfluß-Steuerungsventil 15 zugeführt.
Der Brennstoffzellenblock 8 gibt wasserstoffhaltigen Anodenabfluss und sauerstoffhaltigen Kathodenabfluss ab, wenn er Elektroenergie erzeugt. Der Anodenabfluss wird über ein Drucksteuerungsventil 19 und der Kathodenabfluss über ein Drucksteuerungsventil 20 entsprechend der Brennkammer 10 zugeführt. Die Brennkammer 10 verbrennt den Anodenabfluss und den Ergänzungsbrennstoff, der von einem Brennstofftank 33 über eine Brennstoffpumpe 34 zugeführt wird, wenn erforderlich, zusammen mit dem sauerstoffhaltigen Kathodenabfluss, und führt dem Verdampfer 5 heißes Verbrennungsgas zu. Methanol kann als Ergänzungsbrennstoff verwendet werden.
Bezüglich 2, werden die Wasserzufuhr von der Wasserpumpe 3, die Methanolzufuhrmenge von der Methanolpumpe 4, die Luftzufuhrmenge vom Kompressor 11, die Energieverbrauchsmenge durch den Verbraucher 9, der Durchfluß der Durchfluß-Steuerungsventile 13, 15, die Drücke der Drucksteuerungsventile 19, 20, und die Zufuhrmenge des Brennstoffs von einer Brennstoffpumpe 34 durch eine programmierbare Steuereinrichtung 100 gesteuert.
Die Steuereinrichtung 100 weist einen Mikrocomputer auf, der mit einer Zentraleinheit (CPU), Festwertspeicher (ROM), Arbeitsspeicher (RAM) und Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (I/O) Interface ausgestattet ist. Die Steuereinrichtung kann auch zwei oder mehrere Mikrocomputer aufweisen.
Um die obige Steuerung/Regelung durch die Steuereinrichtung 100 auszuführen, ist die Kraftanlage mit den folgenden Sensoren ausgestattet.
Diese Sensoren weisen auf: einen Durchfluss-Sensor 14, der eine Luftzufuhrmenge für den Reformer 6 ermittelt, einen Durchfluss-Sensor 16, der eine Luftzufuhrmenge für das Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7 ermittelt, einen Durchfluss-Sensor 12, der eine Luftzufuhrmenge für den Kompressor 11 ermittelt, einen Drucksensor 17, der den Druck der Luft, die dem Brennstoffzellenblock zugeführt wird, ermittelt, einen Drucksensor 18, der den Druck des wasserstoffreichen Gases, das dem Brennstoffzellenblock 8 zugeführt wird, ermittelt, einen Temperatursensor 6A, der die Temperatur des Reformers 6 ermittelt, einen Durchfluss-Sensor 30, der die Wasserzufuhrmenge der Wasserpumpe 3 ermittelt, einen Durchfluss-Sensor 31, der die Methanol-Zufuhrmenge der Methanolpumpe 4 ermittelt, einen Durchfluss-Sensor 32, der die Menge des Ergänzungsbrennstoffs, die der Brennkammer 10 zugeführt wird, ermittelt, einen Temperatursensor 21, der die Temperatur des Verbrennungsgases, das dem Verdampfer 5 von der Brennkammer 10 zugeführt wird, ermittelt, einen Gaspedalstellungssensor 41, der ein Herabdrückungsmaß bzw. die Gaspedalstellung eines Gaspedals, mit dem das Fahrzeug ausgestattet ist, ermittelt, und einen Temperatursensor 22, der die Temperatur des Verbrennungsgases, das nach der Aufheizung des Verdampfers 5 in die Atmosphäre ausgestoßen wird, ermittelt. Die ermittelten Daten von den entsprechenden Sensoren sind in Form von Signalen der Input für die Steuereinrichtung 100.
Die Steuereinrichtung 100 steuert die Luftzufuhr, die dem Reformer 6 und dem Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7 durch den Kompressor 11 durch Betätigung der Durchfluss-Ventile 13, 15 zugeführt wird. Die Steuereinrichtung 100 führt die Steuerung/Regelung so aus, dass der Luftdruck und der wasserstoffreiche Gasdruck jeweils gleich den Zielwerten sind, die für die Energieerzeugung geeignet sind, indem die Drucksteuerventile 19, 20 betätigt werden. Da der Kompressor 11 sowohl dem Brennstoffzellenblock 8 als auch dem Reformer 6 und dem Koh lenmonoxid-Oxidierungsmittel 7 Luft zuführt, bedeutet dies, das der Luftdruck, der dem Brennstoffzellenblock 8, als auch der Luftdruck, der dem Reformer 6 und dem Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7 zugeführt wird, gesteuert werden.
Die Steuereinrichtung 100 steuert auch die Luftmenge, die dem Brennstoffzellenblock 8 zugeführt wird, wie im Folgenden beschrieben wird.
In der Brennkammer 10 werden der Anodenabfluss und der Ergänzungsbrennstoff, der durch die Brennstoffpumpe 34 zugeführt wird, zusammen mit dem sauerstoffhaltigen Kathodenabfluss verbrannt. Die Menge des Kathodenabflusses wird gemäß der Luftmenge, die dem Brennstoffzellenblock 8 zugeführt wird, bestimmt. Daher bestimmt die Steuereinrichtung 100 die Luftmenge, die dem Brennstoffzellenblock 8 zugeführt wird, in dem Maße, dass das Luft-Brennstoffverhältnis der gasförmigen Mischung zur Verbrennung in der Brennkammer 10 mit einem Ziel-Luft-Brennstoffverhältnis übereinstimmt.
Die Steuereinrichtung 100 berechnet auch die Menge des Wasserdampfes und des Methanoldampfes, der dem Reformer 6 von der Methanolmenge und dem Verdampfer 5 von der Dampfmenge zugeführt wird. Die Luftmenge, die für die Teiloxidationsreaktion des Reformers 6 benötigt wird, und die Luftmenge, die für die ausgewählte Oxidationsreaktion des Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittels 7 benötigt wird, werden dann aus der Menge des Wasser- und Methanoldampfes berechnet. Die Luftmenge, die dem Reformer 6 zugeführt wird, wird ebenfalls bestimmt, basierend auf der Ermittlungstemperatur des Temperatursensors 6A, so dass die Temperatur des Reformers 6 innerhalb eines Temperaturbereiches gehalten wird, der für die Reformierungsreaktion geeignet ist.
Die Steuereinrichtung 100 steuert die Drehzahl des Kompressors 11 so, dass die gesamte Luftzufuhrmenge, die durch den Durchfluss-Sensor 12 ermittelt wird, gleich der gesamten Luftmenge, die dem Reformer 6 zugeführt wird, ist. Auf diesem Wege wird sie auch für das Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7 und den Brennstoffzellenblock 8 bestimmt. Die Durchfluss-Steuerungsventile 13, 15 werden so gesteuert, dass der Luftmengenbedarf des Reformers 6 und des Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittels 7 gesättigt ist.
Die Steuereinrichtung 100 bestimmt auch die Zielmengen des Wassers und Methanols, die dem Verdampfer 5 zugeführt werden, basierend auf der Energieerzeugungsmenge des Brennstoffzellenblocks 8, die für den Verbraucher 9 erforderlich ist, und steuert die Drehzahl der Wasserpumpe 3 und der Methanolpumpe 4 so, dass die Wasser- und Methanolmenge, die durch die Durchfluss-Sensoren 30, 31 ermittelt werden, mit den Zielzufuhrmengen übereinstimmen.
Die Steuereinrichtung 100 berechnet die elektrische Energieerzeugungsmenge des Brennstoffzellenblocks 8, die für den Verbraucher 9 erforderlich ist, basierend auf dem Herabdrückungsmaß bzw. die Gaspedalstellung des Gaspedals, der durch den Gaspedalstellungssensor 41 ermittelt wird, bestimmt einen Ziel-Strombedarf des Verbrauchers 9 gemäß des Herabdrückungsmaß des Gaspedals, und steuert den Verbraucher 9 so, dass der Stromverbrauch des Verbrauchers 9 gleich dem Ziel-Stromverbrauch ist.
Die Steuereinrichtung 100 berechnet die Zieltemperatur der Brennkammer 10, damit der Verdampfer 5 die Ziel-Zufuhrmengen des Methanols und des Wassers verdampft. Ferner bestimmt die Steuereinrichtung 100 die Ziel-Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes für die Brennkammer 10, und steuert die Arbeitsweise der Brennstoffpumpe 34, die auf der Ziel- Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes basiert, so dass diese Zieltemperatur verwirklicht wird. Für dieses Ziel berechnet die Steuereinrichtung 100 die Menge des Anodenausstoßes, die vom Brennstoffzellenblock 8 abgegeben wird, aus der Methanol-Zufuhrmenge, die durch den Durchfluss-Sensor 31 ermittelt wird.
Wenn der Energieerzeugungsbedarf des Brennstoffzellenblocks 8 ansteigt, steigt auch die Zufuhrmenge des Methanols und des Wassers zum Verdampfer 5 an. Folglich benötigt der Verdampfer 5 mehr Wärme, um die erhöhte Methanol- und Wassermenge zu verdampfen. Jedoch wird, wenn eine Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes zur Brennkammer 10 erhöht wird, um die Temperatur der Brennkammer 10, die diese Wärme zuführt, zu erhöhen, die Temperatur der Brennkammer 10 aus folgendem Grund nicht sofort ansteigen.
Ergänzungsbrennstoff, der der Brennkammer 10 zugeführt wird, wird verdampft, indem Wärme der Brennkammer 10 verbraucht wird, und dann im verdampften Zustand verbrannt. Wenn die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoff erhöht wird, steigt die gebundene Verdampfungswärme auch an und lässt die Temperatur in der Brennkammer zeitweilig sinken. Wenn fernerdie Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes erhöht wird, um diesen Temperatursturz zu kompensieren, fällt die Temperatur der Brennkammer 10 noch weiter und kann niedriger als die Verbrennungsmindesttemperatur werden. Wenn Methanol, das dafür bekannt ist, eine größere gebundene Wärme aufzuweisen, als Ergänzungsbrennstoff verwendet wird, wird dieser vorübergehende Temperatursturz der Brennkammer 10 bedeutsam werden.
Gemäß dieser Brennstoffenzellenkraftanlage führt, um die Temperatur der Brennkammer 10 vom vorübergehenden Abfall unter die Verbrennungsmindesttemperatur zu schützen, die Steuereinrichtung 100 folgende Regelung aus.
Insbesondere sagt die Steuereinrichtung 100 den Temperaturwechsel in der Brennkammer 10, der auf der Ergänzungsbrennstoffmenge basiert, die der Brennkammer 10 zugeführt wird, welche vom Durchfluß-Sensor 32 ermittelt wird, und die Temperatur des Verbrennungsgases, die durch den Temperatursensor 21 ermittelt wird, voraus, und steuert folglich die Ergänzungsbrennstoffmenge, die der Brennkammer 10 zugeführt wird.
Nachfolgend wird das Konzept der Steuerung/Regelung gemäß den 3A bis 3C beschrieben.
Es wird ein Fall betrachtet, bei dem die Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 vom Zeitpunkt t bis zum Zeitpunkt t + 1, wie in 3A dargestellt, erhöht wird. Die Methanolzufuhrmenge zum Zeitpunkt t wird mit A, die Zufuhrmenge zum Zeitpunkt t + 1 mit B bezeichnet, und die Veränderung der Methanolzufuhrmenge während dieser Periode wird Δu(t) benannt. Δu(t) wird daher durch die Relation Δu(t) = B – A dargestellt. Da die Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 zunimmt, nimmt die benötigte Wärmemenge der Brennkammer 10 ebenfalls zu. Wenn die Zieltemperatur des Verbrennungsgases der Brennkammer 10 konsequent vom Zeitpunkt T0 nach T1 verändert wird, nimmt die Ergänzungsbrennstoffmenge, die der Brennkammer 10 zugeführt wird, zu, wie durch die punktierte Linie in 3B dargestellt, um somit die neue Zieltemperatur T1 zu realisieren.
In der Brennkammer 10 fällt jedoch die Temperatur infolge der Zunahme der Ergänzungsbrennstoffmenge zeitweilig ab. Infolge der Zeit, die benötigt wird, um die erhöhte Menge des Ergänzungsbrennstoffes zu verdampfen, fällt die Temperatur sogar nach dem Zeitpunkt t + 1 weiter, wenn die Zunahme der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes stoppt und die Temperatur erreicht den niedrigsten Wert zum Zeitpunkt t + 2. In dieser Abbildung weisen die Temperaturen vor dem Zeitpunkt t die ermit telten Werte vom Temperatursensor 21 auf, und die Temperaturen nach dem Zeitpunkt t + 1 sind die Werte, die von der Steuereinrichtung 100 vorausgesagt werden.
Nach dem Zeitpunkt t + 2 verändert sich die Temperatur der Brennkammer 10 in Zuwachsrichtung. Zum Zeitpunkt t5 erreicht sie die Zieltemperatur T1, damit ist sie höher als die Temperatur T0 vor dem Zeitpunkt t und stabilisiert sich danach auf diesen Wert.
Bei dieser Temperaturveränderung, wenn der niedrigste Wert zum Zeitpunkt t + 2 noch größer als eine untere Grenztemperatur Tlim ist, wie durch die punktierte Linie in 3C dargestellt, wird die Temperatur der Brennkammer nach dem Zeitpunkt t2 ansteigen. Hierbei besitzt die untere Grenztemperatur Tlim einen Wert, der entsprechend der Verbrennungsmindesttemperatur definiert ist. Wenn andererseits der niedrigste Wert zum Zeitpunkt t2 niedriger als die untere Grenztemperatur Tlim ist, wie durch die durchgezogene Linie in der Abbildung dargestellt, kann die Brennkammer 10 die Verbrennung anhalten. Wenn diese Situation erwartet wird, sollte daher der Wert von Δu(t) nicht gleich dem Wert B-A zum Zeitpunkt t gesetzt werden.
Als nächstes, gemäß 4B, ist es möglich zu verhindern, dass die Temperatur der Brennkammer 10 unter die untere Grenztemperatur Tlim fällt, indem die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoff vom Wert A bis B stufenweise erhöht wird.
Um die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffs stufenweise zu erhöhen, stellt die Steuereinrichtung 100 die Veränderungsgröße Δu(t) folgendermaßen ein. Δu(t) = C – A Δu(t + 1) = Δu(t + 2) gleich 0 Δu(t + 3) = B – Cwobei: A < B < C.
Infolge der obigen Einstellungen wird die niedrigste Temperatur zum Zeitpunkt t + 2 daran gehindert, unter die untere Grenztemperatur Tlim zu fallen. Die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes nimmt zum Zeitpunkt t + 3 weiter zu, wenn die Temperatur der Brennkammer 10 wieder anzusteigen beginnt, aber die niedrigste Temperatur, die folglich zum Zeitpunkt t + 5 auftritt, wird ebenfalls daran gehindert, unter die untere Grenztemperatur Tlim zu fallen. Zum Zeitpunkt t + 8 erreicht die Temperatur der Brennkammer 10 die Zieltemperatur T1.
Wenn keine der vorhergesagten Temperaturen entsprechend dem Zeitpunkten t + 1 oder später gefunden wird, um kleiner als die untere Grenztemperatur Tlim zu sein, wie durch die punktierte Linie in 3C dargestellt, ist es nicht notwendig, die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes auf diese Weise schrittweise zu erhöhen. Daher setzt in diesem Fall die Steuereinrichtung 100 Δu(t) = B – A, um die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffs während der Periode vom Zeitpunkt t bis t + 1 zu erhöhen, um somit die Temperatur der Brennkammer 10 sofort zu erhöhen.
Bezüglich der 5A wird als nächstes die Zunahme der Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 in zwei Phasen ausgeführt, d. h. zum Zeitpunkt t – 2 und zum Zeitpunkt t. In diesem Fall ist es möglich, dass die Temperatur der Brennkammer unter die untere Grenztemperatur Tlim fällt, wie durch den Pfeil in 5C dargestellt, wenn die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffs zur Brennkammer 10 von A bis B und von B bis C synchron mit der Zunahme der Methanolzufuhrmenge erhöht wird, so wie in 5B dargestellt.
Der Temperatursturz der Brennkammer 10 unter die untere Grenztemperatur Tlim wird dadurch verhindert, dass sich die Zunahme der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffs von B nach C zum Zeitpunkt t + 2, bei dem die vorhergesagte Temperatur als groß genug betrachtet werden kann, verzögert. In 5C, bezeichnet Tb die Zieltemperatur des Verbrennungsgases in der Brennkammer 10 entsprechend der Methanolzufuhrmenge B, während Td die Zieltemperatur des Verbrennungsgases in der Brennkammer 10 entsprechend der Methanolzufuhrmenge D bezeichnet.
Um das obige Konzept zusammenzufassen, wird die Zielzufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes, die schließlich erreicht wird, so bestimmt, dass sich die vorhergesagten Temperaturen der Brennkammer 10 den Zieltemperaturen annähern, während die Zuwachsrate so bestimmt wird, dass keine der vorhergesagten Temperaturen unter die untere Grenztemperatur Tlim infolge der Zunahme der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes fallen würde.
Hierbei ist die Genauigkeit der Steuerung/Regelung umso höher, je größer die Anzahl der vorhergesagten Temperaturen ist. Um jedoch die Rechenbelastung der Steuereinrichtung 100 niedrig zu halten, ist es vorzuziehen, die Anzahl der vorhergesagten Temperaturen zu verringern.
Bezüglich des Falles in 3A bis 3C, kann die oben erwähnte Steuerung/Regelung der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes mit fünf vorhergesagten Temperaturen vom Zeitpunkt t + 2 bis zum Zeitpunkt t + 6 ausgeführt werden. Wenn ferner die vorhergesagten Temperaturen zum Zeitpunkt t + 1 und zum Zeitpunkt t + 7 zusätzlich erhalten werden, kann die Steuerung/Regelung der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoff mit hoher Präzision ausgeführt werden.
Wenn sich jedoch die Relation zwischen der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes und der Temperatur der Brennkammer 10 abhängig vom Betriebszustand des Brennstoffenzellenblocks 8 ändert, sollte durch diese Abhängigkeit die Anzahl der vorhergesagten Temperaturen ebenfalls verändert werden.
In der Brennstoffzellenkraftanlage wird die Anzahl der vorausgesagten Daten durch einen Parameter P und die vorausgesagte Zeitdauer durch einen Parameter R dargestellt. Der Parameter P ist ein Integerwert größer als Null, während der Parameter R ein Integerwert gleich oder größer Null ist. Der Zeitpunkt, bei dem die Vorhersage ausgeführt wird, wird auf den Integerwert t eingestellt. Die Zeitintervalle der vorhergesagten Temperaturen werden auf 1 eingestellt. Um das obige zusammenzufassen: die Temperaturen werden vom Zeitpunkt t + R + 1 bis t + R + P jeweils zum Zeitpunkt t vorhergesagt. Die Parameter P und R werden gemäß dem Betriebszustand des Brennstoffzellenblockes 8 eingestellt.
Um die Temperaturvorhersage auszuführen, ist es notwendig, sowohl die aktuellen Daten für die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes vor dem Zeitpunkt t als auch die geschätzten Daten für die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes nach dem Zeitpunkt t zu erhalten. Das ist so, weil angenommen wird, das ein Teil der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes vor dem Zeitpunkt t im flüssigen Zustand in der Brennkammer 10 zum Zeitpunkt t verbleibt, und danach verdampft. Dieser flüssige Brennstoff, der in der Brennkammer 10 zum Zeitpunkt t verbleibt, ist Ursache für den Temperatursturz in der Brennkammer 10 nach dem Zeitpunkt t.
Andererseits wird sich der Ergänzungsbrennstoff, der genau vor dem Zeitpunkt t + R + P zugeführt wird, nicht wesentlich auf die Temperaturveränderung in der Brennkammer 10 auswirken. Es ist daher möglich, einige der geschätzten Daten für die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes nahe des Zeitpunktes t + R + P beim Verfahren der Temperaturvorhersage wegzulassen.
Die Anzahl der Daten, die für die Temperaturvorhersage erforderlich sind, werden durch einen Parameter S und einen Parameter M dargestellt. Der Parameter M stellt die Anzahl der tatsächlichen Daten für die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes zur Brennkammer 10 vor dem Zeitpunkt t dar, und der Parameter S stellt die Anzahl der geschätzten Daten für die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes zur Brennkammer 10 nach dem Zeitpunkt t dar. Der Parameter S kann Null oder eine positive Integergröße sein. Der Parameter M ist eine positive Integergröße, die nicht die Summe aus den Parameter R und P überschreitet.
Daher weist die Datenmenge, die für die Temperaturvorhersage verwendet wird, tatsächliche Daten für die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes vom Zeitpunkt t – S bis zum Zeitpunkt t – 1 und geschätzte Daten für die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes vom Zeitpunkt t bis zum Zeitpunkt t + M + 1 auf. Die Werte der Parameter S und M lässt man ebenfalls gemäß dem Betriebszustand des Brennstoffzellenblocks 8 variieren.
Als ein Beispiel für die Charakteristiken der Parameter R, P, M und S bezüglich des Betriebszustands des Brennstoffzellenblockes 8, werden die Parameter P, R und S auf höhere Werte eingestellt, während der Parameter M auf einen kleineren Wert eingestellt wird, da die erforderliche Energieerzeugungsmenge des Brennstoffzellenblocks 8 zunimmt.
Bezüglich der Parameter P, R, S, M, werden deren optimale Werte durch einen Versuch, der den veränderten Betriebszuständen des Brennstoffzellenblocks 8 sehr nahe kommt, voreingestellt, und vorab im Speicher der Steuereinrichtung 100 gespeichert.
Immer wenn eine Temperaturvoraussage gemacht wird, liest und verwendet die Steuereinrichtung 100 die Daten aus einer Tabelle, die die Werte der Parameter P, R, S, M gemäß dem Betriebszustand des Brennstoffzellenblocks 8 speichert.
Als nächstes wird die Temperaturvorhersage, die von der Steuereinrichtung 100 ausgeführt wird, beschrieben.
Eine bekannte Modell-Vorhersagesteuerungs-/regelungstheorie wird bei dieser Temperaturvorhersage angewandt. Wenn dieses Modell der Vorhersagesteuerungs-/regelunstheorie bei der Temperaturvoraussage der Brennkammer 10 angewandt wird, werden folgende Gleichungen verwendet. yp = y + Af·Δuf + Ao·Auo (1)
Die Variablen in Gleichung (1) können durch eine der Determinanten (2) bis (5) dargestellt werden.
yp ist eine vorhergesagte Temperatur der Brennkammer 10, die durch die folgende Determinante dargestellt wird. yp = [yp(t + R + 1), yp(t + R + 2), yp(t + R + 3), ..., yp(t + R + P)]T (2)
y ist eine gemessene Temperatur der Brennkammer 10, die durch folgende Determinante dargestellt wird. y = [y(t), y(t), y(t), y(t), ..., y(t)]T (3)
Δuf ist eine vorhergesagte Zufuhränderungsmenge des Ergänzungsbrennstoffes, die durch die folgende Determinante dargestellt wird. Δuf = [Δu(t), Δu(t + 1), Δu(t + 2), ..., Δu(t + M – 1)]T (4)
Δuo ist eine tatsächliche Zufuhränderungsmenge des Ergänzungsbrennstoffes, die durch die folgende Determinante dargestellt wird. Δuo = [Δu(t – 1), Δu(t – 2), Δu(t – 3), ..., Δu(t – S)]T (5)
In den obigen Gleichungen ist Af ein Modellkoeffizient von P Spalten und M Reihen, Ao ein Modellkoeffizient von P Spalten und S Reihen, D ist ein Differenzwert, T ist eine Transponierte einer Matrix, t ist der gegenwärtige Zeitpunkt, und R, P, M, S sind die vorab genannten Parameter.
Wie durch Gleichung (2) dargestellt, wird eine vorhergesagte Temperatur yp durch eine Matrix von P Spalten und einer Reihe, die die vorhergesagten Temperaturen P vom Zeitpunkt t + R + 1 bis zum Zeitpunkt t + P als Elemente besitzt, ausgedrückt. Die gemessene Temperatur y, wie durch Gleichung (3) dargestellt, kann durch eine Matrix von P Spalten und einer Reihe dargestellt werden, die als Elemente die gegenwärtige Temperatur der Brennkammer 10, die durch den Temperatursensor 21 ermittelt wurde, besitzt.
Die vorhergesagte Änderungsmenge Δuf, wie durch Gleichung (4) dargestellt, kann durch eine Matrix von M Spalten und einer Reihe, die als Elemente die Zufuhrmengen des Ergänzungsbrennstoffes, die vom Zeitpunkt t bis zum Zeitpunkt t + M – 1 vorausgesagt werden, besitzt, dargestellt werden. Die gemessene Änderungsmenge Δuo kann durch eine Determinante, die die gemessenen Zufuhrmengen des Ergänzungsbrennstoffes vom Zeitpunkt t – 1 bis zum Zeitpunkt t – S als Elemente besitzt, dargestellt werden. Die vorhergesagte Änderungsmenge Δuf und die gemessene Änderungsmenge Δuo stellen beides Änderungsmengen zum jeweiligen Zeitpunkt, bei dem der Funktionsablauf ausgeführt wird, dar.
Der Modellkoeffizient Af wird durch eine Matrix von P Spalten und M Reihen dargestellt, und zeigt an, in welchem Umfang sich die vorhergesagte Änderungsmenge Δuf in der vorhergesagten Temperatur widerspiegelt. Der Modellkoeffizient Ao ist eine Matrix aus P Spalten und S Reihen, und zeigt an, in welchem Umfang sich die gemessene Änderungsmenge Δuo in der vorhergesagten Temperatur yp widerspiegelt. Die Modellkoeffizienten Af und Ao hängen von den Modellparametern R, P, M, S ab.
Das Zeitintervall kann auf verschiedene Einheiten eingestellt werden, aber hier ist es auf 100 Millisekunden eingestellt, was gleich dem Funktionsausführungsintervall entspricht. Darum bedeutet der Zeitpunkt t + R, dass er um 0,1 × R Sekunden hinter dem Zeitpunkt t liegt.
Um die vorausgesagte Temperatur yp zu erhalten, ist die vorausgesagte Änderungsmenge Δuf zusätzlich zur tatsächlichen Änderungsmenge Δuo, die eine gemessene Größe darstellt, und die gemessene Temperatur y, erforderlich. Die Steuereinrichtung 100 berechnet die vorausgesagte Änderungsmenge Δuf durch folgende Gleichungen (6) bis (8).
Dabei sind: sp = Zieltemperatur der Brennkammer 10, Φ = Gewichtungskoeffizient, der die Veränderung in der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes abgleicht = diag[Φ1, Φ2, Φ3, ..., ΦM] (7) λ = Gewichtungskoeffizient bezüglich der Unstimmigkeit zwischen dem vorausgesagten Wert und dem Zielwert = diag[λ1, λ2, λ3, ..., λP] (8)
diag [...] in den Gleichungen (7) und (8) repräsentiert eine Diagonalmatrix.
Gleichung (6) korrespondiert mit Gleichung (1), um Δuf zu lösen. Insbesondere wird Gleichung (6) durch die Fehlerquadratmethode aufgelöst, um somit die Summe der Differenzen zwischen der Zieltemperatur sp der Brennkammer 10 und der vorausgesagten Temperaturen yp jederzeit vom Zeitpunkt t + R + 1 bis zum Zeitpunkt t + R + P zu minimieren. Mit anderen Worten, dies ist eine abgeleitete Form von (sp – yp)².
Die vorausgesagte Änderungsmenge Δuf kann statt durch die Fehlerquadratmethode z. B. auch durch die lineare Programmierungsmethode berechnet werden.
Wie aus Gleichung (6) zu ersehen ist, sind, um die vorausgesagte Änderungsmenge Δuf zu berechnen, mehrere Parameter zusätzlich zum vorab genannten Modellkoeffizienten Af und Ao notwendig. Die Zieltemperatur sp, die eine dieser Parameter ist, wird durch eine Matrix dargestellt, die als Elemente die erforderliche Temperatur der Brennkammer 10 bezüglich der Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 aufweist.
Gemäß 6 werden als nächstes die Gewichtungskoeffizienten Φ und λ beschrieben.
Wie aus der Gleichung (8) zu ersehen ist, wird der Gewichtungskoeffizient λ durch eine Diagonalmatrix dargestellt, die als Elemente λ1 bis λP besitzt, die die Gewichtung bezüglich der Differenz zwischen der Zieltemperatur sp und der vorausgesagten Temperatur yp näher beschreibt. Wie in 6 dargestellt, ist i eine natürliche Zahl von 1 bis P, der Koeffizient λi repräsentiert eine Gewichtung bezüglich einer Differenz ei zwischen der Zieltemperatur sp und der vorausgesagten Temperatur yp (t + R + i) zum Zeitpunkt t + R + i.
Wenn die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes zur Brennkammer 10 stark variiert, variiert die Temperatur der Brennkammer 10 auch im großen Maß, und die ermittelte Temperatur des Temperatursensors 21 kann der tatsächlichen Temperaturveränderung nicht mehr länger folgen. Wenn diese Situation eintritt, nimmt die Zuverlässigkeit des Temperaturmesswertes ab und die Temperatursteuerung/regelung kann nicht mehr korrekt durchgeführt werden. Daher wird eine Gewichtung zum Differenzwert vorgenommen, wobei der Gewichtungskoeffizient λ verwendet wird, so dass die Veränderung der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes nicht den Erfassungsbereich des Temperatursensors 21 überschreitet. Der Gewichtungskoeffizient λ wird experimentell oder durch eine Simulation bestimmt und vorab im Speicher der Steuereinrichtung 100 gespeichert.
Wie aus Gleichung (7) zu ersehen ist, wird der Gewichtungskoeffizient Φ durch eine Diagonalmatrix mit Φ1 bis ΦM als Elemente dargestellt, die die Gewichtung gemäß der Zufuhränderungsmenge des Ergänzungsbrennstoffes spezifiziert.
Wenn der Gewichtungskoeffizient λ auf diag [1, 0, 0 ... 0] eingestellt wird, kann die vorausgesagte Änderungsmenge Δuf, die den vorausgesagten Wert yp (t + R + 1) der Temperatur zum Zeitpunkt t + R + 1 mit der Zieltemperatur sp übereinstimmen lässt, berechnet werden. Bezüglich diag [λ1, λ2, λ3, ... λP] wird, wenn λi auf einen Wert größer Null gesetzt wird, auch die vorausgesagte Änderungsmenge Δuf, die alle vorausgesagten Temperaturen P vom Zeitpunkt t + R + 1 bis zum Zeitpunkt t + R + P mit der Zieltemperatur sp übereinstimmen lässt, berechnet. Diese Einstellung ist auch möglich.
Wie in Gleichung (4) dargestellt, enthält die vorausgesagte Änderungsmenge Δuf, die man durch Auflösung von Gleichung (6) erhält, die Änderungsmengen als Elemente, die vom Zeitpunkt t bis zum Zeitpunkt t + M – 1 vorausgesagt wurden. Durch Ersetzen dieser vorausgesagten Änderungsmenge Δuf in Gleichung (1), kann die Temperaturänderung der Brennkammer 10 bezüglich der vorausgesagten Änderungsmenge Δuf vorausgesagt werden.
Bezug nehmend auf 7 wird als nächstes die Brennkammer-Temperatursteuerroutine, die von der Steuereinrichtung 100 ausgeführt wird, auf der Basis des obigen Algorithmus beschrieben. Das Ausführungszeitintervall der Routine beträgt, wie oben beschrieben, 100 Millisekunden.
Im Schritt S1 bestimmt die Steuereinrichtung 100 als erstes, ob es notwendig ist oder nicht, die Einstellungen der Parameter R, P, M, S, die auf dem Betriebszustand des Brennstoffzellenblocks 8 basieren, abzuändern.
Wenn Abänderungen notwendig sind, werden im Schritt S2 die Parameter R, P, M und S geändert, und die Koeffizienten Af, Ao werden entsprechend neu berechnet.
Nach Verarbeitung des Schrittes S2, führt die Steuereinrichtung 100 die Verarbeitung von Schritt S3 aus. Wenn im Schritt S1 festgelegt ist, dass Abänderungen der Einstellungen der Parameter R, P, M, S nicht notwendig sind, überspringt die Steuereinrichtung 100 Schritt S2 und führt die Verarbeitung des Schrittes S3 aus.
Im Schritt S3 berechnet die Steuereinrichtung 100 die vorausgesagte Temperatur yp (R + P) der Brennkammer 10 zum Zeitpunkt R + P, wenn die derzeitige Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes zur Brennkammer 10 von der Gleichung (1) aufrechterhalten wird. Insbesondere werden die gemessene Änderungsmenge Δuo und die gemessene Temperatur y zum gegenwärtigen Zeitpunkt in Gleichung (1) ersetzt und die vorausgesagte Temperatur yp (R + P) wird berechnet. Hierbei kann die vorausgesagte Temperatur yp (R + P) als die Temperatur der Brennkammer 10 interpretiert werden, nachdem die Veränderung der Temperatur der Brennkammer 10 konvergiert hat.
Im nächsten Schritt S4 berechnet die Steuereinrichtung 100 durch Anwendung der Gleichung (6) eine neue vorausgesagte Änderungsmenge Δuf, die sich auf die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes bezieht, aus der vorausgesagten Temperatur yp (R + P) und die Zieltemperatur sp wird gemäß der Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 bestimmt.
Durch Anwendung der vorausgesagten Temperatur yp (R + P) anstatt der gegenwärtigen Temperatur für die Berechnung der neuen vorausgesagten Änderungsmenge Δuf, wird der Effekkt der zeitweiligen Temperaturveränderung infolge der Änderung der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes eliminiert. Die vorhergesagte Änderungsmenge Δuf, die auf diese Weise berechnet wird, besitzt daher eine hohe Genauigkeit.
Im nächsten Schritt S5 berechnet die Steuereinrichtung 100 die vorausgesagte Temperatur der Brennkammer 10 vom Zeitpunkt R + 1 bis zum Zeitpunkt R + P, indem die neue vorausgesagte Änderungsmenge Δuf in Gleichung (1) ersetzt wird.
Im nächsten Schritt S6 bestimmt die Steuereinrichtung 100, ob irgendeine der vorausgesagten Temperaturen, die im Schritt S5 berechnet werden, niedriger als die untere Grenztemperatur Tlim sind oder nicht. Die untere Grenztemperatur Tlim wird auf einen Wert, der auf der Verbrennungsmindesttemperatur basiert, eingestellt. Hier wird die untere Grenztemperatur Tlim auf 280°C eingestellt.
Wenn keine der vorausgesagten Temperaturen niedriger als der untere Grenzwert Tlim ist, wird die Temperatur der Brennkammer 10 nicht unter den unteren Grenzwert Tlim sinken, wenn die neue vorausgesagte Änderungsmenge Δuf verwendet wird. In diesem Fall führt die Steuereinrichtung 100 die Verarbeitung von Schritt S11 aus.
Auf der anderen Seite, wenn irgendeine der vorausgesagten Temperaturen niedriger als der untere Grenzwert Tlim ist, führt die Steuereinrichtung 100 die Verarbeitung eines Schrittes S7 aus.
Im Schritt S7 vergleicht die Steuereinrichtung die vorhergesagte Änderungsmenge Δuf mit einem vorhergehenden Wert Δuf, d. h., die vorhergesagte Änderungsmenge wird sofort beim vorausgehenden Ereignis, wenn die Routine ausgeführt wird, berechnet. Wenn die vorhergesagte Änderungsmenge Δuf nicht größer als der vorhergehende Wert Δuf ist, führt die Steuereinrichtung 100 den Funktionsablauf von Schritt S11 aus. Wenn die vorhergesagte Änderungsmenge Δuf größer als der vorhergehende Wert Δuf ist, führt die Steuereinrichtung 100 den Funktionsablauf von Schritt S8A aus.
Im Schritt S11 setzt die Steuereinrichtung 100 eine Änderungsmenge gleich der vorhergesagten Änderungsmenge Δuf. Nach Einstellung dieser Änderungsmenge im Schritt S11, führt die Steuereinrichtung den Funktionsablauf eines Schrittes S9 aus.
Im Schritt S8A setzt die Steuereinrichtung die Änderungsmenge gleich dem vorhergehenden Wert Δuf. Nach Einstellung der Änderungsmenge im Schritt S8A, führt die Steuereinrichtung den Funktionsablauf eines Schrittes S9 aus.
Im Schritt S9 sendet die Steuereinrichtung ein Signal entsprechend der Änderungsmenge an die Brennstoffpumpe 34 aus und beendet danach die Routine.
Gemäß dieser Brennkammertemperatur-Steuerroutine wird, wenn irgendeine der vorhergesagten Temperaturen niedriger als die untere Grenztemperatur Tlim und die vorhergesagte Änderungsmenge Δuf größer als der vorhergehende Wert Δuf ist, der vorhergehende Wert Δuf für die Steuerung/Regelung der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes verwendet. Mit anderen Worten, nur wenn alle vorhergesagten Temperaturen größer als die untere Grenztemperatur Tlim sind, wird die Änderungsmenge, die größer als der vorhergehende Wert ist, verwendet. Die Temperatur der Brennkammer 10 wird daher immer auf einem größeren Wert als die untere Grenztemperatur Tlim gehalten.
Bezüglich 8, wird als nächstes eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung, die sich auf die Brennkammertemperatur-Steuerroutine bezieht, beschrieben.
Wenn die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes durch die Ausführung der Routine aus 7 begrenzt wird, wird es eine relativ lange Zeit dauern, bis die Temperatur der Brennkammer 10 die Zieltemperatur sp nach der Zunahme der Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 erreicht, wie in 4C oder 5C dargestellt.
Gemäß dieser Ausführungsform wird, um die Zeit zu verkürzen, die erforderlich ist, bis die Temperatur der Brennkammer 10 die Zieltemperatur sp erreicht, die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffs um soviel wie möglich innerhalb eines Bereiches erhöht, sodass kein Temperatursturz in der Brennkammer 10 unter die untere Grenztemperatur Tlim verursacht wird.
In einer Routine von 8, die exklusiv für dieses Ziel angewendet wird, wird ein Schritt S8B anstatt des Schrittes S8A der Routine in 7 vorgesehen.
Im Schritt S8B berechnet die Steuereinrichtung 100 die vorgesagte Änderungsmenge Δuf noch mal, sodass der Mindestwert der vorhergesagten Temperaturen gleich der unteren Grenztemperatur Tlim ist. Insbesondere wird die Zieltemperatur sp gleich der unteren Grenztemperatur Tlim gesetzt und die Berechnung der vorhergesagten Änderungsmenge Δuf so wie im Schritt S4 ausgeführt.
Andere Schritte der Routine sind mit denen der Routine in 7 identisch.
Gemäß dieser Ausführungsform heben sich der Temperatursturz infolge der Zunahme der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffs zur Brennkammer 10 und der Temperaturanstieg infolge der Verbrennung des schon zugeführten Ergänzungsbrennstoffs in der Brennkammer 10 gegenseitig auf, und die Temperatur der Brennkammer wird an der unteren Grenztemperatur Tlim aufrecht erhalten. Mit anderen Worten, die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffs wird innerhalb eines Bereiches soweit wie möglich erhöht, sodass die Temperatur der Brennkammer 10 nicht unter die untere Grenztemperatur Tlim abfallen kann.
Folglich wird, bis die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes die Menge erreicht, die der tatsächlichen Zieltemperatur der Brennkammer 10 entspricht, die Temperatur der Brennkammer 10 an der unteren Grenztemperatur Tlim aufrecht erhalten. Nachdem die Zunahme der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffs zur Brennkammer 10 vollendet ist, steigt die Temperatur der Brennkammer 10 bis zur ursprünglichen Zieltemperatur an.
In der Berechnung von Schritt S8, wenn die Zieltemperatur gleich der unteren Grenztemperatur Tlim gesetzt wird, kann die Temperatur der Brennkammer 10 momentan unter die untere Grenztemperatur Tlim während des Steuerungs/Regelungsablaufes fallen. Es ist daher vorzuziehen, die Zieltemperatur sp auf einen leicht höheren Wert als die untere Grenztemperatur Tlim oder die untere Grenztemperatur Tlim auf einen leicht höheren Wert als die Verbrennungs-Mindesttemperatur einzustellen.
Es wird hier auf die Inhalte von Tokugan 2001-157049 mit dem Anmeldedatum 25. Mai 2001 in Japan hingewiesen.
Obwohl oben die Erfindung in Bezug zu bestimmten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht gegenüber den oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Abänderungen und Varianten der oben beschriebenen Ausführungsformen erscheinen den Durchschnittsfachleuten im Licht der oben genannten Lehre. Z. B. kann in irgendeiner der obigen Ausführungsformen anstatt der Gleichung (6) zur Berechnung der vorhergesagten Änderungsmenge Δuf, die vorherge sagte Änderungsmenge Δuf durch Anwendung eines Koeffizienten oder einer Tabelle, die die Relation zwischen der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes zur Brennkammer 10 und der dazugehörigen Temperatur spezifiziert, berechnet werden. Dieser Koeffizient oder diese Tabelle können durch einen stufenweise durchgeführten Reaktionsversuch, der ein Ergebnis durch einen schrittweisen Funktionsablauf erzielt, erhalten werden.
Die Theorie der Prozesserkennung ist als ein Verfahren bekannt, das ein mathematisches Modell eines dynamischen Systems, dass auf gemessenen Daten basiert, unterstützt. Wenn die Prozesserkennung angewandt wird, um die Relation zwischen der Änderungsmenge Δuf der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrenn-stoffes und des Änderungsbetrages Δya der Temperatur der Brennkammer 10 zu spezifizieren, wird folgende Gleichung (9) verwendet. Δya = G(s)·Δuf (9)wobei: Δya = Temperaturveränderung der Brennkammer 10,
Δuf = Änderungsmenge des Ergänzungsbrennstoffes, der der Brennkammer 10 zugeführt wird, und
G(s) = Übertragungsfunktion.
wobei: K = Prozessnutzen,
a = Richtungskoeffizient, und
s = Laplace-Operator.
Wenn der Prozessnutzen K und der Richtungskoeffizient a vorab durch einen stufenweise durchgeführten Reaktionsversuch ermittelt werden, und die Differenz zwischen der Zieltem peratur der Brennkammer 10 und der gegenwärtigen Temperatur in Δya der Gleichung (9) ersetzt wird, kann die Veränderungsmenge Δuf der Ergänzungsbrennstoff-Zufuhrmenge zur Brennkammer 10, die erforderlich ist, damit die Temperatur der Brennkammer 10 gleich der unteren Grenztemperatur Tlim wird, berechnet werden.
Wie das obige Beispiel verständlich macht, können verschiedene Verfahren, die anders als Gleichung (6) sind, angewandt werden, um die Relation zwischen der Veränderungsmenge Δuf der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes zur Brennkammer 10 und dem dazugehörigen Änderungsbetrag der Temperatur zu spezifizieren.
Die Ausführungsformen dieser Erfindung, in denen ein exklusives Eigentum oder Privileg beansprucht wird, werden wie folgt definiert:

Claims

Eine Brennstoffzellenkraftanlage, die Folgendes aufweist: eine Brennkammer bzw. eine Brennervorrichtung (10), die Wärme infolge der Brennstoffverbrennung erzeugt; einen Verdampfer (5), der Wärme, die von der Brennkammer zugeführt wird, für ein flüssiges Ausgangsmaterial verwendet und ein verdampftes Ausgangsmaterial erzeugt; einen Brennstoffzellenblock (8), der Elektroenergie unter Verwendung des verdampften Ausgangsmaterials erzeugt; und eine Brennstoffzufuhreinrichtung (34), die der Brennkammer (10) Brennstoff zuführt; dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftanlage ferner folgendes aufweist: einen Sensor (41), der einen Energieerzeugungsbedarf des Brennstoffzellenblocks (8) ermittelt; und eine programmierbare Steuereinrichtung (100), die programmiert ist zur: Berechnung einer Zufuhrmenge eines flüssigen Ausgangsmaterials für den Verdampfer (5), die auf dem Energieerzeugungsbedarf (S4) basiert; Berechnung einer Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung (34), die auf der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials zum Verdampfer (5) (S4) basiert; Berechnung einer vorhergesagten Temperatur der Brennkammer (10), die auf der Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung (34)(S5) basiert; und Steuerung/Regelung der Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung (34), um zu verhindern, dass die vorhergesagte Temperatur unter eine vorbestimmte Temperatur (S6, S8A, S8B) fällt.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Temperatur gleich einer Mindesttemperatur gesetzt wird, bei der die Brennkammer (10) die Brennstoffverbrennung aufrechterhalten kann.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (100) ferner so programmiert ist, dass die Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung (34) derart gesteuert wird, dass die vorhergesagte Temperatur der Brennkammer (10) mit der vorbestimmten Temperatur (S8B) übereinstimmt.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (100) ferner so programmiert ist, eine Zunahme der Brennstoffzufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung (34) zu unterdrücken, um zu verhindern, dass die vorhergesagte Temperatur unter die vorbestimmte Temperatur (S8A, S8B) fällt.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß Anspruch 4, wobei die vorhergesagte Temperatur mehrere vorhergesagte Temperaturen innerhalb einer Zeitfolge aufweist, und die Steuereinrichtung (100) ferner so programmiert ist, um die Zunahme der Brennstoffzufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung (34) zu unterdrücken, wenn irgendeine der vorhergesagten Temperaturen unter die vorbestimmte Temperatur (S6, S8A, S8B) fällt.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinrichtung (100) ferner programmiert ist, um eine Konvergenztemperatur der Brennkammer (10), die auf einer derzeitigen Brennstoffzufuhrmenge zur Brennkammer (10) basiert, zu berechnen, wobei die Konvergenztemperatur einen Wert besitzt, den die Temperatur der Brennkammer (10) erreicht, wenn eine entsprechende Brennstoffzufuhrmenge der Brennkammer (10) zugeführt wird, und um die Brennstoffzufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung (34) gemäß einer Differenz zwischen einer Zieltemperatur, die einer Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterial zum Verdampfer (5) entspricht, und der Konvergenztemperatur, zu berechnen.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß Anspruch 6, wobei die Brennstoffzellenkraftanlage ferner einen Temperatursensor (21) aufweist, der die Temperatur der Brennkammer (10) ermittelt, und die Steuereinrichtung (100) ferner so programmiert ist, dass die Konvergenztemperatur infolge einer Veränderung der Brennstoffzufuhrmenge in der Vergangenheit und einer gegenwärtigen Temperatur der Brennkammer (10), die durch den Temperatursensor (21) (S3) ermittelt wird, berechnet wird.
Verfahren zur Steuerung einer Brennstoffzellenkraftanlage, wobei die Brennstoffzellenkraftanlage eine Brennkammer (10) aufweist, die Wärme infolge der Brennstoffverbrennung erzeugt, einen Verdampfer (5), der Wärme, die von der Brenn kammer (10) zugeführt wird, für ein flüssiges Ausgangsmaterial verwendet und ein verdampftes Ausgangsmaterial erzeugt, einen Brennstoffzellenblock (8), der Elektroenergie durch Anwendung von verdampftem Ausgangsmaterial erzeugt, und eine Brennstoffzufuhreinrichtung (34), die der Brennkammer (10) Brennstoff zuführt, gekennzeichnet dadurch, dass das Steuerungsverfahren folgende Schritte aufweist: Ermitteln eines Energieerzeugungsbedarfs des Brennstoffzellenblocks (8); Berechnen einer Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials für den Verdampfer (5), der auf dem Energieerzeugungsbedarf basiert (S4); Berechnen einer Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung (34), die auf der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials zum Verdampfer (5) (S4) basiert; Berechnen einer vorhergesagten Temperatur der Brennkammer (10), die auf der Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung (34)(S5) basiert; und Steuerung/Regelung der Brennstoff-Zufuhrmenge der Brennstoffzufuhreinrichtung (34), um zu verhindern, dass die vorhergesagte Temperatur unter eine vorbestimmte Temperatur (S6, S8A, S8B) fällt.