DE602004002436T2 - Brennstoffzellenenergiegewinnungssystem - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystem, das gebildet wurde, um mithilfe einer Brennstoffzelle Strom zu erzeugen.
  • 2. Stand der Technik
  • In einem mit einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle ausgestatteten Brennstoffzellenstromerzeugungssystem erzeugt ein Brennprozessor ein Brenngas, das an eine Brennelektrode der Brennstoffzelle geleitet wird. Der Brennprozessor formt ein Einsatzgas z.B. Erdgas mithilfe von Wasserdampf um, um auf diese Weise ein wasserstoffreiches Brenngas zu erzeugen. Indessen wird in der Brennstoffzelle Luft als Oxidationsgas an eine Oxidationselektrode geleitet, die so angeordnet ist, dass sie sich gegenüber der Brennelektrode befindet, die eine Polymerelektrolytmembran aufweist, die zwischen der Brennelektrode und der Oxidationselektrode eingefügt ist. Die Brennstoffzelle erzeugt mithilfe des Brenngases und der Luft Strom.
  • Wenn das wasserstoffreiche Brenngas nach der Reaktion innerhalb des vorstehend konstruierten Brennstoffzellenstromerzeugungssystems im Stoppzustand nicht verbraucht wird, dann verbindet sich der im Brenngas enthaltene Wasserstoff mit der Luft, was zu einer Explosion führt. Aus Sicherheitsgründen ist es deshalb notwendig, das Brenngas aus dem Inneren des Systems zu entfernen, in einem Zeitraum außerhalb eines Systemvorgangs.
  • Bei einem Verfahren, das Brenngas aus dem Inneren des Brennstoffzellenstromerzeugungssystems zu entfernen, wird typischerweise ein Inertgas z.B. Stickstoff veranlasst, innerhalb des Brennprozessors, der Brennstoffzelle und so weiter durch Gasdurchlässe zu fließen, um das Brenngas daraus auszuspülen, wodurch das in jedem Abschnitt verbleibende Brenngas ausgespült wird. Um das Brenngas mittels Stickstoff auszuspülen, benötigt das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem eine Vorrichtung zum Speichern von Stickstoff wie z.B. einen großen Stickstoffzylinder, eine Stickstoffversorgungsvorrichtung etc., wobei die Wartung wie Austausch und Nachfüllen des Stickstoffgaszylinders bei Bedarf durchzuführen ist. Dadurch wird das System großflächig und kompliziert, was in einem Anstieg der Anschaffungskosten oder Unterhaltskosten des Systems resultiert.
  • 8 ist eine schematische Darstellung und zeigt einen Aufbau eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems, das ein Brenngas aus dem Inneren des Systems ohne das Durchspülen mittels Inertgas entfernen kann (siehe Veröffentlichung WO01/97312). Wie in 8 dargestellt, umfasst das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem einen Brennprozessor 2, eine Wasserversorgungsvorrichtung 3, gebildet, um dem Brennprozessor 2 Wasser zuzuführen, eine Materialzuführungsvorrichtung 4, gebildet, um dem Brennprozessor 2 Einsatzgas zuzuführen, eine Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5, gebildet, um dem Brennprozessor 2 saubere Luft zuzuführen, eine Brennstoffzelle 1, ein Gebläse 6, gebildet, um während der Stromerzeugung einer Oxidationselektrode der Brennstoffzelle 1 Luft zuzuführen, eine Kühleinrichtung (nicht dargestellt), gebildet, um die Brennstoffzelle 1 während der Stromerzeugung zu kühlen und einen Brenner 8, gebildet, um das nach der Reaktion unverbrauchte Brenngas (im Folgenden als Abgas bezeichnet) in der Brennstoffzelle 1 zu verbrennen und aus der Brennstoffzelle 1 abzugeben, um den Brennprozessor 2 zu heizen. Die Brennstoffzelle 1 ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle und weist eine Polymerelektrolytmembran als Elektrolytmembran auf. Die Wasserversorgungsvorrichtung 3 ist über ein Rohr 3a mit dem Brennprozessor 2 verbunden. Die Materialzuführungsvorrichtung 4 ist über ein Rohr 4a mit dem Brennprozessor 2 verbunden. Die Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5 ist über ein Rohr 5a mit dem Brennprozessor 2 verbunden. Der Brennprozessor 2 ist über ein Rohr 11 mit der Brennstoffzelle 1 verbunden. Innerhalb der Brennstoffzelle 1 ist ein Durchlass für das Brenngas 12B gebildet, um eine Einlassöffnung 12A mit einer Auslassöffnung 12C zu verbinden und zuzulassen, dass das Brenngas einer Brennelektrode (nicht dargestellt) zugeführt wird. Ferner ist die Auslassöffnung 12C über ein Rohr 13 mit dem Brenner 8 verbunden. Zudem ist das Gebläse 6 über ein Rohr 6a mit einer Oxidationselektrode (nicht dargestellt) der Brennstoffzelle 1 verbunden.
  • Wenn das vorstehend konstruierte Brennstoffzellenstromerzeugungssystem gestoppt wird, wird die Versorgung des Brennprozessors 2 mit dem Einsatzgas aus der Materialzuführungsvorrichtung 4 eingestellt und lediglich Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 an den Brennprozessor 2 geleitet, der den Wasserdampf erzeugt. Der Wasserdampf wird der Brennstoffzelle 1 über das Rohr 11 zugeführt und fließt darin. Ferner wird der Wasserdampf über das Rohr 13 dem Brenner 8 zugeführt. Dadurch wird das im Brennprozessor 2, der Brennstoffzelle 1 und den Rohren 11 und 13 befindliche Brenngas vom Wasserdampf daraus ausgespült und im Brenner 8 verbrannt. Nach dem Durchspülen mittels Wasserdampf wird dem Brennprozessor 2 Luft aus der Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5 zugeführt und anschließend über das Rohr 11 vom Brennprozessor 2 an die Brennstoffzelle 1 geleitet. Die Luft strömt im Inneren der Brennstoffzelle 1. Die Luft wird aus der Auslassöffnung 12C abgegeben und über das Rohr 13 an den Brenner 8 gesendet, aus dem die Luft freigegeben wird. So ein Luftstrom ermöglicht es, dass das restliche Gas von der Luft aus dem Inneren des Brennprozessors 2, der Brennstoffzelle 1 und den Rohren 11 und 13 ausgespült wird. Wie aus dem Vorstehenden anerkannt werden sollte, kann in Übereinstimmung mit der vorstehenden Konstruktion das Brenngas ohne die Verwendung des Inertgases wie Stickstoff aus dem Inneren des Brennstoffzellenstromerzeugungssystems ausgespült werden.
  • Jedoch wird, wenn das Durchspülen mittels Wasserdampf und anschließend mittels sauberer Luft, die nicht befeuchtet ist, ausgeführt wird, die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 von dieser unbefeuchteten sauberen Luft getrocknet. Da die Polymerelektrolytmembran im feuchten Zustand elektrisch leitfähig ist, kann diese Fähigkeit der Membran aufgrund eines Anstiegs im Innenwiderstand der Membran oder Ähnlichem möglicherweise nachlassen, wenn die Polymerelektrolytmembran getrocknet ist. Folglich könnte die Effizienz der Brennstoffzelle 1 bei der Stromerzeugung abnehmen.
  • Um die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 am Trocknen zu hindern, gibt es eine Methode, bei der nach dem Durchspülen mittels Wasserdampf ein Durchspülen mittels befeuchteter Luft statt unbefeuchteter Luft ausgeführt wird. Das Durchspülen mittels der befeuchteten Luft kann die Polyelektrolytmembran am Trocknen hindern, wenn aber die Temperatur eines jeden Systemabschnitts im Stoppzustand mit der Zeit sinkt, dann kondensiert der in der befeuchteten Luft enthaltene Wasserdampf zu Wasser, das in jedem Abschnitt des Systems verbleibt. Wenn das Wasser in den Rohren 11 und 13 oder dem Gasdurchlass im Inneren des Brennprozessors 2 verbleibt, dann wird der Gasfluss z.B. des Brenngases unstabil, wenn das System wieder in Gang gesetzt wird. Im schlimmsten Fall ist der Gasdurchlass mit Wasser angefüllt, wodurch die Wasserversorgung aussetzen könnte. Folglich würde das System unverzüglich stehen bleiben.
  • Das Durchspülen mittels Inertgas wie Stickstoff wird beim Start des Systems sowie beim Stoppen des Systems ausgeführt. Durch das Durchspülen beim Start wird das restliche Gas im System im Stoppzustand daraus ausgespült, wonach das System bereit ist, Strom zu erzeugen. Die Verwendung von Stickstoff oder Ähnlichem für das Durchspülen beim Start verursacht das vorstehend beschriebene Problem. Beim Start des Systems müssen der Brennprozessor 2, die Brennstoffzelle 1 und so weiter ihre Temperaturen auf die Betriebstemperaturen für die Stromerzeugung erhöhen. Speziell die Brennstoffzelle 1 muss ihre Temperatur auf etwa 70°C erhöhen, wohingegen der Brennprozessor 2 seine Temperatur auf etwa 700°C erhöhen muss. Es braucht Zeit, die Temperatur des Brennprozessors 2 zu erhöhen. Aus diesem Grund kann, während der Brennprozessor 2 die Temperatur erhöht, die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 bereits trocken sein. Folglich treten die vorstehend beschriebenen Probleme auf.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung wurde unter diesen Umständen entwickelt, wobei es Ziel der Erfindung ist, ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystem bereitzustellen, das die Anschaffungs- und Unterhaltskosten reduzieren und mit hoher Effizienz und verbesserter Stabilität Strom erzeugen kann und dabei ausreichend Sicherheit gewährleistet.
  • Um das vorstehend beschriebene Ziel zu erreichen, wird ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystem bereitgestellt, umfassend einen Brennprozessor, gebildet, um ein Material mithilfe von Wasser und einem Reforming-Katalysator in Brenngas mit Wasserstoff umzuformen, eine Brennstoffzelle, gebildet, um mithilfe eines oxidierenden Gases und des Brenngases Strom zu erzeugen, einen Brenner, gebildet, um das in der Brennstoffzelle unverbrauchte Brenngas zu verbrennen, um den Brennprozessor zu heizen, einen Durchlass für das Brenngas, der mit dem Brennprozessor, der Brennstoffzelle und dem Brenner verbunden ist, eine Wasserversorgungsvorrichtung, gebildet, um dem Brennprozessor Wasser zuzuführen, eine Materialzuführungsvorrichtung, gebildet, um dem Brennprozessor Material zuzuführen, eine Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft, gebildet, um dem Brennprozessor saubere Luft zuzuführen, die das Brenngas zum Brennprozessor spült sowie eine Steuerungseinrichtung, die gebildet wurde, um während eines Stoppvorgangs des Brennstoffzellenstromerzeugungssystems die Wasserversorgungsvorrichtung zu steuern, so dass im Inneren des Brennprozessors und im Inneren der besagten Brennstoffzelle ein erstes Durchspülen mittels Wasserdampf ausgeführt wird, anschließend die besagte Wasserversorgungsvorrichtung und die Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft zu steuern, so dass im Inneren der Brennstoffzelle ein zweites Durchspülen mittels befeuchteter Luft ausgeführt wird, und die Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft zu steuern, so dass im Inneren des Brennprozessors ein drittes Durchspülen mittels unbefeuchteter Luft ausgeführt wird.
  • Das zweite Durchspülen kann zu einem Zeitpunkt in Gang gesetzt werden, an dem während des ersten Durchspülens Wasserdampf zugeführt wird, der mindestens so ein Volumen aufweist wie der vom Brennprozessor bis zur Brennstoffzelle reichende Gasdurchlass.
  • Das dritte Durchspülen kann zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, an dem die Temperatur des Brennprozessors maximal die Temperatur erreicht, bei der ein Reforming-Katalysator im Brennprozessor nicht durch die dem Brennprozessor zugeführte Luft abgebaut wird.
  • Das erste Durchspülen kann so ausgeführt werden, dass der Wasserdampf im Brennprozessor durch das von der Wasserversorgungsvorrichtung zugeführte Wasser erzeugt wird, wobei das zumindest im Brennprozessor befindliche Brenngas aus dem Brennprozessor ausgespült wird, indem der Wasserdampf zumindest im Brennprozessor strömt, das zweite Durchspülen kann so ausgeführt werden, dass das Wasser und die Luft dem Brennprozessor entsprechend aus der Wasserversorgungsvorrichtung und der Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft zugeführt und vermischt werden, um darin die befeuchtete Luft zu bilden, wobei sich das im Brennprozessor, in der Brennstoffzelle und dem Brenngasdurchlass befindliche Brenngas daraus ausgespült wird, indem die befeuchtete Luft im Brennprozessor, in der Brennstoffzelle und dem Brenngasdurchlass fließt, und das dritte Durchspülen kann so ausgeführt werden, dass die Wasserversorgungsvorrichtung ausgeschaltet wird, um die Wasservorsorgung des Brennprozessors einzustellen und dem Brennprozessor Luft zuzuführen, wobei die im Inneren des Brennprozessors und im Brenngasdurchlass befindliche befeuchtete Luft daraus ausgespült wird, indem die unbefeuchtete Luft im Inneren des Brennprozessors und des Brenngasdurchlasses fließt.
  • In Übereinstimmung mit diesem Aufbau besteht kein Bedarf für eine Speichervorrichtung oder eine Versorgungseinrichtung wie einen Gaszylinder, da das Durchspülen ohne ein Inertgas wie Stickstoff erfolgt. Das bedeutet, das Durchspülen wird erreicht, indem der Aufbau des Systems zur Stromerzeugung verwendet wird. Zusätzlich dazu ist die Wartung wie Nachfüllen oder Austausch des Gaszylinders unnötig. Das führt zu verringerten System- und Unterhaltskosten.
  • In der Brennstoffzelle unter Temperaturbedingung, die nicht höher ist als die Taupunkttemperatur des Wasserdampfes, neigt der Wasserdampf dazu, zu Wasser zu kondensieren. Obwohl es schwierig ist, das Brenngas lediglich durch das erste Durchspülen ausreichend auszutreiben, wird nach dem ersten Durchspülen das zweite Durchspülen mittels der befeuchteten Luft ausgeführt, wobei die in der befeuchteten Luft enthaltene Luft das Brenngas im Inneren der Brennstoffzelle ausreichend austreiben kann. In diesem Fall kondensiert der in der befeuchteten Luft enthaltene Wasserdampf zu Wasser, das die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle feucht halten kann.
  • Da nach dem zweiten Durchspülen mittels der befeuchteten Luft in den Teilen außer der Brennstoffzelle das dritte Durchspülen mittels der unbefeuchteten Luft durchgeführt wird, ist es möglich, das kondensierte Wasser aus dem Brennprozessor oder dem Brenngasdurchlass zu entfernen, indem das Wasser von der unbefeuchteten Luft getrocknet wird. Zusätzlich dazu kann, da die unbefeuchtete Luft die im Inneren dieser Teile befindliche befeuchtete Luft ersetzt, die Kondensation zu Wasser selbst dann verhindert werden, wenn die Temperaturen dieser Teile im Stoppzustand des Systems sinken. Daher kann verhindert werden, dass Wasser in diesen Teilen zurückbleibt. Dadurch kann das System stabil arbeiten. Darüber hinaus kann, da das dritte Durchspülen in den Teilen außer der Brennstoffzelle durchgeführt wird, die Polymerelektrolytmembran im zweiten Durchspülen in der Brennstoffzelle feucht gehalten werden. Folglich kann ein Leistungsabfall der Brennstoffzelle, der durch die trockene Polymerelektrolytmembran verursacht würde, verhindert werden, wodurch eine hohe Lebensdauer realisiert wird.
  • Der Brenngasdurchlass kann einen ersten Durchlass umfassen, durch den der Brennprozessor mit der Brennstoffzelle verbunden ist, einen zweiten Durchlass, durch den die Brennstoffzelle mit dem Brenner verbunden ist, einen dritten Durchlass mit Endbereichen, die jeweils mit dem ersten oder zweiten Durchlass verbunden sind, wobei der erste Durchlass über den dritten Durchlass so mit dem zweiten Durchlass verbunden ist, dass er die Brennstoffzelle umgeht, einen Durchlassschalter, gebildet, um zwischen dem Brennstoffzellendurchlass und dem Brennstoffzellenumgehungsdurchlass zu wechseln, wobei sich der Brennstoffzellendurchlass vom Brennprozessor über den ersten Durchlass zur Brennstoffzelle erstreckt und der Brennstoffzellenumgehungsdurchlass vom Brennprozessor über den ersten Durchlass, den dritten Durchlass und den zweiten Durchlass bis zum Brenner erstreckt und ein Ventil, das im zweiten Durchlass bereitgestellt ist, um sich stromaufwärts eines Punktes im Brenngasstrom zu befinden, wo der zweite Durchgang mit dem dritten Durchlass verbunden ist, wobei während des dritten Durchspülens das Ventil geschlossen und der Durchlassschalter so gestellt werden kann, dass der Brennstoffzellenumgehungsdurchlass gebildet wird, um zu veranlassen, dass die unbefeuchtete Luft vom Brennprozessor über den Brennstoffzellenumgehungsdurchlass zum Brenner strömt, um die Brennstoffzelle zu umgehen.
  • In Übereinstimmung mit diesem Aufbau wird das dritte Durchspülen in der Brennstoffzelle nicht durchgeführt.
  • Es ist wünschenswert, dass die Taupunkttemperatur der beim zweiten Durchspülen verwendeten befeuchteten Luft nicht geringer ist als die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle bei der Stromerzeugung.
  • Da die Temperatur der Brennstoffzelle die Betriebstemperatur zur Stromerzeugung während des Stoppvorgangs des Systems nicht übersteigt, kondensiert der in der der Brennstoffzelle zugeführten befeuchteten Luft enthaltene Wasserdampf während des zweiten Durchspülens in der vorstehend beschriebenen Konstruktion zu Wasser. Dieses Wasser kann die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle feucht halten.
  • Das erste Durchspülen kann auf das besagte zweite Durchspülen geschaltet werden, wenn die Menge an Wasserstoff, der im Brennprozessor erzeugt wurde, die Menge mindestens eines im Brennprozessor gebildeten Brenngasdurchlasses nicht unterschreitet, wobei die Temperatur des Brennprozessors eine Temperatur erreicht, bei der der Katalysator innerhalb des Brennprozessors nicht durch die Luft im ersten Durchspülen oxidiert wird.
  • Das zweite Durchspülen kann auf das dritte Durchspülen geschaltet werden, wenn die Menge an Luft, die von der Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft an den Brennprozessor geliefert wird, die Menge an Volumen eines Brenngasdurchlasses innerhalb des Brennprozessors und eines Brenngasdurchlasses innerhalb der Brennstoffzelle im besagten zweiten Durchspülen nicht unterschreitet.
  • Die vorstehend beschriebenen und folgenden Ziele und Details der Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen vollständig ersichtlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das schematisch den Inhalt eines Steuerungsprogramms zeigt, das in der Steuerungseinrichtung des Brennstoffzellenstromerzeugungssystems aus 1 gespeichert ist;
  • 6 ist ein Flussdiagramm, das schematisch den Inhalt eines Stoppvorgangs des Steuerungsprogramms aus 5 zeigt;
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das schematisch den Inhalt eines Startvorgangs des Steuerungsprogramms aus 5 zeigt; und
  • 8 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines konventionellen Brennstoffzellenstromerzeugungssystems zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachstehend werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den Abbildungen kennzeichnen gleiche Referenzzahlen gleiche oder entsprechende Teile.
  • (Ausführungsform 1)
  • 1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Mit Bezug auf 1 umfasst das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem (nachstehend einfach als System bezeichnet) dieser Ausführungsform eine Wasserversorgungsvorrichtung 3, eine Materialzuführungsvorrichtung 4, eine Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5, einen Brennprozessor 2, eine mit einer Polymerelektrolytmembran ausgestattete Brennstoffzelle 1, ein Gebläse 6, gebildet, um Luft zuzuführen, einen Brenner 8, eine Kühleinrichtung 7 und eine Steuerungseinrichtung 50. Obwohl in 1 nur einfach dargestellt, ist die Steuerungseinrichtung 50 gebildet, um die vorstehend genannten Komponenten 3, 4, 5, 2, 1, 6, 8, 7, einen Durchlassschalter 15 und ein Ventil 14 zu steuern, die an anderer Stelle noch beschrieben werden. Eine Reihe von Vorgängen des Systems, die an anderer Stelle noch beschrieben werden, werden von dieser Steuerungseinrichtung 50 gesteuert.
  • Die Wasserversorgungsvorrichtung 3, die Materialzuführungsvorrichtung 4 und die Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5 sind über die Rohre 3a, 4a bzw. 5a mit dem Brennprozessor 2 verbunden. Der Brenner 8 ist unterhalb des Brennprozessors 2 angeordnet und gebildet, um den Brennprozessor 2 zu heizen. Der Brennprozessor 2 ist über das Rohr 11 mit der Einlassöffnung 12A der Brennstoffzelle 1 verbunden. Im Inneren der Brennstoffzelle 1 ist ein Brenngasdurchlass 12B gebildet, durch den ein Brenngas, das von der Einlassöffnung 12A in das Innere der Brennstoffzelle 1 eingeführt wird, durch eine Brennelektrode (nicht dargestellt) zu einer Auslassöffnung 12C geleitet wird. Die Brennstoffzelle 1 ist über ein Rohr 13 mit dem Brenner 8 verbunden, durch das das Brenngas, das von der Auslassöffnung 12C abfließt, an den Brenner 8 geleitet wird. In dem Rohr 11 befindet sich ein Dreiwegeventil, um als Durchlassschalter 15 zu fungieren. Ein Ende einer Umlaufleitung 16 ist mit einer Verbindungsöffnung des Dreiwegeventils verbunden und das andere Ende mit dem Rohr 13. Der Durchlassschalter 15 kann zwischen einem ersten Durchlass 1, der sich vom Brennprozessor 2 über das Rohr 11 bis zur Brennstoffzelle 1 erstreckt, und einem zweiten Durchlass B wechseln, der sich über das Rohr 11 erstreckt, um das Rohr 13 zu erreichen, um die Brennstoffzelle 1 zu umgehen. So ein Dreiwegeventil ist ein motorisch angetriebenes Ventil, das zwischen dem ersten Durchlass A und dem zweiten Durchlass B wechseln kann. Das motorisch angetriebene Ventil wird automatisch von der Steuerungseinrichtung 50 gesteuert. Außerdem ist das Rohr 13 mit einem Ventil 14 versehen, das sich stromaufwärts eines Punktes im Brenngasstrom befindet, wo das Rohr 13 mit der Umlaufleitung 16 verbunden ist. Hierin wird ein motorisch angetriebenes Ventil, das automatisch gesteuert werden kann, als Ventil 14 verwendet.
  • Die Kühleinrichtung 7 ist mit einem Umlaufrohr 7a versehen, durch das Kühlwasser im Inneren der Brennstoffzelle 1 fließt. Eine Pumpe 7b, die den Druck des Kühlwassers erhöht und ein Wärmeradiator (Einheit der Kühleinrichtung) 7c befinden sich in dem Umlaufrohr 7a. Das Gebläse 6 ist über das Rohr 6a mit der Brennstoffzelle 1 verbunden.
  • Obgleich nicht dargestellt, umfasst der Brennprozessor 2 hauptsächlich einen Reformer, einen Wechsler und eine Reinigungseinrichtung. Der Reformer beinhaltet einen Katalysator, der Ruthenium als Hauptkomponente enthält. Wie später noch erwähnt wird, erlaubt der Katalysator dem Wasser und dem Einsatzgas (z.B. Erdgas) miteinander zu reagieren, um in einer Reformreaktion ein wasserstoffreiches Brenngas zu erzeugen. Das so im Reformer erzeugte Brenngas weist eine hohe CO-Konzentration auf. Wenn das Brenngas mit einer so hohen CO-Konzentration der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, dann kann sie schwächer werden. Um das zu vermeiden, wird das im Reformer erzeugte Brenngas dem Wechsler und anschließend der Reinigungseinrichtung zugeführt, wo das CO aus dem Brenngas entfernt wird und die CO-Konzentration auf 20 ppm oder noch tiefer sinkt.
  • Nun wird ein Vorgang des Systems beschrieben. 5 ist ein Flussdiagramm, das schematisch den Inhalt eines Steuerungsprogramms zeigt, das in der Steuerungseinrichtung des Brennstoffzellenstromerzeugungssystems aus 1 gespeichert ist. 6 ist ein Flussdiagramm, das schematisch den Inhalt eines Stoppvorgangs des Steuerungsprogramms aus 5 zeigt. 7 ist ein Flussdiagramm, das schematisch den Inhalt eines Startprogramms des Steuerungsprogramms aus 5 zeigt.
  • In 5 führt das System einen Startvorgang gemäß einem Startvorgangsbefehl (Schritt S1 in 5) aus. Wenn das System dann für den Start bereit ist, wird der Stromerzeugungsvorgang ausgeführt (Schritt S2 in 5). Nachdem der Stromerzeugungsvorgang für einen vorher festgelegten Zeitraum ausgeführt wurde, führt das System einen Vorgang aus, um das System zu stoppen (nachstehend auch als Stoppmodusvorgang bezeichnet, der sich von einem Stoppzeitraum, in dem das System im Stoppzustand ist, unterscheidet) und stoppt (Schritt S4 in 5). Es sollte anerkannt werden, dass die Brennstoffzelle 1 nach dem Stoppmodus in den Stoppzeitraum gelangt. In dem System werden die vorstehenden Vorgänge (Schritte S1 bis S4 in 5) wiederholt.
  • Nachstehend werden der Stromerzeugungsvorgang (Schritt S2) des Systems, der Stoppvorgang (Schritt S3) des Systems und der Startvorgang (Schritt S1) des Systems nacheinander beschrieben.
  • Wenn in dem System (Schritt S2) Strom erzeugt wird, dann wird der Durchlassschalter 15 so gestellt, dass der erste Durchlass A gebildet wird, der sich über das Rohr 11 vom Brennprozessor 2 zur Brennstoffzelle 1 erstreckt, wobei das Ventil 14 im Rohr 13 geöffnet wird. Anschließend wird dem Reformer des Brennprozessors 2 (nicht dargestellt) über das Rohr 3a Wasser aus der Wasserversorgungseinrichtung 3 zugeführt, vom Brenner 8 erhitzt und somit auf einer Temperatur von etwa 700°C gehalten und ein Einsatzgas (Erdgas) wird aus der Materialzuführungsvorrichtung 4 über das Rohr 4a dem Reformer in diesem Zustand zugeführt. Im Inneren des Reformers des Brennprozessors 2 wird das aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 zugeführte Wasser zu Wasserdampf verdampft, der es ermöglicht, dass das Einsatzgas reformiert werden kann, um ein wasserstoffreiches Brenngas zu erzeugen. Das erzeugte Brenngas wird an den Wechsler und anschließend an die Reinigungseinrichtung (nicht dargestellt) geleitet. Dadurch wird CO aus dem Brenngas entfernt und seine Konzentration verringert.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird der Durchlassschalter 15 während der Stromerzeugung so gestellt, dass der erste Durchlass A gebildet wird. Das im Brennprozessor 2 erzeugte Brenngas wird über das Rohr 11 und den ersten Durchlass A an die Einlassöffnung 12A der Brennstoffzelle 1 geleitet. Anschließend wird das Brenngas über den zweiten Durchlass 12B an die Brennelektrode (nicht dargestellt) der Brennstoffzelle 1 geleitet. Außerdem wird Luft, die als Oxidationsgas fungiert, vom Gebläse 6 über das Rohr 6a an eine Oxidationselektrode (nicht dargestellt) der Brennstoffzelle 1 geleitet.
  • In der Brennstoffzelle 1 reagieren das Brenngas und die zugeführte Luft auf diese Weise miteinander und erzeugen dabei Strom. Da die Hitze in der Brennstoffzelle 1 erzeugt wird, kühlt die Kühleinrichtung 7 während der Stromerzeugung die Brennstoffzelle 1 auf die Weise, dass das Kühlwasser durch die Pumpe 7b mit erhöhtem Druck innerhalb der Brennstoffzelle 1 durch das Umlaufrohr 7a fließt. Das Kühlwasser tauscht die Wärme mit der Brennstoffzelle 1 aus und erlangt dadurch Wärme von der Brennstoffzelle 1 zurück. Ferner tauscht das Kühlwasser Wärme mit dem Wärmeradiator 7c aus und strahlt Wärme ab. Das entstehende gekühlte Kühlwasser fließt erneut durch die Brennstoffzelle 1, die dadurch bei etwa 70°C gehalten wird.
  • Das nach der Stromerzeugungsreaktion unverbrauchte Brenngas in der Brennstoffzelle 1 fließt durch den Brenngasdurchlass 12B und wird von der Auslassöffnung 12C als Abgas an das Rohr 13 abgegeben. Wie vorstehend beschrieben wird, da das Ventil 14 des Rohres 13 geöffnet ist, das Abgas über das Rohr 13 dem Brenner 8 zugeführt. Im Brenner 8 wird das Abgas in ein Verbrennungsgas verbrannt, um den Brennprozessor 2 zu heizen, um die Temperatur des Brennprozessors 2 aufrechtzuerhalten.
  • Wenn das System nach der Stromerzeugung gestoppt wird (im Stoppmodus in 5 (Schritt S3)), wird das Gebläse 6 gestoppt, um die Luftzufuhr an die Brennstoffzelle 1 einzustellen, wobei auch die Kühleinrichtung 7 gestoppt wird. Im Brennprozessor 2, der Brennstoffzelle 1, den Gasdurchlässen 11 und 13 und so weiter wird das Durchspülen mittels Wasserdampf, befeuchteter Luft und unbefeuchteter Luft ausgeführt.
  • Wenn das Durchspülen mittels Wasserdampf erfolgt (Schritt S3-1 in 6), dann wird der Durchlassschalter 15 so gestellt, dass der erste Durchlass A gebildet wird, wobei das Ventil 14 wie beim Stromerzeugungsvorgang geöffnet ist. Anschließend wird die Materialzuführungsvorrichtung 4 gestoppt, um die Brenngaszufuhr an den Brennprozessor 2 einzustellen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Brennprozessor 2 weiterhin mit Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 versorgt. Im Inneren des Brennprozessors 2 wird das zugeführte Wasser zu Wasserdampf verdampft. Da jedoch zu diesem Zeitpunkt die Versorgung mit Einsatzgas gestoppt wird, erfolgt keine Reformreaktion im Inneren des Brennprozessors 2. Auf diese Weise verbleibt der Wasserdampf im Inneren des Brennprozessors 2. Durch den Wasserdampf wird das im Inneren des Brennprozessors 2 befindliche Brenngas veranlasst, zum Rohr 11 zu fließen. Anschließend fließt das Brenngas über das Rohr 11 und den ersten Durchlass A und gelangt über die Einlassöffnung 12A in die Brennstoffzelle 1. Dadurch wird das in dem Rohr 11 und das in der Brennstoffzelle 1 befindliche Brenngas nacheinander ausgetrieben. Das Brenngas fließt durch den Brenngasdurchlass 12B in die Brennstoffzelle 1 und wird dann von der Auslassöffnung 12C über das Rohr 13 an den Brenner 8 geleitet. Das auf diese Weise aus dem Brennprozessor 2, dem Rohr 11, der Brennstoffzelle 1 und dem Rohr 13 ausgetriebene Brenngas wird an den Brenner 8 geleitet und zu Verbrennungsgas verbrannt. Wie aus dem Vorstehenden anerkannt werden sollte, wird das Brenngas mittels Wasserdampf aus dem Inneren des Brennprozessors 2 und dem Inneren der Brennstoffzelle 1 ausgespült.
  • Wenn das Durchspülen mittels Wasserdampf andauert, dann verringert sich die Menge an Brenngas, das vom Brennprozessor 2 oder der Brennstoffzelle 1 ausgespült wird schrittweise. Dementsprechend verringert sich auch die Menge des an den Brenner 8 geleiteten Brenngases schrittweise, und mit der Zeit stoppt die Verbrennung im Brenner 8. Da der Brennprozessor 2 während der Stromerzeugung auf einer Temperatur von etwa 700°C gehalten wird, wird der Wasserdampf weiterhin erzeugt, indem die Hitze im Inneren des Brennprozessors 2 verbleibt, ungeachtet dessen, dass im Brenner 8 keine weitere Hitze erzeugt wird. Durch die Verwendung dieses Wasserdampfes, wird das Durchspülen fortgesetzt. Während das Wasserdampfdurchspülen durch die Verwendung der im Brennprozessor 2 verbliebenen Hitze fortgesetzt wird, sinkt die Temperatur des Brennprozessors 2 schrittweise.
  • Im nächsten Schritt wechselt, wenn die Menge des sauberen im Brennprozessor 2 erzeugten Wasserdampfes ausreichend ist, um das Brenngas zumindest aus dem Brennprozessor 2 und der Brennstoffzelle 1 auszutreiben, z.B. im Wesentlichen dem Volumen des Brenngasdurchlasses entspricht, der sich vom Brennprozessor 2 zur Brennstoffzelle 1 erstreckt, wobei die Temperatur des Brennprozessors auf einen Wert sinkt, bei dem der Katalysator innerhalb des besagten Brennprozessors nicht durch die dem Brennprozessor 2 zugeführte Luft oxidiert wird, das Durchspülen mittels Wasserdampfes auf das Durchspülen mittels der befeuchteten Luft (Schritt S3-2 in 6).
  • Der Zeitpunkt, an dem das Durchspülen mittels Wasserdampf auf das Durchspülen mittels der befeuchteten Luft schaltet, kann bestimmt werden, indem die Menge an Wasser, die an den Brennprozessor 2 geliefert werden muss, um den Wasserdampf zu erzeugen, direkt festgestellt wird.
  • Alternativ kann diese Schaltzeit basierend auf dem Zeitpunkt bestimmt werden, an dem dem Brennprozessor 2 Wasser zugeführt wird. Da der Katalysator des Reformers im Brennprozessor 2, wie vorstehend beschrieben, als eine Hauptkomponente Ruthenium enthält, wird die Temperatur festgelegt, bei der keine Verringerung der katalytischen Fähigkeiten auftritt, welche aus der Oxidation des Rutheniums durch Luft resultiert, um ein bestimmtes Sicherheitsmaß zu gewährleisten. Wenn z.B. die Temperatur des Brennprozessors 2 auf 400°C oder tiefer sinkt (hier etwa 400°C), dann wird die befeuchtete Luft an den Brennprozessor 2 geleitet und das Durchspülen mittels der befeuchteten Luft wie folgt durchgeführt. Die Temperatur des Brennprozessors 2 ist nicht zwingend auf das Vorstehende begrenzt, sondern kann wie gewünscht festgelegt werden, da sie abhängig von den festgelegten Bedingungen des Sicherheitsmaßes oder vom Katalysatortyp variieren kann.
  • Wie beim Durchspülen mittels Wasserdampf wird, um das Durchspülen mittels befeuchteter Luft auszuführen, der Schalter 15 so gestellt, dass der erste Durchlass A gebildet wird, wobei das Ventil 14 geöffnet wird. Anschließend wird dem Brennprozessor 2 Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 zugeführt und zu Wasserdampf verdampft. Während der Wasserdampf im Brennprozessor 2 erzeugt wird, wird dem Brennprozessor 2 Luft aus der Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5 zugeführt. Dadurch werden im Brennprozessor 2 der Wasserdampf und die Luft vermischt und zu befeuchteter Luft verdampft. In diesem Fall reagieren das Brenngas und die Luft im Brennprozessor 2 nicht miteinander, da das Brenngas durch das Durchspülen mittels Wasserdampf aus dem Brennprozessor 2 ausgetrieben wurde. Somit ist die Sicherheit gewährleistet.
  • Die befeuchtete Luft enthält die Luft und den Wasserdampf in einem vorgegebenen Verhältnis, so dass ihre Taupunkttemperatur nicht geringer ist als die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 1 bei der Stromerzeugung. Angenommen, die Fließgeschwindigkeit der dem Brennprozessor 2 zugeführten Luft beträgt 10 L/min und die Fließgeschwindigkeit des dem Brennprozessor 2 zuzuführenden Wassers ist auf 3,6 g/min oder höher eingestellt, dann wird dabei die befeuchtete Luft mit einem Taupunkt von 70°C oder höher erzeugt. Wenn die Taupunkttemperatur der befeuchteten Luft auf diese Weise eingestellt wird, dann kondensiert der Wasserdampf zu Wasser, so dass die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 während des Stoppvorgangs der Brennstoffzelle 1 feucht gehalten wird, bei dem die Brennstoffzelle 1 einer Temperaturbedingung unterliegt, die die Betriebstemperatur zur Stromerzeugung nicht übersteigt.
  • Die im Brennprozessor 2 erzeugte befeuchtete Luft fließt durch das Rohr 11 und den Durchlass A und wird der Brennstoffzelle 1 zugeführt. In der Brennstoffzelle 1 fließt die befeuchtete Luft von der Einlassöffnung 12A durch den Brenngasdurchlass 12B zur Auslassöffnung 12C. Wie vorstehend beschrieben, kondensiert die befeuchtete Luft mit einer Taupunkttemperatur von mindestens 70°C im Brenngasdurchlass 12B zu Wasser, da die Temperatur der Brennstoffzelle 1 die Betriebstemperatur zur Stromerzeugung (etwa 70°C) nicht übersteigt. Im gesättigten Zustand fließt die befeuchtete Luft, mit Ausnahme des kondensierten Wassers, durch den Brenngasdurchlass 12B zur Auslassöffnung 12C. Anschließend fließt die befeuchtete Luft von der Auslassöffnung 12C in das Rohr 13, durch das das Brenngas an den Brenner 8 geleitet und daraus abgegeben wird. Dieser Fluss der befeuchteten Luft ermöglicht dem Brenngas in der Brennstoffzelle 1 und dem Rohr 13 zu verbleiben, nach dem es im Wasserdampfdurchspülen daraus ausgetrieben wurde. Deshalb wird das Durchspülen mittels der befeuchteten Luft durchgeführt. Das ausgetriebene Brenngas wird über das Rohr 13 an den Brenner 8 geleitet und nach außen abgegeben. Im Inneren der Brennstoffzelle 1 hält das kondensierte Wasser die Polymerelektrolytmembran feucht.
  • Während des Durchspülens mittels der befeuchteten Luft ist die Verbrennung im Brenner 8 schwach oder andernfalls gestoppt und nach einiger Zeit sinken die Temperaturen des Brennprozessors 2, der Brennstoffzelle 1, den Rohren 11 und 13 usw. Wenn die Temperaturen dieser Teile eine Temperatur unterhalb der Taupunkttemperatur der befeuchteten Luft erreichen, dann kondensiert der in der befeuchteten Luft enthaltene Wasserdampf zu Wasser, das in diesen Teilen zurückbleibt. Es ist wünschenswert, dass das Wasser in der Brennstoffzelle 1 verbleibt, da dieses Wasser die Polymerelektrolytmembran feucht hält. Jedoch kann das im Brennprozessor 2 oder den Rohren 11 und 13 verbleibende Wasser die Gasdurchlässe verstopfen, wodurch z.B. ein instabiler Gasfluss auftreten kann, wenn das System neu gestartet wird. Um das zu vermeiden, wird in dieser Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben (Schritt S3-3 in 6), das Durchspülen mittels befeuchteter Luft in den Teilen außer Brennstoffzelle 1 ausgeführt, um zu verhindern, dass der Wasserdampf zu Wasser kondensiert oder das Wasser nach dem Stopp des Systems im Brennprozessor 2 oder den Rohren 11 und 13 verbleibt.
  • Die befeuchtete Luft, die ausreicht, um Brenngas und Wasserdampf, die sich im Brennprozessor 2, der Brennstoffzelle 1 usw. befinden, daraus auszutreiben, z.B. die befeuchtete Luft, die mindestens der Menge des Volumens des Brennprozessors 2 und des Volumens der Brennstoffzelle 1 entspricht (speziell die Menge, die zwei oder dreimal so groß ist wie die Gesamtsumme) wird veranlasst, wie vorstehend beschrieben, zu fließen. Wenn die Temperatur des Brennprozessors 2 außerdem nicht höher ist als die Temperatur, bei der der Katalysator des Reformers nicht durch die dem Brennprozessor 2 zugeführte Luft oxidiert wird oder nachdem die befeuchtete Luft weiterfließt, bis die Temperatur des Brennprozessors 2 auf diese Temperatur oder noch weiter absinkt, wird der Schalter 15 so gestellt, dass der zweite Durchlass B gebildet wird, der sich über das Rohr 11 erstreckt, um das Rohr 16 zu erreichen, wobei das Ventil 14 geschlossen ist. Anschließend wird die Wasserversorgungsvorrichtung 3 gestoppt, um die Wasserversorgung einzustellen und lediglich Luft aus der Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5 wird dem Brennprozessor 2 weiterhin zugeführt. Da die Wasserversorgung eingestellt wurde, wird im Brennprozessor 2 kein Wasserdampf erzeugt. Unter dieser Bedingung wird die dem Brennprozessor 2 zugeführte Luft nicht befeuchtet. Anschließend fließt diese unbefeuchtete Luft vom Brennprozessor 2 in das Rohr 11 und anschließend über das Rohr 16 und den zweiten Durchlass B in das Rohr 13. Die befeuchtete Luft wird an den Brenner 8 geleitet und nach außen abgegeben. Durch diesen Fluss der unbefeuchteten Luft wird die im Brennprozessor 2 und den Rohren 11 und 13 vorhandene befeuchtete Luft daraus ausgetrieben. Auf diese Weise wird das Durchspülen mittels der unbefeuchteten Luft ausgeführt.
  • Daher wird, da die unbefeuchtete Luft nach dem Durchspülen mittels der unbefeuchteten Luft die befeuchtete Luft im Brennprozessor 2 und den Rohren 11 und 13 ersetzt, der Wasserdampf daran gehindert, im Brennprozessor 2 und den Rohren 11 und 13 zu Wasser zu kondensieren, selbst dann, wenn die Systemkomponenten im Stoppzustand bei geringer Temperatur gehalten werden. Zudem wird das nach dem Durchspülen mittels befeuchteter Luft in den Gasdurchlässen verbleibende Wasser von der unbefeuchteten Luft getrocknet und aus den Durchlässen entfernt. Da das Durchspülen mittels unbefeuchteter Luft in dem Durchlass ausgeführt wird, der die Brennstoffzelle 1 umgeht, wird die unbefeuchtete Luft nicht an die Brennstoffzelle 1 geleitet, wohingegen das beim Durchspülen mittels befeuchteter Luft erzeugte Wasser die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 feucht hält. Folglich ist es möglich, zu verhindern, dass das Wasser in Teilen außer der Brennstoffzelle 1 verbleibt und gleichzeitig die Trocknung der Polymerelektrolytmembran verhindert wird.
  • Nach dem Durchspülen mittels unbefeuchteter Luft wird die Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5 gestoppt, um die Luftzufuhr an den Brennprozessor 2 einzustellen. Dadurch wird eine Reihe an Vorgängen im Stoppvorgang des Systems abgeschlossen und das System gestoppt (Schritt S4 in 5).
  • Da in dieser Ausführungsform das Durchspülen mittels Wasserdampf und anschließend mittels befeuchteter Luft ausgeführt wird, ist es möglich, das Brenngas durch die befeuchtete Luft aus der Brennstoffzelle 1 ausreichend auszutreiben, in der der Wasserdampf zum Kondensieren neigt, da die Temperatur der Brennstoffzelle 1 geringer ist als die Taupunkttemperatur des Wasserdampfes, wobei es die Kondensation erschwert, das Brenngas mittels Wasserdampfdurchspülen ausreichend auszutreiben. Zusätzlich kann, da der in der befeuchteten Luft enthaltene Wasserdampf während des Durchspülens mittels der befeuchteten Luft zu Wasser kondensiert ist, dieses Wasser die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 feucht halten. In diesem Fall verbindet sich die dem Brennprozessor 2 zugeführte befeuchtete Luft nicht direkt mit dem Brenngas, da das zumindest im Brennprozessor 2 befindliche Brenngas durch das Wasserdampfdurchspülen entfernt wurde. Folglich ist die Sicherheit gewährleistet. Da in Teilen, abgesehen von der Brennstoffzelle 1 nach dem Durchspülen mit der befeuchteten Luft das Durchspülen mittels der unbefeuchteten Luft ausgeführt wird, ist es ferner möglich, das im Brennprozessor 2 oder den Rohren 11 und 13 verbleibende Wasser zu entfernen sowie den Wasserdampf, der während des Stoppzeitraums des Systems aus diesen Teile zu Wasser kondensieren und die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 feucht halten würde.
  • Nachstehend wird der Startvorgang (Schritt S1 in 5) des Systems nach dem Stoppzustand mit Bezug auf 7 beschrieben. Beim Start wird als Erstes der Schalter 15 so gestellt, dass der Durchlass A gebildet wird, der sich vom Brennprozessor 2 über das Rohr 11 zur Brennstoffzelle 1 erstreckt, wobei das Ventil 14 geöffnet wird. Zudem wird das Einsatzgas von der Materialzuführungseinrichtung 4 über das Rohr 4a dem Brennprozessor 2 und vom Brennprozessor 2 über das Rohr 11 der Brennstoffzelle 1 zugeführt. In der Brennstoffzelle 1 fließt das Einsatzgas von der Einlassöffnung 12A durch den Brenngasdurchlass 12B zur Auslassöffnung 12C. Das Einsatzgas wird von der Auslassöffnung 12C abgegeben und über das Rohr 13 an den Brenner 8 geleitet. Dieser Fluss des Einsatzgases bewirkt, dass das im Stoppzustand des Systems im Brennprozessor 2, dem Rohr 11, der Brennstoffzelle 1 und dem Rohr 13 verbleibende Gas ausgetrieben wird.
  • Im Brenner 8 wird das Einsatzgas zu Verbrennungsgas verbrannt, um den Brennprozessor 2 zu heizen. In diesem Fall wird der Brennprozessor 2 auf eine Temperatur geheizt, bei der kein Brenngas erzeugt wird (d.h., die Reformreaktion läuft nicht ab), wenn das Einsatzgas und das Wasser dem Brennprozessor 2 zugeführt werden, sondern stattdessen ein befeuchtetes Einsatzgas erzeugt wird, das an anderer Stelle noch beschrieben wird, und der im Einsatzgas enthaltene Kohlenstoff nicht durch Karbonisierung im Brennprozessor 2 abgelagert wird (Schritt S1-1 in 7). Hier wird der Brennprozessor beispielsweise auf etwa 200°C geheizt. In diesem Fall wird die Temperatur des Brennprozessors 2 eingestellt, indem die Materialzuführungsvorrichtung 4 gesteuert wird, um die Menge des dem Brenner 8 zuzuführenden Einsatzgases zu steuern und dabei die im Brenner 8 enthaltenen Wärmeeinheiten einzustellen. Obwohl der Brennprozessor 2 beispielsweise auf etwa 200°C geheizt wird, ist die Temperatur nicht darauf begrenzt, sondern kann abhängig von der inneren Struktur des Brennprozessors 2, der Struktur des Katalysators usw entsprechend eingestellt werden.
  • Wenn die Temperatur des Brennprozessors 2 etwa 200°C erreicht, dann wird dem Brennprozessor 2 über das Rohr 3a Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 zugeführt. Im Brennprozessor 2 wird das Wasser zu Wasserdampf verdampft, der mit dem Einsatzgas vermischt wird, wodurch das befeuchtete Einsatzgas erzeugt wird. Das befeuchtete Einsatzgas wird erzeugt, indem ein Mischungsverhältnis zwischen dem Einsatzgas und dem Wasserdampf eingestellt wird, so dass die Taupunkttemperatur des befeuchteten Einsatzgases den Wert nicht unterschreitet, bis zu dem die Temperatur der Brennstoffzelle 1 während des Startvorgangs ansteigt. Da die Temperatur der Brennstoffzelle 1 auf etwa 80°C ansteigt, wird die Taupunkttemperatur des befeuchteten Einsatzgases auf mindestens 80°C festgelegt. Angenommen, die Fließgeschwindigkeit der dem Brennprozessor 2 zugeführten Luft beträgt beispielsweise 10 L/min und die Fließgeschwindigkeit des dem Brennprozessor 2 zuzuführenden Wassers ist auf 7,1 g/Minute oder höher festgelegt, dann wird die befeuchtete Luft mit einer Taupunkttemperatur von 80°C oder höher erzeugt. Durch die derartige Festlegung der Taupunkttemperatur des befeuchteten Brenngases in der Brennstoffzelle 1 unter einer Temperaturbedingung, die, wie später beschrieben, die Taupunkttemperatur des befeuchteten Brenngases nicht übersteigt, wird der Wasserdampf zu Wasser kondensiert, um die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 feucht zu halten.
  • Das im Brennprozessor 2 erzeugte befeuchtete Einsatzgas wir über das Rohr 11 und den ersten Durchlass A der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Das befeuchtete Einsatzgas fließt von der Einlassöffnung 12A über den Brenngasdurchlass 12B zur Auslassöffnung 12C und wird über das Rohr 13 an den Brenner 8 geleitet und verbrannt. Dieser Fluss des befeuchteten Einsatzgases ermöglicht es, dass die Brennstoffzelle 1 durch das befeuchtete Einsatzgas beheizt wird, um so die Temperatur zu erhöhen (Schritt S1-2 in 7). Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 1 etwa 80°C erreicht, dann wird der Schalter 15 so gestellt, dass der zweite Durchlass B gebildet wird, der die Brennstoffzelle 1 umgeht, wobei das Ventil 14 geschlossen wird. Dadurch wird das befeuchtete Einsatzgas in der Brennstoffzelle 1 eingeschlossen (Schritt S1-3 in 7).
  • Der Grund dafür, dass die Brennstoffzelle 1 auf etwa 80°C und damit höher als die Betriebstemperatur (etwa 70°C) zur Stromerzeugung geheizt wird, liegt darin, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 1 absinken wird, während die Brennstoffzelle 1 belassen wird, bis die Temperatur des Brennprozessors 2 stabil ist. Im Hinblick auf einen derartigen Temperaturabfall, wird festgelegt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 1 auf etwa 80°C ansteigt, so dass die Temperatur der Brennstoffzelle 1 am Ende des Startvorgangs etwa 70°C beträgt, was der Betriebstemperatur zur Stromerzeugung entspricht.
  • Wenn das befeuchtete Einsatzgas wie vorstehend beschrieben im Inneren der Brennstoffzelle 1 eingeschlossen ist, dann kondensiert der in der befeuchteten Luft enthaltene Wasserdampf in der Brennstoffzelle 1 zu Wasser, da die Taupunkttemperatur des befeuchteten Einsatzgases auf 80°C oder höher festgelegt ist. Dieses Wasser kann die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 feucht halten.
  • Durch das im Inneren der Brennstoffzelle 1 eingeschlossene befeuchtete Einsatzgas werden das Einsatzgas und das Wasser dem Brennprozessor 2 solange zugeführt, bis die Temperatur des Brennprozessors 2 einen Wert erreicht, der für die Bildung des Brenngases geeignet ist, z.B. etwa 700°C. Im Brennprozessor 2 wird das befeuchtete Brenngas wie vorstehend beschrieben unter der Bedingung erzeugt, bei der die Temperatur nicht ausreicht, um die Reformreaktion ablaufen zu lassen, wobei jedoch die Reformreaktion durch einen Temperaturanstieg fortschreitet, um das Brenngas zu erzeugen. Das befeuchtete Einsatzgas und das im Brennprozessor 2 erzeugte Brenngas fließen über das Rohr 11 und den zweiten Durchlass B in das Rohr 16. Ferner werden das befeuchtete Einsatzgas und das Brenngas über das Rohr 13 an den Brenner 8 geleitet und darin verbrannt (Schritt S1-4 in 7).
  • In diesem Fall wird die Menge des aus der Materialzuführungsvorrichtung 4 gelieferten Einsatzgases so eingestellt, dass die Temperatur des Brennprozessors 2 etwa 700°C beträgt. Die Menge an aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 gelieferten Wasser wird eingestellt, um im Brennprozessor 2 in der Reformreaktion ein wasserstoffreiches Gas zu erzeugen. Hierin wird die Wassermenge so eingestellt, dass das Wasser fünf- bis sechsmal so viele Wasserstoffatome wie Kohlenstoffatome in der Zusammensetzung eines Erdgases enthält, welches das Einsatzgas darstellt.
  • Im Übrigen weist das erzeugte Brenngas solange eine hohe CO-Konzentration auf, bis die Temperatur des gesamten Brennprozessors 2 stabil ist, nachdem die Temperatur des Brennprozessors 2 die festgelegte Temperatur, z.B. etwa 700°C, erreicht. Wie zuvor beschrieben, wird, wenn das Brenngas mit hoher CO-Konzentration an die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, ihre Leistungsfähigkeit herabgesetzt. Unter Berücksichtigung dessen, wird das im Brennprozessor 2 erzeugte Brenngas mit hoher CO-Konzentration nicht an die Brennstoffzelle 1, sondern über die Rohre 11, 16 und 13 an den Brenner 8 geleitet, bis die Temperatur des Brennprozessors 2 stabil ist.
  • Da das befeuchtete Einsatzgas solange in der Brennstoffzelle 1 eingeschlossen ist, bis die Temperatur des Brennprozessor etwa stabile 700°C erreicht hat, wird die Polymerelektrolytmembran feucht gehalten.
  • Wenn die Temperatur des gesamten Brennprozessors 2 stabile 700°C und die CO-Konzentration im erzeugten Brenngas 20 ppm oder geringer erreicht, wird das Ventil 14 geöffnet. Gleichzeitig wird der Durchlassschalter 15 so gestellt, dass das Brenngas der Brennstoffzelle 1 über das Rohr 11 und den ersten Durchlass A zugeführt wird. Dabei wird das im Brennprozessor 2 erzeugte Brenngas über das Rohr 11 der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Während das Brenngas der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, wird der Brennstoffzelle 1 Luft aus dem Gebläse 6 über das Rohr 6a zugeführt. Dabei erfolgt die Stromerzeugung in der Brennstoffzelle 1 (Schritt S2 in 5) so wie vorstehend beschrieben.
  • Wie aus dem Vorstehenden anerkannt werden sollte, wird in dem System dieser Ausführungsform das Durchspülen während des Stoppvorgangs und des Startvorgangs des Systems ohne den Einsatz eines Inertgases wie Stickstoff ausgeführt, wobei keinerlei Einrichtungen wie Speichereinrichtungen oder Versorgungseinrichtungen für das saubere Inertgas erforderlich sind. Folglich können die Anschaffungs- oder Unterhaltskosten des Systems gesenkt werden. Zudem kann die Lebensdauer der Brennstoffzelle 1 erhalten werden, da verhindert werden kann, dass die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 während des Stopp- und des Startvorgangs trocknet. Ferner wird während des Stoppvorgangs das Durchspülen mittels der befeuchteten Luft und anschließend mittels der unbefeuchteten Luft ausgeführt, wodurch verhindert werden kann, dass die Gasdurchlässe mit dem kondensierten Wasser vollaufen. Folglich kann das System sofort nach dem Neustart stabil arbeiten.
  • In dieser bis hierher beschriebenen Ausführungsform wird das befeuchtete Einsatzgas während des Startvorgangs des Systems veranlasst, zum Durchspülen in die Brennstoffzelle 1 zu fließen und darin eingeschlossen, wohingegen während des Stoppvorgangs des Systems der Wasserdampf, die befeuchtete Luft und die unbefeuchtete Luft veranlasst werden, zum Durchspülen in den Brennprozessor 2, die Brennstoffzelle 1 und die Rohre 11 und 13 und so weiter zu fließen. In der Alternative werden der Startvorgang und der Stoppvorgang nicht unbedingt kombiniert. Zum Beispiel kann der Stoppvorgang nur ausgeführt werden, wenn das System stoppt und der Startvorgang nur, wenn das System startet.
  • (Ausführungsform 2)
  • 2 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das System dieser Ausführungsform in 2 stimmt im Aufbau im Wesentlichen mit dem der ersten Ausführungsform überein, abgesehen davon, dass das System dieser Ausführungsform mit einem Generator für befeuchtete Luft 18 versehen ist, der gebildet wurde, um befeuchtete Luft zu erzeugen, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird.
  • Speziell ist im System dieser Ausführungsform die Wasserversorgungsvorrichtung 3 über ein Rohr 21 mit dem Generator für befeuchtete Luft 18 verbunden und die Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5 über ein Rohr 30 mit dem Generator für befeuchtete Luft 18 verbunden. Der Generator für befeuchtete Luft 18 ist außerdem mit einem Abschnitt des Rohres 11 verbunden, der sich stromabwärts des Schalters 15 im Fluss des Brenngases durch das Rohr 23 befindet. Der Generator für befeuchtete Luft 18 ist mit einer Heizvorrichtung ausgerüstet, um den Generator 18 zu heizen. Der restliche Aufbau stimmt mit dem der ersten Ausführungsform überein.
  • In Bezug auf den Betrieb des Systems ähneln der Stromerzeugungsvorgang (Schritt S2) des Systems in 5 und der Startvorgang (Schritt S1) des Systems in 5 denen der ersten Ausführungsform. Speziell wird beim Stromerzeugungsvorgang (Schritt S2) und beim Startvorgang (Schritt S1) der Generator für befeuchtete Luft 18 gestoppt, wobei die Versorgung des Generators für befeuchtete Luft 18 mit Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 und die Versorgung mit sauberer Luft aus der Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5 eingestellt werden.
  • Nachstehend wird der Stoppvorgang (Schritt S3) beschrieben, der sich von dem der ersten Ausführungsform unterscheidet. Zuerst wird das Wasserdampfdurchspülen ausgeführt wie in der ersten Ausführungsform. Insbesondere der Generator für befeuchtete Luft 18 wird gestoppt, wobei die Versorgung des Generators für befeuchtete Luft 18 mit Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 und die Versorgung mit sauberer Luft aus der Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5 eingestellt werden.
  • Wenn die Menge an im Brennprozessor 2 erzeugtem sauberen Wasserdampf ausreicht, um das zumindest im Brennprozessor 2 und der Brennstoffzelle 1 vorhandene Brenngas daraus auszutreiben, sie zum Beispiel wesentlich dem Volumen des Brenngasdurchlasses entspricht, der sich vom Brennprozessor 2 zur Brennstoffzelle 1 erstreckt, dann schaltet im nächsten Schritt das Durchspülen mittels Wasserdampf auf das Durchspülen mittels befeuchteter Luft (Schritt S3-2 in 6).
  • Wenn das Durchspülen mittels befeuchteter Luft ausgeführt wird, dann wird der Durchlassschalter 15 so gestellt, dass der Durchlass A gebildet wird, wobei das Ventil 14 geöffnet wird. Zudem wird Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 an den Generator für befeuchtete Luft 18 geleitet, in dem der Wasserdampf erzeugt wird. Außerdem wird dem Generator für befeuchtete Luft 18 Luft aus der Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5 zugeführt. Im Generator für befeuchtete Luft 18 werden der Wasserdampf und die Luft vermischt und erzeugen befeuchtete Luft. In diesem Fall reagieren das Brenngas und die Luft in der Brennstoffzelle 1 nicht direkt miteinander, da das Brenngas in der Brennstoffzelle 1 durch das Durchspülen mittels Wasserdampf ausgespült wurde. Folglich ist die Sicherheit gewährleistet.
  • Die Taupunkttemperatur der befeuchteten Luft wird wie in der ersten Ausführungsform festgelegt.
  • Die im Generator für befeuchtete Luft 18 erzeugte befeuchtete Luft wird über das Rohr 23 und das Rohr 11 der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Zudem wird wie in der ersten Ausführungsform das Durchspülen mittels befeuchteter Luft ausgeführt. Wenn die befeuchtete Luft, die nicht geringer ist als das Volumen der Brennstoffzelle 1 oder noch besser das Volumen der Brennstoffzelle 1 zwei- bis dreimal übersteigt, veranlasst wird, in die Brennstoffzelle 1 zu fließen, dann ist das Durchspülen mittels befeuchteter Luft abgeschlossen. Wenn das Durchspülen mittels befeuchteter Luft abgeschlossen ist, wird das Ventil 14 geschlossen, der Generator für befeuchtete Luft 18 gestoppt, die Versorgung des Generator für befeuchtete Luft 18 mit Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 sowie die Versorgung mit sauberer Luft aus der Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5 eingestellt.
  • Wenn die Temperatur des Brennprozessors 2 noch nicht auf den Wert gesunken ist, bei dem nach Beendigung des Durchspülens der Katalysator im Reformer nicht von der dem Brennprozessor 2 zugeführten Luft oxidiert wird, dann wird die Wasserversorgung der Wasserversorgungsvorrichtung 3 an den Brennprozessor fortgesetzt, nachdem der Generator für befeuchtete Luft 18 einen Durchspülvorgang in Gang gesetzt hat. Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, wird, da die Verbrennung im Brenner 8 schwach oder gestoppt ist, das Durchspülen mittels unbefeuchteter Luft in den Teilen außer der Brennstoffzelle 1 ausgeführt, wenn die Temperatur des Brennprozessors 2 auf den Wert absinkt, bei dem der Katalysator im Reformer nicht von der Luft oxidiert wird (Schritt S3-3 in 6).
  • Nach dem Durchspülen mittels der unbefeuchteten Luft wird die Versorgung mit sauberer Luft aus der Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft 5 an den Brennprozessor 2 eingestellt.
  • Dadurch wird eine Reihe von Vorgängen während des Stoppvorgangs des Systems abgeschlossen und das System gestoppt (Schritt S4 in 5).
  • Wie aus dem Vorstehenden anerkannt werden sollte, ist das System dieser Ausführungsform im Gegensatz zur ersten Ausführungsform aufgebaut, um das Durchspülen der Brennstoffzelle 1 mittels der befeuchteten Luft auszuführen, und das Durchspülen aller anderen Teile außer der Brennstoffzelle 1, z.B. des Brennprozessors 2, der Rohre 11 und 13 und des Brenners 8 mittels unbefeuchteter Luft auszuführen, ohne den Einsatz des im Brennprozessor 2 erzeugten Wasserdampfes.
  • (Ausführungsform 3)
  • 3 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem dieser Ausführungsform in 3 stimmt im Wesentlichen mit dem der ersten Ausführungsform überein, abgesehen davon, dass das System dieser Ausführungsform mit einem Generator für befeuchtetes Gas 20 versehen ist, der gebildet wurde, um ein der Brennstoffzelle 1 zuzuführendes befeuchtetes Einsatzgas zu erzeugen sowie einer Vorrichtung zum Heizen von Kühlwasser 25, die gebildet wurde, um die Temperatur der Brennstoffzelle 1 zu erhöhen.
  • In dem System dieser Ausführungsform ist die Wasserversorgungsvorrichtung 3 über das Rohr 21 mit dem Generator für befeuchtetes Gas 20 verbunden und die Materialzuführungsvorrichtung 4 über das Rohr 22 mit dem Generator für befeuchtetes Gas 20 verbunden. Der Generator für befeuchtetes Gas 20 ist außerdem mit einem Abschnitt des Rohres 11 verbunden, der sich stromabwärts des Durchlassschalters 15 im Fluss des Brenngases durch das Rohr 23 befindet. Der Generator für befeuchtetes Gas 20 ist mit einer Heizvorrichtung ausgerüstet, um den Generator 20 zu heizen.
  • Die Kühleinrichtung 7 der Brennstoffzelle 1 dieser Ausführungsform ist so aufgebaut, dass eine Umlaufleitung 24 mit dem Umlaufrohr 7a verbunden ist. Die Umlaufleitung 24 ist vorgesehen, um zu ermöglichen, dass das von der Brennstoffzelle 1 abgegebene Kühlwasser an die Pumpe 7b zurückfließt, um den Wärmeradiator 7c zu umgehen und wieder in die Brennstoffzelle 1 zu fließen. In der Umlaufleitung 24 befinden sich eine Vorrichtung zum Erhitzen des Kühlwassers 25, um das Kühlwasser zu erhitzen und ein Kühlwasserdurchlassschalter 26, um vom Umlaufrohr 7a einen Kühlwasserdurchlass zur Umlaufleitung 24 zu bilden. Hier ist genau wie beim Durchlassschalter 15 ein Dreiwegeventil als Kühlwasserdurchlassschalter 26 vorgesehen.
  • Der Stromerzeugungsvorgang des Systems und der Stoppvorgang des Systems werden wie in der ersten Ausführungsform ausgeführt. Speziell während des Stromerzeugungsvorgangs und des Stoppvorgangs werden der Generator für befeuchtetes Gas gestoppt und die Versorgung des Generators für befeuchtete Luft 20 mit Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 sowie die Versorgung mit Einsatzgas aus der Materialzuführungsvorrichtung 4 eingestellt. Außerdem wird die Vorrichtung zum Erhitzen des Kühlwassers 25 gestoppt und der Kühlwasserdurchlassschalter 26 so gestellt, dass das Kühlwasser, das die Wärme aus der Brennstoffzelle 1 durch Wärmeaustausch wiedererlangt hat, dem Wärmeradiator 7c durch das Umlaufrohr 7a zugeführt werden kann.
  • Währenddessen werden während des Startvorgangs des Systems die Temperatur der Brennstoffzelle 1 und die Temperatur des Brennprozessors 2 einzeln wie nachstehend beschrieben erhöht. Dies kann gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeiten erfolgen. Hier wird angenommen, dass zuerst die Temperatur der Brennstoffzelle 1 und anschließend die Temperatur des Brennprozessors erhöht wird.
  • Wenn zuerst die Temperatur der Brennstoffzelle 1 erhöht wird, dann wird der Kühlwasserdurchlassschalter 26 so gestellt, dass das aus der Brennstoffzelle 1 abgegebene Kühlwasser in das Umlaufrohr 24 fließt und die Vorrichtung zum Erhitzen des Kühlwassers 25 in Betrieb ist. In diesem Aufbau fließt das Kühlwasser, das von der Pumpe 7b unter Druck gesetzt wird, in die Brennstoffzelle 1 und durch das Umlaufrohr 24 zur Pumpe zurück. Das zur Pumpe 7b zurückfließende Kühlwasser wird von der Vorrichtung zum Erhitzen des Kühlwassers 25 erhitzt. Da das von der Vorrichtung zum Erhitzen des Kühlwassers erhitzte Kühlwasser in die Brennstoffzelle 1 fließt, wird die Wärme des Kühlwassers an die Brennstoffzelle 1 abgegeben, wodurch sich die Temperatur der Brennstoffzelle 1 erhöht. Wenngleich das Ventil 14 des Rohres 13 nach Bedarf geöffnet oder geschlossen werden kann, wird es hier geöffnet.
  • Der Generator für befeuchtetes Gas 20 wird nun gestoppt und die Versorgung des Generators für befeuchtetes Gas 20 mit Wasser sowie die Versorgung des Generators für befeuchtetes Gas 20 mit Einsatzgas werden eingestellt.
  • Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 1 etwa 70°C erreicht, dann wird die Wasserversorgungsvorrichtung 3 betrieben, um zu ermöglichen, dass dem Generator für befeuchtetes Gas 20 Wasser über das Rohr 21 zugeführt werden kann. Gleichzeitig wird die Materialzuführungsvorrichtung betrieben, um zu ermöglichen, dass dem Generator für befeuchtetes Gas 20 Einsatzgas über das Rohr 22 zugeführt werden kann. Im Generator für befeuchtetes Gas 20 wird das Wasser von einer Heizvorrichtung (nicht dargestellt) erhitzt und zu Wasserdampf verdampft, der mit dem Einsatzgas vermischt wird, wodurch befeuchtetes Einsatzgas erzeugt wird.
  • Hier wird ein Verhältnis zwischen der Menge an dem Generator für befeuchtetes Gas 20 zugeführten Einsatzgas und Wasser so eingestellt, dass die Taupunkttemperatur des im Generator für befeuchtetes Gas 20 erzeugten befeuchteten Einsatzgases den Wert, bis zu dem die Temperatur der Brennstoffzelle 1 für den Startvorgang erhöht wird, nicht unterschreitet. In diesem Fall wird die Temperatur der Brennstoffzelle 1 bis zur Betriebstemperatur zur Stromerzeugung, z.B. etwa 70°C erhöht. Da festgelegt wurde, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 1 auf etwa 70°C erhöht wird, wird dem Generator für befeuchtetes Gas 20 Wasser mit einer Fließgeschwindigkeit von 3,6 g/min oder höher zugeführt in Bezug auf die Fließgeschwindigkeit 10 L/min des Einsatzgases, so dass die Taupunkttemperatur des Einsatzgases 70°C oder mehr erreicht.
  • Das im Generator für befeuchtetes Gas 20 erzeugte befeuchtete Einsatzgas wird durch die Rohre 23 und 11 an die Brennstoffzelle 1 geleitet. In der Brennstoffzelle 1 fließt das befeuchtete Einsatzgas von der Brenngaseinlassöffnung 12A durch den Brenngasdurchlass 12B zur Auslassöffnung 12C und wird über das Rohr 13 an den Brenner 8 geleitet und darin verbrannt. Dieses befeuchtete Einsatzgas spült die im Rohr 11, der Brennstoffzelle 1 und dem Rohr 13 befindlichen Gase im Stoppzustand des Systems aus.
  • Wenn das vom Generator für befeuchtetes Gas 20 an die Brennstoffzelle 1 geleitete befeuchtete Einsatzgas ausreicht, um die Gase aus der Brennstoffzelle 1 auszutreiben, wenn zum Beispiel das befeuchtete Einsatzgas dem Volumen des Brenngasdurchlasses 12B im Inneren der Brennstoffzelle 1 entspricht, dann werden die Wasserversorgungsvorrichtung 3 und die Materialzuführungsvorrichtung 4 gestoppt, um die Versorgung des Generators für befeuchtetes Gas 20 mit Wasser und Einsatzgas einzustellen, wobei auch der Generator für befeuchtetes Gas 20 gestoppt wird. Gleichzeitig wird das Ventil 14 geschlossen, wodurch das befeuchtete Einsatzgas im Brenngasdurchlass 12B der Brennstoffzelle 1 eingeschlossen wird.
  • Das befeuchtete Einsatzgas ist solange in der Brennstoffzelle 1 eingeschlossen, bis die Temperatur des Brennprozessors 2 stabile 700°C erreicht hat (im Folgenden wird dieser Zeitraum als Temperaturerhöhungszeitraum des Brennprozessors bezeichnet). Während des Temperaturerhöhungszeitraums werden die Wärmeeinheiten des erhitzten Kühlwassers von der Vorrichtung zum Erhitzen des Kühlwassers 25 so eingestellt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 1 bei etwa 70°C gehalten wird, was der Betriebstemperatur zur Stromerzeugung entspricht. Da die Taupunkttemperatur des im Brenngasdurchlass 12B eingeschlossenen befeuchteten Einsatzgases 70°C nicht unterschreitet, kondensiert der im befeuchteten Brenngas enthaltende Wasserdampf wie vorstehend beschrieben in der bei etwa 70°C gehaltenen Brennstoffzelle 1 zu Wasser. In der Brennstoffzelle 1 kann dieses Wasser die Polymerelektrolytmembran feucht halten. Folglich kann verhindert werden, dass die Polymerelektrolytmembran während des Temperaturerhöhungszeitraums trocknet.
  • Anschließend wird, während das befeuchtete Brenngas in der Brennstoffzelle 1 eingeschlossen ist, die Temperatur des Brennprozessors 2 durch die Hitze aus dem Brenner 8 erhöht. In diesem Fall wird der Durchlassschalter 15 so gestellt, dass der zweite Durchlass B gebildet wird, der sich über das Rohr 11 erstreckt, um durch die Umlaufleitung 16 das Rohr 13 zu erreichen, wobei das Ventil 14 des Rohres 13 geschlossen bleibt. Zudem werden Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 über das Rohr 3a an den Brennprozessor 2 und Einsatzgas aus der Materialzuführungsvorrichtung 4 über das Rohr 4a an den Brennprozessor 2 geleitet.
  • Im Inneren des Brennprozessors 2 wird, da die Temperatur im Anfangsstadium relativ niedrig ist, das Wasser nicht zu Wasserdampf verdampft, sondern bleibt flüssig. Aus diesem Grund fließt im Anfangsstadium das Einsatzgas im Inneren des Brennprozessors 2, nicht aber das Wasser. Ferner fließt das Einsatzgas über das Rohr 11 und die Umlaufleitung 16 und wird über das Rohr 13 dem Brenner 8 zugeführt. Das Einsatzgas wird im Brenner 8 verbrannt. Dadurch steigt die Temperatur des Brennprozessors 2. Zusätzlich ermöglicht der Fluss des Einsatzgases das Durchspülen des Brennprozessors 2, des Rohres 11, der Umlaufleitung 16 und des Rohres 13.
  • Wenn die Temperatur des Brennprozessors 2 auf mindestens 100°C angestiegen ist, wird das dem Brennprozessor 2 zugeführte Wasser zu Wasserdampf verdampft. Wenn sich die Temperatur des Brennprozessors 2 außerhalb des Bereiches bewegt, in dem die Reformreaktion erfolgt, wird der Wasserdampf mit dem Einsatzgas vermischt, wobei das befeuchtete Einsatzgas erzeugt wird. Das befeuchtete Einsatzgas wird über das Rohr 11, die Umlaufleitung 16 und das Rohr 13 an den Brenner 8 geleitet und dort verbrannt. Andererseits werden, wenn die Temperatur des Brennprozessors 2 weiter ansteigt, der Wasserdampf und das Einsatzgas für die Reformreaktion verwendet. Dabei wird wasserstoffreiches Gas erzeugt.
  • Die Temperatur des Brennprozessors 2 wird auf einen Wert erhöht, bei dem die Reformreaktion wirksam und stabil abläuft, z.B. bei etwa 700°C. In diesem Fall wird die Menge des aus der Materialzuführungsvorrichtung 4 zuzuführenden Einsatzgases so eingestellt, dass die Temperatur des Brennprozessors 2 etwa 700°C erreicht. Die Menge an aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 gelieferten Wasser wird ebenfalls so eingestellt, dass das Wasser etwa fünf bis sechs mal so viele Wasserstoffatome wie Kohlenstoffatome wie das Einsatzgas enthält, damit das Verhältnis des im Brenngas enthaltenen Wasserstoffs, der im Brennprozessor erzeugt wurde, ansteigt.
  • Anschließend wird, wenn der Brennprozessor 2 stabile etwa 700°C und eine CO-Konzentration des erzeugten Brenngases von 20 ppm oder weniger erreicht hat, das Ventil 14 geöffnet. Außerdem wird der Durchlassschalter 15 so gestellt, dass der erste Durchlass A gebildet wird, der sich vom Brennprozessor 2 über das Rohr 11 zur Brennstoffzelle 1 erstreckt. Dadurch wird das im Brennprozessor 2 erzeugte Brenngas über das Rohr 11 zur Brennstoffzelle 1 geleitet. Dieses Brenngas bewirkt, dass das im Brenngasdurchlass 12B der Brennstoffzelle 1 und des Rohres 13 eingeschlossene befeuchtete Einsatzgas daraus ausgetrieben und über das Rohr 13 an den Brenner 8 geleitet wird. Auch das Brenngas wird über das Rohr 13 an den Brenner 8 geleitet, während es das befeuchtete Einsatzgas austreibt. Das an den Brenner 8 geleitete befeuchtete Einsatzgas und das Brenngas werden für die Verbrennung verbraucht.
  • Nachdem das Brenngas das eingeschlossene befeuchtete Einsatzgas ausreichend ersetzt hat, wird Luft aus dem Gebläse 6 über das Rohr 6a der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Außerdem wird die Vorrichtung zum Erhitzen des Kühlwassers 25 gestoppt und der Kühlwasserdurchlassschalter 26 so gestellt, dass das von der Brennstoffzelle 1 abgegebene Kühlwasser an den Wärmeradiator 10 und nicht an die Umlaufleitung 24 geleitet wird. Dabei wird wie in der ersten Ausführungsform die Stromerzeugung in der Brennstoffzelle 1 ausgeführt.
  • Wie aus dem Vorstehenden anerkannt werden sollte, werden auch in dieser Ausführungsform, da das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem dieser Ausführungsform wie in der ersten Ausführungsform während des Stoppvorgangs des Systems betrieben wird, die in der ersten Ausführungsform erreichten Effekte erzielt. Zusätzlich dazu kann, da das befeuchtete Einsatzgas während des Temperaturerhöhungszeitraums des Startvorgangs des Systems im Brenngasdurchlass 12B der Brennstoffzelle 1 eingeschlossen ist, verhindert werden, dass die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 während dieses Zeitraums trocknet. Folglich kann die Lebensdauer der Brennstoffzelle 1 verbessert werden. Da das befeuchtete Einsatzgas ferner an die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, nachdem die Temperatur der Brennstoffzelle 1 auf etwa 70°C angestiegen ist, wird verhindert, dass das befeuchtete Einsatzgas abhängig von der Temperatur der Brennstoffzelle 1 teilweise kondensiert. Dadurch kann der befeuchtete Zustand in der Brennstoffzelle 1 vor der Stromerzeugung stabil gehalten werden.
  • Ferner wird in dieser Ausführungsform die Temperatur der Brennstoffzelle 1 erhöht, indem sie von der vom Brennprozessor 2 unabhängigen Vorrichtung zum Erhitzen des Kühlwassers 25 und nicht durch Verwendung des aus dem Brennprozessor 2 gelieferten befeuchteten Einsatzgases erwärmt wird, wobei das an die Brennstoffzelle 1 geleitete befeuchtete Einsatzgas im Gegensatz zur ersten Ausführungsform im vom Brennprozessor 2 unabhängigen Generator für befeuchtetes Brenngas 20 erzeugt wird. Somit ist es im Gegensatz zur ersten Ausführungsform nicht notwendig, den Brennprozessor 2 auf 200°C zu heizen, um die Temperatur der Brennstoffzelle 1 zu erhöhen oder das befeuchtete Einsatzgas zu erzeugen. Folglich können die Temperatur des Brennprozessors 2 und die Temperatur der Brennstoffzelle 1 separat, effizient und schnell auf bestimmte Werte erhöht werden und dadurch das System schnell in Gang gesetzt werden.
  • Es sollte anerkannt werden, dass der Stoppvorgang des Systems in dieser Ausführungsform dem in der ersten Ausführungsform beschriebenen Vorgang ähnelt. Jedoch kann typischerweise während des Stoppzustandes der Brennstoffzelle 1 Luft in das Innere der Brennstoffzelle 1 gelangen. Daher ist der Startvorgang des Systems dieser Ausführungsform ungeachtet des Stoppvorgangs der Brennstoffzelle 1 hilfreich, um ein Trocknen der Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 zu verhindern.
  • (Ausführungsform 4)
  • 4 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das System dieser Ausführungsform in 4 unterscheidet sich in folgender Hinsicht von dem der dritten Ausführungsform.
  • In der dritten Ausführungsform werden der Wasserdampf und das Einsatzgas im Generator für befeuchtetes Gas 20 vermischt, wodurch das befeuchtete Einsatzgas erzeugt wird, während in der vierten Ausführungsform der Wasserdampf in einem Wasserdampfgenerator 27 erzeugt wird und der Wasserdampf mit dem Einsatzgas vermischt wird, das über den Brennprozessor 2 in die Brennstoffzelle 1 gelangt ist, wodurch das befeuchtete Einsatzgas erzeugt wird.
  • Zu diesem Zweck befindet sich in dem System dieser Ausführungsform der Wasserdampfgenerator 27 im Rohr 3a und ist mit einem Abschnitt des Rohres 11 verbunden, der sich stromabwärts des Durchlassschalters 15 im Fluss des Brenngas durch ein Rohr 28 befindet. Der Wasserdampfgenerator 27 ist mit einer Heizvorrichtung versehen, um den Generator 27 zu heizen.
  • Der Stromerzeugungsvorgang und der Stoppvorgang des so aufgebauten Systems sind identisch mit denen der dritten Ausführungsform. Hier wird der Wasserdampfgenerator 27 während des Stromerzeugungsvorgangs und des Stoppvorgangs gestoppt.
  • Während des Startvorgangs des Systems wird indessen die Temperatur der Brennstoffzelle 1 und die Temperatur des Brennprozessors 2 erhöht wie nachstehend beschrieben. Wie in der dritten Ausführungsform wird auch hier davon ausgegangen, dass zuerst die Temperatur der Brennstoffzelle 1 und anschließend die Temperatur des Brennprozessors 2 erhöht wird. Alternativ dazu kann dies auch gleichzeitig oder in umgekehrter Reihenfolge erfolgen.
  • Die Temperatur der Brennstoffzelle 1 wird wie in der dritten Ausführungsform erhöht, mit folgender Ausnahme. Während die Brennstoffzelle 1 von der Vorrichtung zum Erhitzen des Kühlwassers 25 geheizt wird, wird der Wasserdampfgenerator 27 gestoppt und die Versorgung des Wasserdampfgenerators 27 mit Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 eingestellt. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 1 etwa 70°C erreicht, wird der Wasserdampfgenerator 27 in Gang gesetzt. Dann wird dem Wasserdampfgenerator 27 Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 über das Rohr 3a zugeführt und dem Brennprozessor 2 das Einsatzgas aus der Materialzuführungsvorrichtung 4 über das Rohr 4a zugeführt. Im Wasserdampfgenerator 27 wird das Wasser erhitzt und zu Wasserdampf verdampft, der über das Rohr 28 an das Rohr 11 geleitet wird. Währenddessen wird das dem Brennprozessor 2 zugeführte Einsatzgas an das Rohr 11 geleitet und mit dem Wasserdampf vermischt, der über das Rohr 28 an eine Stelle stromabwärts des Punktes geleitet wird, an dem das Rohr 11 mit dem Rohr 28 verbunden ist. Wie in der dritten Ausführungsform ist die Taupunkttemperatur des befeuchteten Einsatzgases, das beim Mischen von Wasserdampf und Brenngas erzeugt wird, festgelegt. Beispielsweise wird hier davon ausgegangen, dass das Wasser aus der Wasserversorgungsvorrichtung 3 dem Wasserdampfgenerator 27 bei einer Fließgeschwindigkeit von 3,6 g/min oder höher zugeführt wird, in Bezug auf die Fließgeschwindigkeit von 10 L/min des dem Brennprozessor 2 aus der Materialzuführungsvorrichtung 4 zugeführten Einsatzgases, so dass die Taupunkttemperatur des befeuchteten Einsatzgases 70°C oder mehr erreicht.
  • Das auf diese Weise erzeugte befeuchtete Einsatzgas wird über das Rohr 11 der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Der folgende Vorgang zum Einschließen des befeuchteten Einsatzgases im Inneren der Brennstoffzelle 1 wird genau wie in der dritten Ausführungsform ausgeführt. Daher wird die Temperatur des Brennprozessors 2 erhöht, nachdem die Temperatur der Brennstoffzelle 1 erhöht und das befeuchtete Einsatzgas im Inneren der Brennstoffzelle 1 eingeschlossen wurde. Der Vorgang zum Erhöhen der Temperatur des Brennprozessors 2, wird ebenfalls genauso wie in der dritten Ausführungsform ausgeführt.
  • Da das der Brennstoffzelle 1 zuzuführende befeuchtete Einsatzgas mithilfe des Wasserdampfgenerators 27 erzeugt wird, werden die in der dritten Ausführungsform erreichten Effekte auch im System dieser Ausführungsform erzielt.
  • Im Hinblick auf die vorstehende Beschreibung werden den Experten auf diesem Gebiet zahlreiche Modifizierungen und alternative Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich werden. Dementsprechend ist die Beschreibung nur illustrativ auszulegen und vorgesehen, um Experten auf diesem Gebiet zu erläutern, wie die Erfindung bestmöglich ausgeführt wird. Die Einzelheiten des Aufbaus jedoch können verändert werden, wobei sämtliche Modifikationen, die in den Anwendungsbereich der beigefügten Patentansprüche fallen, vorbehalten sind.

Claims (8)

  1. Ein Brennstoffzellenstromerzeugungssystem, umfassend: einen Brennprozessor, gebildet, um ein Material mit Hilfe von Wasser und einem Reforming-Katalysator in Brenngas mit Wasserstoff umzuformen; eine Brennstoffzelle, gebildet, um mit Hilfe eines oxidierenden Gases und des Brenngases Strom zu erzeugen; einen Brenner, gebildet, um das in der besagten Brennstoffzelle unverbrauchte Brenngas zu verbrennen, um den besagten Brennprozessor aufzuheizen; einen Durchlass für das Brenngas, der mit dem besagten Brennprozessor, der besagten Brennstoffzelle und dem besagten Brenner verbunden ist; eine Wasserversorgungsvorrichtung, gebildet, um dem besagten Brennprozessor Wasser zuzuführen; eine Materialzuführungsvorrichtung, gebildet, um dem besagten Brennprozessor Material zuzuführen; eine Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft, gebildet, um dem besagten Brennprozessor saubere Luft zuzuführen, die das Brenngas reinigt; und eine Steuerungseinrichtung, die gebildet ist, um die besagte Wasserversorgungsvorrichtung zu steuern, so dass ein erstes Durchspülen ausgeführt wird, indem Wasserdampf im Inneren des besagten Brennprozessors und im Inneren der besagten Brennstoffzelle verwendet wird, dann, die besagte Wasserversorgungsvorrichtung und die besagte Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft zu steuern, so dass ein zweites Durchspülen ausgeführt wird, indem befeuchtete Luft im Inneren der besagten Brennstoffzelle verwendet wird, und die besagte Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft zu steuern, so dass ein drittes Durchspülen ausgeführt wird, indem unbefeuchtete Luft im Inneren des besagten Brennprozessors verwendet wird, während eines Haltevorgangs des besagten Brennstoffzellenstromerzeugungssystem.
  2. Das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei das besagte zweite Durchspülen zu einem Zeitpunkt in Gang gesetzt wird, an dem während des ersten Durchspülens Wasserdampf zugeführt wird, der mindestens so ein Volumen aufweist wie der vom besagten Brennprozessor bis zur besagten Brennstoffzelle reichende Gasdurchlass.
  3. Das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei das besagte dritte Durchspülen zu einem Zeitpunkt durchgeführt wird, an dem die Temperatur des besagten Brennprozessors maximal die Temperatur erreicht, bei der ein Reforming-Katalysator innerhalb des besagten Brennprozessors nicht durch die dem besagten Brennprozessor zugeführte Luft abgebaut wird.
  4. Das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei das besagte erste Durchspülen so ausgeführt wird, dass der Wasserdampf in dem besagten Brennprozessor durch das von der Wasserversorgungsvorrichtung zugeführte Wasser erzeugt wird, wobei das zumindest im besagten Brennprozessor befindliche Brenngas vom dem besagten Brennprozessor gereinigt wird, indem der Wasserdampf zumindest in dem besagten Brennprozessor strömt, das besagte zweite Durchspülen so ausgeführt wird, dass das Wasser und die Luft dem besagten Brennprozessor entsprechend aus der Wasserversorgungsvorrichtung und der besagten Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft zugeführt und vermischt werden, um darin die befeuchtete Luft zu bilden, wobei sich das in dem besagten Brennprozessor, in der besagten Brennstoffzelle und dem besagten Brenngasdurchlass befindliche Brenngas davon durchspült wird, indem die befeuchtete Luft innerhalb des besagten Brennprozessors, der besagten Brennstoffzelle und dem besagten Brenngasdurchlass fließt, und das besagte dritte Durchspülen so ausgeführt wird, dass die besagte Wasserversorgungsvorrichtung ausgeschaltet wird, um die Wasservorsorgung des besagten Brennprozessors einzustellen und dem besagten Brennprozessor Luft zuzuführen, wobei die im Inneren des besagten Brennprozessors und im besagten Brenngasdurchlass befindliche befeuchtete Luft davon durchspült wird, indem die unbefeuchtete Luft im Inneren des besagten Brennprozessors und des besagten Brenngasdurchlasses fließt.
  5. Das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei der besagte Brenngasdurchlass beinhaltet: einen ersten Durchlass, durch den der besagte Brennprozessor mit der besagten Brennstoffzelle verbunden ist, einen zweiten Durchlass, durch den die besagte Brennstoffzelle mit dem besagten Brenner verbunden ist, einen dritten Durchlass mit Endbereichen, die jeweils mit dem ersten oder zweiten Durchlass verbunden sind, wobei der erste Durchlass durch den dritten Durchlass so mit dem zweiten Durchlass verbunden ist, dass er die besagte Brennstoffzelle umgeht, einen Durchlassschalter, gebildet, um zwischen dem Brennstoffzelldurchlass und dem Brennstoffzellumgehungsdurchlass zu wechseln, wobei sich der Brennstoffzelldurchlass vom besagten Brennprozessor über den ersten Durchlass zur besagten Brennstoffzelle erstreckt und der Brennstoffzellumgehungsdurchlass vom besagten Brennprozessor über den ersten Durchlass, den dritten Durchlass und den zweiten Durchlass bis zum besagten Brenner erstreckt und ein Ventil, das im zweiten Durchlass bereitgestellt ist, um sich stromaufwärts eines Punktes im Brenngasstrom zu befinden, wo der zweite Durchgang mit dem dritten Durchlass verbunden ist, wobei während des besagten dritten Durchspülens das Ventil geschlossen und der Durchlassschalter so gestellt ist, dass er den Brennstoffzellumgehungsdurchlass bildet, um zu veranlassen, dass die unbefeuchtete Luft vom besagten Brennprozessor zum besagten Brenner so durch den Brennstoffzellumgehungsdurchlass strömt, dass sie die besagte Brennstoffzelle umgeht.
  6. Das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei die Taupunkttemperatur der beim besagten zweiten Durchspülen verwendeten befeuchteten Luft nicht geringer ist als die Betriebstemperatur der besagten Brennstoffzelle bei der Stromerzeugung.
  7. Das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 4, wobei das besagte erste Durchspülen auf das besagte zweite Durchspülen geschaltet wird, wenn die Menge an in dem besagten Brennprozessor erzeugten Wasserstoff mindestens die Menge eines Brenngasdurchlasses erreicht, gebildet in besagtem Brennprozessor, wobei die Temperatur des besagten Brennprozessors zu der Temperatur wird, bei der der Katalysator innerhalb des besagten Brennprozessors nicht durch die Luft im besagten ersten Durchspülen oxidiert wird.
  8. Das Brennstoffzellenstromerzeugungssystem nach Anspruch 4, wobei das besagte zweite Durchspülen auf das besagte dritte Durchspülen geschaltet wird, wenn die Menge an Luft, die von der Vorrichtung zur Versorgung mit sauberer Luft an den besagten Brennprozessor geliefert wird, die Menge an Volumen des Brenngases im Durchlass innerhalb des besagten Brennprozessors und eines Brenngasdurchlasses innerhalb der besagten Brennstoffzelle im besagten zweiten Durchspülen nicht unterschreitet.
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