DE60222962T2

DE60222962T2 - Brennstoffzellenkraftanlage mit Reformer

Info

Publication number: DE60222962T2
Application number: DE60222962T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Yokosuka-shi Matoba
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2022-03-23
Also published as: US6955860B2; EP1248312B1; DE60222962D1; JP3700603B2; US20020146604A1; EP1248312A3; JP2002305012A; EP1248312A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Aufheizen eines Reformers eines Brennstoffzellenantriebs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei einem Brennstoffzellenantrieb, der ein wasserstoffreiches Gas verwendet, das durch Reformieren von Benzin oder Methanol durch einen Reformer erzeugt wurde, ist es erforderlich, den Reformer unverzüglich aufzuheizen, wenn der Antrieb zu laufen beginnt.
Tokkai 2000-63104 , veröffentlicht durch das japanische Patentamt im Jahr 2000, offenbart eine Anfahr-Brennkammer, die das Aufheizen des Reformers fördert, indem ein Hochtemperaturgas bereitgestellt wird, das durch eine Verbrennung eines Brennstoffs erzeugt wurde. Die Brennkammer verwendet eine Glühkerze, um den von einem Injektor in eine Brennkammer eingespritzten Brennstoff zu zünden, und transferiert das resultierende Verbrennungsgas an den Reformer, um einen Reformierungskatalysator im Reformer zu aktivieren.
Sobald der Reformierungskatalysator durch das Hochtemperatur-Verbrennungsgas aktiviert ist, hält der Reformierungskatalysator eine Aktivierungstemperatur mit der Wärme der Reaktionen aufrecht, die aus dem Reformieren von verdampftem Brennstoff resultiert. Demzufolge ist ein Erhitzen mit dem Verbrennungsgas nicht länger erforderlich. Wenn der Reformie rungskatalysator eine Aktivierungstemperatur erreicht, stoppt die Anfahr-Brennkammer die Brennstoff-Einspritzung durch den Brennstoff-Injektor.
EP 1 069 637 A2 offenbart ein Verfahren zur Steuerung/Regelung der Wärmeabgabe einer Brennkammer in einem Brennstoffzellenaggregat an eine Brennstoffanlage, wobei die Brennkammer doppelte Lufteinlass-Strömungen mit atmosphärischer Luft aufweist und das Brennstoffzellen-Kathodenabwasser sauerstoffarme Luft enthält. In allen Betriebsarten wird ein Enthalpiegleichgewicht bereitgestellt, indem die Menge der Luftstromströmung zur Brennkammer geregelt wird, um den Wärmebedarf der Brennstoffzellenanlage zu unterstützen. Eine Steuerung/Regelung stellt eine rasche Fast-Forward-Änderung in einem Luftventil-Düsenquerschnitt als Reaktion auf einen berechneten vorgegebenen Luftstrom, die molaren Bestandteile des Luftstroms zur Brennkammer, den Druckabfall am Luftventil und eine Nachschlagetabelle für die Düsenquerschnittsfläche und Ventilschritte bereit. Eine Rückkopplungsschleife nimmt eine Feineinstellung jedes Fehlers zwischen dem gemessenen Luftstrom zur Brennkammer und dem vorgegebenen Luftstrom vor.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Selbst wenn die Brennstoff-Einspritzung durch den Brennstoff-Injektor gestoppt wird, hört die Verbrennung in der Brennkammer aufgrund des restlichen eingeschlossenen Brennstoffs in der Brennkammer nicht sofort auf.
Wenn die Verbrennung in der Brennkammer während dem Aufheizen unter einem fetten Luft-Brennstoffgemisch durchgeführt wird, verändert sich das Luft-Brennstoffgemisch von fett auf mager, nachdem die Brennstoff-Einspritzung gestoppt wurde, da eingeschlossener Brennstoff verbrannt wurde.
Sofern die Menge des Brennstoffs von einem fetten Luft-Brennstoffverhältnis bei einer konstanten Luftzuführung reduziert wird, wird ein Verbrennungsgas mit einer maximalen Temperatur erzeugt, wenn das Luft-Brennstoffverhältnis in ein stöchiometrisches Luft-Brennstoffverhältnis fällt.
Nachdem die Brennstoff-Einspritzung gestoppt wurde, kann aufgrund der Verbrennung des restlichen Brennstoffs demzufolge die Temperatur des Verbrennungsgases einem großen Anstieg ausgesetzt sein. Wenn ein solches Hochtemperatur-Verbrennungsgas zum Reformierungskatalysator transferiert wird, der schon die Aktivierungstemperatur erreicht hat, kann die Temperatur des Reformierungskatalysators den Aktivierungstemperaturbereich überschreiten und die Leistung des Katalysators kann nachteilig beeinflusst werden.
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, eine Einrichtung bereitzustellen, um eine Verschlechterung bei der Leistung des Katalysators aufgrund der überschüssigen Wärme zu verhindern, nachdem die Brennstoff-Einspritzung zur Brennkammer gestoppt wurde.
Die Aufgabe wird durch die Verbrennung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bis 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Der Brennstoffzellenantrieb weist einen Reformer mit einem Reformierungskatalysator, der das wasserstoffhaltige Refomatgas aus einem Ausgangsmaterial in einem vorgegebenen Aktivierungstemperaturbereich erzeugt; eine Anfahr-Brennkammer, die ein Gasgemisch aus Brennstoff und Luft verbrennt, und ein resultierendes Verbrennungsgas dem Reformer zuführt, um den Reformer auf den Aktivierungstemperaturbereich aufzuheizen; eine Luft-Zuführungsvorrichtung, die der Anfahr-Brennkammer Luft zuführt; eine Brennstoff-Zuführungsvorrichtung, die der Anfahr-Brennkammer Brennstoff zuführt; einen Sensor, der den Abschluss des Aufheizens des Reformers erfasst, und ein programmierbares Steuergerät auf.
Das programmierbare Steuergerät ist programmiert, um eine Brennstoff-Zuführungsmenge der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung und eine Luft-Zuführungsmenge der Luft-Zuführungsvorrichtung zu steuern, um ein Luft-Brennstoffverhältnis des gasförmigen Gemischs auf einem vorgegebenen Wert abweichend von einem stöchiometrischen Luft-Brennstoffverhältnis zu halten, und die Brennstoff-Zuführungsmenge der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung und die Luft-Zuführungsmenge der Luft-Zuführungsvorrichtung zu steuern/zu regeln, um eine Differenz des stöchiometrischen Luft-Brennstoffgemischs und des Luft-Brennstoffverhältnisses des gasförmigen Gemischs hervorzurufen, die größer als eine Differenz des vorgegebenen Werts und des stöchiometrischen Luft-Brennstoffverhältnisses im Zeitraum nach Abschluss des Aufheizens des Reformers sein soll, bis eine Verbrennung des gasförmigen Gemischs aufhört.
Diese Erfindung stellt auch ein Steuerungsverfahren für einen Brennstoffzellenantrieb bereit, der eine Energieerzeugung unter Verwendung eines wasserstoffhaltigen Reformatgases durchführt, wobei der Brennstoffzellenantrieb einen Reformer mit einem Reformierungskatalysator, der das wasserstoffhaltige Refomatgas aus einem Ausgangsmaterial in einem vorgegebenen Aktivierungstemperaturbereich erzeugt, eine Anfahr-Brennkammer, die ein Gasgemisch aus Brennstoff und Luft verbrennt, und ein resultierendes Verbrennungsgas dem Reformer zuführt, um den Reformer auf den Aktivierungstemperaturbereich aufzuheizen, eine Luft-Zuführungsvorrichtung, die der Anfahr-Brennkammer Luft zuführt, und eine Brennstoff-Zuführungsvorrichtung umfasst, die der Anfahr-Brennkammer Brennstoff zuführt.
Das Verfahren weist das Erfassen des Abschlusses des Aufheizens des Reformers, das Steuern einer Brennstoff-Zuführungsmenge der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung und einer Luft-Zuführungsmenge der Luft-Zuführungsvorrichtung, um ein Luft-Brennstoffverhältnis des gasförmigen Gemischs an einem vorgegebenen Wert abweichend von einem stöchiometrischen Luft-Brennstoffverhältnis (S1) zu halten, und das Steuern der Brennstoff-Zuführungsmenge der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung und der Luft-Zuführungsmenge der Luft-Zuführungsvorrichtung auf, um eine Differenz des stöchiometrischen Luft-Brennstoffverhältnisses und des Luft-Brennstoffverhältnisses des gasförmigen Gemischs hervorzurufen, die größer als eine Differenz des vorgegebenen Werts und des stöchiometrischen Luft-Brennstoffverhältnisses im Zeitraum nach Abschluss des Aufheizens des Reformers sein soll, bis eine Verbrennung des gasförmigen Gemischs beendet ist.
Die Details sowie weitere Merkmale und Vorzüge dieser Erfindung werden im Rest der Beschreibung dargelegt und sind in der anliegenden Zeichnung dargestellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenantriebs.
2 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Abschaltroutine der Anfahr-Brennkammer beschreibt, das von einem erfindungsgemäßen Steuergerät durchgeführt wird.
3A – 3C sind Zeitdiagramme, die eine Veränderung des Luft-Brennstoffverhältnisses in der Anfahr-Brennkammer aufgrund der Durchführung der Routine von 2 beschreiben.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Abschaltroutine der Anfahr-Brennkammer beschreibt, die von einem Steuergerät gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung durchgeführt wird.
5A – 5C sind Zeitdiagramme, die eine Veränderung der Gastemperatur in der Anfahr-Brennkammer aufgrund der Ausführung der Routine von 4 beschreiben.
6 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenantriebs gemäß einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Abschaltroutine der Anfahr-Brennkammer beschreibt, die von einem Steuergerät gemäß einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung durchgeführt wird.
8 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Spülroutine für restliches Methanol beschreibt, die vom Steuergerät gemäß der dritten Ausführungsform dieser Erfindung durchgeführt wird.
9 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenantriebs gemäß einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung.
10 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Abschaltroutine der Anfahr-Brennkammer beschreibt, die von einem Steuergerät gemäß der vierten Ausführungsform dieser Erfindung durchgeführt wird.
11 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Spülroutine für restliches Methanol beschreibt, die vom Steuergerät gemäß der vierten Ausführungsform dieser Erfindung durchgeführt wird.
12 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenantriebs gemäß einer fünften Ausführungsform dieser Erfindung.
13 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Abschaltroutine der Anfahr-Brennkammer beschreibt, die von einem Steuergerät gemäß der fünften Ausführungsform dieser Erfindung durchgeführt wird.
14 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Spülroutine für restliches Methanol beschreibt, die vom Steuergerät gemäß der fünften Ausführungsform dieser Erfindung durchgeführt wird.
15 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenantriebs gemäß einer sechsten Ausführungsform dieser Erfindung.
16 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Abschaltroutine der Anfahr-Brennkammer beschreibt, die von einem Steuergerät gemäß der sechsten Ausführungsform dieser Erfindung durchgeführt wird.
17 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Spülroutine für restliches Methanol beschreibt, die vom Steuergerät gemäß der sechsten Ausführungsform dieser Erfindung durchgeführt wird.
18 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Brennstoffeinspritzung-Abschaltroutine beschreibt, die von einem Steuergerät gemäß einer siebten Ausführungsform dieser Erfindung durchgeführt wird.
19A – 19C sind Zeitdiagramme, die eine Änderung der Gasttemperatur in der Anfahr-Brennkammer aufgrund der Durchführung der Routine von 18 beschreiben.
20 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenantriebs gemäß einer siebten Ausführungsform dieser Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf 1 der Zeichnung weist ein Brennstoffzellenantrieb für ein Fahrzeug einen Brennstoffzellenstapel 1, einen Kompressor 2, einen Reformer 3, einen Kohlenmonoxid-Oxidator 4, einen Verdampfer 5, einen Methanoltank 6, einen Wassertank 7, eine katalytische Brennkammer 9, eine Anfahr-Brennkammer 10 und einen Vormischer 11 auf.
Der Brennstoffzellenstapel 1 weist geschichtete Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC) auf. Jede Zelle ist mit einer Anode 1B und einer Kathode 1A versehen. Energie wird unter Verwendung des der Anode 1B zugeführten wasserstoffreichen Gases und der der Kathode 1A zugeführten Luft erzeugt. Ein wasserstoffhaltiges Anoden-Abwasser, das von der Anode 1B erzeugt wird, bzw. ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Abwasser, das von der Kathode 1A erzeugt wird, werden während der Energieerzeugung abgeführt. Das wasserstoffhaltige Anoden-Abwasser und das sauerstoffhaltige Kathoden-Abwasser werden durch jeweilige Strömungsventile 20, 19 einem Mischer 8 zugeführt, mit dem die katalytische Brennkammer 9 versehen ist.
Der Kompressor 2 führt der Kathode 1A über ein Ventil 12A Luft zu. Der Kompressor 2 führt außerdem dem Vormischer 11 über ein Ventil 12B, der Anfahr-Brennkammer 10 über ein Ventil 12C und dem Mischer 8 über ein Ventil 12D Luft zu.
Der Methanoltank 6 speichert flüssiges Methanol als Ausgangsmaterial zum Reformieren. Das Methanol in Methanoltank 6 wird durch eine Methanolpumpe 13 unter Druck gesetzt und über ein Strömungsventil 14 einem Verdampfer 5 zugeführt. Die Methanolpumpe 13 führt auch dem Vormischer 11 und der Anfahr-Brennkammer 10 Methanol zu.
Der Wassertank 7 speichert Wasser. Das Wasser im Wassertank 7 wird dem Verdampfer 5 über ein Strömungsventil 18 von einer Wasserpumpe 17 zugeführt.
Der Mischer 8 führt ein gasförmiges Gemisch aus wasserstoffhaltigem Anoden-Abwasser und aus sauerstoffhaltigem Kathoden-Abwasser oder ein gasförmiges Gemisch aus Luft und Reformatgas der katalytischen Brennkammer 9 zu. Die katalytische Brennkammer 9 führt eine katalytische Verbrennung des gasförmigen Gemischs durch und führt die Verbrennungswärme dem Verdampfer 5 zu.
Der Verdampfer 5 verwendet die Verbrennungswärme, um Wasser, das von einer Wasserpumpe 17 zugeführt wurde, und Methanol zu verdampfen, das von der Methanolpumpe 13 zugeführt wurde. Das resultierende kreisförmige Gemisch aus Methanol und Wasser wird dann dem Reformer 3 zugeführt.
Ein Reformierungskatalysator der im Reformer 3 untergebracht ist, setzt Teiloxidationsreaktionen und Dampf-Reformierungsreaktionen bei dem gasförmiges Gemisch aus Wasser, Methanol und Luft ein, das durch das Ventil 12B zugeführt wurde, um Reformatgas zu erzeugen. Die Teiloxidationsreaktionen weisen exotherme Reaktionen auf, die die Beibehaltung der Aktivierungstemperatur des einmal aktivierten Reformierungskatalysators ermöglichen. Die Dampf-Reformierungsreaktionen weisen endotherme Reaktionen auf, die die durch die Teiloxidationsreaktionen erzeugte Wärme verwenden.
Der Kohlenmonoxid-Oxidator 4 dieser Ausführungsform ist als Wärmetauscher ausgelegt, in dem ein Oxidationskatalysator eingebaut ist. Der Oxidationskatalysator führt bevorzugte Oxidationsreaktionen am Reformatgas durch, das mit Luft vermischt ist, die von einem Ventil 12E zugeführt wird, um ein wasserstoffreiches Gas durch Entfernen von Kohlenmonoxid (CO) aus dem Reformatgas zu erzeugen. Das resultierende wasserstoffreiche Gas wird der Anode 1B des Brennstoffzellenstapels 1 oder dem Mixer 8 der katalytischen Brennkammer 9 durch ein Ventil 27 zugeführt. Diese bevorzugten Oxidationsreaktionen sind ebenfalls exotherm und gestatten das Aufrechterhalten der Aktivierungstemperatur des einmal aktivierten Reformierungskatalysators.
Die durch die bevorzugten Oxidationsreaktionen erzeugte überschüssige Wärme wird durch das Kühlmittel gekühlt, das von einem Kohlenmonoxid-Oxidationskühler (CMO-Kühler) 60 zugeführt wird.
Wenn der Antrieb zu laufen beginnt, wird das Hochtemperatur-Verbrennungsgas dem Reformer 3 von der Anfahr-Brennkammer 10 zugeführt, um den Reformierungskatalysator des Reformers 3 zu aktivieren. Die Anfahr-Brennkammer 10 ist mit einem Brennstoff-Injektor 15 und einer Glühkerze 28 versehen. Die Anfahr-Brennkammer 10 führt die Verbrennung durch Zünden eines gasförmigen Methanolgemischs, das vom Brennstoff-Injektor 15 eingespritzt wurde, und von Luft, die vom Ventil 12C zugeführt wurde, mit einer Glühkerze 28 durch und führt das Verbrennungsgas dem Vormischer 11 zu.
Der Vormischer 11 ist mit einem Brennstoff-Injektor 16 versehen. Der Vormischer 11 erzeugt ein gasförmiges Gemisch des Verbrennungsgases, das von der Anfahr-Brennkammer 10 zugeführt wird, und von Methanol, das vom Brennstoff-Injektor 16 eingespritzt wird. Zudem mischt er das gasförmige Gemisch mit der vom Ventil 12B zugeführten Luft.
Der Vormischer 11 verringert außerdem die Temperatur des gasförmigen Gemischs, damit sie durch den oben genannten Mischprozess niedriger als eine wärmeresistente Temperatur des Reformierungskatalysators des Reformers 3 wird. Das resultierende gasförmige Gemisch wird dem Reformer 3 zugeführt.
Die Steuerung des Antriebs einschließlich der Steuerung während einem Anfahren unter Verwendung der am Anfahr-Brennkammer 10 und des Vormischers 11 wird durch Signale durchgeführt, die von einem Steuergerät 50 ausgegeben werden.
Das Steuergerät 50 weist einen Mikrocomputer oder mehrere Mikrocomputer auf, von denen jeder mit einer Zentraleinheit (CPU), einem Lesespeicher (ROM, einem Arbeitsspeicher (RAM) und einer Eingabe-/Ausgabeschnittstelle (I/O) versehen ist.
Um die oben genannte Steuerung durchzuführen, werden die Signale in das Steuergerät 50 von einem Temperatursensor 21, der die Temperatur des Verbrennungsgases erfasst, das in der Anfahr-Brennkammer 10 erzeugt wird, einem Temperatursensor 22, der die Temperatur des gasförmigen Gemischs erfasst, das vom Vormischer 11 erzeugt wird, einem Temperatursensor 23, der die Temperatur des Verdampfers 5 erfasst, einem Temperatursensor 24, der die Temperatur des gasförmigen Gemischs erfasst, das dem Reformer 3 vom Verdampfer 5 zugeführt wird, einem Drucksensor 25, der den Druck des gasförmigen Gemischs erfasst, das dem Reformer 3 vom Verdampfer 5 zugeführt wird, und einem Konzentrationssensor 26 eingegeben, der die CO-Konzentration im wasserstoffreichen Gas erfasst, das im Kohlenmonoxid-Oxidator 4 erzeugt wird.
Der Anfahrvorgang des Brennstoffzellenantriebs wird wie folgt zusammengefasst.
Zuerst wird das fette gasförmige Gemisch durch Zuführung von Luft zur Anfahr-Brennkammer 10 durch Betätigen des Kompressors 2 und Einspritzen von Brennstoff vom Brennstoff-Injektor 15 in die Anfahr-Brennkammer 10 durch Betätigen der Methanolpumpe 13 erzeugt. Das fette gasförmige Gemisch wird durch Zündung mit der Glühkerze 28 verbrannt. Das Steuergerät 50 ermittelt, ob die Anfahr-Brennkammer 10 eine Flammen-Stabilisierungstemperatur auf der Basis der Temperatur des Verbrennungsgases erreicht hat, die vom Temperatursensor 21 erfasst wurde. Wenn die Anfahr-Brennkammer 10 die Flammen-Stabilisierungstemperatur erreicht stoppt das Steuergerät 50 die Zündung unter Verwendung der Glühkerze 28. Dagegen wird die Brennstoff-Einspritzung durch den Brennstoff-Injektor 10 fortgesetzt.
Der Vormischer 11 erzeugt das gasförmige Gemisch durch Vermischen des Verbrennungsgases, das von der Anfahr-Brennkammer zugeführt wurde, mit Methanol und Luft, sodass die Methanolkonzentration und die Temperatur des Gemisches für die Reformierungsvorgänge geeignet sind, und führt das gasförmige Gemisch dem Reformer 3 zu. Die Temperatur des Reformierungskatalysators im Reformer 3 steigt aufgrund der Wärme des gasförmigen Gemischs zum Aktivierungstemperaturbereich an.
Der aktivierte Reformierungskatalysator reformiert das gasförmige Gemisch durch eine Teiloxidation und führt das resultierende Reformatgas dem Kohlenmonoxid-Oxidator 4 zu. Der Oxidationskatalysator des Kohlenmonoxid-Oxidators 4 wird durch die Wärme aus dem Reformatgas aktiviert, das vom Reformer 3 geführt wurde.
In einem frühen Stadium des Anfahrvorgangs ist der Oxidationskatalysator des Kohlenmonoxid-Oxidators 4 jedoch noch nicht vollständig aktiviert, sodass die Schaltung des Ventils 27 eine Position beibehält, bei der der Kohlenmonoxid-Oxidator 4 mit dem Mischer 8 der katalytischen Brennkammer 9 verbunden ist.
Der Mischer 8 mischt das Gas, das aus dem Kohlenmonoxid-Oxidator strömt, mit der Luft aus dem Ventil 12D und führt das gasförmige Gemisch der katalytischen Brennkammer 9 zu. Die katalytische Brennkammer 9 führt eine katalytische Verbrennung des gasförmigen Gemischs durch und führt die Verbrennungswärme dem Verdampfer 5 zu.
Wenn der Verdampfer 5 durch die Verbrennungswärme ausreichend erhitzt ist, beginnt die Methanolpumpe 13 dem Verdampfer 5 das Methanol über das Strömungsventil 14 zuzuführen und die Wasserpumpe 17 beginnt, dem Verdampfer 5 über das Strömungsventil 18 Wasser zuzuführen. Der Verdampfer 5 verdampft das Methanol und das Wasser unter Verwendung der Verbrennungswärme und das resultierende gasförmige Gemisch aus Wasserdampf und Methanoldampf wird dem Reformer 3 zugeführt.
Die Temperatur dieses gasförmigen Gemischs, die vom Temperatursensor 24 erfasst wird, und der Druck des gasförmigen Gemischs, der vom Drucksensor 25 erfasst wurde, steigen jeweils an, wenn der Verdampfer 5 völlig funktionsfähig wird. Wenn das Steuergerät 50 die Einrichtung des Reformierungskreislaufs des Brennstoffs durch den Verdampfer 5, den Reformer 3, den Kohlenmonoxid-Oxidator 4 und die katalytische Brennkammer 9 auf der Basis der Eingabesignale von den oben genannten Sensoren ermittelt, werden die Zuführung von Methanol zum Vormischer 11 und die Zuführung von Luft und Methanol zur Anfahr-Brennkammer 10 gestoppt.
Danach setzt das Steuergerät 50 den Betrieb des Brennstoffzellenantriebs mit diesem Reformierungskreislauf fort und ermittelt, ob die CO-Konzentration, die vom Konzentrationssensor 26 erfasst wurde, eine geeignete Konzentration für eine Zuführung zum Brennstoffzellenstapel 1 als wasserstoffreiches Gas erreicht hat, oder nicht. Wenn die CO-Konzentration auf die geeignete Konzentration für eine Zuführung zum Brennstoffzellenstapel 1 abfällt, schaltet das Steuergerät 50 das Umschaltventil 27 um und injiziert eine Energieerzeugung im Brennstoffzellenstapel 1 durch Zuführung eines wasserstoffreichen Gases zur Anode 1B des Brennstoffzellenstapels 1 und Zuführung von Luft zur Kathode 1A des Brennstoffzellenstapels 1 durch das Ventil 12A vom Kompressor 2.
Wenn die Einspritzung von Methanol in die Anfahr-Brennkammer 10, wie oben beschrieben, gestoppt wird, ist es erforderlich, die Erzeugung eines Hochtemperatur-Verbrennungsgases zu verhindern, nachdem die Einspritzung gestoppt wurde.
Das Steuergerät 50 verhindert die Erzeugung des Hochtemperatur-Verbrennungsgases nachdem die Brennstoff-Einspritzung durch eine Durchführung einer in 2 dargestellten Abschaltroutine für die Anfahr-Brennkammer 10 gestoppt wurde. Diese Routine wird nur bei einem einzigen Anlass durchgeführt, wenn das Steuergerät 50 den Betrieb der Anfahr-Brennkammer 10 stoppt.
In einem Schritt S1 berechnet das Steuergerät 50 zuerst ein augenblickliches Luft-Brennstoffverhältnis ABF in der Anfahr-Brennkammer 10 aus der Öffnung des Ventils 12C und dem Brennstoff-Einspritzsignal an den Brennstoff-Injektor 15.
Danach wird in einem Schritt S2 das Ventil 12C geschlossen und die Zuführung von Luft zur Anfahr-Brennkammer 10 gestoppt. Selbst wenn das Ventil 12C geschlossen ist, existiert immer noch restliche Luft entlang des Durchgangs vom Ventil 12C zur Anfahr-Brennkammer 10.
In einem nächsten Schritt S3 legt das Steuergerät 50 die Brennstoff-Einspritzmenge des Brennstoff-Injektors 15 auf einen maximalen Wert fest.
In einem nächsten Schritt S4 ermittelt das Steuergerät 50 ob die nachfolgende Beziehung hergestellt ist, oder nicht. QM > #QMMX – QMABFwobei

QM: = die summierte Einspritzmenge nach Beginn des Anstiegs der Brennstoff-Einspritzmenge im Schritt S3 ist,
#QMMX: = die Brennstoffmenge ist, die zur Regulierung des Luft-Brennstoffverhältnisses in der Anfahr-Brennkammer 10 benötigt wird, um gleich einem fetten Verbrennungsgrenzwert = einer Konstante zu sein, und
QMABF: = die Brennstoffmenge in der Anfahr-Brennkammer 10 ist, die dem Luft-Brennstoffverhältnis ABF entspricht.

Der fette Verbrennungsgrenzwert des Methanols entspricht dem Luft-Brennstoffverhältnis von ungefähr 1,6.
In der obigen Beziehung wird zuerst eine Menge von zusätzlichem Brennstoff berechnet, die erforderlich ist, um das Luft-Brennstoffverhältnis von ABF auf den fetten Verbrennungsgrenzwert zu erhöhen, und danach wird ermittelt, ob die Menge des Brennstoffs, die nach dem Schließen des Ventils 12C eingespritzt wurde, die berechnete Menge erreicht hat.
Das Steuergerät 50 hält die Brennstoff-Einspritzmenge des Brennstoff-Injektors 15 auf einem maximalen Wert aufrecht, bis die obige Beziehung erfüllt ist.
Wenn die Beziehung gebildet ist, stoppt das Steuergerät 50 in einem Schritt S5 die Brennstoff-Einspritzung durch den Brennstoff-Injektor 15 und beendet die Routine.
Als nächstes wird mit Bezug auf 3A – 3D die Veränderung beim Luft-Kraftstoffverhältnis in der Anfahr-Brennkammer 10 beschrieben, die aus dieser Steuerung resultiert.
Wenn die Anfahr-Brennkammer 10 in Betrieb ist, um den Reformer 3 aufzuheizen, gibt das Steuergerät 50 ein Befehlsignal an das Ventil 12C aus, um eine vorgegebene Öffnung, wie in 3A dargestellt, aufrechtzuerhalten und gibt ein Befehlsignal an den Brennstoff-Injektor 15 aus, um eine vorgegebene Menge des Brennstoffs, wie in 3B dargestellt, einzuspritzen. Als Folge davon wird ein gasförmiges Gemisch mit einem fetten Luft-Brennstoffverhältnis, wie in 3C dargestellt, in die Anfahr-Brennkammer 10 eingespritzt und das resultierende Hochtemperatur-Verbrennungsgases wird über den Vormischer 11 zum Reformer 3 transferiert.
Wenn der obige Reformierungskreislauf eingerichtet ist, gibt das Steuergerät 50 zu einem Zeitpunkt t1 ein Befehlsignal an das Luftventil 12C aus, um die Luftzuführung nach Berechnen des Luft-Brennstoffverhältnisses ABF abzuschalten. Da jedoch die restliche Luft immer noch im Zwischenraum vom Ventil 12c bis zur Anfahr-Brennkammer 10 existiert, wird die Verbrennung in der Anfahr-Brennkammer 10 nicht sofort gestoppt. Die restliche Luft wird durch die Verbrennung des Brennstoffs in der Anfahr-Brennkammer 10 verbraucht.
Zur gleichen Zeit, zu der das Steuergerät 50 das Ventil 12C schließt, wird die Einspritzmenge des Brennstoff-Injektors 15, wie in 3B dargestellt, auf das Maximum erhöht. Als Folge davon wird, wie in 3C dargestellt, die Verbrennung bei einem Luft-Brennstoffverhältnis durchgeführt, das fetter als das vor dem Schließen des Luftventils 12C ist. Die Verbrennung wird schleppend, da sich die Menge an Luft verringert und die Verbrennung hört auf, wenn das Luft-Brennstoffverhältnis einen fetten Verbrennungsgrenzwert überschreitet. Wenn die Beziehung im Schritt S4 gebildet ist, wird zu einem Zeitpunkt t2 die Brennstoff-Einspritzung durch den Brennstoff-Injektor 15 gestoppt.
Auf diese Weise wird nach dem Schließen des Ventils 12C das Luft-Brennstoffverhältnis in der Anfahr-Brennkammer 10 fett aufrechterhalten, bis die Verbrennung beendet ist, sodass ein Temperaturanstieg beim Verbrennungsgas, unmittelbar nachdem die Brennstoff-Einspritzung gestoppt wurde, verhindert wird.
Der Reformierungskatalysator im Reformer 3, der bereits aktiviert wurde, wird daher keine exzessive Aufheizung aufgrund eines Kontakts mit dem Verbrennungsgas erleiden, das von der Anfahr-Brennkammer 10 transferiert wurde.
Neben dem Anfahren des Brennstoffzellenantriebs können die Anfahr-Brennkammer 10 und der Vormischer 11 auch zum Zwecke der Erhöhung der Zuführungsmenge des gasförmigen Gemischs zum Reformer 3 verwendet werden, wenn eine Energieerzeugungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel 1 sich während einem Normalbetrieb des Brennstoffzellenantriebs stark erhöht hat.
In diesem Fall ist es möglich, einen anormalen Temperaturanstieg im Reformierungskatalysator des Reformers § zu verhindern, indem die Anfahr-Brennkammer 10 mit dem oben genann ten Prozesses abgeschaltet wird, nachdem sich eine Belastung stabilisiert hat.
Als nächstes wird mit Bezug auf 4 und 5A – 5C eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform steuert das Steuergerät 50 die Brennstoff-Einspritzmenge des Brennstoff-Injektors 15 unter Verwendung der Temperatur des Verbrennungsgases als Parameter anstelle der Summierung der Brennstoff-Einspritzmenge.
Genauer gesagt, wird eine in 4 dargestellte Routine anstelle der in 2 bei der ersten Ausführungsform als Abschaltroutine für die Anfahr-Brennkammer 10 dargestellten, durchgeführt. Bei dieser Routine wird der Schritt S1 in der Routine von 2 ausgelassen und der Schritt S4 wird durch einen Schritt S4A ersetzt. Die anderen Schritte, ebenso wie der Hardwareaufbau des Brennstoffzellenantriebs, sind die gleichen wie die der ersten Ausführungsform.
Im Schritt S4A vergleicht das Steuergerät 50 die Temperatur TG des Verbrennungsgases, die vom Temperatursensor 21 erfasst wurde, mit einer vorgegebenen Temperatur #TGLW. Die vorgegebene Temperatur #TGLW entspricht der Selbstzündungstemperatur des gasförmigen Gemisches. Wenn die Verbrennungstemperatur TG niedriger als die Selbstzündungstemperatur ist, neigt das gasförmige Gemisch dazu, sich nicht zu entzünden.
Zu einem Zeitpunkt t1 wird nach dem Schließen des Ventils 12C, wie in 5A dargestellt, der Brennstoff-Injektor 15 gesteuert, um die Brennstoff-Einspritzmenge auf den Maximalwert zu erhöhen und ihn beizubehalten, solange die Verbrennungsgastemperatur TG höher als die vorgegebene Temperatur #TGLW ist. Die Brennstoffeinspritzung wird zu einem Zeitpunkt t1 gestoppt, wenn die Verbrennungsgastemperatur TG niedriger als die vorgeschriebene Temperatur #TGLW wird.
Die Zündungstemperatur in Bezug auf die katalytische Verbrennung in der Anfahr-Brennkammer 10 hängt von der Menge des Katalysators in der Anfahr-Brennkammer 10 und der Menge des dorthin zugeführten Methanols ab. Indem diese Beziehung genau eingestellt wird, wird die Zündungstemperatur von nicht höher als 100°C realisiert:
Sofern die obige Situation existiert, wird die vorgegebene Temperatur #TGLW hierbei auf einen Wert von nicht höher als 100°C eingestellt. Die optimale Einstellung der vorgegebenen Temperatur #TGLW kann jedoch durch Experimente erreicht werden, weil die Zündungstemperatur des Methanols durch die Spezifikation und die Betriebsbedingung der Anfahr-Brennkammer 10 stark variiert:
Auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform verhindert diese Ausführungsform ebenfalls einen Temperaturanstieg im Verbrennungsgas, unmittelbar nachdem die Brennstoff-Einspritzung in die Anfahr-Brennkammer 10 gestoppt wurde.
Mit Bezug auf 6 bis 8 wird eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben.
Nachdem der Brennstoff-Injektor 15 die Einspritzung von Methanol in die Anfahr-Brennkammer 10 stoppt, wird das restliche Methanol bei dieser Ausführungsform in der Anfahr-Brennkammer 10 unter Verwendung eines wasserstoffreichen Gases ausgespült. Das ausgespülte Methanol wird dann der katalytischen Brennkammer 9 zugeführt.
Zu diesem Zweck ist ein Durchgang 30, der das wasserstoffreiche Gas der Anfahr-Brennkammer 10 zuführt, von einem Durchgang abgezweigt, der den Kohlenmonoxid-Oxidator 4 und das Umschaltventil 27 verbindet. Ein Strömungsventil 29 ist im Durchgang 30 vorgesehen.
Ferner ist ein Umschaltventil 32 in einem Durchgang von der Anfahr-Brennkammer 10 zum Vormischer 11 vorgesehen, um einen Durchgang 31 zum Mischer 8 abzuzweigen. Diese Ventile 29, 32 werden durch Signale gesteuert, die vom Steuergerät 50 ausgegeben werden. Der Hardwareaufbau des anderen Teils des Brennstoffzellenantriebs ist der gleiche wie der, der in Bezug auf die ersten und zweiten Ausführungsformen beschrieben wurde.
Wenn der Betrieb der Anfahr-Brennkammer 10 bei dieser Ausführungsform gestoppt wird, wird eine in 7 dargestellte Abschaltroutine vom Steuergerät 50 ausgeführt:
Mit Bezug auf 7 ist der Ablauf in den Schritten S1 – S5 der gleiche wie bei der Routine von 2 gemäß der ersten Ausführungsform. Nachdem das Steuergerät 50 die Brennstoff-Einspritzung durch den Brennstoff-Injektor 15 gestoppt hat, wird in einem Schritt S6 eine in 8 dargestellte Subroutine durchgeführt, um das restliche Methanol in der Anfahr-Brennkammer 10 auszuspülen.
Mit Bezug auf 8 setzt das Steuergerät 50 in einem Schritt S11 zuerst einen Timerwert TM1 auf einen Wert von Null zurück.
Danach wird in einem Schritt S12 das Strömungsventil 29 geöffnet und das Umschaltventil 32 wird so geschaltet, dass die Anfahr-Brennkammer 10 mit dem Mischer 8 über den Durchgang 31 verbunden ist. Danach wird in einem Schritt S13 der Timerwert TM1 inkrementiert.
In einem Schritt S14 wird ermittelt, ob der Timerwert TM1 einen vorgegebenen Wert #TMMAX1 überschritten hat, oder nicht. Der Ablauf in den Schritten S13 und S14 wird wiederholt, bis der Timerwert TM1 den vorgegebenen Wert #TMMAX1 überschreitet. Wenn der Timerwert TM1 den vorgegebenen Wert #TMMAX1 im Schritt S14 überschritten hat, schließt das Steuergerät 50 in einem Schritt S15 das Strömungsventil 29 und schaltet das Umschaltventil um, sodass die Anfahr-Brennkammer 10 mit dem Vormischer 11 verbunden ist. Die Subroutine wird nach diesem Ablauf beendet und die in 7 dargestellte Routine wird zur gleichen Zeit beendet.
Nachdem die Anfahr-Brennkammer 10 gemäß dieser Ausführungsform die Verbrennung mit dem Luft-Brennstoffverhältnis am fetten Verbrennungsgrenzwert gestoppt hat, wird das wasserstoffreiche Gas, das im Kohlenmonoxid-Oxidator 4 erzeugt wurde, der Anfahr-Brennkammer 10 zugeführt.
Weil die Temperatur des wasserstoffreichen Gases aufgrund der katalytischen Reaktionen im Reformer 3 und dem Kohlenmonoxid-Oxidator 4 hoch ist, wird ein Wärmeaustausch durchgeführt, wenn das wasserstoffreiche Gas in die Anfahr-Brennkammer 10 eingeleitet wird, und das Methanol wird aufgrund der durch das wasserstoffreiche Gas abgegebenen Wärme verdampft. Das wasserstoffreiche Gas drängt das verdampfte Methanol zur katalytischen Brennkammer 9 hinaus.
Weil das wasserstoffreiche Gas fast keinen Sauerstoff enthält, wird verhindert, dass das restliche Methanol in der Anfahr-Brennkammer 10 selbst mit der vom wasserstoffreichen Gas abgegebenen Wärme verbrennt. Das verdampfte Methanol, das aus der Anfahr-Brennkammer 10 durch das wasserstoffreiche Gas hinausgedrängt wurde, wird in der katalytischen Brennkammer 9 verbrannt und die bei dieser Verbrennung erzeugte Wärme wird wieder verwendet, um das Methanol im Verdampfer 5 zu verdampfen.
Neben der Vermeidung von Anstiegen bei der Temperatur des Verbrennungsgases unmittelbar nach dem Stoppen der Brennstoff-Einspritzung in die Anfahr-Brennkammer 10 ist es gemäß dieser Ausführungsform auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform möglich, eine Verschlechterung der Betriebsleistung oder der Zündungseigenschaften der Anfahr-Brennkammer 10 aufgrund des restlichen Methanols zu vermeiden, wenn sie beim nächsten Anlass in Betrieb genommen wird.
Mit Bezug auf 9 – 11 wird eine vierte Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben.
Der Brennstoffzellenantrieb gemäß dieser Ausführungsform verzichtet auf den Durchgang 30 und das Strömungsventil 29 aus der dritten Ausführungsform. Das Steuergerät 50 führt eine in 10 dargestellte Abschaltroutine durch, wenn der Betrieb der Anfahr-Brennkammer 10 gestoppt wird.
Der Ablauf in den Schritten S1 – S5 in dieser Routine ist der gleiche die bei der Routine von 2 gemäß der ersten Ausführungsform. Nach dem Abschalten der Brennstoff-Einspritzung durch den Brennstoff-Injektor 15 im Schritt S5 führt das Steuergerät 50 jedoch eine in 11 dargestellte Schubroutine durch, um das restliche Methanol in der Anfahr-Brennkammer 10 in einem Schritt S6A auszuspülen.
Mit Bezug auf 11 setzt das Steuergerät 50 den Timerwert TM2 in einem Schritt S21 auf einen Wert von Null zurück.
Danach wird in einem Schritt S22 das Ventil 12C geöffnet und das Umschaltventil 32 wird so geschaltet, dass die Anfahr-Brennkammer 10 mit dem Mischer 8 über den Durchgang 31 verbunden ist. Danach wird der Timerwert TM2 in einem Schritt S23 inkrementiert.
In einem Schritt S24 wird ermittelt, ob der Timerwert TM2 einen vorgegebenen Wert #TMMAX2 überschritten hat, oder nicht. Der Ablauf in den Schritten S23 und S24 wird wiederholt, bis der Timerwert TM2 den vorgegebenen Wert #TMMAX2 überschritten hat. Wenn der Timerwert TM2 im Schritt S24 den vorgegebenen Wert #TMMAX2 überschritten hat, schließt das Steuergerät 50 das Ventil 12C in einem Schritt S25 und schaltet das Umschaltventil 32 um, sodass die Anfahr-Brennkammer 10 mit dem Vormischer 11 verbunden ist. Die Subroutine wird nach diesem Vorgang beendet und die Routine von 10 wird zur gleichen Zeit beendet.
Nachdem die Anfahr-Brennkammer 10 die Verbrennung mit dem Luft-Brennstoffverhältnis am fetten Verbrennungsgrenzwert gemäß dieser Ausführungsform gestoppt hat, wird Luft vom Ventil 12C der Anfahr-Brennkammer 10 erneut zugeführt. Die der Anfahr-Brennkammer 10 zugeführte Luft reduziert die Temperatur der Anfahr-Brennkammer 10 rasch und das restliche Methanol in der Anfahr-Brennkammer 10 wird zum Mischer 8 hinausgedrängt und in der katalytischen Brennkammer 9 verbrannt. Die Wärme, die aus der Verbrennung des restlichen Methanols in der katalytischen Brennkammer 9 resultiert, wird wieder verwendet, um das Methanol im Verdampfer 5 zu verdampfen.
Diese Ausführungsform weist eine einfachere Struktur als die dritte Ausführungsform auf, verhindert aber immer noch eine Verschlechterung der Betriebsleistung oder der Zündungseigenschaften der Anfahr-Brennkammer 10 aufgrund des restli chen Methanols, wenn sie beim nächsten Anlass in Betrieb gesetzt wird.
Mit Bezug auf 12 – 14 wird eine fünfte Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben.
Anstelle des Strömungsventils 29 und des Durchgangs 30 gemäß der dritten Ausführungsform, sieht diese Ausführungsform einen Durchgang 34 und ein Strömungsventil 35 vor. Der Durchgang 34 ist mit der Anfahr-Brennkammer 10 verbunden. Der Durchgang 34 gabelt sich von einem Durchgang ab, der das Anoden-Abwasser des Brennstoffzellenstapels 1 zum Mischer 8 abführt.
Das Strömungsventil 35 reguliert die Strömungsmenge des Durchgangs 34. Bei dieser Ausführungsform leitet das Steuergerät 50 das wasserstoffreiche Anoden-Abwasser, das von der Anode 1B des Brennstoffzellenstapels 1 abgeführt wird, in die Anfahr-Brennkammer 10 ein, nachdem die Einspritzung des Methanols in die Anfahr-Brennkammer 10 gestoppt wurde. Das wasserstoffreiche Anoden-Abwasser, das in die Anfahr-Brennkammer 10 eingeleitet wurde, drückt das restliche Methanol in der Anfahr-Brennkammer 10 zur katalytischen Brennkammer 9 hinaus.
Das Steuergerät 50 führt eine in 13 dargestellte Abschaltroutine durch, wenn der Betrieb der Anfahr-Brennkammer 10 gestoppt wird.
Mit Bezug auf 13 sind die Schritte S1 bis S5 dieser Routine die gleichen wie bei der Routine von 2. Jedoch führt das Steuergerät 50 einen Schnitt S5A nach der Ausführung des Schrittes S5 durch und führt dann in einem nachfolgenden Schritt S6B eine in 14 dargestellte Subroutine durch, um das restliche Methanol in der Anfahr-Brennkammer 10 auszuspülen.
Im Schritt S5A schaltet das Steuergerät 50 das Umschaltventil 27 um, sodass der Kohlenmonoxid-Oxidator 4 mit der Anode 1B des Brennstoffzellenstapels 1 verbunden ist.
Als nächstes wird die Subroutine von 14 beschrieben.
Zuerst setzt das Steuergerät 50 den Timerwert TM3 in einem Schritt S31 auf Null zurück.
Danach wird in einem Schritt S32 das Strömungsventil 35 geöffnet und das Umschaltventil 32 umgeschaltet, sodass die Anfahr-Brennkammer 10 mit dem Mixer 8 über den Durchgang 31 verbunden ist. In einem Schritt S33 wird der Timerwert TM3 inkrementiert.
In einem Schritt S34 wird ermittelt, ob der Timerwert TM3 einen vorgegebenen Wert #TMMAX3 überschritten hat, oder nicht. Der Ablauf in den Schritten S33 und S34 wird wiederholt, bis der Timerwert TM3 einen vorgegebenen Wert #TMMAX3 überschritten hat.
Wenn der Timerwert TM3 im Schritt 34 den vorgegebenen Wert #TMMAX3 überschritten hat, schließt das Steuergerät 50 das Ventil 35 und schaltet das Umschaltventil 32 um, sodass die Anfahr-Brennkammer 10 mit dem Vormischer 11 verbunden ist. Die Subroutine wird nach diesem Ablauf beendet und die Routine von 13 wird zur gleichen Zeit beendet.
Zusätzlich zur Verhinderung eines Temperaturanstiegs im Verbrennungsgas unmittelbar nach dem Stoppen der Brennstoff-Einspritzung in die Anfahr-Brennkammer 10 ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, eine Verschlechterung der Betriebsleistung oder der Zündungseigenschaften der Anfahr-Brennkammer 10 aufgrund des restlichen Methanols zu verhindern, wenn sie beim nächsten Anlass in Betrieb genommen wird.
Mit Bezug auf 15 – 17 wird eine sechste Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben.
Anstelle des Strömungsventils 35 und des Durchgangs 34 der fünften Ausführungsform sieht diese Ausführungsform einen Durchgang 37 und ein Strömungsventil 38 vor. Die Durchgang 37 leitet sauerstoffhaltiges Kathoden-Abwasser vom Brennstoffzellenstapel 1 in die Anfahr-Brennkammer 10 ein. Das Strömungsventil 38 reguliert die Strömungsmenge des Durchgangs 37. Weitere Aspekte des Hardwareaufbaus im Brennstoffzellenantrieb sind die gleichen wie die, die bezüglich der fünften Ausführungsform beschrieben wurden.
Das Steuergerät 50 führt eine in 16 dargestellte Abschaltroutine durch, wenn der Betrieb der Anfahr-Brennkammer 10 gestoppt wird.
Bezüglich 16 ist der Ablauf in den Schritten S1 bis S5A der gleiche wie die Routine von 13 der fünften Ausführungsform. Jedoch führt das Steuergerät 50 eine in 17 dargestellte Subroutine durch, um das restliche Methanol in der Anfahr-Brennkammer 10 in einem Schritt S6C nach der Durchführung des Ablaufs des Schritts S5A auszuspülen.
Mit Bezug auf 17 setzt das Steuergerät 50 einen Timerwert TM4 in einem Schritt 41 auf Null zurück.
Als nächstes wird in einem Schritt S41 das Strömungsventil 38 geöffnet und das Umschaltventil 32 umgeschaltet, sodass die Anfahr-Brennkammer 10 mit dem Mischer 8 über den Durchgang 31 verbunden ist. In einem Schritt S43 wird der Timerwert TM4 inkrementiert.
In einem Schritt S44 wird ermittelt, ob der Timerwert TM4 einen vorgegebenen Wert #TMMAX4 überschritten hat, oder nicht. Der Ablauf in den Schritten S43 und S44 wird wiederholt, bis der Timerwert TM4 einen vorgegebenen Wert #TMMAX4 überschritten hat. Wenn der Timerwert TM4 im Schritt S44 den vorgegebenen Wert #TMMAX4 überschritten hat, schließt das Steuergerät 50 das Ventil 38 und schaltet das Umschaltventil 32 in einem Schritt S45 um, sodass die Anfahr-Brennkammer 10 mit dem Vormischer 11 verbunden ist. Die Subroutine wird nach diesem Ablauf beendet und die Routine von 16 wird zur gleichen Zeit beendet.
Nachdem die Anfahr-Brennkammer 10 die Verbrennung mit dem Luft-Brennstoffverhältnis am fetten Verbrennungsgrenzwert gestoppt hat, wird gemäß dieser Ausführungsform der Anfahr-Brennkammer 10 sauerstoffhaltiges Kathoden-Abwasser von der Kathode 1A zugeführt. Das sauerstoffhaltige Kathoden-Abwasser drängt das restliche Methanol in der Anfahr-Brennkammer 10 zum Mischer 8 hinaus.
Zusätzlich zur Verhinderung eines Temperaturanstiegs im Verbrennungsgas unmittelbar nach dem Stoppen der Brennstoff-Einspritzung in die Anfahr-Brennkammer 10 ist es gemäß dieser Ausführungsform daher möglich, eine Verschlechterung der Betriebsleistung oder der Zündungseigenschaften der Anfahr-Brennkammer 10 aufgrund des restlichen Methanols zu verhindern, wenn sie beim nächsten Anlass in Betrieb genommen wird.
Mit Bezug auf 18, 19A – 19C und 20 wird eine siebte Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben.
Der Hardwareaufbau des Brennstoffzellenantriebs gemäß dieser Ausführungsform ist in 20 dargestellt. Dieser ist nahezu der gleiche wie der, der bezüglich der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Jedoch weist die siebte Ausfüh rungsform einen Brennstoff-Injektor 41 auf, der mit der Brennstoff-Zuführungsleitung verbunden ist, die mit dem Methanoltank 6 verbunden ist. Der Brennstoff-Injektor 41 ist am Mischer 8 angeordnet und spritzt in diesen das Methanol ein.
Bei den ersten bis sechsten Ausführungsform wird die Anfahr-Brennkammer 10 mit einem fetten Luft-Brennstoffverhältnis betrieben. Jedoch wird die Anfahr-Brennkammer 10 bei der siebten Ausführungsform mit einem mageren Luft-Brennstoffverhältnis betrieben und der Ablauf zum Anfahren des Antriebs wird folgendermaßen durchgeführt.
Zuerst nimmt die Anfahr-Brennkammer 10 den Betrieb, wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben, mit der Ausnahme auf, dass das Luft-Brennstoffgemisch, das darin verbrannt wird, das magere Luft-Methanolgemisch ist, und außerdem mit der Ausnahme auf, dass der Brennstoff-Injektor 16 dem Vormischer 11 kein Methanol zuführt.
Das Verbrennungsgas, das von der Anfahr-Brennkammer 10 ausgestoßen wird, erhitzt den Reformer 3, den Kohlenmonoxid-Oxidator 4, die katalytische Brennkammer 9 und den Verdampfer 5.
Das Steuergerät 50 stoppt die Verbrennung in der Anfahr-Brennkammer 10, wenn ermittelt wird, dass der Antrieb gemäß dem Ausgabesignal des am Verdampfer angeordneten Temperatursensors 23 ausreichend aufgeheizt ist. Genauer gesagt, führt das Steuergerät 50 eine in 18 dargestellte Abschaltroutine anstelle der in 2 dargestellten Routine der ersten Ausführungsform durch, wenn der Betrieb der Anfahr-Brennkammer 10 gestoppt wird. Gleichzeitig stoppt das Steuergerät 50 zeitweise die Zuführung von Luft zum Vormischer 11 und zum Kohlenmonoxid-Oxidator 4 dadurch, dass das Ventil 12B und das Ventil 12E geschlossen werden.
Mit Bezug auf 18 stoppt das Steuergerät 50 in einem Schritt S51 zuerst die Brennstoff-Einspritzung durch den Brennstoff-Injektor 15.
Danach vergleicht das Steuergerät 50 in einem Schritt S52 die Temperatur TG des Verbrennungsgases, die vom Temperatursensor 21 eingegeben wurde, mit einer vorgegebenen Temperatur #TGLW2. Die vorgegebene Temperatur #TGLW2 entspricht der Selbstzündungstemperatur des gasförmigen Gemischs. Wenn die Temperatur TG des Verbrennungsgases niedriger als die Selbstzündungstemperatur ist, entzündet sich das gasförmige Gemisch nicht. Im Schritt S53 hält das Steuergerät 50 diesen Zustand aufrecht, bis die Verbrennungsgas-Temperatur TG niedriger als die vorgegebene Temperatur #TGLW2 wird.
Wenn die Verbrennungsgas-Temperatur TG niedriger als die vorgegebene Temperatur #TGLW2 ist, schließt das Steuergerät 50 das Ventil 12C in einem Schritt S53 und beendet die Routine.
Während die Anfahr-Brennkammer 10 gemäß dieser Ausführungsform den Reformer 3 aufheizt, gibt das Steuergerät 50 ein Befehlsignal an das Ventil 12C aus, um eine vorgegebene Öffnung, wie in 19A dargestellt, aufrechtzuerhalten, und gibt ein Befehlsignal an den Brennstoff-Injektor 15 aus, um eine vorgegebene Menge an Brennstoff, wie in 19B dargestellt, einzuspritzen, sodass ein vorgegebenes mageres Luft-Brennstoffverhältnis aufrechterhalten wird.
Mit diesem mageren Luft-Brennstoffverhältnis verbrennt die Anfahr-Brennkammer 10 das Methanol und erzeugt, wie in 19C dargestellt, ein Verbrennungsgas mit einer vorgegebenen hohen Temperatur.
Wenn zu einem Zeitpunkt t1 der Reformierungskreislauf hergestellt ist, stoppt das Steuergerät 50 die Brennstoff-Einspritzung durch den Brennstoff-Injektor 15. Nachdem die Brennstoff-Einspritzung gestoppt ist, befindet sich noch restliches Methanol in der Brennkammer der Anfahr-Brennkammer 10. Das restliche Methanol wird mit der Luft verbrannt, die vom Ventil 12C zugeführt wird.
Da die Luftmenge, die vom Ventil 12C der Anfahr-Brennkammer 10 zugeführt wird, nach dem Zeitpunkt t1 konstant bleibt, wird das Luft-Brennstoffverhältnis in der Anfahr-Brennkammer 10 magerer, bis das Luft-Brennstoffverhältnis schließlich den mageren Verbrennungsgrenzwert erreicht und die Verbrennung aufhört. Der magere Verbrennungsgrenzwert von Methanol entspricht dem Luft-Brennstoffverhältnis von ungefähr 14.
Bei dieser Ausführungsform wird die Anfahr-Brennkammer 10 bei einem mageren Luft-Brennstoffverhältnis betrieben, bis die Verbrennung aufhört. Nach einem Zeitpunkt t1, bei dem die Brennstoff-Einspritzung gestoppt wird, beginnt die Temperatur der Anfahr-Brennkammer 10 sich daher aufgrund der Abnahme der verbrannten Methanolmenge zu verringern und schließlich hört die Verbrennung auf.
Zu einem Zeitpunkt t2, bei dem die Temperatur niedriger als die Selbstzündungstemperatur geworden ist, schließt das Steuergerät 50 das Ventil 12C.
Da die Anfahr-Brennkammer 10 gemäß dieser Ausführungsform normalerweise ein mageres Luft-Brennstoffverhältnis vom Normalbetrieb bis zur Einstellung der Verbrennung aufrecht erhält, unterliegt das Verbrennungsgas keinem temporären Temperaturanstieg, nachdem die Verbrennung aufhört.
Infolgedessen besteht keine Möglichkeit, dass die Temperatur des bereits aktivierten Reformierungskatalysators im Reformer 3 den Aktivierungstemperaturbereich infolge des Hochtemperatur-Verbrennungsgases überschreitet, das erzeugt wird, wenn die Anfahr-Brennkammer den Betrieb einstellt.
Nachdem das Steuergerät 50 die in 18 dargestellte Abschaltroutine durchgeführt hat, mischt der Mischer 8 die Luft, die durch das Ventil 12D zugeführt wurde, und das Methanol, das durch den Brennstoff-Injektor 41 zugeführt wurde, um ein mageres Luft-Brennstoffgemisch herzustellen, und führt das magere Luft-Brennstoffgemisch der katalytischen Brennkammer 9 zu. Die katalytische Brennkammer 9 führt die Oxidationsreaktionen durch, um das heiße Verbrennungsgras herzustellen, und führt es dem Verdampfer 5 zu.
Der Verdampfer 5 verdampft das durch das Strömungsventil 14 zugeführte Methanol und das durch das Strömungsventil 17 zugeführte Wasser unter Verwendung der Wärme des heißen Verbrennungsgases. Der Verdampfer 5 führt danach das resultierende Gasgemisch aus Methanol und Wasser dem Reformer 3 zu.
Das gasförmige Gemisch aus Methanol und Wasser bläst Luft in den Reformer 3 und den Kohlenmonoxid-Oxidator 4 aus und die ausgeblasene Luft strömt in die katalytische Brennkammer 9. Das gasförmige Gemisch wird schließlich in der katalytischen Brennkammer 9 verbrannt. Das Steuergerät 50 ermittelt die Herstellung des Reformierungskreislaufs des Reformers 3 aus einem Anstieg des Ausgabesignals des Temperatursensors 23, der die Temperatur des Verbrennungsgases erfasst.
Wenn ermittelt wurde, dass der Reformierungskreislauf hergestellt ist, beendet der Antrieb sein Warmlaufen und wird danach genauso betrieben wie die erste Ausführungsform.
Die Ausführungsformen dieser Erfindung, für die ein exklusives Eigentum oder Vorrecht beansprucht wird, sind wie folgt definiert:

Claims

Brennstoffzellenantrieb zur Durchführung einer Energieerzeugung unter Verwendung eines wasserstoffhaltigen Reformatgases, mit: einem Reformer (3) mit einem Reformierungskatalysator, der das wasserstoffhaltige Refomatgas aus einem Ausgangsmaterial in einem vorgegebenen Aktivierungstemperaturbereich erzeugt; einer Anfahr-Brennkammer (10), die ein Gasgemisch aus Brennstoff und Luft verbrennt, und ein resultierendes Verbrennungsgas dem Reformer (3) zuführt, um den Reformer (3) auf den Aktivierungstemperaturbereich aufzuheizen; einer Luft-Zuführungsvorrichtung (12C), die der Anfahr-Brennkammer (10) Luft zuführt; einer Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15), die der Anfahr-Brennkammer (10) Brennstoff zuführt; einem Sensor (24, 25), der den Abschluss des Aufheizens des Reformers (3) erfasst; und einem Steuerungssystem, das die Zuführung von Luft und Brennstoff zur Brennkammer (10) steuert, gekennzeichnet durch ein programmierbares Steuergerät (50), das programmiert ist, um: eine Brennstoff-Zuführungsmenge der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) und eine Luft-Zuführungsmenge der Luft-Zuführungsvorrichtung (12C) zu steuern, um ein Luft-Brennstoffverhältnis des gasförmigen Gemischs auf einem vorgegebenen Wert abweichend von einem stöchiometrischen Luft-Brennstoffverhältnis (S1) zu halten; und die Brennstoff-Zuführungsmenge der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) und die Luft-Zuführungsmenge der Luft-Zuführungsvorrichtung (12C) zu steuern, um eine Differenz des stöchiometrischen Luft-Brennstoffgemischs und des Luft-Brennstoffverhältnisses des gasförmigen Gemischs hervorzurufen, das größer als eine Differenz des vorgegebenen Werts und des stöchiometrischen Luft-Brennstoffverhältnisses im Zeitraum nach Abschluss des Aufheizens des Reformers (3) sein soll, bis eine Verbrennung des gasförmigen Gemischs aufhört (S2 – S5).
Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 1, wobei das vorgegebene Luft-Kraftstoffverhältnis ein vorgegebenes fettes Luft-Kraftstoffverhältnis ist, und das Steuergerät (50) ferner programmiert ist, um die Luftzuführung der Luft-Zuführungsvorrichtung (12C) nach Abschluss des Aufheizens des Reformers (3) (S2) zu stoppen und die Brennstoffzuführung der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) zu einem späteren Zeitpunkt als einem Zeitpunkt zu stoppen, bei dem die Luft-Zuführungsvorrichtung (12C) die Luftzuführung zum Anfahr-Brennkammer (10) stoppt.
Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 2, wobei das Steuergerät (50) ferner programmiert ist, um die Brennstoff-Zuführungsmenge der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) zeitweise zu erhöhen, nachdem die Luft-Zuführungsvorrichtung (12C) die Luftzuführung stoppt.
Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät (50) ferner programmiert ist, die Brennstoff-Zuführungsmenge der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) zu erhöhen, bis das Luft-Brennstoffverhältnis des gasförmigen Gemischs in der Anfahr-Brennkammer (10) einen fetten Verbrennungsgrenzwert (S4) erreicht.
Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 2, wobei der Brennstoffzellenantrieb ferner einen Sensor (21) aufweist, der eine Temperatur des Verbrennungsgases erfasst, und das Steuergerät (50) ferner programmiert ist, um die Brennstoffzuführung der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) zu stoppen, nachdem die Temperatur des Verbrennungsgases niedriger als eine Selbstzündungstemperatur des gasförmigen Gemischs (S5) geworden ist.
Brennstoffzellenantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Brennstoffzellenantrieb ferner einen Spülmechanismus (12, 29, 30, 34, 35, 37, 38, 50) aufweist, der der Anfahr-Brennkammer (10) ein Spülgas zuführt, um das restliche Gasgemisch in der Anfahr-Brennkammer (10) auszuspülen, nachdem die Brennstoffzuführung der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) gestoppt wurde.
Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 6, wobei der Brennstoffzellenantrieb ferner einen Verdampfer (5), der dem Reformer (3) einen Dampf des Ausgangsmaterials zuführt, eine katalytische Brennkammer (9), die ein Verbrennungsgas erzeugt, um den Verdampfer (5) zu erhitzen, und einen Durchgang (31) aufweist, der der katalytischen Brennkammer (9) ein gasförmiges Gemisch zuführt, das von der Anfahr-Brennkammer (10) durch den Spülmechanismus (12, 29, 30, 34, 35, 37, 38, 50) zur katalytischen Brennkammer (9) gespült wurde.
Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Spülmechanismus (12, 29, 30, 34, 35, 37, 38, 50) ein Ventil (29) aufweist, das das durch den Reformer (3) erzeugte wasserstoffhaltige Refomatgas der Anfahr-Brennkammer (10) als Spülgas zuführt.
Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Spülmechanismus (12, 29, 30, 34, 35, 37, 38, 50) das Steuergerät (50) aufweist, das ferner programmiert ist, um die Luft-Zuführungsvorrichtung (12C) zu steuern, um der Anfahr-Brennkammer (10) Luft als Spülgas zuzuführen, nachdem die Brennstoffzuführung der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) gestoppt wurde.
Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Brennstoffzellenantrieb ferner einen Brennstoffzellenstapel (1) aufweist, der eine Kathode (1A) und eine Anode (1B) umfasst, und eine elektrische Energie durch eine Reaktion zwischen der der Kathode (1A) zugeführten Luft und dem der Anode (1B) zugeführten wasserstoffhaltigen Refomatgas erzeugt, wobei die Anode (1B) ein wasserstoffhaltiges Anoden-Abwasser als Ergebnis der Reaktion erzeugt, und der Spülmechanismus (12, 29, 30, 34, 35, 37, 38, 50) ein Ventil (35) aufweist, das das wasserstoffhaltige Anoden-Abwasser von der Anode (1B) der Anfahr-Brennkammer (10) als Spülgas zuführt.
Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Brennstoffzellenantrieb ferner einen Brennstoffzellenstapel (1) umfasst, der eine Kathode (1A) und eine Anode (1B) aufweist, und elektrische Energie durch eine Reaktion zwischen der der Kathode (1A) zugeführten Luft und dem der Anode (13) zugeführten wasserstoffhaltigen Refomatgas erzeugt, wobei die Kathode (1A) ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Abwasser als Ergebnis der Reaktion erzeugt, und der Spülmechanismus (12, 29, 30, 34, 35, 37, 38, 50) ein Ventil (38) aufweist, das das sauerstoffhaltige Kathoden-Abwasser von der Kathode (1A) der Anfahr-Brennkammer (10) als Spülgas zuführt.
Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 1, wobei das vorgegebene Luft-Brennstoffverhältnis ein vorgegebenes mageres Luft-Brennstoffverhältnis ist, und das Steuergerät (50) ferner programmiert ist, um die Brennstoffzuführung der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) nach Abschluss des Aufheizens des Reformers (3) (S51) zu stoppen und die Luftzuführung der Luft-Zuführungsvorrichtung zu einem späteren Zeitpunkt als einem Zeitpunkt zu stoppen, bei dem die Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) die Brennstoffzuführung zur Anfahr-Brennkammer (10) stoppt.
Brennstoffzellenantrieb nach Anspruch 12, wobei der Brennstoffzellenantrieb ferner einen Sensor (21) aufweist, der eine Temperatur des Verbrennungsgases erfasst, und das Steuergerät (50) ferner programmiert ist, um die Luftzuführung der Luft-Zuführungsvorrichtung (12C) zu stoppen, nachdem die Temperatur des Verbrennungsgases niedriger als eine Selbstzündungstemperatur des gasförmigen Gemischs (S52, S53) geworden ist.
Steuerungsverfahren für einen Brennstoffzellenantrieb, der eine Energieerzeugung unter Verwendung eines wasserstoffhaltigen Reformatgases durchführt, wobei der Brennstoffzellenantrieb einen Reformer (3) mit einem Reformierungskatalysator, der das wasserstoffhaltige Refomatgas aus einem Ausgangsmaterial in einem vorgegebenen Aktivierungstemperaturbereich erzeugt, eine Anfahr-Brennkammer (10), die ein Gasgemisch aus Brennstoff und Luft verbrennt und ein resultierendes Verbrennungsgas dem Reformer (3) zuführt, um den Reformer (3) auf den Aktivierungstemperaturbereich aufzuheizen, eine Luft-Zuführungsvorrichtung (12C), die der Anfahr-Brennkammer (10) Luft zuführt, und eine Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) umfasst, die der Anfahr-Brennkammer (10) Brennstoff zuführt, wobei das Verfahren aufweist: Erfassen des Abschlusses des Aufheizens des Reformers (3); Steuern einer Brennstoff-Zuführungsmenge der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) und einer Luft-Zuführungsmenge der Luft-Zuführungsvorrichtung (12C), um ein Luft-Brennstoffverhältnis des gasförmigen Gemischs auf einem vorgegebenen Wert abweichend von einem stöchiometrischen Luft-Brennstoffverhältnis (S1) zu halten; und Steuern der Brennstoff-Zuführungsmenge der Brennstoff-Zuführungsvorrichtung (15) und der Luft-Zuführungsmenge der Luft-Zuführungsvorrichtung (12C) um eine Differenz des stöchiometrischen Luft-Brennstoffverhältnisses und des Luft-Brennstoffverhältnisses des gasförmigen Gemischs hervorzurufen, die größer als eine Differenz des vorgegebenen Werts und des stöchiometrischen Luft-Brennstoffverhältnisses im Zeitraum nach Abschluss des Aufheizens des Reformers (3) sein soll, bis eine Verbrennung des gasförmigen Gemischs beendet ist (S2 – S5).