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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffreformiergerät, das einen
gemischten Dampf erzeugt, indem es einen Rohbrennstoff, etwa Methanol
oder dergleichen, erwärmt
und den gemischten Dampf in einen gewünschten Brennstoff, etwa reichlich
Wasserstoff enthaltendes Gas reformiert, indem der gemischte Dampf
einem Reformer in dem Brennstoffreformiergerät zugeführt wird. Insbesondere bezieht
sich dies auf eine Steuervorrichtung für das Brennstoffreformiergerät.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Als
ein Beispiel des vorstehend erwähnten Brennstoffreformiergeräts ist ein
Brennstoffreformiergerät
bekannt, das reformiertes Gas erzeugt, welches hauptsächlich aus
Methylalkohol (oder Methanol) und Wasser reformiertes Wasserstoffgas
enthält. Dieses
Brennstoffreformiergerät
hat eine Kupferlegierung oder dergleichen als einen Katalysator.
Falls eine Aktivierungstemperatur des Katalysators beispielsweise
ca. 280°C
(Grad Celsius) beträgt,
wird Methanol nicht zufriedenstellend reformiert und ziemlich viel
Methanol verbleibt in dem reformierten Brennstoffgas, wenn die Temperatur
des Katalysators unterhalb des vorstehend erwähnten Werts liegt. Da außerdem eine
Reformierreaktion von Methanol eine endotherme Reaktion ist, wird
von Außen des Katalysators
Wärme zugeführt, um
den Katalysator bei der gleichen Temperatur beizubehalten und die Brennstoffreformierreaktion
zu fördern.
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Als
ein Verfahren zum Erwärmen
des Katalysators ist nicht nur ein Erwärmen mittels eines Brenners
bekannt, sondern es ist zudem ein Verfahren zum Erzeugen von Wärme durch
Oxidation und Übertragen
der Wärme
zu dem Reformer bekannt. Das nachstehende Verfahren kann auf anderem Wege
als ein Verfahren durch eine partielle Oxidationsreaktion bezeichnet
werden. Beispielsweise werden Methanoldampf und Luft gemischt und
Wasserstoff wird durch Oxidieren dieses gemischten Gases mittels
eines Katalysators erzeugt. Die in diesem Oxidationsprozess erzeugte
Wärme wird
dazu verwendet, die vorstehend erwähnte Brennstoffreformierreaktion
zu fördern.
Dementsprechend kann die durch die endotherme Reaktion absorbierte
Wärme unter Verwendung
dieser partiellen Oxidierreaktion kompensiert werden. Es ist nicht
nötig,
von außerhalb Wärme zuzugeben,
da der Erwärmungswert
und der Wärmeabsorptionswert
ausgeglichen werden können.
Das heißt,
es ist nur dann möglich,
dass die Temperatur des Brennstoffreformiergeräts konstant beibehalten werden
kann, wenn die Wärmewerte
mittels der Reformier- und Oxidationsreaktionen ausgeglichen werden.
Es ist jedoch nicht möglich,
dass die Temperatur des Brennstoffreformiergeräts auf eine Solltemperatur
eingestellt wird.
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Dies
bedeutet, dass es erforderlich ist, von Außen zu erwärmen, um die geeignete Temperatur des
Reformers für
die Brennstoffreformierreaktion oder die Aktivierung des Katalysators
einzustellen. Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, wird der durch Methanol
und Wasser gemischte Rohbrennstoff zu dem gemischten Dampf, der
durch eine Brennwärme
einer Brennvorrichtung eine vorbestimmte Temperatur hat, und der
gemischte Dampf wird dem Reformer zugeführt.
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Wenn
das vorstehend erwähnte
Brennstoffreformiergerät
als ein Mittel zum Zuführen
von Brennstoffgas für
eine Brennstoffzelle verwendet wird, ist es nötig, die Reaktion in dem Brennstoffreformiergerät auf der
Grundlage einer Schwankung einer Last der Brennstoffzelle zu steuern.
Das heißt,
es ist nötig, eine
Menge des reformierten Rohbrennstoffgases zu erhöhen, wenn die Last der Brennstoffzelle
zunimmt, oder es ist nötig,
eine Menge des reformierten Rohbrennstoffgases zu verringern, wenn
die Last der Brennstoffzelle abnimmt. Um eine Menge von reformiertem
Rohbrennstoffgas zu erhöhen
oder zu verringern ist es nötig,
eine Menge des aus dem Methanol und dem Wasser gemischten Rohbrennstoffgases,
das zu dem Reformer zugeführt
wird, zu erhöhen
oder zu verringern. Folglich ist es nötig, einen Wärmewert
zu erhöhen
oder zu verringern, der konsumiert wird, um den gemischten Dampf
aus Methanol und Wasser bei der vorbestimmten Temperatur zu erzeugen.
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Ein
Beispiel von Steuervorrichtungen, die auf die vorstehend erwähnte Art
steuern, ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 7-296834
offenbart. Die Steuervorrichtung dient für eine Anlage, in der ein Brennstoffreformiergerät durch
einen Brenner erwärmt
wird. Durch Erfassen von Einlass- und Auslasstemperaturen des Brennstoffreformiergeräts und Einlass-
und Auslasstemperaturen eines Brenners in dem Brennstoffreformiergerät wird eine Brennstoffgasdurchflussmenge
und eine Oxidationsmittelmenge auf Grundlage dieser Temperaturen gesteuert.
Das stabile Brennen des Brenners in dem Brennstoffreformiergerät wird dann
beibehalten.
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Wie
in der vorstehend erwähnten
japanischen Patentoffenlegungsschrift vorgeschlagen ist, kann dann,
falls eine Einlass- und eine Auslasstemperatur des Brennstoffreformiergeräts und eine
Einlass- und eine Auslasstemperatur des Brenners in dem Brennstoffreformiergerät erfasst
sind, nicht nur ein Zustand einer Reformierreaktion und eine Temperatur
der Reformierreaktion ermittelt werden, sondern es kann auch ein
stabiler Zustand des Verbrennens in dem Fall ermittelt werden, in
dem ungenutztes Rohbrennstoffgas durch den Brenner verbrannt wird.
Dementsprechend kann das stabile Brennen des Brenners beibehalten
werden, indem er auf Grundlage der erfassten Werte gesteuert wird.
Die Steuerung ist jedoch dann unzureichend, wenn die Menge des zu
dem Brennstoffreformiergerät
zugeführten
Rohbrennstoffs schwankt.
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Diese
Brennstoffreformiergeräte
werden für gewöhnlich als
eine Brennstoffquelle für
eine Brennstoffzelle oder dergleichen verwendet, wie dies in der vorstehend
erwähnten
Patentanmeldung geschrieben steht, und eine Menge des zu dem Brennstoffreformiergerät zugeführten Rohbrennstoffs ändert sich gemäß einer
erforderlichen Rohbrennstoffmenge. Da der Rohbrennstoff bei der
niedrigeren Temperatur als der Aktivierungstemperatur eines Katalysators
für eine
Reformierreaktion des Rohbrennstoffs zugeführt wird, ist es nötig, den
Rohbrennstoff zu erwärmen und
ihn verdampfen zu lassen. Das heißt, es ist nötig, die
Menge von Brennstoff zum Verbrennen auf Grundlage der Schwankung
des Rohbrennstoffs zu erhöhen
oder zu verringern. Es bestehen jedoch einige hinderliche Faktoren,
wie dies nachstehend erwähnt
ist. Einer ist eine Zeitverzögerung
von dem Anweisungszeitpunkt zum Ändern
einer Menge von Rohbrennstoff bis zum tatsächlichen Zeitpunkt des Zuführens des
Rohbrennstoffs zu einer Verdampfungsvorrichtung in dem Brennstoffreformiergerät. Ein anderer
ist eine Zeitverzögerung
von dem Anweisungszeitpunkt zum Ändern
einer Menge von Brennstoff zum Verbrennen bis zum tatsächliche
Zeitpunkt des Zuführens
des Brennstoffs zum Verbrennen zu der Brennvorrichtung. Ferner ist
der andere eine Zeitverzögerung,
bis der Wärmewert
erhalten wird, der der Menge des Brennstoffs zum Verbrennen entspricht,
und der andere Faktor ist eine relative Diskrepanz zwischen den
realen Bedingungen und Umgebungen entsprechend den Schwankungen
der Menge von Rohbrennstoff oder Brennstoff zum Verbrennen. Daher
ist es dann, wenn die Wärme
des Rohbrennstoffs auf Grundlage der Temperaturschwankungen gesteuert
wird, die durch die Brennstoffreformierreaktion oder das Verbrennen
des Brennstoffs verursacht werden, nicht möglich, die Rohbrennstoffmenge
bei der Solltemperatur zu erhalten, und es kann passieren, dass
die Brennvorrichtung in einigen Teilen schmilzt und beschädigt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend
erwähnten
Probleme zu lösen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Steuervorrichtung
für ein
Brennstoffreformiergerät
zu schaffen, die ein Übergangsansprechverhalten einer
Steuerung zum Erwärmen
von Rohbrennstoff verbessert.
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Ein
Brennstoffreformiergerät
gemäß Anspruch
1 weist eine Heizvorrichtung auf und die Heizvorrichtung erwärmt den Rohbrennstoffdampf
auf eine vorbestimmte Solltemperatur. Eine Steuervorrichtung für das Brennstoffreformiergerät weist
eine Rohbrennstoffmengenbestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer
Menge von zu der Heizvorrichtung zugeführtem Rohbrennstoff sowie eine
Solltemperatureinstelleinrichtung zum Einstellen der Erhöhung der
Solltemperatur des Rohbrennstoffdampfes auf der Grundlage der Erhöhung der
durch die Rohbrennstoffmengenbestimmungseinrichtung bestimmten Menge
des Rohbrennstoffs auf.
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Falls
die Menge des zu der Heizvorrichtung zugeführten Rohbrennstoffs zunimmt,
nimmt die latente Wärme
des Rohbrennstoffs zu, wenn der Rohbrennstoff verdampft. Da die
Solltemperatur des Rohbrennstoffs hoch eingestellt ist, wird verhindert, dass
die Temperatur des erwärmten
Rohbrennstoffs absinkt, selbst wenn ein Wärmewert zunimmt, der als eine
latente Verdampfungswärme
genommen wird. Dementsprechend kann die Solltemperatur des Rohbrennstoffs
erreicht werden.
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Die
Heizvorrichtung weist eine Brennvorrichtung und eine Verdampfungsvorrichtung
auf. Die Brennvorrichtung oxidiert Brennstoff zum Brennen mit Luft
und die Verdampfungsvorrichtung verdampft den Rohbrennstoff. Die
Steuervorrichtung weist ferner ein Luftmengensteuergerät zum Steuern
einer Menge von zu der Heizvorrichtung zugeführten Luft auf Grundlage der
durch die Rohbrennstoffmengenbestimmungseinrichtung bestimmte Menge
des Rohbrennstoffs auf.
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Wenn
eine Rohbrennstoffmenge klein ist, ist eine Menge von zu der Heizvorrichtung
zugeführter Luft
klein. Wenn im Gegensatz dazu eine Rohbrennstoffmenge größer ist,
ist eine Luftmenge größer. Wenn
eine Solltemperatur von Rohbrennstoff niedrig eingestellt ist, weil
die Rohbrennstoffmenge klein ist, dann wird ein Wärmewert
zum Erwärmen
der Luft und Erhöhen
der Temperatur der Luft oder ein Wärmewert, der von der Luft ausgetragen
wird kleiner, weil die Luftmenge klein ist. Falls im Gegensatz dazu eine
Solltemperatur des Rohbrennstoffs hoch eingestellt ist, weil die
Rohbrennstoffmenge größer ist,
wird ein Wärmewert
zum Erwärmen
der Luft und Erhöhen der
Temperatur der Luft oder ein Wärmewert,
der von der Luft ausgetragen wird, größer, weil die Rohbrennstoffmenge
größer ist.
Folglich wird der Rohbrennstoff nicht unterhitzt oder überhitzt.
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Es
ist zudem möglich,
dass die Steuervorrichtung ferner einen Detektor zum Erfassen eines physikalischen
Werts, der die Menge von durch die Heizvorrichtung erwärmten Rohbrennstoff
anzeigt, und eine Korrektureinrichtung zum Korrigieren der Solltemperatur
auf Grundlage des durch den Detektor erfassten physikalischen Werts
aufweist.
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Da
die Steuervorrichtung den vorstehend erwähnten Detektor und die Korrektureinrichtung
hat, wird die Menge der zu der Heizvorrichtung zugeführten Luft
oder die Solltemperatur des Rohbrennstoffs auf Grundlage der Rohbrennstoffdurchflussmenge oder
dergleichen korrigiert. Dementsprechend beeinflusst eine Abweichung
des Wärmewerts
in der Heizvorrichtung, eine Abweichung eines Wärmeaustauschwerts oder eine
Herstellungsabweichung von funktionellen Teilen, etwa eines Ventils,
das in dem Brennstoffreformiergerät enthalten ist, die Temperatur
des Rohbrennstoffs nicht.
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Falls
die Steuervorrichtung ferner eine Wärmewertkorrektureinrichtung
zum Korrigieren eines Wärmewerts
der Heizvorrichtung auf Grundlage der Wärmekapazität der Heizvorrichtung aufweist,
wird der Wärmewert
der Heizvorrichtung unter Berücksichtigung
der Wärmekapazität der Heizvorrichtung gesteuert.
Somit wird der Rohbrennstoff präzise
erwärmt
und wird nicht unzureichend erwärmt
oder überhitzt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorgehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile sowie die
technische und industrielle Bedeutung dieser Erfindung werden durch Studium
der nachstehenden ausführlichen
Beschreibung eines gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung unter Berücksichtigung
der beiliegenden Zeichnungen besser verstanden, in denen:
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1 ein
Ablaufdiagramm ist, das ein Beispiel von Steuerungen einer Steuervorrichtung
für ein
Brennstoffreformiergerät
der vorliegenden Erfindung erläutert;
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2 ein
Beispiel von Graphen ist, die eine Beziehung zwischen einer Rohbrennstoffmenge
und einer Solltemperatur des Rohbrennstoffsdampfs zeigen;
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3 ein
Beispiel von Graphen ist, die eine Beziehung zwischen einer Rohbrennstoffmenge
und einem Sollwert eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses (A/F) zeigen;
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4 ein
Beispiel von Graphen ist, die eine Beziehung zwischen einer auf
Grundlage einer Menge von zugeführter
Luft korrigierten Solltemperatur des Rohbrennstoffdampfs und einem
A/F-Sollwert zeigen;
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5 ein
schematisches Schaubild ist, das eine Beziehung zwischen einer auf
Grundlage einer erfassten Rohbrennstoffdampfmenge korrigierten Temperatur
des Rohbrennstoffdampfs und einem A/F-Sollwert ist;
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6 ein
Graph ist, der einen Korrekturwert einer Menge von Brennstoff zum
Verbrennen an einem Übergangszeitpunkt,
zu dem sich eine Rohbrennstoffmenge ändert, als eine Stufenfunktion zeigt;
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7 ein
schematisches Blockdiagramm ist, das ein System des an einer Brennstoffzelle
angeschlossenen Brennstoffreformiergeräts zeigt; und
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8 ein
schematisches Blockdiagramm einschließlich einer Veranschaulichung
einer Heizvorrichtung ist, welches ein Steuersystem der Steuervorrichtung
für das
Brennstoffreformiergerät
zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In
der nachstehenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen
wird die vorliegende Erfindung mittels spezifischer Ausführungsbeispiele
ausführlicher
beschrieben. Zunächst
wird ein System beschrieben, in dem ein Brennstoffreformiergerät Rohbrennstoff
verwendet, der aus Methanol und Wasser besteht, und eine Brennstoffzelle
als eine Energieübertragungsvorrichtung
verwendet wird, die durch das Brennstoffreformiergerät reformiertes
Rohbrennstoffgas in Energie einer anderen Form überträgt. 7 zeigt
schematisch eines dieser Systeme. Ein Brennstoffreformiergerät 2 ist
an eine Wasserstoffelektrode 15 in einer Brennstoffzelle 1 angeschlossen. Das
Brennstoffreformiergerät 2 reformiert
Rohbrennstoff, der ein Gemisch aus Methanol und Wasser ist, in Wasserstoff
und Kohlendioxid, und hat eine Heizvorrichtung 3, die den
Rohbrennstoff erwärmt,
einen Reformer 4 und eine CO-Oxidiervorrichtung 5.
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Die
Heizvorrichtung 3 erzeugt gemischten Dampf aus Methanol
und Wasser durch Erhitzen des Rohbrennstoffs. In der Heizvorrichtung 3 erzeugt eine
Brennvorrichtung 6 Wärme
zum Erwärmen
des Rohbrennstoffs, und eine Verdampfungsvorrichtung 7 verdampft
den Rohbrennstoff durch die Wärme.
Als ein Beispiel der Brennvorrichtung 6 kann eine Struktur
zum Verbrennen des Rohbrennstoffs mit einem Brenner oder eine Struktur
zum Oxidieren des Rohbrennstoffs mittels eines Katalysators angenommen werden.
Ein Injektor 9 ist an einer Brennstoffpumpe 8 angeschlossen,
die Methanol als ein Beispiel von Brennstoff zum Verbrennen zu der
Brennvorrichtung 6 zuführt.
Eine Luftpumpe 10 führt
Luft als ein Beispiele für
Gas zu der Brennvorrichtung 6 zu, die/das beim Verbrennen
des Brennstoffs zum Brennen unterstützt.
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Eine
Rohbrennstoffpumpe 11 führt
eine gemischte Flüssigkeit
aus Methanol und Wasser zu der Verdampfungsvorrichtung 7 zu.
Ein Wärmetauscher 12 verbindet
die Verdampfungsvorrichtung 7 mit der Brennvorrichtung 6.
Die Struktur der Heizvorrichtung 3 wird später ausführlich beschrieben.
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Der
vorstehend erwähnte
Reformer 4 erzeugt wasserstoffreiches Gas durch eine Reformierreaktion
von Methanol und Wasser. Um genau zu sein wird reformiertes Rohbrennstoffgas,
welches hauptsächlich
Wasserstoff aufweist, durch die Reformierreaktion unter Verwendung
eines kupferbasierten Katalysators mit einer Aktivierungstemperatur von
ca. 280°C
erzeugt, wie in der nachstehenden chemischen Gleichung gezeigt ist. CH3OH + H2O → CO2 + 3H2 (1)
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Dieser
Reformer 4 erzeugt Wasserstoffgas und Wärme durch eine Partialoxidationsreaktion
von Methanol und zu diesem Zweck wird Luft durch eine Luftpumpe 13 zugeführt. Die
in der vorstehend erwähnten
Gleichung (1) gezeigte Reformierreaktion ist eine wärmeabsorbierende
Reaktion und die in der nachstehenden Gleichung (2) gezeigte Partialoxidationsreaktion
von Methanol ist eine wärmeerzeugende
Reaktion. Durch Ausgleichen der durch die exotherme Reaktion erzeugte
Wärme und
der durch die endotherme Reaktion konsumierten Wärme wird die Temperatur des
Reformers 4 im Wesentlichen konstant gehalten. CH3OH + 1/2 O2 → 2H2 + CO2 (2)
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Die
vorstehend erwähnten
Reformier- und Partialoxidationsreaktionen, die in (1) und (2) gezeigt sind,
werden in dem idealen Zustand ausgeführt und der Kohlendioxid ändert sich
reversibel in ein Kohlenmonoxid. In einem tatsächlichen Zustand wird das Kohlenmonoxid
unvermeidlich in das reformierte Brennstoffgas eingemischt. Da dieses
Kohlenmonoxid einen Katalysator in der Wasserstoffelektrode 15 in
der Brennstoffzelle 1 beschädigt, ist die CO-Oxidiervorrichtung 5 vorgesehen,
um sich von dem Kohlenmonoxid zu entledigen. Die CO-Oxidiervorrichtung 5 hat
einen CO-Oxidierkatalysator (in den Figuren nicht gezeigt) und eine
Luftpumpe 14. Das in dem reformierten Rohbrennstoffgas
enthaltene Kohlenmonoxid wird durch Sauerstoff in der Luft oxidiert,
indem das reformierte Gas, das durch den Reformer 4 reformiert
wurde, durch die CO-Oxidiervorrichtung 5 geführt wird.
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Die
Brennstoffzelle 1 weist beispielsweise eine Elektrolytmembran
(in den Figuren nicht gezeigt), etwa eine Polymermembran mit einer
Protonenpermeabilität,
eine Wasserstoff-(auch bezeichnet als Brennstoff-)elektrode 15 und
eine Sauerstoff-(auch bezeichnet als Luft-)elektrode 16 auf.
Die Wasserstoffelektrode 15 und die Sauerstoffelektrode 16 nehmen
die Elektrolytmembran zwischen sich. Die Brennstoffzelle 1 hat
eine Vielzahl von solchen Einheitszellen, die in Reihe angeordnet
sind. Die Wasserstoff- oder Sauerstoffelektrode 15, 16 weist eine
Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht auf und die Katalysatorschicht
in der Wasserstoffelektrode 15 hat beispielsweise eine
poröse Struktur,
die beispielsweise Kohlenstoff ist, der mit einem Katalysator, etwa
Platin, einer Platinlegierung, oder Ruthenium geschwängert ist.
Das Brennstoffreformiergerät 2 ist
an die Wasserstoffelektrode 15 angeschlossen und das reformierte
Rohbrennstoffgas, das hauptsächlich
Wasserstoffgas enthält,
wird zu der Wasserstoffelektrode 15 zugeführt. Eine
Luftzuführeinrichtung 17,
etwa eine Luftpumpe, ist an der Sauerstoffelektrode 16 angeschlossen
und Sauerstoff wird für
die Reaktion mit dem Wasserstoff in dem reformierten Rohbrennstoffgas
zugeführt.
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Übrigens
ist an den Wasserstoff- und Sauerstoffelektroden 15, 16 eine
Batterie 18 oder ein Wandler 19 angeschlossen,
so dass sie einen geschlossenen Kreislauf bilden. Ein Elektrostromsensor 20 ist
in dem geschlossenen Kreislauf vorgesehen. Ferner ist an dem Wandler 19 ein
Elektromotor 21 angeschlossen. Dieser Motor 21 ist
eine Energiequelle beispielsweise zum Antreiben eines Fahrzeugs.
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Eine
Ionisierung des in der Wasserstoffelektrode 15 erzeugten
Wasserstoffs und eine Oxidationsreaktion mittels der Elektrolytmembran
wird nicht immer für
das gesamte zu der Brennstoffzelle 1 zugeführte Wasserstoffgas
ausgeführt
und eine Effizienz bzw. ein Wirkungsgrad der Reaktion beträgt mehrere 10%.
Folglich enthält
ein von der Wasserstoffelektrode 15 erzeugtes Auslassgas
(im Weiteren als ein Abgas bezeichnet) ein ungebrauchtes brennbares
Gas, das ein Wasserstoffgas ist. Ein Rückführrohr 22 verbindet
die Brennstoffzelle 1 mit der Brennvorrichtung 6,
so dass es das Abgas von der Wasserstoffelektrode 15 zu
der Brennvorrichtung 6 rückführt, um das nicht verwendete
Gas effizient wiederzuverwenden. In der Mitte des Rückführrohrs 22 steuert
ein Strömungssteuerventil 23 eine
Gasdurchflussmenge in dem Rückführrohr 22.
Im Übrigen
bedeutet hier die vorstehend erwähnte
Strömungsmenge
eine Strömungsmenge
pro Zeiteinheit und dies trifft auch im weiteren Verlauf zu. Öffnungsgrade
des Strömungssteuerventils 23 werden
elektronisch gesteuert. Außerdem
kann einiges des im Rückführrohr 22 strömenden Gases
auf geeignete Weise ausgelassen werden, ohne dass es zu der Brennvorrichtung 6 zugeführt wird.
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In 8 ist
die Heizvorrichtung 3 mit einem Steuersystem gezeigt. Die
Brennvorrichtung 6 hat eine Brennkammer 24, in
der der Rohbrennstoff oxidiert wird und der Rohbrennstoff wird durch
Verbrennen des Brennstoffs zum Verbrennen (im Weiteren als Methanol
zum Verbrennen bezeichnet) und/oder des ungenutzten brennbaren Gases
mit der Luft in der Brennkammer 24 erwärmt. Die Brennkammer 24 ist
in obere und untere Kammern geteilt. Der Injektor 9 befindet
sich an dem Einlass der oberen Kammer der Brennkammer 24 und
das Methanol zum Verbrennen wird von dem Injektor 9 in
die obere Kammer der Brennkammer 24 eingesprüht. In der
Nähe des Sprühpunkts
des Methanols zum Verbrennen in der oberen Kammer der Brennvorrichtung 24 befindet sich
eine Luftzuführöffnung 25 und
die Luftpumpe 10 ist an der Luftzuführöffnung 25 angeschlossen.
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Ferner
ist ein Rückführrohr 22 an
der oberen Kammer der Brennkammer 24 in der Nähe des Injektors 9 angeschlossen.
Drucksensoren 26, 27 sind an beiden Seiten des
Strömungssteuerventils 23 angeordnet
und die Drücke
der oberen und unteren Ströme
werden durch diese Drucksensoren 26, 27 erfasst.
Die unteren und oberen Kammern, die die Brennkammer 24 unterteilen,
sind an der dem Injektor 9 entgegengesetzten Seite in der
Brennkammer 24 miteinander verbunden und die linke Seite
der unteren Kammer ist für
das Abgas zu der Außenseite offen,
wie in 8 gezeigt ist.
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Der
Wärmetauscher 12 ist
in der Brennkammer 24 vorgesehen. Der Wärmetauscher 12 hat
eine Vielzahl von Verdampfungsrohren 28, so dass sie die Brennkammer 24 in
einem luftdichten Zustand vertikal passieren. Ein Ende eines jeden
Verdampfungsrohrs 28 ist an einem Zuführrohr 29 angeschlossen und
das entgegengesetzte Ende eines jeden Verdampfungsrohrs 28 ist
an einem Dampfrohr 30 angeschlossen. Ferner ist an der
Außenfläche eines
jeden Verdampfungsrohrs 28 in der Brennkammer 24 jeweils
ein Oxidationskatalysator aufgetragen. Das Methanol zum Verbrennen
oder das unverbrauchte Wasserstoffgas in dem Abgas, das zu der Brennkammer 24 zugeführt wird,
wird dann durch den Sauerstoff in der Luft in der Brennkammer 24 oxidiert
und erzeugt Wärme.
Der Rohbrennstoff ist mit einer vorbestimmten Höhe in jedem Verdampfungsrohr 28 vorgesehen.
Das Verdampfungsrohr 28 ist in einen oberen Siedeteil 28a und
einen oberen Dampferwärmungsteil 28b geteilt.
In dem Siedeteil 28a wird der Rohbrennstoffdampf aus der
Rohbrennstoffflüssigkeit
erzeugt und in dem Dampferwärmungsteil 28b wird
der Rohbrennstoffdampf erwärmt.
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An
den oberen und unteren Strömen
des Dampfrohrs 30 sind Drucksensoren 32 und 33 angeordnet
und sie erfassen Drücke
des Rohbrennstoffdampfes an jedem Punkt. Ferner ist ein Durchflussmesser 34 zum
Erfassen einer Rohbrennstoffdampfdurchflussmenge an der bezüglich des
Drucksensors 33 stromabwärts liegenden Stelle des Dampfrohrs 30 vorgesehen
und der Rohrbrennstoffstrom wird mittels des Dampfrohrs 30 zu
dem Reformer 4 zugeführt.
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Die
vorstehend erwähnten
Pumpen 8, 10, 11 sind elektronisch gesteuert
und die Auslassmengen der Pumpen werden auf geeignete Weise gesteuert. Eine
elektronische Steuereinheit (ECU) 35 ist für diese
Steuerungen vorgesehen. Die ECU 35 hat einen Mikrocomputer
mit so etwas wie einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), Speichereinheiten
(RAM, ROM), Eingabe- und Ausgabeschnittstellen und dergleichen.
Die erfassten Daten eines jeden vorstehend erwähnten Sensors 26, 27, 32, 33 oder
des Durchflussmessers 34 werden in die ECU 35 als Steuerdaten
eingegeben. Außerdem
wird in die ECU 35 ein erfasstes Signal des Elektrostromsensors 20 zum
Erfassen der Last der Brennstoffzelle 1 eingegeben. Die Öffnungsgrade
des Durchflusssteuerventils 23 werden ebenso durch die
ECU 35 gesteuert.
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Als
Nächstes
wird der Grundbetrieb des vorstehend erwähnten Brennstoffreformiergeräts 2 erläutert. Rohbrennstoff,
der eine gemischte Flüssigkeit aus
Methanol und Wasser ist, wird mittels des Zuführrohrs 29 und der
Rohbrennstoffpumpe 11 zu den Verdampfungsrohren 28 zugeführt. Andererseits
wird Methanol zum Verbrennen durch den Injektor 9 zu der
Brennkammer 24 eingesprüht
und/oder das das unverbrauchte Wasserstoffgas enthaltende Abgas wird
mittels des Rückführrohrs 22 zu
der Brennkammer 24 zugeführt. Luft als ein Verbrennungsunterstützungsgas
wird durch die Luftpumpe 10 zu der Brennkammer 24 zugeführt. Das
Methanol zum Verbrennen und/oder das unverbrauchte Wasserstoffgas
werden durch Katalyse eines Oxidationskatalysators 31 mit
Luft oxidiert, das heißt,
sie werden verbrannt, und Wärme
wird erzeugt. Da das Verdampfungsrohr 28 durch diese Wärme erwärmt wird,
verdampft die gemischte Flüssigkeit
innerhalb des Verdampfungsrohrs 28 und der gemischte Dampf
aus Methanol und Wasser wird erzeugt. Ein durch das Verbrennen erzeugtes
Auslassgas wird mit Hilfe eines Auslassrohrs 36 ausgelassen.
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Das
in dem Verdampfungsrohr 28 erzeugte gemischte Gas wird
mittels des Dampfrohrs 30 zu dem Reformer 4 geschickt.
Die Reformierreaktion von Methanol und Wasser findet mit dem in
dem Reformer 4 bereitgestellten kupferbasierten Katalysator statt
und das reformierte Brennstoffgas, das hauptsächlich Wasserstoffgas und Kohlendioxidgas
enthält,
wird erzeugt. Gleichzeitig findet die Partialoxidationsreaktion
von Methanol und zu dem Reformer 4 durch die Luftpumpe 13 zugeführter Luft
statt. Die Partialoxidationsreaktion ist in der Gleichung (2) ausgedrückt und
sie führt
dazu, dass Wasserstoffgas und Kohlendioxidgas erzeugt werden. Die
Reformierreaktion von Methanol ist eine endotherme Reaktion und
andererseits ist die Partialoxidationsreaktion von Methanol eine
exotherme Reaktion. Folglich können dann,
wenn jede Reaktion so gesteuert wird, dass die Wärmewerte der endothermen und
exothermen Reaktionen gleich sind, die Eingangs- und Ausgangswärmen ausgeglichen
werden. Die Temperatur des Reformers 4 kann dann beibehalten
werden. Da es keine Eingangs- oder Ausgangswärme in dem Reformer 4 gibt,
wird die in der Brennvorrichtung 6 erzeugte Wärme ausschließlich zum
Erwärmen
des Rohbrennstoffs und zu dessen Verdampfung verwendet.
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Das
durch den Reformer 4 erzeugte Gas ist hauptsächlich ein
Mischgas aus Wasserstoffgas und Kohlendioxidgas. Tatsächlich ist
lediglich ein geringer Prozentsatz von Kohlenmonoxidgas (annäherungsweise
1%) vorhanden. Das meiste des Kohlenmonoxidgases wird durch die
Reaktion mit dem Sauerstoff in der von der Pumpe 14 zugeführten Luft
zu Kohlendioxidgas, wenn das reformierte Brennstoffgas die CO-Oxidationsvorrichtung 5 passiert.
Das reformierte Rohbrennstoffgas, das reich an Wasserstoff ist, wird
zu der Wasserstoffelektrode 15 in der Brennstoffzelle 1 geschickt
und ein Wasserstoffion und ein Elektron werden an der Reaktionskatalysatorschicht in
der Wasserstoffelektrode 15 erzeugt. Das Wasserstoffion
permeiert und durchdringt die Elektrolytmembran und durch die Reaktion
mit Sauerstoff in der Sauerstoffelektrode 16 wird Wasser
erzeugt. Das Elektron erzeugt elektrische Energie, indem es eine äußere Last
passiert.
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Auf
diese Weise wird eine Menge von reformiertem Rohbrennstoffgas, das
durch das Brennstoffreformiergerät 2 erzeugt
wird, gemäß einer
auf die Brennstoffzelle 1 aufgebrachten Last gesteuert. Dementsprechend
wird eine Menge von gemischtem Gas aus Methanol und Wasser, das
in der Heizvorrichtung 3 erzeugt wird, auf Grundlage einer
auf die Brennstoffzelle 1 aufgebrachten Last gesteuert.
In einer Steuervorrichtung der vorliegenden Erfindung wird das Erwärmen des
Rohbrennstoffs folgendermaßen
gesteuert, um eine Rohbrennstoffmenge auf Grundlage einer auf die
Brennstoffzelle 1 aufgebrachten Last zu erwärmen.
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1 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel der Steuerung erläutert. Zunächst wird
in S1 (S1 bedeutet Schritt 1, im weiteren Verlauf wird
diese Bezeichnung durchgeführt)
eine Berechnung einer Durchflussmenge des Rohbrennstoffs (der gemischten
Flüssigkeit
aus Methanol und Wasser) ausgeführt. Übrigens
bedeutet eine Rohbrennstoffmenge eine Durchflussmenge von Rohbrennstoff
pro Zeiteinheit. Da das Wasserstoffgas, das in der Brennstoffzelle 1 verwendet
wird, in den durch die Gleichungen (1) und (2) gezeigten Reformierreaktionen erzeugt
wird, kann die Rohbrennstoffdurchflussmenge auf der Grundlage einer
an der Brennstoffzelle 1 anliegenden Last (Amperewert),
einem Reformierwirkungsgrad, einer Verwendungsrate des Wasserstoffgases
in der Brennstoffzelle 1, einer Farraday'schen Konstante usw.
berechnet werden.
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Als
nächstes
wird in S2 eine Solltemperatur des Rohbrennstoffdampfs berechnet.
In der in 8 gezeigten Heizvorrichtung 3 befindet
sich die gemischte Flüssigkeit
aus Methanol und Wasser in dem Siedeteil 28a und der Rohbrennstoffdampf
wird aus der gemischten Flüssigkeit
in dem Dampferwärmungsteil 28b erzeugt.
Das Rohbrennstoffgas wird durch Zuführen der gemischten Flüssigkeit
zu dem Verdampfungsrohr 28 und durch Erwärmen der
gemischten Flüssigkeit
durch Verbrennen des Methanols zum Verbrennen und/oder des unverbrauchten Wasserstoffgases
erzeugt. Falls in diesem Fall die Höhe der gemischten Flüssigkeit
in dem Verdampfungsrohr 28 konstant ist, ist eine Rohbrennstoffdurchflussmenge
Fel gleich einer Rohbrennstoffdampfdurchflussmenge Feg. Das heißt, Fel = Feg (3)
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In
diesem Zustand der Verdampfungsvorrichtung 7 besteht keine
Verzögerung
des Übergangsansprechverhaltens
und dieser Zustand ist der Zweck der Steuerung des Brennstoffreformiergeräts.
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Vergleicht
man eine latente Wärme
des Verdampfens der gemischten Rohbrennstoffflüssigkeit mit einer spezifischen
Wärme des
Rohbrennstoffdampfs, dann ist die latente Wärme des Verdampfens des Rohbrennstoffs
ausreichend größer als
die spezifische Wärme
des Rohbrennstoffdampfs. Falls Brennstoff zum Verbrennen zugeführt wird,
so dass die Höhe
der Flüssigkeit
in dem Verdampfungsrohr 28 konstant bleibt, wird die nachstehende
Ungleichung eingeführt. Eine Dampftemperatur in dem
Fall einer geringeren zugeführten
Menge < einer Dampftemperatur
in dem Fall einer größeren zugeführten Menge (4)
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Das
heißt,
das Gas, das eine geringere spezifische Wärme hat (d.h., der Rohbrennstoffdampf), hat
eine Neigung dazu, leichter warm zu sein, wenn ein Wärmewert
des Rohbrennstoffs erhöht
wird, um mehr Qualitäten
des Rohbrennstoffdampfs zu haben, da die thermischen Übertragungsflächen zu
dem flüssigen
Teil und zu dem Dampfteil konstant bleibt, obwohl sich die Rohbrennstoffdurchflussmenge
Fel ändert.
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Obwohl
die Beziehung zwischen der Menge der Rohbrennstoffflüssigkeit
und dem Grad der Temperaturerhöhung
im Wesentlichen anhand der vorstehend erwähnten Ungleichung (4) beschrieben wurde,
wird sie tatsächlich
durch die Struktur der Heizvorrichtung 3 beeinträchtigt.
Folglich wird eine Beziehung zwischen einer Rohbrennstoffdurchflussmenge
Fel und einer Solltemperatur eines Rohbrennstoffdampfs Tegtr durch
einen Versuch oder eine Berechnung auf Grundlage der Spezifikationen
des Brennstoffreformiergeräts
vorbereitet. Ein Beispiel ist in 2 gezeigt.
Die Berechnung in S2 wird tatsächlich
ausgeführt,
indem die Solltemperatur des Rohbrennstoffdampfs Tegtr gemäß dem in 2 gezeigten
Graphen erhalten wird.
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Als
nächstes
wird eine Luftdurchsatzmenge zum Verbrennen berechnet (S3). Hier
bedeutet, wie vorstehend erwähnt
ist, auch die Luftdurchsatzmenge eine Menge des Luftdurchsatzes
pro Zeiteinheit. Dies dient dem Zweck, zu verhindern, dass der Rohbrennstoffdampf überhitzt
wird oder dass der Rohbrennstoffdampf eine unzureichende Temperatur
erhält,
indem der Wärmewert
gesteuert wird, der durch die zu der Brennvorrichtung 6 zum
Unterstützen
der Verbrennung des Brennstoffs zugeführten Luftströmung bzw.
Luftdurchsatzes konsumiert oder ausgetragen wird. Die Solltemperatur
eines Rohbrennstoffdampfs Tegtr wird in der Steuerung in S2 eingestellt. Da
die Aktivierungstemperatur des Reformierkatalysators konstant ist,
wie dies vorstehend erwähnt
wurde, kann es vorkommen, dass die in S2 berechnete Solltemperatur
des Rohbrennstoffdampfs um einen großen Wert kleiner, oder im Gegensatz
dazu größer als
die Aktivierungstemperatur wird. Wenn dieser Fall eintritt, verschlechtert
sich die Aktivierung des Reformers 4 oder ein Reformierwirkungsgrad
nimmt durch Förderung
der Verschlechterung des Katalysators ab und Methanol verbleibt
als der reformierte Rohbrennstoff. Ferner verschlechtert sich die
Qualität
des reformierten Rohbrennstoffs, beispielsweise ist eine größere Menge
von Kohlenmonoxid enthalten, und es verschlechtert sich ein Wert
des elektrischen Stroms im Vergleich zu dem elektrischen Druck (IV-Eigenschaft).
Es ist dann schwierig, ausreichend elektrische Energie zu erzeugen.
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Die
maximale Temperatur Tegtu und die minimale Temperatur Tegtl der
Solltemperatur des Rohbrennstoffdampfs Tegtr wird durch diesen Zustand bestimmt
und der Luftdurchsatz zum Verbrennen wird so berechnet, dass die
Solltemperatur des Rohbrennstoffdampfs Tegtr zwischen der Maximaltemperatur
Tegtu und der Minimaltemperatur Tegtl liegt. Dies ist die Steuerung
zum Einstellen des Wärmewerts,
der durch die zu der Brennvorrichtung 6 zugeführten Luft
konsumiert wurde und des Wärmewerts, der
durch die Luft herausgetragen wurde, indem die Menge zugeführter Luft
bzw. der zugeführte
Luftdurchsatz gesteuert wird. Das heißt, wenn der Luftdurchsatz
niedrig ist, ist der durch die Luft konsumierte Wärmewert
und der durch die Luft ausgetragene Wärmewert an der Seite des Dampferwärmungsteils 28b niedrig.
Folglich ist die Temperatur des Rohbrennstoffdampfs dann hoch und
diese Steuerung wird ausgeführt,
wenn die Rohbrennstoffmenge Fel niedrig ist, d.h., wenn die Solltemperatur
des Rohbrennstoffdampfs Fegtr niedrig ist, wie in 2 gezeigt
ist. Das heißt,
wenn die Rohbrennstoffdurchflussmenge Fel niedrig ist, wird das
A/F in der Brennvorrichtung 6 so gesteuert, dass es niedrig
ist, und die Temperatur des Rohbrennstoffdampfs wird so gesteuert,
dass sie gleich oder größer als
die Minimaltemperatur Tegtl ist.
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Falls
im Gegensatz dazu der zugeführte
Luftdurchsatz so gesteuert wird, dass er groß ist, ist der durch die Luft
konsumierte Wärmewert
und der durch die Luft ausgetragene Wärmewert in dem Dampferwärmungsteil 28b groß. Dementsprechend
ist in der auf 2 basierten Berechnung die Temperatur
des Rohbrennstoffdampfs niedrig und diese Steuerung wird dann ausgeführt, wenn
die Rohbrennstoffdurchflussmenge Fel groß ist, d.h., wenn die Solltemperatur
des Rohbrennstoffdampfs Tegtr hoch ist. Das heißt, wenn die Rohbrennstoffdurchflussmenge
Fel groß ist,
dann wird das A/F in der Brennvorrichtung 6 so gesteuert,
dass es groß ist,
und das Überhitzen des
Rohbrennstoffdampfs wird vermieden.
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Ein
A/F-Sollwert Raftr, der unter Berücksichtigung der vorstehend
erwähnten
unzureichenden Erwärmung
oder der Überhitzung
des Rohbrennstoffdamms gesetzt ist, kann mittels Experiment oder
einer in 3 gezeigten Berechnung berechnet
werden. In S3 wird die Luftmenge auf Grundlage des in 3 gezeigten
Graphen berechnet. Die Beziehung zwischen der Rohbrennstoffdurchflussmenge
Fel und der Solltemperatur des Rohbrennstoffdampfs Tegtr, die auf
Grundlage von 3 korrigiert wird, ist durch
den Graphen in 4 gezeigt.
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Die
Brennvorrichtung 6 wird so gesteuert, dass die Temperatur
des Rohbrennstoffdampfs Teg gleich oder größer als die Solltemperatur
Tegtr ist, die wie vorstehend erwähnt eingebracht wurde. In diesem
Fall kann es passieren, dass die Durchflussmenge Fel des zugeführten Rohbrennbrennstoff
infolge der Qualitätsabweichung
des Oxidationskatalysators 31, einer Zuführvorrichtung
des Methanols oder des unverbrauchten Wasserstoffgases, oder dergleichen nicht
die Rohbrennstoffdampfdurchflussmenge Feg ist. Um diese Diskrepanz
zu korrigieren, werden die Solltemperatur des Rohbrennstoffdampfs
Tegtr und der A/F-Sollwert
Raftr korrigiert. 5 zeigt schematisch eine solche
Korrektur.
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Diese
Korrektur wird auf Grundlage eines physikalischen Werts ausgeführt, der
eine Rohbrennstoffdampfdurchflussmenge in dem Verdampfungsrohr 28 anzeigt
(S4). Genauer gesagt wird der Korrekturwert der Solltemperatur des
Rohbrennstoffdampfs Tegtrfb durch Multiplizieren (Fegtr minus Feg)
mit einem Korrekturverstärker
K1 berechnet. Dabei ist Fegtr der Durchflusssollmenge des Rohbrennstoffdampfs,
die die gleiche Menge wie die Rohbrennstoffdurchflussmenge Fel ist,
und Feg ist die tatsächliche
Rohbrennstoffdurchflussmenge Fel, die durch den Durchflussmesser 34 erfasst
wurde. Auf die gleiche Weise wird der Korrekturwert des A/F-Sollwerts
Raftrfb durch Multiplizieren (Fegtr minus Feg) mit einem Korrekturverstärker K2
berechnet. Tegtrfb
= K1 (Fegtr – Feg) (5) Raftrfb = K2 (Fegtr – Feg) (6)
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Nebenbei
bemerkt liegt der Korrekturwert der Solltemperatur des Rohbrennstoffdampfs
Tegtrfb zwischen dem Maximalwert Tegtrfbmax und dem Minimalwert
Tegtrfbmin, und der Korrekturwert des A/F-Sollwerts Raftrfb liegt
zwischen Maximalwert Raftrfbmax und dem Minimalwert Raftrfbmin wie folgt. Tegtrfbmin ≤ Tegtrfb ≤ Tegtrfbmax (7) Raftrfbmin ≤ Raftrfb ≤ Raftrfbmax (8)
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Wie
in den Ungleichungen (7), (8) gezeigt ist, werden diese Korrekturwerte
gesetzt.
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Nachgeführte Sollwerte
Tegtr' und Raftr', werden eingeführt, indem
die Solltemperatur des Rohbrennstoffdampfstroms Tegtr und der A/F-Sollwert
Raftr zu den vorstehend erwähnten
Korrekturwerten Tegtrfb und Raftrfb wie folgt addiert werden. Tegtr' = Tegtr + Tegtrfb (9) Raftr' = Raftr + Raftrfb (10)
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In
den vorstehend erwähnten
Beispielen werden die Korrekturen auf Grundlage von erfassten Daten
ausgeführt,
die dadurch erhalten werden, dass der Rohbrennstoffdampfdurchfluss
direkt erfasst wird. Jedoch ist es auch möglich, dass die Korrektur auf
Grundlage einer Rohbrennstoffdampfdurchflussmenge ausgeführt wird,
die durch einen Druck in dem Dampfrohr 30 abgeschätzt wird.
Die Rohbrennstoffdampfdurchflussmenge Feg wird auf Grundlage eines
Einlassdrucks Pr und eines Auslassdrucks Peg berechnet, wie in der
nachstehenden Gleichung (11) gezeigt ist. Feg = C × (Peg – Pr)1/2 (11)
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Hier
ist der Eingangsdruck Pr ein Eingangsdruck des Reformers 4 und
wird durch den Drucksensor 33 stromabwärts des Dampfrohrs 30 erfasst.
Der Ausgangsdruck Peg ist ein Ausgangsdruck der Verdampfungsvorrichtung 7 und
wird durch den Drucksensor 32 stromaufwärts des Dampfrohrs 30 erfasst. C
ist ein vorbestimmter Koeffizient.
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Eine
Durchflusssollmenge Fbm von Brennstoff (also Methanol) zum Verbrennen
in der Brennvorrichtung 6 wird so berechnet (S5), dass
die Temperatur des Rohbrennstoffdampfs die in der Gleichung (9)
berechnete Solltemperatur Tegtr' ist.
Das heißt,
der Durchflusssollmenge Fbm von Methanol zum Verbrennen kann berechnet
werden, indem ein erforderlicher Wärmewert durch einen Wärmewert pro
Einheitsmenge von Methanol geteilt wird, da der Wärmewert
pro Einheitsmenge bekannt ist. Der vorstehend erwähnte Wärmewert
wird auf Grundlage der Rohbrennstoffdampfdurchflusssollmenge, der Temperatur
vor der Erwärmung,
der spezifischen Wärme
des Rohbrennstoffs, einer latenten Wärme des Verdampfens, einer
Wärmeaustauscheffizienz usw.
berechnet.
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Wenn
der Wärmewert
durch die Schwankung der erforderlichen Rohbrennstoffdampfdurchflussmenge
geändert
wird, wird die Durchflussmenge von Methanol zum Verbrennen auf Grundlage
der Wärmekapazität der Heizvorrichtung 3 korrigiert (S6).
Da die Änderung
Rohbrennstoffdampfdurchflussmenge die Erhöhung oder Verringerung der
Solltemperatur des Rohbrennstoffdampfs mit sich bringt, ändert sich
die Temperatur der Heizvorrichtung 3 und es taucht durch
die Änderung
der Heizvorrichtung 3 ein endothermes oder exothermes Phänomen auf. Die
Durchflusssollmenge Fbm von Methanol zum Verbrennen wird dann unter
Berücksichtigung
des vorstehend erwähnten
Zustands korrigiert. Genauer gesagt wird dann, wenn eine Rohbrennstoffmenge von
Fell pro Zeiteinheit auf Fel2 erhöht wird, wie in 6 gezeigt
ist, ein Korrekturwert der Methanolmenge zum Verbrennen auf Grundlage
einer Differenz zwischen den Solltemperaturen des Rohbrennstoffdampfs
Tegtr1 und Tegtr2, die Fell und Fel2 entsprechen, berechnet, wie
dies in der nachstehenden Gleichung (12) gezeigt ist. Fbmff = (Tegtr2 – Tegtr1) × Ce/Hbm (12)
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Hier
ist Ce eine Wärmekapazität der Heizvorrichtung 3 und
Hbm ist ein Reaktionswärmewert
pro Mol des Methanols zum Verbrennen. Folglich nimmt der Korrekturwert
von Methanol zum Verbrennen Fbmff als eine Stufenfunktion transient
zu und die Menge von Methanol zum Verbrennen wird gemäß dieses
Korrekturwerts Fbmff erhöht.
Die erhöhte Menge
entspricht der Wärmekapazität der Heizvorrichtung 3.
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Da,
wie vorstehend erwähnt
ist, die Verwendungseffizienz von reformiertem Rohbrennstoffgas
in der Brennstoffzelle 1 nicht 100 % erreicht und das Abgas
von der Brennstoffzelle 1 unverbrauchtes Wasserstoffgas
enthält,
kann das Abgas verbrannt werden, um den Rohbrennstoff zu erwärmen. Dementsprechend
wird in Schritten S7 und S8 eine Menge des zu der Brennvorrichtung 6 zugeführten Abgases
berechnet und die Menge des Abgases wird korrigiert. Da genauer
gesagt eine Verwendungseffizienz von Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle 1 bekannt
ist, ist eine Wasserstoffdichte des Abgases bekannt. Da ein Wärmewert
in dem Fall bekannt ist, in dem Wasserstoff verbrannt wird, kann
eine erforderliche Abgasdurchflussmenge durch den in der Heizvorrichtung 6 erwünschten
Wärmewert
berechnet werden. Da ferner eine Zeitverzögerung von der Zufuhr des Abgases
bis zum Erwärmen
des Rohbrennstoffdampfs unausweichlich ist, wird entsprechend dieser
Zeitverzögerung
eine Korrektur ausgeführt.
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Da
die Mengen von Methanol zum Verbrennen, von Abgas und von Luft auf
diese Weise berechnet werden, werden diese Werte so gesteuert, dass sie
zu der Brennvorrichtung 6 zugeführt werden. Das heißt, es wird
ein direktes Signal (das heißt,
ein Injektorsteuerwert) so ausgegeben, dass die vorstehend erwähnte erforderliche
Menge von Methanol zum Verbrennen zu dem Injektor 9 eingespritzt
wird (S9). Ein Öffnungssignal
(das heißt
ein Steuerwert des Durchflusssteuerventils der Abgasströmung) wird
so zu dem Durchflusssteuerventil 23 ausgegeben, das die
vorstehend erwähnte
erforderliche Menge des Abgases durchfließt (S10). Ferner wird zu der
Luftpumpe 10 ein direktes Signal so ausgegeben, dass eine
erforderliche Menge von Luft strömt
(S11).
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Durch
Ausführen
der vorstehend erwähnten Steuerung,
kann die Erwärmung
des Rohbrennstoffs und die Rohbrennstoffsdampfdurchflussmenge auf geeignete
Weise beim Übergang
gesteuert werden, wenn die Menge des Rohbrennstoffs geändert wird. Die
Qualität
und Menge des reformierten Rohbrennstoffs entspricht der erforderlichen
Ausgabe der elektrischen Energie der Brennstoffzelle 1 und
die Verwendungseffizienz des reformierten Rohbrennstoffs in der
Brennstoffzelle 1 wird verbessert. Folglich wird dann,
wenn die Brennstoffzelle mit einem solchen Brennstoffreformiergerät als eine
Energiequelle eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs dient,
ein Brennstoffverbrauch des Fahrzeugs verbessert. Da in diesem Fall
eine zusätzlich
verwendete Sekundärbatterie
einen geringeren Beitrag an elektrischer Energie hat, kann ein Volumen
der Sekundärbatterie
kleiner sein, ein gewichtetes Fahrzeug kann reduziert werden. Folglich
kann ein Brennstoffverbrauch verbessert werden.
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Da
die Solltemperatur des Rohbrennstoffs zwischen den vorbestimmten
maximalen und minimalen Temperatur gesteuert wird, indem die Menge des
Luftstroms gesteuert wird, wird im Vorfeld eine Beschädigung der
Heizvorrichtung, die durch Schmelzen oder dergleichen verursacht
wird, verhindert, und gleichzeitig wird ein hochqualitativer Rohbrennstoff
erzeugt, indem eine Aktivierungsfähigkeit des reformierenden
Katalysators beibehalten wird. Da sich ferner die Reformiereffizienz
verbessert und ein elektrischer Druck der Brennstoffzelle 1 zurückgehalten
wird, ist es nicht nötig,
die Antriebsenergie des Fahrzeugs zu beschränken, es verbessert sich die
Antriebsleistung und die zusätzlich
installierte Sekundärbatterie
liefert einen geringeren Beitrag. Der Brennstoffverbrauch des Fahrzeugs
wird verbessert.
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Übrigens
wird eine Berechnung oder eine Verarbeitung von Daten auf Grundlage
aller erfassten Daten oder aller vorstehend erwähnten Graphen in der in 8 gezeigten
ECU 35 durchgeführt.
In den Funktionen entspricht die in Anspruch 1 erwähnte Rohbrennstoffmengenbestimmungseinrichtung der
Funktion in S1. Die Solltemperatureinstelleinrichtung in Anspruch
1 entspricht der Funktion S2. Die Luftmengensteuereinrichtung in
Anspruch 4 entspricht der Funktion in S3. Der Detektor zum Erfassen
eines physikalischen Werts in Anspruch 6 entspricht dem Drucksensor 32, 33 oder
dem Durchflussmesser 34 und die Korrektureinrichtung entspricht
der Funktion von S4, wie in 1 gezeigt
ist. Außerdem
entsprechen die Wärmewertkorrektureinrichtungen
in Ansprüchen
11 bis 20 den in 1 gezeigten Funktionen von S6.
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Diese
Erfindung ist nicht auf die vorstehend erwähnten Beispiele beschränkt. Beispielsweise
ist auch eine Steuervorrichtung für ein Brennstoffreformiergerät erhältlich,
das nicht für
ein Fahrzeug verwendet wird. Außerdem
kann eine Steuervorrichtung für
ein Brennstoffreformiergerät
ausgenommen eines solchen verwendet werden, welches reformiertes Rohbrennstoffgas
zuführt.
Die Struktur der Heizvorrichtung ist nicht auf die vorstehend erwähnte beschränkt und
ein Brenner, der den Rohbrennstoff ohne Verwendung des Oxidationskatalysators
direkt verbrennt ist auch erhältlich.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden dem Fachmann unter Berücksichtigung der Patentbeschreibung und
der Anwendung der darin offenbarten Erfindung ersichtlich. Es ist
beabsichtigt, dass die Patentbeschreibung und Beispiele lediglich als
exemplarisch betrachtet werden, wobei der Umfang der Erfindung durch
die nachstehenden Ansprüche
angegeben ist.
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Ein
Brennstoffreformiergerät
hat eine Heizvorrichtung, einen Reformer und eine CO-Oxidationsvorrichtung.
Die Heizvorrichtung hat eine Brennvorrichtung zum Oxidieren von
Brennstoff zum Verbrennen mit Luft und eine Verdampfungsvorrichtung zum
Verdampfen des Rohbrennstoffs. Die Steuervorrichtung für das Brennstoffreformiergerät hat eine Rohbrennstoffmengenbestimmungseinrichtung
und eine Solltemperatureinstelleinrichtung zum Einstellen der Solltemperatur
des Rohbrennstoffs. Die Rohbrennstoffmengenbestimmungseinrichtung
bestimmt eine Menge von zu der Heizvorrichtung zugeführtem Rohbrennstoff.
Auf der Grundlage der Menge des zu der Heizvorrichtung zugeführten Rohbrennstoffs durch
die Bestimmung der Rohbrennstoffmengenbestimmungseinrichtung setzt
die Solltemperatursetzeinrichtung eine Solltemperatur des Rohbrennstoffs. Die
Heizvorrichtung heizt dann den Rohbrennstoff auf eine vorbestimmte
Solltemperatur durch die Steuerung der vorstehend erwähnten Steuervorrichtung.