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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für eine Brennstoffzelle
zur Gewinnung elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion
zwischen einem Brenngas, das durch eine Reformierreaktion eines
Reformierbrennstoffs und eines Oxidationsgases erhalten wird, und im
Spezielleren auf eine Vorrichtung zum Steuern der Zufuhrmenge des
Oxidationsgases. Diese Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum
Steuern einer Brennstoffzelle mittels der Vorrichtung.
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2. Beschreibung des verwandten
Stands der Technik
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Eine
Brennstoffzelle ist eine Art Energiewandler zum Induzieren einer
elektrochemischen Reaktion zwischen einem Brenngas wie zum Beispiel Wasserstoffgas
und einem Oxidationsgas wie etwa Sauerstoffgas in der Luft, durch
einen Elektrolyten, und zur Abgabe der erzeugten elektromotorischen Kraft
nach außen.
Je nach der Auswahl des Elektrolyten sind eine Polyelektrolyt-Brennstoffzelle,
Phosphat-Brennstoffzelle,
Festelektrolyt-Brennstoffzelle sowie andere bekannt, wobei insbesondere
die Polyelektrolyt-Brennstoffzelle viele Vorteile wie zum Beispiel
eine niedrige Reaktionstemperatur hat und in hohem Maße von ihr
erwartet wird, dass sie als Antriebsquelle für Fahrzeuge eingesetzt werden
wird.
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Der
Wirkungsgrad der Leistungserzeugung dieser Brennstoffzellen verändert sich
mit der Temperatur oder Feuchtigkeit des Elektrolyten, und die Leistungsabgabe
nimmt abhängig
von der Zufuhrmenge des Brenngases und Oxidationsgases zu; zur effizienten
Erzeugung einer geforderten Strommenge ist es von daher wichtig,
die Betriebsbedingungen sowie die Gaszufuhrmengen zu steuern. Beispielsweise
in Bezug auf das Oxidationsgas reagieren das Oxidationsgas und Brenngas
miteinander entsprechend ihrer Zusammensetzung, und wenn mehr Oxidationsgas
als Brenngas zugeführt
wird, steigt die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle nicht an. Andererseits kann
jedoch die Energie, die zur Zufuhr des Oxidationsgases erforderlich
ist, den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung des Gesamtsystems erniedrigen,
oder das im Überschuss
vorhandene Oxidationsgas kann den Elektrolyten abkühlen, so
dass sich der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung senkt. Folglich
ist es notwendig, der Brennstoffzelle das Oxidationsgas in Abhängigkeit
von der geforder ten Leistungsabgabe zuzuführen.
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Beispielsweise
wird bei der in
JP Nr. 60-216467 offenbarten
Erfindung unter Nutzung der Abgabedruck-/Abgabeluftstromkurve des
Kompressors zum Zuführen
von Luft zur Brennstoffzelle, sowie der Spannungs-/Stromdichtekurve
einer einzelnen Zelle (einzelnen Batterie), der im Teillastbetrieb der
Brennstoffzelle in die Kathodenelektrode einzuspeisende Luftstrom
berechnet, und das an der Auslassseite des Luftkompressors vorgesehene
Steuerventil wird so gesteuert, dass es auf den berechneten Luftstrom
eingestellt ist. Das heißt,
dass sich bei Absenkung der Ausgangsstromdichte die Abgabemenge
des Luftkompressors erniedrigt, und der Abgabedruck dabei ansteigt,
und deshalb ist die Einzelzellenspannung erhöht und der Wirkungsgrad der
Leistungserzeugung gesteigert.
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Bei
dieser verwandten Vorrichtung werden – einhergehend mit Änderungen
der geforderten Leistungsabgabe in der Brennstoffzelle – der Zufuhrluftstrom
und sein Druck verändert,
wobei aber der Luftzufuhrstatus in der Kathodenelektrode der Brennstoffzelle
und der Luftabgabestatus vom Luftkompressor nicht immer miteinander übereinstimmen. Das
heißt,
dass beim Zuführen
von Luft zur Kathodenelektrode in der Brennstoffzelle von einer
Zufuhreinheit wie etwa einem Luftkompressor (einer Luftpumpe) aufgrund
von externen Faktoren wie z. B. eines Strömungswiderstands in einem Weg
der Luftzufuhr, oder wegen einer Expansion oder Kontraktion infolge
von Temperaturänderungen
eine unvermeidliche Steuerverzögerung
auftritt. Daneben kann es auch sein, dass das in die Brennstoffzelle
eingeleitete Brenngas nicht immer genau mit der geforderten Leistungsabgabe
der Brennstoffzelle übereinstimmt. Wenn
sich die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle ändert und sich die Zufuhrmenge
an Luft oder Oxidationsgas dementsprechend ändern soll, ändert sich die
Zufuhrmenge des Oxidationsgases demnach nicht, indem sie der Leistungsabgabe
der Brennstoffzelle nachläuft,
und es kann abwechselnd eine zu große oder unzureichende Zufuhrmenge
an Oxidationsgas bestehen, und die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle
kann unstabil sein. Oder es verhält sich
so, dass durch eine übermäßige Zufuhr
des Oxidationsgases mehr Energie verbraucht wird, als notwendig
ist, was den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung des Gesamtsystems
herabsetzen kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung wurde angesichts der vorstehend erläuterten Nachteile entwickelt, und
es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Steuervorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, mit der man den substanziellen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung einer
Brennstoffzelle steigern und die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle
mühelos
stabilisieren kann.
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Um
die Aufgabe zu lösen,
umfasst eine Brennstoffzellen-Steuervorrichtung eine Brennstoffzelle
zur Erzeugung elektrischer Energie, eine Steuerung einer physikalischen
Größe zum Steuern
einer physikalischen Größe auf der
Grundlage einer Abgabemenge, um die Abgabemenge der elektrischen Energie
zu steuern, eine Glättungsvorrichtung
zum Glätten
der abgabebezogenen Menge, die mit der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle
in Zusammenhang steht, und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer
physikalischen Größe zum Bestimmen
der physikalischen Größe auf der
Grundlage der geglätteten abgabebezogenen
Menge.
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Die
in Zusammenhang mit der Leistungsabgabe stehende Größe wie etwa
der Leistungsabgabe-Anforderungsbetrag der Brennstoffzelle wird durch
die Glättungsvorrichtung
geglättet.
Darunter versteht man zum Beispiel einen Prozess der Aufrechnung
der abgabebezogenen Mengen bzw. Größen für eine bestimmte Zeit, und
des Bestimmens des Mittelwerts, oder einen Prozess der Festlegung des
Zwischenwerts der Abweichung des momentanen Werts und des Sollwerts
nach Veränderung
für eine
bestimmte Zeit, wenn sich die abgabebezogene Menge geändert hat.
Da sich die physikalische Größe zur Bestimmung
der Abgabemenge der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen
Energie so ändert,
dass sie der geglätteten
abgabebezogenen Menge folgt, tritt demzufolge weder eine Unterversorgung
noch ein Überschuss
der Zufuhrmenge der physikalischen Größe auf.
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Vorzugsweise
bestimmt die Vorrichtung zur Bestimmung der physikalischen Größe die Menge
an Oxidationsgas, die mit dem der Brennstoffzelle zuzuführenden
Brenngas reagiert, als die physikalische Größe. Im Ergebnis wird als entscheidender
Faktor der Zufuhrmenge des Oxidationsgases die abgabebezogene Menge
der Brennstoffzelle geglättet,
die abgabebezogene Menge birgt keinerlei vorübergehende Zunahme oder Abnahme
in sich, und eine Schwankung der Zufuhrmenge des Oxidationsgases ist
unterdrückt,
so dass dadurch die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle stabilisiert
ist.
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Darüber hinaus
kann ein Reformer zur Erzeugung des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brenngases
durch eine Reformierreaktion eines Reformierbrennstoffs enthalten
sein, und die Vorrichtung zur Bestimmung der physikalischen Größe kann die
Menge des dem Reformer zuzuführenden
Reformierbrennstoffs als die physikalische Größe steuern. Im Ergebnis ist
eine plötzliche
Veränderung
des Sollwerts des dem Reformer zuzuführenden Reformierbrennstoffs
unterdrückt
und ein Hin- und Herpendeln der Steuerung ist verhindert.
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Des
Weiteren kann eine Einstellvorrichtung zum Einstellen der Reformierbrennstoffmenge
enthalten sein, die von der Reformierbrennstoff-Bestimmungsvorrichtung
bestimmt wurde, und zwar entsprechend dem Verhältnis zwischen dem durch die Glättungsvorrichtung
erhaltenen Wert und der zu einem gegebenen Zeitpunkt bestehenden
abgabebezogenen Menge. Im Ergebnis wird, wenn zum Beispiel die Abweichung
zwischen der abgabebezogenen Menge zu einem bestimmten Zeitpunkt
und dem geglätteten
Wert der abgabebezogenen Menge groß ist, die dem Reformer zuzuführende Reformierbrennstoffmenge
angepasst. Genauer gesagt wird die von der Reformierbrennstoff-Bestimmungseinrichtung bestimmte
Menge durch Erhöhung
oder Absenkung angepasst. Verglichen mit der Reformierbrennstoffmenge,
die nur auf der Grundlage des geglätteten Werts bestimmt wird,
wird dementsprechend die Reformierbrennstoffmenge erhöht oder
reduziert, und von daher ist das Ansprechverhalten des Reformers verbessert.
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Eine
Brennstoffzellen-Steuervorrichtung kann eine Brennstoffzelle umfassen,
die an einem Fahrzeug als Antriebsleistungsquelle installiert ist und
der Erzeugung elektrischer Energie dient, die durch eine Reaktion
zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas erzeugt wird, eine
Beschleunigungsgrad- oder Verzögerungsgrad-Erfassungsvorrichtung
zum Erfassen des Betätigungsbetrags,
der mit der vom Fahrer des Fahrzeugs gewünschten Beschleunigung oder
Verzögerung
in Zusammenhang steht, und eine Oxidationsgaszufuhr-Bestimmungsvorrichtung
zum Bestimmen der Oxidationsgaszufuhr zur Brennstoffzelle auf der
Grundlage des von der Beschleunigungsgrad- oder Verzögerungsgrad-Erfassungsvorrichtung
erfassten Betätigungsbetrags.
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Wenn
der Fahrer das Fahrzeug beschleunigt oder verzögert, nimmt die Oxidationsgaszufuhr
zur Brennstoffzelle dementsprechend zu oder ab, so dass die Leistungsabgabe
der Brennstoffzelle erhalten werden kann, die dem Wunsch des Fahrers
in Bezug auf Beschleunigung oder Verzögerung entspricht.
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Zusätzlich kann
darüber
hinaus eine Oxidationsgas-Einstellvorrichtung zum Ein stellen der
Zufuhrmenge des Oxidationsgases in Bezug auf den in den Reformer
eingeleiteten Reformierbrennstoff auf der Grundlage der Reformierungsantwort,
bei der es sich um den Erzeugungszustand des Brenngases handelt,
enthalten sein. Im Ergebnis wird bei Bestimmung der Zufuhrmenge
des Oxidationsgases auf der Grundlage der dem Reformer zugeführten Menge des
Reformierbrennstoffs die Zufuhrmenge des Oxidationsgases, die der
Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Brenngases entsprechen
sollte, unter Berücksichtigung
der Antwort bzw. des Ansprechverhaltens bestimmt, wenn der Reformierbrennstoff
zu Brenngas reformiert wird, und von daher deckt sich die Zufuhrmenge
des Oxidationsgases besser mit der Zufuhrmenge des Brenngases, und
ein Überschuss
oder ein Fehlbetrag in Bezug auf die Zufuhrmenge des Oxidationsgases
ist vermieden. Mithin ist die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle
stabilisiert.
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellen-Steuervorrichtung
sowie ein Verfahren zu deren Betrieb, die eine Brennstoffzelle zur
Erzeugung elektrischer Energie umfasst, welche durch eine Reaktion
zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas entsteht, einen
Reformer, der durch eine Reformierreaktion eines Reformierbrennstoffs ein
Brenngas erzeugt, das in die Brennstoffzelle einzuleiten ist, eine
Reformierbrennstoff-Erfassungsvorrichtung, um die in den Reformer
einzuleitende Menge an Reformierbrennstoff zu erfassen, und eine
Oxidationsgaszufuhr-Bestimmungsvorrichtung
zur Bestimmung der Zufuhrmenge an Oxidationsgas zur Brennstoffzelle
auf der Grundlage der in den Reformer einzuleitenden Reformierbrennstoffmenge.
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Da
die durch die Reformierreaktion im Reformer erzeugte Menge an Brenngas
der in den Reformer eingeleiteten Reformierbrennstoffmenge entspricht,
indem die Zufuhrmenge des Oxidationsgases auf der Grundlage der
Reformierbrennstoffmenge bestimmt wird, wird die Menge an Oxidationsgas erhalten,
die dem Brenngas entspricht.
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Die
Brennstoffzellen-Steuervorrichtung des ersten bis dritten Aspekts
der Erfindung kann auch eine Oxidationsgaszufuhr-Einstellvorrichtung
umfassen, um die Zufuhrmenge des Oxidationsgases zur Brennstoffzelle
auf der Grundlage des Nutzungsgrads des Oxidationsgases in der Brennstoffzelle
einzustellen. Gemäß diesem
Aufbau wird nicht die gesamte Menge des in die Brennstoffzelle eingeleiteten Oxidationsgases
für die
Reaktion verbraucht, sondern teilweise für die Reaktion mit Brenngas
genutzt, und deshalb wird die Zufuhrmenge des Oxidationsgases gemäß seines
Nutzungsgrads eingestellt, so dass die Zufuhrmenge des Oxidationsgases
noch weiter optimiert werden kann.
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Vorzugsweise
hat die Brennstoffzelle eine Elektrode, der ein Oxidationsgas zugeführt wird,
und sie kann darüber
hinaus eine temperaturbezogene Größenerfassungsvorrichtung aufweisen,
um die physikalische Größe zu erfassen,
die in Zusammenhang mit der Temperatur an der Elektrode steht, und eine
Oxidationsgaszufuhr-Einstellvorrichtung, um die Zufuhrmenge des
Oxidationsgases auf der Grundlage der physikalischen Größe einzustellen,
die in Zusammenhang mit der nahe der Elektrode herrschenden Temperatur
steht, welche durch die temperaturbezogene Größenerfassungsvorrichtung erfasst wird.
Da die Zufuhrmenge des Oxidationsgases entsprechend der physikalischen
Größe eingestellt
wird, die in Zusammenhang mit der an der Elektrode herrschenden
Temperatur steht, um eine kräftige
Reaktion des Oxidationsgases und Brenngases herbeizuführen, ist
somit ein Fehler in der Zufuhrmenge aufgrund einer Expansion oder
Kontraktion des Oxidationsgases korrigiert, so dass die Zufuhrmenge
des Oxidationsgases genauer gesteuert werden kann.
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Die
Brennstoffzelle kann darüber
hinaus eine Pumpe zum Zuführen
eines Oxidationsgases umfassen, eine druckbezogene Größenerfassungsvorrichtung
zum Erfassen der physikalischen Größe, die in Zusammenhang mit
dem nahe der Elektrode herrschenden Druck steht, und eine Oxidationsgas-Sollwerteinstellvorrichtung
umfassen, um den an die Pumpe gehenden Sollwert auf der Grundlage
der physikalischen Größe einzustellen,
die in Zusammenhang mit dem nahe der Elektrode herrschenden Druck
steht, welcher durch die druckbezogene Größenerfassungsvorrichtung erfasst
wird. Da die Zufuhrmenge des Oxidationsgases entsprechend der physikalischen
Größe eingestellt
wird, die in Zusammenhang mit dem nahe der Elektrode herrschenden Druck
steht, um eine kräftige
Reaktion des Oxidationsgases und Brenngases zu induzieren, d. h.
am Zuführpunkt
des Oxidationsgases, wird ein Fehler in der Zufuhrmenge aufgrund
einer Expansion oder Kontraktion des Oxidationsgases ausgeglichen,
so dass die Zufuhrmenge des Oxidationsgases genauer gesteuert werden
kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Flussdiagramm, in welchem ein in einer Steuervorrichtung ausgeführtes Steuerbeispiel
erklärt
wird;
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2 ist
ein Flussdiagramm, das ein Beispiel des Unterprogramms zur Berechnung
der Zufuhrluft-Grundmenge zeigt;
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3 ist
ein Flussdiagramm, in dem das andere Beispiel des Unterprogramms
zur Berechnung der Zufuhrluft-Grundmenge gezeigt ist;
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4 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel des Kennfelds zur Bestimmung des
Zusammenhangs zwischen dem Gaspedalöffnungsgrad und dem Stromsollwert
zeigt;
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5 ist
ein Flussdiagramm, das ein anderes Beispiel für ein Unterprogramm zur Berechnung der
Zufuhrluft-Grundmenge zeigt;
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6 ist
ein Blockschaubild, das schematisch den Gesamtaufbau der Brennstoffzelle
und ihres Steuersystems zeigt;
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7 ist
ein Flussdiagramm, das ein Steuerbeispiel erläutert, welches in einer Steuervorrichtung in
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung ausgeführt
wird;
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8 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel für ein
Korrekturkennfeld der Reformiermethanolmenge zeigt;
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9 ist
eine Strom-/Spannungs-Kennlinie für eine jeweilige Reformierwasserstoffmenge;
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10A ist ein Diagramm, das Veränderungen der Reformierwasserstoffmenge
ohne Korrektur der Reformiermethanolmenge in Bezug auf die Wasserstoffbedarfsmenge
zeigt;
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10B ist ein Diagramm, das Veränderungen der Reformierwasserstoffmenge
bei Korrektur der Reformiermethanolmenge in Bezug auf die Wasserstoffbedarfsmenge
(verlangte Menge an Wasserstoff) zeigt; und
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11 ist
ein Schaubild, das schematisch einen Gesamtaufbau eines Systems
mit einem an eine Brennstoffzelle angeschlossenen Reformer zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nunmehr
werden nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnungen spezifische
Beispiele einer Brennstoffzellen-Steuervorrichtung beschrieben. 6 zeigt
schematisch eine Brennstoffzelle 1 der Erfindung, in der
eine Anode (negative Elektrode, Brennstoffelektrode) 3 und
eine Kathode (positive Elektrode, Luftelektrode) 4 an beiden
Seiten eines Festelektrolyten 2 angeordnet sind. Der Festelektrolyt 2 besteht
aus einer für
Ionen durchlässigen
Substanz, zum Beispiel aus einer für Protonen durchlässigen,
hochpolymeren Membran. Die Anode 3 und die Kathode 4 werden
gebildet, indem ein Stromkollektor an einer porösen Schicht angebracht wird,
die aus Wasser abstoßenden
Partikeln und Katalysatorpartikeln besteht.
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An
der Seite der Anode 3 ist ein Brenngasdurchgang 5 ausgebildet,
und an diesen Brenngasdurchgang 5 ist ein Reformer 6 angeschlossen.
Der Reformer 6 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines an
Wasserstoff reichen Reformiergases durch eine Reformierreaktion
von Kohlenwasserstoff wie etwa Methanol, und daher wird in dem in 6 gezeigten Beispiel
als Brenngas ein Reformiergas verwendet. An der Seite der Kathode 4 ist
ein Oxidationsgasdurchgang 7 ausgebildet, und an seinen
Strömungseinlass 8 ist
eine Luftpumpe 9 angeschlossen, um als Oxidationsgas Luft
zuzuführen.
Nahe des Strömungseinlasses 8 sind
ein Drucksensor 10 und ein Temperatursensor 11 vorgesehen;
sie sind dazu konfiguriert, den Druck der in die Kathode 4 eingeleiteten Luft
bzw. die Temperatur nahe der Kathode 4 zu erfassen.
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Diese
Brennstoffzelle 1 wird als Antriebsquelle für ein Fahrzeug
verwendet, und daher ist als externe Last 12 ein Fahrmotor
an die Anode 3 und Kathode 4 angeschlossen. Inmitten
ihres Kreislaufs sind ein Spannungssensor 13 und ein Stromsensor 14 vorgesehen.
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Zur
Steuerung der Luftpumpe 9 ist eine elektronische Steuereinheit
(ECU) 15 vorgesehen. Die elektronische Steuereinheit 15 besteht
in erster Linie aus einem Mikrocomputer, und sie empfängt als
Eingangsdaten Erfassungssignale von den Sensoren 10, 11, 13, 14 und
auch ein Signal, das die dem Reformer 6 zuzuführende Reformierbrennstoffmenge angibt.
Außerdem
ist ein Gaspedalöffnungsgradsensor 16 vorgesehen,
um den Beschleunigungs- oder Verzögerungsbetätigungsweg im Fahrzeug zu erfassen,
welches die Brennstoffzelle 1 enthält. Der Eindrückungsbetrag
eines Gaspedals 17, der vom Gaspedalöffnungsgradsensor 16 erfasst
wird, oder anders ausgedrückt
der "Gaspedalöffnungsgrad", geht in die elektronische
Steuereinheit 15 ein.
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Bei
dieser Brennstoffzelle 1 wird, wie bei der allgemein verwendeten
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, das seitens der Anode 3 zugeführte Brenngas
(insbesondere Wasserstoffgas) ionisiert, um Elektronen freizusetzen,
Wasserstoffionen (Pro tonen) gelangen durch die Festelektrode 2 und
erreichen die Seite der Kathode 4, und seitens dieser Kathode 4 werden
Elektronen aufgenommen, und dabei tritt eine Reaktion zwischen dem
Brenngas und dem Sauerstoff in der Luft auf. Bei Ablauf dieser Reaktion erscheinende
Elektronen werden der externen Last 12 zugeführt und
als elektrische Energie genutzt, und diese elektrische Energie ist
durch das Ausmaß der Reaktion
zwischen dem Brenngas und Oxidationsgas bestimmt. Deshalb werden
je nach der geforderten Leistungsabgabe in der Brennstoffzelle 1 grundsätzlich die
der Brennstoffzelle 1 zugeführten Mengen an Brenngas und
Oxidationsgas bestimmt.
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Die
Steuerung der Zufuhrmenge an Oxidationsgas wird nachstehend im Einzelnen
beschrieben. 1 ist ein Flussdiagramm, in
welchem der Steuerablauf erklärt
wird, bei dem im ersten Schritt S1 Signale von den Sensoren zur
Verfügung
gestellt werden. Die Eingangssignale umfassen hier zum Beispiel
den vom Stromsensor 14 erfassten Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 1,
die vom Spannungssensor 13 erfasste Ausgangsspannung der
Brennstoffzelle 1, den vom Gaspedalöffnungsgradsensor 16 erfassen
Gaspedalöffnungsgrad,
den vom Drucksensor 10 erfassten Druck am Eingang der Kathode 4, die
vom Temperatursensor 11 erfasste Temperatur nahe der Kathode 4,
und eine dem Reformer 6 zuzuführende Menge an Reformierbrennstoff.
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In
der Folge wird auf der Grundlage dieser Eingangsdaten die der Kathode 4 zuzuführende Zufuhrmenge
an Luft als Oxidationsgas berechnet. Genauer gesagt wird die zuzuführende Grundmenge Qa-base
an Luft berechnet (Schritt S2). 2 zeigt ein
Unterprogramm für
diese Berechnung, bei der der Ausgangsstrom, bei der es sich um
eine Art abgabebezogene Größe der Brennstoffzelle 1 handelt,
mehrere Male abgetastet wird (Schritt S201), und Abtastwerte (Ifc(t),
Ifc(t – Dt),
...) werden durch ein Glättungsfilter
oder dergleichen geglättet
(Schritt S202). Der geglättete
Stromwert Ifc-ave lässt
sich wie folgt ausdrücken: Ifc-ave = f(Ifc(t), Ifc(t – t), Ifc(t – 2t), ...)im
Hinblick auf die Funktion des Glättungsfilters
als f.
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Die
Zufuhrluft-Grundmenge Qa-base wird unter Verwendung des geglätteten Ausgangsstroms Ifc-ave
wie folgt berechnet (Schritt S203): Qa-base =
Ifc-ave/Cf/4/Ro2V060 wobei Cf die Faraday'sche Konstante, Ro2 der Anteil von Sauerstoff
in der Luft (ca. 1/5), und V0 das Volumen des idealen Gases im Standardzustand
ist (22,4 Liter/Mol).
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Daher
wird, wenn sich der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 1 plötzlich ändert, sein Änderungsbetrag
geglättet,
und der geglättete
Betrag schlägt
sich in der Zufuhrluftmenge nieder. Dadurch sind plötzliche Änderungen
oder starke Schwankungen der Luftzufuhrmenge unterdrückt, so
dass der Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 stabilisiert
werden können.
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Eine
andere Berechnungsprozedur der Zufuhrluft-Grundmenge ist in 3 gezeigt.
Bei diesem Beispiel wird die Zufuhrluft-Grundmenge auf der Grundlage
der physikalischen Größe berechnet,
die in Zusammenhang mit dem vom Fahrer stammenden Betätigungsbetrag
in Bezug auf Beschleunigung oder Verzögerung steht, und als physikalische
Größe geht
der Gaspedalöffnungsgrad
ein (Schritt S211). Danach wird aus dem Gaspedalöffnungsgrad der Stromsollwert
mittels eines Diagramms oder Kennfelds bestimmt (Schritt S212).
Dieses Diagramm wird per Experiment oder dergleichen erstellt, und
ein Beispiel dafür
ist in 4 angegeben. Der so erhaltene Stromsollwert entspricht
dem wie oben gezeigten, geglätteten
Ausgangsstromwert, und daher wird mittels des aus dem wie in 4 gezeigten
Diagramm erhaltenen Stromsollwerts die Zufuhrluft-Grundmenge Qa-base
in der obigen Formel berechnet (Schritt S213).
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Wenn
die Zufuhrluft-Grundmenge so berechnet wird, spiegelt sich die Absicht
des Fahrers in Bezug auf Beschleunigung oder Verzögerung in
der Zufuhrluftmenge wider, und es wird eine entsprechende Leistungsabgabe
der Brennstoffzelle 1 erhalten. Das heißt, dass die Leistungsabgabe
erhalten werden kann, die sich in der Absicht des Fahrers widerspiegelt.
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Der
der Kathode 4 zugeführte
Sauerstoff in der Luft dient zur Reaktion mit dem Brenngas, und seine
Grundmenge lässt
sich entsprechend der Menge des Brenngases bestimmen, und da das
Brenngas vom Reformer 6 erzeugt wird, kann seine Menge entsprechend
der Menge des Reformierbrennstoffs bestimmt werden, die vom Reformer 6 geliefert
wird. Das in 5 gezeigte Beispiel ist ein
Beispiel für
die Bestimmung der Zufuhrluft-Grundmenge Qa-base unter Ausnutzung
dieses Zusammenhangs. Zuerst wird die vom Steuersystem erhaltene
Reformierbrennstoffmenge Qm des Reformers 6 eingegeben (Schritt
S221), oder es wird die Reformier rate Rmh im Reformer 6 eingegeben
(Schritt S222). Diese Reformierrate Rmh ist ein Wert, der vorher
per Experiment oder dergleichen bestimmt wird.
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Dann
wird auf der Grundlage dieser Daten die Zufuhrluft-Grundmenge Qa-base
berechnet (S223). Genauer gesagt wird sie berechnet wie folgt: Qa-base = QmRmh1/2Vo60
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Daher
kann, wenn die Zufuhrluft-Grundmenge wie in 5 gezeigt
berechnet wird, die Menge an Luft zugeführt werden, die der entsprechend
dem Reformierbrennstoff erzeugten Menge an Brenngas entspricht,
so dass die Zufuhrluftmenge optimiert werden kann.
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In
der Brennstoffzelle 1 verhält es sich im Übrigen so,
dass nicht alle Anteile des zugeführten Oxidationsgases und Brenngases
vollständig
reagieren; vielmehr ist die Reaktionsrate auf einen bestimmten Wert
festgelegt, der von der Beschaffenheit der Anode 3 und
Kathode 4 oder vom Betriebszustand der Brennstoffzelle 1 abhängt. Allgemein
gesprochen ist der Nutzungsgrad des Oxidationsgases nahezu ausschließlich durch
den Aufbau der Brennstoffzelle 1 bestimmt und kann vorhergesagt
werden, und von daher wird mittels dieses Nutzungsgrads die Zufuhrluftmenge
korrigiert (Schritt S3). Das heißt, die Grundmenge Qa-base
wird mit dem Reziprokwert des Nutzungsgrads Ra multipliziert, und
die Zufuhrluftmenge Qa1 wird erhalten. Qa1 =
Qa-base/Ra
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Andererseits
muss die Zufuhr von Luft zur Kathode 4 mit der Zufuhr von
Brenngas zur Anode 3 abgestimmt sein, und deshalb wird
die Zufuhrluftmenge über
das Ansprechverhalten im Reformer (MR) 6 korrigiert (Schritt
S4). Das heißt,
dass nach Ausgabe einer Anweisung in Bezug auf die Zufuhr von Reformierbrennstoff
(Reformiermethanol) an den Reformer 6 eine Strömungsverzögerung im
Brennstoff besteht, bis die angewiesene Menge an Reformierbrennstoff
auch tatsächlich
in den Reformer 6 gelangt ist, und es gibt eine Reaktionsverzögerung, bis
der dem Reformer 6 zugeführte Reformierbrennstoff durch
die Reformierreaktion in Brenngas (Reformiergas) umgewandelt ist.
Demgemäß wird zum
Beispiel die Strömungsverzögerung korrigiert
in Form von Qa1(k) = Qa1(k–)in Anbetracht der vorgegebenen
Zeitverzögerung
t, und die Reaktionsverzögerung für eine primäre Verzögerung wird
korrigiert in Form von Qa2(k) = Qa1(k–)1/(Ts
+ 1)wobei die vorgegebene Verzögerungszeit, T die Zeitkonstante
und s der Operator ist.
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Des
Weiteren bestehen Luftveränderungen des
Volumens durch Expansion oder Kontraktion je nach Temperatur und
Druck, und deshalb muss auch eine Korrektur entsprechend der Temperatur
und dem Druck stattfinden (Schritt S5). Das heißt, dass zur Ausführung einer
Korrektur entsprechend der Temperatur die Zufuhrluftmenge korrigiert
wird durch die Operation Qa3(k) = Qa2(k)Tmeans/T0wobei
Tmeans die vom Temperatursensor 11 erfasste Temperatur
nahe der Kathode 4 und T0 die Standardtemperatur (0°C) ist.
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Um
der so erhaltenen Zufuhrluftmenge Qa3(k) zu entsprechen, wird die
Sollspannung Vqa3(k) zur Luftpumpe 9 bestimmt. Sie lässt sich
aus dem Zusammenhang zwischen der Spannung und der Verdrängung bestimmen,
die vorher in jeder Luftpumpe gemessen wurden.
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Nebenbei
wird, wenn der Einlassdruck im Vergleich zur Kathode 4 hoch
ist, eine nennenswerte Luftzufuhrmenge zur Kathode 4 unterdrückt. Dabei steigt,
wenn der Einlassdruck relativ niedrig ist, die Luftzufuhrmenge an,
und somit muss sie entsprechend dem Druck korrigiert werden. Das
heißt,
dass die Spannung entsprechend dem Druck nach folgender Formel korrigiert
wird: Vqa4(k) = Vqa3(k)(Pmeans(k-1)k – 1)/(P0(k-1)k – 1)wobei
Pmeans der vom Drucksensor 10 erfasste Druck ist, P0 der
Druck ist, der vorher erhalten wird, wenn die Durchflusskennlinie
der Pumpe vermessen wird, und k ein spezifisches Wärmeverhältnis (1, 4) ist.
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Da
sich die Korrektur in Schritt S5 ausdrückt durch eine Funktion in
Bezug auf Temperatur oder Druck als Parameter, lässt sich der Korrekturwert
vorab als Diagramm bzw. Kennfeld bestimmen, und der Korrekturwert
kann gemäß dem Diagramm
oder Kennfeld berechnet werden. Dann wird die so berechnete Pumpensollspannung
Vqa4 ausgegeben (Schritt S6).
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Dieses
Beispiel bezieht sich auf die in einem Fahrzeug eingesetzte Brennstoffzelle,
wobei aber die Erfindung nicht auf dieses Beispiel allein beschränkt ist
(die Erfindung lässt
sich auch auf die Steuervorrichtung für eine stationäre Brennstoffzelle
anwenden). Zudem kann es sich bei der Erfindung bei dem Oxidationsgas
um ein anderes Gas als Luft handeln, und das Brenngas kann ein anderes
Gas als ein an Wasserstoff reiches Reformiergas sein.
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Nachstehend
wird ein allgemeiner Aufbau eines Beispiels der Aufnahme eines Reformers
in das System zur Erzeugung elektrischer Energie durch eine Brennstoffzelle
beschrieben, bei dem es sich um ein Beispiel eines Energiewandlers
handelt. Wie in 11 gezeigt ist, ist seitens
der Anode 3 der Brennstoffzelle 1 ein Reformer 6 angeschlossen.
Der Reformer 6 ist dazu ausgelegt, ein Gemisch aus Methanol
als Reformierbrennstoff und Wasser zu Wasserstoff und Kohlendioxid
zu reformieren, und besteht aus einer Erwärmungseinheit 20 zum
Erwärmen
des Reformierbrennstoffs, einer Reformiereinheit 21 und einer
CO-Oxidationseinheit 22.
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Die
Erwärmungseinheit 20 erwärmt Methanol
als Reformierbrennstoff und Wasser und erzeugt einen Mischdampf,
und besteht aus einer Brennkammer 23 zum Erzeugen von Wärme zum
Erhitzen, und aus einem Verdampfer 24 zum Verdampfen des
Reformierbrennstoffs durch seine Wärme. Die Brennkammer 23 kann
so aufgebaut sein, dass der Brennstoff zum Erwärmen (Erwärmungsbrennstoff) durch einen
Brenner verbrannt wird, oder der Erwärmungsbrennstoff durch einen
Katalysator oxidiert wird. Zu diesem Zweck ist an diese Brennkammer 23 durch eine
Einspritzeinheit 26 eine Pumpe 25 zum Zuführen von
Methanol angeschlossen, welches ein Beispiel für den Erwärmungsbrennstoff ist, und eine
Luftzuführeinheit 27 ist
zum Zuführen
von Luft vorgesehen, die ein Beispiel eines Oxidationsmittels darstellt. Die
Luftzuführeinheit 27 besteht
insbesondere aus einer Luftpumpe.
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An
den Verdampfer 24 ist eine Pumpe 28 als Reformierbrennstoff-Zuführeinheit
angeschlossen, um das Gemisch aus Methanol und Wasser zuzuführen. Der
Verdampfer 24 und die Brennkammer 23 sind durch
einen Wärmetauscher 29 gekoppelt,
um miteinander Wärme
auszutauschen.
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Der
Reformer 6 erzeugt wasserstoffreiches Gas in erster Linie
durch eine Reformierreaktion von Methanol und Wasser. Genauer gesagt
wird mittels eines Kupferverbundkatalysators, dessen aktive Temperatur
ca. 280°C
beträgt,
durch die Reformierreaktion CH3OH + H2O → CO2 + 3H2 (1)ein Reformiergas
erzeugt, das hauptsächlich
aus Wasserstoff besteht. Die Reformiereinheit 21 erzeugt Wasserstoffgas
und Wärme
durch eine partielle Oxidationsreaktion von Methanol, und Luft wird
von einer Luftzuführeinheit 30 zugeführt. Das
heißt,
dass es sich bei der in Formel (1) ausgedrückten Reformierreaktion um
eine endotherme Reaktion handelt, und im Gegensatz dazu ist die
Reaktion der Formel (2), bei der es sich um eine partielle Oxidationsreaktion von
Methanol handelt, eine exotherme Reaktion, und durch Ausgleichen
der endothermen und exothermen Quantität kann die Temperatur der Reformiereinheit 21 annähernd konstant
gehalten werden. CH3OH
+ 1/2O2 → 2H2 + CO2 (2)
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Die
in Formel (1) gezeigte Reformierreaktion und die in Formel (2) gezeigte,
partielle Oxidationsreaktion sind Reaktionen im Idealzustand, und
da sich Kohlendioxid reversibel in Kohlenmonoxid umwandelt, mischt
sich dem Reformiergas unvermeidlicherweise tatsächlich auch Kohlenmonoxid bei.
Dieses Kohlenmonoxid verursacht eine Kontamination des Katalysators
der Anode in der Brennstoffzelle 1, und zu dessen Eliminierung
ist die CO-Oxidationseinheit 22 vorgesehen. Diese CO-Oxidationseinheit 22 umfasst
einen CO-Oxidationskatalysator (nicht gezeigt) und eine Luftzuführeinheit 31,
und unter Durchleitung des in der Reformiereinheit 21 erzeugten
Reformiergases wird das im Reformiergas enthaltene Kohlendioxid
vom Sauerstoff in der Luft oxidiert.
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Andererseits
enthält
die Brennstoffzelle 1 einen Elektrolyten, der aus einer
für Protonen
durchlässigen,
hochpolymeren Folie besteht, und eine Anode 3 und eine
Kathode 4, die an beiden Seiten der Elektrolytfolie angeordnet
sind; viele einzelne Zellen mit einem solchen Aufbau sind in Reihe
und parallel geschaltet. Die Anode 3 und Kathode 4 bestehen
jeweils aus einer Diffusionsschicht und einer Reaktionsschicht,
und die Reaktionsschicht der Anode 3 hat einen porösen Aufbau
mit einem Katalysator wie etwa Platin, seinen Legierungen, oder
Ruthenium auf Kupfer. Der Reformer 6 ist in die Anode 3 eingesetzt, und
es wird Reformiergas eingespeist, das hauptsächlich aus Wasserstoffgas besteht.
An die Kathode 4 ist eine Luftpumpe 9 angeschlossen,
und dadurch wird Sauerstoff zugeführt, um mit dem Wasserstoff
im Reformiergas zu reagieren.
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An
die Anode 3 und die Kathode 4 sind als externe
Lasten eine Batterie 32 und ein Wandler 33 so
angeschlossen, dass ein geschlossener Kreis gebildet ist. An den
geschlossenen Kreis ist ein Stromsensor 14 angeschlossen.
An den Wandler 33 ist als externe Last zum Beispiel ein
Motor 34 angeschlossen. Der Motor 34 ist eine
Betriebsquelle, die beispielsweise zum Antreiben eines Fahrzeugs
dient.
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Eine
Ionisierung von in der Anode 3 erzeugtem Wasserstoff und
eine Oxidationsreaktion durch die Elektrolytfolie finden nicht am
gesamten, der Brennstoffzelle 1 zugeführten Wasserstoffgas statt, sondern
der Reaktionswirkungsgrad beträgt
einige Dutzend Prozent, und von daher enthält das Abgas auf der Seite
der Anode 3 nicht zur Reaktion gekommenes, entflammbares
Gas. Um es effektiv zu nutzen, ist ein Rücklaufrohr 35 zum
Zurückführen des Abgases
seitens der Anode 3 zur Brennkammer 23 in so einem
Zustand angeordnet, dass es die Brennstoffzelle 1 und die
Brennkammer 23 durchdringt. Im mittleren Teil des Rücklaufrohrs 35 ist
ein Durchflussregelventil 36 eingebaut, um den Durchfluss
des nach innen strömenden
Gases zu steuern. Das Durchflussregelventil 36 steuert
seinen Öffnungsgrad
auf elektrischem Weg. Durch das Rücklaufrohr 35 kann
das nach innen strömende
Abgas auch entsprechend nach außen
abgelassen werden, ohne es der Brennkammer 23 zuzuführen.
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Eine
elektronische Steuereinheit (ECU) 37 ist vorgesehen, um
die Reformierbrennstoff-Zufuhrmenge durch Pumpe 28 zu steuern.
Diese elektronische Steuereinheit 37 bestimmt die Reformierbrennstoffmenge
durch Berechnung gemäß dem Ausgangsstrom
(FC-Strom) der Brennstoffzelle 1, der vom Stromsensor 14 erfasst
wird, sowie gemäß gespeicherten
Daten und nach Programm, und gibt an die Pumpe 28 ein Anweisungssignal
aus, um die bestimmte Menge an Reformierbrennstoff zu liefern. Daher
entspricht in der vorliegenden Erfindung dieser Ausgangsstrom (FC-Strom)
der abgabebezogenen Größe.
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Als
Nächstes
wird ein Beispiel einer durch die Steuervorrichtung der Erfindung
erfolgenden Steuerung beschrieben, die sich auf den vorstehend beschriebenen
Reformer 6 bezieht. 7 ist ein Flussdiagramm,
das dieses Steuerbeispiel erläutert, bei
dem an erster Stelle die abgabebezogene Größe in der Brennstoffzelle 1 als
Energiewandler geglättet wird
(Schritt S21). Die abgabebezogene Größe ist beispielsweise der Ausgangsstrom
(FC-Strom) der Brennstoffstelle 1, und der Glättungsvorgang
ist ein Verarbeitungsverfahren eines sich bewegenden Mittelwerts
zur Bestimmung des Mittelwerts abgetasteter Werte über der
Zeit, und zwar von Werten des FC-Stroms, oder eine Verarbeitung
durch ein TPF (Tiefpassfilter), und 7 zeigt
ein Beispiel der Bestimmung des Mittelwerts Ifcv von Ausgangsströmen über Dutzende
von Sekunden vor einem bestimmten Zeitpunkt.
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Mithin
wird auf der Grundlage des in Schritt 21 erhaltenen Werts
Ifcv (insbesondere der Mittelwert von Ausgangsströmen) eine
optimale Reformierbrennstoffmenge (Reformiermethanolmenge) Fm berechnet
(Schritt 22). Der wie in 11 aufgebaute
Reformer 6 erzeugt Wasserstoffgas durch eine Dampfreformierreaktion
und eine partielle Oxidationsreformierreaktion von Methanol, was
zu den in den nachstehenden Formeln ausgedrückten Reaktionen führt. CH3OH(g) + H2O → 3H2 + CO2 CH3OH(g) + 1/2O2 → 2H2 + CO2
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Geht
man davon aus, dass die Raten der Dampfreformierreaktion und partiellen
Oxidationsreformierreaktion gleich ... sind, (= 1–), bzw.
die Reformierrate ... ist, beträgt
die aus 1 Mol Reformierbrennstoff (Reformiermethanol) gewonnene
Reformierwasserstoffmenge (3a + 2b)g.
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Andererseits
wird in der Brennstoffzelle 1 Wasserstoff zu Ionen zersetzt,
wie in der nachstehenden Formel gezeigt ist, und Elektronen fließen die Leiter
entlang. H2 → 2H+ + 2e–
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Es
wird jedoch nicht der gesamte Reformierwasserstoff in Strom umgewandelt,
und davon ausgehend, dass die Rate der reaktiven Reformierwasserstoffmenge
im gesamten Reformierwasserstoff sich auf einen Reformierwasserstoff-Nutzungsgrad
z beläuft,
beträgt
der aus 1 Mol Reformierwasserstoff gewonnene Strom 2(3
+ 2)F[C/S]([C/S] = [A])wobei F die Faraday'sche Konstante [C/Mol] ist. Dadurch
erhält
man die Reformiermethanolmenge Fm [Mol/s] in Form von Fm
= Ifcv/[2(3 + 2)F][Mol/s]
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Da
die in Schritt 22 bestimmte Reformiermethanolmenge Fm auf
dem geglätteten
Wert des Ausgangsstromwerts beruht, kann, wenn sich der Ausgangsstrom
stark in Stufen (d. h. diskontinuierlich) verändert, die Reformiermethanolmenge
Fm relativ klein werden, oder im Gegenteil auch übermäßig groß. Um dies zu vermeiden, wird
in Schritt 23 die Reformierbrennstoffmenge korrigiert.
Das heißt, dass
die Abwei chung I zwischen dem momentanen Ausgangsstrom If und dem
in Schritt 21 erhaltenen, geglätteten Strom It bestimmt wird,
und auf der Grundlage dieser momentanen Abweichung I und des vorher
gespeicherten Korrekturdiagramms wird die Korrekturmenge der Reformiermethanolmenge bestimmt. 8 zeigt
ein Beispiel eines derartigen Korrekturdiagramms, in welchem bei
positiver Stromabweichung I die Reformierbrennstoffmenge erhöht und sie
im Gegenzug bei negativer Stromabweichung durch Absenken korrigiert
wird.
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In
dem wie vorstehend erwähnten,
in 11 gezeigten Reformer 6 stammt, wenn
die aktive Temperatur des Katalysators in der Reformiereinheit 21 relativ
hoch ist, z. B. ca. 280°C
beträgt,
die Wärme zur
Aufrechterhaltung dieser Temperatur von der Wärme des Reformierbrennstoffs
und der durch die partielle Oxidationsreaktion erzeugten Wärme, und um
den Katalysator auf der aktiven Temperatur zu halten, ist die Zufuhr
des Reformierbrennstoffs so lange aufrechtzuerhalten, bis zumindest
die spezifizierte Mindestmenge erreicht ist. Demgemäß werden in
Schritt 24 die Reformiermethanolmenge im Leerlauf des Reformers 6,
d. h. der untere Grenzwert des Reformierbrennstoffs, und die durch
Schritt 23 bestimmte Reformiermethanolmenge Fm verglichen, und
der größere Wert
wird ausgewählt
und als Reformiermethanol-Sollwert
ausgegeben. Deshalb wird, wenn der in der Brennstoffzelle 1 bestehende
Bedarf an Reformiergas gering ist, mehr Reformierbrennstoff in die
wie vorstehend erwähnte
Reformiereinheit 21 eingeleitet, als der vorbestimmten
Untergrenze entspricht, damit die Temperatur des Reformierkatalysators über der
aktiven Temperatur oder der vorbestimmten spezifischen Temperatur
gehalten wird.
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Somit ändert sich
gemäß dieser
Steuerung, da die Reformierbrennstoffmenge auf der Grundlage des
geglätteten
Werts des Stroms anstatt beruhend auf dem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 1 bestimmt
wird, der Sollwert der dem Reformer 6 zuzuführenden
Reformiermethanolmenge nicht plötzlich, und
Temperaturänderungen
im Verdampfer 24 sind unterdrückt, so dass ein homogenes
und hervorragendes Reformiergas erhalten wird. Daneben ist es, wie
in Schritt 22 erklärt,
bei Bestimmung der Reformiermethanolmenge auf der Grundlage des
geglätteten
Werts des Ausgangsstroms, da die Reformierrate und der Wasserstoffnutzungsgrad
in Betracht gezogen werden, möglich,
bei einem höheren
Wirkungsgrad mit geringerer Erzeugung unreagierten Wasserstoffgases
zu arbeiten.
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Genauer
gesagt ist unter der Annahme, dass die Reformierwasserstoffmenge,
die durch das Reformiermethanol erzeugt wird, welches über den
Reformiermetha nol-Sollwert M1 bereitgestellt wird, F1 beträgt, die
maximale elektrische Leistung, die an der Brennstoffzelle 1 abgenommen
werden kann, gleich P1, was durch einen Punkt A in der Strom-/Spannungs-Kennlinie
in 9 angegeben ist. Er ist angegeben durch den Schnittpunkt
der Linie gleicher Leistung P1 und der Strom-/Spannungs-Kennlinie (I-V-Kennlinie)
bei einer Reformierwasserstoffmenge F1. Das heißt, dass zum Erhalt der Leistungsabgabe in
Höhe von
P1 die minimal erforderliche Reformierwasserstoffmenge gleich F1,
und die minimal erforderliche Reformiermethanolmenge gleich M1 ist.
Diese minimal erforderliche Menge M1 wird im Rahmen der in Schritt 22 ausgeführten Prozedur
erhalten.
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Wenn
zum Beispiel eine Leistungsabgabe P2 gefordert ist, dann ist unter
der Voraussetzung, dass die Reformierwasserstoffmenge auf F1 eingestellt
ist, der Strom-/Spannungs-Wirkungspunkt in 9 Punkt
B. Dagegen ist der optimale Wirkungspunkt der Leistungsabgabe P2
der Schnittpunkt C der Linie gleicher Leistung P2 und der I-V-Kennlinie bei
einer Reformierwasserstoffmenge F2, und deshalb ist das Wasserstoffgas
des Anteils, der proportional zur Stromdifferenz zwischen Punkt
B und Punkt C ist, unreagiertes Wasserstoffgas, was zu dem herabgesetzten
Wirkungsgrad führt.
Bei Schritt 22 läuft, da
die Reformiermethanolmenge durch Berechnung des Maximalleistungspunkts
entsprechend jeder erforderlichen Leistung bestimmt wird, wenn die
Leistungsabgabe P2 beträgt,
der Betriebspunkt auf den Punkt C, und daher wird eine Menge unreagierten Wasserstoffgases
unterdrückt
und ein effizienter Betrieb realisiert.
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Bei
dieser Steuervorrichtung kann, wie in Bezug auf Schritt 23 erklärt ist,
das Ansprechverhalten gesteigert werden, da die Reformierbrennstoffmenge korrigiert
wird. In 10A wird für den Wasserstoffbedarfswert
die Reformiermethanolmenge nicht korrigiert, und zu dem Zeitpunkt
t0, an dem der Wasserstoffbedarf ansteigt, wenn die Reformiermethanolmenge
erhöht
wird, braucht es länger,
bis die Reformierwasserstoffmenge den Bedarfswert zum Zeitpunkt
t1 erreicht, was auf die Reformierreaktionsverzögerung zurückzuführen ist. Dagegen ist in 10B, wenn die Abweichung zwischen der momentanen
Reformierwasserstoffmenge, die dem momentanen Ausgangsstromwert
entspricht, und dem Wasserstoffbedarf, der der geglätteten abgabebezogenen
Menge entspricht, groß ist,
durch Korrigieren der Reformiermethanolmenge durch Erhöhung, die Zunahmerate
der Reformierwasserstoffmenge groß, und die Zeit, bis die Reformierwasserstoffmenge
den zum Zeitpunkt t2 bestehenden Wasserstoffbedarf erreicht, wird
kürzer.
Das heißt,
dass das Ansprechver halten der Reformierwasserstoffmenge verbessert ist.
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Dann
wird in der Steuervorrichtung der Erfindung, wie in Schritt 24 erklärt ist,
die Untergrenze der Reformiermethanolmenge voreingestellt, und wenn die
auf der Grundlage der abgabebezogenen Größe wie etwa des Ausgangsstroms
bestimmte Reformiermethanolmenge kleiner als die Untergrenze wird, wird
die durch diese Untergrenze festgelegte Menge an Reformiermethanol
zugeführt,
und der Reformierwasserstoff kann erzeugt werden, während der
Betrieb an der Mindestgrenze des Reformers 6 aufrechterhalten
wird, und folglich kann die Zufuhr elektrischer Energie zur Hilfsmaschine
wie etwa dem Kompressor für
eine Klimaanlage fortgesetzt werden, was den Stillstand des Systems
verhindert.
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Bei
diesem Beispiel wird Methanol als Reformierbrennstoff verwendet,
wobei im Reformer der Erfindung als Brennstoff aber auch andere
Kohlenwasserstoffe als Methanol verwendet werden können. Die
abgabebezogene Größe der Erfindung
ist nicht auf den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle beschränkt, sondern
kann zum Beispiel der Öffnungsgrad
des Gaspedals des Fahrzeugs oder die Gesamtheit der Leistungsvermögen von
im Betrieb stehenden Hilfsmaschinen sein. Das Glättungsverfahren der abgabebezogenen
Größe kann,
neben dem in den dargestellten Beispielen gezeigten Verfahren, ein
Verfahren zur Verwendung eines Medianwertfilters umfassen, um die
Werte vor dem Glätten
nach mehrmaliger Abtastung in der Vergangenheit in der Reihenfolge
der Größenordnung
anzuordnen, und dann nur von den Werten nahe des Medianwerts einen
Mittelwert zu bilden. Bei Korrektur der Reformierbrennstoffmenge
ist unter Verwendung des in den Beispielen gezeigten Diagramms der
Vorgang einfach, wobei aber im Rahmen der Erfindung die Korrekturmenge
der Reformierbrennstoffmenge auch durch Berechnung erhalten werden
kann. In den vorhergehenden Beispielen wird die Reformierbrennstoffmenge
auf der Grundlage der Abweichung des momentanen Ausgangsstromwerts
und des geglätteten
Werts des Ausgangsstroms berechnet, wobei aber die Erfindung nicht
auf die dargestellten Beispiele allein beschränkt ist.