[go: up one dir, main page]

DE69732993T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Verminderung der Kohlenstoffmonoxydkonzentration und Brennstoffzellen enthaltendes Generatorsystem mit solcher Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Verminderung der Kohlenstoffmonoxydkonzentration und Brennstoffzellen enthaltendes Generatorsystem mit solcher Vorrichtung Download PDF

Info

Publication number
DE69732993T2
DE69732993T2 DE69732993T DE69732993T DE69732993T2 DE 69732993 T2 DE69732993 T2 DE 69732993T2 DE 69732993 T DE69732993 T DE 69732993T DE 69732993 T DE69732993 T DE 69732993T DE 69732993 T2 DE69732993 T2 DE 69732993T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
water
gas
fuel cell
carbon monoxide
amount
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE69732993T
Other languages
English (en)
Other versions
DE69732993D1 (de
Inventor
Shigeyuki Toyota-shi Aichi-ken Kawatsu
Masayoshi Toyota-shi Aichi-ken Taki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of DE69732993D1 publication Critical patent/DE69732993D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE69732993T2 publication Critical patent/DE69732993T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K3/00—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide
    • C10K3/02—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide by catalytic treatment
    • C10K3/04—Modifying the chemical composition of combustible gases containing carbon monoxide to produce an improved fuel, e.g. one of different calorific value, which may be free from carbon monoxide by catalytic treatment reducing the carbon monoxide content, e.g. water-gas shift [WGS]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/56—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids
    • C01B3/58—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids including a catalytic reaction
    • C01B3/583—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids including a catalytic reaction the reaction being the selective oxidation of carbon monoxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0435—Catalytic purification
    • C01B2203/044—Selective oxidation of carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/047—Composition of the impurity the impurity being carbon monoxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reduzieren der Konzentration von Kohlenmonoxid und ein Brennstoffzellen-Generatorsystem mit einer derartigen Vorrichtung. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Reduzieren der Konzentration von Kohlenmonoxid, das in einem wasserstoffreichen Gas enthalten ist, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält und eine Konzentration von Kohlenmonoxid besitzt, die geringer ist als die Wasserstoffkonzentration, und auf ein entsprechendes Verfahren. Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren ein Brennstoffzellen-Generatorsystem mit einer derartigen Vorrichtung zum Reduzieren der Konzentration von Kohlenmonoxid.
  • In einem Brennstoffzellen-Generatorsystem werden Wasserstoff und Sauerstoff einer Brennstoffelektrode und einer Oxidationselektrode, die in einem Elektrolyten angeordnet sind, zugeführt, und es wird eine elektromotorische Kraft durch eine elektrochemische Reaktion an den Elektroden erzeugt. Es ist wünschenswert, ein wasserstoffreiches Gas der Brennstoffelektrode zuzuführen, um die Energieerzeugungseffizienz zu verbessern und eine Luftverunreinigung zu verhindern.
  • Daher wird ein Reformer vor den Brennstoffzellen angeordnet. Der Reformer reformiert einen gasförmigen Rohbrennstoff, der einen Kohlenwasserstoff, wie Methanol oder einen Alkohol, als Primärkomponente enthält, zu einem wasserstoffreichen Gas in Gegenwart eines reformierenden Katalysators. Selbst in einem Reformer mit verbesserter Fähigkeit ist jedoch eine Verunreinigung des reformierten Gases mit einer geringen Menge an Kohlenmonoxid unvermeidbar. Das Vorhandensein von Kohlenmonoxid im reformierten Gas, das der Brennstoffelektrode zugeführt wird, vergiftet das als Katalysator auf der Brennstoffelektrode angeordnete Platin (Pt) und verschlechtert oder destabilisiert auf diese Weise die Energieerzeugung.
  • Eine zum Verhindern eines derartigen Phänomens vorgeschlagene Technik oxidiert selektiv das im reformierten Gas vorhandene Kohlenmonoxid in Gegenwart eines Katalysators und reduziert auf diese Weise die Konzentration des im gasförmigen Brennstoff, der der Brennstoffelektrode zugeführt wird, enthaltene Kohlenmonoxid.
  • Wie in der japanischen Offenlegungsschrift 7-185303 offenbart, wird bei einer anderen vorgeschlagenen Technik eine Kühlschicht verwendet, die in einer Katalysator schicht mit dem darin gepackten Katalysator angeordnet ist, um auf diese Weise zu verhindern, daß die Temperatur des Katalysators einen aktiven Temperaturbereich übersteigt. Mit dieser Technik kann der Katalysator im aktiven Temperaturbereich gehalten werden, und es wird auf diese Weise die Konzentration des Kohlenmonoxides auf ein Niveau reduziert, das den Katalysator auf den Elektroden in den Brennstoffzellen nicht vergiftet.
  • Bei der vorgeschlagenen Technik ist ein Kühlmittel, das die Kühlschicht durchströmt, ein Flüssigkeitsgemisch aus Wasser und Methanol, das das reformierende Material ist. Hierdurch kann ein Teil des Kühlmittels in der Kühlschicht vergiftet werden. Durch die Verdampfung des Kühlmittels wird der Druck in der Kühlschicht erhöht und wird verhindert, daß das Kühlmittel mit einem konstanten Durchsatz fließt. Dieser pulsierende Fluß des Kühlmittels führt zu einer Ungleichmäßigkeit der Temperatur in der Kühlschicht und verhindert auf diese Weise, daß die gesamte Katalysatorschicht auf homogene Weise gekühlt wird. Infolgedessen können nicht alle Katalysatoren, die in die Katalysatorschicht gepackt sind, innerhalb des aktiven Temperaturbereiches gehalten werden.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, es zu ermöglichen, daß sämtliche in eine Kühlschicht gepackte Katalysatoren in einem aktiven Temperaturbereich gehalten werden können, um auf diese Weise in ausreichender Weise die Konzentration des in einem wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxid zu reduzieren.
  • Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Reduzierung der Konzentration von Kohlenmonoxid, das in einem gasförmigen Brennstoff enthalten ist, der einer Brennstoffelektrode zugeführt wird, um auf diese Weise die Effizienz der Energieerzeugung in einem Brennstoffzellen-Generatorsystem zu verbessern.
  • Mindestens ein Teil der vorstehend genannten und anderen verwandten Ziele wird mit einer Vorrichtung zum Reduzieren der Konzentration von Kohlenmonoxid, das in einem wasserstoffreichen Gas enthalten ist, das sowohl Wasserstoff als auch Kohlenmanoxid enthält, erreicht. Die Vorrichtung umfasst: Oxidationsgaseinführungseinrichtungen zum Einführen eines Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases in das wasserstoffreiche Gas; eine Oxidationseinheit mit einem Katalysator, der es ermöglicht, daß im eingeführten Oxidationsgas enthaltener Sauerstoff an das Kohlenmonoxid, das im wasserstoffreichen Gas enthalten ist, vorzugsweise über im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Wasserstoff gebunden wird; und Wasserzuführeinrichtungen zum Zuführen von Wasser in die Oxidationseinheit.
  • In der Kohlenmonoxidkonzentrationsreduktionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung (hiernach als Vorrichtung der grundlegenden Konstruktion bezeichnet) führen die Oxidationsgaseinführeinrichtungen das Oxidationsgas in das Kohlenmonoxid enthaltende wasserstoffreiche Gas ein. Der Katalysator in der Oxidationseinheit ermöglicht, daß der im eingeführten Oxidationsgas enthaltene Sauerstoff an das im wasserstoffreichen Gas enthaltene Kohlenmonoxid vorzugsweise über Wasserstoff gebunden wird. Die Wasserzuführeinrichtungen führen Wasser in die Oxidationseinheit ein. Die Oxidationsreaktion in der Oxidationseinheit ist exotherm und verdampft auf diese Weise Wasser, das von den Wasserzuführeinrichtungen der Oxidationseinheit zugeführt wurde. Diese Konstruktion ermöglicht, daß der Katalysator in der Oxidationseinheit durch die Verdampfungswärme direkt heruntergekühlt wird.
  • Die Vorrichtung der grundlegenden Konstruktion kühlt den Katalysator in der Oxidationseinheit direkt herunter. Diese Konstruktion verbessert die Kühleffizienz und ermöglicht, daß der gesamte Katalysator in der Oxidationseinheit in einem aktiven Temperaturbereich gehalten wird, um auf diese Weise die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides zu reduzieren.
  • Bei der Vorrichtung dieser grundlegenden Konstruktion können die Wasserzuführeinrichtungen eine Vielzahl von Wasserzuführleitungen aufweisen, die es ermöglichen, daß Wasser der Oxidationseinheit über unterschiedliche Wege zugeführt wird. Diese Konstruktion erhöht den Bereich des Katalysators, der Wasser empfängt, so daß auf diese Weise die gesamte Oxidationseinheit homogen heruntergekühlt und eine ungleichmäßige Temperatur verhindert wird. Dadurch können sämtliche Katalysatoren in der Oxidationseinheit rascher innerhalb des aktiven Temperaturbereiches gehalten werden.
  • Bei der Konstruktion mit der Vielzahl der Wasserzuführleitungen kann der Katalysator in der Oxidationseinheit in eine Vielzahl von Gruppen von Katalysatoren mit einer vorgegebenen Form unterteilt werden. Bei dieser Konstruktion ist die Vielzahl der Gruppen von Katalysatoren entlang der Strömungsrichtung des wasserstoffreichen Gases angeordnet, und die Vielzahl der Wasserzuführleitungen ist so angeordnet, daß Wasser der Vielzahl der Gruppen von Katalysatoren zugeführt werden kann. Diese Konstruktion erhöht den Bereich des Katalysators, der Wasser über die Reihe der Wasserzuführleitungen empfängt, so daß auf wirksamere Weise eine ungleichmäßige Temperatur verhindert wird.
  • Gemäß einem bevorzugten Anwendungsfall umfasst die Vorrichtung dieser grundlegenden Konstruktion des weiteren:
    Temperaturdetektionseinrichtungen zum Messen der Temperatur der Oxidationseinheit und Steuereinrichtungen zum Regulieren der Menge des von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassers, um auf diese Weise die Temperatur der Oxidationseinheit innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu halten.
  • Diese bevorzugte Konstruktion regelt die von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführte Wassermenge und steuert auf diese Weise die Temperatur der Oxidationseinheit, die von den Temperaturdetektionseinrichtungen gemessen wurde, innerhalb des vorgegebenen Bereiches. Diese Konstruktion ermöglicht, daß die Oxidationseinheit innerhalb eines gewünschten Temperaturbereiches, d.h. des aktiven Temperaturbereiches des Katalysators in der Oxida tionseinheit, gehalten wird, um auf diese Weise wirksam die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides zu reduzieren.
  • Gemäß einem anderen bevorzugten Anwendungsfall umfasst die Vorrichtung dieser grundlegenden Konstruktion des weiteren: Kohlenmonoxidkonzentrationsdetektionseinrichtungen zum Messen der Konzentration von im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxid; Oxidationsgaszuführsteuereinrichtungen zum Regulieren der Menge des von den Oxidationsgaseinführeinrichtungen zugeführten Oxidationsgases in Abhängigkeit von der Konzentration des Kohlenmonoxides; und Wasserzuführsteuereinrichtungen zum Regulieren der Menge des von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassers in Abhängigkeit von der Menge der Oxidationsgaszufuhr.
  • Bei dieser bevorzugten Konstruktion erhöhen die Oxidationsgaszuführsteuereinrichtungen in Abhängigkeit von einem Anstieg der Konzentration des Kohlenmonoxides im wasserstoffreichen Gas die Menge der Oxidationsgaszufuhr und verbessern den Fortschritt der Oxidationsreaktion, so daß auf diese Weise die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides reduziert wird. Durch den verbesserten Fortschritt der Oxidationsreaktion wird die von der Oxidationsreaktion erzeugte Wärme erhöht. Die Wasserzuführsteuereinrichtungen regulieren die Menge der Wasserzufuhr in Abhängigkeit von der Menge der Oxidationsgaszufuhr. Hierdurch kann das Ausmaß der Kühlung der Oxidationseinheit in Abhängigkeit von der von der Oxidationsreaktion erzeugten Wärme spe zifiziert werden. Hierdurch kann ferner die Oxidationseinheit innerhalb eines gewünschten Temperaturbereiches gehalten werden, um auf diese Weise die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides wirksam zu reduzieren.
  • Bei der Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Konstruktion ist es von Vorteil, wenn die Wasserzuführsteuereinrichtungen Wasserzuführberechnungseinrichtungen zum Spezifizieren der Menge des von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassers aufweisen, um ein vorgegebenes Verhältnis in bezug auf die Menge der Oxidationsgaszufuhr aufrechtzuerhalten.
  • Diese Konstruktion ermöglicht eine von den Wasserzuführberechnungseinrichtungen spezifizierte Wasserzufuhr und verwirklicht auf diese Weise ein konstantes Verhältnis zwischen der Menge des von den Oxidationsgaseinführeinrichtungen zugeführten Oxidationsgases und der Menge des von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassers. Diese Konstruktion legt daher das Ausmaß der Kühlung der Oxidationseinheit proportional zur Menge der durch die Oxidationsreaktion erzeugten Wärme fest.
  • Bei noch einem anderen bevorzugten Anwendungsfall umfasst die Vorrichtung der grundlegenden Konstruktion des weiteren: Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen zum Detektieren des Fortschritts einer Oxidationsreaktion in der Oxidationseinheit und Steuereinrichtungen zum Regulieren der Menge des von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassers in Abhängigkeit vom Fortschritt der Oxidationsreaktion.
  • Bei dieser bevorzugten Konstruktion detektieren die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen den Fortschritt der Oxidationsreaktion in der Oxidationseinheit und regulieren die Steuereinrichtungen die Menge des von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassers in Abhängigkeit vom Fortschritt der Oxidationsreaktion. Die Oxidationsreaktion in der Oxidationseinheit ist exotherm, so daß durch den verbesserten Fortschritt der Oxidationsreaktion die Temperatur der Oxidationseinheit erhöht wird. Eine Veränderung der Menge des von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassers verändert das Ausmaß der Kühlung der Oxidationseinheit. Eine Regulierung der Menge des zugeführten Wassers in Abhängigkeit vom Fortschritt der Oxidationsreaktion ermöglicht somit eine Steuerung des Ausmaßes der Kühlung der Oxidationseinheit in Abhängigkeit vom Fortschritt der Oxidationsreaktion.
  • Die Vorrichtung dieser Konstruktion ermöglicht, daß die Oxidationseinheit innerhalb eines gewünschten Temperaturbereiches, d.h. des aktiven Temperaturbereiches des Katalysators in der Oxidationseinheit, gehalten wird, um auf diese Weise wirksam die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides zu reduzieren.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion können die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen Einrichtungen zum Messen der Temperatur der Oxidationseinheit aufweisen, wobei die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen den Fortschritt der Oxidationsreaktion auf der Basis der Temperatur der Oxidationseinheit detektieren. Da die Oxidationsreaktion in der Oxidationseinheit exotherm ist, zeigt die beobachtete Temperatur der Oxidationseinheit den Fortschritt der Oxidationsreaktion. Eine Regulierung der Menge des zugeführten Wassers in Abhängigkeit von der beobachteten Temperatur der Oxidationseinheit ermöglicht somit eine Temperatursteuerung der Oxidationseinheit in Abhängigkeit vom Fortschritt der Oxidationsreaktion.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion können die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen Einrichtungen zum Messen des Durchsatzes des wasserstoffreichen Gases aufweisen, wobei die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen den Fortschritt der Oxidationsreaktion auf der Basis des Durchsatzes des wasserstoffreichen Gases detektieren.
  • Der Fortschritt der Oxidationsreaktion in der Oxidationseinheit wird auf wesentliche Weise von der Menge des im wasserstoffreichen Gas, das der Oxidationseinheit zugeführt wird, enthaltenen Kohlenmonoxides beeinflusst. Da die Menge des Kohlenmonoxides proportional zur Gesamtmenge des wasserstoffreichen Gases variiert, gibt der Durchsatz des wasserstoffreichen Gases den Fortschritt der Oxidationsreaktion wieder. Eine Regulierung der Menge des zugeführten Wassers in Abhängigkeit vom beobachteten Durchsatz des wasserstoffreichen Gases er möglicht somit eine Temperatursteuerung der Oxidationseinheit in Abhängigkeit vom Fortschritt der Oxidationsreaktion.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion können die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen Einrichtungen zum Messen der Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides aufweisen, wobei die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen den Fortschritt der Oxidationsreaktion auf der Basis der Konzentration des Kohlenmonoxides detektieren. Der Fortschritt der Oxidationsreaktion in der Oxidationseinheit wird durch die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas, das der Oxidationseinheit zugeführt wird, enthaltenen Kohlenmonoxides beeinflusst. Eine Regulierung der Menge des zugeführten Wassers in Abhängigkeit von der beobachteten Konzentration des Kohlenmonoxides im wasserstoffreichen Gas ermöglicht somit eine Temperatursteuerung der Oxidationseinheit in Abhängigkeit vom Fortschritt der Oxidationsreaktion.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellen-Generatorsystem, das die folgenden Bestandteile umfasst: eine Reformereinheit zum Überführen eines Rohbrennstoffes, der einen Kohlenwasserstoff als Primärkomponente enthält, in ein Wasserstoff enthaltendes reformiertes Gas; Oxidationsgaseinführeinrichtungen zum Einführen eines Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases in das reformierte Gas; eine Oxidationseinheit mit einem Katalysator, der ermöglicht, daß im Oxidationsgas enthaltener Sauerstoff an im reformierten Gas enthaltenes Kohlenmonoxid vorzugsweise über Wasserstoff, der im reformierten Gas enthalten ist, gebunden wird; Wasserzuführeinrichtungen zum Zuführen von Wasser in die Oxidationseinheit; und eine Brennstoffzelle zum Aufnehmen des reformierten Gases von der Oxidationseinheit und zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft durch eine elektrochemische Reaktion des reformierten Gases. Dieses System wird hiernach als das Brennstoffzellen-Generatorsystem der grundlegenden Konstruktion bezeichnet.
  • Die Reformereinheit reformiert einen Rohbrennstoff, der einen Kohlenwasserstoff als Primärkomponente enthält, zu einem Wasserstoff enthaltenden reformierten Gas. Die Oxidationsgaseinführeinrichtungen führen das Oxidationsgas in das reformierte Gas ein, und der Katalysator in der Oxidationseinheit ermöglicht, daß der im Oxidationsgas enthaltene Sauerstoff an das im reformierten Gas enthaltene Kohlenmonoxid vorzugsweise über Wasserstoff gebunden wird. Die Wasserzuführeinrichtungen führen Wasser in die Oxidationseinheit ein. Diese Konstruktion hat die gleichen Wirkungen wie die vorstehend beschriebene Vorrichtung der grundlegenden Konstruktion und reduziert die Konzentration des im reformierten Gas enthaltenen Kohlenmonoxides. Die Brennstoffzelle empfängt das reformierte Gas mit der reduzierten Konzentration an Kohlenmonoxid und erzeugt eine elektromotorische Kraft durch eine elektrochemische Reaktion des reformierten Gases.
  • Durch diese Konstruktion wird die Konzentration des im reformierten Gas enthaltenen Kohlenmonoxides beträchtlich reduziert und das Ausmaß der Vergiftung eines Kata lysators in der Brennstoffzelle mit Kohlenmonoxid auf wirksame Weise verringert. Die Brennstoffzelle besitzt daher keine reduzierte Leistung infolge der Kohlenmonoxidvergiftung mehr und wird mit hohen Leistungen auf beständige Weise betrieben.
  • Bei einem bevorzugten Anwendungsfall umfasst das Brennstoffzellen-Generatorsystem der grundlegenden Konstruktion des weiteren: Wassergehaltdetektionseinrichtungen zum Detektieren des Wassergehaltes einer Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle und Steuereinrichtungen zum Regulieren des von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassers in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Elektrolytmembran.
  • In der Brennstoffzelle beeinflusst die Betriebsbedingung den Wassergehalt der Elektrolytmembran. Wenn die Elektrolytmembran zu trocken oder zu feucht ist, wird die Leistung der Brennstoffzelle in unerwünschter Weise verringert. Bei dieser bevorzugten Konstruktion detektieren die Wassergehaltdetektionseinrichtungen den Wassergehalt der Elektrolytmembran und regulieren die Steuereinrichtungen die Menge des Wassers in Abhängigkeit vom festgestellten Wassergehalt. Diese Konstruktion ermöglicht, dass die Menge des Wasserdampfes im reformierten Gas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Elektrolytmembran reguliert wird.
  • Die bevorzugte Konstruktion hält den Wassergehalt der Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle innerhalb eines vorgegebenen Bereiches und verhindert, daß die Brennstoffzelle zu trocken oder zu feucht wird, so daß auf diese Weise beständige hohe Leistungen der Brennstoffzelle sichergestellt werden.
  • Bei dem Brennstoffzellen-Generatorsystem der vorstehend beschriebenen Konstruktion können die Wassergehaltdetektionseinrichtungen Einrichtungen zum Messen des elektrischen Widerstandes zwischen Elektroden in der Brennstoffzelle aufweisen, wobei die Wassergehaltdetektionseinrichtungen den Wassergehalt der Elektrolytmembran auf der Basis des elektrischen Widerstandes detektieren.
  • Bei dieser Konstruktion wird der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden in der Brennstoffzelle gemessen, um den Wassergehalt der Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle festzustellen. Die Menge des von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassers wird dann in Abhängigkeit vom beobachteten elektrischen Widerstand reguliert.
  • Gemäß einem anderen bevorzugten Anwendungsfall umfasst das Brennstoffzellen-Generatorsystem der grundlegenden Konstruktion des weiteren: Einrichtungen zum Berechnen der Sättigungsmenge des im reformierten Gas, das von der Reformereinheit abgegeben wird und in die Brennstoffzelle strömt, enthaltenen Wasserdampfes und Steuereinrichtungen zum Regulieren der Menge des von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassers in Abhängigkeit von der Sättigungsmenge des Wasserdampfes, um zu verhin dern, daß eine Übersättigung mit Feuchtigkeit des reformierten Gases in der Brennstoffzelle auftritt.
  • Bei dieser bevorzugten Konstruktion regulieren die Steuereinrichtungen die Menge des zugeführten Wassers in Abhängigkeit von der Sättigungsmenge des Wasserdampfes, die von den Berechnungseinrichtungen für die Sättigungsmenge an Wasserdampf berechnet wird, und verhindern auf diese Weise, daß das reformierte Gas in einem übersättigten Zustand in die Brennstoffzelle strömt. Mit dieser Konstruktion wird daher auf wirksame Weise verhindert, daß sich der übersättigte Wasserdampf im reformierten Gas am flüssigen Wasser in der Brennstoffzelle ansammelt und auf diese Weise die Strömungswege der Brennstoffzelle blockiert.
  • Gemäß noch einem anderen bevorzugten Anwendungsfall umfasst das Brennstoffzellen-Generatorsystem der grundlegenden Konstruktion des weiteren: Einrichtungen zum Regulieren des Drucks des der Brennstoffzelle zugeführten reformierten Gases; Einrichtungen zum Berechnen der Sättigungsmenge des im reformierten Gas, das von der Reformereinheit abgegeben wird und in die Brennstoffzelle strömt, enthaltenen Wasserdampfes; und Steuereinrichtungen zum Steuern der Reguliereinrichtungen für den Druck des reformierten Gases in Abhängigkeit von der Sättigungsmenge des Wasserdampfes, um eine Übersättigung des reformierten Gases mit Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle zu verhindern.
  • Bei dieser Konstruktion steuern die Steuereinrichtungen Einrichtungen zum Regulieren des Drucks des reformierten Gases in Abhängigkeit von der Sättigungsmenge an Wasserdampf, die von den Einrichtungen zum Berechnen der Sättigungsmenge an Wasserdampf berechnet wurde, so daß auf diese Weise der Druck des reformierten Gases und die Sättigungsmenge des Wasserdampfes des reformierten Gases verändert werden. Hierdurch wird verhindert, daß das reformierte Gas in einem übersättigten Zustand in die Brennstoffzelle strömt. Diese Konstruktion verhindert auf wirksame Weise, daß sich der übersättigte Wasserdampf im reformierten Gas am flüssigen Wasser in der Brennstoffzelle ansammelt und damit die Strömungswege in der Brennstoffzelle blockiert.
  • Es wird bevorzugt, daß das Brennstoffzellen-Generatorsystem der vorstehend beschriebenen Konstruktion des weiteren umfasst: Oxidationsgaszuführeinrichtungen zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases zu einer Sauerstoffelektrode, die in der Brennstoffzelle enthalten ist; Oxidationsgasdruckreguliereinrichtungen zum Regulieren des Drucks des Oxidationsgases; und Steuereinrichtungen zum Steuern der Einrichtungen zum Regulieren des Drucks des reformierten Gases und der Einrichtungen zum Regulieren des Drucks des Oxidationsgases, um zu ermöglichen, daß die Druckdifferenz zwischen dem reformierten Gas und dem Sauerstoffgas innerhalb eines vorgegebenen Bereiches gehalten wird.
  • Bei dem Brennstoffzellen-Generatorsystem dieser Konstruktion steuern die Steuereinrichtungen sowohl die Einrichtungen zum Regulieren des Drucks des reformierten Gases als auch die Einrichtungen zum Regulieren des Drucks des Oxidationsgases, um die Druckdifferenz zwischen dem reformierten Gas und dem Oxidationsgas innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu halten.
  • Die Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle besitzt eine extrem geringe Dicke und kann durch eine große Druckdifferenz zwischen dem reformierten Gas und dem Oxidationsgas beschädigt werden. Diese Konstruktion ermöglicht jedoch, die Druckdifferenz zwischen dem reformierten Gas und dem Oxidationsgas innerhalb des vorgegebenen Bereiches zu halten, so daß auf diese Weise die Elektrolytmembran gegenüber Beschädigungen geschützt werden kann.
  • Gemäß einem anderen bevorzugten Anwendungsfall besitzt das Brennstoffzellen-Generatorsystem der grundlegenden Konstruktion des weiteren Stoppzeit-Steuereinrichtungen zur Betätigung der Wasserzuführeinrichtungen zum Zuführen von Wasser zur Oxidationseinheit zum Zeitpunkt eines Stoppvorganges der Oxidationseinheit.
  • Bei dieser Konstruktion werden die Wasserzuführeinrichtungen betätigt, um Wasser der Oxidationseinheit zuzuführen. Diese Konstruktion senkt rasch die Temperatur der Oxidationseinheit zum Zeitpunkt des Stoppvorganges derselben und stoppt auf diese Weise rasch die Evolution des wasserstoffreichen Gases.
  • Bei dieser bevorzugten Konstruktion können die Stoppzeit-Steuereinrichtungen umfassen: Stoppzeit-Detektionseinrichtungen zum Detektieren des Änderungszeitpunktes von einem Betriebszustand in einen Außerbetriebszustand der Brennstoffzelle und Steuereinrichtungen zum Betätigen der Wasserzuführeinrichtungen zum Zuführen von Wasser zur Oxidationseinheit zum Zeitpunkt der Änderung zum Außerbetriebszustand.
  • Zum Zeitpunkt der Änderung vom Betriebszustand in den Außerbetriebszustand der Brennstoffzelle werden die Wasserzuführeinrichtungen betätigt, um Wasser der Oxidationseinheit zuzuführen. Diese Konstruktion senkt rasch die Temperatur der Oxidationseinheit zum Zeitpunkt der Änderung in den Außerbetriebszustand der Brennstoffzelle und stoppt auf diese Weise rasch die Evolution des wasserstoffreichen Gases.
  • Bei noch einem anderen bevorzugten Anwendungsfall umfasst das Brennstoffzellen-Generatorsystem der grundlegenden Konstruktion des weiteren: Wasserrückgewinnungseinrichtungen zum Kondensieren von Feuchtigkeit, die sich von der Brennstoffzelle durch die elektrochemische Reaktion entwickelt hat, um auf diese Weise die Feuchtigkeit in der Form von flüssigem Wasser zurückzugewinnen, und Wassernutzungseinrichtungen zum Nutzen des von den Wasserrückgewinnungseinrichtungen zurückgewonnenen Wassers in den Wasserzuführeinrichtungen.
  • In der Brennstoffzelle werden Wasserdampf oder Wassertröpfchen während der Energieerzeugung auf der Sauer stoffelektrode erzeugt. Im Brennstoffzellen-Generatorsystem der obigen Konstruktion kondensieren die Wasserrückgewinnungseinrichtungen die Feuchtigkeit zu flüssigem Wasser und nutzen die Wassernutzungseinrichtungen das rückgewonnene Wasser. Hierdurch wird die Größe eines in den Wasserzuführeinrichtungen angeordneten Wassertanks und die erforderliche, im Wassertank gespeicherte Wassermenge reduziert. Die Abgabe des zurückbleibenden Gases auf der Sauerstoffelektrode zur Atmosphäre erzeugt weißen Rauch. Diese Konstruktion verhindert jedoch ein derartiges Phänomen.
  • Gemäß einem anderen bevorzugten Anwendungsfall können die Wasserzuführeinrichtungen Einrichtungen zum Unterdrucksetzen von Wasser und zum Führen des unter Druck gesetzten Wassers zur Oxidationseinheit durch Ausnutzen eines Stromes von Abgasen aus der Brennstoffzelle besitzen.
  • Ein Unterdrucksetzen von Wasser ist erforderlich, um Wasser von den Wasserzuführeinrichtungen zur Oxidationseinheit zu führen. Wenn von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie als Energiequelle für das Unterdrucksetzen verwendet wird, wird die Energieeffizienz des gesamten Brennstoffzellen-Generatorsystems in unerwünschter Weise verringert. Bei dieser bevorzugten Konstruktion wird jedoch der Abgasstrom ausgenutzt, um Wasser unter Druck zu setzen, so daß auf diese Weise das Wasser der Oxidationseinheit zugeführt werden kann, ohne die Energieeffizienz des gesamten Brennstoffzellen-Generatorsystems zu verringern.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Reduzieren der Konzentration von Kohlenmonoxid, das in einem wasserstoffreichen Gas enthalten ist, welches sowohl Wasserstoff als auch Kohlenmonoxid enthält. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • (a) Einführen eines Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases in das wasserstoffreiche Gas;
    • (b) Aktivieren eines Katalysators, um zu bewirken, daß der im Oxidationsgas enthaltene Sauerstoff an das im wasserstoffreichen Gas enthaltene Kohlenmonoxid vorzugsweise über im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Wasserstoff gebunden wird; und
    • (c) Zuführen von Wasser zum Katalysator.
  • Dieses Verfahren wird hiernach als grundlegendes Verfahren bezeichnet.
  • Bei diesem grundlegenden Verfahren wird das Oxidationsgas in Schritt (a) in das wasserstoffreiche Gas eingeführt, das Kohlenmonoxid enthält. Der Katalysator bewirkt, daß der im Oxidationsgas enthaltene Sauerstoff das im wasserstoffreichen Gas enthaltene Kohlenmonoxid vorzugsweise über Wasserstoff in Schritt (b) oxidiert. In Schritt (c) wird Wasser dem Katalysator zugeführt. Da die Oxidationsreaktion in Gegenwart des Katalysators exotherm ist, wird das in Schritt (c) zugeführte Wasser auf dem Katalysator oder in dessen Nachbarschaft verdampft. Hierdurch wird ermöglicht, daß der Katalysator durch die Verdampfungswärme direkt heruntergekühlt wird.
  • Das grundlegende Verfahren kühlt den Katalysator direkt herunter. Diese Ausführungsform verbessert die Kühleffizienz und ermöglicht, daß der Katalysator in einem aktiven Temperaturbereich gehalten wird, um auf diese Weise die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides ausreichend zu verringern.
  • Gemäß einem bevorzugten Anwendungsfall umfasst das grundlegende Verfahren des weiteren die folgenden Schritte:
    • (d) Messen der Temperatur des Katalysators und
    • (e) Regulieren der Menge des in Schritt (c) zugeführten Wassers, um auf diese Weise zu bewirken, daß die Temperatur des Katalysators innerhalb eines vorgegebenen Bereiches gehalten werden kann.
  • Durch die Regulierung der Menge der Wasserzufuhr in Schritt (c) kann die in Schritt (d) gemessene Temperatur des Katalysators innerhalb eines gewünschten Temperaturbereiches, d.h. des aktiven Temperaturbereiches, gehalten werden, so daß auf diese Weise die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides wirksam reduziert wird.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Anwendung umfasst das grundlegende Verfahren des weiteren die folgenden Schritte:
    • (f) Messen der Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides;
    • (g) Regulieren der Menge der Oxidationsgaszufuhr in Schritt (a) in Abhängigkeit von der Konzentration des Kohlenmonoxides; und
    • (h) Regulieren der Menge des in Schritt (c) zugeführten Wassers in Abhängigkeit von der regulierten Menge der Oxidationsgaszufuhr.
  • In Abhängigkeit von einem Anstieg der Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides wird die Menge des zugeführten Oxidationsgases erhöht, um den Fortschritt der Oxidationsreaktion in Schritt (f) zu verbessern und dadurch die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides zu reduzieren. Durch den verbesserten Fortschritt der Oxidationsreaktion wird die durch die Oxidationsreaktion erzeugte Wärme erhöht. Durch die Regulierung der Menge des zugeführten Wassers in Abhängigkeit von der regulierten Menge des zugeführten Oxidationsgases kann das Ausmaß der Kühlung des Katalysators in Abhängigkeit von der von der Oxidationsreaktion erzeugten Wärmemenge spezifiziert werden. Durch diese Konstruktion kann somit der Katalysator innerhalb eines gewünschten Temperaturbereiches gehalten und auf wirksame Weise die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides reduziert werden.
  • Gemäß noch einer anderen bevorzugten Anwendung besitzt das grundlegende Verfahren des weiteren die folgenden Schritte:
    • (i) Detektieren des Fortschrittes der durch den Katalysator beschleunigten Oxidationsreaktion; und
    • (j) Regulieren der Menge des in Schritt (c) zugeführten Wassers in Abhängigkeit vom Fortschritt der Oxidationsreaktion.
  • In Schritt (j) dieses Verfahrens wird die Menge des in Schritt (c) zugeführten Wassers in Abhängigkeit vom Fortschritt der in Schritt (i) detektierten Oxidationsreaktion reguliert. Da die in Gegenwart des Katalysators in Schritt (b) durchgeführte Oxidationsreaktion exotherm ist, wird durch den verbesserten Fortschritt der Oxidationsreaktion die Temperatur des Katalysators erhöht. Durch die Veränderung der Menge des in Schritt (c) zugeführten Wassers wird das Ausmaß der Kühlung des Katalysators verändert. Durch die Regulierung der Menge des zugeführten Wassers in Abhängigkeit vom Fortschritt der Oxidationsreaktion wird daher das Ausmaß der Kühlung des Katalysators gesteuert.
  • Mit diesem grundlegenden Verfahren kann daher der Katalysator innerhalb eines gewünschten Temperaturbereiches, d.h. des aktiven Temperaturbereiches, gehalten und auf diese Weise die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides wirksam reduziert werden.
  • Diese und andere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Hiervon zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellen-Generatorsystems 10 einschließlich einer Vorrichtung zum Reduzieren der Konzentration von Kohlenmonoxid gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 die Konstruktion einer Zelleneinheit in einem Stapel von Brennstoffzellen 20;
  • 3 das Innere einer selektiven CO-Oxidationseinheit 34 mit einem daran angeschlossenen Verbindungsrohr 36;
  • 4 ein Diagramm, das das Verhalten von selektiven CO-oxidierenden Katalysatoren 50 in bezug auf ein Modellgas zeigt;
  • 5 ein Ablaufdiagramm, das ein CO-Konzentrationsreduktionsprogramm zeigt, das von der elektronischen Steuereinheit 90 eines Reformers 30 durchgeführt wird;
  • 6 das Innere einer selektiven CO-Oxidationseinheit 34 mit anderen Wasserzuführeinrichtungen;
  • 7 das Innere der selektiven CO-Oxidationseinheit 34 mit noch anderen Wasserzuführeinrichtungen;
  • 8 das Innere der selektiven CO-Oxidationseinheit 34 mit anderen Wasserzuführeinrichtungen;
  • 9 das Innere der selektiven CO-Oxidationseinheit 34 mit noch anderen Wasserzuführeinrichtungen;
  • 10 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines anderen Brennstoffzellen-Generatorsystems 210 als zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 11 einen Vertikalschnitt, der den Aufbau eines Kohlenmonoxidsensors 212 zeigt;
  • 12 ein Ablaufdiagramm, das ein CO-Konzentrationsreduktionsprogramm zeigt, das von der elektronischen Steuereinheit 90A der zweiten Ausführungsform durchgeführt wird;
  • 13 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Menge Qa des zugeführten Oxidationsgases und der Menge Qw des zugeführten Wassers zeigt;
  • 14 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines anderen Brennstoffzellen-Generatorsystems 310 als dritte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 15 ein Ablaufdiagramm, das ein CO-Konzentrationsreduktionsprogramm zeigt, das von der elektronischen Steuereinheit 90B der dritten Ausführungsform durchgeführt wird;
  • 16 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Durchsatz Qh des reformierten Gases und der Sollmenge Qw des zugeführten Wassers zeigt;
  • 17 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines anderen Brennstoffzellen-Generatorsystems 410 als vierte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 18 ein Ablaufdiagramm, das ein CO-Konzentrationsreduktionsprogramm zeigt, das von der elektronischen Steuereinheit 90C der vierten Ausführungsform durchgeführt wird;
  • 19 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Konzentration D1 an Kohlenmonoxid und der Sollmenge Qw des zugeführten Wassers zeigt;
  • 20 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines anderen Brennstoffzellen-Generatorsystems 510 als fünfte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 21 ein Ablaufdiagramm, das ein Feuchtigkeitssteuerprogramm zeigt, das von der elektronischen Steuereinheit 90D der fünften Ausführungsform durchgeführt wird;
  • 22 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau von noch einem anderen Brennstoffzellen-Generatorsystem 610 als sechste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 23 ein Ablaufdiagramm, das ein Programm zur Berechnung der maximalen Wasserzufuhr zeigt, das von der elektronischen Steuereinheit 90E der sechsten Ausführungsform durchgeführt wird;
  • 24 ein Ablaufdiagramm, das ein CO-Konzentrationsreduktionsprogramm zeigt, das von der elektronischen Steuereinheit 90E der sechsten Ausführungsform durchgeführt wird;
  • 25 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines anderen Brennstoffzellen-Generatorsystems 710 als siebte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 26 ein Ablaufdiagramm, das ein Brennstoffgasdrucksteuerprogramm zeigt, das von der elektronischen Steuereinheit 90F der siebten Ausführungsform durchgeführt wird;
  • 27 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau noch eines anderen Brennstoffzellen-Generatorsystems 810 als achte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 28 ein Ablaufdiagramm, das ein Oxidationsgasdrucksteuerprogramm zeigt, das von der elektronischen Steuereinheit 90G in der achten Ausführungsform durchgeführt wird;
  • 29 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines anderen Brennstoffzellen-Generatorsystems 910 als neunte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 30 ein Ablaufdiagramm, das ein Stoppzeitsteuerprogramm zeigt, das von der elektronischen Steuereinheit 90H in der neunten Ausführungsform durchgeführt wird;
  • 31 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau noch eines anderen Brennstoffzellen-Generatorsystems 1010 als zehnte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 32 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines anderen Brennstoffzellen-Generatorsystems 1110 als elfte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Einige Verfahrensweisen zum Durchführen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend als bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellen-Generatorsystems 10 einschließlich einer Vorrichtung zum Reduzieren der Konzentration von Kohlenmonoxid als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellen-Generatorsystem 10 besitzt einen Methanoltank 12 zum Speichern von Methanol, einen Wassertank 14 zum Speichern von Wasser, einen Reformer 30 zum Empfangen von Methanol und Wasser vom Methanoltank 12 und Wassertank 14 und zum Erzeugen eines Wasserstoff enthaltenden gasförmigen Brennstoffs und einen Stapel von Brennstoffzellen 20. Der Stapel von Brennstoffzellen 20 besitzt Polymerelektrolytbrennstoffzellen, die vom Reformer 30 erzeugten gasförmigen Brennstoff und ein Sauerstoff enthaltendes Oxidationsgas, beispielsweise Luft, empfangen und Elektrizität erzeugen.
  • Der Stapel der Brennstoffzellen 20 besteht aus den vorstehend erwähnten Polymerelektrolytbrennstoffzellen, wobei jede Zelleneinheit den in 2 dargestellten Aufbau besitzt. Jede Zelleneinheit hat eine Elektrolytmembran 21, eine Anode 22 und eine Kathode 23, bei denen es sich um Gasdiffusionselektroden handelt, die über die Elektrolytmembran 21 angeordnet sind, um eine sandwichartige Konstruktion zu bilden, Separatoren 24 und 25, die außerhalb der sandwichartigen Konstruktion angeordnet und an die Anode 22 und Kathode 23 angeschlossen sind, um Strömungsbahnen 24p für den gasförmigen Brennstoff und Strömungsbahnen 25p für das Oxidationsgas zu bilden, und Kollektorplatten 26 und 27, die weiter außerhalb der Separatoren 24 und 25 angeordnet sind und als Stromkollektoren der Anode 22 und Kathode 23 wirken.
  • Bei der Elektrolytmembran 21 handelt es sich um eine Ionenaustauschmembran, die aus einem Polymermaterial, wie einem Fluorharz, besteht und im feuchten Zustand eine günstige elektrische Leitfähigkeit besitzt. Die Anode 22 und die Kathode 23 bestehen aus Karbonpapier, Karbonfolie oder textilem Karbonmaterial, wobei ein Karbonpulver mit einem darauf gelagerten Platinkatalysator in die Zwischenräume des Karbonpapieres, der Karbonfolie oder des textilen Karbonmateriales eingearbeitet ist.
  • Die Separatoren 24 und 25 bestehen aus einer dichten Karbonplatte. Der Separator 24 hat eine Vielzahl von Rippen, die mit der Oberfläche der Anode 22 kombiniert sind, um Strömungsbahnen 24p des gasförmigen Brennstoffs zu bilden, während der Separator 25 eine Vielzahl von Rippen aufweist, die mit der Oberfläche der Kathode 23 kombiniert sind, um Strömungsbahnen 25p des Sauerstoff enthaltenen Gases zu bilden. Die Kollektorplatten 26 und 27 bestehen aus Kupfer (Cu).
  • Der Stapel der Brennstoffzellen 20 wird erhalten, indem eine Vielzahl von Sätzen der Zelleneinheiten, in denen der Separator 24, die Anode 22, die Elektrolytmembran 21, die Kathode 23 und der Separator 25 in dieser Sequenz angeordnet sind, wie in 2 gezeigt, aufeinandergestapelt und die Kollektorplatten 26 und 27 außerhalb des Stapels der Zelleneinheiten angeordnet werden.
  • In 1 ist nur das Gaszuführsystem auf der Seite der Anode dargestellt, während das Gaszuführsystem auf der Seite der Kathode, das Gasabführsystem auf der Seite der Anode und das Gasabführsystem auf der Seite der Kathode nicht dargestellt sind.
  • Der Reformer 30 besitzt eine Reformereinheit 32 zur Aufnahme von Methanol und Wasser und zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases (reformierten Gases), eine selektive CO-Oxidationseinheit 34 zum selektiven Oxidieren von im reformierten Gas enthaltenen Kohlenmonoxid und dadurch zum Überführen des reformierten Gases in ein wasserstoffreiches Gas, das eine geringere Menge an Kohlenmonoxid enthält (gasförmiger Brennstoff), ein Verbindungsrohr 36 zum Zuführen des von der Reformereinheit 32 erzeugten reformierten Gases zur selektiven CO-Oxidationseinheit 34, ein Gebläse 38 zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases, beispielsweise der Luft, zum Verbindungsrohr 36 über ein Induktionsrohr 37, das mit dem Verbindungsrohr 36 verbunden ist, ein Wassereinlassrohr 40, das abstromseitig der Verbindung des Verbindungsrohres 36 mit dem Induktionsrohr 37 angeordnet ist, um Wasser in das Verbindungsrohr 36 einzuführen, und eine elektronische Steuereinheit 90 zum Steuern des Betriebes der entsprechenden Elemente des Reformers 30.
  • Die Reformereinheit 32 empfängt Methanol und Wasser vom Methanoltank 12 und Wassertank 14 und erzeugt ein reformiertes Gas, das Wasserstoff und Kohlendioxid enthält, gemäß den nachfolgend aufgeführten Gleichungen (1) und (2) (Gleichung (3) als Ganzes): CH3OH → CO + 2H2 – 21,7 kcal/Mol (1) CO+H2O → CO2 + H2 + 9,8 kcal/Mol (2) CH3OH + H2O → CO2 + 3H2 – 11,9 kcal/Mol (3)
  • Im tatsächlichen Zustand laufen die Reaktionen der Gleichungen (1) und (2) nicht vollständig zur rechten Seite hin ab. Das von der Reformereinheit 32 erzeugte reformierte Gas besitzt geringe Mengen von Kohlenmonoxid als Nebenprodukt und von nicht reagiertem Methanol. Die Konzentration des im reformierten Gas enthaltenen Kohlenmonoxids hängt vom Typ des Katalysators, der in der Reformereinheit 32 angeordnet ist, der Betriebstemperatur der Reformereinheit 32 und den Durchsätzen des der Reformereinheit 32 zugeführten Methanols und Wassers pro Volumeneinheit des Katalysators ab. Obwohl nicht dargestellt, ist die Reformereinheit 32 elektrisch an die elektronische Steuereinheit 90 angeschlossen. Die elektronische Steuereinheit 90 reguliert die Methanol- und Wasserzufuhr zur Reformereinheit 32.
  • 3 zeigt das Innere der selektiven CO-Oxidationseinheit 34 und das Verbindungsrohr 36, das mit der selektiven CO-Oxidationseinheit 34 verbunden ist. Das von der Reformereinheit 32 erzeugte reformierte Gas und das vom Gebläse 38 durch das Induktionsrohr 37 zugeführte Oxidationsgas werden über das Verbindungsrohr 36 in die selektive CO-Oxidationseinheit 34 eingeführt. Diese selektive CO-Oxidationseinheit 34 ist mit Katalysatoren 50 zur selektiven CO-Oxidation gepackt, die Aluminiumoxid enthalten, auf dessen Oberfläche Platin vorgesehen ist. Die Katalysatoren 50 ermöglichen, daß das im reformierten Gas enthaltene Kohlenmonoxid vorzugsweise über Wasserstoff oxidiert wird, um auf diese Weise das reformierte Gas in einen gasförmigen Brennstoff mit einer niedrigen Konzentration an Kohlenmonoxid zu überführen.
  • Wie in 3 gezeigt, ist das Wassereinlassrohr 40 in das Verbindungsrohr 36 eingesetzt, und die Einheit 34 zur selektiven CO-Oxidation empfängt Wasser vom Wassereinlassrohr 40 über das Verbindungsrohr 36. Die Oxidationsreaktion in der Einheit 34 ist exotherm und erhöht daher die Temperatur in der Einheit 34. Das vom Wassereinlaßrohr 40 durch das Verbindungsrohr 36 zugeführte Wasser wird in der heißen selektiven CO-Oxidationseinheit 34 verdampft. Die Verdampfungswärme kühlt dann die Einheit 34 herunter. Ein Temperatursensor 52 ist so angeordnet, daß er mit den Katalysatoren 50 zur selektiven CO-Oxidation in der selektiven CO-Oxidationseinheit 34 in Kontakt steht. Der Temperatursensor 52 besteht aus Thermoelementen und misst die Innentemperatur der Einheit 34. Er ist elektrisch an die elektronische Steuereinheit 90 angeschlossen.
  • Wie in 1 gezeigt, ist ein elektrisch betätigtes Ventil 42 in der Mitte des Wassereinlassrohres 40 angeordnet und elektrisch an die elektronische Steuereinheit 90 angeschlossen. Die elektronische Steuereinheit 90 steuert das elektrisch betätigte Ventil 42 aus und ein, um die Wasserzufuhr zur selektiven CO-Oxidationseinheit 34 zu starten und zu stoppen.
  • Die Katalysatoren 50 zur selektiven CO-Oxidation, die in die Einheit 34 gepackt sind, werden erhalten, indem ein Platinkatalysator hergestellt wird, der auf der Oberfläche eines Aluminiumoxidträgers gelagert wird. 4 ist ein Diagramm, das das Verhalten der Katalysatoren 50 zum selektiven Oxidieren von CO in Abhängigkeit von einem Modellgas zeigt.
  • Das hier verwendete Modellgas wurde hergestellt, indem Wasserdampf in ein in einer Flasche befindliches Gas, das eine vorgegebene Zusammensetzung von 25% CO2, 0,1 CO und Rest H2 besaß, mit einem Blasenerzeuger eingeführt wurde, um eine absolute Feuchtigkeit von etwa 20% zu erreichen. Ein Gemisch des Modellgases mit einem Oxidationsgas (das resultierende Mol-Verhältnis zwischen Sauerstoff und Kohlenmonoxid [O2]/[CO] betrug 3) wurde mit einem vorgegebenen Durchsatz, der dem etwa 5.000 fachen Gesamtvolumen der Katalysatoren pro Stunde auf Trockengasbasis entsprach, in die Katalysatoren eingeführt.
  • Wie im Diagramm der 4 gezeigt, senkten die Katalysatoren 50 zum selektiven Oxidieren von CO die Konzentration des im reformierten Gas enthaltenen Kohlenmonoxides nach der katalytischen Reaktion auf oder unter eine Detektionsgrenze (d.h. auf oder unter einige ppm) bei den Reaktionstemperaturen von 100°C bis 140°C.
  • Durch die Regulierung der Betriebstemperatur der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO auf einen Bereich von 100°C bis 140°C (hiernach als optimaler Temperaturbereich bezeichnet) wird die Konzentration des im gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxides auf signifikante Weise gesenkt. Bei dieser Ausführungsform öffnet oder schließt die elektronische Steuereinheit 90 das elektrisch betätigte Ventil 42 auf der Basis der Ergebnisse der Messung des Temperatursensors 52, so daß daher die Betriebstemperatur der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO innerhalb des optimalen Temperaturbereiches gehalten werden kann.
  • Wie in 1 gezeigt, ist die elektronische Steuereinheit 90 als logische Schaltung auf Mikrocomputerbasis ausgebildet und besitzt eine CPU 92 zum Ausführen einer Vielzahl von logischen und arithmetischen Operationen in Abhängigkeit von vorgegebenen Steuerprogrammen, einen ROM 94, in dem Steuerprogramme und Steuerdaten, die für die Vielzahl der logischen und arithmetischen Operationen erforderlich sind, welche von der CPU 92 ausgeführt werden, vorher gespeichert wurden, einen RAM 96, in den diverse Daten, die für die Vielzahl der logischen und arithmetischen Operationen, welche von der CPU 92 ausgeführt werden, zeitweise eingeschrieben und hieraus ausgelesen werden, und einen Eingang/Ausgang 98 zum Empfangen von Detektionssignalen vom Temperatursensor 52 und den anderen verschiedenen Sensoren (nicht gezeigt) und zum Abgeben von Antriebssignalen, beispielsweise zum Gebläse 38 und zum elektrisch betätigten Ventil 42, auf der Basis der Ergebnisse der von der CPU 92 ausgeführten logischen und arithmetischen Operationen.
  • Die auf diese Weise ausgebildete elektronische Steuereinheit 90 des Brennstoffzellen-Generatorsystems 10 führt somit einen Steuervorgang zum Absenken der Konzentration des im gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxides auf der Basis eines Programms zum Reduzieren der CO-Konzentration, das im Ablaufdiagramm der 5 gezeigt ist, durch. Dieses Programm der 5 wird in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise alle 100 msec, nachdem der Reformer 30 betrieben wurde und einen stationären Zustand erreicht hat, wiederholt ausgeführt.
  • Wenn das Programm das Unterprogramm der 5 erreicht, liest die CPU 92 zuerst eine Temperatur T in die Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO, die vom Temperatursensor 52 gemessen wurde, über den Eingang/Ausgang 98 in Schritt S100 ein. Die beobachtete Temperatur C wird mit einer unteren Grenze T1 in Schritt S110 verglichen. Die untere Grenze T1, die der unteren Grenze des optimalen Temperaturbereiches der Einheit 34 entspricht, beträgt bei dieser Ausführungsform 100°C und wird im ROM 94 gespeichert. Wenn die beobachtete Temperatur T in Schritt S110 geringer ist als die untere Grenze T1, rückt das Programm zu Schritt S120 vor, um die Position V des elektrisch betätigten Ventils 42, das im Wassereinlassrohr 40 angeordnet ist, in einen geschlossenen Zustand zu bringen. Durch diesen Schaltvorgang wird die Wasserzufuhr durch das Wassereinlassrohr 40 zur Einheit 34 gestoppt und dadurch die Innentemperatur der Einheit 34, die vom zugeführten Wasser nicht gekühlt wurde, erhöht.
  • Wenn die Antwort in Schritt S110 negativ ist, d.h. wenn die beobachtete Temperatur nicht geringer ist als die untere Grenze T1, rückt das Programm zu Schritt S130 vor, bei dem die beobachtete Temperatur T weiter mit einer oberen Grenze T2 verglichen wird. Diese obere Grenze T2, die der oberen Grenze des optimalen Temperaturbereiches der Einheit 34 entspricht, beträgt 140°C bei dieser Ausführungsform und ist im ROM 94 gespeichert. Wenn die beobachtete Temperatur T in Schritt S130 höher ist als die obere Grenze T2, rückt das Programm zu Schritt S140 vor, um die Position V des elektrisch betätigten Ventils 42, das im Wassereinlassrohr 40 angeordnet ist, in einen offenen Zustand zu schalten (entweder einen vollständig offenen Zustand oder einen teilweise offenen Zustand mit einer vorgegebenen Öffnung). In diesem Schaltvorgang wird die Wasserzufuhr durch das Wassereinlassrohr 40 zur Einheit 34 begonnen, so daß daher die Innentemperatur der Einheit 34 durch die Verdampfungswärme des zugeführten Wassers verringert werden kann.
  • Nach Ausführung eines der Schritte S120 und S140 oder nach der negativen Antwort in Schritt S130 verläßt das Programm dieses Unterprogramm.
  • Das CO-Konzentrationsreduktionsunterprogramm steuert das elektrisch betätigte Ventil 42 in Abhängigkeit von der Innentemperatur der Einheit 34, die vom Temperatursensor 52 gemessen wird, ein und aus. Wenn die Temperatur T in der Einheit 34 zu hoch wird, kühlt das zugeführte Wasser die Einheit 34 herunter. Wenn die Temperatur T zu niedrig ist, wird die Wasserzufuhr zum Kühlen gestoppt. Durch diesen Vorgang kann die Betriebstemperatur der Einheit 34 innerhalb des optimalen Temperaturbereiches von T1 bis T2 gehalten werden. Obwohl die erste Ausführungsform die zeitliche Verzögerung zwischen der Wasserzufuhr zur Einheit 34 und der tatsächlichen Temperaturveränderung nicht berücksichtigt, wird bei einer bevorzugten Modifikation ein vorgegebener Wert α zur unteren Grenze T1 hinzugefügt und ein vorgegebener Wert β von der oberen Grenze T2 abgezogen, um diese zeitliche Verzögerung zu berücksichtigen.
  • Wie vorstehend erläutert, wird bei dem Brennstoffzellen-Generatorsystem 10 der ersten Ausführungsform Wasser durch das Wassereinlaßrohr 40 der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführt und wird die Einheit 34 durch die Verdampfungswärme des zugeführten Wassers heruntergekühlt. Die Verdampfungswärme des zugeführten Wassers kühlt die Katalysatoren 50 zum selektiven Oxidieren von CO, die in die Einheit 34 gepackt sind, direkt herunter. Hierdurch wird die Kühleffizienz verbessert, und sämtliche Katalysatoren 50 zum selektiven Oxidieren von CO, die in die Einheit 34 gepackt sind, können in einem aktiven Temperaturbereich gehalten werden. Mit dieser Konstruktion kann somit in ausreichender Weise die Konzentration des im gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxides verringert werden.
  • Es ist erforderlich, den dem Stapel der Brennstoffzellen 20 zugeführten Brennstoff zu befeuchten. Bei der ersten Ausführungsform kann die erforderliche Wassermenge, die dem gasförmigen Brennstoff zum Befeuchten zugesetzt wird, um die Wassermenge reduziert werden, die der Einheit 34 zum Kühlen zugeführt wird. Hierbei wird Wasser für Kühlzwecke verwendet, und es ist keine zusätzliche Energiezufuhr zum Herunterkühlen der Einheit 34 erforderlich. Während bei der herkömmlichen Technik zusätzliche Energie zum Herunterkühlen eines Kühlmediums, das die Wärme von der Einheit 34 empfängt und beispielsweise durch einen Radiator strömt, benötigt wird, benötigt das Brennstoffzellen-Generatorsystem 10 dieser Ausführungsform solche zusätzliche Energie nicht.
  • Das Brennstoffzellen-Generatorsystem 10 der ersten Ausführungsform misst die Innentemperatur der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO mit dem Temperatursensor 52 und startet oder stoppt die Wasserzufuhr durch das Wassereinlassrohr 40 auf Basis der Messergebnisse des Temperatursensors 52. Hierdurch kann die Betriebstemperatur der Einheit 34 innerhalb des aktiven Temperaturbereiches der Katalysatoren 50 zum selektiven Oxidieren von CO gehalten werden, wodurch die Konzentration des im gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxides verringert wird.
  • Bei der ersten Ausführungsform wird Wasser vom Wassereinlassrohr 40 durch das Verbindungsrohr 36 zur Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO geleitet. Wie in 6 gezeigt, besitzt eine modifizierte Ausführungsform ein Wassereinlassrohr 40A, das in die Einheit 34 eingesetzt ist. Das durch das Wassereinlassrohr 40A fließende Wasser wird somit direkt in die Einheit 34 gesprüht.
  • Diese modifizierte Ausführungsform besitzt vorzugsweise ein Wassereinspritzventil 80, das am freien Ende des Wassereinlaßrohres 40A befestigt ist, um Wasser in einem großen Winkel abzusprühen, wie in 7 gezeigt. Ein erhältliches Wassereinspritzventil ist ein spiralförmiges Einspritzventil, bei dem die von einer Flüssigkeit durchgeführten Umdrehungen ausgenutzt werden. Ein solches spiralförmiges Einspritzventil ist eine bekannte Vorrichtung, die beispielsweise in "Kikaikogaku-kisokoza, Nenshokogaku, Kiso-to-oyo (Fundamental Lectures of Mechanical Engineering, Combustion Engineering, Fundamental and Applications), Kiyoshai KOBAYASHI, Rikougaku Co., Ltd., S. 192–201" offenbart ist. Ein solches spiralförmiges Einspritzventil verwirklicht selbst bei einem niedrigen Einspritzdruck eine gute Zerstäubung und ermöglicht eine freie Gestaltung des Sprühwinkels und des Durchsatzes. Hiermit kann Wasser auf einen Partikeldurchmesser von 15 μm zerstäubt, in einem Sprühwinkel von 150° abgegeben und direkt auf einen großen Bereich der Katalysatoren 50 zum selektiven Oxidieren von CO gesprüht werden. Mit dieser Konstruktion wird ein großer Bereich der Katalysatoren 50 rasch heruntergekühlt, so daß die gesamte Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO homogen heruntergekühlt wird.
  • Obwohl die in 7 gezeigte modifizierte Ausführungsform nur ein Wassereinlassrohr 40A besitzt, kann eine andere mögliche Ausführungsform eine Vielzahl von Wassereinlassrohren aufweisen. 8 zeigt das Innere der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO mit zwei Wassereinlaßrohren 40Aa und 40Ab. Bei diesem modifizierten Beispiel sind die Katalysatoren 50 zum selektiven Oxidieren von CO in zwei Gruppen 81 und 82 in Strömungsrichtung des reformierten Gases in der Einheit 34 unterteilt, und sind die Wassereinlassrohre 40Aa und 40Ab so angeordnet, daß sie Wasser auf die Gruppen 81 und 82 sprühen. Spiralförmige Einspritzventile 80a und 80b sind an den Enden der Wassereinlassrohre 40Aa und 40Ab befestigt.
  • Im Vergleich mit der Ausführungsform der 7 kann mit der Ausführungsform der 8 der Bereich der Katalysatoren 50, auf den Wasser direkt gesprüht wird, verdoppelt werden, so daß auf diese Weise die gesamte Einheit 34 homogener heruntergekühlt und die Konzentration des im gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxides in ausreichender Weise reduziert wird.
  • Die Verringerung der Konzentration des Kohlenmonoxides wurde für die modifizierte Konstruktion von 7 und die modifizierte Konstruktion von 8 ausgewertet. Das hier verwendete Modellgas war ein wasserstoffreiches Gas mit einer Konzentration von Kohlenmonoxid, die 0,6 betrugt. Ein Gemisch des Modellgases mit einem Oxidationsgas (das erhaltene Molverhältnis zwischen Sauerstoff und Kohlenmonoxid [O2]/[CO] betrug 3) wurde in die Katalysatoren 50 zum selektiven Oxidieren von CO eingeführt, wobei der Wasserdurchsatz 1,36 Mol/min betrug.
  • Bei der Ausführungsform von 7 mit einem Wassereinlassrohr 40A betrug die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas, das von der Einheit 34 abgegeben wurde, enthaltenen Kohlenmonoxides 30 ppm. Bei der Konstruktion von 8 mit zwei Wassereinlassrohren 40Aa und 40Ab betrug die Konzentration des im wasserstoffreichen Gas, das von der Einheit 34 abgegeben wurde, enthaltenen Kohlenmonoxides 10 ppm. Diese Messung zeigt, daß mit der Konstruktion mit einer Vielzahl von Wassereinlassrohren die Konzentration des im Wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides wirksamer verringert werden kann als bei der Konstruktion mit einem Wassereinlassrohr.
  • Bei der ersten Ausführungsform und ihren modifizierten Ausführungsformen werden das Oxidationsgas und Wasser durch separate Rohre der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführt. Wie in 9 gezeigt, können jedoch auch das Oxidationsgas und das Wasser zusammen durch ein Induktionsrohr 84 eingeführt werden, das in die Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO eingesetzt ist. Hierdurch kann Wasser vom Oxidationsgas abgesprüht werden, so daß der Wassersprühmechanismus vereinfacht werden kann.
  • Bei der ersten Ausführungsform und ihren modifizierten Ausführungsformen (ausgenommen die Ausführungsform der 9) ist das Wassereinlassrohr abstromseitig vom Induktionsrohr des Oxidationsgases angeordnet. Bei einer anderen möglichen Konstruktion kann jedoch das Wassereinlassrohr auch aufstromseitig vom Induktionsrohr des Oxidationsgases angeordnet sein.
  • Bei der ersten vorstehend beschriebenen Ausführungsform besitzen die Katalysatoren 50 zum selektiven Oxidieren von CO einen Aluminiumoxidträger mit einem darauf gelagerten Platinkatalysator. Andere zur Verfügung stehende Träger sind Siliciumoxide, Zirkoniumoxide, Ceroxid, Zinkoxid, Calciumcarbonat, Kupferoxide, Eisenoxide, Titanoxide, Cobaltoxide und mit Yttriumoxid teilweise stabilisiertes Zirkoniumoxid. Andere erhältliche Katalysatoren, die vom Träger gelagert werden, sind Edelmetalle, wie Pd, Ru, Rh, Ir und Au, und unedle Metalle, wie Ni, Co, Cu und Fe.
  • Bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform wird die Zufuhr von Wasser durch das Wassereinlassrohr 40 in Abhängigkeit von der beobachteten Temperatur T in der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO begonnen und gestoppt. Bei einer anderen möglichen Konstruktion wird die Menge des zugeführten Wassers durch das Wassereinlaßrohr 40 in Abhängigkeit von der beobachteten Konzentration C reguliert. Wenn die Temperatur T in der Einheit 34 zu stark ansteigt, wird das elektrisch betätigte Ventil 42 um ein vorgegebenes Maß in Öffnungsrichtung angetrieben. Wenn die Temperatur T zu gering ist, wird das elektrisch betätigte Ventil 42 um ein vorgegebenes Maß in Schließrichtung angetrieben. Bei noch einer anderen möglichen Konstruktion wird Wasser intermittierend zugeführt und das Intervall der Wasserzufuhr reguliert, um auf diese Weise die Menge der Wasserzufuhr zu steuern.
  • Nachfolgend wird ein anderes Brennstoffzellen-Generatorsystem 210 als zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 10 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau des Brennstoffzellen-Generatorsystems 210 der zweiten Ausführungsform zeigt. Dieses Brennstoffzellen-Generatorsystem 210 der zweiten Ausführungsform besitzt einen entsprechenden Hardwareaufbau wie das Brennstoffzellen-Generatorsystem 10 der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß der Temperatursensor 52 nicht in der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO angeordnet ist und daß ein Kohlenmonoxidsensor 212 zum Messen der Konzentration des im gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxides in der Mitte einer Strömungsbahn, die die Einheit 34 mit dem Stapel der Brennstoffzellen 20 verbindet, angeordnet ist. Die gleichen Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht mehr speziell beschrieben.
  • Nachfolgend wird der Aufbau des Kohlenmonoxidsensors 212 auf Basis des in 11 gezeigten Vertikalschnittes beschrieben. Der Kohlenmonoxidsensor 212 besitzt eine Elektrolytmembran 220, zwei Elektroden 222 und 224, die quer über der Elektrolytmembran 220 angeordnet sind, um eine sandwichförmige Konstruktion zu bilden, zwei Metallsiebe 226 und 228, die quer über der sandwichförmigen Konstruktion angeordnet sind, um eine Durchbiegung der sandwichförmigen Konstruktion zu verhindern, zwei Halter 230 und 232 zum Fixieren der sandwichförmigen Konstruktion und der Metallsiebe 226 und 228 und ein Installationselement 234 zum Verbinden der Halter 230 und 232 in einem elektrisch isolierenden Zustand.
  • Bei der Elektrolytmembran 220 handelt es sich um eine Protonen leitende Membran, die aus einem Polymerelektrolytmaterial, wie einem Fluorharz, besteht. Die Elektroden 222 und 224 bestehen aus einem Elektrodenbasismaterial, wie Karbonpapier, einer Karbonfolie oder textilem Karbonmaterial, wobei Karbonpulver mit einem darauf gelagerten Platinkatalysator in die Zwischenräume des Elektrodenbasismateriales eingearbeitet ist.
  • Die Metallsiebe 226 und 228 besitzen eine Konstruktion, die ermöglicht, daß Gase in die Elektroden 222 und 224 strömen können. Ein bevorzugtes Material für die Metallsiebe 226 und 228 besitzt eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und günstige Rostverhinderungseigenschaften und verursacht keine Wasserstoffsprödigkeit. Hierzu gehören beispielsweise Titan und rostfreier Stahl.
  • Die Halter 230 und 232 besitzen Flansche 230a und 232a, die von den zylindrischen Halterkonstruktionen 230 und 32 nach innen vorstehen. Die Elektrolytmembran 220, das Paar der Elektroden 222 und 224 und die Metallsiebe 226 und 228 werden von diesen Flanschen 230a und 232a der Halter 230 und 232 gelagert. Das bevorzugte Material für die Halter 230 und 232 besitzt eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und günstige Rostverhinderungseigenschaften und verursacht keine Wasserstoffsprödigkeit. Hierzu zählen beispielsweise Titan und rostfreier Stahl. Der Halter 232 ist mit einem O-Ring 236 versehen, der mit der Elektrolytmembran 220 in Kontakt tritt, und verhindert eine Atmosphäre, bei der eine Elektrode zur anderen Elektrode leckt.
  • Die Halter 230 und 232 haben auf ihrem Umfang äußere Schraubengewinde 230b und 232b, die mit inneren Schraubengewinden 234a und 234b, die innerhalb des Isolationselementes 234 ausgebildet sind, in Eingriff stehen und hieran angepaßt sind. Durch den Eingriff der Schraubengewinde 230b, 232b und 234a, 234b können die Halter 230 und 232 miteinander verbunden werden und die Sandwichkonstruktion der dazwischen angeordneten Elektrode 222-Elektrolytmembran 220-Elektrode 224 sicher lagern. Ein bevorzugtes Material für das Isolationselement 234 ist beispielsweise Teflon.
  • Der Kohlenmonoxidsensor 212 besitzt des weiteren eine Gaseinströmleitung 238, die mit einem Halter 230 über Schraubengewinde verbunden ist. Die Gaseinströmleitung 238 führt einen gasförmigen Brennstoff, d.h. ein zu detektierendes Gas, in die Elektrode 222 und besteht aus einem Isolationsmaterial. Der andere Halter 232 steht nicht mit einer speziellen Gasleitung in Verbindung, und die Elektrode 234 ist der Atmosphäre ausgesetzt.
  • Der Kohlenmonoxidsensor 212 ist ferner mit einer elektrischen Schaltung 240 versehen, die Detektionsterminals 230T und 232T der Halter 230 und 232 elektrisch miteinander verbindet. Die elektrische Schaltung 240 besitzt ein Voltmeter 242 und einen Widerstand 244 zum Einstellen des Laststromes, die parallel zwischen den Detektionsterminals 230T und 232T geschaltet sind. Der Anschluß des Voltmeters 242 ist so festgelegt, daß das Detektionsterminal 230T des Halters 230 auf der Seite der Elektrode 222, die dem gasförmigen Brennstoff ausgesetzt ist, eine negative Polarität erhält, während das Detektionsterminal 232T des Halters 232 auf der Seite der Elektrode 224, die der Atmosphäre ausgesetzt ist, eine positive Polarität enthält. Die Signale des Voltmeters 242 werden einem externen Steuersystem, d.h. einer elektronischen Steuereinheit 90A, zugeführt.
  • Der auf diese Weise ausgebildete Kohlenmonoxidsensor 212 steht über passende Schraubengewinde mit der Strömungsbahn, die die Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO mit dem Stapel der Brennstoffzellen 20 verbindet, in Verbindung und dient dazu, die Konzentration des Kohlenmonoxides im gasförmigen Brennstoff, der dem Stapel der Brennstoffzellen 20 zugeführt wird, zu messen.
  • Die folgende Beschreibung bezieht sich auf das Verfahren zum Detektieren des im wasserstoffreichen Gas (d.h. dem gasförmigen Brennstoff oder dem zu detektierenden Gas) enthaltenen Kohlenmonoxides mit dem Kohlenmonoxidsensor 212. Im wasserstoffreichen Gas enthaltener gasförmiger Wasserstoff wird der Elektrode 222 des Kohlenmonoxidsensors 212 zugeführt, während in der Atmosphäre enthaltener Sauerstoff der Elektrode 224 zugeführt wird. Die durch die nachfolgenden Gleichungen (4) und (5) wiedergegebenen Reaktionen laufen auf der Oberfläche der Elektroden 222 und 224 über der Elektrolytmembran 220 ab: H2 → 2H+ + 2e– (4) 2H+ + 2e– + (1/2)O2 → H2O (5)
  • Diese Reaktionen sind identisch mit den Reaktionen, die in den Brennstoffzellen, welche Wasserstoff und Sauerstoff als Brennstoffe empfangen und elektrische Energie erzeugen, ablaufen. Auf diese Weise wird eine elektromotorische Kraft zwischen den Elektroden 222 und 224 erzeugt. Da der Widerstand 244 bei dieser Ausführungsform zwischen die Elektroden 222 und 224 geschaltet ist, misst das Voltmeter 242 die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 222 und 224, wenn ein vorgegebener elektrischer Strom unter einer vorgegebenen Belastung zwischen den Elektroden 222 und 224 durch die Schaltung fließt. Die Potentialdifferenz nimmt mit einem Anstieg der Konzentration des im Gas enthaltenen Kohlenmonoxides ab. Dieses Phänomen basiert auf den folgenden Gründen.
  • Die durch die vorstehend wiedergegebene Gleichung (4) gekennzeichnete Reaktion läuft auf der Elektrode 222 ab, in die das Carbonpulver mit dem darauf gelagerten Platinkatalysator eingearbeitet ist. Im Gas vorhandenes Kohlenmonoxid wird vom Katalysator absorbiert und wirkt sich störend auf die katalytische Wirkung aus, d.h. Kohlenmonoxid vergiftet den Katalysator. Das Ausmaß der Vergiftung ist bei einer hohen Konzentration an im Gas enthaltenem Kohlenmonoxid groß und bei einer geringen Konzentration klein. Die Potentialdifferenz zwischen den Detektionsterminals 230T und 232T wird gemessen, während die durch die Gleichungen (4) und (5) gekennzeichneten Reaktionen kontinuierlich auf den Elektroden 222 und 224 ablaufen. In diesem Zustand gibt die Potentialdifferenz die Konzentration des im Gas enthaltenen Kohlenmonoxides wieder, und die Messung der Potentialdifferenz legt die Konzentration des im Gas enthaltenen Kohlenmonoxides fest. Durch die Verbindung des einen Detektionsterminals 230T mit dem anderen Detektionsterminal 232T über den Widerstand 244 können die Reaktionen der Gleichungen (4) und (5) kontinuierlich auf den Elektroden 222 und 224 ablaufen. Unter diesen Bedingungen wird die Potentialdifferenz zwischen den Detektionsterminals 230T und 232T gemessen.
  • Die Beziehung zwischen der Konzentration des Kohlenmonoxides und der Messung mit dem Voltmeter 242 wird vorher mit Gasen, die bekannte Konzentrationen von Kohlenmonoxid enthalten, geprüft. Die Konzentration des im Gas enthaltenen Kohlenmonoxides wird dann in Abhängigkeit von dieser Beziehung bestimmt. Das Vorhandensein von Wasserstoff beeinflusst nicht die Empfindlichkeit der Detektion bei der Messung der Konzentration von Kohlenmonoxid. Somit kann die Konzentration des selbst im wasserstoffreichen Gas, d.h. dem den Brennstoffzellen zuge führten gasförmigen Brennstoff, enthaltenen Kohlenmonoxides mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
  • Die elektronische Steuereinheit 90A des Brennstoffzellen-Generatorsystems 210 führt einen Steuervorgang durch, um die Konzentration des im gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxides zu reduzieren, wobei sich dieser Steuervorgang von dem der ersten Ausführungsform unterscheidet, jedoch auf einem Programm zur Reduzierung der CO-Konzentration basiert, das im Ablaufdiagramm der 12 dargestellt ist. Das Programm der 12 wird in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise alle 100 msec, wiederholt durchgeführt, nachdem ein Reformer 30A betrieben wurde und einen stationären Zustand erreicht hat.
  • Wenn das Programm das Programm der 12 erreicht hat, liest eine CPU 92A der elektronischen Steuereinheit 90A in Schritt S250 die Konzentration D des im gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxides am Auslaß des Reformers 30A, die vom Kohlenmonoxidsensor 212 gemessen wurde, über einen Eingang/Ausgang 98A. Die beobachtete Konzentration D von Kohlenmonoxid wird mit einem vorgegebenen Wert D0 in Schritt S260 verglichen. Der vorgegebene Wert D0 gibt eine obere Grenzkonzentration von Kohlenmonoxid wieder, die für den Stapel der Brennstoffzellen 20 zulässig ist. Wenn die beobachtete Konzentration D des Kohlenmonoxides nicht größer als der vorgegebene Wert D0 in Schritt S260 ist, benötigt das Programm keine spezielle Steuerung und verläßt dieses Unterprogramm.
  • Wenn in Schritt S260 die beobachtete Konzentration D des Kohlenmonoxides den vorgegebenen Wert D0 übersteigt, rückt das Programm zu Schritt S270 vor, um das Gebläse 38 mit einer vorgegebenen Antriebsgröße S anzutreiben, damit eine vorgegebene Menge Qa des Oxidationsgases in die Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO eingeführt werden kann. Die Menge Qw des in die Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO eingeführten Wassers wird dann in Schritt S280 berechnet, indem die vorgegebene Menge Ua des Oxidationsgases, die in Schritt S270 spezifiziert wird, durch einen vorgegebenen Faktor k geteilt wird. Im nachfolgenden Schritt S290 reguliert die CPU 92A die Position des elektrisch betätigten Ventils 42 auf Basis der Sollmenge Qw der Wasserzufuhr und ermöglicht auf diese Weise, daß Wasser der Sollmenge Qw durch das Wassereinlaßrohr 40 zur Einheit 34 geführt wird. Obwohl das elektrisch betätigte Ventil 42 bei der ersten Ausführungsform zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position hin- und hergeschaltet wird, wird das Öffnen des elektrisch betätigten Ventils 42 bei der zweiten Ausführungsform reguliert. Nach Durchführung von Schritt S290 verläßt das Programm dieses Unterprogramm.
  • Wenn die Konzentration D von Kohlenmonoxid ansteigt und das für den Stapel der Brennstoffzellen 20 zulässige Niveau übersteigt, bewirkt das CO-Konzentrationsreduktionsprogramm der zweiten Ausführungsform, daß das Oxidationsgas der vorgegebenen Menge Qa der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführt wird und Wasser der Sollmenge Qw, die der Menge Qa des zugeführten Oxidationsgas entspricht, in die Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO eingeführt wird. Das Diagramm der 13 zeigt die Menge Qw der Wasserzufuhr in Abhängigkeit von der Menge Qa der Oxidationsgaszufuhr. Wie man dem Diagramm der 13 deutlich entnehmen kann, ist das Verhältnis zwischen der Menge Qa der Oxidationsgaszufuhr und der Menge Qw der Wasserzufuhr zur Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO auf den Faktor k fixiert.
  • Wenn die Konzentration des im gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxides auf ein hohes Niveau ansteigt, wird durch die Konzentration der zweiten Ausführungsform das Oxidationsgas in die Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO eingeführt, so daß auf diese Weise die Konzentration des Kohlenmonoxides durch die Oxidationsreaktion reduziert wird. Obwohl die Oxidationsreaktion exotherm ist, kühlt die Verdampfungswärme des in die Einheit 34 eingeführten Wassers die Einheit 34 herunter. Wie vorstehend beschrieben, legt das feste Verhältnis zwischen der Menge Qa der Oxidationsgaszufuhr und der Menge Qw der Wasserzufuhr den Grad der Kühlung der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO in Abhängigkeit von der durch die Oxidationsreaktion erzeugten Wärmemenge fest.
  • Diese Konstruktion ermöglicht, daß die Betriebstemperatur der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO innerhalb des gewünschten Temperaturbereiches, d.h. des aktiven Temperaturbereiches des Katalysators, erhalten und auf diese Weise die Konzentration des im gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxides wirksam reduziert wird.
  • Durch die Konzentration der zweiten Ausführungsform wird die Menge Qw der Wasserzufuhr gesteuert, um ein festes Verhältnis zur Menge Qa der Oxidationsgaszufuhr aufrechtzuerhalten. Hierdurch wird der Steuervorgang vereinfacht.
  • Bei der zweiten Ausführungsform wird die vorgegebene Menge Qa des Oxidationsgases in die Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO eingeführt, wenn die beobachtete Konzentration D von Kohlenmonoxid auf ein hohes Niveau ansteigt. Die Menge Qa des zugeführten Oxidationsgases kann jedoch in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der beobachteten Konzentration D des Kohlenmonoxides und dem vorgegebenen Wert D0 variiert werden. Bei dieser modifizierten Konstruktion wird die Menge Qa der Oxidationsgaszufuhr bei einem Anstieg dieser Differenz erhöht. Hierdurch kann die Konzentration D des Kohlenmonoxides rasch auf oder unter den vorgegebenen Wert D0 abgesenkt werden. Da selbst bei der modifizierten Konstruktion mit der veränderlichen Menge Qa des zugeführten Oxidationsgases die Menge Qw des zugeführten Wassers so gesteuert wird, daß ein festes Verhältnis zur Menge Qa des zugeführten Oxidationsgases aufrechterhalten wird, wird die Betriebstemperatur der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO auf wirksame Weise innerhalb des gewünschten Temperaturbereiches gehalten.
  • Bei der zweiten Ausführungsform wird die Konzentration des Kohlenmonoxides reduziert, indem die vorgegebene Menge Qa des Oxidationsgases der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführt wird, wenn die beobachtete Konzentration D des Kohlenmonoxides auf ein hohes Niveau ansteigt. Bei einer modifizierten Ausführungsform wird kontinuierlich eine feste Menge des Oxidationsgases in die Einheit 34 eingeführt und die Oxidationsgaszufuhr um eine vorgegebene Menge erhöht, wenn die beobachtete Konzentration D des Kohlenmonoxides auf ein hohes Niveau ansteigt. In diesem Fall wird die Menge des zugeführten Wassers so gesteuert, daß ein festes Verhältnis in bezug auf die erhöhte Menge des zugeführten Oxidationsgases aufrechterhalten wird. Die Konstruktion der zweiten Ausführungsform, bei der die vorgegebene Menge Qa des Oxidationsgases in die Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO in Abhängigkeit von einem Anstieg der Konzentration D des Kohlenmonoxides auf ein hohes Niveau eingeführt wird, kann generalisiert und auf die Konstruktion der ersten Ausführungsform übertragen werden.
  • Bei der zweiten Ausführungsform wird die Menge Qa des zugeführten Oxidationsgases zur Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO auf der Basis der Daten in bezug auf die Konzentration des Kohlenmonoxides, die vom Kohlenmonoxidsensor 212 abgegeben wird, festgelegt. Es kann jedoch auch ein anderer Parameter für die Festlegung der Menge Qa des zugeführten Oxidationsgases Verwendung finden. Dieser Parameter wird beispielsweise von Daten gebildet, die die Batterieleistung des Stapels der Brennstoffzellen 20 betreffen. Wenn ein Abfall der Batterieleistung vom Stapel der Brennstoffzellen 20 detektiert wird, wird dieser Abfall der Batterieleistung von dieser modifizierten Konstruktion einer CO-Vergiftung des Katalysators auf den Anoden im Stapel der Brennstoffzellen 20 zugeschrieben und die Menge Qa des zugeführten Oxidationsgases zur Einheit 34 gesteuert, um die Batterieleistung wiederherzustellen.
  • Nachfolgend wird noch ein anderes Brennstoffzellen-Generatorsystem 310 als dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 14 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau des Brennstoffzellen-Generatorsystems 310 der dritten Ausführungsform zeigt. Dieses Brennstoffzellen-Generatorsystem 310 der dritten Ausführungsform besitzt einen entsprechenden Hardware-Aufbau wie das Brennstoffzellen-Generatorsystem 10 der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß der Temperatursensor 52 nicht in der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO angeordnet ist und die dritte Ausführungsform einen Gasdurchflussmesser zum Messen des Durchsatzes des reformierten Gases, das von der Reformereinheit 32 eines Reformers 30B abgegeben wird, besitzt. Die gleichen Bestandteile weisen gleiche Bezugszeichen auf und werden hier nicht nochmals speziell beschrieben.
  • Der Gasdurchflussmesser 312 ist in der Mitte des Verbindungsrohres 36, das die Reformereinheit 32 mit der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO im Reformer 30B verbindet, angeordnet, genauer gesagt aufstromseitig der Verbindung zwischen dem Induktionsrohr 37 des Oxida tionsgases und dem Verbindungsrohr 36. Der Gasdurchflussmesser 312 zum Messen des Durchsatzes des reformierten Gases, das von der Reformereinheit 32 abgegeben wird, ist elektrisch an einen Eingang/Ausgang 98B einer elektronischen Steuereinheit 90B angeschlossen.
  • Die elektronische Steuereinheit 90B des Brennstoffzellen-Generatorsystems 310 führt einen Steuervorgang zum Herabsetzen der Konzentration des im gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxides durch, der sich von dem der ersten Ausführungsform unterscheidet, jedoch auf einem Programm zum Reduzieren der CO-Konzentration basiert, das im Ablaufdiagramm der 15 gezeigt ist. Das Programm der 15 wird in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise alle 100 msec, auf wiederholte Weise durchgeführt, nachdem der Reformer 30B in Betrieb genommen wurde und einen stationären Zustand erreicht hat.
  • Wenn das Programm in das Unterprogramm der 15 dringt, liest eine CPU 92B der elektronischen Steuereinheit 90B zuerst einen Durchsatz Qh des reformierten Gases am Auslaß der Reformereinheit 32, der vom Gasdurchflussmesser 312 über den Eingang/Ausgang 98B gemessen wurde, in Schritt S350. Die CPU 92B bestimmt dann eine Sollmenge Qw der Wasserzufuhr zur Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO auf der Basis des Durchsatzes Qh des reformierten Gases in Schritt S360. In Abhängigkeit von einem konkreten Verfahren liest die CPU 92B die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr entsprechend dem beobachteten Durchsatz Qh des reformierten Gases aus einer Karte, die die Beziehung der 16 wiedergibt und vorher in einem ROM 94B der elektronischen Steuereinheit 90B gespeichert worden ist. Die CPU 92B reguliert danach die Position des elektrisch betätigten Ventils 42 auf der Basis der Sollmenge Qw der Wasserzufuhr in Schritt S370 und ermöglicht auf diese Weise, daß Wasser der Sollmenge Qw durch das Wassereinlassrohr 40 strömen und in die Einheit 34 eingeführt werden kann. Nach der Ausführung von Schritt S370 verläßt das Programm dieses Steuerunterprogramm.
  • Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht das CO-Konzentrationsreduktionsprogramm der dritten Ausführungsform die Einführung von Wasser der vorgegebenen Menge in Abhängigkeit vom beobachteten Durchsatz Qh des reformierten Gases am Auslaß der Reformereinheit 32 in die Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO.
  • Der Wärmefreigabewert in der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO wird durch die Menge des im reformierten Gas, das der Einheit 34 zugeführt wird, enthaltenen Kohlenmonoxides beeinflusst. Wenn die Reformereinheit 32 in einem konstanten Zustand betrieben wird, variiert die Menge des im reformierten Gas enthaltenen Kohlenmonoxides proportional zur Gesamtmenge des reformierten Gases. Durch den Anstieg des Durchsatzes Qh des reformierten Gases wird der Wärmefreigabewert in der Einheit 34 erhöht. Durch die Regulierung der Menge Qw des der Einheit 34 zugeführten Wassers auf der Basis des beobachteten Durchsatzes Qh des reformierten Gases wird somit das Ausmaß der Kühlung der Einheit 34 in Abhängigkeit vom Wärmefreigabewert in der Einheit 34 gesteuert. Diese Konstruktion ermöglicht, daß die Betriebstemperatur der Einheit 34 innerhalb des gewünschten Temperaturbereiches gehalten wird.
  • Nachfolgend wird noch ein weiteres Brennstoffzellen-Generatorsystem 410 als vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 17 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau des Brennstoffzellen-Generatorsystems 410 der vierten Ausführungsform zeigt. Dieses Brennstoffzellen-Generatorsystem 410 der vierten Ausführungsform besitzt einen entsprechenden Hardware-Aufbau wie das Brennstoffzellen-Generatorsystem 310 der dritten Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß der Gasdurchflussmesser 312 durch einen Kohlenmonoxidsensor 412 zum Messen der Konzentration des Kohlenmonoxides im reformierten Gas, das von der Reformereinheit 32 abgegeben wird, ersetzt ist. Die gleichen Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht nochmals speziell beschrieben.
  • Der Kohlenmonoxidsensor 410 entspricht dem Kohlenmonoxidsensor 212 der zweiten Ausführungsform und ist in der Mitte des Verbindungsrohres 36 angeordnet, das die Reformereinheit 32 mit der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO in einem Reformer 30C verbindet, genauer gesagt, aufstromseitig der Verbindung des Induktionsrohres 37 für das Oxidationsgas mit dem Verbindungsrohr 36. Der Kohlenmonoxidsensor 410 ist elektrisch an einen Eingang/Ausgang C der elektronischen Steuereinheit 90C geschaltet.
  • Die elektronische Steuereinheit 90C des Brennstoffzellen-Generatorsystems 410 führt einen Steuervorgang zum Herabsetzen der Konzentration des im gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenwasserstoffes auf der Basis eines im Ablaufdiagramm der 18 gezeigten Programmes zum Reduzieren der CO-Konzentration durch. Das Programm der 18 wird in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise alle 100 msec, wiederholt durchgeführt, nachdem der Reformer 30C in Betrieb genommen worden ist und einen stationären Zustand erreicht hat.
  • Wenn das Programm das Unterprogramm der 18 erreicht, liest eine CPU 92C der elektronischen Steuereinheit 90C zuerst die Konzentration D1 des im reformierten Gas enthaltenen Kohlenmonoxides am Auslaß der Reformereinheit 32, die vom Kohlenmonoxidsensor 412 über den Eingang/Ausgang 98C gemessen wurde, in Schritt S450. Die CPU 92C ermittelt dann eine Sollmenge Qw der Wasserzufuhr zur Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO auf der Basis der beobachteten Konzentration D1 des Kohlenmonoxides in Schritt S460. In Abhängigkeit von einem konkreten Verfahren liest die CPU 92C die Sollmenge QW der Wasserzufuhr entsprechend der beobachteten Konzentration D1 des Kohlenmonoxides aus einer Karte, die die Beziehung der 19 wiedergibt und vorher in einem ROM 94C der elektronischen Steuereinheit 90C gespeichert wurde. Die CPU 92C reguliert dann die Position des elektrisch betätigten Ventils 42 auf der Basis der Sollmenge Qw der Wasserzufuhr in Schritt S470 und ermöglicht auf diese Weise, daß Wasser der Sollmenge Qw durch das Wassereinlassrohr 40 strömen und in die Einheit 34 eingeführt werden kann. Nach der Durchführung von Schritt S470 verläßt das Programm dieses Steuerunterprogramm.
  • Wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform wird in der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO des Brennstoffzellen-Generatorsystems 410 der vierten Ausführungsform die Menge des zugeführten Oxidationsgases in Abhängigkeit von der Konzentration des Kohlenmonoxides reguliert. Während die zweite Ausführungsform die Konzentration D des Kohlenmonoxides am Auslaß der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO, die vom Kohlenmonoxidsensor 212 gemessen wurde, benutzt, benutzt die vierte Ausführungsform die Konzentration D1 des Kohlenmonoxides am Einlaß der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO, die vom Kohlenmonoxidsensor 412 gemessen wurde.
  • Wie vorstehend beschrieben, reguliert das CO-Konzentrationsreduktionsprogramm der vierten Ausführungsform die Menge Qw des zugeführten Wassers, das durch das Wassereinlassrohr 40 strömt, auf der Basis der beobachteten Konzentration D1 des im reformierten Gas, das von der Reformereinheit 32 abgegeben wird, enthaltenen Kohlenmonoxides. Die Menge des zugeführten Oxidationsgases, das durch das Induktionsrohr 37 strömt, wird ebenfalls in Abhängigkeit von der beobachteten Konzentration D1 des Kohlenmonoxides reguliert.
  • Der Fortschritt der Oxidationsreaktion in der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO wird durch die Konzentration D1 des im reformierten Gas, das der Einheit 34 zugeführt wird, enthaltenen Kohlenmonoxides beeinflusst. Durch die Regulierung der Menge des der Einheit 34 zugeführten Wassers auf Basis der beobachteten Konzentration D1 des Kohlenmonoxides im reformierten Gas wird somit das Ausmaß der Kühlung der Einheit 34 in Abhängigkeit vom Fortschritt der Oxidationsreaktion gesteuert. Die Menge des zugeführten Oxidationsgases wird ferner bei dieser Ausführungsform in Abhängigkeit von der beobachteten Konzentration D1 des Kohlenmonoxides reguliert, so daß eine ausreichende Menge des Oxidationsgases, das für die Oxidationsreaktion erforderlich ist, der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführt wird. Dies führt zu einem großen Wärmefreigabewert in der Einheit 34 im Zustand einer hohen Konzentration D1 an Kohlenmonoxid. Bei der Konstruktion der vierten Ausführungsform wird jedoch das Ausmaß der Kühlung der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO in Abhängigkeit von der beobachteten Konzentration D1 des Kohlenmonoxides gesteuert, so daß daher die Betriebstemperatur der Einheit 34 innerhalb des gewünschten Temperaturbereiches gehalten werden kann.
  • Nachfolgend wird noch ein weiteres Brennstoffzellen-Generatorsystem 510 als fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 20 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau des Brennstoffzellen-Generatorsystems 510 der fünften Ausführungsform zeigt. Dieses Brennstoffzellen-Generatorsystem 410 der fünften Ausführungsform besitzt einen Impedanzmesser 512 zum Messen der Impedanz des Stapels der Brennstoffzellen 20 zusätzlich zu sämtlichen Bestandteilen des Brennstoffzellen-Generatorsystems 10 der ersten Ausführungsform mit Ausnahme des Temperatursensors 52. Die gleichen Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals speziell beschrieben.
  • Der Impedanzmesser 512 ist zwischen der Anode 22 und der Kathode 23 einer vorgegebenen Zelleneinheit im Stapel der Brennstoffzellen 20 angeordnet. Er legt ein Wechselstromsignal zwischen die Anode 22 und die Kathode 23 und detektiert den Wechselstromwiderstand, d.h. die Impedanz, aus dem ermittelten elektrischen Strom im Falle des Anlegens einer konstanten Spannung und aus der ermittelten Spannung im Falle der Zufuhr eines konstanten Stromes. Das erhältliche Wechselstromsignal liegt generell in einem Bereich von 100 Hz bis 10 kHz. Der Impedanzmesser 512 ist elektrisch an einen Eingang/Ausgang 98D einer elektronischen Steuereinheit 90D angeschlossen.
  • Die elektronische Steuereinheit 90C des Brennstoffzellen-Generatorsystems 510 führt die CO-Konzentrationsreduktionssteuerung der im Ablaufdiagramm der 5 gezeigten ersten Ausführungsform sowie einen Steuervorgang zum Befeuchten des Stapels der Brennstoffzellen 20 durch. Die Feuchtigkeitssteuerung basiert auf einem Feuchtigkeitssteuerunterprogramm, das im Ablaufdiagramm der 21 gezeigt ist. Dieses Feuchtigkeitssteuerunterprogramm wird in vorgegebenen Zeitintervallen, bei spielsweise alle 100 msec, auf wiederholte Weise ausgeführt, und zwar unabhängig von dem CO-Konzentrationsreduktionsunterprogramm, nachdem ein Reformer 30D in Betrieb genommen wurde und einen stationären Zustand erreicht hat.
  • Wenn das Programm das Unterprogramm der 21 erreicht, liest eine CPU 92D der elektronischen Steuereinheit 90D zuerst in Schritt S550 die vom Impedanzmesser 512 gemessene Impedanz Z über den Eingang/Ausgang 98C. Die festgestellte Impedanz Z wird dann in Schritt S560 mit einem vorgegebenen Wert Z0 verglichen.
  • Unter bestimmten Betriebsbedingungen fällt der Stapel der Brennstoffzellen 20 in einen Zustand, in dem die Elektrolytmembranen 21 teilweise zu feucht sind, oder in einen Zustand, in dem die Elektrolytmembranen 21 teilweise zu trocken sind. Diese Zustände können über die Impedanz Z zwischen der Anode 22 und der Kathode 23 detektiert werden. Wenn die beobachtete Impedanz Z den vorgegebenen Wert Z0 in Schritt S560 übersteigt, bestimmt das Programm, daß die Elektrolytmembranen 21 im Stapel der Brennstoffzellen 20 zu trocken sind, und rückt zu Schritt S570 vor, um die Position V des elektrisch betätigten Ventils 42, das im Wassereinlassrohr 40 angeordnet ist, um eine vorgegebene Größe ΔV in Öffnungsrichtung zu regulieren. Durch diesen Vorgang wird die Menge des durch das Wassereinlassrohr 40 zur Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO geführten Wassers erhöht, wodurch der im von der Einheit 34 abgegebenen gasförmigen Brennstoff enthaltene Wasserdampf erhöht wird. Dies führt zu einer Befeuchtung des Stapels der Brennstoffzellen 20 und zu einer Reduzierung der Impedanz Z.
  • Nach der Durchführung von Schritt S570 verläßt das Programm dieses Steuerunterprogramm. Wenn andererseits in Schritt S560 die beobachtete Impedanz Z nicht größer ist als der vorgegebene Wert Z0, verlässt das Programm sofort dieses Unterprogramm.
  • Wie vorstehend beschrieben, bestimmt das Brennstoffzellen-Generatorsystem 510 der fünften Ausführungsform, ob die Elektrolytmembranen 21 im Stapel der Brennstoffzellen 20 zu trocken sind oder nicht, auf der Basis der Impedanz zwischen der Anode 22 und der Kathode 23, die vom Impedanzmesser 512 gemessen wurde. Wenn das System ermittelt, daß die Elektrolytmembranen 21 zu trocken sind, wird durch die Konstruktion der fünften Ausführungsform die durch das Wassereinlaßrohr 40 zur Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO geführte Wassermenge erhöht und dadurch die Menge des Wasserdampfes vergrößert, der im gasförmigen Brennstoff enthalten ist, welcher von der Einheit 34 zum Stapel der Brennstoffzellen 20 geführt wird. Durch diesen Vorgang kann der Wassergehalt der Elektrolytmembranen 21 im Stapel der Brennstoffzellen 20 innerhalb eines vorgegebenen Bereiches gehalten werden. Daher wird verhindert, daß die Elektrolytmembranen 21 im Stapel der Brennstoffzellen 20 zu trocken oder zu feucht sind, und auf diese Weise eine hohe Ausgangsleistung vom Stapel der Brennstoffzellen 20 sichergestellt.
  • Bei der fünften Ausführungsform misst der Impedanzmesser 512 die Impedanz zwischen der Anode 22 und der Kathode 23 einer vorgegebenen Zelleneinheit im Stapel der Brennstoffzellen 20. Bei einer anderen möglichen Konstruktion kann jedoch auch die Impedanz für sämtliche Zelleneinheiten, die den Stapel der Brennstoffzellen 20 bilden, gemessen und eine mittlere Impedanz berechnet oder sämtliche festgestellten Impedanzen aufsummiert werden. Die baulichen Eigenschaften des Stapels der Brennstoffzellen 20 vermitteln beispielsweise, daß die Zelleneinheiten nahe an den Endplatten dazu neigen, zu naß oder zu trocken zu sein. Die Impedanz kann daher auch nur für diese speziellen Zellen gemessen werden.
  • Die Konstruktion zum Messen der Impedanz kann durch eine Konstruktion zum Messen des Gleichstromwiderstandes zwischen Elektroden einer vorgegebenen Zelleneinheit im Stapel der Brennstoffzellen 20 ersetzt werden. Da die Brennstoffzellen während ihres Betriebes eine elektromotorische Gleichstromkraft erzeugen, ist es generell unmöglich, den Gleichstromwiderstand direkt zu messen. Es gibt jedoch ein zur Verfügung stehendes Verfahren zum direkten Messen des Gleichstromwiderstandes. Bei diesem Verfahren wird die an den Stapel der Brennstoffzellen 20 angeschlossene Last über eine sehr kurze Zeitdauer, beispielsweise von einigen Millisekunden, abgetrennt, der Gleichstromwiderstand im abgetrennten Zustand gemessen und die Last wieder an den Stapel der Brennstoffzellen 20 angeschlossen. Das Verfahren berechnet dann den Wassergehalt der Elektrolytmembran 21 im Stapel der Brennstoffzellen 20 aus dem festgestellten Gleichstromwider stand und reguliert die Menge des der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführten Wassers auf der Basis des Ergebnisses dieser Berechnung.
  • Nachfolgend wird noch ein anderes Brennstoffzellen-Generatorsystem 610 als sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 22 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau des Brennstoffzellen-Generatorsystems 610 der sechsten Ausführungsform zeigt. Dieses Brennstoffzellen-Generatorsystem 610 der sechsten Ausführungsform besitzt einen Durchflusssensor 612 zum Messen des Durchsatzes Q des dem Stapel der Brennstoffzellen 20 zugeführten gasförmigen Brennstoffs und einen Drucksensor 614 zum Messen des Drucks P des gasförmigen Brennstoffs zusätzlich zu sämtlichen Bestandteilen des Brennstoffzellen-Generatorsystems 310 der dritten Ausführungsform. Die gleichen Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals speziell beschrieben.
  • Der Durchflusssensor 612 und der Drucksensor 614 sind in der Mitte einer Strömungsbahn angeordnet, die einen Reformer 30E mit dem Stapel der Brennstoffzellen 20 verbindet, und messen den Durchsatz Q und den Druck P des dem Stapel der Brennstoffzellen 20 zugeführten gasförmigen Brennstoffs. Sowohl der Durchflusssensor 612 als auch der Drucksensor 614 sind an einen Eingang/Ausgang 98E einer elektronischen Steuereinheit 90E elektrisch angeschlossen.
  • Die elektronische Steuereinheit 90E des Brennstoffzellen-Generatorsystems 610 führt eine CO-Konzentrationsreduktionssteuerung durch, die der entspricht, die bei der dritten Ausführungsform durchgeführt wird, sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Maximalmenge des der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführten Wassers. Diese Bestimmung basiert auf dem im Ablaufdiagramm der 23 gezeigten Berechnungsprogramm für die maximale Wasserzufuhr. Das Programm der 23 wird in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise alle 100 msec, unabhängig von dem CO-Konzentrationsreduktionsprogramm auf wiederholte Weise durchgeführt, nachdem der Reformer 30E in Betrieb gesetzt wurde und einen stationären Zustand erreicht hat.
  • Wenn das Programm das Unterprogramm der 23 erreicht, liest eine CPU 92E der elektronischen Steuereinheit 90E zuerst den Durchsatz Q und den Druck P des gasförmigen Brennstoffs, die vom Durchflusssensor 612 und vom Drucksensor 614 gemessen wurden, über den Eingang/Ausgang 98E in Schritt 630. Die CPU 92E ermittelt dann den Partialdruck A des Wasserdampfes im gasförmigen Brennstoff, der dem Stapel der Brennstoffzellen 20 zugeführt wurde, auf der Basis des Eingangsdrucks P des gasförmigen Brennstoffs und einer Betriebstemperatur T des Stapels der Brennstoffzellen 20 in Schritt S640. Obwohl nicht speziell erläutert, wird der Stapel der Brennstoffzellen 20 so gesteuert, daß eine im wesentlichen konstante Betriebstemperatur T, beispielsweise von 80°C, in den Polymerelektrolytbrennstoffzellen aufrechterhalten wird. Dieser Wert von 80°C wird für die Ermittlung in Schritt S640 verwendet. Gemäß einem konkreten Verfahren liest in Schritt S640 die CPU 92E den Partialdruck A des Wasserdampfes entsprechend dem Gasdruck P und der Betriebstemperatur T aus einer Karte, die vorher in einem ROM 94E gespeichert wurde. Im nachfolgenden Schritt S650 berechnet die CPU 92E die Sättigungsmenge B des Wasserdampfes im gasförmigen Brennstoff, der in den Stapel der Brennstoffzellen 20 strömt, durch Multiplizieren des Partialdrucks A des Wasserdampfes mit dem in Schritt S630 gelesenen Gasdurchsatz Q.
  • Die CPU 92E berechnet dann das Verhältnis Kohlenwasserstoff-Wasser (Wasserdampf) (hiernach als S/C-Verhältnis bezeichnet), das durch die Reformierreaktion in der Reformereinheit 32 beeinflußt wurde, auf der Basis der Regulierung der Methanol- und Wasserzufuhr zur Reformereinheit 32 gemäß einem anderen Steuerunterprogramm und die Menge W an Wasser pro Volumeneinheit aus dem S/C-Verhältnis in Schritt S660. Das Programm rückt dann zu Schritt S670 vor, um die Feuchtigkeit A zu berechnen, indem die in Schritt S660 berechnete Wassermenge W durch den in Schritt S640 erhaltenen Partialdruck A des Wasserdampfes geteilt wird. Die CPU 92E subtrahiert schließlich das Produkt aus der in Schritt S670 berechneten Feuchtigkeit H und dem in Schritt S630 erhaltenen Gasdurchsatz Q von der Sättigungsmenge B des Wasserdampfes, die in Schritt S650 erhalten wurde, um auf diese Weise die Maximalmenge Wm der Wasserzufuhr in Schritt S680 zu erhalten. Nach der Ausführung von Schritt S680 verläßt das Programm dieses Unterprogramm.
  • Die auf diese Weise erhaltene maximale zugeführte Wassermenge Wm ermöglicht eine Sättigung des gasförmigen Brennstoffs, der vom Reformer 30E dem Stapel der Brennstoffzellen 20 zugeführt wird, mit Wasser beim Druck P des gasförmigen Brennstoffs und der Betriebstemperatur T der Brennstoffzellen, d.h. die Wasserversorgung wird mit einer Feuchtigkeit von 100% sichergestellt.
  • Die elektronische Steuereinheit 90E führt ferner einen Steuervorgang zum Verringern der Konzentration des Kohlenmonoxids auf Basis eines CO-Konzentrationsreduktionsprogramms, das im Ablaufdiagramm der 24 gezeigt ist, durch. Wie das CO-Konzentrationsreduktionsprogramm der dritten Ausführungsform, das im Ablaufdiagramm der 15 gezeigt ist, wird dieses Programm in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise alle 100 msec, wiederholt durchgeführt.
  • Wenn das Programm das Unterprogramm der 24 erreicht, führt die CPU 92E der elektronischen Steuereinheit 90E zuerst das Verfahren der Schritte S690 und S692 durch, die mit den Schritten S350 und S360 des CO-Konzentrationsreduktionsprogramms der dritten Ausführungsform identisch sind, um die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr auf der Basis des Durchsatzes Qh des reformierten Gases zu ermitteln. Die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr wird dann mit der maximalen Menge Wm der Wasserzufuhr, die mit dem vorstehend erläuterten Berechnungsprogramm für die maximale Wasserzufuhr erhalten wurde, in Schritt S694 verglichen. Wenn die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr übersteigt, wird die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr in Schritt S696 auf die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr beschränkt. Wenn die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr in Schritt S694 nicht übersteigt, überspringt das Programm die Vorgehensweise von Schritt S696 und hält die Sollmenge Qw der in Schritt S692 berechneten Wasserzufuhr unverändert.
  • Das Programm rückt dann zu Schritt S698 vor, der mit Schritt S370 im CO-Konzentrationsreduktionsprogramm der dritten Ausführungsform identisch ist, um die Position des elektrisch betätigten Ventils 42 auf der Basis der Sollmenge Qw der Wasserzufuhr zu regulieren. Nach der Ausführung von Schritt S698 verläßt das Programm dieses Unterprogramm.
  • Wie vorstehend erläutert, verhindert das CO-Konzentrationsreduktionsprogramm der sechsten Ausführungsform, daß die Sollmenge Qw des der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführten Wassers die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr übersteigt und daß der Wassergehalt im gasförmigen Brennstoff beim Druck P des gasförmigen Brennstoffs und der Betriebstemperatur T der Brennstoffzellen einen übersättigten Zustand erreicht.
  • Im Brennstoffzellen-Generatorsystem 610 der sechsten Ausführungsform strömt der vom Reformer 30E abgegebene gasförmige Brennstoff nicht im übersättigten Zustand in den Stapel der Brennstoffzellen 20. Diese Konstruktion verhindert somit auf wirksame Weise, daß sich der übersättigte Wasserdampf im gasförmigen Brennstoff am flüs sigen Wasser im Stapel der Brennstoffzellen 20 sammelt und damit die Strömungsbahnen 24p des gasförmigen Brennstoffs in den Brennstoffzellen blockiert. Dieses Merkmal ermöglicht, daß der Stapel der Brennstoffzellen 20 mit hohen Batterieleistungen auf stabile und kontinuierliche Weise betrieben werden kann.
  • Das Brennstoffzellen-Generatorsystem 610 der sechsten Ausführungsform fügt die Drosselung auf die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr dem System 310 der dritten Ausführungsform hinzu. Diese Drosselung auf die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr kann jedoch auch zu den Brennstoffzellen-Generatorsystemen der anderen Ausführungsformen (der ersten, zweiten, vierten und fünften Ausführungsform) hinzugefügt werden. Bei der zweiten, vierten und fünften Ausführungsform wird die vorstehend erläuterte Vorgehensweise der Schritte S694 und S696 durchgeführt. Wenn die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr, die im CO-Konzentrationsreduktionsprogramm erhalten wurde, die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr übersteigt, wird die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr auf die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr gedrosselt. Andererseits wird bei der ersten Ausführungsform in Schritt S140 im CO-Konzentrationsreduktionsprogramm die Position des elektrisch betätigten Ventils 42 auf einen spezifischen Wert reguliert, der die tatsächliche Menge der Wasserzufuhr auf die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr drosselt.
  • Wie bei der sechsten Ausführungsform verhindern diese Konstruktionen, daß der vom Reformer abgegebene gasför mige Brennstoff in einem übersättigten Zustand in den Stapel der Brennstoffzellen 20 strömt. Hierdurch wird auf wirksame Weise verhindert, daß sich der übersättigte Wasserdampf im gasförmigen Brennstoff am flüssigen Wasser im Stapel der Brennstoffzellen 20 ansammelt und damit die Strömungsbahnen 24p des gasförmigen Brennstoffs in den Brennstoffzellen blockiert.
  • Nachfolgend wird ein anderes Brennstoffzellen-Generatorsystem 710 als siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 25 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau des Brennstoffzellen-Generatorsystems 710 der siebten Ausführungsform zeigt. Dieses Brennstoffzellen-Generatorsystem 710 der siebten Ausführungsform besitzt ein Rückdruckregulierventil 714 zum Regulieren der Öffnung einer Abführleitung 712 für gasförmigen Brennstoff, die den gasförmigen Brennstoff aus dem Stapel der Brennstoffzellen 20 zur Außenseite führt, zusätzlich zu sämtlichen Bestandteilen des Brennstoffzellen-Generatorsystems 610 der sechsten Ausführungsform. Die gleichen Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht nochmals speziell beschrieben.
  • Das Rückdruckregulierventil 714 ist elektrisch an einen Eingang/Ausgang 98F einer elektronischen Steuereinheit 90F angeschlossen. Die Position des Rückdruckregulierventils 714 wird durch von der elektronischen Steuereinheit 90F abgegebene Steuersignale reguliert.
  • Die elektronische Steuereinheit 90F des Brennstoffzellen-Generatorsystems 710 führt einen Steuervorgang zum Regulieren des Drucks des gasförmigen Brennstoffs sowie das Berechnungsprogramm für die maximale Wasserzufuhr der sechsten Ausführungsform, das im Ablaufdiagramm der 23 gezeigt ist, und das CO-Konzentrationsreduktionsprogramm der dritten Ausführungsform, das im Ablaufdiagramm der 15 gezeigt ist, durch. Die Regulierung des Drucks des gasförmigen Brennstoffs basiert auf einem Brennstoffgasdrucksteuerprogramm, das im Ablaufdiagramm der 26 gezeigt ist. Dieses Programm wird wiederholt in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise alle 100 msec, unabhängig vom CO-Konzentrationsreduktionsprogramm und Berechnungsprogramm für die maximale Wasserzufuhr durchgeführt, nachdem ein Reformer 30F in Betrieb gesetzt worden ist und einen stationären Zustand erreicht hat.
  • Wenn das Programm das Unterprogramm der 26 erreicht, liest eine CPU 92F der elektronischen Steuereinheit 90F zuerst die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr, die mit dem bei der sechsten Ausführungsform erläuterten Berechnungsprogramm für die maximale Wasserzufuhr erhalten wurde, und die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr, die bei dem in der dritten Ausführungsform erläuterten CO-Konzentrationsreduktionsprogramm erhalten wurde, in Schritt S750. Die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr wird dann mit der maximalen Menge Wm der Wasserzufuhr in Schritt S760 verglichen. Wenn die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr übersteigt, rückt das Programm zu Schritt S770 vor, um das Rückdruckregulierventil 714 um einen vorgegebenen geringen Betrag ΔV in Schließrichtung anzutreiben und auf diese Weise den Gasdruck P in der Abführleitung 712 im gasförmigen Brennstoff zu erhöhen. Nach Ausführung von Schritt S770 verläßt das Programm dieses Unterprogramm.
  • Wenn in Schritt S760 festgestellt wird, daß die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr nicht die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr übersteigt, überspringt das Programm den Schritt S770 und verlässt dieses Unterprogramm.
  • Wenn, wie vorstehend erläutert, die Sollmenge Qw des der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführten Wassers die maximale Menge Wm der Wasserzufuhr übersteigt, treibt das Brennstoffgasdrucksteuerprogramm das Rückdruckregulierventil 714 in Schließrichtung an, um allmählich den Gasdruck P in der Abführleitung 712 für den gasförmigen Brennstoff zu erhöhen. Durch den Anstieg des Drucks P des gasförmigen Brennstoffs wird die Sättigungsmenge des Wasserdampfes im gasförmigen Brennstoff erhöht. Mit dieser Konstruktion wird daher verhindert, daß der gasförmige Brennstoff in einem übersättigten Zustand in die Brennstoffzellen strömt, ohne daß die Sollmenge Qw der Wasserzufuhr, die im CO-Konzentrationsreduktionsprogramm berechnet wurde, verändert wird.
  • Wie bei der sechsten Ausführungsform verhindert das Brennstoffzellen-Generatorsystem 710 der siebten Ausführungsform auf wirksame Weise, daß sich der übersättigte Wasserdampf im gasförmigen Brennstoff am flüssigen Wasser im Stapel der Brennstoffzellen 20 ansammelt und damit die Strömungsbahnen 24p des gasförmigen Brennstoffs in den Brennstoffzellen blockiert. Hierdurch kann der Stapel der Brennstoffzellen 20 auf stabile und kontinuierliche Weise mit hohen Batterieleistungen betrieben werden. Durch die Konstruktion der siebten Ausführungsform kann Wasser mit der Sollmenge Qw, die im CO-Konzentrationsreduktionsprogramm berechnet wurde, in die Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO eingeführt werden. Mit anderen Worten, es kann eine größere Wassermenge als die erforderliche Menge in die Einheit 34 eingeführt werden.
  • Wie das Brennstoffzellen-Generatorsystem 610 der sechsten Ausführungsform findet die zusätzliche Ausführung der siebten Ausführungsform bei dem Brennstoffzellen-Generatorsystem 310 der dritten Ausführungsform Verwendung. Diese zusätzliche Ausführung kann jedoch auch bei den anderen Ausführungsformen (d.h. der ersten, zweiten, vierten und fünften Ausführungsform) Verwendung finden.
  • Nachfolgend wird noch ein anderes Brennstoffzellen-Generatorsystem 810 als achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 27 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau des Brennstoffzellen-Generatorsystems 810 der achten Ausführungsform zeigt. Dieses Brennstoffzellen-Generatorsystem 810 der achten Ausführungsform besitzt ein Rückdruckregulierventil 814 zum Regulieren der Öffnung einer Oxidationsgasabführleitung 812, die das Oxidationsgas vom Stapel der Brennstoffzellen 20 zur Außenseite führt, einen ersten Druck sensor 816, der aufstromseitig der Abführleitung 712 für den gasförmigen Brennstoff angeordnet ist, um den Druck des gasförmigen Brennstoffs zu messen, und einen zweiten Drucksensor 818, der aufstromseitig der Abführleitung 812 für das Oxidationsgas angeordnet ist, um den Druck des Oxidationsgases zu messen, zusätzlich zu sämtlichen Bestandteilen des Brennstoffzellen-Generatorsystems 710 der siebten Ausführungsform. Die gleichen Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht nochmals speziell beschrieben.
  • Das Rückdruckregulierventil 814 ist elektrisch an einen Eingang/Ausgang 98G einer elektronischen Steuereinheit 90G angeschlossen. Die Position des Rückdruckregulierventils 814 wird durch von der elektronischen Steuereinheit 90G abgegebene Steuersignale reguliert. Der erste Drucksensor 816 und der zweite Drucksensor 818 sind ebenfalls elektrisch an den Eingang/Ausgang 98G der elektronischen Steuereinheit 90G angeschlossen und geben die beobachteten Drücke an die elektronische Steuereinheit 90G ab.
  • Die elektronische Steuereinheit 90G des Brennstoffzellen-Generatorsystems 810 führt einen Steuervorgang zum Regulieren des Drucks des Oxidationsgases sowie die Programme der siebten Ausführungsform (d.h. das Berechnungsprogramm für die maximale Wasserzufuhr, das CO-Konzentrationsreduktionsprogramm und das Brennstoffgasdrucksteuerprogramm) durch. Die Regulierung des Drucks des Oxidationsgases basiert auf einem Oxidationsgasdrucksteuerprogramm, das im Ablaufdiagramm der 28 gezeigt ist. Dieses Programm wird in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise alle 100 msec, unabhängig von den anderen Programmen auf wiederholte Weise ausgeführt, nachdem ein Reformer 30G in Betrieb genommen worden ist und einen stationären Zustand erreicht hat.
  • Wenn das Programm das Unterprogramm der 28 erreicht, liest eine CPU 92G der elektronischen Steuereinheit 90G zuerst den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs und den Druck Pc des Oxidationsgases, die vom ersten und zweiten Drucksensor 816 und 818 gemessen wurden, in Schritt S850.
  • Eine Druckdifferenz ΔP wird dann durch Subtrahieren des Drucks Pc des Oxidationsgases vom Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs in Schritt S860 berechnet. Das Programm bestimmt danach in Schritt S870, ob die Druckdifferenz ΔP größer ist als 0 oder nicht, und in Schritt S880, ob die Druckdifferenz ΔP nicht größer ist als ein vorgegebener Wert α (> 0) oder nicht. Der vorgegebene Wert α hängt stark von den Eigenschaften der Elektrolytmembran, insbesondere von deren Dicke, ab und beträgt beispielsweise 0,2 [kPa]. Im Falle einer negativen Antwort in Schritt S870, d.h. wenn die Druckdifferenz ΔP nicht größer als 0 ist, rückt das Programm zu Schritt S890 vor, um die Position des Rückdruckregulierventils 814 in der Oxidationsgasabführleitung 812 um einen vorgegebenen Betrag V0 in Öffnungsrichtung zu regulieren und auf diese Weise den Druck Pc des Oxidationsgases herabzusetzen. Hierdurch wird die Druckdifferenz ΔP größer als 0.
  • Im Falle einer negativen Antwort in Schritt S880, d.h. wenn die Druckdifferenz ΔP größer ist als der vorgegebene Wert α, rückt das Programm zu Schritt S892 vor, um die Position des Rückdruckregulierventils 814 in der Oxidationsgasabführleitung 812 um den vorgegebenen Betrag V0 in Schließrichtung zu regulieren und dadurch den Druck Pc des Oxidationsgases zu erhöhen. Hierdurch wird die Druckdifferenz ΔP gleich groß wie der vorgegebene Wert α oder geringer als dieser.
  • Nach Ausführung eines der Schritte S890 und S892 oder im Falle einer bestätigenden Antwort in beiden Schritten S870 und S880, d.h. wenn die Beziehung 0 < ΔP ≤ α erfüllt ist, geht das Programm auf RÜCKKEHR und verlässt dieses Unterprogramm.
  • Wie vorstehend erläutert, reguliert das Oxidationsgasdrucksteuerprogramm die Position des Rückdruckregulierventils 814 in der Oxidationsgasabführleitung 812 und ermöglicht auf diese Weise, daß die durch Subtrahieren des Drucks Pc des Oxidationsgases vom Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs erhaltene Druckdifferenz ΔP innerhalb eines Bereiches von 0 bis zum vorgegebenen Wert α gehalten werden kann. Selbst wenn die Position des Rückdruckregulierventils 714 in der Abführleitung 712 für den gasförmigen Brennstoff in Schließrichtung reguliert wird, so daß der Druck des gasförmigen Brennstoffs im Brennstoffgasdrucksteuerprogramm der siebten Ausführungsform erhöht wird, verhindert die Konzentration der achten Ausführungsform, daß die Druckdifferenz ΔP zwischen dem Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs und dem Druck Pc des Oxidationsgases einen vorgegebenen Bereich übersteigt.
  • Das Brennstoffzellen-Generatorsystem 810 der achten Ausführungsform erzielt die gleichen Effekte wie die der siebten Ausführungsform und ermöglicht des weiteren, daß die Druckdifferenz ΔP zwischen dem Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs und dem Druck Pc des Oxidationsgases innerhalb eines vorgegebenen Bereiches gehalten wird. Dies verhindert auf wirksame Weise eine Beschädigung der Elektrolytmembranen 21 im Stapel der Brennstoffzellen 20 durch die Druckdifferenz ΔP.
  • Nachfolgend wird noch ein anderes Brennstoffzellen-Generatorsystem 910 als neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 29 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau des Brennstoffzellen-Generatorsystems 910 der neunten Ausführungsform zeigt. Dieses Brennstoffzellen-Generatorsystem 910 der neunten Ausführungsform besitzt eine elektronische Steuereinheit 920 zum Steuern der Betriebsweise des Stapels der Brennstoffzellen 20 zusätzlich zu sämtlichen Bestandteilen des Brennstoffzellen-Generatorsystems 10 der ersten Ausführungsform. Die gleichen Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden an dieser Stelle nicht nochmals speziell beschrieben.
  • Wie die elektronische Steuereinheit 90H des Reformers 30H besitzt die elektronische Steuereinheit 920 für die Funktionsweise der Brennstoffzellen eine CPU 922, einen ROM 924, einen RAM 926 und einen Eingang/Ausgang 928 zum Steuern der Funktionsweise des Stapels der Brennstoffzellen 20. Die elektronische Steuereinheit 90H ist elektrisch an die elektronische Steuereinheit 920 für die Funktionsweise der Brennstoffzellen angeschlossen und empfängt somit Informationen in bezug auf den Betriebszustand des Stapels der Brennstoffzellen 20.
  • Die elektronische Steuereinheit 90H des Reformers 30H führt zum Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzellen einen Steuervorgang sowie das CO-Konzentrationsreduktionsprogramm der im Ablaufdiagramm der 5 gezeigten ersten Ausführungsform aus. Der Steuervorgang zum Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzellen basiert auf einem Stoppzeit-Steuerprogramm, das im Ablaufdiagramm der 30 gezeigt ist. Dieses Programm wird in vorgegebenen Zeitintervallen, beispielsweise alle 100 msec, unabhängig von dem CO-Konzentrationsreduktionsprogramm auf wiederholte Weise ausgeführt, nachdem der Reformer 30H in Betrieb gesetzt worden ist und einen stationären Zustand erreicht hat.
  • Wenn das Programm das Unterprogramm der 30 erreicht, bestimmt eine CPU 92H der elektronischen Steuereinheit 90H zuerst in Schritt S950, ob ein Stoppsignal von der elektronischen Steuereinheit 920 für die Funktionsweise der Brennstoffzellen abgegeben worden ist oder nicht. Die elektronische Steuereinheit 920 für die Funktionsweise der Brennstoffzellen gibt ein Stoppsignal ab, wenn der Stapel der Brennstoffzellen 20 vom Betriebszustand in den Außerbetriebszustand übergegangen ist. Wenn in Schritt S950 bestimmt wird, daß das Stoppsignal abge geben worden ist, rückt das Programm zu Schritt S960 vor, um das elektrisch betätigte Ventil 42 im Wassereinlassrohr 40 in die vollständig geöffnete Position zu bringen. Durch diesen Vorgang kann eine große Wassermenge vom Wassereinlassrohr 40 der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführt werden, um auf diese Weise die Innentemperatur der Einheit 34 durch die Verdampfungsmenge des Wassers abrupt abzusenken.
  • Mit der Konstruktion der neunten Ausführungsform wird somit rasch die Temperatur der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zum Zeitpunkt des Stoppens des Stapels der Brennstoffzellen 20 gesenkt. Dies führt zu einem raschen Stop der Abgabe des gasförmigen Brennstoffs.
  • Das Stoppsignal kann nur im Falle eines normalen Stopps des Stapels der Brennstoffzellen 20, nur im Falle eines Notstopps des Stapels der Brennstoffzellen 20 oder in beiden Fällen abgegeben werden.
  • Obwohl bei der neunten Ausführungsform das Stoppsignal zum Zeitpunkt des Stoppens des Stapels der Brennstoffzellen 20 abgegeben wird, kann es auch zum Zeitpunkt des Stoppens des gesamten Brennstoffzellen-Generatorsystems einschließlich des Stapels der Brennstoffzellen 20 abgegeben werden. Diese Konstruktion kann auch bei einem Steuervorgang zum Regulieren des elektrisch betätigten Ventils 42 im Wassereinlassrohr 40 in die vollständig offene Position vor einem Stopp des Reformers 30 Anwendung finden.
  • Nachfolgend wird noch ein anderes Brennstoffzellen-Generatorsystem 1010 als zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 31 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau dieses Brennstoffzellen-Generatorsystems 1010 der zehnten Ausführungsform zeigt. Das Brennstoffzellen-Generatorsystem 1010 der zehnten Ausführungsform besitzt einen Kondensator 1030, der in einer Oxidationsgasabführleitung 1020 angeordnet ist, die das Oxidationsgas vom Stapel der Brennstoffzellen 20 zur Außenseite führt, und eine Wasserleitung 1040, die den Kondensator 1030 mit dem Wassertank 14 verbindet, zusätzlich zu sämtlichen Bestandteilen des Brennstoffzellen-Generatorsystems 10 der ersten Ausführungsform. Die gleichen Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden an dieser Stelle nicht nochmals speziell beschrieben.
  • Der Kondensator 1030 kondensiert den Wasserdampf zur Erzeugung von Wasser. Der an den Kathoden im Stapel der Brennstoffzellen 20 während der Energieerzeugung entwickelte Wasserdampf wird als Wasser zurückgewonnen. Der Ausgang des Kondensators 1030 ist an den Wassertank 14 angeschlossen, von dem Wasser der Reformereinheit 32 und der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO über die Wasserleitung 1040 zugeführt wird. Vom Kondensator 1030 erzeugtes Wasser wird daher dem Wassertank 14 zugeführt. Mit dieser Konstruktion können für die Pyrolyse verwendetes Wasser und der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführtes Wasser nacheinander durch die Funktionsweise des Stapels der Brennstoffzellen 20 zugeführt werden. Hierdurch wird die Größe des Wassertanks 14 re duziert und die Menge des im Wassertank 14 gespeicherten Wassers verringert. Die Abgabe des verbleibenden, an den Kathoden entwickelten Gases zur Atmosphäre erzeugt weißen Rauch. Mit dieser Konstruktion wird jedoch dieses Phänomen verhindert.
  • Im Stapel der Polymerelektrolytbrennstoffzellen wird der gasförmige Brennstoff generell angefeuchtet, um die Elektrolytmembranen anzufeuchten. Wasser wird ferner durch das Wassereinlassrohr 40 der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführt. Dies bewirkt, daß das von den Anoden im Stapel der Brennstoffzellen 20 abgegebene Gas ein großes Volumen an Wasserdampf oder Wassertropfen mit sich führt. Der Kondensator 1030 kann daher auch in einer Abführleitung 1050 für den gasförmigen Brennstoff, die den gasförmigen Brennstoff vom Stapel der Brennstoffzellen 20 zur Außenseite führt, an Stelle der Abführleitung 1020 für das Oxidationsgas oder alternativ sowohl in der Abführleitung 1020 für das Oxidationsgas als auch in der Abführleitung 1050 für den gasführenden Brennstoff angeordnet sein.
  • Nachfolgend wird noch ein anderes Brennstoffzellen-Generatorsystem 1110 als elfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 32 ist ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau des Brennstoffzellen-Generatorsystems 1110 der elften Ausführungsform zeigt. Dieses Brennstoffzellen-Generatorsystem 1110 der elften Ausführungsform besitzt einen Mechanismus 1120 zum Unterdrucksetzen des Wassers in der Mitte des Wassereinlassrohres 40 zusätzlich zu sämtlichen Bestandteilen des Brennstoffzellen-Generatorsystems 10 der ersten Ausführungsform. Die gleichen Bestandteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden an dieser Stelle nicht nochmals speziell beschrieben.
  • Der Mechanismus 1120 zum Unterdrucksetzen des Wassers besitzt einen Turbinenkompressor 1122, der in der Mitte einer Sauerstoffgasabführleitung 1112 angeordnet ist, welche das Oxidationsgas vom Stapel der Brennstoffzellen 20 zur Außenseite abführt, und eine Turbine 1124, die in der Mitte des Wassereinlassrohres 40 angeordnet und koaxial mit dem Turbinenkompressor 1122 verbunden ist. Der Mechanismus 1120 zum Unterdrucksetzen des Wassers nutzt die Energie des Abgasstromes vom Stapel der Brennstoffzellen 20 aus, um das im Wassereinlassrohr 40 strömende Wasser unter Druck zu setzen. Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nicht speziell erwähnt, sollte zum Unterdrucksetzen des Wassers eine Einrichtung zum Unterdrucksetzen, wie eine Pumpe, verwendet werden, um Wasser vom Wassereinlassrohr 40 der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zuzuführen. Wenn vom Stapel der Brennstoffzellen 20 erzeugte elektrische Energie als Energiequelle der Einrichtung zum Unterdrucksetzen verwendet wird, wird die Energieeffizienz des gesamten Brennstoffzellen-Generatorsystems in unerwünschter Weise reduziert. Bei der Konstruktion der elften Ausführungsform wird jedoch der Abgasstrom dazu eingesetzt, um das Wasser unter Druck zu setzen. Hierdurch kann Wasser der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO zugeführt werden, ohne die Energieeffizienz des gesamten Brennstoffzellen-Generatorsystems zu verringern.
  • Bei dieser Ausführungsform wird der Turbinenkompressor 1122 vom Oxidationsgas angetrieben, das von den Anoden im Stapel der Brennstoffzellen 20 abgegeben wird. Bei einer modifizierten Konstruktion kann jedoch der Antrieb des Turbinenkompressors 1122 auch durch den gasförmigen Brennstoff erfolgen, der von den Kathoden im Stapel der Brennstoffzellen 20 abgegeben wird.
  • Obwohl sämtliche der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen bei den Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEFC) Anwendung finden, ist das Prinzip der vorliegenden Erfindung auch bei anderen Brennstoffzellen-Generatorsystemen einschließlich Phosphatbrennstoffzellen (PAFC), Direkt-Methanolbrennstoffzellen (DMFC), Alkalibrennstoffzellen (AFC), Brennstoffzellen mit geschmolzenem Carbonat (MCFC) und Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) anwendbar.
  • Bei sämtlichen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen findet der Methanolreformer als Versorgungsquelle mit dem wasserstoffreichen Gas Verwendung. Das Prinzip der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch bei anderen Brennstoffzellen-Generatorsystemen in Kombination mit anderen Reformern Verwendung finden, die ein reformiertes Gas erzeugen, das Wasserstoff als Primärkomponente enthält. Erhältliche Reformer benutzen Alkohole, wie Methanol und Ethanol, Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Propan und Butan, und flüssige Brennstoffe, wie Benzin und Leichtöl, als reformierende Materialien.
  • Bei sämtlichen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich bei dem Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgas um Luft. Das Prinzip der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch bei reinem Sauerstoff Verwendung finden.
  • Die Konstruktion der vorliegenden Erfindung ermöglicht, daß sämtliche Katalysatoren, die in einer Kühlschicht gepackt sind, in einem aktiven Temperaturbereich gehalten werden können, so daß auf diese Weise die Konzentration von in einem wasserstoffreichen Gas enthaltenem Kohlenmonoxid ausreichend reduziert werden kann. Wasser wird durch ein Wassereinlassrohr 40 einer Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO eines Reformers 30 zugeführt. Die Verdampfungswärme des zugeführten Wassers kühlt die in der Einheit 34 zum selektiven Oxidieren von CO gespeicherten Katalysatoren 50 zum selektiven Oxidieren von CO direkt herunter. Hierdurch wird die Kühleffizienz erhöht, und sämtliche Katalysatoren 50 zum selektiven Oxidieren von CO, die in der Einheit 34 gespeichert sind, können im aktiven Temperaturbereich gehalten werden, so daß auf diese Weise die Konzentration des im entstandenen gasförmigen Brennstoff enthaltnen Kohlenmonoxides ausreichend reduziert werden kann.

Claims (24)

  1. Vorrichtung zum Reduzieren der Konzentration von in einem wasserstoffreichen Gas, das sowohl Wasserstoff als auch Kohlenmonoxid enthält, enthaltenem Kohlenmonoxid, die die folgenden Bestandteile umfasst: Oxidationsgaseinführeinrichtungen zum Einführen eines Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases in das wasserstoffreiche Gas; eine Oxidationseinheit mit einem Katalysator, der ermöglicht, dass der im Oxidationsgas enthaltene Sauerstoff an das im wasserstoffreichen Gas enthaltene Kohlenmonoxid vorzugsweise über im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Wasserstoff gebunden wird; und Wasserzuführeinrichtungen zum Zuführen von Wasser zur Oxidationseinheit.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Wasserzuführeinrichtungen eine Vielzahl von Wasserzuführleitungen aufweisen, die es ermöglichen, Wasser der Oxidationseinheit über unterschiedliche Wege zuzuführen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Katalysator in der Oxidationseinheit in eine Vielzahl von Gruppen von Katalysatoren mit einer vorgegebenen Form unterteilt ist, wobei die Vielzahl der Gruppen von Katalysatoren in Strömungsrichtung des wasserstoffreichen Gases angeordnet ist und die Vielzahl der Wasserzuführleitungen so angeordnet ist, dass Wasser der Vielzahl der Gruppen von Katalysatoren zugeführt werden kann.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, die des weiteren umfasst: Temperaturdetektionseinrichtungen zum Messen der Temperatur der Oxidationseinheit; und Steuereinrichtungen zum Regulieren der Menge des von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassers, um auf diese Weise die Temperatur der Oxidationseinheit innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu halten.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, die des weiteren umfasst: Kohlenmonoxidkonzentrationsdetektionseinrichtungen zum Messen der Konzentration von im wasserstoffreichen Gas enthaltenem Kohlenmonoxid; Oxidationsgaszuführsteuereinrichtungen zum Regulieren der Menge des von den Oxidationsgaseinführeinrichtungen zugeführten Oxidationsgases in Abhängigkeit von der Konzentration des Kohlenmonoxides; und Wasserzuführsteuereinrichtungen zum Regulieren der von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassermenge in Abhängigkeit von der Menge des zugeführten Oxidationsgases.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Wasserzuführsteuereinrichtungen umfassen: Wasserzuführberechnungseinrichtungen zum Spezifizieren der von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassermenge, um ein vorgegebenes Verhältnis zur Menge des zugeführten Oxidationsgases aufrechtzuerhalten.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, die des weiteren umfasst: Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen zum Detektieren des Fortschrittes einer Oxidationsreaktion in der Oxidationseinheit; und Steuereinrichtungen zum Regulieren der von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassermenge in Abhängigkeit vom Fortschritt der Oxidationsreaktion.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen Einrichtungen zum Messen der Temperatur der Oxidationseinheit umfassen, wobei die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen den Fortschritt der Oxidationsreaktion auf der Basis der Temperatur der Oxidationseinheit detektieren.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen Einrichtungen zum Messen des Durchsatzes des wasserstoffreichen Gases umfassen, wobei die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen den Fortschritt der Oxidationsreaktion auf der Basis des Durchsatzes des wasserstoffreichen Gases detektieren.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen Einrichtungen zum Messen der Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides umfassen, wobei die Oxidationsreaktionsdetektionseinrichtungen den Fortschritt der Oxidationsreaktion auf der Basis der Konzentration von Kohlenmonoxid detektieren.
  11. Brennstoffzellen-Generatorsystem mit: einer Reformereinheit zum Überführen eines Rohbrennstoffes, der einen Kohlenwasserstoff als Primärkomponente enthält, in ein reformiertes Wasserstoff enthaltendes Gas; Oxidationsgaseinführeinrichtungen zum Einführen eines Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases in das reformierte Gas; eine Oxidationseinheit mit einem Katalysator, der ermöglicht, dass im Oxidationsgas enthaltener Sauerstoff an im reformierten Gas enthaltenes Kohlenmonoxid vorzugsweise über im reformierten Gas enthaltenen Wasserstoff gebunden wird; Wasserzuführeinrichtungen zum Zuführen von Wasser in die Oxidationseinheit; und eine Brennstoffzelle zum Empfangen des von der Oxidationseinheit abgegebenen reformierten Gases und zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft über eine elektrochemische Reaktion des reformierten Gases.
  12. Brennstoffzellen-Generatorsystem nach Anspruch 11, das des weiteren umfasst: Wassergehaltdetektionseinrichtungen zum Detektieren des Wassergehaltes einer Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle; und Steuereinrichtungen zum Regulieren der von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassermenge in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Elektrolytmembran.
  13. Brennstoffzellen-Generatorsystem nach Anspruch 12, bei dem die Wassergehaltdetektionseinrichtungen Einrichtungen zum Messen des elektrischen Widerstandes zwischen Elektroden in der Brennstoffzelle umfassen, wobei die Wassergehaltdetektionseinrichtungen den Wassergehalt der Elektrolytmembran auf der Basis des elektrischen Widerstandes detektieren.
  14. Brennstoffzellen-Generatorsystem nach Anspruch 11, das des weiteren umfasst: Einrichtungen zum Berechnen der Sättigungsmenge an im reformierten Gas, das von der Reformereinheit abgeben wird und in die Brennstoffzelle strömt, enthaltenem Wasserdampf; und Steuereinrichtungen zum Regulieren der Menge des von den Wasserzuführeinrichtungen zugeführten Wassers in Abhängigkeit von der Sättigungsmenge des Wasserdampfes, um eine Übersättigung des reformier ten Gases in der Brennstoffzelle mit Feuchtigkeit zu verhindern.
  15. Brennstoffzellen-Generatorsystem nach Anspruch 11, das des weiteren umfasst: Einrichtungen zum Regulieren des Drucks des der Brennstoffzelle zugeführten reformierten Gases; Einrichtungen zum Berechnen der Sättigungsmenge an im reformierten Gas, das von der Reformereinheit abgeben wird und in die Brennstoffzelle strömt, enthaltenem Wasserdampf; und Steuereinrichtungen zum Steuern der Einrichtungen zum Regulieren des Drucks des reformierten Gases in Abhängigkeit von der Sättigungsmenge an Wasserdampf, um eine Übersättigung des reformierten Gases in der Brennstoffzelle mit Feuchtigkeit zu verhindern.
  16. Brennstoffzellen-Generatorsystem nach Anspruch 15, das des weiteren umfasst: Oxidationsgaszuführeinrichtungen zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases zu einer in der Brennstoffzelle enthaltenen Sauerstoffelektrode; Oxidationsgasdruckreguliereinrichtungen zum Regulieren des Drucks des Oxidationsgases; und Steuereinrichtungen zum Steuern der Druckreguliereinrichtungen des reformierten Gases und der Druckreguliereinrichtungen des Oxidationsgases, um die Druckdifferenz zwischen dem reformierten Gas und dem Oxidationsgas innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu halten.
  17. Brennstoffzellen-Generatorsystem nach Anspruch 11, das des weiteren Stoppzeit-Steuereinrichtungen zum Betätigen der Wasserzuführeinrichtungen zur Zuführung von Wasser zur Oxidationseinheit zum Zeitpunkt des Stoppens des Betriebes der Oxidationseinheit umfasst.
  18. Brennstoffzellen-Generatorsystem nach Anspruch 17, bei dem die Stoppzeit-Steuereinrichtungen umfassen: Stoppzeit-Detektionseinrichtungen zum Detektieren des Zeitpunktes der Änderung von einem Betriebszustand in einen Außerbetriebszustand der Brennstoffzelle; und Steuereinrichtungen zum Betätigen der Wasserzuführeinrichtungen zur Zuführung von Wasser zur Oxidationseinheit zum Zeitpunkt der Änderung zum Außerbetriebszustand.
  19. Brennstoffzellen-Generatorsystem nach Anspruch 11, das des weiteren umfasst: Wasserrückgewinnungseinrichtungen zum Kondensieren der von der Brennstoffzelle durch die elektrochemische Reaktion entwickelten Feuchtigkeit und auf diese Weise zum Rückgewinnen der Feuchtigkeit in Form von flüssigem Wasser; und Wassernutzungseinrichtungen zum Nutzen des von den Wasserrückgewinnungseinrichtungen rückgewonnenen Wassers in den Wasserzuführeinrichtungen.
  20. Brennstoffzellen-Generatorsystem nach Anspruch 11, bei dem die Wasserzuführeinrichtungen Einrichtungen zum Unterdrucksetzen des Wassers und zum Zuführen des unter Druck gesetzten Wassers zur Oxidationseinheit durch Ausnutzen eines Abgasstromes von der Brennstoffzelle umfassen.
  21. Verfahren zum Reduzieren der Konzentration von in einem wasserstoffreichen Gas, das sowohl Wasserstoff als auch Kohlenmonoxid enthält, enthaltenem Kohlenmonoxid mit den folgenden Schritten: (a) Einführen eines Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases in das wasserstoffreiche Gas; (b) Aktivieren eines Katalysators, um im Oxidationsgas enthaltenen Sauerstoff an im wasserstoffreichen Gas enthaltenes Kohlenmonoxid vorzugsweise über im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Wasserstoff zu binden; und (c) Zuführen von Wasser zum Katalysator.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, das des weiteren die folgenden Schritte umfasst: (d) Messen der Temperatur des Katalysators; und (e) Regulieren der Menge des in Schritt (c) zugeführten Wassers, um auf diese Weise die Temperatur des Katalysators innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu halten.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, das des weiteren die folgenden Schritte umfasst: (f) Messen der Konzentration des im wasserstoffreichen Gas enthaltenen Kohlenmonoxides; (g) Regulieren der Menge des in Schritt (a) zugeführten Oxidationsgases in Abhängigkeit von der Konzentration des Kohlenmonoxides; und (h) Regulieren der Menge des in Schritt (c) zugeführten Wassers in Abhängigkeit von der regulierten Menge des zugeführten Oxidationsgases.
  24. Verfahren nach Anspruch 21, das des weiteren die folgenden Schritte umfasst: (i) Detektieren des Fortschrittes einer vom Katalysator beschleunigten Oxidationsreaktion; und (j) Regulieren der Menge des in Schritt (c) zugeführten Wassers in Abhängigkeit vom Fortschritt der Oxidationsreaktion.
DE69732993T 1996-09-27 1997-09-25 Vorrichtung und Verfahren zur Verminderung der Kohlenstoffmonoxydkonzentration und Brennstoffzellen enthaltendes Generatorsystem mit solcher Vorrichtung Expired - Lifetime DE69732993T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP27744496 1996-09-27
JP27744496A JP3870455B2 (ja) 1996-09-27 1996-09-27 一酸化炭素濃度低減装置およびその方法並びに燃料電池発電装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69732993D1 DE69732993D1 (de) 2005-05-19
DE69732993T2 true DE69732993T2 (de) 2006-02-16

Family

ID=17583667

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE69732993T Expired - Lifetime DE69732993T2 (de) 1996-09-27 1997-09-25 Vorrichtung und Verfahren zur Verminderung der Kohlenstoffmonoxydkonzentration und Brennstoffzellen enthaltendes Generatorsystem mit solcher Vorrichtung

Country Status (4)

Country Link
US (1) US6120925A (de)
EP (1) EP0834948B1 (de)
JP (1) JP3870455B2 (de)
DE (1) DE69732993T2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112008002872B4 (de) 2007-10-25 2018-05-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems

Families Citing this family (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9720353D0 (en) * 1997-09-25 1997-11-26 Johnson Matthey Plc Hydrogen purification
DE19822691A1 (de) * 1998-05-20 1999-11-25 Volkswagen Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie mittels eines Brennstoffzellensystems
JP2000036308A (ja) * 1998-07-16 2000-02-02 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
DE19832389C2 (de) * 1998-07-18 2003-04-24 Ballard Power Systems Brennstoffzellensystem
KR100320767B1 (ko) 1998-07-29 2002-01-18 모리시타 요이찌 수소정제장치
JP4192301B2 (ja) 1998-08-03 2008-12-10 トヨタ自動車株式会社 改質器の制御装置
US6162558A (en) * 1998-09-16 2000-12-19 General Motors Corporation Method and apparatus for selective removal of carbon monoxide
US6332901B1 (en) 1998-10-12 2001-12-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Carbon monoxide reducing device for reducing carbon monoxide in a reformate gas
JP4962462B2 (ja) * 1998-10-12 2012-06-27 トヨタ自動車株式会社 一酸化炭素除去装置
DE19847211C1 (de) * 1998-10-13 2000-05-18 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Reformer/CO-Oxidationseinheit
DE19852844C2 (de) * 1998-11-10 2003-12-11 P21 Power For The 21St Century Anordnung zum Erzeugen von elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle und einer Brennstoffquelle für den für die Brennstoffzelle erforderlichen Brennstoff
US6475454B1 (en) * 1999-01-14 2002-11-05 Ge Energy & Environmental Research Corporation Thermally limited selective oxidation methods and apparatus
US6140266A (en) * 1999-02-18 2000-10-31 International Fuel Cells, Co., Llc Compact and light weight catalyst bed for use in a fuel cell power plant and method for forming the same
DE60010555T2 (de) * 1999-03-15 2005-05-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma Wasserstoffgenerator
DE19918997C2 (de) * 1999-04-27 2001-06-07 Xcellsis Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Wasserdampfreformierung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methanol, sowie entsprechende Anlage
DE19930872A1 (de) * 1999-07-05 2001-01-18 Siemens Ag Brennstoffzellenanlage mit integrierter Gasreinigung und Verfahren zur Reinigung des Reformergases
JP4356198B2 (ja) * 2000-06-14 2009-11-04 トヨタ自動車株式会社 燃料改質装置
US6455182B1 (en) * 2001-05-09 2002-09-24 Utc Fuel Cells, Llc Shift converter having an improved catalyst composition, and method for its use
JP4434525B2 (ja) * 2001-07-27 2010-03-17 本田技研工業株式会社 燃料電池の異常検出方法
US6815682B2 (en) * 2001-12-28 2004-11-09 E. I. Du Pont De Nemours And Company Infrared sensing of concentration of methanol's aqueous solution
WO2003070854A1 (en) * 2002-02-19 2003-08-28 Honeywell International Inc. Heat transfer compositions with high electrical resistance for fuel cell assemblies
US7267899B2 (en) * 2002-03-08 2007-09-11 Van Zee John W Method and system for improving the performance of a fuel cell
US7396605B2 (en) * 2002-03-08 2008-07-08 Van Zee John W Method and system for improving the performance of a fuel cell
US20030186805A1 (en) * 2002-03-28 2003-10-02 Vanderspurt Thomas Henry Ceria-based mixed-metal oxide structure, including method of making and use
US6864000B2 (en) 2002-06-28 2005-03-08 Utc Fuel Cells, Llc Shutdown procedure to improve startup at sub-freezing temperatures
JP5411901B2 (ja) * 2003-03-18 2014-02-12 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
US6932848B2 (en) * 2003-03-28 2005-08-23 Utc Fuel Cells, Llc High performance fuel processing system for fuel cell power plant
JP4606038B2 (ja) * 2004-02-18 2011-01-05 パナソニック株式会社 高分子電解質型燃料電池及びその運転方法
JP4923426B2 (ja) * 2005-03-25 2012-04-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US20090202882A1 (en) * 2006-04-04 2009-08-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell system including the same
JP2007302533A (ja) * 2006-05-12 2007-11-22 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料改質装置、燃料電池システム及びｃｏの除去方法
KR100786870B1 (ko) * 2006-08-23 2007-12-20 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 개질기용 일산화탄소 산화 촉매 및그를 포함하는 연료 전지 시스템
JP5154887B2 (ja) * 2007-10-19 2013-02-27 行政院原子能委員會核能研究所 バーミキュライト（Ｅｘｐａｎｄｅｄｖｅｒｍｉｃｕｌｉｔｅ）を担体に用いた一酸化炭素選択酸化触媒
JP2008243829A (ja) * 2008-06-23 2008-10-09 Toyota Motor Corp 燃料電池システムの運転方法
JP5459223B2 (ja) * 2008-12-26 2014-04-02 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
WO2010073381A1 (ja) * 2008-12-26 2010-07-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
WO2010073383A1 (ja) 2008-12-26 2010-07-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
EP2383826B1 (de) 2008-12-26 2018-05-30 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Einrichtung zur schätzung des wassergehalts einer brennstoffzelle und brennstoffzellensystem
JP2009140937A (ja) * 2009-02-13 2009-06-25 Equos Research Co Ltd 燃料電池スタック
WO2010135632A2 (en) * 2009-05-22 2010-11-25 Battelle Memorial Institute Integrated fuel processor and fuel cell system control method
KR102328007B1 (ko) * 2015-04-17 2021-11-17 주식회사 미코파워 수증기 발생 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
JP6836210B2 (ja) 2018-12-26 2021-02-24 株式会社デンソー 車両用熱マネジメントシステム、熱輸送媒体、および車両走行用の電池の冷却方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6041771A (ja) * 1983-08-17 1985-03-05 Hitachi Ltd 燃料電池装置
JPH02188405A (ja) * 1989-01-13 1990-07-24 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池の水冷式一酸化炭素転化反応器
JPH05201702A (ja) * 1991-06-03 1993-08-10 General Motors Corp <Gm> 一酸化炭素の選択的除去法およびその装置
US5271916A (en) * 1991-07-08 1993-12-21 General Motors Corporation Device for staged carbon monoxide oxidation
US6010675A (en) * 1992-03-19 2000-01-04 International Fuel Cells Corp. Method of and apparatus for removing carbon monoxide from gaseous media
US5432021A (en) * 1992-10-09 1995-07-11 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for oxidizing carbon monoxide in the reactant stream of an electrochemical fuel cell
JPH07196302A (ja) * 1993-12-28 1995-08-01 Aqueous Res:Kk 一酸化炭素除去装置
JPH07185303A (ja) * 1993-12-28 1995-07-25 Aqueous Res:Kk 一酸化炭素除去装置
JPH08106914A (ja) * 1994-09-30 1996-04-23 Aisin Aw Co Ltd 燃料電池発電装置
JPH0930802A (ja) * 1995-05-15 1997-02-04 Toyota Motor Corp 一酸化炭素濃度低減装置及びメタノール濃度低減装置並びに燃料改質装置
DE19544895C1 (de) * 1995-12-01 1997-02-27 Daimler Benz Ag Verfahren und Vorrichtung zur selektiven katalytischen Oxidation von Kohlenmonoxid

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112008002872B4 (de) 2007-10-25 2018-05-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems

Also Published As

Publication number Publication date
US6120925A (en) 2000-09-19
EP0834948A2 (de) 1998-04-08
JP3870455B2 (ja) 2007-01-17
JPH10101303A (ja) 1998-04-21
EP0834948A3 (de) 2004-02-04
DE69732993D1 (de) 2005-05-19
EP0834948B1 (de) 2005-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69732993T2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Verminderung der Kohlenstoffmonoxydkonzentration und Brennstoffzellen enthaltendes Generatorsystem mit solcher Vorrichtung
DE69526481T2 (de) Brennstoffzellengenerator mit Kontroll- und Messystem für den Kohlenmonoxidgehalt im Brennstoffgas
DE69708422T2 (de) Brennstoffzellengenerator mit Kontrollsystem und Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität mit Hilfe von Brennstoffzellen
DE69617093T2 (de) Vorrichtung zur Verminderung der Kohlenstoffmonoxydkonzentration, Vorrichtung zur Verminderung der Methanolkonzentration, und diese Vorrichtungen verwendende Brennstoffreformierungsanlage
DE69520082T2 (de) Brennstoffzellengenerator und dessen Betriebsverfahren
DE10048183B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines wasserstoffhaltigen Gasstromes
US6290913B1 (en) Apparatus for reducing concentration of carbon monoxide
DE60031982T2 (de) Verfahren und vorrichtung zum betrieb einer elektrochemischen brennstoffzelle mit periodischer reaktantunterbrechung
DE69905166T2 (de) Vorrichtung und verfahren zur regelung der wasserbilanz während des betriebs einer brennstoffzelle
DE69819846T2 (de) Verfahren zur Überwachung der CO-Gehalte in der Wasserstoffversorgung einer Polymerbrennstoffzelle
DE19823499A1 (de) Wasserstofferzeugungsvorrichtung und Verfahren, das ohne Dampfversorgung arbeitet und für Brennstoffzellensysteme geeignet ist
DE69938380T2 (de) Steuerungsgerät für Brennstoffzelle und Verfahren zur Steuerung einer Brenstoffzelle unter Verwendung eines solchen Steuerungsgeräts
DE19825772A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln von Brennstoff und Brennstoffzellensystem mit einer darin vorgesehenen Brennstoffwandlungsvorrichtung
DE19814106A1 (de) Festelektrolyte ebenso wie Brennstoffzellen, Wasserstoffpumpen, Sauerstoffkonzentrationssensoren und Dampfkonzentrationssensoren, die die Festelektrolyte verwenden
DE19807878C2 (de) Brennstoffzellensystem
DE112004000580T5 (de) Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einer Brennstoffkonzentrationssensorzelle
DE10392589B4 (de) Lambda-Erfassung mit einem Brennstoffzellenstapel, Verfahren dafür und Brennstoffzellenanordnung
DE10001167B4 (de) Kraftstoffreformer und Kraftstoffreformierverfahren
DE10297048B4 (de) Übertragungsvorrichtung für Wasserdampf für einen Reformer einer Brennstoffzelle
DE10105248A1 (de) Regelvorrichtung und -verfahren zur wirksamen Erwärmung eines Brennstoffprozessors in einem Brennstoffzellensystem
DE19908099A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102004015563A1 (de) Vorheizen von Brennstoffzellenstapeln
EP1427046B1 (de) Brennstoffzelle mit Regulierung des Wassergehalts der Reaktanden
DE102020119137A1 (de) Verfahren für die modellbasierte Feuchteregelung einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug
WO1998050975A1 (de) Integraler pem-brennstoffzellen-heizungsmodul und dessen verwendung sowie pem-brennstoffzellenstapel

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition