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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Reformer bzw. eine Reformieranlage und ein Verfahren
zum Steuern einer Reaktion, welche in einem Reformer zum Reformieren
von Kohlenwasserstoff auftritt und Treibstoff in eine gewünschte Art
von Treibstoff mit einer hohen Konzentration an Wasserstoff reformiert.
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Ein Reformer, der entworfen ist,
um eine Dampfmischung aus Methanol und Wasser in Reformat- Gas zu
reformieren, das hauptsächlich
aus Wasserstoff zusammengesetzt ist, ist bekannt. Im Prinzip reagiert
gemäß einer
Reformierungsreaktion, die in dem Reformer auftritt, Methanol mit
Wasserdampf, um so Wasserstoffgas herzustellen. Mit anderen Worten,
eine Wasserdampfreformierungsreaktion tritt in dem Reformer auf.
Dies ist eine endothermer Reaktion, wie aus Gleichung (1), die nachstehend
gezeigt wird, verstanden werden kann. CH3OH + HO2 → 2 H2 + CO2 – 49,5 kJ/mol (1)
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Ferner ist die Aktivierungstemperatur
eines Reformierungskatalysators relativ hoch (über 300°C). Um daher die vorstehend
erwähnte
Reformierungsreaktion fortzusetzen, ist es notwendig, eine entsprechende
Menge an Reaktionswärme
zuzuführen.
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Andererseits gibt es beispielsweise
bei einer Reformierungsreaktion von Methanol eine partielle Oxidationsreformierungsreaktion,
in der Wasserstoff durch eine Oxidationsreaktion hergestellt wird.
Dies ist eine exotherme Reaktion, wie aus der nachstehend gezeigten
Gleichung (2) gezeigt werden kann. CH3OH + ½ O2 → 2
H2 + CO2 + 189,6
kJ/mol (2)
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Die durch die vorstehenden Formeln
(1) und (2) dargestellten Reaktionen können gleichzeitig voranschreiten.
Zum Beispiel ist ein Treibstoffzellensystem eines Typs bekannt,
der mit partieller Oxidation kombatibel ist, wobei die in der partiellen
Oxidationsreaktion erzeugte Wärme
für die
Wärme kompensiert,
die in der Wasserdampfreformierungsreaktion absorbiert wird (japanische
Patentveröffentlichung Nr.
HEI 7-57756).
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Wie aus den Gleichungen (1) und (2)
ersichtlich ist, unterscheidet sich die Menge an Wärme, die in
der Wasserdampfreformierungsreaktion absorbiert wird, erheblich
von der in der partiellen Oxidationsreaktion erzeugten Wärme. Folglich
wird, vorausgesetzt, dass diese Reaktionen gleichzeitig für Methanol
von 1 Mol auftreten, eine große
Menge an Wärme erzeugt
und der Katalysator erreicht eine exzessiv hohe Temperatur, so dass
der Katalysator sich in der Aktivität oder Haltbarkeit verschlechtern
kann. Wenn die partielle Oxidationsreformierungsreaktion (Gleichung
(2)) umgekehrt abebbt, fällt
die Temperatur des Reformierungskatalysators ab, so dass eine unerwünscht große Menge
an Methanol verbleibt und eine unerwünscht große Menge an Kohlenmonoxidgas
hergestellt wird.
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Das heisst, sogar, wenn die Wasserdampfreformierungsreaktion
gleichzeitig mit der partiellen Oxidationsreformierungsreaktion
voranschreitet, kann das Voranschreiten der Wasserdampfreformierungsreaktion
abhängig
vom Grad des Voranschreitens der partiellen Oxidationsreformierungsreaktion entgegenwirkend
beeinflusst werden. Aus diesem Grund muss der Reformer eines Typs,
der mit der partiellen Oxidation kompatibel ist, in geeigneter Weise
die partielle Oxidationsreaktion steuern. Jedoch steuert das vorstehend
beschriebene bekannte Gerät
die partielle Oxidationsreaktion nicht. Daher hat das bekannte Gerät Schwierigkeiten,
den Reformierteil bei einer konstanten Temperatur zu halten, die
für die
Reformierungsreaktion benötigt
wird. Insbesondere, wenn die Menge des Reformat-Treibstoffs in Reaktion
auf Befüllungsfluktuationen
in einem Energieumwandler, wie etwa eine Brennstoffzelle, welche Reformat-Treibstoff
konsumiert, fluktuiert, kann die Temperatur des Reformierteils,
wie etwa des Reformierungskatalysators, instabil werden. Folglich
verschlechtert sich das Reformat-Gas in der Qualität.
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Als nächstes wird auf Druckschriften
EP 0743694 A und
EP 0834948 A Bezug
genommen, welche einen Reformer offenbaren, der eine selektive CO
Oxidierungseinheit und einen Temperaturmessfühler zum Abtasten der Temperatur
der Oxidierungseinheit besitzt. Die Abtastsignale aus dem Temperaturmessfühler werden
jeweils zum Steuern des Zirkulation eines Kühlmediums oder zum Steuern
einer Zuführung
von Wasser in die Oxidierungseinheit verwendet, um den in der Oxidierungseinheit
gelagerten Katalysator in dem aktiven Temperaturbereich zu halten.
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Abgesehen davon, offenbart Druckschrift
US 4,822,521 eine integrierte
Reformierungseinheit, die im wesentlichen autothermische Reformierungsbetriebe
ermöglicht,
um in einer primären
Dampfreformierungszone ausgeführt
zu werden, und eine sekundäre
Oxidationsreformierungszone der Reformierungseinheit, so dass auf
die Verwendung eines externen treibstoffbetriebenden primären Reformers verzichtet
werden kann. Die exotherme Wärme
der Reaktion, die in einem katalysatorfreien Reaktionsraum an dem
Zuführungsende
eines Katalysatorbettes in der zweiten Reformierungszone erzeugt
wird, führt
die notwendige Wärme
für die
endotherme Reformierungsreaktion zu, die in dem Katalysatorbett der
sekundären
Reformierungszone auftritt, und der noch heiße sekundäre Produktausfluss, der die
sekundäre
Reformierungszone verlässt,
wird durch die primäre
Reformierungszone geleitet, um die endotherme Wärme der Reaktion zuzuführen, die
in der primären
Reformierungszone benötigt
wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Reformer bereitzustellen, der sowohl eine Reformierungsreaktion
als auch eine partielle Oxidierungsreformierungsreaktion verwendet,
und der bei einer Temperatur gehalten werden kann, die für die Reformierungsreaktion
benötigt
wird, genau so wie ein Verfahren zum Steuern eines derartigen Reformers.
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Die vorstehende Aufgabe wird durch
Kombination der Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und
6 gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
offenbaren ferner vorteilhafte Ausführuhgsformen der Erfindung.
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Um die vorstehend angegebene Aufgabe
zu lösen,
hat die vorliegende Erfindung die Aufmerksamkeit auf die Tatsache
gerichtet, dass der dem Reformierteil zugeführte Sauerstoff die partielle
Oxidationsreaktion eingeht. Die Menge an Sauerstoff, die zugeführt wird,
kann basierend auf entweder einer benötigten Menge an Reformat-Treibstoff, der zu
der exothermen Reformierungsreaktion (der Wasserdampfreformierungsreaktion)
beiträgt,
oder einer benötigten
Menge an Reformat-Treibstoff, der zu der partiellen Oxidationsreaktion
beträgt,
bestimmt werden. In der vorliegenden Erfindung wird die Menge an Sauerstoff,
die zugeführt
wird, basierend auf einer Menge an Reformat-Treibstoff, der zu der
partiellen Oxidationsreaktion beiträgt, bestimmt, welche Menge basierend
auf einem Verhältnis
zwischen einem theoretischen endothermen Wert in der endothermen Reformierungsreaktion
und einem theoretischen exothermen Wert in der partiellen Oxidationsreaktion bestimmt
wird.
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Das heisst, gemäß dem Aspekt der vorliegenden
Erfindung, der in Anspruch 1 definiert ist, werden der endotherme
Wert und der exotherme Wert miteinander in der Reformierungsreaktion
ausbalanciert, so dass der Teil des Reformers, in dem die Reformierungsreaktion
auftritt, bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden kann.
Folglich schreitet die Reformierungsreaktion in günstiger
Weise voran, und es kann Treibstoff mit hoher Qualität erhalten
werden.
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Zusätzlich zu den Merkmalen des
vorstehenden Aspekts bestimmt die Steuerungsvorrichtung eine Zeitdauer
von der Zuführung
des Rohmaterials bis zum Auftreten der Reformierungsreaktion, und der
partiellen Oxidationsreaktion, und stellt die vorbestimmte Menge
an Zuführung
von Sauerstoff basierend auf der Zeitdauer ein.
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Folglich wird, sogar bei einer Fluktuation
der Zuführungsmenge
des Rohmaterials die Zuführungsmenge
an Sauerstoff gemäß einer
zeitlichen Verzögerung
einer Fluktuation der Reformierungsreaktion korrigiert, die aus
der Fluktuation der Zuführungsmenge
des Rohmaterials resultiert. Daher kann der Teil des Reformers,
in der die Reformierungsreaktion auftritt, bei der vorbestimmten
Temperatur mit höherer
Genauigkeit gehalten werden.
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Ferner kann zusätzlich zu den Merkmalen des
vorstehenden Aspektes das Steuergerät eine Temperaturabtastvorrichtung
zum Abtasten einer Temperatur eines Teils des Reformers einschließen, wo
die Reformierungsreaktion und die partielle Oxidationsreaktion auftreten,
und die Steuerungsvorrichtung kann die vorbestimmte Menge an Zuführung von
Sauerstoff basierend auf der abgetasteten Temperatur einstellen.
Auf diese Weise kann der Teil des Reformers, wo die Reformierungsreaktion
auftritt, bei der vorbestimmten Temperatur mit noch höherer Genauigkeit
gehalten werden. Folglich wird die Reformierungsreaktion stabilisiert
und Treibstoff mit hoher Qualität
kann erhalten werden. Ferner kann zusätzlich zu den Merkmalen des
vorstehenden Aspektes die Steuerungsvorrichtung eine Zustandsmenge
von Sauerstoff, die für
die partielle Oxidationsreaktion zugeführt wird, abschätzen, und
die vorbestimmte Menge an Zuführung
von Sauerstoff basierend auf der abgeschätzten Zustandsmenge von Sauerstoff
einstellen.
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Gemäß der vorstehenden Ausführungsform wird
die Zustandsmenge, wie etwa ein Einspeisungsdruck von Sauerstoff,
beim Zuführen
von Sauerstoff abgeschätzt,
und die Menge der Zuführung
von Sauerstoff wird basierend auf der abgeschätzten Zustandsmenge korrigiert.
Folglich kann die Menge an Zuführung
von Sauerstoff genau gesteuert werden. Folglich wird die Reformierungsreaktion
stabilisiert und es kann Treibstoff mit hoher Qualität erhalten werden.
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Diese Zusammenfassung der Erfindung
beschreibt nicht notwendigerweise alle Merkmale, so dass die Erfindung
auch auf einer Sub-Kombination von diesen beschriebenen Merkmalen
beruhen kann.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die vorgehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen
ersichtlich werden, wobei:
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1 ein
Flussdiagramm ist, das eine exemplarische Ausführungsform eines Steuerungsverfahrens
veranschaulicht, das in dem Reformer der vorliegenden Erfindung
durchgeführt
wird;
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2 eine
schematische Ansicht ist, die ein System zeigt, das einen Reformer
einschließt,
der mit einer Brennstoffzelle verbunden ist;
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3 eine
schematische Ansicht ist, die einen Reformierteil des Reformers
zeigt;
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3B das
Temperaturprofil durch die katalytische Schicht von 3A zeigt;
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4 ein
Plan zum Bestimmen eines Koeffizienten zum Einstellen einer Menge
an Zuführung von
partieller Oxidationsluft basierend auf einer Temperatur ist; und
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5 ein
Plan ist, der einen Zusammenhang zwischen der Menge an Zuführung von
partieller Oxidationsluft und dem Kommandowert für eine Luftpumpe zeigt, wobei
ein Druck als ein Parameter verwendet wird.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine exemplarische Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen
erläutert
werden.
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2 veranschaulicht
schematisch ein System, in dem ein Reformer, der Reformat- Treibstoff verwendet,
verwendet wird, und in dem Reformat- Gas, das in dem Reformer erzeugt
wird, zum Umwandeln von Energie in einer Energie- Umwandlungsvorrichtung
verwendet wird. Ein Reformer 2 reformiert Reformat- Treibstoff,
welches die Mischung aus Methanol und Wasser ist, in Reformat- Gas,
das im wesentlichen Wasserstoff und Kohlendioxid umfasst. Der Reformer 2 ist
an eine Anode 15 seitlich von einer Brennstoffzelle 1 gebunden,
welche als eine Energieumwandlungsvorrichtung verwendet wird. Der
Reformer 2 umfasst einen Aufheizteil 3 zum Aufheizen
des Reformat- Treibstoffs, einen Reformierteil 4 und einen
Kohlenmonoxid (CO)-Oxidationsteil 5.
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Der Aufheizteil 3 erzeugt
aus der Mischung aus Methanol und Wasser durch Aufheizen von Reformat-
Treibstoff Dampf. Der Aufheizteil 3 umfasst einen Verbrennungsteil 6 zum
Erzeugen von Wärme zum
Erhitzen des Reformat- Treibstoffs,
und einen Verdampfungsteil 7 zum Verdampfen des Reformat- Treibstoffs
unter Verwendung der durch den Verbrennungsteil 6 erzeugten
Wärme.
Der Verbrennungsteil 6 kann einen Brenner umfassen, der
Heizbrennstoff zum Brennen bringt oder einen Katalysator, der Brenntreibstoff
oxidiert. Bezugnehmend auf 2 ist eine
Pumpe 8 zum Zuführen
von Brenntreibstoff, wie etwa Methanol, mit dem Verbrennungsteil 6 über eine Einspritzvorrichtung 9 verbunden.
Ferner wird Lufteinspeisungsteil 10 zum Einspeisen eines
Verbrennungsträgergases,
wie etwa Luft, bereitgestellt. Genauer umfasst der Lufteinspeisungsteil 10 eine
Luftpumpe.
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Ferner ist eine Pumpe 11,
die als ein Reformat-Treibstoffeinspeisungsteil
zum Einspeisen der flüssigen
Mischung aus Methanol und Wasser dient, mit dem Verdampfungsteil 7 verbunden.
Der Verdampfungsteil 7 ist an den Verbrennungsteil 6 gekoppelt,
so dass Wärme
dazwischen durch einen Wärmeaustauscher 12 übertragen
werden kann.
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Der Reformierteil 4 erzeugt
Gas, das im wesentlichen Wasserstoff umfasst, hauptsächlich durch Reformierungsreaktionen
von Methanol. Die Reformierungsreaktionen sind eine Wasserdampfreformierungsreaktion,
die durch die vorstehende Gleichung (1) angegeben wird, und eine
partielle Oxidationsreaktion, die durch die Gleichung (2) angegeben wird.
Um diese Reaktionen zu erzeugen, wird, wie aus 3A ersichtlich ist, eine Katalysatorschicht 41,
die aus einem Katalysator, wie etwa aus einem auf Kupfer basierenden
Katalysator mit einer Aktivierungstemperatur von zum Beispiel ungefähr 280 bis 300°C zusammengesetzt
ist, innerhalb einer Kammer 42 bereitgestellt. Der Verdampfungsteil 7 wird mit
einer Einspeiseöffnung 43 der
Kammer 42 verbunden. Ein partielles Oxidationslufteinspeiserohr 44 zum
Einspeisen von Sauerstoff für
die partielle Oxidationsreaktion ist mit der Einspeiseöffnung 43 verbunden.
Eine Luftpumpe 13 ist mit dem partiellen Oxidationslufteinspeiserohr 44 des
Reformierteils 4 verbunden.
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Ferner sind Temperaturmessfühler 46 und 47,
welche eine Temperatur in der katalytischen Schicht 41 Abtasten
und Austoßsignale
bereitstellen, jeweils auf der Seite der Einspeiseöffnung 43,
und auf der Seite der Entladungsöffnung 45 der
Kammer 42 angeordnet. Ferner ist ein Druckmessfühler 48 auf der
Seite der Entladungsöffnung 45 angeordnet.
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Die durch die Gleichung (1) dargestellte
Reformierungsreaktion und die durch die Gleichung (2) dargestellte
partielle Oxidationsreaktion treten nur unter idealen Umständen auf.
Ferner wird Kohlendioxid reversibel in Kohlenmonoxid umgewandelt.
Daher ist der Einschluss von Kohlenmonoxid in dem Reformat- Gas
unvermeidlich. Da Kohlenmonoxid einen Katalysator an einer Brennstoffelektrode
der Brennstoffzelle 1 vergiften würde, wird der CO- Oxidationsteil 5 bereitgestellt,
um so das Kohlenmonoxid zu verringern. Der CO-Oxidationsteil 5 wird mit einem CO-Oxidationskatalysator
und einem Lufteinspeiseteil 14 ausgestattet. Das Reformat-
Gas, das in dem Reformierteil 4 erzeugt wird, wird durch
den CO- Oxidationsteil 5 geleitet, so dass das in dem Reformat- Gas
enthaltene Kohlenmonoxid durch in der Luft enthaltenen Sauerstoff
oxidiert wird.
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Die Brennstoffzelle 1 umfasst
typischerweise eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, die miteinander verbunden sind.
Zum Beispiel kann jede Einheitszelle einen Aufbau aufweisen, bei
den ein hochmolekularer Elektrolytfilm, der für Protonen permeabel ist, zwischen
der Anode 15 und einer Kathode 16 einfügt ist.
Jede der Anode 15 und Kathode 16 ist aus einer Diffusionsschicht
und einer Reaktionsschicht zusammengesetzt. Die Reaktionsschicht
an der Anode 15 besitzt eine poröse Struktur, in der ein Katalysator, wie
etwa Platin, Platinlegierung oder Ruthenium, zum Beispiel auf einem
Träger,
wie etwa Kohlenstoff, geträgert
wird. Die Anode 15 steht mit dem Reformer 2 in
Verbindung, in welchen Reformat- Gas, das hauptsächlich Wasserstoffgas enthält, eingespeist wird.
Ein Lufteinspeiseteil 17, wie etwa eine Pumpe, ist mit
der Kathode 16 verbunden, um so Sauerstoff einzuspeisen,
welches mit Wasserstoff reagiert, das in dem Reformat-Gas enthalten ist.
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Externe Ladungen, wie etwa eine Batterie 18 und
ein Inverter 19, sind mit der jeweiligen Anode 15 und
Kathode 16 verbunden, um so eine geschlossene Schaltung
zu bilden. Die geschlossene Schaltung beinhaltet einen Strommessfühler 20.
Darüber
hinaus ist der Motor 21 an den Inverter 19 gebunden. Zum
Beispiel dient der Motor 21 als eine Leistungsquelle zum
Antreiben eines Fahrzeugs.
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Die Jonisierung von Wasserstoff,
das in Anode 15 und der Oxidationsreaktion durch einen
Elektrolytfilm erzeugt wird, treten nicht bei dem ganzen der Brennstoffzelle 1 zugeführten Wasserstoff
auf. Die Reaktionseffizienz beträgt
einige 10% und das aus der Seite der Anode 15 entladene
Abgas enthält nicht
umgesetztes Verbrennungsgas, das für die Reaktion irrelevant ist,
d. h., Wasserstoffgas. Um einen Vorteil aus dieser Tatsache effektiv
zu ziehen, ist ein Umkehrrohr 22 zum Zurückführen von
Abgas auf der Seite der Anode 15 zu dem Verbrauchsteil 6 derart angeordnet,
dass die Brennstoffzelle 1 mit dem Verbrennungsteil 6 in
Verbindung steht. Ferner erstreckt sich das Umkehrrohr 22 entlang
eines Stromratenregulierungsventil 23 zum Steuern der Stromrate
des Gases, das in dem Umkehrrohr 22 strömt. Der Öffnungsgrad des Stromratenregulierungsventils 23 wird
elektrisch gesteuert. Darüber
hinaus entlädt
das Umkehrrohr 22 in geeigneter Weise das hereinströmende Gas
zu der Außenseite,
anstelle das Gas dem Verbrennungsteil 6 zuzuführen.
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Eine Steuerungsvorrichtung 24,
wie etwa eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) wird bereitgestellt,
um so die Zuführung
des Reformat-Treibstoffs
in den Verdampfungsteil 7 zuzuführen, genau so wie die Zuführung der
partiellen Oxidationsluft. Die Steuerungsvorrichtung 24 ist
ein Mikrocomputer, welcher eine Zentralprozessoreinheit (CPU), Speicherungsvorrichtungen
(RAM, ROM) und ein I/O Interface einschließt. Ein Ausstoßsignal
aus dem Strommessfühler 20,
Abtastsignale aus den Temperaturmessfühlern 46 und 47,
und ein Abtastsignal aus dem Druckmessfühler 48 werden in
die Steuerungsvorrichtung 24 als Steuerungsdaten eingegeben. Eine
Bestimmung wird dann basierend auf den Eingabedaten und zuvor gespeicherten
Daten gemacht, und Steuerungssignale werden der Pumpe 11 und der
Luftpumpe 13 ausgegeben, um so die Menge an Zuführung des
Reformat-Treibstoffs
und partieller Oxidationsluft zu steuern.
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Der Basisbetrieb des Reformers 2 wird
nun beschrieben werden. Eine Flüssigkeitseinspeisepumpe 11 speist
die flüssige
Mischung aus Methanol als Reformat- Treibstoff und Wasser in den
Verdampfungsteil 7 ein. Verbrennungsmethanol wird aus der Einspritzvorrichtung 9 in
den Verbrennungsteil 6 eingeführt. Alternativ wird Verbrennungsgas,
das nicht umgesetztes Wasserstoffgas enthält, aus dem Umkehrrohr 22 in
den Verbrennungsteil 6 gleichzeitig mit dem Sprühen von
Verbrennungsmethanol oder anstelle von Verbrennungsmethanol zugeführt. Ferner speist
die Luftpumpe 10 Luft als Verbrennungsunterstützungsgas
in den Verbrennungsteil 6 ein. Das Verbrennungsmethanol
und/oder die Luft und aus nicht umgesetzten Wasserstoffgas zusammengesetzter Hitze-Brennstoff unterziehen
sich einer Oxidationsreaktion (d. h. brennen) in dem Oxidationskatalysator und
erzeugen Wärme.
Diese Wärme
verdampft die Flüssigkeitsmischung,
so dass die Verdampfungsmischung aus Methanol und Wasser erzeugt
wird.
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Die Verdampfungsmischung, die in
dem Verdampfungsteil 7 erzeugt wird, wird dem Reformierteil 4 geliefert.
Der auf Kupfer basierende Katalysator, der in dem Reformierteil 4 bereitgestellt
ist, erzeugt eine Reformierungsreaktion von Methanol mit Wasser.
Folglich wird Reformat- Gas, das hauptsächlich Wasserstoffgas und Kohlendioxidgas
umfasst, erzeugt. Gleichzeitig wird eine partielle Oxidationsreaktion
der Luftzuführung
aus der Luftpumpe 13 zu dem Reformierteil 4 mit
Methanol verursacht. Die partielle Oxidationsreaktion wird durch
die vorstehende Gleichung (2) dargestellt. Als Folge der partiellen
Oxidationsreaktion werden Wasserstoffgas und Kohlendioxidgas erzeugt.
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Die Reformierungsreaktion von Methanol
ist eine endotherme Reaktion, wohingegen die partielle Oxidationsreaktion
von Methanol eine exotherme Reaktion ist. Folglich werden diese
Reaktionen derart gesteuert, dass der endotherme Wert dem exothermen
Wert entspricht. Hierdurch wird der Wärmehaushalt im Reformierteil 4 ausbalanciert,
so dass die Temperatur des Reformierteils 4 im wesentlichen konstant
gehalten wird. Da Wärme
im wesentlichen den Reformierteil 4 weder eintritt noch
verlässt,
wird die in dem Verbrennungsteil 6 erzeugte Wärme exklusiv
zum Heizen und Verdampfen des Reformat-Treibstoffs verwendet.
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Im Prinzip ist das in dem Reformierteil 4 erzeugte
Gas nur Wasserstoffgas und Kohlendioxidgas. Tatsächlich wird jedoch eine geringe
Menge an Kohlenmonoxid (ungefähr
1%) typischerweise auch erzeugt. Während Reformat- Gas durch den
CO- Oxidationsteil 5 geführt wird, reagiert das meiste
des Kohlenmonoxids mit in der Luftzuführung aus dem Luftzuführungsteil 14 enthaltenem
Sauerstoff und wird dann zu Kohlendioxid. Das Reformat- Gas mit hoher
Konzentration an Wasserstoff wird zu der Anode 15 der Brennstoffzelle 1 geliefert,
wodurch Wasserstoffionen und Elektronen in dessen Reaktionsschicht
erzeugt werden. Die Wasserstoffionen durchdringen den Elektrolytfilm,
reagieren mit Sauerstoff auf der Seite der Katode 16 und
erzeugen Wasser. Die Elektronen erzeugen durch die externen Beladungen
eine treibende Kraft.
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Um den Reformierteil 4 bei
einer im wesentlichen konstanten Temperatur während des vorstehend beschriebenen
Reformierungsverfahrens zu halten, wird die Menge an Sauerstoff
für die
partielle Oxidationsreaktion, d. h., die Menge an Luftzuführung wie
folgt gesteuert. 1 ist
ein Flussdiagramm, das eine exemplarische Ausführungsform für eine derartige
Steuerung veranschaulicht. Zunächst wird
die Menge an Luft für
die partielle Oxidation basierend auf der Menge an Reformat-Treibstoff bestimmt
(Schritt 1). Die Menge an Reformat-Treibstoff Fk (mol/s) entspricht einer
Menge an Wasserstoff, die in der Brennstoffzelle 1 benötigt wird.
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Daher wird die Menge an Reformat-
Treibstoff basierend auf einer an die Brennstoffzelle 1 angelegte
Last bestimmt.
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Ferner werden im Fall, wo Methanol
durch Wasserdampf-Reformierung
und partieller Oxidationsreformierung reformiert wird, die endothermen und
exothermen Werte durch die vorstehenden Gleichungen (1) und (2)
dargestellt. Folglich wird ungefähr
21% der Methanolzuführung
in den Reformierteil 4 der partiellen Oxidationsreformierung
unterzogen, und die verbleibenden 79% des Methanols werden der Wasserdampfreformierung
unterzogen, wodurch der Wärmehaushalt
in den Reformierungsreaktionen ausbalanciert ist. Darüber hinaus
wird, wie aus der Gleichung (2) ersichtlich ist, ½ mol Sauerstoff
benötigt,
um 1 mol Methanol zu oxidieren und zu reformieren. Demgemäß wird die
Menge an Luft für
die partielle Oxidation Fpo (1/s), die für die vorbestimmte Menge an
Reformat- Treibstoff Fk (mol/s) benötigt wird, unter Verwendung
der nachstehenden Gleichung (3) berechnet. Fpo (l/s) = 0,105 × Fk (mol/s) × 22,4 (l/mol) × 100/21 × 298/273 (3)
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In dieser Formel stellt „100/21" einen Umwandlungsfaktor
beim Umwandeln der benötigten Menge
an Sauerstoff in die Menge an Luft dar, und „298/273" stellt einen Volumenkorrekturfaktor
für eine Raumtemperatur
von 25°C
dar.
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Beim Ändern einer Menge an Reformat- Treibstoff
tritt mit der Zeit die entsprechende Änderung in der Reformierungsreaktion
auf, eine Einstellung wird unter Berücksichtigung der Zeitdauer
zum Transportieren des Reformat- Treibstoffs und einer dynamischen
Eigenschaft in dem Verdampfungsteil 7 durchgeführt (Schritt 2).
Zunächst
wird die Einstellung bzgl. einer Verzögerung durchgeführt, die
aus dem Transport des Reformat-Treibstoffs
resultiert. Vorausgesetzt, dass die Länge der Zeitverzögerung t0
beträgt,
wird die Einstellung gemäß der folgenden Formel
durchgeführt:
Fpol = Fpo (t – t0).
Das heisst, die Menge an Luft, die vor dem Verstreichen der Verzögerungszeit
t0 bestimmt wird, wird als eine Strommenge der Luft für die partielle
Oxidation angepasst. Wenn ferner angenommen wird, dass die dynamische
Eigenschaft des Verdampfungsteils 7 eine primäre Verzögerung ist,
wird eine Einstellung gemäß Gleichung
(4), die nachstehend gezeigt wird, durchgeführt. Fpo2= Fpo2 (alt) × τ/(DT + τ) + Fpol × DT/(DT + τ) (4)
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In dieser Gleichung stellt DT einen
Steuerungszyklus dar, τ ist
eine Menge, die einen Grad an primäre Verzögerung anzeigt, und Fpo2 (alt)
stellt eine Hysterese des Wertes von Fpo2 während eines vorhergehenden
Steuerungszyklus dar.
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Dann wird die Menge an Luft für die partielle Oxidation
basierend auf der Temperatur, die durch den Temperaturmessfühler 47 auf
der Seite der Entladungsöffnung 45 des
Reformierteils 4 abgetastet wurde, unter Verwendung der
Gleichung (5), die nachstehend gezeigt wird, korrigiert (Schritt
3). Fpo3 = Fpo2(alt)
+ Kp × (Trot – Tro) +
Ki + F(Trot-Tro) (5)
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In dieser Gleichung sind Kp und Ki
Steuerungsparameter, Trot ist eine Zieltemperatur auf der Seite
der Entladungsöffnung
des Reformierteils 4, und Tro ist die Temperatur, die durch
den Temperaturmessfühler 47 abgetastet
wurde.
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Das heisst, wenn die abgetastete
Temperatur auf der Seite der Entladungsöffnung hoch ist, ist die Menge
an Luft für
die partielle Oxidation verringert. Wenn die abgetastete Temperatur
auf der Seite der Entladungsöffnung
umgekehrt gering ist, wird die Menge an Luft für die partielle Oxidation derart
gesteuert, dass die abgetastete Temperatur eine Zieltemperatur wird.
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Darüber hinaus wird die Menge an
Luft für die
partielle Oxidation basierend auf einer Temperatur auf der Seite
der Einlassöffnung
des Reformierteils 4 eingestellt (Schritt 4).
Dieser Schritt beabsichtigt, wenigstens im wesentlichen eine Verschlechterung
des Reformierungskatalysators zu verhindern, welches insbesondere
aus einer Temperatur, die eine vorbestimmte Temperatur überschreitet,
resultiert. Zum Beispiel wird der in Schritt 3 bestimmte Wert unter
Verwendung der nachstehend gezeigten Gleichung (6) bestimmt. Fpo4 = Kdec × Fpo3 (6)
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In dieser Gleichung stellt Kdec eine
Funktion einer Temperatur Tri (°C)
dar, die durch den Temperaturmessfühler 46 auf der Seite
der Einlassöffnung 43 des
Reformierteils 4 abgetastet wurde. Zum Beispiel wird der
Wert von Kdec basierend auf einem Zusammenhang, der in 4 gezeigt wird, bestimmt. Der
Wendepunkt der in 4 gezeigten
Kurve stellt einen Stufenwert der Katalysatorverschlechterung dar,
die aus einer abnormen hohen Temperatur resultiert. Demgemäß wird,
wenn die Temperatur des der katalytischen Schicht 41 zugeführten Reformat- Treibstoffdampfs
hoch ist, die partielle Oxidationsreformierungsreaktion beschränkt, so
dass die Temperatur des Katalysators hinunter auf die Zieltemperatur verringert
wird. 3B zeigt ein Beispiel
für die
Temperaturverteilung in der katalytischen Schicht 41 des Reformierteils 4.
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Dann wird ein Befehlssignal zu der
Luftpumpe 13 ausgegeben, um so den Reformierteil 4 mit
Luft für
die partielle Oxidation der so korrigierten Menge Fpo4 zu beliefern
(Schritt 5). Wenn in diesem Fall der Druck auf der Seite
der Einlassöffnung
des Reformierteils 4 hoch ist, muss der Ausstoß der Luftpumpe 13 erhöht werden.
Daher wird der Befehlswert bzgl. des Ausstoßes der Luftpumpe 13 wie
folgt eingestellt. Als erstes tastet der Druckmessfühler 48,
der auf der Seite der Entladungsöffnung 45 des
Reformierteils 4 bereitgestellt ist, einen Druck ab. Basierend
auf dem abgetasteten Druck wird der Druck der Luft für die partielle
Oxidation auf der Seite des Zuführungsöffnung 43 des
Reformierteils 4 (die Menge, die einen Zustand der Sauerstoffzuführung angibt)
abgeschätzt.
Dann wird, basierend auf einem Plan, wie etwa der in 5 gezeigte, der Luftpumpenbefehlswert
für die
Menge der Luft für
die partielle Oxidation unter Verwendung des abgeschätzten Drucks
als eine Zustandsmenge eingestellt. Zum Beispiel steigt sogar, wenn
der Druck auf der Seite der Zuführungsöffnung 43 aufgrund
einer großen
Menge an Reformat- Treibstoffdampf, der dem Reformierteil 4 aus dem
Verdampfungsteil 7 zugeführt wird, groß ist, der Ausstoß der Luftpumpe 13 entsprechen.
Folglich ist es möglich,
eine genaue Menge an Sauerstoff zuzuführen, die für die partielle Oxidationsreformatreaktion
benötigt
wird.
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Wie vorstehend beschrieben wird gemäß dem Steuerungsgerät der vorliegenden
Erfindung die Menge an Zuführung
des Sauerstoffs, das zu der partiellen Oxidationsreformierungsreaktion
beiträgt,
basierend auf einer Menge des Reformat- Treibstoffs, einen theoretischen
endothermen Wert der Wasserdampfreformierungsreaktion, und einem
theoretischen exothermen Wert der partiellen Oxidationsreformierungsreaktion
eingestellt. Daher ist der endotherme Wert mit dem exothermen Wert
in dem Reformierteil 4 ausbalanciert, welcher im wesentlichen
an dessen Zieltemperatur gehalten werden kann.
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Insbesondere stellt diese Ausführungsform eine
Menge an Luft, basierend auf eine Verzögerung beim Transport oder
Reaktion eines Reformat- Treibstoffs, und basierend auf Temperaturen
auf den Zuführungs-
und Entladungsseiten des Reformierteils 4 ein. Daher kann
die Menge an Sauerstoff für
die partielle Oxidationsreformierungsreaktion, d. h., der Grad an
partieller Oxidationsreformat- Reaktion auf einen Zielwert eingestellt
werden. Folglich wird der Reformierteil 4 auf eine Temperatur
zum Beibehalten des Katalysators in dessen aktivierten Zustand eingestellt,
welcher es ermöglicht,
nicht nur die Reformierungseffizienz zu verstärken, sondern auch Reformat-
Gas mit hoher Qualität
zu erhalten. Darüber hinaus
wird gemäß der vorstehend
beschriebenen Ausführungsform
der Befehlswert für
die Luftpumpe 13 basierend auf einem geschätzten Wert
eines Drucks an der Stelle, wo Luft für die partielle Oxidation zugeführt wird,
d. h., auf der Seite der Zuführungsöffnung 43 eingestellt.
Daher kann die vorbestimmte oder eingestellte Menge an Luft, d.
h., Sauerstoff zu dem Reformierteil 4 zugeführt werden.
Folglich kann der Teil der partiellen Oxidationsreaktion mit hoher Genauigkeit
eingestellt werden und der Reformierteil 4 kann im wesentlichen
an dessen Zieltemperatur gehalten werden.
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In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
wird die vorliegende Erfindung auf ein Steuerungsgerät, das für einen
Reformer zum Beliefern der Brennstoffzelle 1 mit Brennstoffgas
entworfen ist, angewendet werden. Jedoch kann die vorliegende Erfindung
auch auf ein anderes Gerät
zum Zuführen
von Reformat- Gas angewendet werden.
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Obwohl Methanol als Reformat- Treibstoff
in der vorstehenden beschriebenen Ausführungsform verwendet wird,
ist es darüber
hinaus auch möglich, alternativ
andere Kohlenwasserstoffe als Methanol zu verwenden. Zudem ist es,
obwohl der Druck auf der Zuführungsseite
des Reformierteils als eine Menge angenommen wird, die einen Zustand
der Zuführung
von Luft für
die partielle Oxidation in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
anzeigt, auch möglich,
andere Zustandsmengen in anderen Ausführungsformen zu verwenden.
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Darüber hinaus wird in der vorstehend
beschriebenen Ausführungsform
die Menge, die einen Zustand der Zuführung von Luft für die partielle
Oxidation anzeigt, basierend auf einem Druck der Entladungsseite
des Reformierteils abgeschätzt.
Jedoch ist es auch möglich,
einen Druck auf dem Entladungsteil des Reformierteils für Luft für die partielle Oxidation
direkt abzutasten. Zudem kann die Menge, die einen Zustand der Luft
für die
partielle Oxidation anzeigt, auch direkt, basierend auf einem Druck
an dem Auslass des Reformers, abgeschätzt werden.
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In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
wird die Steuerungsvorrichtung 24, als ein gewöhnlicher
programmierter Personal Computer implementiert. Es wir von Fachleuten
erkannt werden, dass die Steuerungsvorrichtung 24 unter
Verwendung einer einzigen integrierten Spezialschaltung (zum Beispiel
ASIC) mit einem Haupt- oder Zentralprozessorabschnitt für Gesamt-,
Systemniveausteuerung, und separate Abschnitte, die zum Durchführen verschiedener
unterschiedlicher spezifischer Berechnungen, Funktionen und andere
Verfahren unter Steuerung des Zentralprozessorabschnittes bestimmt
sind, implementiert werden kann. Die Steuerungsvorrichtung 24 kann
zudem eine Mehrzahl von separat zugewiesenen oder programmierbaren
integrierten oder anderen elektronischen Schaltungen oder Vorrichtungen
(zum Beispiel verdrahtete Elektronik- oder Logikschaltungen, wie
etwa diskrete Elementeschaltungen, oder programmierbare Logikvorrichtungen,
wie etwa PLDs, PLAs, PALs oder dergleichen) sein. Die Steuerungsvorrichtung 24 kann
unter Verwendung eines geeigneten programmierbaren gewöhnlichen
Personal Computers, zum Beispiel eines Mikroprozessors, Mikrosteuerungsvorrichtung oder
andere Prozessorvorrichtung (CPU oder MPU) entweder allein oder
in Verbindung mit ein oder mehreren peripheren (integrierte Schaltungs-)
Daten und signalverarbeiteten Vorrichtungen implementiert werden.
Im Allgemeinen können
eine beliebige Vorrichtung oder Aufbau von Vorrichtungen, auf welcher eine
Maschine mit finiten Zustand, die die in 1 gezeigten Programme implementieren
kann, als die Steuerungsvorrichtung verwendet werden. Eine verteilte
Prozessarchitektur kann für
maximale Daten/Signalverarbeitungsfähigkeit und Geschwindigkeit
verwendet werden.