DE60200188T2

DE60200188T2 - Verdampfertemperaturkontrolleinrichtung in Brennstoffzellenkraftanlage

Info

Publication number: DE60200188T2
Application number: DE60200188T
Authority: DE
Inventors: Masaru Yokosuka-shi Okamoto
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2022-04-05
Also published as: EP1261055A1; JP3480451B2; EP1261055B1; US6777122B2; US20020182465A1; JP2002343385A; DE60200188D1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Verdampfertemperaturkontrolleinrichtung in einer Brennstoffzellenkraftanlage, die nachformiertes Gas benutzt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Patente Tokkai 2000-178001 und Tokkai 2000-185903, veröffentlicht durch das Japanische Patentamt in 2000, offenbaren eine Verdampfertemperaturkontrolleinrichtung einer Brennstoffzellenkraftanlage, die nachformiertes Gas verwendet.
Die Brennstoffzellenkraftanlage ist mit einem Brennstoffzellenblock versehen, der Strom durch eine Reaktion von Reformatgas erzeugt, einen Reformer, der verdampften Brennstoff nachformiert und Reformatgas erzeugt, einem Verdampfer, der flüssigen Brennstoff verdampft, und eine Brennkammer, die den Verdampfer erhitzt. Die Brennkammer verbrennt Anodenabfluss, das von der Anode des Brennstoffzellenblocks abgegeben wird, und erhitzt den Verdampfer durch das Verbrennungsgas.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Temperatur des Verdampfers hängt vom Verbrennungsgas ab, das von der Brennkammer zugeführt wird und der Menge des flüssigen Brennstoffes, der zu verdampfen ist, ab. Wenn eine große Menge flüssigen Brennstoffes vorliegt, d.h., wenn der Verbrauch des Verdampfers groß ist, wird die Temperatur des Verdampfers fallen. In diesem Fall, wenn die Zufuhrmenge des flüssigen Brennstoffs zum Verdampfer weiter erhöht wird, um den Anodenabfluss, der von der Brennkammer verbrannt wird, zu erhöhen, wird die Temperatur des Verdampfers noch weiter fallen.
Daher führt die oben erwähnte bekannte Technik Ergänzungsbrennstoff, zusätzlich zum Anodenabfluss, der Brennkammer in dem Maße zu, dass die Temperatur und die Menge des Verbrennungsgases, das dem Verdampfer zugeführt wird, unabhängig von der Abgabemenge des Anodenabflusses gesteuert werden kann.
Sogar in diesem Fall, nachdem die Brennstoffmenge, die der Brennkammer zugeführt wird, zugenommen hat, wird es eine Zeit dauern, bis die Temperatur des Verdampfers tatsächlich ansteigt, und während dieses Intervalls kann die Temperatur des Verdampfers unter die Temperatur fallen, die notwendig ist, um den Brennstoff zu verdampfen.
Wenn die Elektroenergie, die durch den Brennstoffzellenblock erzeugt wird, infolge der Temperaturabnahme des Verdampfers nicht ausreichend ist, wird eine Sekundärbatterie zum Ausgleich entladen und der Verbrauch der Sekundärbatterie wird zunehmen.
Außerdem kann, wenn die Temperatur des Verdampfers fällt, ein Teil des flüssigen Brennstoffs in den Reformer fließen ohne zu verdampfen. Der Zustrom des flüssigen Brennstoffs in den Reformer reduziert die Reformierungsleistung des Reformers, und erhöht die Erzeugung von Kohlenmonoxid im Reformer. Kohlenmonoxid vergiftet den Brennstoffzellenblock, und reduziert die Energieerzeugungsleistung des Brennstoffzellenblocks.
Somit hat die Temperaturzunahme des Verdampfers einen unerwünschten Einfluss auf die Gesamtleistung der Brennstoffzellenkraftanlage.
Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, zu verhindern, dass die Temperatur des Verdampfers einer Brennstoffzellenkraftanlage unter die Temperatur, die notwendig ist, um den Brennstoff zu verdampfen, fällt.
Um obiges Ziel zu erreichen, schafft diese Erfindung eine Brennstoffzellenkraftanlage, die einen Verdampfer aufweist, der Wärme zu einem flüssigen Ausgangsmaterial bringt und ein verdampftes Ausgangsmaterial erzeugt, einen Brennstoffzellenblock, der Energie durch die Anwendung wasserstoffreichen Gases erzeugt, das er vom verdampften Ausgangsmaterial erhält, eine Vorrichtung, die dem Verdampfer das flüssige Ausgangsmaterial zuführt, einen Sensor, der einen Energieerzeugungsbedarf des Brennstoffzellenblocks ermittelt, und eine programmierbare Steuereinrichtung, die programmiert ist, um die Zufuhrmenge eines flüssigen Ausgangsmaterials für den Verdampfer, die auf dem Energieerzeugungsbedarf basiert, zu berechnen, Berechnung einer vorausgesagten Temperatur des Verdampfers, die auf der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials basiert, und Steuerung/Regelung der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials, das durch die Versorgungsvorrichtung zugeführt wird, um somit zu verhindern, dass die vorausgesagte Temperatur unter eine vorbestimmte Temperatur fällt.
Diese Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Steuerung/Regelung eines flüssigen Ausgangsmaterials, das einem Verdampfer einer Brennstoffzellenkraftanlage zugeführt wird. Die Brennstoffzellenkraftanlage weist einen Brennstoffzellenblock auf, der Energie durch Anwendung wasserstoffreichen Gases erzeugt, das er von einem verdampften Ausgangsmaterial, das durch den Verdampfer erzeugt wird, erhält. Der Verdampfer erzeugt das verdampfte Ausgangsmaterial durch Wärmezufuhr zum flüssigen Ausgangsmaterial. Die Brennstoffzellenkraftanlage weist ferner eine Vorrichtung auf, die dem Verdampfer flüssiges Ausgangsmaterial zuführt. Das Kontrollverfahren zur Steue rung/Regelung des flüssigen Ausgangsmaterials, das dem Verdampfer zugeführt wird, weist weiterhin folgende Schritte auf: Ermitteln eines Energieerzeugungsbedarfs des Brennstoffzellenblocks, Berechnen einer Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials für den Verdampfer, der auf dem Energieerzeugungsbedarf basiert, Berechnen einer vorausgesagten Temperatur des Verdampfers, die auf der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials basiert, und Steuern der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials, die durch die Versorgungseinrichtung zugeführt wird, um somit zu verhindern, dass die vorausgesagte Temperatur unter eine vorbestimmte Temperatur fällt.
Die Einzelheiten sowie auch andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind im Rest dieser Patentbeschreibung dargelegt und werden in den begleitenden Zeichnungen dargestellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenkraftanlage gemäß dieser Erfindung.
2 ist ein Blockdiagramm, das die Funktion einer Steuereinrichtung gemäß dieser Erfindung beschreibt.
3A bis 3D sind Zeitdiagramme, die den Temperaturwechsel einer Brennkammer und eines Verdampfers durch die Steuerung/Regelung der Steuereinrichtung beschreiben.
4 ist ein Blockdiagramm, das die Temperatursteuerungs-/regelungsfunktion der Steuereinrichtung beschreibt.
5 ist ein Diagramm, das einen Gewichtungskoeffizienten λ, der von der Steuereinrichtung angewendet wird, beschreibt.
6 ist ein Programmablaufplan, der eine Verdampfertemperatursteuerroutine, die von der Steuereinrichtung ausgeführt wird, beschreibt.
7 ist ähnlich wie 6, die aber eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezüglich der 1 der Zeichnungen, wird eine Brennstoffzellenkraftanlage als eine Antriebskraftquelle eines Fahrzeuges mit einem Brennstoffzellenblock 8 ausgestattet, der Elektrizität durch die Reaktion von Wasserstoff und Luft erzeugt. Der Brennstoffzellenblock 8 ist ein Block von so genannten polymerischen elektrolytischen Brennstoffzellen, der Energie durch Anwendung wasserstoffreichen Gases, das eine große Menge Wasserstoff enthält, erzeugt, und durch Luft, das von einem Kompressor 11 zugeführt wird. Die Energie, die durch den Brennstoffzellenblock 8 erzeugt wird, wird durch einen Verbraucher 9, wie z.B. einen Elektromotor und eine Sekundärbatterie, verbraucht.
Das wasserstoffreiche Gas wird aus Methanol und Wasser erzeugt. Aus diesem Grund ist die Brennstoffzellenkraftanlage mit einem Wassertank 1 und einem Methanoltank 2, einem Verdampfer 5, der Wasser und Methanol verdampft, einem Reformer 6, der Reformierungsgas aus der gasförmigen Mischung von Wasserdampf und Methanoldampf erzeugt, und einem Kohlenmonoxid-oxidierungsmittel 7, das Kohlenmonoxid (CO) aus dem Reformierungsgas entfernt, ausgestattet. Es sollte jedoch erwähnt werden, dass Methanol durch Benzin oder irgendein anderes flüssiges Material, das Wasserstoff enthält, ersetzt werden kann.
Wasser im Wassertank 1 wird durch eine Wasserpumpe 3 und Methanol im Methanoltank 2 durch eine Methanolpumpe 4 jeweils dem Verdampfer 5 zugeführt, und jeweils durch Einspritzvorrichtungen in den Verdampfer 5 eingespritzt.
Der Verdampfer 5 verdampft das Wasser und das Methanol durch Anwendung der Wärme, die durch eine Brennkammer 10 erzeugt wird.
Der Reformer 6 ist durch das US-Patent Nr. 6,232,005 bekannt und führt die Dampfreformierung und die Teiloxidationsreformierung des verdampften Methanols aus. Im Einzelnen erzeugt der Reformer 6 Wasserstoff durch Oxidation des Methanols zusammen mit einem Oxidationskatalysator. Diese Reaktion ist eine exothermische Reaktion. Auf der anderen Seite lässt der Reformer 6 Methanol mit Dampf reagieren, um Wasserstoff zu erzeugen. Diese Reaktion ist eine endothermische Reaktion. In beiden Reaktionen wird Reformierungsgas, das Sauerstoff enthält, aus dem Methanol erzeugt. Für die Sauerstoffzufuhr, die für die Teiloxidationsreformierung benötigt wird, und die Temperatursteuerung/regelung des Reformers 6, wird dem Reformer 6 von einem Kompressor 11 über ein Durchfluss-Steuerungsventil 13 Luft zugeführt.
Das Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7 führt die katalytische Verbrennung infolge der empfohlenen Oxidation von Kohlenmonoxid in dem Reformierungsgas aus, um wasserstoffreiches Gas mit wenig Kohlenmonoxid zu erzeugen, indem es Edelmetallkatalysatoren wie Ruthenium (Ru) und Platinium (Pt) verwendet. Um Sauerstoff, das für die katalytische Verbrennung benötigt wird, zuzuführen, wird dem Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7 Luft vom Kompressor 11 über das Durchfluss-Steuerungsventil 15 zugeführt.
Der Brennstoffzellenblock 8 gibt wasserstoffhaltigen Anodenabfluss und sauerstoffhaltigen Kathodenabfluss ab, wenn er Elektroenergie erzeugt. Der Anodenabfluss wird über ein Drucksteuerungsventil 19 und der Kathodenabfluss über ein Drucksteuerungsventil 20 entsprechend der Brennkammer 10 zugeführt. Die Brennkammer 10 verbrennt den Anodenabfluss und den Ergänzungsbrennstoff, der von einem Brennstofftank 33 über eine Brennstoffpumpe 34 zugeführt wird, sobald es erforderlich ist, zusammen mit dem sauerstoffhaltigen Kathodenabfluss, und führt dem Verdampfer 5 heißes Verbrennungsgas zu. Methanol kann als Ergänzungsbrennstoff verwendet werden.
Bezüglich 2, werden die Wasserzufuhr von der Wasserpumpe 3, die Methanolzufuhrmenge von der Methanolpumpe 4, die Luftzufuhrmenge vom Kompressor 11, die Energieverbrauchsmenge durch den Verbraucher 9, die Durchfluss der Durchfluss-Steuerungsventile 15, 16, die Drücke der Drucksteuerungsventile 19, 20, und die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffs von einer Brennstoffpumpe 34 durch eine programmierbare Steuereinrichtung 100 gesteuert.
Die Steuereinrichtung 100 weist einen Mikrocomputer auf, der mit einer Zentraleinheit (CPU), Festwertspeicher (ROM), Arbeitsspeicher (RAM) und Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (I/O) Interface ausgestattet ist. Die Steuereinrichtung kann auch zwei oder mehr dieser Mikrocomputer aufweisen.
Um die obige Steuerung/Regelung durch die Steuereinrichtung 100 auszuführen, ist die Kraftanlage mit den folgenden Sensoren ausgestattet.
Ein Durchfluss-Sensor 14, der eine Luftzufuhrmenge für den Reformer 6 ermittelt, ein Durchfluss-Sensor 16, der eine Luftzufuhrmenge für das Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7 ermittelt, ein Durchfluss-Sensor 12, der eine Luftzufuhrmenge für den Kompressor 11 ermittelt, ein Drucksensor 17, der den Druck der Luft, die dem Brennstoffzellenblock zugeführt wird, ermittelt, ein Drucksensor 18, der den Druck des wasserstoffreichen Gases, das dem Brennstoffzellenblock 8 zugeführt wird, ermittelt, ein Temperatursensor 6A, der die Temperatur des Reformers 6 ermittelt, ein Temperatursensor 40, der die Temperatur des Verdampfers 5 ermittelt, ein Durchfluss-Sensor 30, der die Wasserzufuhrmenge der Wasserpumpe 3 ermittelt, ein Durchfluss-Sensor 31, der die Methanol-Zufuhrmenge der Methanolpumpe 4 ermittelt, ein Durchfluss-Sensor 32, der die Menge des Ergänzungsbrennstoffs, die der Brennkammer 10 zugeführt wird, ermittelt, ein Temperatursensor 21, der die Temperatur des Verbrennungsgases, das dem Verdampfer 5 von der Brennkammer 10 zugeführt wird, ermittelt, ein Gaspedalstellungssensor 41, der ein Herabdrückungsmaß bzw. die Gaspedalstellung eines Gaspedals, mit dem das Fahrzeug ausgestattet ist, ermittelt, und ein Temperatursensor 22, der die Temperatur des Verbrennungsgases, das nach der Aufheizung des Verdampfers 5 in die Atmosphäre ausgestoßen wird, ermittelt. Die ermittelten Daten sind der Input für die Steuereinrichtung 100 von den entsprechenden Sensoren als Signale.
Die Steuereinrichtung 100 steuert die Luftzufuhr, die dem Reformer 6 und dem Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7 durch den Kompressor 11 durch Betätigung der Durchfluss-Ventile 13, 15 zugeführt wird. Die Steuereinrichtung 100 führt die Steuerung/Regelung so aus, dass der Luftdruck und der wasserstoffreiche Gasdruck entsprechend gleich den Zielwerten werden, die für die Energieerzeugung geeignet sind, indem die Drucksteuerventile 19, 20 betätigt werden. Da der Kompressor 11 sowohl dem Brennstoffzellenblock 8 als auch dem Reformer 6 und dem Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7 Luft zuführt, bedeutet die Steuerung/Regelung des Luftdrucks beim Brennstoffzellenblock 8 auch die Steuerung/Regelung des Luftdrucks beim Reformer 6 und beim Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7.
Die Steuereinrichtung 100 steuert auch die Luftmenge, die dem Brennstoffzellenblock 8 zugeführt wird, wie im Folgenden beschrieben wird.
In der Brennkammer 10 werden der Anodenabfluss und der Ergänzungsbrennstoff, der durch die Brennstoffpumpe 34 zugeführt wird, zusammen mit dem sauerstoffhaltigen Kathodenabfluss verbrannt. Die Menge des Kathodenabflusses wird gemäß der Luftmenge, die dem Brennstoffzellenblock 8 zugeführt wird, bestimmt. Daher bestimmt die Steuereinrichtung 100 die Luftmenge, die dem Brennstoffzellenblock 8 zugeführt wird, in dem Maße, dass das Luft-Brennstoffverhältnis der gasförmigen Mischung zur Verbrennung in der Brennkammer 10 mit einem Ziel-Luft-Brennstoffverhältnis übereinstimmt.
Die Steuereinrichtung 100 berechnet auch die Menge des Wasserdampfes und des Methanoldampfes, der dem Reformer 6 von der Methanolmenge und dem Verdampfer 5 von der Dampfmenge zugeführt wird. Die Luftmenge, die für die Teiloxidationsreaktion des Reformers 6 benötigt. wird, und die Luftmenge, die für die ausgewählte Oxidationsreaktion des Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittels 7 benötigt wird, wird dann aus der Menge des Wasserdampfes und des Methanoldampfes berechnet. Die Luftmenge, die dem Reformer 6 zugeführt wird, wird ebenfalls bestimmt, basierend auf der Ermittlungstemperatur des Temperatursensors 6A, so dass die Temperatur des Reformers 6 innerhalb eines Temperaturbereiches gehalten wird, der für die Reformierungsreaktion geeignet ist.
Die Steuereinrichtung 100 steuert die Drehzahl des Kompressors 11 so, dass die gesamte Luftzufuhrmenge, die durch den Durchfluss-Sensor 12 ermittelt wird, gleich der gesamten Luftmenge, die dem Reformer 6 zugeführt wird, ist. Auf diesem Wege wird sie auch für das Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittel 7 und den Brennstoffzellenblock 8 bestimmt. Die Durchfluss-Steuerungsventile 13, 15 werden so gesteuert, dass der Luftmengenbedarf des Reformers 6 und des Kohlenmonoxid-Oxidierungsmittels 7 gesättigt ist.
Die Steuereinrichtung 100 bestimmt auch die Zielmengen des Wassers und des Methanols, das dem Verdampfer 5 zugeführt wird, basierend auf der Energieerzeugungsmenge des Brennstoffzellenblocks 8, der durch den Verbraucher 9 notwendig ist, und steuert die Drehzahl der Wasserpumpe 3 und der Methanolpumpe 4 so, dass die Wassermenge und die Methanolmenge, die durch die Durchfluss-Sensoren 30, 31 ermittelt werden, mit den Zielzufuhrmengen übereinstimmen.
Die Steuereinrichtung 100 berechnet die elektrische Energieerzeugungsmenge des Brennstoffzellenblocks 8, der durch den Verbraucher 9 notwendig wird, basierend auf dem Herabdrückungsmaß bzw. der Stellung des Gaspedals, der durch den Gaspedalstellungssensor 41 ermittelt wird, bestimmt einen Ziel-Strombedarf des Verbrauchers 9 gemäß des Herabdrückungsmaß des Gaspedals, und steuert den Verbraucher 9 so, dass der Stromverbrauch des Verbrauchers 9 gleich dem Ziel-Stromverbrauch ist.
Die Steuereinrichtung 100 berechnet die Zieltemperatur der Brennkammer 10, damit der Verdampfer 5 die Ziel-Zufuhrmengen des Methanols und des Wassers verdampft. Ferner bestimmt die Steuereinrichtung 100 die Ziel-Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes für die Brennkammer 10, und steuert die Arbeitsweise der Brennstoffpumpe 34, die auf der Ziel-Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes basiert, so dass diese Zieltemperatur verwirklicht wird. Für dieses Ziel berechnet die Steuereinrichtung 100 die Menge des Anodenausstoßes, die von der Methanol-Zufuhrmenge, die durch den Durchfluss-Sensor 31 ermittelt wird, vom Brennstoffzellenblock 8 abgegeben wird.
Wenn jedoch der Energieerzeugungsbedarf stark ansteigt, steigt die Temperatur der Brennkammer 10 aus folgendem Grund nicht sofort an. Das heißt, die Zunahme der gasförmigen Mischung aus Methanol und Wasser, die dem Verdampfer 5 zugeführt wird, verursacht ein Absinken der Temperatur des Verdampfers 5. Es dauert ebenfalls eine gewisse Zeit, bevor die Temperatur ansteigt und die angestiegene Menge von Verbrennungsgas der Brennkammer 10 infolge der Zufuhr von Ergänzungsbrennstoff zur Brennkammer 10, die Temperatur des Verdampfers 5 erhöht. Wenn insbesondere die Temperatur des Verdampfers 5 unter die Temperatur, die für die Verdampfung des Methanols benötigt wird, fällt, nimmt der Methanoldampf, der dem Reformer 6 zugeführt wird, ab, und es wird für den Brennstoffzellenblock 8 unmöglich, die benötigte Energieerzeugungsmenge zu befriedigen.
Um diesen Temperatursturz des Verdampfers 5 zu verhindern, sagt die Steuereinrichtung 100 den Temperaturwechsel des Verdampfers 5, der auf dem Wechsel im Methanol und im Wasser basiert, das dem Verdampfer 5 zugeführt wird, voraus, und die Zufuhr von Methanol und Wasser zum Verdampfer 5 wird vorübergehend unterdrückt. Zur gleichen Zeit hat die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes zur Brennkammer 10 zugenommen. Die Steuereinrichtung 100 erhöht dann die Methanol- und Wasserzufuhr zum Verdampfer 5, weil die Temperatur des Verdampfers 5 als ein Ergebnis der obigen Steuerung/Regelung zunimmt.
Die Zufuhrmengen des Methanols und des Wassers zum Verdampfer 5 werden entsprechend aus dem Methanol- und Wasser-Durchfluss, der von den Durchfluss-Sensoren 30, 31 ermittelt wird, berechnet. Die ermittelte Temperatur des Temperatursensors 40 wird für die Temperatur des Verdampfers 5 verwendet. Jedoch kann der Temperatursensor 40 ausgelassen werden, und die Temperatur des Verdampfers 5 kann stattdessen aus der Verbrennungsgastemperatur, die durch den Temperatursensor 21 ermittelt wird, oder aus der Abgastemperatur, die vom Temperatursensor 22 ermittelt wird, geschätzt werden. Die ermittelte Temperatur des Temperatursensors 21 wird für die Temperatur der Brennkammer 10 verwendet. Der Durchfluss, der vom Durchfluss-Sensor 32 ermittelt wird, wird für die Ergänzungsbrennstoffmenge, die der Brennkammer 10 zugeführt wird, verwendet.
Nachfolgend wird das Konzept der Steuerung/Regelung gemäß den 3A bis 3D beschrieben.
Bezüglich 3A nimmt zum Zeitpunkt t0 die erforderliche Energieerzeugungsmenge des Brennstoffzellenblocks 8 zu, wie an einer durchgezogenen Linie PR1 dargestellt. Die Methanolmenge, die dem Verdampfer 5 entsprechend dieser Zunahme zugeführt wird, steigt ebenfalls an, wie durch die gestrichelte Linie in 3C dargestellt. Wenn jedoch die Methanolzufuhrmenge stark erhöht wird, wird die Temperatur des Verdampfers 5 unter eine untere Grenztemperatur fallen, wie durch den Pfeil in 3D dargestellt. Die untere Grenztemperatur ist die Mindesttemperatur, die für den Verdampfer 5 erforderlich ist, um Methanol zu verdampfen, und ist auf einen Wert im Bereich von 80 °C bis 120 °C eingestellt. Hier ist der Mindestwert auf 95 °C eingestellt.
Auf der anderen Seite nimmt zum Zeitpunkt t0 die Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffs zur Brennkammer 10, die dem Verdampfer 5 Verbrennungsgas zuführt, entsprechend der Zunahme der erforderlichen Energieerzeugungsmenge zu, und die Temperatur des Verbrennungsgases der Brennkammer 10 nimmt vom Zeitpunkt t1 nach der Zunahme der Zufuhrmenge des Ergänzungsbrennstoffes schrittweise zu, wie durch die Kurve PR2 der 3B dargestellt.
Wenn die Methanolzufuhrmenge von einem Zeitpunkt t2 stufenweise zugenommen hat, so dass der Temperaturanstieg im Verdampfer 5 infolge dieser Veränderung im Verbrennungsgas und der Temperatursturz infolge der Zunahme der Methanolzufuhr zum Verdampfer 5 sich gegenseitig aufheben, wie durch die Kurve PR4 in 3C dargestellt, ändert sich die Temperatur des Vergasers 5 nicht wie durch die Linie PR5 der 3D dargestellt. Darum, wenn die Leistungsbeständigkeit des Verdampfers 5 gefestigt sein soll, ist es vorzuziehen, die Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 zu steuern so wie durch die Kurve PR4 der 3C dargestellt.
Um andererseits die Methanolzufuhrmenge kurzzeitig zu erhöhen, sollte zum Zeitpunkt t0 die Methanolzufuhrmenge auf eine bestimmte Größe angestiegen sein, und die Methanolzufuhrmenge sollte dann ab dem Zeitpunkt t2 weiter stufenweise erhöht werden, wie in 3C durch die Kurve PR3 dargestellt. In diesem Fall fällt die Temperatur des Verdampfers 5 zum Zeitpunkt t0 infolge der Zunahme der Methanolzufuhrmenge, wie durch die Kurve PR6 in 3D dargestellt, aber sogar in diesem Fall fällt die Temperatur nicht unter die untere Grenztemperatur.
Zum Zeitpunkt t3, wenn die Methanolzufuhrmenge den Zielwert erreicht, beginnt die Temperatur des Verdampfers 5 anzusteigen, und kehrt schließlich zur Ausgangstemperatur zurück. Somit wird durch Steuerung/Regelung der Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5, wie durch die Kurve PR3 in 3C dargestellt, die Energieerzeugungsmenge des Brennstoffzellenblocks 8 kurzzeitig mit der erforderlichen Energieerzeugungsmenge, in der die Methanol-Verdampfungsleistung des Verdampfers 5 nicht beeinträchtigt wird, zur Deckung gebracht.
Mit anderen Worten, wenn die Leistungsbeständigkeit des Verdampfers 5 gefestigt sein soll, ist es vorzuziehen, ersteres Steuerungs-/Regelungsverfahren anzuwenden. Wenn es wünschenswert ist, eine frühe Zunahme der Energieerzeugungsmenge des Brennstoffzellenblocks 8 hervorzubringen, ist es vorzuziehen, letzteres Steuerungs-/Regelungsverfahren anzuwenden.
Bezüglich der 4 bis 6 werden als Nächstes die Funktionsabläufe, die durch die Steuereinrichtung 100 ausgeführt werden, um die obige Steuerung/Regelung zu erreichen, beschrieben.
Der Algorithmus dieser Steuerung/Regelung kann sowohl für die erstere als auch für die letztere Steuerung/Regelung einfach durch Änderung des Wertes eines Gewichtungskoeffizienten angewendet werden.
Gemäß 4 weist die Steuereinrichtung 100 zunächst eine Temperaturvorhersageeinrichtung 25A, eine Begrenzungseinrichtung für die Methanolzufuhrmenge 25B und eine Berechnungseinheit 25C für die Brennkammer-Einstelltemperatur auf. Diese Einrichtungen stellen die Funktionsabläufe der Steuereinrichtung 100 dar, wobei ein Mikrocomputer virtuelle Einrichtungen aufweist und damit keine physikalische Einheit ist.
Als erstes sagt die Temperaturvorhersageeinrichtung 25A die Temperaturveränderung des Verdampfers 5 vorher, wenn eine Methanolmenge gemäß der erforderlichen Energieerzeugungsmenge des Brennstoffzellenblocks 8 dem Verdampfer 5 zugeführt wird. Insbesondere werden die Wasser- und Methanolzufuhrmenge, die von der erforderlichen Energieerzeugungsmenge abhängig sind, mit den tatsächlichen Zufuhrmengen, die von den Durchfluss-Sensoren 30, 31 ermittelt werden, verglichen, und ihre Zunahmemengen berechnet. Als nächstes wird die Temperatur des Verdampfers 5 nach der Zunahme dieser Versorgungsmengen vorhergesagt, indem die berechnete Wasser- und Methanolzunahmemenge verwendet wird, und die Temperatur des Verdampfers 5 durch den Temperatursensor 40 ermittelt wird. Diese Temperatur bezieht sich auf die vorausgesagte Temperatur.
Als nächstes wird die vorausgesagte Temperatur mit der unteren Grenztemperatur verglichen. Die untere Grenztemperatur ist auf 95 °C, wie oben beschrieben, eingestellt. Wenn die vorhergesagte Temperatur nicht unter die untere Grenztemperatur fällt, ist es nicht notwendig, die Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 zu begrenzen. Auf der anderen Seite, wenn die vorhergesagte Temperatur unter die untere Grenztemperatur fällt, führen die Begrenzungseinrichtung 25B der Methanolzufuhrmenge und die Berechnungseinrichtung 25C der Brennkammereinstelltemperatur zu folgendem Ablauf.
Die Begrenzungseinrichtung 25B der Methanolzufuhrmenge steuert die Arbeitsweise der Wasserpumpe 3 und der Methanolpumpe 4, so dass die Temperatur des Verdampfers 5 nicht unter die untere Grenztemperatur fällt, und begrenzt die Wasserund Methanolmengen, die dem Verdampfer 5 zugeführt werden, auf Werte, die unter den Wasser- und Methanolzufuhrmengen, die mit der erforderlichen Energieerzeugungsmenge korrespondieren, liegen.
Die Berechnungseinheit 25C der Brennkammer-Einstelltemperatur berechnet die erforderliche Temperatur des Verbrennungsgases, das von der Brennkammer 10 dem Verdampfer 5, basierend auf der erforderlichen Energieerzeugungsmenge, zugeführt wird. Als Ergebnis wird eine Ergänzungsbrennstoffmenge, die mit der erforderlichen Temperatur korrespondiert, der Brennkammer 10 zugeführt.
Die Steuereinrichtung 100 führt den obigen Funktionsablauf wiederholt in einem vorbestimmten Intervall aus, d.h. in Schritten von 100 Millisekunden in 1 Sekunde, abhängig von der Leistung der Steuereinrichtung 100. In der folgenden Be schreibung wird das vorbestimmte Intervall auf 100 Millisekunden eingestellt.
Gemäß der vorhergesagten Temperatur, die die Basis dieser Steuerung/Regelung ist, ist es natürlich wünschenswert, dass die Berechnung sehr präzise ist, aber um die Rechenbelastung der Steuereinrichtung 100 abzumildern, ist es notwendig, die Anzahl der Daten, die für die Vorhersage verwendet werden, zu begrenzen. Die Anzahl der Daten, die für die Berechnung der vorausgesagten Temperatur erforderlich sind, variieren ebenfalls infolge der laufenden Bedingungen des Brennstoffzellenblocks B.
In dieser Brennstoffzellenkraftanlage wird die Anzahl der vorausgesagten Daten durch einen Parameter P und die vorausgesagte Zeitdauer durch einen Parameter R dargestellt, beide sind positive Integerwerte. Der Zeitpunkt, bei dem die Vorhersage ausgeführt wird, wird Integer t benannt. Das vorhergesagte Intervall ist 1. Nimmt man die Anzahl der vorausgesagten Temperaturen als P an, ergibt sich die vorausgesagte Zeitdauer vom Zeitpunkt t + R + 1 bis t + R + p. Mit anderen Worten, zum Zeitpunkt t werden die P-Temperaturen vom Zeitpunkt t + R + 1 bis zum Zeitpunkt t + R + P vorausgesagt. Die Werte der Parameter P und R variieren gemäß den laufenden Bedingungen des Brennstoffzellenblockes B.
Um diese Temperaturen vorauszusagen, sind geschätzte Daten für die Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 nach dem Zeitpunkt t und aktuelle Daten für die Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 vor dem Zeitpunkt t notwendig. Das ist so, weil das Methanol, das vor dem Zeitpunkt t zugeführt wird, zum Zeitpunkt t im flüssigen Zustand bleiben kann, und nach dem Zeitpunkt t verdampft. Dieses Methanol kann eine Ursache für den Temperatursturz des Verdampfers 5 nach dem Zeitpunkt t sein.
Die Anzahl der Daten, die für die Temperaturvorhersage erforderlich sind, werden durch einen Parameter S und einen Parameter M dargestellt. Der Parameter M stellt die Anzahl der tatsächlichen Daten für die Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 vor dem Zeitpunkt t dar, und der Parameter S stellt die Anzahl der geschätzten Daten für die Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 nach dem Zeitpunkt t dar. Der Parameter S kann 0 oder eine positive Integergröße sein. Der Parameter M ist eine positive Integergröße, die nicht die Summe der Parameter R und P überschreitet.
Daher weist die Datenmenge, die für die Temperaturvorhersage verwendet wird, tatsächliche Daten für die Methanolzufuhrmenge vom Zeitpunkt t-S bis zum Zeitpunkt t-1 und die geschätzten Daten für die Methanolzufuhrmenge vom Zeitpunkt t bis zum Zeitpunkt t + M + 1 auf. Die Werte der Parameter S und M werden ebenfalls gemäß den laufenden Bedingungen des Brennstoffzellenblocks 8 variiert.
Als ein Beispiel für die Charakteristiken der Parameter R, P, M und S bezüglich der laufenden Bedingungen des Brennstoffzellenblockes 8, werden die Parameter P, R und S auf höhere Werte eingestellt, während der Parameter M auf einen kleineren Wert eingestellt wird, da die erforderliche Energieerzeugungsmenge des Brennstoffzellenblocks 8 zunimmt.
Bezüglich der Parameter P, R, S, M, werden deren optimale Werte durch einen Versuch, der den wechselnden laufenden Bedingungen des Brennstoffzellenblocks 8 sehr nahe kommt, voreingestellt, und vorab im Speicher der Steuereinrichtung 100 gespeichert.
Immer wenn eine Temperaturvoraussage gemacht wird, liest und verwendet die Steuereinrichtung 100 die Daten von einer Tabelle, die die Werte der Parameter P, R, S, M gemäß den laufenden Bedingungen des Brennstoffzellenblocks 8 speichert.
Als nächstes wird das Verfahren der Temperaturvorhersage, das von der Temperaturvoraussageeinrichtung 25A ausgeführt wird, beschrieben.
Eine bekannte Modell-Vorhersagesteuerungs/regelungstheorie wird bei dieser Temperaturvorhersage angewandt. Wenn dieses Modell der Vorhersagesteuerungs/regelungstheorie bei der Temperaturvoraussage des Verdampfers 5 angewandt wird, werden folgende Gleichungen angewandt.
Die Variablen in Gleichung (1) können durch eine der Determinanten (2) bis (5) dargestellt werden.
yp ist eine vorhergesagte Temperatur des Verdampfers 5, das durch die folgende Determinante dargestellt wird.
y ist eine gemessene Temperatur der vorhergesagten Temperatur, die durch folgende Determinante dargestellt wird.
Δuf ist eine vorhergesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge, die durch die folgende Determinante dargestellt wird.
Δuo ist eine gemessene Methanol-Zufuhränderungsmenge, die durch die folgende Determinante dargestellt wird.
In den obigen Gleichungen ist Af ein Modellkoeffizient von P Spalten und M Reihen, Ao ein Modellkoeffizient von P Spalten und S Reihen, D ist ein Differenzwert, T ist eine Transponierte einer Matrix, t ist der gegenwärtige Zeitpunkt, und R, P, M, S sind die vorab genannten Parameter.
Wie durch Gleichung (2) dargestellt, wird eine vorhergesagte Temperatur yp durch eine Matrix von P Spalten und einer Reihe, die die vorhergesagten Temperaturen P vom Zeitpunkt t + R + 1 bis zum Zeitpunkt t + p als Elemente besitzt, ausgedrückt. Die gemessene Temperatur y, wie durch Gleichung (3) dargestellt, kann durch eine Matrix von P Spalten und einer Reihe, die die gegenwärtige Temperatur des Verdampfers 5, die durch den Temperatursensor 40 ermittelt wurde, als Elemente besitzt, dargestellt werden.
Die vorhergesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf, wie durch Gleichung (4) dargestellt, kann durch eine Matrix von M Spalten und einer Reihe, die die Methanol-Zufuhrmengen, die vom Zeitpunkt t bis zum Zeitpunkt t + M – 1 vorausgesagt werden, als Elemente besitzt, dargestellt werden. Die gemessene Änderungsmenge Δuo kann durch eine Determinante, die die gemessenen Methanolzufuhrmengen vom Zeitpunkt t – 1 bis zum Zeitpunkt t – S als Elemente besitzt, dargestellt werden. Die vorhergesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf und die gemessene Änderungsmenge Δuo stellen beides Änderungsmengen zum jeweiligen Zeitpunkt, bei dem der Funktionsablauf ausgeführt wird, dar.
Der Modellkoeffizient Af wird durch eine Matrix von P Spalten und M Reihen dargestellt, und zeigt an, in welchem Umfang sich die vorhergesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf in der vorhergesagten Temperatur widerspiegelt. Der Modellkoeffizient Ao ist eine Matrix aus P Spalten und S Reihen, und zeigt an, in welchem Umfang sich die gemessene Änderungsmenge Δuo in der vorhergesagten Temperatur yp widerspiegelt. Die Modellkoeffizienten Af und Ao hängen von den Modellparametern R, P, M, S ab.
Das Zeitintervall kann auf verschiedene Einheiten eingestellt werden, aber hier ist es auf 100 Millisekunden eingestellt, was gleich dem Funktionsausführungsintervall entspricht. Darum bedeutet der Zeitpunkt t + R, dass er um 0,1 × R Sekunden hinter dem Zeitpunkt t liegt.
Um die vorausgesagte Temperatur yp zu erhalten, ist die vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf zusätzlich zur tatsächlichen Änderungsmenge Δuo, die eine gemessene Größe darstellt, und die gemessene Temperatur y, erforderlich. Die Temperaturvoraussageeinheit 25A berechnet die vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf durch folgende Gleichungen (6) bis (8).
diag [...] in den Gleichungen (7) und (8) repräsentiert eine Diagonalmatrix.
Gleichung (6) korrespondiert mit Gleichung (1), um Δuf zu lösen. Insbesondere wird Gleichung (6) durch die Fehlerquadratmethode aufgelöst, um somit die Summe der Differenzen zwischen der Zieltemperatur sp des Verdampfers 5 und der vorausgesagten Temperaturen yp zu jeder Zeit vom Zeitpunkt t + R + 1 bis zum Zeitpunkt t + R + P zu minimieren. Mit anderen Worten, es ist eine abgeleitete Form von (sp-yp)².
Die vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf kann auch anstatt durch die Fehlerquadratmethode z.B. durch die lineare Programmierungsmethode berechnet werden.
Wie aus Gleichung (6) zu ersehen ist, sind, um die vorausgesagte Änderungsmenge Δuf zu berechnen, mehrere Parameter zusätzlich zum vorab genannten Modellkoeffizienten Af und Ao notwendig. Die Zieltemperatur sp, die einer dieser Parameter ist, wird durch eine Matrix dargestellt, die die erforderliche Temperatur des Verdampfers bezüglich der erforderlichen Energieerzeugnismenge des Brennstoffzellenblocks 8 als Elemente besitzt.
Gemäß 5 werden als nächstes die Gewichtungskoeffizienten Φ und λ beschrieben.
Wie aus der Gleichung (8) zu ersehen ist, wird der Gewichtungskoeffizient λ durch eine Diagonalmatrix dargestellt, die als Elemente λ1 bis λP besitzt, die die Gewichtung bezüglich der Differenz zwischen der Zieltemperatur sp und der vorausgesagten Temperatur yp näher bezeichnet. Wie in 5 dargestellt, ist i eine natürliche Zahl von 1 bis P, der Koeffizient λi repräsentiert eine Gewichtung bezüglich einer Differenz ei zwischen der Zieltemperatur sp und der vorausgesagten Temperatur yp (t + R + i) zum Zeitpunkt t + R + i.
Wenn die Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 stark variiert, variiert die Temperatur des Verdampfers 5 auch im großen Maß, und die ermittelte Temperatur des Temperatursensors 40 kann der tatsächlichen Temperaturveränderung nicht mehr länger folgen. Wenn diese Situation eintritt, nimmt die Zuverlässigkeit des Temperaturmesswertes ab und die Temperatursteuerung/-regelung kann nicht mehr korrekt durchgeführt werden. Daher wird eine Gewichtung zum Differenzwert vorgenommen, wobei der Gewichtungskoeffizient λ verwendet wird, so dass die Veränderung der Methanol-Zufuhrmenge nicht den Erfassungsbereich des Temperatursensors 40 überschreitet. Der Gewichtungskoeffizient λ wird experimentell oder durch eine Simulation bestimmt und vorab im Speicher der Steuereinrichtung 100 gespeichert.
Wie aus Gleichung (7) zu ersehen ist, wird der Gewichtungskoeffizient Φ durch eine Diagonalmatrix mit Φ1 bis ΦM als Elemente dargestellt, die die Gewichtung gemäß der Methanol-Zufuhränderungsmenge spezifiziert.
Wenn der Gewichtungskoeffizient λ auf diag [1, 0, 0 ... 0] eingestellt wird, kann die vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf die den vorausgesagten Wert yp (t + R + 1) der Temperatur zum Zeitpunkt t + R + 1 mit der Zieltemperatur sp übereinstimmen lässt, berechnet werden. Bezüglich diag [λ1, λ2, λ3, ... λP], wenn λi auf einen Wert größer als 0 gesetzt wird, wird auch die vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf, die alle vorausgesagten Temperaturen P vom Zeitpunkt t + R + 1 bis zum Zeitpunkt t + R + p mit der Zieltemperatur sp übereinstimmen lässt, berechnet. Die Differenz zwischen diesen gewichteten Koeffizienten λ entsprechen der Differenz zwischen den Kurven PR3 und PR4 in 3C. Dadurch kann durch Auswahl des Wertes des Gewichtungskoeffizienten λ irgendeine der Charakteristiken der Kurven PR3 und PR4 oder irgendeine andere wünschenswerte Charakteristik zwischen diesen umgesetzt werden.
Wie in Gleichung (4) dargestellt, enthält die vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf, die man durch Auflösung von Gleichung (6) erhält, die Änderungsmengen als Elemente, die vom Zeitpunkt t bis zum Zeitpunkt t + M – 1 vorausgesagt wurden. Durch Ersetzen dieser vorausgesagten Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf in Gleichung (1), kann die Temperaturänderung des Verdampfers 5 bezüglich der vorausgesagten Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf vorausgesagt werden.
Bezug nehmend auf 6 wird als nächstes die Verdampfer-Temperatursteuerroutine, die von der Steuereinrichtung 100 ausgeführt wird, auf der Basis des obigen Algorithmus beschrieben. Das Ausführungszeitintervall der Routine beträgt 100 Millisekunden, wie oben beschrieben. Diese Routine korrespondiert mit dem Funktionablauf, der von der Temperaturvoraussageeinrichtung 25A, der Begrenzungseinrichtung 25B der Methanol-Zufuhrmenge und der Berechnungseinrichtung 25C der Brennkammereinstelltemperatur aus 4 ausgeführt wird.
Im Schritt S1 bestimmt die Steuereinrichtung 100 als erstes, ob es notwendig ist oder nicht, die Einstellungen der Parameter R, P, M, S, die auf den laufenden Bedingungen des Brennstoffzellenblocks 8 basieren, abzuändern.
Wenn Abänderungen notwendig sind, werden im Schritt S2 die Parameter R, P, M und S abgeändert, und die Koeffizienten Af, Ao werden zum selben Zeitpunkt neu berechnet.
Nach Verarbeitung des Schrittes 52, führt die Steuereinrichtung 100 die Verarbeitung von Schritt S3 aus. Wenn im Schritt S1 festgelegt ist, dass Abänderungen der Einstellungen der Parameter R, P, M, S nicht notwendig sind, überspringt die Steuereinrichtung 100 Schritt S2 und führt die Verarbeitung des Schrittes S3 aus.
Im Schritt S3 berechnet die Steuereinrichtung 100 die vorausgesagte Temperatur yp (R + P) des Verdampfers 5 zum Zeitpunkt R + P, wenn die derzeitige Methanolzufuhrmenge zum Verdampfer 5 von der Gleichung (1) aufrechterhalten wird. Insbesondere werden die gemessene Änderungsmenge Δuo und die gemessene Temperatur y zum gegenwärtigen Zeitpunkt in Gleichung (1) ersetzt und die vorausgesagte Temperatur yp (R + P) wird berechnet. Hierbei kann die vorausgesagte Temperatur yp (R + P) als die Temperatur des Verdampfers 5 interpretiert werden, nachdem die Veränderung der Temperatur der Brennkammer 10 konvergiert hat.
Im nächsten Schritt S4 berechnet die Steuereinrichtung 100 durch Anwendung der Gleichung (6) eine neue vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf aus der vorausgesagten Temperatur yp (R + P) und die Zieltemperatur sp wird gemäß der erforderlichen Energieerzeugungsmenge bestimmt.
Im nächsten Schritt S5 berechnet die Steuereinrichtung 100 die vorausgesagte Temperatur des Verdampfers 5 vom Zeitpunkt R + 1 bis zum Zeitpunkt R + P, indem die neue vorausge sagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf in Gleichung (1) ersetzt wird. Als Ergebnis erhält man eine veränderte Kurve der vorausgesagten Temperatur entsprechend zu den Kurven PR3 oder PR4 in 3C. Die Schritte S1 bis S5 entsprechen den Funktionsabläufen der Temperaturvoraussageeinrichtung 25A aus 4.
Im nächsten Schritt S6 bestimmt die Steuereinrichtung 100, ob irgendeine der vorausgesagten Temperaturen, die im Schritt S5 berechnet werden, niedriger sind als die untere Grenztemperatur oder nicht. Wenn keine der vorausgesagten Temperaturen niedriger als der untere Grenzwert ist, wird die Temperatur des Verdampfers 5 nicht unter den unteren Grenzwert sinken, wenn die neue vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf verwirklicht wird. In diesem Fall führt die Steuereinrichtung 100 die Verarbeitung von Schritt S8 aus. Auf der anderen Seite, wenn irgendeine der vorausgesagten Temperaturen niedriger als der untere Grenzwert ist, führt die Steuereinrichtung 100 die Verarbeitung eines Schrittes S7A aus.
Im Schritt S7A stellt die Steuereinrichtung 100 die vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf auf Null ein, um somit die Zunahme der Methanol-Zufuhrmenge zu unterdrücken. Als Ergebnis wird die derzeitige Methanol-Zufuhrmenge aufrechterhalten. Ebenso wird ein Grenzmerker, der anzeigt, dass die vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf begrenzt worden ist, auf 1 eingestellt. Der Anfangswert dieses Grenzmerkers ist Null. Der Schritt S7A entspricht den Funktionsabläufen der Begrenzungseinrichtung 25B der Methanol-Zufuhrmenge.
Im nächsten Schritt S8 berechnet die Steuereinrichtung 100 die Einstelltemperatur der Brennkammer 10. Die Ein stelltemperatur wird auf der Basis der erforderlichen Energieerzeugungsmenge des Brennstoffzellenblocks 8 errechnet. Um jedoch die Methanol-Zufuhrmenge schnell zu erhöhen, kann die Temperatur der Brennkammer 10 auch auf einen höheren Wert als der berechnete Wert eingestellt werden.
Wenn ferner die Einstelltemperatur der Brennkammer 10 auf einen höheren Wert als der berechnete Wert eingestellt wird, ist es vorteilhaft, dass die Einstelltemperatur so bestimmt wird, dass die Differenz zwischen der Einstelltemperatur und dem berechneten Wert größer ist, wobei die größere Differenz zwischen der unteren Grenztemperatur und der vorausgesagten Temperatur des Verdampfers 5 liegt. Wird die Einstelltemperatur auf diese Weise eingestellt, kann die Temperatur des Verdampfers 5 schnell erhöht werden. Bei dieser Berechnung wird z.B. ein Regelungsalgorithmus verwendet. Im Besonderen wird die Einstelltemperatur berichtigt, so dass die Differenz zwischen der unteren Grenztemperatur und der vorausgesagten Temperatur des Verdampfers 5 gleich Null ist. Der Schritt S8 entspricht den Funktionsabläufen der Berechnungseinrichtung 25C der Brennkammereinstelltemperatur.
Im nächsten Schritt S9 berechnet die Steuereinrichtung eine Veränderungsmenge des Ergänzungsbrennstoffes, der der Brennkammer 10 zugeführt wird, basierend auf der Einstelltemperatur der Brennkammer 10, die im Schritt S8 eingestellt wurde.
In den Schritten S8 und S9 kann auch, anstatt des Regelungsalgorithmus, ein Modell konstruiert werden, das die Relation zwischen der Änderungsmenge im Ergänzungsbrennstoff, das der Brennkammer 10 zugeführt wird, und der Temperaturveränderung des Verdampfers 5 darstellt, und die Veränderungsmenge des Ergänzungsbrennstoffes, das der Brennkammer 10 zugeführt wird, wird auf der Basis dieses Modells berechnet.
Die Relation zwischen der Veränderungsmenge des Ergänzungsbrennstoffes, das der Brennkammer 10 zugeführt wird, und der Temperaturveränderung des Verdampfers 5 kann durch die folgende Gleichung (9), die auf der Theorie der Prozesserkennung basiert, dargestellt werden.
Wenn der Prozessnutzen K und der Richtungskoeffizient a zuerst durch einen stufenweise durchgeführten Reaktionsversuch ermittelt werden, und die Differenz zwischen der Zieltemperatur des Verdampfers 5 und der gegenwärtigen Temperatur in Δya der Gleichung (9) ersetzt wird, kann die Veränderungsmenge Δua der Ergänzungsbrennstoff-Zufuhrmenge zur Brennkammer 10, die erforderlich ist, damit die Temperatur des Verdampfers 5 gleich dem unteren Grenzwert wird, berechnet werden.
Nach Berechnung der Änderungsmenge Δua der Ergänzungsbrennstoff-Zufuhrmenge zur Brennkammer 10 durch irgendeines der obigen Verfahren, bestimmt die Steuereinrichtung 100 im Schritt S10, ob der Grenzmerker = 1 ist oder nicht. Wenn der Grenzmerker = 1, wie oben beschrieben, ist, zeigt er an, dass die vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf begrenzt worden ist.
Wenn der Grenzmerker = 1 ist, vergleicht die Steuereinrichtung 100 im Schritt S11 die Temperatur der Brennkammer 10, wenn der Grenzmerker von 0 auf 1 verändert wurde, mit der gegenwärtigen Temperatur der Brennkammer 10. Wenn die Temperatur der Brennkammer 10 ansteigt, nachdem der Grenzmerker von 0 auf 1 verändert wurde, vergleicht die Steuereinrichtung 100 im Schritt S12 die Temperatur des Verdampfers 5, wenn der Grenzmerker von 0 auf 1 verändert wurde, mit der gegenwärtigen Temperatur des Verdampfers 5.
Wenn die Temperatur des Verdampfers 5 ansteigt, nachdem der Grenzmerker von 0 auf 1 verändert wurde, löst die Steuereinrichtung 100 im Schritt S13 die Begrenzung der vorausgesagten Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf auf und setzt den Grenzmerker wieder auf 0.
Die Änderungsmenge der Methanol-Zufuhrmenge zum Verdampfer 5 wird, nachdem die Begrenzung aufgehoben wurde, auf einen Wert eingestellt, mit dem der Temperaturabfall durch den Temperaturanstieg des Verdampfers 5 infolge des Temperaturanstiegs der Brennkammer 10 ausgeglichen wird, oder sie wird auf einen kleineren Wert als diesen einsgestellt. Wenn die Änderungsmenge der Methanol-Zufuhrmenge nach Auflösen der Begrenzung in dieser Weise bestimmt wird, kann die Methanol-Zufuhrmenge in einem Bereich erhöht werden, der keinen Temperatursturz des Verdampfers 5 verursacht.
Im nächsten Schritt S14 sendet die Steuereinrichtung 100 Signale an die Methanolpumpe 4 und die Wasserpumpe 3, die auf der Änderungsmenge der Methanol-Zufuhrmenge, die durch den obigen Ablauf bestimmt wurde, basiert und sendet ein Signal an die Brennstoffpumpe 34, das der Änderungsmenge der Ergänzungsbrennstoff-Zufuhrmenge zur Brennkammer 10 entspricht.
Auf der anderen Seite, wenn der Grenzmerker im Schritt S10 nicht gleich 1 ist, oder die Temperatur der Brennkammer 10 nicht zunimmt, nachdem der Grenzmerker von 0 auf 1 im Schritt S11 verändert wurde, oder die Temperatur des Verdampfers 5 nicht zugenommen hat, nachdem der Grenzmerker von 0 auf 1 im Schritt S12 gesetzt wurde, ist es möglich, dass die Temperatur des Verdampfers 5 infolge der Veränderung der vorhergesagten Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf abgenommen hat. Daher führt in irgendeinem der oben erwähnten Fälle die Steuereinrichtung 100 die Verarbeitung des Schrittes S14 aus, so dass die vorhergesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf seinen begrenzten Wert beibehält.
Wenn gemäß dieser Routine irgendeine der vorausgesagten Temperaturen im Schritt S6 niedriger als die untere Grenztemperatur ist, wird die vorhergesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf auf 0 begrenzt, und die Steuereinrichtung 100 sendet ein Signal zum Aufrechthalten an die Methanolpumpe 4 und die Wasserpumpe 5, damit die Zufuhrmenge von Methanol und Wasser zum Verdampfer 5 nicht erhöht wird.
Andererseits, wenn die Veränderungsmenge der Methanol-Zufuhrmenge nicht begrenzt wird, werden Signale entsprechend der vorhergesagten Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf, die im Schritt S4 berechnet werden, entsprechend an die Methanolpumpe 4 und die Wasserpumpe 3 ausgesendet.
Ferner werden in dem Fall, bei dem der Grenzmerker im Schritt S7A erst auf 1 gesetzt wurde und dann im Schritt S13 auf 0 zurückgesetzt wurde, die Signale entsprechend der vorhergesagten Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf, die im Schritt S13 neu berechnet wurden, an die Methanolpumpe 4 und die Wasserpumpe 3 im Schritt S14 ausgesendet.
Gemäß diesen Ausführungen wird im Schritt S7A die vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf auf 0 begrenzt, so dass die Temperatursteuerung/regelung entsprechend der Charakteristik der Kurve PR4 in 3 ausgeführt wird.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung bezüglich der 7 beschrieben.
[0123] Diese Ausführungsform bezieht sich auf eine Temperatursteuerroutine, bei der die Temperatursteuerung/regelung entsprechend der Charakteristik der Kurve PR3 in 3C ausgeführt wird. Die Steuereinrichtung 100 führt anstatt der Routine aus 6 der ersten Ausführungsform die Routine, wie in 7 dargestellt, aus.
Bezüglich 7 wird in dieser Ausführungsform ein Schritt S7B anstatt des Schrittes S7A der ersten Ausführungsform ausgeführt. Die verbleibenden Merkmale dieser Routine und die Hardware der Brennstoffzellenkraftanlage sind identisch mit denen der ersten Ausführungsform.
Im Schritt S7B aktualisiert die Steuereinrichtung 100 die vorausgesagte Methanol-Zufuhränderungsmenge Δuf, so dass die vorausgesagte Temperatur des Verdampfers 5, der im Schritt S5 ermittelt wurde, mit der unteren Grenztemperatur übereinstimmt. Diese Verarbeitung entspricht der Einstellung der Zieltemperatur sp gleich der unteren Grenztemperatur und wiederholt die Berechnung von Schritt S4. Diese Berechnung kann auch durch Anwendung der Gleichung (9), die auf der Prozesserkennungstheorie basiert, ausgeführt werden.
Gemäß dieser Ausführungsform variiert die Temperatur des Verdampfers 5 in der folgenden Weise. Die Temperatur des Verdampfers 5 fällt infolge der Zunahme der Methanolmenge, die dem Verdampfer 5 zugeführt wird, aber infolge der Zunahme der Ergänzungsbrennstoffmenge, die der Brennkammer 10 zugeführt wird, wird die Zunahme der Methanol-Zufuhrmenge in einem Bereich erlaubt, in dem die Temperatur des Verdampfers 5 nicht unter die untere Grenztemperatur fällt. Da sich die Temperatur der Brennkammer 10 der Zieltemperatur annähert, nimmt auch die Zuwachsmenge der Methanol-Zufuhrmenge zum Verdampfer 5 zu. Mit anderen Worten, die Methanol-Zufuhrmenge nimmt zu, während die Temperatur des Verdampfers 5 die untere Grenztemperatur aufrechterhält.
Wenn die Methanol-Zufuhrmenge die Zielzufuhrmenge erreicht, ist die Temperatur des Verdampfers 5 gleich dem unteren Grenzwert, aber infolge des nachfolgenden Temperaturanstiegs der Brennkammer 10, erreicht die Temperatur des Verdampfers 5 schließlich die Zieltemperatur.
Es ist möglich, wenn die Steuerung/Regelung so ausgeführt wird, dass die vorhergesagte Temperatur des Verdampfers 5 vollständig mit der unteren Grenztemperatur übereinstimmt, dass dann die Temperatur des Verdampfers 5 für einen Moment unter die untere Grenztemperatur infolge einiger Gründe im Verarbeitungsablauf fallen kann, wobei die Temperatur des Verdampfers 5 zur Zieltemperatur konvergiert. Um solch eine Situation zu vermeiden, ist es wünschenswert, der unteren Grenztemperatur Toleranz zu gewähren. Insbesondere wird die berechnete untere Grenztemperatur so eingestellt, dass sie etwas höher als die Mindesttemperatur, die zum Verdampfen des Methanols erforderlich ist, ist.
Wie oben beschrieben wird gemäß dieser Erfindung eine Begrenzung für die Zunahme der Methanol-Zufuhrmenge, die auf der vorausgesagten Temperatur des Verdampfers 5 basiert, angewendet, so dass die Temperatur des Verdampfers 5 der Brennstoffzellenkraftanlage immer passend zu einer Temperatur für die Methanolverdampfung aufrechterhalten werden kann.
Obwohl oben die Erfindung in Bezug zu bestimmten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht gegenüber den oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Abänderungen und Varianten der oben beschriebenen Ausführungsformen erscheinen den Durchschnittsfachleuten im Licht der oben genannten Lehre.
Die Ausführungsformen dieser Erfindung, in denen ein exklusives Eigentum oder Privileg beansprucht wird, werden wie folgt definiert:

Claims

Eine Brennstoffzellenkraftanlage, die Folgendes aufweist: einen Verdampfer (5), der Wärme für ein flüssiges Ausgangsmaterial verwendet und ein verdampftes Ausgangsmaterial erzeugt; einen Brennstoffzellenblock (8), der Energie durch die Verwendung wasserstoffreichen Gases erzeugt, das er vom verdampften Ausgangsmaterial erhält; eine Vorrichtung (4), die dem Verdampfer (5) flüssiges Ausgangsmaterial zuführt; einen Sensor (9), der einen Energieerzeugungsbedarf des Brennstoffzellenblocks ermittelt; und eine programmierbare Steuereinrichtung (100), die programmiert ist zur: Berechnung der Zufuhrmenge eines flüssigen Ausgangsmaterials für den Verdampfer (5), die auf dem Energieerzeugungsbedarf (S4) basiert; Berechnung einer vorhergesagten Temperatur des Verdampfers (5), die auf der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials (S5) basiert; und Steuerung/Regelung der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials, dass durch die Versorgungsvorrichtung (4) zugeführt wird, um somit zu verhindern, dass die vorhergesagte Temperatur unter eine vorbestimmte Temperatur (S7A, S7B) fällt.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Temperatur gleich einer Mindesttemperatur gesetzt wird, bei der der Verdampfer (5) das flüssige Ausgangsmaterial, das dabei zugeführt wird, verdampfen kann.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß Anspruch 1, wobei die Brennstoffenzellenkraftanlage ferner einen Temperatursensor (40) aufweist, der eine Temperatur des Verdampfers (5) ermittelt, und die vorbestimmte Temperatur gleich der Temperatur gesetzt wird, die durch den Temperatursensor (40) ermittelt wird.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (100) ferner so programmiert ist, um die Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials der Versorgungsvorrichtungen (3, 4) zu regeln, sodass die vorausgesagte Temperatur nicht unter die vorbestimmte Temperatur fällt, indem die Zunahme der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterial der Versorgungsvorrichtungen (3, 4) (S7A, S7B) unterdrückt wird.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (100) ferner so programmiert ist, um einen Zuwachsbetrag der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials, der auf dem Energieerzeugungsbedarf (S4) basiert, zu berechnen, Berechnung mehrerer vorausgesagter Temperaturen des Verdampfers (5) in einer Zeitfolge, die mit dem Zuwachsbetrag (S5) korrespondieren, und Unterdrücken des Zuwachses der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterial der Versorgungseinrichtung (3, 4), wenn irgendeiner aus der Anzahl der vorhergesagten Temperaturen niedriger als die vorbestimmte Temperatur (S6, S7A, S7B) ist.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Brennstoffzellenkraftanlage ferner eine Brennkammer (10) aufweist, die dem Verdampfer (5) Wärme zuführt, und die Steuereinrichtung (100) ferner programmiert ist, die Brennkammer (10) so zu regeln, um die Temperatur der Wärme, die die Brennkammer (10) dem Verdampfer (5) zuführt, zu erhöhen, sobald der Energieerzeugungsbedarf zunimmt (S8).
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß Anspruch 6, wobei die Steuereinrichtung (100) ferner so programmiert ist, um eine Einstelltemperatur der Wärme, die die Brennkammer infolge des Energieerzeugungsbedarfes dem Verdampfer (5) zuführt, zu berechnen, Berichtigung der Einstelltemperatur auf eine berichtigte Temperatur, die eine Differenz zwischen der vorbestimmten Temperatur und der vorausgesagten Temperatur eliminiert, und um die Brennkammer (10) zu regeln, damit die Temperatur der Wärme, die die Brennkammer (10) dem Verdampfer (5) zuführt, gleich der berichtigten Temperatur (S8) ist.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Brennstoffzellenkraftanlage ferner einen Sensor (21, 22, 40) aufweist, der eine Temperatur des Verdampfers (5) ermittelt, und ferner die Steuereinrichtung (100) programmiert ist, um einen Datensatz einer aktuellen Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials, die dem Verdampfer (5) zugeführt wird, zu speichern, Berechnen einer neuen Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials, basierend auf einer vorbestimmten Zieltemperatur, die auf der erforderlichen Energieerzeugungsmenge, auf dem Datensatz der tatsächlichen Zufuhrmenge des Ausgangsmaterials und auf der Temperatur des Verdampfers (5, S4) basiert, und Berechnen der vorausgesagten Temperatur, die auf der neuen Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials (S5) basiert.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß Anspruch 8, wobei die Brennstoffzellenkraftanlage eine Brennkammer (10) aufweist, die dem Verdampfer (5) Wärme zuführt, indem Verbrennungsgas vom Ergänzungsbrennstoff verwendet wird, und der Temperatursensor (21, 22, 40) einen Sensor (21, 22), der die Temperatur des Verbrennungsgases ermittelt, aufweist.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuereinrichtung (100) ferner programmiert ist, um eine Zunahme der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials zu begrenzen, wenn die vorausgesagte Temperatur niedriger als die vorbestimmte Temperatur (S7A, S7B) ist.
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß Anspruch 10, wobei die Brennstoffzellenkraftanlage ferner einen Sensor (40) aufweist, der die Temperatur des Verdampfers (5) ermittelt, und ferner die Steuereinrichtung (100) programmiert ist, um die Zunahme der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials nicht zu begrenzen, wenn die Temperatur des Verdampfers (5) ansteigt, während die Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials der Versorgungseinrichtung (3, 4) begrenzt wird (S11 bis S13) .
Die Brennstoffzellenkraftanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das flüssige Ausgangsmaterial ein Brennstoff ist, der Kohlenstoff und Wasserstoff beinhaltet, und die Brennstoffenzellenkraftanlage ferner einen Reformer (6) aufweist, der verdampftes Ausgangsmaterial nachformiert, um wasserstoffreiches Gas zu erhalten.
Ein Verfahren zur Steuerung/Regelung eines flüssigen Ausgangsmaterials, das einem Verdampfer (5) einer Brennstoffzellenkraftanlage zugeführt wird, wobei die Brennstoffzellenkraftanlage einen Brennstoffzellenblock (8) aufweist, der Energie durch Anwendung wasserstoffreichen Gases erzeugt, das er von einem verdampften Ausgangsmaterial, das durch den Verdampfer (5) erzeugt wird, erhält, der Verdampfer (5) verdampftes Ausgangsmaterial durch Wärmezufuhr zum flüssigen Ausgangsmaterial erzeugt, und eine Vorrichtung (4), die dem Verdampfer (5) flüssiges Ausgangsmaterial zuführt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Ermitteln eines Energieerzeugungsbedarfs des Brennstoffzellenblocks (8); Berechnen einer Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials für den Verdampfer (5), der auf dem Energieerzeugungsbedarf basiert; Berechnen einer vorausgesagten Temperatur des Verdampfers (5), die auf der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials basiert; und Regeln der Zufuhrmenge des flüssigen Ausgangsmaterials, die durch die Versorgungseinrichtung (4) zugeführt wird, um somit zu verhindern, dass die vorausgesagte Temperatur unter eine vorbestimmte Temperatur fällt.