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DE10141843A1 - Wasserstoffversorgungsvorrichtung - Google Patents

Wasserstoffversorgungsvorrichtung

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Publication number
DE10141843A1
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Authority
DE
Germany
Prior art keywords
reforming
section
temperature fluid
hydrogen
combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE10141843A
Other languages
English (en)
Inventor
Yasuo Kondo
Tadayoshi Terao
Kiyoshi Kawaguchi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority claimed from JP2000308033A external-priority patent/JP2002121004A/ja
Priority claimed from JP2001130121A external-priority patent/JP4759837B2/ja
Application filed by Denso Corp filed Critical Denso Corp
Publication of DE10141843A1 publication Critical patent/DE10141843A1/de
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Abstract

Es ist eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung offenbart, um Wasserstoff zu erzeugen und um den Wasserstoff einer Brennstoffzelle (60) zuzuführen, mit einem Wärmeaustauschabschnitt (20), der einen thermischen Rotationsspeicher (21) enthält, durch den ein Niedrigtemperatur- und ein Hochtemperaturkanal (A, B) hindurch verläuft. Ein Reformierungsmaterial wird dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnitts zugeführt. Ein Reformierungsabschnitt (30) zum Erzeugen von reformiertem Gas, das Wasserstoff enthält, ist an der stromaufwärtigen Seite des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals angeordnet. Ein Verbrennungsgas-Versorgungsabschnitt (70) zum Erzeugen und Zuführen eines Verbrennungsgases ist in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal angeordnet. Der thermische Rotationsspeicher dreht sich, um sich abwechselnd zwischen den Niedrigtemperatur- und Hochtemperatur-Strömungsmittelkanälen zu bewegen, so daß eine Wärme des Verbrennungsgases, das in der Hochtemperatur-Strömungsmittelleitung strömt, auf das Reformierungsmaterial, das in der Niedrigtemperatur-Strömungsmittelleitung strömt, übertragen wird. Der Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal kommuniziert über die Brennstoffzelle mit dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff entsprechend einer Spaltungsreaktion oder Reformierungs­ reaktion von Reformierungsmaterial und Zuführen des erzeugten Wasserstoffes zu einer Wasserstoffverbrauchsvorrichtung.
Gemäß dem Stand der Technik ist eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung be­ kannt und in der JP-A-11-343101 offenbart. Die herkömmliche Wasserstoffversor­ gungsvorrichtung besitzt eine Konstruktion, bei der das Abgas einer Brennstoffzelle in einem Verbrennungsabschnitt verbrannt wird, um die Verbrennungshitze des Verbren­ nungsgases zu dem Reformierungsmaterial zu übertragen. Jedoch sind die Vorheiz- und Verdampfungsabschnitte, durch die das Reformierungsmaterial hindurch verläuft und in denen das Reformierungsmaterial vorerhitzt wird und durch die Verbrennungshitze ver­ dampft wird, die von dem Verbrennungsabschnitt her übertragen wird, bevor eine Zu­ fuhr zu dem Reformierungsabschnitt erfolgt, an Positionen gelegen, die von einer stromabwärtigen Seite des Verbrennungsabschnittes weit entfernt sind.
Die herkömmliche Wasserstoffversorgungsvorrichtung mit der oben erläuterten Konstruktion ist mit dem Nachteil behaftet, daß die Hitze, die zu den Vorheiz- und Ver­ dampfungsabschnitten von dem Verbrennungsabschnitt her übertragen wird, indirekt auf das Reformierungsmaterial übertragen wird, was zu einer unzureichenden Hitze­ übertragung auf das Reformierungsmaterial führt, und darüber hinaus ist die Hitzeüber­ tragung auf das Reformierungsmaterial nicht effektiv, da die Vorheiz- und Ver­ dampfungsabschnitte weit von dem Verbrennungsabschnitt entfernt gelegen sind.
Ferner besteht die Wahrscheinlichkeit, daß zu einem Zeitpunkt der in Betrieb­ nahme der herkömmlichen Wasserstoffversorgungsvorrichtung noch nicht reagiertes Verbrennungsgas, welches schädliche Komponenten enthält, und zwar auf Grund einer unvollständigen Verbrennung, nach außen hin ausgestoßen wird.
Um ferner sowohl eine Dampf-Nebel-Reformierung (eine endotherme Reaktion) und eine Teiloxidationsreformierung (eine exotherme Reaktion) in einem Spaltungs- oder Reformierungsabschnitt durchzuführen, wird ein Reformierungsmaterial, welches Brennstoff, Wasser und Luft enthält und welches erhitzt worden ist und auch verdampft worden ist, und zwar durch einen Wärmeaustauscher (Verdampfer), zu dem Reformierungsabschnitt zugeführt wird, so daß karbonisierte Komponenten, die bei einer Reaktion des Brennstoffes mit dem Sauerstoff in der Luft erzeugt werden, in dem Wärmeaustauscher niedergeschlagen werden, was zu einer Verengung und Blockierung eines Reformierungsmaterialströmungspfades des Wärmeaustauschers führt. Wenn spe­ ziell ein flüssiger Petroleumbrennstoff als Spaltungs- oder Reformierungsmaterial ver­ wendet wird, ist das Niederschlagen in dem Wärmeaustauscher ausgeprägt.
Im Hinblick auf die oben erläuterten Probleme besteht eine Aufgabe der vorlie­ genden Erfindung darin, eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu schaffen, bei der die Wärme des Verbrennungsgases direkt auf das Spaltungs- oder Reformierungsmate­ rial übertragen wird, so daß ein Abstand zum Übertragen der Wärme von dem Verbren­ nungsgas auf das Reformierungsmaterial minimal gestaltet wird.
Um die zuvor erläuterte Aufgabe zu lösen, besitzt die Wasserstoffversorgungsvor­ richtung zum Herstellen und zum Zuführen von Wasserstoff zu einer Wasserstoffver­ brauchsvorrichtung einen Wärmeaustauschabschnitt mit einem thermischen Rotations­ speicher, durch den Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturkanäle oder Durchgänge hindurch verlaufen. Der thermische Rotationsspeicher besitzt eine umlaufende Welle, um die der thermische Rotationsspeicher herum angetrieben wird, um sich zu drehen. Das Reformierungsmaterial wird dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes zugeführt. Ein Reformierungsabschnitt zur Herstellung von reformiertem Gas, welches Wasserstoff enthält, ist auf einer stromabwärtigen Seite des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelka­ nals gelegen. Ein Verbrennungsgaszuführabschnitt zum Erzeugen und zum Zuführen eines Verbrennungsgases ist in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal gelegen.
Bei der Wasserstoffversorgungsvorrichtung, wie sie oben erläutert ist, dreht sich der thermische Rotationsspeicher derart, daß er sich abwechselnd zwischen den Niedrig- und Hochtemperatur-Strömungsmittelkanälen bewegt, so daß die Verbrennungswärme des Verbrennungsgases, welches in der Hochtemperatur-Strömungsmittelleitung fließt, auf das Reformierungsmaterial übertragen wird, welches in der Niedrigtemperatur- Strömungsmittelleitung strömt.
Eine Strömungsmittelleckage könnte an einem Zwischenraum zwischen dem thermischen Rotationsspeicher und den Gasdichtungen auftreten, die in Gleitkontakt mit dem thermischen Rotationsspeicher in Richtung von dem Niedrigtemperatur-Strö­ mungsmittelkanal zu dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal hin stehen. Es ist da­ her zu bevorzugen, daß eine Druck ausübende Einrichtung, wie beispielsweise ein Gas­ kompressor, vorgesehen wird, um den Druck für das Verbrennungsgas zu erhöhen, wel­ ches in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal strömt.
In bevorzugter Weise ist der Gaskompressor in einem Reformiergasversorgungs­ pfad gelegen, der eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem Reformierungsab­ schnitt und der Wasserstoffverbrauchsvorrichtung, wie einer Brennstoffzelle, herstellt, so daß der Druck des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals isobar zu oder höher ist als der Druck des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals, was dazu führt, eine Strö­ mungsmittelleckage aus dem Spalt oder Zwischenraum zwischen dem thermischen Rotationsspeicher und den Gasdichtungen zu verhindern.
Es ist ferner zu bevorzugen, daß eine Druckeinstelleinrichtung vorgesehen wird, beispielsweise ein Drucksteuerventil, welches betrieben werden kann, um einen Strö­ mungsmittelströmungsdurchgangsbereich zu ändern, wobei derartige Druckeinstellein­ richtungen bei dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal auf einer stromaufwärti­ gen Seite des Wärmeaustauschabschnittes und/oder bei dem Hochtemperatur-Strö­ mungsmittelkanal auf einer stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes ge­ legen sind. Eine ECU steuert den Betrieb der Druckeinstelleinrichtungen nach dem Empfang von Signalen von Sensoren, die den Druck detektieren und die in den Niedrig- und/oder Hochtemperatur-Strömungsmittelkanälen in der Nachbarschaft des thermi­ schen Rotationsspeichers gelegen sind, so daß eine Druckdifferenz zwischen den Nied­ rig- und Hochtemperatur-Strömungsmittelleitungen in einfacher Weise eingestellt wer­ den kann.
Es ist darüber hinaus zu bevorzugen, daß das Reformierungsmaterial von zwei unterschiedlichen Versorgungsabschnitten her zugeführt wird. Einer besteht aus einem ersten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt, von welchem ein erstes Reformierungsmaterial, welches wenigstens Wasser (und Luft) enthält, zu dem Niedrig­ temperatur-Strömungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des Wär­ meaustauschabschnittes zugeführt wird. Der andere eine besteht aus einem zweiten Re­ formierungsmaterialversorgungsabschnitt, von welchem aus ein zweites Reformie­ rungsmaterial (Brennstoff), welches wenigstens Hydridverbindungen enthält, zu dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal auf einer stromabwärtigen Seite des Wär­ meaustauschabschnittes zugeführt wird und mit dem ersten Reformierungsmaterial vermischt wird, um das Reformierungsmaterial zu bilden. Mit Hilfe dieser Konstruktion kann das Niederschlagen von Reformierungsmaterial an den Wänden der thermischen Rotationsspeichereinrichtung und das Blockieren der Durchgangslöcher der thermischen Rotationsspeichereinrichtung verhindert werden.
Es ist ferner zu bevorzugen, daß das Abgas (off gas), welches nicht reagierten Wasserstoff enthält, der in der Wasserstoffverbrauchsvorrichtung nicht verbraucht wurde, von der Wasserstoffverbrauchsvorrichtung zu dem Verbrennungsgasversor­ gungsabschnitt zugeführt wird, um das Verbrennungsgas zu erzeugen.
Zu einem Zeitpunkt der Aktivierung oder Betätigung der Wasserstoffversor­ gungsvorrichtung dient eine Zündeinrichtung, die in dem Verbrennungsgasversorgungs­ abschnitt vorgesehen ist, dazu, den Brennstoff zu entzünden und eine Flammenver­ brennung zu initiieren, um den thermischen Rotationsspeicher schneller aufzuheizen und auch den Reformierungsabschnitt aufzuheizen. Die Zündeinrichtung kann in einer Betätigungsverbrennungskammer des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals auf einer stromaufwärtigen Seiten des Wärmeaustauschabschnittes angeordnet sein oder auch zwischen dem Wärmeaustauschabschnitt und dem Reformierungsabschnitt, um das reformierte Material zu entzünden und die Flammenverbrennung zu initiieren.
Andere Merkmale und Vorteile als auch Verfahren des Betriebes und der Funktion der miteinander in Beziehung stehenden Teile aus einem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung, der anhängenden Ansprüche und der Zeichnungen, die alle Teil dieser Anmeldung bilden. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild, welches eine allgemeine Konstruktion einer Wasserstoff­ versorgungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung von Fig. 1 veranschaulicht;
Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Wärmeaustauschab­ schnittes von Fig. 2;
Fig. 4A ein Diagramm, welches ein Beispiel einer rechteckförmigen Zellenkonfigura­ tion veranschaulicht, welche den thermischen Rotationsspeicher von Fig. 2 ausmacht;
Fig. 4B ein Diagramm, welches ein anderes Beispiel einer dreieckförmigen Zellen­ konfiguration veranschaulicht, die den thermischen Rotationsspeicher von Fig. 2 ausmacht;
Fig. 5 ein Blockschaltbild, welches ein Steuersystem der Wasserstoffversorgungs­ vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform wiedergibt;
Fig. 6A bis 6C vergrößerte Querschnittsansichten, welche die Abdichtbedingungen des thermischen Rotationsspeichers durch Gasdichtungen veranschaulichen;
Fig. 7A bis 7C andere vergrößerte Querschnittsansichten, welche die Abdichtbe­ dingungen oder Zustände des thermischen Rotationsspeichers durch die Gas­ dichtungen veranschaulichen;
Fig. 8 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 9 ein Blockschaltbild, welches eine allgemeine Konstruktion einer Wasserstoff­ versorgungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung wiedergibt;
Fig. 10 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung von Fig. 9 veranschaulicht;
Fig. 11A eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Mischkammer, in der ein erstes und ein zweites Reformierungsmaterial gemischt werden;
Fig. 11B eine Querschnittsansicht, gesehen entlang der Linie XIB-XIB in Fig. 11A;
Fig. 12 ein Blockschaltbild, welches das Steuersystem der Wasserstoffversorgungs­ vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht;
Fig. 13 ein Konzeptdiagramm, welches eine allgemeine Konstruktion einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 14A und 14B Konzeptdiagramme, die andere Beispiele des ersten und des zweiten Reformierungsversorgungsabschnittes von Fig. 13 veranschaulichen;
Fig. 15 ein Konzeptgiagramm, welches eine Abwandlung des Wärmeaustauschers von Fig. 13 darstellt;
Fig. 16 ein Blockschaltbild, welches eine allgemeine Konstruktion einer Wasserstoff­ versorgungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung zeigt;
Fig. 17 ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung von Fig. 16 veranschaulicht;
Fig. 18 eine perspektivische Ansicht des Wärmeaustauschers von Fig. 17;
Fig. 19A eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Kopplungsabschnittes eines Roh­ res und einer Flosse des Wärmeaustauschers von Fig. 18;
Fig. 19B eine Querschnittsansicht gemäß einer Ansicht entlang der Linie XIXB-XIXB von Fig. 19A;
Fig. 20 eine konzeptmäßige Ansicht, welche einen Reformierungsmaterialversor­ gungsabschnitt und einen Wärmeaustauscher einer Wasserstofferzeugungs­ vorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung veranschaulicht;
Fig. 21 eine perspektivische Ansicht, die lediglich den Wärmeaustauscher gemäß der sechsten Ausführungsform darstellt;
Fig. 22 eine teilweise vergrößerte Darstellung des Wärmeaustauschers von Fig. 21;
Fig. 23A eine Querschnittsansicht einer ersten Wärmeaustauschkammer, die den Wär­ meaustauscher von Fig. 21 mit bildet;
Fig. 23B eine Querschnittsansicht einer zweiten Wärmeaustauschkammer, die den Wärmeaustauscher von Fig. 21 mit bildet;
Fig. 24 eine konzeptmäßige Ansicht, die einen Reformierungsmaterialversorgungsab­ schnitt eines Wärmeaustauschers einer Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veran­ schaulicht;
Fig. 25 eine konzeptmäßige Ansicht, die einen Reformierungsmaterialversorgungsab­ schnitt und einen Wärmeaustauscher einer Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß einer Abwandlung der fünften Ausführungsform wiedergibt; und
Fig. 26 eine konzeptmäßige Ansicht, die einen Reformierungsmaterialversorgungsab­ schnitt und einen Wärmeaustauscher einer Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß einer anderen Abwandlung der fünften Ausführungsform veranschau­ licht.
Erste Ausführungsform
Unter Hinweis auf die Fig. 1 bis 6C wird eine erste Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, welches eine allge­ meine Konstruktion einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Fig. 2 ist ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung der Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung wiedergibt. Die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform schickt Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle 60, die als eine Wasserstoffverbrauchsvorrichtung funktioniert.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, enthält die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform einen Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10, einen Wärmeaustauschabschnitt (Verdampfungsabschnitt) 20, einen Reformierungs­ abschnitt 30, einen CO-Beseitigungsabschnitt 42 und 44, einen Gaskompressor (Druck erzeugende Einrichtung) 51 und einen Verbrennungsgasversorgungsabschnitt (Abgas­ versorgungsabschnitt) 70. Darüber hinaus bildet bei der Wasserstoffversorgungsvor­ richtung ein Gehäuse 1 einen Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal (einen Refor­ mierungsmaterialdurchgang oder -kanal) A zum Hindurchschicken des Reformierungs­ materials und bildet einen Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal (einen Verbrennungs­ gaskanal oder -durchgang) B zum Hindurchschicken des Verbrennungsgases. Der Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A und der Hochtemperatur-Strömungsmit­ telkanal B verlaufen parallel zueinander. Der Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A und der Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B sind voneinander unabhängig und die Wärme wird über den Wärmeaustauschabschnitt 20 ausgetauscht.
In dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A wird das Reformierungsmate­ rial (eine Mischung aus Wasser, Luft und synthetischem Brennstoff) von dem Refor­ mierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 zugeführt und wird bei dem Wärmeaus­ tauschabschnitt 20 erhitzt und verdampft (in einen Gaszustand versetzt). Das ver­ dampfte Reformierungsmaterial wird an dem Reformierungsabschnitt 30 reformiert, und zwar in ein reformiertes Gas, welches H2 und CO enthält. Danach wird das CO an den CO-Beseitigungsabschnitten 42 und 44 beseitigt und wird als ein wasserstoffreiches Gas vermittels des Gaskompressors 51 der Brennstoffzelle 60 zugeführt.
Der Brennstoffzelle 60 wird Luft (Sauerstoff) zusammen mit Wasserstoff durch eine Luftversorgungspumpe (nicht gezeigt) zugeführt, so daß Energie erzeugt wird, und zwar auf Grund einer elektrochemischen Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff. In der Brennstoffzelle 60 wird Abgas abgegeben, welches nicht reagierten Wasserstoff enthält, der für die Energieerzeugung nicht verwendet wurde.
In dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B wird das Abgas zu dem Brenn­ stoffgasversorgungsabschnitt 70 zugeführt, und zwar über einen Abgasversorgungsab­ schnitt 61, so daß das Abgas verbrannt wird, indem es zu dem Verbrennungsgas wird. Die Verbrennungswärme des Verbrennungsgases, welches in dem Hochtemperatur- Strömungsmittelkanal B strömt, wird über den Wärmeaustauschabschnitt 20 auf das Reformierungsmaterial übertragen, welches in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmit­ telkanal A strömt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein flüssiger Petroleum­ brennstoff, wie beispielsweise Benzin und Kerosin, als Reformierungsbrennstoff ver­ wendet (als eines der Reformierungsmaterialien).
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 zum Zuführen der Reformierungsmaterialien (Wasser, Luft und Reformierungsbrenn­ stoff) an einem obersten Strömungsabschnitt des Niedrigtemperatur-Strömungsmit­ telkanals A plaziert. Der Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 enthält ein Brennstoffströmungsratensteuerventil 11, ein Wasserströmungsratensteuerventil 12, einen Luftzuführkanal 13, eine Sprühdüse 15 und eine Mischkammer 16. In dem Luft­ zuführkanal 13 ist ein Einlaßsteuerventil (eine Druckeinstelleinrichtung) 14 vorgesehen, die den Kanaldurchtrittsbereich oder -durchgangsfläche des Luftzufuhrkanals 13 ändern kann.
Der Reformierungsbrennstoff und das Wasser, deren Strömungsraten durch das Brennstoffströmungsratensteuerventil 11 und das Wasserströmungsratensteuerventil 12 jeweils gesteuert werden, werden aus der Sprühdüse 15 in die Mischkammer 16 hinein versprüht, so daß sie mit Luft vermischt werden, die von dem Luftzufuhrkanal 13 aus zugeführt wird, so daß dann eine Brennstoff-Luft-Mischung aus Brennstoff, Wasser und Luft erzeugt wird. Der Gaskompressor 51, der an späterer Stelle noch beschrieben wird, zieht die Luft an, um sie der Mischkammer 16 zuzuführen.
Auf einer stromabwärtigen Seite eines ersten Reformierungsmaterialversorgungs­ abschnittes 10 in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A ist der Wärmeaus­ tauschabschnitt (Verdampfungsabschnitt) 20 angeordnet. Der Wärmeaustauschabschnitt 20 gemäß der ersten Ausführungsform besteht aus einem Wärmeaustauscher vom Rota­ tionstyp.
Fig. 3 zeigt eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht des Wärmeaus­ tauschabschnittes (Verdampfungsabschnittes) 20. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, enthält der Wärmeaustauschabschnitt 20 einen thermischen Rotationsspeicher (Matrix) 21 zum Speichern von thermischer Energie, ein Paar von Restgasdichtungen 22 und 23, um ein Gaslecken zu verhindern, indem diese dicht anliegend entlang der Matrix 21 gleiten, und enthält einen Antriebsmotor 24 für den Drehantrieb der Matrix 21.
Die Matrix 21 ist in einer Scheibengestalt ausgeführt und ist aus einem wärmewi­ derstandsfähigen Keramikmaterial wie Cordierit hergestellt. Die Matrix 21 besitzt eine honigwabenartige Struktur mit vielen Durchgangslöchern (Zellen) 21a entlang einer axialen Richtung, die darin ausgebildet sind. Ein umfangsmäßiger Oberflächenabschnitt 21b, der in Berührung mit den Gasdichtungen 22 und 23 der Matrix 21 steht, ist entwe­ der mit einem Zement beschichtet oder ist fest mit Hilfe eines festen Keramikringes angebracht, um dadurch eine Abdichtfläche zu bilden.
Die Fig. 4A und 4B sind Diagramme, die Beispiele der Zellenkonfigurationen zeigen, die den thermischen Rotationsspeicher 21 mit bilden, der gemäß den Fig. 4A aus einer rechteckförmigen Zelle und gemäß Fig. 4B aus einer dreieckförmigen Zelle besteht. Ein Oxidationskatalysator (wie beispielsweise Platin, Palladium oder eine Mischung aus diesen) 25 ist an jeder Oberfläche der Zelle angebracht (oder wird dort gehaltert). Dadurch kann dann das Abgas von der Brennstoffzelle 60, welches dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B zugeführt wird, katalytisch verbrannt werden.
Eine Drehwelle 26 und ein Lager 27, die auf der Seite des Gehäuses 1 vorgesehen sind, haltern die Matrix 21. Die Drehwelle 26 ist an einer festen Nabe 21d befestigt, die an dem Zentrum der Matrix 21 vorgesehen ist. Die Matrix 21 wird durch einen Leistungsmotor 24 in Drehung versetzt. An einer Umfangsfläche der Matrix ist ein Ringzahnrad 21c vorgesehen. Die Drehkraft von dem Leistungsmotor 24 wird auf das Ringzahnrad 21c über ein Kleinzahnrad 24a übertragen, welches auf der Drehwelle des Leistungsmotors 24 befestigt ist. Da das Lager 27 in Form eines gleitfähigen Teiles in einer Hochtemperaturatmosphäre verwendet wird, ist es aus einem nicht schmierenden Hochtemperaturmaterial (wie beispielsweise harten Kohlenstoffmaterialien) hergestellt.
Die Gasdichtungen 22 und 23 sind aus Keramik oder einem hitzewiderstands­ fähigen Metall, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, als Beispiel hergestellt. Die erste Gasdichtung 22 ist auf der stromaufwärtigen Seite des Niedrigtemperatur-Strömungs­ mittelkanals A und der stromabwärtigen Seite des Hochtemperatur-Strömungsmittelka­ nals B angeordnet und ist in solcher Weise ausgebildet, daß ein halb-zylinderförmiger Flansch 22a und ein quer verlaufender Arm 22b, der durch das Zentrum derselben in einer Richtung eines Durchmessers verläuft, so miteinander verbunden sind, daß eine D- Gestalt gebildet wird. Andererseits ist die zweite Gasdichtung 23 auf der stromabwär­ tigen Seite des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals A und der stromaufwärtigen Seite des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals B positioniert und ist in solcher Weise ausgebildet, daß ein Zylinderflansch 23a und ein Querarm 23b, der durch das Zentrum derselben in einer Richtung eines Durchmessers verläuft, integriert sind, um eine Θ-Gestalt zu formen.
Gleitoberflächen der Querarme 22b und 23b und die Dichtoberflächen der Gas­ dichtungen 22c und 23c, die in Berührung mit der Umfangsfläche 21b der Matrix 21 stehen, sind dadurch ausgebildet oder hergestellt, indem diese mit einem nichtschmie­ renden Hochtemperaturmaterial bzw. -schicht beschichtet werden (nicht gezeigt), wel­ che Materialschicht einen niedrigen Reibungskoeffizienten besitzt, um die Reibung zwi­ schen der Matrix 21 und den Gasdichtungen 22 und 23 zu reduzieren.
Um zu verhindern, daß ein unter hohen Druck gesetztes Reformierungsmaterial, welches in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal A fließt, leckt, und zwar in den Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B hinein, liegen die Gasdichtungen 22 und 23 zwischen der Matrix 21 und dem Gehäuse 1 zum Zwecke einer Abdichtung. Die Gas­ dichtungen 22 und 23 sind an dem Gehäuse 1 befestigt, während die Abdichtflächen 22c und 23c die Matrix 21 von beiden Seiten entlang der Axialrichtung einfassen. Die Ma­ trix 21 ist in zwei Bereiche durch die Querarme 22b und 23b der Gasdichtungen 22 und 23 jeweils aufgeteilt.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird die Matrix 21 so plaziert, daß sie sowohl den Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A als auch den Hochtemperatur-Strömungs­ mittelkanal B, die zueinander parallel verlaufen, kreuzt. Dabei wird ein Bereich, der durch die Querarme 22b und 23b der Gasdichtungen 22 und 23 jeweils aufgeteilt wird, in den Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A positioniert, während ein anderer Bereich in den Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B positioniert wird. Die Matrix 21 führt eine gleitende Rotationsbewegung zwischen den Gasdichtungen 22 und 23 aus und bewegt sich abwechselnd zwischen dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A (in welchem das Reformierungsmaterial hindurch verläuft) und dem Hochtemperatur- Strömungsmittelkanal B (in welchem das Abgas (Verbrennungsgas) hindurch verläuft). In dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B empfängt die Matrix 21 die Wärme von dem Verbrennungsgas, welches durch die Durchgangslöcher 21a hindurch strömt, und bewegt sich dann zu dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A, um die Wärme auf das Reformierungsmaterial zu übertragen, welches durch die Durchgangs­ löcher 21a hindurch strömt, um das Material aufzuheizen und zu verdampfen.
Indem dabei die Drehzahl der Matrix 21 gesteuert wird, kann die Wärmeüber­ tragungsrate von dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B auf den Niedrigtempe­ ratur-Strömungsmittelkanal A eingestellt werden. Indem man speziell die Drehzahl der Matrix 21 erhöht, kann die Wärmeübertragungsrate erhöht werden. In gleicher Weise kann man durch Vermindern der Drehgeschwindigkeit die Wärmeübertragungsrate re­ duzieren.
Da darüber hinaus die erste Gasdichtung 22 die D-gestaltete Konstruktion besitzt, wird die stromaufwärtige Seite des thermischen Rotationsspeichers 21 in dem Niedrig­ temperatur-Strömungsmittelkanal A nicht abgedichtet. Somit tritt bei dem Niedrigtem­ peratur-Strömungsmittelkanal A das auf niedriger Temperatur befindliche Reformie­ rungsmaterial vor der Aufheizung in einen Raum 28 zwischen dem Gehäuse 1 und dem thermischen Rotationsspeicher 21 ein. Es ist daher möglich, das Ringzahnrad 21a des thermischen Rotationsspeichers 21 und das Kleinzahnrad 24a des Leistungsmotors 24 zu kühlen, die beide heiß werden.
Die zweite Gasdichtung 23 besitzt die Θ-gestaltete Konstruktion und es wird die stromabwärtigen Seite des thermischen Rotationsspeichers 21 in den Niedrigtemperatur- Strömungsmittelkanal A abgedichtet. Demzufolge wird das Reformierungsmaterial, welches in den Raum 28 zwischen dem Gehäuse 1 und dem thermischen Rotationsspeicher 21 in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A eingetreten ist, daran gehindert, den thermischen Rotationsspeicher 21 in einem kurzen Durchgang zu passieren, so daß dadurch die Möglichkeit geschaffen wird, in sicherer Weise das Reformierungsmaterial durch den thermischen Rotationsspeicher 21 hindurch zu leiten.
Auf der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 ist der Refor­ mierungsabschnitt 30 vorgesehen. In dem Reformierungsabschnitt 30 gemäß der ersten Ausführungsform wird eine Teiloxidationsreformierung (eine exotherme Reaktion) in Verbindung mit einer Dampfgasreformierung (einer endothermen Reaktion) verwendet. Ein Reformierungskatalysator (ein Element aus Nickeloxid, Kupferoxid, Platin, Palla­ dium oder ähnlichem oder eine Mischung aus diesen) ist an dem Reformierungsab­ schnitt 30 angebracht. In dem Reformierungsabschnitt 30 wird das verdampfte Refor­ mierungsmaterial, nachdem es in dem Wärmeaustauschabschnitt 20 erhitzt wurde, re­ formiert, um ein reformiertes Gas, welches H2 und CO enthält, zu erzeugen. Der Refor­ mierungsabschnitt 30 enthält auch einen Temperatursensor (eine Temperaturdetektoreinrichtung) 40, um eine Temperatur des Reformierungskatalysators zu detektieren.
Auf der stromabwärtigen Seite des Reformierungsabschnittes 30 sind die CO-Be­ seitigungsabschnitte 42 und 44 zur Beseitigung des CO aus dem reformierten Gas vor­ gesehen. Die CO-Beseitigungsabschnitte 42 und 44 bestehen aus einem CO-Verschiebe­ abschnitt 42 und aus einem CO-Reinigungsabschnitt 44. Ein Verschiebekatalysator ist in dem CO-Verschiebeabschnitt 42 vorgesehen, und zwar zum Zwecke einer CO-Ver­ schiebungsreaktion (H2O + CO → CO2 + H2), und zum Zwecke des Entfernens des in der CO-Verschiebungsreaktion nicht reagierten COs ist ein Reinigungskatalysator in dem CO-Reinigungsabschnitt 44 für eine CO-Reinigungsreaktion vorgesehen (CO + 1/2 O2 → CO2).
Auf der stromaufwärtigen Seite des CO-Verschiebeabschnitts 42 ist ein erster Kühlabschnitt 41 vorgesehen, um das reformierte Gas auf eine erforderliche Temperatur für die CO-Verschiebereaktion abzukühlen. Auf der stromaufwärtigen Seite des CO-Beseitigungsabschnitts 44 ist ein zweiter Kühlabschnitt 43 vorgesehen, um das refor­ mierte Gas auf eine erforderliche Temperatur für die CO-Beseitigungsreaktion abzu­ kühlen.
Wie darüber hinaus noch an späterer Stelle beschrieben wird, sind auf der strom­ abwärtigen Seite der CO-Beseitigungsabschnitte 42 und 44, der Gaskompressor 52 und die Brennstoffzelle 60 vorgesehen. Der Gaskompressor 51 zeitigt eine bessere Ansaug­ wirkung oder Ansaugwirkungsgrad, wenn eine Temperatur eines angesaugten Strö­ mungsmittels niedrig liegt. Die Brennstoffzelle 60 zeitigt einen höchsten Energieerzeu­ gungswirkungsgrad, wenn eine Temperatur sich auf einer vorbestimmten Temperatur (ca. 80°C) befindet. Aus dem oben erläuterten Grund ist auf der stromabwärtigen Seite der CO-Beseitigungsabschnitte 42 und 44 ein dritter Kühlabschnitt 45 vorgesehen, um dadurch den Ansaugwirkungsgrad des Gaskompressors 51 zu verbessern und um den Energieerzeugungswirkungsgrad der Brennstoffzelle 60 zu verbessern.
Um das reformierte Gas der Brennstoffzelle 60 zuzuführen, ist in einem Refor­ miergasversorgungspfad 50 ein Gaskompressor 51 vom Einstoßtyp (push-in-type) vor­ gesehen. Der Gaskompressor 51 wird durch den Leistungsmotor 52 angetrieben, der Gaskompressor 51 ändert die Menge des reformierten Gases, welches der Brennstoff­ zelle 60 zugeführt wird, und zwar in Einklang mit Änderungen im Bedarf einer Aus­ gangsgröße in bezug auf die Brennstoffzelle 60. Es wird über einen Einlaß des Gaskom­ pressors 51 Luft angesaugt und wird dem Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 zugeführt. In dem Gaskompressor 51 ist der Druck auf der Abzugsseite höher als auf der Einzugsseite oder Einsaugseite. Somit kann der Druck so eingestellt werden, daß ein Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals B höher liegt als ein Druck Pa des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals A auf der Ansaugseite.
Auf der stromabwärtigen Seite des Gaskompressors 51 ist ein vierter Kühlab­ schnitt 53 vorgesehen, um das reformierte Gas auf eine angemessene Temperatur für eine elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 60 abzukühlen, da nämlich die Temperatur des reformierten Gases auf Grund der Kompression durch den Gaskom­ pressor angehoben worden ist.
Die stromabwärtige Seite des vierten Kühlabschnitts 53 ist mit der Brennstoffzelle 60 in Form der Wasserstoffverbrauchsvorrichtung verbunden und wird mit dem reformierten Gas, welches Wasserstoff enthält, versorgt. Auch wird der Brennstoffzelle 60 die Luft (Sauerstoff) zusammen mit dem Wasserstoff zugeführt und es wird auf Grund der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Energie erzeugt. In der Brennstoffzelle 60 wird ein Abgas, welches nicht reagierten Wasserstoff enthält, der für die Energieerzeugung nicht verbraucht worden ist, ausgestoßen.
Auf der stromaufwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B ist ein Verbrennungsgasversorgungsabschnitt (ein Abgasversorgungsabschnitt) 70 zum Aufheizen des Wärmeaustauschabschnittes 20 vorgesehen. Der Verbrennungsgasversorgungsabschnitt 70 enthält ein Abgasströmungs­ ratensteuerventil 71, ein Brennstoffströmungsratensteuerventil (einen Verbrennungs­ brennstoffversorgungsabschnitt) 72, eine Sprühdüse 73, eine Zündkerze (Zündeinrich­ tung) 74 und eine Misch-/Verbrennungskammer 75.
Dem Verbrennungsgasversorgungsabschnitt 70 wird das Abgas, welches den nicht reagierten Wasserstoff enthält, welches aus der Brennstoffzelle 60 ausgetragen wurde, über den Abgasversorgungskanal 61 zugeführt. Dadurch werden der Niedrigtemperatur- Strömungsmittelkanal A und der Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B über den Reformierungsgasversorgungspfad 50 und einen Abgasversorgungspfad 61 miteinander verkettet. Ferner wird dem Verbrennungsgasversorgungsabschnitt 70 Abgasluft, die nicht reagierten Sauerstoff enthält, die aus der Brennstoffzelle 60 ausgetragen wurde, über einen Abgasluftversorgungspfad 62 zugeführt.
Das Abgas und die Abluft werden aus der Sprühdüse 73 in die Misch-/Ver­ brennungskammer 75 hineingesprüht, um dadurch eine Abgasmischung herzustel­ len. Die Abgasmischung wird dem Wärmeaustauschabschnitt 20 zugeführt und bildet das Verbrennungsgas mit Hilfe einer Katalysatorverbrennung auf Grund des Oxidationskatalysators, welcher in dem Wärmeaustauschabschnitt 20 vorgesehen ist. Die Verbrennungswärme des Verbrennungsgases erhitzt den thermischen Rotations­ speicher 21. Der thermische Rotationsspeicher 21 empfängt die Wärme in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B und heizt das Reformierungsmaterial in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A auf Grund seiner Drehung auf.
Wenn die Wasserstoffversorgungsvorrichtung betätigt oder in Betrieb genommen wird, wird anstelle des Abgases ein Betätigungsbrennstoff (der Verbrennungsbrenn­ stoff), dessen Strömungsrate mit Hilfe des Brennstoffströmungsratensteuerventils ge­ steuert wird, in die Verbrennungskammer 75 eingesprüht und wird durch die Zündkerze 74 entzündet, wodurch dann das Verbrennungsgas durch Flammenverbrennung erzeugt wird. Bei der ersten Ausführungsform wird ähnlich dem Reformierungsbrennstoff ein Brennstoff vom Typ eines flüssigen Petroleums als Betätigungsbrennstoff verwendet.
In der Nachbarschaft oder Nähe des Wärmeaustauschabschnitts 20 in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A (der stromaufwärtigen Seite des Wär­ meaustauschabschnittes 20 bei der vorliegenden Ausführungsform) ein erster Drucksen­ sor (eine erste Druckdetektoreinrichtung) 80 vorgesehen, um einen Druck Pa eines Ab­ schnitts zu detektieren, wo der thermische Rotationsspeicher 21 vorgesehen ist, wobei dieser Sensor in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A vorgesehen ist. Da­ rüber hinaus ist in der Nähe des Wärmeaustauschabschnittes 20 in dem Hochtempera­ tur-Strömungsmittelkanal B (der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 bei der vorliegenden Ausführungsform) ein zweiter Drucksensor (eine zweite Druck­ detektoreinrichtung) 81 vorgesehen, um einen Druck Pb eines Abschnitts zu detektieren, wo der thermische Rotationsspeicher 21 vorgesehen ist, und zwar in dem Hochtempe­ ratur-Strömungsmittelkanal B. Die Drucksensoren 80 und 81 detektieren jeweils den Druck Pa und Pb des Strömungsmittels, welches durch die Durchgangslöcher 21a auf der Seite des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals A des thermischen Rotations­ speichers 21 bzw. auf der Seite des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals B hindurch strömt.
Darüber hinaus ist die stromabwärtige Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B mit einem Drosselrohr (einem Ver­ brennungsgasausstoßkanal) 82 ausgestattet und das Drosselrohr 82 ist mit einem Ab­ gassteuerventil (einer Druckeinstelleinrichtung) 83 zum Ändern eines Durchgangsberei­ ches versehen.
Mit Hilfe des oben beschriebenen Gaskompressors 51 und dem Abgassteuerventil 83 kann ein Druck zu dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B hinzu addiert wer­ den. Darüber hinaus kann ein Druck in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A mit Hilfe des Ansaugsteuerventils 14 des Luftversorgungskanals 13 in dem Gaskom­ pressor 51 und dem Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 30 reduziert werden. Spezifischer gesagt, wenn der Gaskompressor 51 aktiviert wird, kann der Bereich oder die Fläche des Verbrennungsgasaustragkanals 82 mit Hilfe des Austrags- oder Ab­ gassteuerventils 83 vermindert werden, um dadurch einen Widerstand des Abgases zu erhöhen, wodurch dann der Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals B erhöht wird. In gleicher Weise kann dann, wenn der Gaskompressor 51 aktiviert wird, der Bereich oder die Fläche des Luftversorgungskanals 13 mit Hilfe des Ansaugsteuer­ ventils 14 reduziert werden, um den Widerstand der Ansaugluft zu erhöhen, wodurch dann der Druck Pa des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals A reduziert wird.
Fig. 5 veranschaulicht ein Steuersystem für die Wasserstoffversorgungsvorrich­ tung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, enthält die Wasserstoffversorgungsvorrichtung der ersten Ausführungsform einen Steuerabschnitt (ECU) 90, um verschiedene Steuervorgänge durchzuführen. Ein Temperatursignal, wel­ ches durch den Temperatursensor 40 detektiert wurde, und ein Drucksignal, welches durch die Drucksensoren 80 und 81 detektiert wurde, werden dem Steuerabschnitt 90 eingespeist, um Steuersignale auszugeben, und zwar an jede der Einrichtungen gemäß den Strömungsratensteuerventilen 11, 12, 71 und 72, den Ansaugsteuerventilen 14 und 83, dem Antriebsmotor 24 für den thermischen Rotationsspeicher und für die Zündkerze 74.
Es wird nun die Aktivierung der Wasserstoffversorgungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Konstruktion weiter unten beschrieben. Zuerst wird die Betätigung der Wasserstoffversorgungsvorrichtung beschrieben. Um eine Reformierungsreaktion in dem Reformierungsabschnitt 30 zu starten, ist es erforderlich, daß das Reformierungs­ material, welches dem Reformierungsabschnitt 30 zugeführt wird, verdampft wird und daß eine Temperatur des Reformierungskatalysators des Reformierungsabschnittes 30 auf eine vorbestimmte Temperatur angehoben wird, um dadurch die Möglichkeit zu schaffen, die Reformierungsreaktion zu starten.
Dann werden in der Verbrennungskammer 75 des Verbrennungsgasversorgungs­ abschnittes 70 der Betätigungsbrennstoff und die Luft gemischt, um eine Brennstoff- Luft-Mischung zu erzeugen, und diese wird dann mit Hilfe der Zündkerze 74 gezündet, und zwar zum Zwecke einer Flammenverbrennung. Das Verbrennungsgas, welches durch die Flammenverbrennung erzeugt wird, strömt durch den Wärmeaustauschab­ schnitt 20, indem es durch den Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B hindurch ver­ läuft. Dadurch wird ein Abschnitt des thermischen Rotationsspeichers 21, der in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B gelegen ist, durch die Verbrennungskammer aufgeheizt. Zu diesem Zeitpunkt wird dann der Gaskompressor 51 aktiviert, um Luft dem Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 zuzuführen.
Entsprechend der Drehung des thermischen Rotationsspeichers 21 bewegt sich der Abschnitt, der durch das Verbrennungsgas aufgeheizt wurde, zu dem Niedrigtempera­ tur-Strömungsmittelkanal A, wodurch dann bewirkt wird, daß die Luft, die in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A strömt, erhitzt wird. Da die erhitzte Luft in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A strömt, wird jede Komponente auf der stromabwärtigen Seite von dem Wärmeaustauschabschnitt 20 sehr schnell aufgewärmt.
Zu diesem Zeitpunkt enthält das Verbrennungsgas, welches in dem Verbrennungs­ gasversorgungsabschnitt 70 erzeugt wurde, ein schädliches Gas entsprechend einer un­ vollständigen Verbrennung oder ähnlichem. Wenn jedoch das Verbrennungsgas durch den thermischen Rotationsspeicher 21 hindurch verläuft, wird das Gas katalytisch durch den Oxidationskatalysator 25 verbrannt, der an der Oberfläche der Durchgangslöcher 21a angebracht ist (das heißt es tritt eine katalytische Oxidationsreaktion auf). Somit kann der Verbrennungsgas vollständig für eine Oxidationsreaktion (vollständige Ver­ brennung) verwendet werden, wenn ein Mischungsverhältnis des Antriebsbrennstoffes und der Luft angenähert für eine Flammenverbrennung eingestellt ist, und es wird die schädliche Komponente in dem Verbrennungsgas katalytisch in dem Wärmeaus­ tauschabschnitt 20 verbrannt. Demzufolge wird das schädliche Gas, welches in dem Verbrennungsgas oder Abgas enthalten ist, in ausreichender Weise gereinigt, so daß es nach außen hin ausgetragen werden kann.
Die Verbrennungshitze des Verbrennungsgases wärmt (das heißt bewirkt eine Voraufheizung) jede Komponente des Reformierungssystems sehr schnell auf, nämlich den Wärmeaustauschabschnitt 20, den Reformierungsabschnitt 30 und die CO-Beseitigungsabschnitte (den Verschiebeabschnitt und den Reinigungsabschnitt) 42 und 44. Wenn dann eine Temperatur des Reformierungsabschnitts 30, die durch den Tempe­ ratursensor 40 detektiert wird, die vorbestimmte Temperatur zum Starten einer Refor­ mierungsreaktion erreicht, können die Komponenten des Reformierungssystems, welche den Reformierungskatalysator enthalten, feststellen, daß die Temperatur einen Punkt erreicht hat, bei dem die Reformierungsreaktion initiiert werden kann. Demzufolge wird der Antriebsbrennstoff, welcher dem Verbrennungsgasversorgungsabschnitt 70 zuge­ führt wird, angehalten, um die Flammenverbrennung zu stoppen.
Die vorbestimmte Temperatur zum Starten der Reformierungsreaktion kann will­ kürlich in Einklang mit einem Typ oder ähnlichem eines synthetischen Brennstoffes eingestellt werden. Wenn ein Brennstoff vom Typ Petroleum als Reformierungsbrenn­ stoff bei der ersten Ausführungsform verwendet wird, kann die Temperatur auf ca. 300°C bis 400°C eingestellt werden.
Wenn das Aufwärmen von jeder Komponente vervollständigt wurde, beginnt der Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 mit der Zufuhr des Reformierungsmate­ rials (der Mischung aus Wasser, Luft und Reformierungsbrennstoff). Das Reformierungsmaterial wird aufgeheizt und wird in dem Wärmeaustauschabschnitt 20 verdampft. Das verdampfte Reformierungsmaterial wird in dem Reformierungsabschnitt 30 reformiert, und zwar in das Reformierungsgas, welches H2 und CO enthält. Das CO des Reformierungsgases wird in den CO-Beseitigungsabschnitten 42 und 44 beseitigt und wird der Brennstoffzelle 60 über den Gaskompressor 51 zugeführt.
In der Brennstoffzelle 60 tritt eine chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff auf, um Energie zu erzeugen, und das Abgas, welches nicht reagier­ ten Wasserstoff enthält, und die Abluft, die nicht reagierten Sauerstoff enthält, werden abgegeben. Das Abgas und die Abluft werden in den Verbrennungsgasversorgungsab­ schnitt 70 des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals B über einen Abgaseinleitkanal 61 und einen Abluftzuführpfad 62 jeweils zugeführt, so daß dabei eine Abgasmischung entsteht. Die Abgasmischung wird dem Wärmeaustauschabschnitt 20 zugeführt und es wird die katalytische Verbrennung initiiert, wenn diese durch den thermischen Rota­ tionsspeicher 21 hindurch strömt. Die durch die katalytische Verbrennung des Abgases erzeugte Wärme wird in dem thermischen Rotationsspeicher 21 gespeichert. Wenn der thermische Rotationsspeicher eine Drehbewegung durchführt, wird das Reformierungs­ material, welches durch den Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A hindurch strömt, erhitzt und verdampft.
Somit heizt die Wärme, die durch die katalytische Verbrennung des Abgases er­ zeugt, das Reformierungsmaterial zum Zwecke einer Verdampfung auf und es kann die stromabwärtige Seite des Reformierungsabschnitts 30 durch das erhitzte Refor­ mierungsmaterial aufgeheizt werden. Demzufolge wird das Erhitzen des Wärmeaus­ tauschabschnitts 20 und des Reformierungsabschnitts 30 von einem Erhitzen durch die Flammenverbrennung des Antriebsbrennstoffes auf ein Erhitzen durch die Abgasver­ brennung umgeschaltet, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, einen Eigenantrieb der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu starten.
Indem man zu diesem Zeitpunkt die Ausgangssignale des Gaskompressors 51 und die Ventilbewegung des Einlaßsteuerventils 14 und des Auslaßsteuerventils 82 einstellt, wird der Druck, der durch die Drucksensoren 80 und 81 detektiert wird, so eingestellt, daß der Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals B und der Druck Pa des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals A isobar werden oder der Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals B höher wird als der Druck Pa des Niedrigtem­ peratur-Strömungsmittelkanals A. In Verbindung mit der Verhinderung einer Gas­ leckage, die durch eine Abdichtleckage verursacht wird, ist es zu bevorzugten, daß der Druck Pa des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals A und der Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals isobar sind.
Es sei darauf hingewiesen, daß der Ausdruck "isobar", der hier verwendet wird, einen Fall mit umschließt, bei dem der Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungs­ mittelkanals B geringfügig niedriger liegt als der Druck Pa des Niedrigtemperatur- Strömungsmittelkanals A solange als 1) kein Strömungsmittel aus dem Niedrigtempe­ ratur-Strömungsmittelkanal A zu dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B über einen Raum des Dichtungsabschnittes der Gasdichtungen 22 und 23 und dem thermi­ schen Rotationsspeicher 21 in dem Wärmeaustauschabschnitt 20 leckt, oder 2) sich das Auftreten einer Strömungsmittelleckage in einem Bereich bewegt, bei dem ein Austre­ ten des schädlichen Gases nach außen hin ignoriert werden kann.
Als nächstes wird, wenn eine Last der Brennstoffzelle 60 Schwankungen unter­ worfen ist, eine Menge des Reformierungsmaterials, welches von dem Gaskompressor 51 zugeführt wird, in Einklang mit der Lastschwankung der Brennstoffzelle 60 so ein­ gestellt, daß eine Menge des Wasserstoffes, welcher zu der Brennstoffzelle 60 zugeführt wird, eingestellt wird. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Menge des Reformierungsgases, welches von dem Gaskompressor 51 zugeführt wird, zunimmt, wird der Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals B höher und, wenn diese abnimmt, wird der Druck niedriger. Aus diesem Grund wird die Ventilbewegung des Ansaugsteuerventils 14 und des Abgassteuerventils 82 so eingestellt, um den Druck so einzustellen, daß folgendes gilt: Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanaldruck Pa ≦ Hochtemperatur- Strömungsmittelkanaldruck Pb.
Wenn die Zufuhrmenge des Wasserstoffes in der Wasserstoffversorgungsvorrich­ tung zunimmt, wird eine Temperatur des Reformierungsabschnitts 30 niedriger, und zwar auf Grund einer Erhöhung der Wärmeabsorption, die durch die Reformierungs­ reaktion in dem Reformierungsabschnitt 30 bewirkt wird, und es wird somit erforder­ lich, eine Heizmenge des Reformierungsabschnitts 30 zu erhöhen. Es entsteht jedoch eine Zeitverzögerung zwischen der Zunahme in der Zuführmenge des Wasserstoffes in der Wasserstoffversorgungsvorrichtung und einer Zunahme in einer Abgasmenge des Abgases in der Brennstoffzelle 60. Wenn somit die Zufuhrmenge an Wasserstoff in der Wasserstoffversorgungsvorrichtung sehr plötzlich zunimmt, ist die Verbrennungshitze aus der Abgasverbrennung unzureichend. In diesem Fall kann ein zeitweiliges Ein­ sprühen des Antriebsbrennstoffes in den Verbrennungsgaszuführabschnitt 70, um mit Hilfe der Zündkerze 74 entzündet zu werden, die Verbrennungshitze der Flammenver­ brennung zum Zuführen von Wärme verwendet werden. Demzufolge kann die Refor­ mierungsreaktion immer unter einer gewünschten Temperatur einfach durchgeführt werden.
Indem man darüber hinaus das Mischverhältnis der Luft in dem Reformierungs­ material erhöht, wird es möglich, die Rate einer partialen Oxidationsreaktion (exother­ me Reaktion) in dem Reformierungsabschnitt 30 zu erhöhen, wodurch die Wärmeer­ zeugungsmenge in dem Reformierungsabschnitt 30 erhöht wird. Dies kann auch dazu verwendet werden, um jegliches Zukurzkommen der Verbrennungswärme der Abgas­ verbrennung zu kompensieren. Indem man ferner die Drehgeschwindigkeit des ther­ mischen Rotationsspeichers 21 beschleunigt, kann die Wärmeübertragungsrate von dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B zu dem Niedrigtemperatur-Strömungsmit­ telkanal A erhöht werden, wodurch eine Kompensation des Verbrennungswärme­ mangels der Abgasverbrennung kompensiert wird.
Es sei darauf hingewiesen, daß der Temperatursensor 40 direkt ein Absinken einer Temperatur des Reformierungsabschnitts 30 detektieren kann, und zwar auf Grund einer Lasterhöhung in der Brennstoffzelle 60. Wenn alternativ die Brennstoffzelle 60 bei­ spielsweise als eine Antriebsenergie eines Motors eines fahrenden Fahrzeugs verwendet wird, kann es sich um eine Konstruktion handeln, bei der eine Lastschwankung der Brennstoffzelle 60 vorausgesagt wird, und zwar auf der Grundlage des Grades der Drosselklappenöffnung, um dadurch eine Temperaturänderung des Reformierungsab­ schnittes 30 vorherzusagen.
Um die Zufuhr des Wasserstoffes aus der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu der Brennstoffzelle 60 zu stoppen, wird zuerst die Zufuhr des Reformierungsbrennstof­ fes und des Wassers gestoppt und dann wird die Zufuhr der Luft gestoppt. Während dieser Zeit wird eine verbrennbare Gasmischung, die in dem Niedrigtemperatur-Strö­ mungsmittelkanal A verblieben ist, vollständig innerhalb des Wärmeaustauschab­ schnittes 20 in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B oder durch katalytische Verbrennung an einer Oberfläche desselben verbrannt, so daß dadurch eine Abgasemis­ sion unterdrückt wird. Indem ferner das Einlaßsteuerventil 14 und das Auslaßsteuerven­ til 83 zum Zeitpunkt des Stoppens der Wasserstoffversorgungsvorrichtung geschlossen wird, kann das schädliche Gas in der Wasserstoffversorgungsvorrichtung eingeschlos­ sen werden, so daß dadurch effektiv verhindert wird, daß das schädliche Gas nach außen hin ausgetragen wird.
Es wird nun als nächstes unter Hinweis auf die Fig. 6A bis 7C eine Gasleckage beschrieben, die in dem drehbaren Wärmeaustauscher 20 auftritt. Die Fig. 6A bis 7C zeigen vergrößerte Querschnittsansichten, welche die Abdichtbedingungen oder Zu­ stände des thermischen Rotationsspeichers 21 mit Hilfe der Gasdichtungen 22 und 23 veranschaulichen. Die Fig. 6B und 7B veranschaulichen Querschnittsstrukturen des thermischen Rotationsspeichers 21 und der Gasdichtungen 22 und 23. Die Fig. 6A, 7A, 6C und 7C veranschaulichen die Gasdichtungen 22 und 23, gesehen von einer Strö­ mungsrichtung von jedem Strömungsmittel aus. Der thermische Rotationsspeicher 21 dreht sich in der Richtung eines Pfeils L.
Wie in Fig. 6B gezeigt ist, enthält der thermische Rotationsspeicher 21 viele darin ausgebildete Durchgangslöcher 21a. Er ist derart angeordnet, daß er sowohl den Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A zum Durchlassen des Reformierungsma­ terials als auch den Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B zum Durchlassen des Ver­ brennungsgases kreuzt. Auch sind an den Endflächen auf beiden Seiten der Öffnungen der Durchgangslöcher 21a des thermischen Rotationsspeichers 21 die Gasdichtungen 22 und 23 angeordnet, die an dem Gehäuse. 1 befestigt sind, so daß der thermische Rotationsspeicher 21 eine Gleitrotationsbewegung zwischen den Gasdichtungen 22 und 23 in Richtung des Pfeils L ausführt, wie dies in den Fig. 6A und 6C gezeigt ist.
Es gibt zwei Typen von Gaslecks, die in dem Wärmerotationsaustauscher 20 auf­ treten: einer besteht aus einer Dichtungsleckage M, bei der ein Lecken unmittelbar zwi­ schen dem thermischen Rotationsspeicher 21 und den Gasdichtungen 22 und 23 auftritt; und der andere besteht aus einer Transferleckage N auf Grund des Übertragungsvor­ ganges während des Einschlusses in dem thermischen Rotationsspeicher 21. Die Dichtungsleckage M tritt auf, da eine Druckdifferenz zwischen dem Niedrigtemperatur- Strömungsmittelkanal A und dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B vorhanden ist und auch der Raum an der Kontaktoberfläche zwischen dem thermischen Rotations­ speicher 21 und den Gasdichtungen 22 und 23.
Eine Leckagemenge der Übertragungsleckage N wird erhöht oder vermindert in Einklang mit der Drehgeschwindigkeit des thermischen Rotationsspeichers 21. Da der thermische Rotationsspeicher 21 gewöhnlich bei niedriger Drehzahl verwendet wird (gleich oder weniger als 50 Umdrehungen pro Minute, um ein Beispiel zu nennen), ist die Leckagemenge oder das Leckageausmaß kleiner als die Dichtungsleckage M und kann vernachlässigt werden.
Der Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A und der Hochtemperatur- Strömungsmittelkanal B sind über die Brennstoffzelle verkettet. Auf Grund eines Druckverlustes steht der Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B auf der stromabwär­ tigen Seite gewöhnlich unter niedrigem Druck, und zwar verglichen mit dem Niedrig­ temperatur-Strömungsmittelkanal A auf der stromaufwärtigen Seite. Somit tritt, wie dies in den Fig. 6A bis 6C gezeigt ist, die Dichtleckage M in dem Wärmeaustauschab­ schnitt 20 in einer Richtung von dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A zu dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B hin auf.
Solch eine Dichtungsleckage M existiert in zweierlei Hinsicht: eine besteht aus einer Gasleckage, die von dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A zu dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B über die Querarme 22b und 23b der Gas­ dichtungen 22 und 23 auftritt; und die andere besteht aus einer Gasleckage, die in den Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B hin auftritt, und zwar über die Flansche 22a und 23a der Gasdichtungen 22 und 23, nachdem ein Strömungsmittel zur Hochtempe­ ratur-Strömungsmittelkanal-B-Seite umgeschaltet wird, wobei das Strömungsmittel in den Raum 28 eingeleitet wird, der zwischen dem thermischen Rotationsspeicher 21 und dem Gehäuse 1 in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A ausgebildet ist.
Auf Grund der oben beschriebenen Gasleckage kann nicht reagiertes Verbren­ nungsgas oder ein schädliches Gas, welches während eines Reaktionsprozesses vorhan­ den ist, aus dem Niedrigtemperaturkanal A zu dem Hochtemperatur-Strömungsmit­ telkanal B über den Dichtungsabschnitt herauslecken, so daß es nach außen ausgetragen wird und mit dem Verbrennungsgas gemischt wird. Es besteht somit die Möglichkeit, daß das schädliche Gas nach außen hin austritt, als auch Reformierungsmaterial verloren geht.
Bei der ersten Ausführungsform sind der Gaskompressor 51 und die Drucksteuer­ ventile 14 und 83 so vorgesehen, um den Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungs­ mittelkanals B so einzustellen, daß dieser gleich ist oder höher liegt als der Druck Pa des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals A. Dadurch wird eine raumbedingte Leckage M von dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A zu dem Hochtempe­ ratur-Strömungsmittelkanal B verhindert, so daß dadurch eine Beschränkung auf ledig­ lich die Transferleckage N ermöglicht wird, die in einem kleinen Ausmaß auftritt und somit weniger Einfluß hat.
Wenn spezifisch ausgedrückt der Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungsmit­ telkanals gleich wird mit dem Druck Pa des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals, ergibt sich keine raumbedingte Leckage auf Grund eines Druckunterschiedes zwischen den zwei Kanälen. Wenn der Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals höher liegt als der Druck Pa des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals, wie dies in den Fig. 7A bis 7C gezeigt ist, verläuft die raumbedingte Leckage M von dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B zu dem Niedrigtemperatur-Strömungsmit­ telkanal A und es wird somit möglich, das unreagierte Reformierungsmaterial in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A daran zu hindern, in den Hochtemperatur- Strömungsmittelkanal B hinein zu lecken und nach außen hin ausgetragen zu werden. Zu diesem Zeitpunkt leckt das Verbrennungsgas in dem Hochtemperatur-Strömungs­ mittelkanal B in den Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A hinein, und zwar auf Grund einer raumbedingten Leckage M, es wird jedoch innerhalb der Wasserstoffver­ sorgungsvorrichtung im Kreislauf geführt. Es ergibt sich somit kein Problem hin­ sichtlich der Abgasemission zur Außenseite hin.
Wie oben beschrieben ist, wird es gemäß der Wasserstoffversorgungsvorrichtung der ersten Ausführungsform möglich, eine Strömungsmittelleckage am Auftreten an dem Abdichtabschnitt zwischen dem thermischen Rotationsspeicher 21 und den Gas­ dichtungen 22 und 23 zu verhindern, indem der Gaskompressor 51 zwischen dem Wär­ meaustauschabschnitt 20 in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A und dem Wärmeaustauschabschnitt 20 in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B plaziert wird, wobei eine einfache Konstruktion realisiert werden kann, und zwar unter Verwen­ dung einer Druckdifferenz am Einlaß und am Auslaß, die bei dem Kompressor 51 auf­ tritt.
Indem man darüber hinaus die Drucksteuerventile 14 und 82 in Form einer Druckeinstelleinrichtung vorsieht, wird es möglich, die Druckwerte in geeigneter Weise selbst dann einzustellen, wenn der Druck Pa des Niedrigtemperatur-Strömungs­ mittelkanals und der Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals schwanken, und zwar auf Grund einer Schwankung einer zugeführten Menge des Reformierungs­ gases von dem Gaskompressor 51 her.
Da ein Druckverlust in der Brennstoffzelle 60 groß ist, wird der Gaskompressor 51 vom Einstoßtyp verwendet, und zwar auf der stromaufwärtigen Seite der Brennstoff­ zelle 60 entsprechend der ersten Ausführungsform, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, den Wirkungsgrad des Gaskompressors 51 zu verbessern. Indem man ferner den Kühlabschnitt 45 auf der stromaufwärtigen Seite des Gaskompressors 51 vorsieht, wird es möglich, das abgeschreckte oder schnell abgekühlte reformierte Gas dem Gaskom­ pressor 51 zuzuführen, wodurch eine verbesserte Ansaugwirkung oder Ansaugwirkungsgrad des Gaskompressors 51 ermöglicht wird. Indem man ferner die Kühlabschnitte 45 und 53 auf der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite jeweils in bezug auf Gaskompressor 51 vorsieht, ist es möglich, eine Temperatur so einzustellen, daß sie für eine elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 60 ge­ eignet ist.
Indem man das Einlaßsteuerventil 14 und das Auslaßsteuerventil 83 schließt, wenn die Wasserstoffversorgungsvorrichtung angehalten wird, wird die Möglichkeit geschaffen, das schädliche Gas innerhalb der Wasserstoffversorgungsvorrichtung einzu­ schließen, wodurch effektiv die Möglichkeit geschaffen wird, zu verhindern, daß das schädliche Gas zur Außenseite hin ausgetragen wird.
Zweite Ausführungsform
Als nächstes wird unter Hinweis auf Fig. 8 eine Wasserstoffversorgungsvorrich­ tung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wenn man die zweite Ausführungsform mit der oben beschriebenen ersten Ausfüh­ rungsform vergleicht, so sind die Konfigurationen in bezug auf einen Verdampfungsab­ schnitt zum Verdampfen eines Reformierungsmaterials und in bezug auf einen Refor­ mierungsabschnitt zum Reformieren des Reformierungsmaterials unterschiedlich. Es sind die gleichen Teile wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird daher wegge­ lassen. Bei der zweiten Ausführungsform bilden ein Verdampfungsabschnitt und ein Reformierungsabschnitt einen Wärmeaustauschabschnitt.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, enthält ein Wärmerotationsaustauscher zwei thermische Rotationsspeicher 21 und 31, die eine Zweistufenkonstruktion aufweisen, welche einen Verdampfungsabschnitt 20 und einen Reformierungsabschnitt 30 umfaßt. Die zwei thermischen Rotationsspeicher 21 und 31 sind auf der gleichen Welle angeordnet und werden durch einen Antriebsmotor in Drehung versetzt. Diese thermischen Rotations­ speicher 21 und 31 besitzen eine ähnliche Konstruktion wie bei der ersten Ausführungs­ form, die oben beschrieben wurde und in Fig. 3 veranschaulicht ist. In dem Refor­ mierungsabschnitt 30 befindet sich ein Paar von Gasdichtungen 32 und 33 mit einer Konstruktion einer Θ-Gestalt ähnlich der Gasdichtung 23. Der thermische Rotations­ speicher 31 des Reformierungsabschnittes 30 ist mit einem Reformierungskatalysator ausgestattet.
In dem Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 wird eine Mischung aus Wasser und Luft zugeführt und es wird ein Reformierungsbrennstoff in den Mischab­ schnitt 18 aus der Sprühdüse 17 gesprüht, die zwischen dem Verdampfungsabschnitt 20 und dem Reformierungsabschnitt 30 vorgesehen ist, so daß eine Zufuhr zu dem Niedrig­ temperatur-Strömungsmittelkanal A erfolgt. Der Reformierungsbrennstoff wird mit der Wasser-Luft-Mischung gemischt, die in dem Verdampfungsabschnitt 20 verdampft wurde, und wird dem Reformierungsabschnitt 30 zugeführt.
Dabei wird bei dem Zweistufen-Rotationswärmeaustauscher der zweiten Aus­ führungsform der Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals B etwa auf dem gleichen Druck gehalten oder auf einem höheren Druck gehalten als der Druck Pa des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals A, was mit Hilfe des Gaskompressors 51 und der Drucksteuerventile 14 und 83 erfolgt. Es wird dadurch möglich zu verhindern, daß eine Strömungsmittelleckage an den Dichtungsabschnitt der thermischen Rotations­ speicher 21 und 31 und den Gasdichtungen 22, 23, 32 und 33 auftritt.
Darüber hinaus wird bei einer Konfiguration gemäß der zweiten Ausführungsform der Reformierungskatalysator des Reformierungsabschnittes 30 direkt durch das Ver­ brennungsgas in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B erhitzt, so daß ein Tem­ peraturanstieg des Reformierungsabschnittes 30 sehr schnell erfolgt.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist der Gaskompressor 51 auf der stromaufwärtigen Seite der Brennstoffzelle 60 vorgesehen, wobei dies aber keine Ein­ schränkung bedeutet. Alternativ kann dieser auch an irgendeiner Position vorgesehen werden, solange es sich um die stromabwärtige Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A als auch um die stromaufwärtige Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B handelt. Beispielsweise kann der Gaskompressor 51 auf der stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle 60 vorgesehen werden. In diesem Fall braucht die Wärme, die durch die Kompression in dem Gaskompressor 51 erzeugt wird, nicht in Betracht gezogen zu werden und es kann somit der Kühlabschnitt 53 auf der stromabwärtigen Seite des Gas­ kompressors 51 weggelassen werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen sind das Einlaßsteuerventil 14 und das Auslaßsteuerventil 83 in Form von Druckeinstelleinrichtungen vorgesehen. Alternativ kann jedoch auch eine Konstruktion realisiert werden, bei der die Drucksteuerventile 14 und 83 weggelassen sind und bei der der Druck Pb des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals B lediglich dadurch erhöht wird, indem der Gaskompressor 51 als Druck erzeugende Einrichtung verwendet wird. Darüber hinaus kann zusätzlich zu dem Gaskompressor 51 entweder das Auslaßsteuerventil 83 oder das Einlaßsteuerventil 14 vorgesehen sein. Die Druckeinstelleinrichtungen sind nicht auf die Steuerventile 14 und 83 beschränkt und sie können durch eine sich verengende Rohr­ leitung gebildet sein, die einen Ansaugwiderstand für die Luft oder einen Ausstoßwider­ stand des Abgases dadurch erhöht, indem ein Durchmesser eines Strömungsmittelkanals verengt ist.
Ferner kann bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Abluft, die aus der Brennstoffzelle 60 ausgegeben wird, für die Verbrennung in dem Brenngasversor­ gungsabschnitt 70 verwendet werden, es besteht jedoch auch eine Möglichkeit, daß die Sauerstoffkonzentration der Abluft für eine Verbrennung unzureichend ist, da der Sauer­ stoff bereits in der Brennstoffzelle 60 verbraucht worden ist. Es ist daher möglich, einen Kanal oder Durchgang vorzusehen, in dem ein Teil der Luft, die von der Brennstoffzelle 60 zugeführt wird, überbrückt wird (bypassing), so daß ein Teil der Luft, der die Brenn­ stoffzelle 60 überbrückt oder umgeht, zu dem Verbrennungsgasversorgungsabschnitt 70 zugeführt werden kann.
Dritte Ausführungsform
Gemäß den Fig. 9 bis 14 wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung beschrieben. Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild, welches eine allgemeine Kon­ struktion einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht. Fig. 10 zeigt ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Anordnung der Komponenten der Wasserstoffversorgungsvorrichtung veranschaulicht.
In dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A wird ein erstes Reformierungsmaterial (eine Mischung aus Wasser und Luft), welches von einem ersten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10a zugeführt wird, erhitzt und bei dem Wärmeaustauschabschnitt 20 verdampft, und es wird ein zweites Reformierungsmaterial (ein Reformierungsbrennstoff, der ein Hydrid enthält, damit in dem zweiten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10b gemischt, um dadurch ein Reformierungsmaterial zu erzeugen, welches aus Wasser, Luft und Reformierungs­ brennstoff zusammengesetzt ist. Das Reformierungsmaterial wird an dem Reformierungsabschnitt 30 in ein Reformierungsgas reformiert, welches H2 und CO enthält. Nachdem das CO an dem CO-Beseitigungsabschnitt 42, 44 beseitigt worden ist, wird es zu der Brennstoffzelle 60 in Form eines wasserstoffreichhaltigen Gases zuge­ führt.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist, ist der erste Reformierungsmaterialversorgungsab­ schnitt 10a zum Zuführen des ersten Reformierungsmaterials (Wasser und Luft) an ei­ nem am weitesten oben gelegenen Strömungsabschnitt des Niedrigtemperatur-Strö­ mungsmittelkanals A plaziert. Der erste Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10a enthält ein die Wasserströmung steuerndes Ventil 12, ein die Luftströmungsrate steuerndes Ventil 114, eine Sprühdüse 15a und eine Mischkammer 16a. Es werden Wasser und Luft, deren Strömungsraten jeweils durch das Wasserströmungsratensteuer­ ventil 12 und das Luftströmungsratensteuerventil 114 gesteuert sind, in die Mischkam­ mer 16a von der Sprühdüse 15a aus eingesprüht, so daß dadurch eine Wasser-Luft-Mi­ schung erzeugt wird.
Auf einer stromabwärtigen Seite des ersten Reformierungsmaterialversorgungsab­ schnitts 10a in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A ist der Wärmeaustauschabschnitt (Verdampfungsabschnitt) 20 angeordnet. Bei der dritten Ausführungsform besteht der Wärmeaustauschabschnitt 20 aus einem Wärmeaus­ tauscher vom Rotationstyp wie bei der ersten Ausführungsform.
Auf der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 ist ein zweiter Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10b vorgesehen. Der zweite Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10b enthält ein die Brennstoffströmungs­ rate steuerndes Ventil 11, eine Sprühdüse 17 und eine Mischkammer (einen Mischab­ schnitt) 18.
Fig. 11A zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht der Mischkammer 18 in dem zweiten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10b und Fig. 11B zeigt eine Quer­ schnittsansicht gemäß der Linie XI-XI in Fig. 11A. Wie in den Fig. 11A und 11B ge­ zeigt ist, besitzt die Mischkammer 18 eine zylinderförmige Gestalt mit einer Öffnung auf der stromabwärtigen Seite. Die Mischkammer 18 besitzt eine Einlaßöffnung 33a zum Einleiten des ersten Reformierungsmaterials (die Wasser-Luft-Mischung) in die Mischkammer, wobei eine Vielzahl von Örtlichkeiten innerhalb der Umfangsfläche her­ ausgeschnitten ist (drei Stellen bei der vorliegenden Erfindung), und besitzt eine Führungsplatte 33b, um eine Wirbelströmung des ersten Reformierungsmaterials zu erzeugen.
In dem zweiten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10b wird syntheti­ scher Brennstoff in Form des zweiten Reformierungsmaterials, dessen Strömungsrate durch das Brennstoffströmungsratensteuerventil 11 gesteuert ist, in die Mischkammer 18 mit Hilfe der Sprühdüse 15b eingesprüht. Dadurch wird das zweite Reformierungs­ material verdampft, nachdem es mit dem verdampften ersten Reformierungsmaterial gemischt worden ist, welches durch den Wärmeaustauschabschnitt 20 hindurch verlau­ fen ist. Zu diesem Zeitpunkt strömt das erste Reformierungsmaterial in die Mischkam­ mer 18, und zwar von einer tangentialen Richtung einer Seitenfläche der Mischkammer 18 aus, um die Wirbelströmung in der Mischkammer 18 hervorzurufen, wodurch die Diffusion des zweiten Reformierungsmaterials gefördert wird. Es ist daher möglich, in effizienter Weise das erste Reformierungsmaterial mit dem zweiten Reformierungsma­ terial in einer kurzen Zeitdauer zu mischen.
Auf der stromabwärtigen Seite des zweiten Reformierungsmaterialversorgungsab­ schnittes 10b ist der Reformierungsabschnitt 30 vorgesehen.
Auf der stromabwärtigen Seite des Reformierungsabschnittes 30 sind ein Kühlab­ schnitt 41 zum Kühlen der Temperatur eines reformierten Gases herab auf die Tempe­ ratur, die für die CO-Beseitigung erforderlich ist, und CO-Beseitigungsabschnitte 42 und 44 vorgesehen, um ein wasserstoffreichhaltiges Gas dadurch zu erzeugen, indem das CO aus dem reformierten Gas beseitigt wird, welches in dem Kühlabschnitt 41 ab­ gekühlt wurde. Das wasserstoffreichhaltige Gas wird der Brennstoffzelle 60 zugeführt.
Auf der stromaufwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B ist ein Verbrennungsgasversorgungsabschnitt (ein Abgasversorgungsabschnitt) 70 vorgesehen, um den Wärmeaustauschabschnitt 20 aufzuheizen. Der Verbrennungsgasversorgungsabschnitt 70 enthält ein die Strömungs­ rate des Abgases steuerndes Ventil 76, ein die Strömungsrate des Brennstoffes steuern­ des Ventil (Verbrennungsbrennstoffzuführabschnitt) 72, das die Luftströmungsrate steuernde Ventil 71, eine Sprühdüse 73, eine Zündkerze (Zündeinrichtung) 74 und eine Misch-/Verbrennungskammer 75.
Fig. 12 veranschaulicht ein Steuersystem der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in Fig. 12 gezeigt ist, enthält die Was­ serstoffversorgungsvorrichtung der dritten Ausführungsform einen Steuerabschnitt (ECU) 90 zur Durchführung von verschiedenen Steuervorgängen. Ein Temperatur­ signal, welches mit Hilfe des Temperatursensors 40 detektiert wird, wird dem Steuerab­ schnitt 90 eingespeist, um dadurch Steuersignale an jedes der Strömungsratensteuer­ ventile 12, 114, 11, 76, 71 und 72, an den Antriebsmotor 24 und die Zündkerze 74 aus­ zugeben.
Es wird nun die Betriebsweise der Wasserstoffversorgungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Konstruktion weiter unten beschrieben. Zuerst wird die Betätigung oder Inbetriebnahme der Wasserstoffversorgungsvorrichtung beschrieben. Um eine Re­ formierungsreaktion in dem Reformierungsabschnitt 30 zu starten, ist es erforderlich, daß das zu dem Reformierungsabschnitt 30 zugeführte Reformierungsmaterial ver­ dampft wird und daß eine Temperatur des Reformierungskatalysators des Reformierungsabschnittes 30 auf eine vorbestimmte Temperatur angehoben wird, um die Möglichkeit zu schaffen, die Reformierungsreaktion zu starten.
Dann werden in der Verbrennungskammer 75 des Verbrennungsgasversorgungs­ abschnittes 70 der Antriebsbrennstoff und Luft gemischt, um eine Brennstoff-Luft-Mi­ schung zu erzeugen, und diese wird dann mit Hilfe der Zündkerze 74 zum Zwecke einer Flammenverbrennung gezündet. Das Verbrennungsgas, welches durch die Flammen­ verbrennung erzeugt wird, strömt durch den Wärmeaustauschabschnitt 20, indem es durch den Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B hindurch strömt. Dadurch wird ein Abschnitt des thermischen Rotationsspeichers 21, der in dem Hochtemperatur-Strö­ mungsmittelkanal B gelegen ist, durch das Verbrennungsgas erhitzt. In dem ersten Re­ formierungsmaterialversorgungsabschnitt 10a wird Luft zugeführt.
Auf Grund der Drehung des thermischen Rotationsspeichers 21 bewegt sich der Abschnitt, der durch das Verbrennungsgas erhitzt worden ist, zu dem Niedrigtempera­ tur-Strömungsmittelkanal A mit der Wirkung, daß die Luft, die durch den Niedrigtem­ peratur-Strömungsmittelkanal A hindurch strömt, erhitzt wird. Da dann die erhitzte Luft in den Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A strömt, wird jede Komponente auf der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 sehr schnell aufgewärmt.
Wenn der Aufwärmvorgang von jeder Komponente vervollständigt worden ist, beginnt der erste Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10a damit, das erste Re­ formierungsmaterial (die Wasser-Luft-Mischung) zuzuführen. Das erste Reformierungs­ material wird in dem Wärmeaustauschabschnitt 20 erhitzt und verdampft. Es wird mit dem zweiten Reformierungsmaterial (dem Reformierungsbrennstoff) in den zweiten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10b gemischt und verdampft, um ein Re­ formierungsmaterial zu erzeugen, welches aus Wasser, Luft und dem Reformierungs­ brennstoff zusammengesetzt ist.
Das verdampfte Reformierungsmaterial wird in dem Reformierungsabschnitt 30 reformiert, und zwar in ein reformiertes Gas, welches H2 und CO enthält. Nachdem das reformierte Gas in den Kühlabschnitt 41 abgekühlt worden ist, wird das CO in dem re­ formierten Gas durch die CO-Beseitigungsabschnitte 42 und 44 beseitigt und wird der Brennstoffzelle 60 zugeführt.
Es wird dann in der Brennstoffzelle 60 auf Grund einer chemischen Reaktion zwi­ schen Wasserstoff und Sauerstoff Energie erzeugt. Zur gleichen Zeit werden das Abgas, welches nicht reagierten Wasserstoff, und werden die Abluft, die nicht reagierten Sauer­ stoff enthält, ausgestoßen. Das Abgas und die Abluft werden in den Verbrennungsgas­ versorgungsabschnitt 70 in den Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal über den Abgaseinleitkanal 61 bzw. den Ablufteinleitkanal 62 eingeleitet, so daß eine Abgasmi­ schung entsteht. Die Abgasmischung wird dann dem Wärmeaustauschabschnitt 20 zu­ geführt und sie initialisiert eine katalytische Verbrennung, wenn sie durch den thermi­ schen Rotationsspeicher 21 hindurch verläuft. Die bei der katalytischen Verbrennung erzeugte Hitze des Abgases wird in dem thermischen Rotationsspeicher 21 gespeichert. Wenn der thermische Rotationsspeicher eine Rotationsbewegung durchführt, wird das Reformierungsmaterial, welches durch den Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A hindurch strömt, erhitzt und verdampft.
Somit kann die Wärme, die durch die katalytische Verbrennung des Abgases er­ zeugt wurde, das Reformierungsmaterial zum Zwecke einer Verdampfung aufheizen, und der Reformierungsabschnitt 30 auf der stromabwärtigen Seite kann durch das er­ hitzte Reformierungsmaterial erhitzt werden. Demzufolge wird der Aufheizvorgang des Wärmeaustauschabschnittes 20 und des Reformierungsabschnittes 30 auf ein Aufheizen durch die Abgasverbrennung umgeschaltet, anstatt der Aufheizung durch die Flammen­ verbrennung des Antriebsbrennstoffes, wodurch dann die Möglichkeit geschaffen wird, daß der Selbstantrieb der Wasserstoffversorgungsvorrichtung startet.
Wenn der Rotationswärmeaustauscher als Wärmeaustauschabschnitt 20 bei der dritten Ausführungsform verwendet wird, treten Gasleckerscheinungen in dem Wär­ meaustauschabschnitt 20 von dem Hochdruck-Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A zu dem Niedrigdruck-Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B auf.
Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, besitzt die dritte Ausführungsform eine Konstruktion, bei der eine Versorgungsquelle für Vielfach-Reformierungsmaterial aufgeteilt ist und das Reformierungsmaterial auf der stromabwärtigen Seite des Wär­ meaustauschabschnittes 20 zugeführt wird, so daß das Material nicht durch den Wär­ meaustauschabschnitt 20 vom Rotationswärmespeichertyp hindurch verläuft. Bei einer solchen Konstruktion verläuft lediglich das erste Reformierungsmaterial (Wasser und Luft) ohne den Reformierungsbrennstoff durch den Wärmeaustauschabschnitt 20 hin­ durch, und zwar auf der Seite des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals A, und daher leckt das Gas zu dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal B hin und dieses durchleckende Gas enthält keine schädliche Komponente. Es wird das erste Reformierungsmaterial auf eine hohe Temperatur dadurch aufgeheizt, indem dieses durch den Wärmeaustauschabschnitt 20 hindurch geleitet wird. Das aufgeheizte erste Reformierungsmaterial erfährt eine Aufheizung, eine Verdampfung und wird mit dem zweiten Reformierungsmaterial (einem flüssigen Reformierungsbrennstoff) auf der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 gemischt, um das Reformierungsmaterial zu erzeugen, welches aus Wasser, Luft und dem Reformierungs­ brennstoff zusammengesetzt ist.
Gemäß der Wasserstoffversorgungsvorrichtung, welche die oben beschriebene Konstruktion gemäß der dritten Ausführungsform besitzt, wird es durch Zuführen von Wasser und Luft (als einem Teil des Reformierungsmaterials) auf der stromaufwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 und durch Zufuhr des Reformierungsbrenn­ stoffes auf der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 möglich, ein Niederschlagen des Reformierungsbrennstoffes in dem Wärmeaustauschabschnitt 20 zu verhindern, wodurch eine Verunreinigung des Wärmeaustauschabschnittes 20 vermie­ den werden kann und ein Blockieren der Durchgangslöcher 21a des Wärmeaustauschab­ schnittes 20 auf Grund des Niederschlags verhindert werden kann. Daher wird eine Wartung des Wärmeaustauschabschnittes 20 unnötig und es werden somit die Kosten dafür reduziert.
Wie oben beschrieben wurde, wird es durch Zuführen des Reformierungsbrenn­ stoffes auf der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 möglich, zu verhindern, daß nicht reagierter Reformierungsbrennstoff in Form eines schädlichen Gases zur Außenseite hin ausgetragen wird, wenn ein Gasleck in dem Rotationswär­ meaustauscher auftritt.
Wenn darüber hinaus das zweite Reformierungsmaterial (der Reformierungs­ brennstoff) auf der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 20 wie bei der dritten Ausführungsform zugeführt wird, ist es erforderlich, das erste und das zweite Reformierungsmaterial effektiv in einer kurzen Zeitdauer zu mischen, und zwar auf Grund des kurzen Abstandes zwischen dem zweiten Reformierungsmaterialversor­ gungsabschnitt 10b und dem Reformierungsabschnitt 30. In dem zweiten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10b gemäß der dritten Ausführungsform ist der Mischabschnitt 18 mit einer Einlaßöffnung 33a und der Führungsplatte 33b, die darin ausgebildet ist, vorgesehen. Dadurch wird eine Wirbelströmung bei dem ersten Reformierungsmaterial innerhalb der Mischkammer 18 hervorgerufen und die Möglich­ keit geschaffen, das erste Reformierungsmaterial mit dem zweiten Reformierungsmate­ rial effizient und sehr schnell zu mischen.
Vierte Ausführungsform
Unter Hinweis auf Fig. 13 wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung beschrieben. Wenn, wie in Fig. 13 gezeigt ist, die vierte Ausführungsform mit der oben beschriebenen dritten Ausführungsform verglichen wird, ergibt sich ein Unter­ schied dahingehend, daß eine Zündkerze 34 und eine Verbrennungskammer 35 in dem zweiten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10b vorgesehen sind, die ein schnelles Aufheizen ermöglichen. Bestandteile ähnlich denjenigen, die bei der oben beschriebenen dritten Ausführungsform vorkommen, sind mit den gleichen Bezugszei­ chen versehen und eine Beschreibung derselben wird weggelassen.
Wie oben beschrieben wurde, ist bei einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der zweite Reformierungsmaterialversorgungsab­ schnitt 10b mit einer Zündkerze 34 zum Zünden des synthetischen Brennstoffes zum Zwecke einer Flammenverbrennung ausgestattet, und auch mit einer Verbrennungs­ kammer 35 zur Aufrechterhaltung der Flammenverbrennung.
Bei der z 32493 00070 552 001000280000000200012000285913238200040 0002010141843 00004 32374uvor beschriebenen Konstruktion kann zu einem Zeitpunkt der Inbetrieb­ nahme der Wasserstoffversorgungsvorrichtung die Flammenverbrennung in dem Re­ formierungsmaterialversorgungsabschnitt 10b zusätzlich zu der Flammenverbrennung in dem Verbrennungsgasversorgungsabschnitt 70 erzeugt werden. Die Verbrennungs­ hitze der Flammenverbrennung in dem zweiten Reformierungsmaterialversorgungsab­ schnitt 10b kann der Reformierungsabschnitt, der unmittelbar darunter plaziert ist, sehr schnell aufgeheizt werden, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, die Reformie­ rungsreaktion noch sehr viel schneller hochfahren zu lassen.
Wenn darüber hinaus eine Last der Brennstoffzelle 20 schwankt, wird durch zeit­ weiliges Erzeugen der Flammenverbrennung in dem zweiten Reformierungsmaterial­ versorgungsabschnitt 10b der Reformierungsabschnitt 30 erhitzt, wodurch eine sehr schnelle Zufuhr gemäß einem Defizit von Verbrennungswärme des Abgases ermöglicht wird.
Die Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform und der vierten Ausführungsform besitzt eine Konstruktion, bei der Luft dem ersten Refor­ mierungsmaterialversorgungsabschnitt 10a zugeführt wird. Alternativ kann jedoch auch eine Konstruktion realisiert werden, wie sie in den Fig. 14A und 14B gezeigt ist. Bei einem Beispiel, welches in Fig. 14A dargestellt ist, wird die Luft von sowohl dem ersten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10a als auch dem zweiten Reformierungs­ materialversorgungsabschnitt 10b zugeführt. Gemäß der Konstruktion, die in Fig. 14A gezeigt ist, kann bei dem zweiten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10b eine Zerstäubung des Reformierungsbrennstoffes, der in die Mischkammer 18 eingesprüht wird, selbst unter einem niedrigen Druck gefördert werden. Ferner kann, wie dies in Fig. 14B gezeigt ist, lediglich der zweite Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10b die Luft zuführen.
Darüber hinaus wird bei der Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen der Rotationswärmeaustauscher als Wär­ meaustauschabschnitt 20 verwendet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und es können alternativ verschiedene Typen eines Wärmeaustauschers ver­ wendet werden. Beispielsweise kann ein Wärmeaustauscher 200 vom Kreuz­ strömungstyp (cross-flow type), wie beispielsweise ein Flossenrohrtyp, verwendet wer­ den, wie dies in Fig. 15 dargestellt ist. Selbst wenn ein Wärmeaustauscher 200 vom Kreuzströmungstyp verwendet wird, ist es möglich, das Niederschlagen an den Durch­ gangslöchern in dem Wärmeaustauschabschnitt 200 durch die Zufuhr des synthetischen Brennstoffes auf der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 200 zu ver­ hindern. Selbst bei dem Wärmeaustauscher vom Querströmungstyp tritt ein Gaslecken auf, und zwar an den gebundenen Oberflächen zwischen den Wärmeübertragungsteilen, wie beispielsweise einer Flosse oder Rohr. Indem man jedoch den Reformierungsbrenn­ stoff auf der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes 200 zuführt, wird es möglich, nicht reagierten Reformierungsbrennstoff daran zu hindern, zur Außenseite hin ausgetragen zu werden. Zusätzlich wird es möglich, den gleichen Effekt zu erzielen, indem beispielsweise ein Wärmeaustauscher vom Zähler-Strom-Typ (counter-current type) verwendet wird.
Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist der Temperatursensor 41 in dem Reformierungsabschnitt 30 vorgesehen. Alternativ kann der Temperatursensor zwischen dem Wärmeaustauschabschnitt 20 (oder 200) und dem Reformierungsab­ schnitt 30 in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal A oder auf der stromabwär­ tigen Seite des Reformierungsabschnittes 30 angeordnet sein, so daß eine Temperatur eines Reformierungskatalysators indirekt detektiert wird, indem eine Temperatur des Gases detektiert wird, welches in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal strömt.
Fünfte Ausführungsform
Es wird nun eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Hin­ weis auf die Fig. 16 bis 19B beschrieben. Fig. 16 zeigt ein Blockschaltbild, welches eine allgemeine Konstruktion einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform veranschaulicht. Fig. 17 zeigt ein Konzeptdiagramm, welches eine Anordnung von Komponenten der Wasserstofferzeugungsvorrichtung veranschaulicht.
Wie in den Fig. 16 und 17 gezeigt ist, enthält die Wasserstofferzeugungsvorrich­ tung gemäß der fünften Ausführungsform einen Reformierungsmaterialversorgungsab­ schnitt 10, einen Wärmeaustauschabschnitt (Verdampfungsabschnitt) 120, einen Abgas­ versorgungsabschnitt 70, einen Reformierungsabschnitt 30 und CO-Beseitigungsab­ schnitte 42 und 44. Das Reformierungsmaterial (eine Mischung aus Wasser, Luft und einer Kohlenstoffhydridverbindung als Reformierungsbrennstoff), welches in dem Re­ formierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 erzeugt wird, wird an dem Wärmeaus­ tauschabsehnitt 120 erhitzt und verdampft. Das verdampfte Reformierungsmaterial wird in dem Reformierungsabschnitt 30 reformiert, um ein reformiertes Gas zu erzeugen, welches H2 und CO enthält. Nachdem das CO an den CO-Beseitigungsabschnitten 42 und 44 beseitigt worden ist, wird es als wasserstoffreiches Gas der Brennstoffzelle 60 zugeführt.
Der Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 enthält einen Luftdurchgang oder -kanal 13 zum Einleiten von Luft, um eine Reformierung von außerhalb durchzu­ führen, eine Sprühdüse 15 zum Versprühen von Wasser und Brennstoff zum Zwecke der Reformierung, einen Reformierungsmaterialmischabschnitt 16 und eine Antriebs­ verbrennungskammer 114. Die Reformierungsluft, die von dem Luftkanal 13 eingeleitet wird, wird in dem Mischabschnitt 16 mit Wasser und dem Reformierungsbrennstoff gemischt, der von der Sprühdüse 15 eingesprüht wird, wodurch ein Zerstäuben und Mi­ schen entsprechend einer Luftströmungsinterferenz gefördert wird. Die Brennstoff-Luft- Mischung (Reformierungsmaterial), die in dem Mischabschnitt 16 erzeugt wurde, wird in der Antriebsverbrennungskammer 114 diffundiert, wobei sie dem Wärmeaustauscher 120 auf der stromabwärtigen Seite zugeführt wird. Der Reformierungsmaterialzuführab­ schnitt 10 besitzt eine Konstruktion, bei der ein Mischverhältnis aus dem Reformie­ rungsbrennstoff und der Reformierungsluft eingestellt werden kann.
Der Reformierungsbrennstoff wird bei Raumtemperatur zugeführt, während je­ doch das Wasser in einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und 100°C zugeführt wird. Die Reformierungsluft wird zugeführt, nachdem sie auf ca. 400°C in dem Wär­ meaustauscher 120 aufgeheizt wurde, wie dies weiter unten beschrieben wird.
Die Antriebsverbrennungskammer 114 ist mit der Zündkerze (Zündeinrichtung) 74 ausgestattet, um eine Flammenverbrennung der Brennstoff-Luft-Mischung zu initiie­ ren (der Mischung aus reformiertem Brennstoff und der Luft), die in dem Mischab­ schnitt 16 zum Zeitpunkt des Antriebs erzeugt wird (speziell während einer Kaltpe­ riode). Die Verbrennungsflamme, die durch die Zündkerze 74 hervorgerufen wurde, wird in der Antriebsverbrennungskammer 114 aufrecht erhalten. Dabei wird die Kohlenstoffhydridverbindung als Reformierungsbrennstoff verwendet als auch als Verbrennungsbrennstoff zum Zeitpunkt des Antriebes. Das Verbrennungsgas, welches in der Verbrennungskammer 114 erzeugt wird, wird in einen Abgaskanal B des Wär­ meaustauschers 20 über den Abgaseinleitkanal 61 eingeleitet, nachdem es den Refor­ mierungsabschnitt 30 passiert hat. Demzufolge wird der Abgaseinleitkanal 61 als ein Verbrennungsgaseinleitkanal verwendet, um das Verbrennungsgas in den Abgaseinleit­ kanal des Wärmeaustauschers 20 einzuleiten.
Fig. 18 zeigt eine perspektivische Ansicht des Wärmeaustauschers 120. Wie in Fig. 18 dargestellt ist, besteht der Wärmeaustauscher 120 aus einem Wärmeaustauscher vom Kreuz- oder Querströmungstyp, der aus einem Rohr 121 und einer Wärmeübertragungsflosse 122 gebildet ist. Der Wärmeaustauscher 20 enthält: einen Reformierungsluftdurchgang X zum Hindurchleiten der Reformierungsluft, die in dem Luftdurchgang oder Luftkanal 13 des oben beschriebenen Reformierungsmaterialver­ sorgungsabschnittes 10 strömt; einen Reformierungsmaterialdurchgang oder -kanal A zum Hindurchleiten des Reformierungsmaterials, welches von dem Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 zugeführt wird; und einen Abgaskanal B zum Hindurchleiten des Abgases, welches von der Brennstoffzelle 60 zurück strömt. Der Reformierungsluftkanal X und der Reformierungsmaterialkanal A sind zwischen den Flossen 122 ausgebildet. Der Abgaskanal B ist innerhalb des Rohres 121 ausgebil­ det. Der Reformierungsluftkanal X und der Reformierungsmaterialkanal A kreuzen den Abgaskanal B senkrecht oder rechtwinklig. Bei der oben beschriebenen Konstruktion kann Wärme zwischen dem Reformierungsluftkanal X und dem Abgaskanal B ausge­ tauscht werden und auch zwischen dem Reformierungsmaterialkanal A und dem Ab­ gaskanal B vermittels einer Barriere des Wärmeaustauschers 120.
Fig. 19A zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Kopplungsabschnittes des Rohres 121 und der Flosse 122 des Wärmeaustauschers 20. Fig. 19B zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie XIX-XIX von Fig. 19A. Wie in Fig. 19A gezeigt ist, ist an jeder Oberfläche des Rohres 121 und der Flosse 122 ein Oxidationskatalysator angebracht, wobei der Oxidationskatalysator aus Edelmetallkatalysatoren, wie bei­ spielsweise Pt, Pd, Rh oder ähnlichem zusammengesetzt ist. Wie in Fig. 19B dargestellt ist, ist innerhalb des Rohres 121 die innere Flosse 124 vorgesehen, an welcher der Oxi­ dationskatalysator angebracht ist, wodurch der Wärmeaustauschwirkungsgrad erhöht wird.
Wie in Fig. 17 gezeigt ist, ist auf einer Einlaßseite des Abgaskanals B (Rohr 121) in dem Wärmeaustauscher 120 ein Abgasversorgungsabschnitt 70 vorgesehen, um das zurück strömende Abgas aus der Brennstoffzelle 60 zu dem Abgaskanal B zurückzulei­ ten, nachdem es mit Luft gemischt wurde. Der Abgasversorgungsabschnitt 70 besteht aus folgendem: einem Lufteinleitrohr 62 zum Einleiten von Luft von außerhalb; einer Abgas-/Luft-Mischkammer 75 zum Erzeugen einer Abgasmischung durch Mischen des Abgases mit Luft; ein Abgaseinleitventil (injection valve) 75 zum Einleiten des Abga­ ses, welches aus der Brennstoffzelle 60 zurück strömt; und eine Mischgasdiffusions­ kammer 134 zum Diffundieren der Abgasmischung.
Wenn die Abgasmischung, die in dem Abgasversorgungsabschnitt 70 erzeugt wurde, durch das Rohr 121 des Wärmeaustauschers 120 hindurch strömt, wird sie kata­ lytisch verbrannt, und zwar flammenlos auf einer Oberfläche des Katalysators 123, der an einer Oberfläche der inneren Flosse 124 und der Innenfläche des Rohres 121 ange­ bracht ist. Die Verbrennungswärme bewirkt, daß die Temperatur des Abgaskanals B auf ca. 1000°C angehoben wird, so daß die Wärme auf die Reformierungsluft übertragen wird, die durch den Reformierungsluftkanal X hindurch strömt, und auch auf das Re­ formierungsmaterial übertragen wird, welches durch den Reformierungsmaterialkanal A hindurch strömt.
Auf der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschers 120 ist der Reformierungsabschnitt 30 mit dem Reformierungskatalysator vorgesehen. Das in dem Wärmeaustauscher 120 verdampfte Reformierungsmaterial wird dem Reformierungsab­ schnitt 30 über einen stromabwärtigen Wärmeaustauscherkanal 140 zugeführt. Der Re­ formierungsabschnitt 30 besteht aus einem Partialoxidationsreformierer, um eine Partialoxidation (exotherme Reaktion) an dem Reformierungsmaterial durchzuführen, welches in dem Wärmeaustauscher 120 verdampft wurde, um die Verdampfungsrefor­ mierung (endotherme Reaktion) mit Hilfe der erzeugten Wärme durchzuführen. Als ein Ergebnis der Reformierungsreaktion erzeugt der Reformierungsabschnitt 30 ein refor­ miertes Gas, welches H2 und CO enthält. Wenn ein Brennstoff vom Typ eines flüssigen Petroleums als eine Reformierungskohlenstoffhydridverbindung wie bei der fünften Ausführungsform verwendet wird, ist es erforderlich, daß die Temperatur des Reformierungsabschnittes 30 etwa 700°C beträgt, um die Reformierungsreaktion stabil zu halten.
Auf der stromabwärtigen Seite des Reformierungsabschnittes 30 ist ein Tempera­ tursensor 40 vorgesehen, um eine Temperatur des Reformierungsabschnittes 30 dadurch zu detektieren, indem dieser eine Temperatur des reformierten Gases detektiert, welches aus dem Reformierungsabschnitt 30 herausströmt. Auf der stromabwärtigen Seite des Temperatursensors 40 ist ein Kühlabschnitt 41 vorgesehen, um die Temperatur des re­ formierten Gases auf eine Temperatur abzukühlen, die für die CO-Beseitigung erforder­ lich ist, und es sind die CO-Beseitigungsabschnitte 42 und 44 vorgesehen, um ein was­ serstoffreiches Gas zu erzeugen, indem sie das CO aus dem reformierten Gas beseitigen, welches in dem Kühlabschnitt 41 abgekühlt wurde.
Die Wasserstoffversorgungsvorrichtung der fünften Ausführungsform ist mit ei­ nem Steuerabschnitt 90 ausgestattet, um verschiedenartige Steuervorgänge durchzufüh­ ren. Ein von dem Temperatursensor 40 detektiertes Temperatursignal wird dem Steuer­ abschnitt 90 eingespeist, um eine Zündsteuerung der Zündkerze 74 durchzuführen und auch eine Steuerung einer Zufuhrmenge des Reformierungsbrennstoffes vermittels der Sprühdüse 15.
Eine Aktivierung der Wasserstofferzeugungsvorrichtung welche die oben be­ schriebene Konstruktion besitzt, wird nun weiter unten beschrieben. Zuerst wird die Inbetriebnahme der Wasserstofferzeugungsvorrichtung beschrieben. Um eine Reformierungsreaktion in dem Reformierungsabschnitt 30 zu starten, ist es erforderlich, daß das dem Reformierungsabschnitt 30 zugeführte Reformierungsmaterial verdampft wird und daß eine Temperatur des Reformierungskatalysators des Reformierungs­ abschnittes 30 auf eine vorbestimmte Temperatur angehoben wird, um dadurch die Möglichkeit zu schaffen, die Reformierungsreaktion zu starten.
Demzufolge wird in dem Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 eine Brennstoff-Luft-Mischung aus dem Reformierungsbrennstoff und der Luft in dem Re­ formierungsmaterialmischabschnitt 16 erzeugt. Dann wird die Brennstoff-Luft-Mi­ schung in der Antriebsverbrennungskammer 114 mit Hilfe der Zündkerze 74 gezündet, um eine Flammenverbrennung zu erzeugen. Das durch die Flammenverbrennung er­ zeugte Verbrennungsgas strömt durch den Reformierungsbrennstoffkanal A des Wär­ meaustauschers 120, um den Reformierungsabschnitt 30, den Kühlabschnitt 41, den CO-Beseitigungsabschnitt 42 und 44 und die Brennstoffzelle 60 zu erreichen. Nachdem es durch den Abgaskanal B des Wärmeaustauschers 120 hindurch geströmt ist, und zwar über den Abgaseinleitkanal 61, wird jede Komponente der Wasserstofferzeugungsvor­ richtung schnell aufgewärmt, bevor das Abgas in die Atmosphäre ausgetragen wird.
Zu diesem Zeitpunkt enthält das Verbrennungsgas ein schädliches Gas ent­ sprechend einer unvollständigen Verbrennung oder ähnlichem. Wenn jedoch das Ver­ brennungsgas durch den Wärmeaustauscher 120 hindurch strömt, wird das Gas kataly­ tisch mit Hilfe des Katalysators 123 verbrannt, der an der Flosse 122, dem Rohr 121 und an der inneren Flosse 124 angebracht ist (das heißt es findet eine katalytische Oxidationsreaktion statt). Indem man somit ein Mischverhältnis aus dem Reformierungsbrennstoff und der Luft in geeigneter Weise einstellt und indem man eine vollständige Oxidationsreaktion (vollständige Verbrennung) des Verbrennungsgases herbeiführt, und zwar zusammen mit der katalytischen Oxidationsreaktion in dem Wärmeaustauscher 120, wird das schädliche Gas, welches in dem Verbrennungsgas enthalten ist, in ausreichender Weise beseitigt.
Die Verbrennungshitze des Verbrennungsgases wärmt sehr schnell (das heißt vor­ heizt) jede Komponente des Reformierungssystems auf, wie beispielsweise den Wär­ meaustauscher 120, den Reformierungsabschnitt 30 und den Reformierungskatalysator (den Reformierungsabschnitt, den Verschiebungsabschnitt und den Reinigungsab­ schnitt). Wenn dann die Temperatur, die durch den Temperatursensor 40 detektiert wird, eine vorbestimmte Temperatur erreicht, stellen Komponenten des Reformierungssy­ stems fest, daß die Temperatur einen Punkt erreicht hat, bei dem die Reformierungs­ reaktion initialisiert werden kann. Demzufolge wird die Zufuhr des Brennstoffes zeit­ weilig unterbrochen, um die Flammenverbrennung zu beenden.
Wenn das Aufwärmen von jeder Komponente vervollständigt worden ist, wird die Reformierungsluft, die erhitzt wurde, nachdem sie durch den Reformierungsluftka­ nal X des Wärmeaustauschers 120 hindurch gelaufen ist, in dem Mischabschnitt 16 mit dem Reformierungsbrennstoff und mit Wasser gemischt, um dadurch eine Brennstoff- Luft-Mischung zu erzeugen (das Reformierungsmaterial). Zu diesem Zeitpunkt wird die Reformierungsluft vorgeheizt, bevor sie mit dem Reformierungsbrennstoff gemischt wird, indem die Luft durch den Reformierungsluftkanal X des Wärmeaustauschers 120 hindurch geleitet wird, wodurch eine Verdampfung des Reformierungsmaterials geför­ dert werden kann.
Das in dem Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt 10 erzeugte Reformierungsmaterial wird dem Wärmeaustauscher 120 zugeführt und wird aufgeheizt und verdampft, wenn dieses durch den Reformierungsmaterialkanal A hindurch strömt. Das in dem Wärmeaustauscher 20 verdampfte Reformierungsmaterial wird in dem Reformierungsabschnitt 30 reformiert, und zwar in ein reformiertes Gas, welches H2 und CO enthält. Nach der Abkühlung in dem Kühlabschnitt 41 wird das CO an den CO-Beseitigungsabschnitten 42 und 44 beseitigt, um ein wasserstoffreiches Gas zu er­ zeugen, welches dann der Brennstoffzelle 60 zugeführt wird.
In der Brennstoffzelle 60 erfolgt eine chemische Reaktion zwischen dem Wasser­ stoff und dem Sauerstoff, um Energie zu erzeugen, und es wird das Abgas, welches nicht reagierten Wasserstoff enthält, abgegeben. Das Abgas wird in den Abgasversorgungsabschnitt 70 eingeleitet, und zwar über den Abgaseinleitkanal 61. Das Abgas wird mit einer vorbestimmten Menge an Luft gemischt, so daß eine Abgas­ mischung entsteht, die dem Abgaskanal B des Wärmeaustauschers 20 zugeführt wird. Die Abgasmischung initiiert die katalytische Verbrennung, wenn sie durch den Abgas­ kanal B hindurch strömt. Die durch die katalytische Verbrennung erzeugte Wärme des Abgases wird auf das Reformierungsmaterial übertragen, welches durch den Reformierungsmaterialkanal A hindurch strömt, und auch auf die Reformierungsluft übertragen, die durch den Reformierungsluftkanal X hindurch strömt, und zwar vermit­ tels der Barriere (barrier) des Wärmeaustauschers 20. Demzufolge wird das Aufheizen und Verdampfen des Reformierungsmaterials gefördert.
Dabei heizt die Wärme, die durch die katalytische Verbrennung des Abgases er­ zeugt wird, das Reformierungsmaterial zum Zwecke einer Verdampfung auf und es kann der Reformierungsabschnitt auf der stromabwärtigen Seite über das aufgeheizte Reformierungsmaterial aufgeheizt werden. Demzufolge wird das Aufheizen des Wär­ meaustauschabschnittes 20 und des Reformierungsabschnittes 30 von einem Aufheizen durch die Flammenverbrennung des Antriebsbrennstoffes zu einer Aufheizung durch die Abgasverbrennung umgeschaltet, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, den Eigenantrieb der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zu starten.
Gemäß der Wasserstofferzeugungsvorrichtung der fünften Ausführungsform hei­ zen der Reformierungsbrennstoff, der zur Bildung des Antriebsbrennstoffgases durch die Flammenverbrennung beiträgt, und die Verbrennungswärme desselben direkt jede Komponente des Reformierungssystems auf (den Wärmeaustauscher 120 und den Re­ formierungsabschnitt 30). Es ist daher möglich, sehr schnell die Temperatur auf die Temperatur zur Initialisierung der Reformierungsreaktion anzuheben. Es wird dadurch möglich, die Antriebszeit bis zur Reformierungsreaktionsinitialisierung zu reduzieren. Da demzufolge die Reformierungsreaktionstemperatur hoch liegt (auf ca. 700°C), und zwar in der Wasserstofferzeugungsvorrichtung der fünften Ausführungsform, kann diese in bevorzugter Weise für den Fall verwendet werden, bei dem ein Petroleumbrennstoff, wie beispielsweise Benzin, Kerosin oder ähnliches, verwendet wird, wobei eine sehr schnelle Anhebung der Temperatur speziell zum Zeitpunkt des Antriebes wichtig ist.
Da darüber hinaus der Wärmeaustauscher 120 gemäß der fünften Ausführungs­ form eine Funktion besitzt, um die Reformierungsluft vorzuheizen, als auch eine Funk­ tion besitzt, um das Reformierungsmaterial zu verdampfen, kann eine Reduzierung der Größe der Wasserstofferzeugungsvorrichtung als Ganzes realisiert werden.
Indem ein katalytischer Reaktionsabschnitt (Verbrennungsabschnitt) an den Wär­ meübertragungsoberflächen der Barriere des Wärmeaustauschers 120,(dem Reformierungsmaterialkanal A und dem Abgaskanal B) durch Anbringen eines Oxidationskatalysators ausgebildet wird, kann das gesamte System in der Größe redu­ ziert werden und es kann auch dessen Emission abgesenkt werden.
Der Heizwert, welcher dem Abgasverbrennungsprozeß innerhalb des Wärmeaus­ tauschers 120 zugeordnet ist, wird in Form des Aufheiz-/Verdampfungsvorganges des Reformierungsmaterials wieder gewonnen und auch als parallel laufender Heizwert der endothermen Reaktion wieder gewonnen (Dampfreformierungsreaktion), und zwar in dem Reformierungsabschnitt 30, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.
Ferner ist auf der Seite des Reformierungsmaterials des Wärmeaustauschers 120 eine sehr schnelle vollständige Verbrennung möglich, indem die vollständige Oxidationsreaktion (Flammenverbrennung) zum Zeitpunkt des Antriebs verwendet wird. Wenn der Reformierungsvorgang aktiviert wird, kann ein Reaktionsverhältnis einer partialen Oxidationsreaktion des Reformierungsmaterials zum Zeitpunkt der Re­ formierungsaktivierung gefolgt werden durch eine Einstellung des Mischungsverhält­ nisses der Reformierungsluft und des Reformierungsbrennstoffes, selbst wenn die Last­ schwankungen sehr plötzlich auftreten.
Indem ferner der Versorgungsmischabschnitt des Reformierungsmaterials (der Brennstoff zum Zwecke der Reformierung, Wasser und Luft) mit der Verbrennungs­ mischkammer bei dem Antrieb gemeinsam benutzt werden, kann die gesamte Vorrich­ tung in der Größe kleiner ausgeführt werden.
Sechste Ausführungsform
Als nächstes wird unter Hinweis auf die Fig. 20 bis 23B eine sechste Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Eine Wasserstoffer­ zeugungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform besitzt einen Wärmeaus­ tauscher mit einer unterschiedlichen Konstruktion, verglichen mit der oben beschriebe­ nen fünften Ausführungsform. Es sind Teile ähnlich denjenigen der oben beschriebenen fünften Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschrei­ bung derselben wird daher weggelassen.
Fig. 20 zeigt eine Konzeptansicht, die einen Reformierungsmaterialversorgungs­ abschnitt 10 und einen Wärmeaustauscher 170 der Wasserstofferzeugungsvorrichtung veranschaulicht. Fig. 21 ist eine perspektivische Ansicht, die lediglich den Wärmeaus­ tauscher 170 gemäß der sechsten Ausführungsform darstellt. Wie in den Fig. 20 und 21 gezeigt ist, besteht der Wärmeaustauscher 170, der bei der Wasserstofferzeugungsvor­ richtung gemäß der sechsten Ausführungsform verwendet wird, aus einem Wärmeaus­ tauscher vom Kreuzstromtyp, in welchem ein Reformierungsluftkanal X und ein Ab­ gaskanal B, ein Reformierungsmaterialkanal A und ein Abgaskanal B so ausgebildet sind, daß sie einander gegenüber liegen. Jeder Kanal besitzt eine Wärmeübertragungs­ fläche einer plattenförmigen Flosse, die darin ausgebildet ist, wie dies in Fig. 22 gezeigt ist, und besitzt eine Oxidationskatalysator 171, der an einer Flossenoberfläche befestigt ist.
Der Wärmeaustauscher 170 besitzt eine Konstruktion, bei der eine erste Wär­ meaustauschkammer 170a, die den Reformierungsluftkanal X und den Reformierungs­ materialkanal A bildet, und eine zweite Wärmeaustauschkammer 170b, die den Abgas­ kanal B bildet, abwechselnd und sequentiell ausgebildet sind.
Fig. 23A zeigt eine Querschnittsansicht der ersten Wärmeaustauschkammer 170a, die den Wärmeaustauscher 170 mit ausmacht. Fig. 23B zeigt eine Querschnittsansicht der zweiten Wärmeaustauschkammer 170b. Wie in Fig. 23A gezeigt ist, verläuft die Reformierungsluft durch den Wärmeaustauscher 170 in einer Richtung von rechts nach links, und zwar in der Figur, während das Reformierungsmaterial von links nach rechts in der Figur verläuft oder strömt. Wie darüber hinaus in Fig. 23B gezeigt ist, gelangt das Abgas in den Wärmeaustauscher 170 von der oberen Seite in der Figur aus hinein, strömt dann in der Richtung von rechts nach links in der Figur hindurch und gelangt nach unterhalb, so daß es von links nach rechts in der Figur hindurch strömt. Danach wird das Abgas von dem unteren Abschnitt des Wärmeaustauschers 170 abgegeben. Das Abgas wird katalytisch innerhalb des Abgaskanals B verbrannt. Die Verbrennungs­ wärme des Abgases wird auf die Reformierungsluft und auf das Reformierungsmaterial über die Barriere übertragen.
Indem der Kreuzstromwärmeaustauscher in der Wasserstofferzeugungsvorrich­ tung der sechsten Ausführungsform verwendet wird, entsteht die Möglichkeit, den Wärmeaustauschwirkungsgrad des Wärmeaustauschers zu erhöhen und die Vorrichtung in ihrer Größe zu verkleinern.
Siebte Ausführungsform
Es wird unter Hinweis auf Fig. 24 eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß der siebten Aus­ führungsform besitzt einen Wärmeaustauscher, der verglichen mit der oben beschriebe­ nen fünften Ausführungsform eine unterschiedliche Konstruktion besitzt. Teile ähnlich denjenigen der oben beschriebenen sechsten Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und eine Beschreibung derselben ist weggelassen.
Fig. 24 zeigt eine Konzeptansicht, die einen Reformierungsmaterialversorgungs­ abschnitt 10 und einen Wärmeaustauscher 20 der Wasserstofferzeugungsvorrichtung veranschaulicht.
Wie in Fig. 24 gezeigt ist, enthält der Wärmeaustauscher 20 einen thermischen Rotationsspeicher (Wärmeaustauschabschnitt 21) und Gasdichtungen 22 und 23, das heißt es handelt sich um das gleiche, wie es in Verbindung mit der oben erläuterten er­ sten Ausführungsform beschrieben wurde.
Wenn die Wasserstofferzeugungsvorrichtung in Betrieb genommen wird, wird die Wärmekapazität des Wärmespeichers reduziert, wenn die Rotation des thermischen Rotationsspeichers 21 angehalten wird, wodurch dann eine vollständige Aufwärmung in einer sehr kurzen Zeitdauer ermöglicht wird.
Bei der oben beschriebenen fünften Ausführungsform ist die Verbrennungskam­ mer 114 für die Flammenverbrennung des Reformierungsmaterials, welches durch die Zündkerze 74 entzündet wird, auf der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschers 120 angeordnet. Alternativ kann diese auch zwischen dem Wärmeaustauscher 120 und dem Reformierungsabschnitt 30 angeordnet sein, wie dies in Fig. 25 gezeigt ist. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung, die in Fig. 25 gezeigt ist, enthält eine Luftdüse 116 zum Zuführen von Luft in die Verbrennungskammer 114. Die Menge der Luft, die von der Luftdüse zugeführt wird, wird mit Hilfe eines Strömungsratensteuerventils 117 ge­ steuert.
Bei der oben beschriebenen fünften Ausführungsform wird die gesamte Reformie­ rungsluft dem Mischabschnitt 16 zugeführt. Alternativ kann, wie in Fig. 26 gezeigt ist, ein Teil der Reformierungsluft zwischen dem Wärmeaustauscher 120 und dem Refor­ mierungsabschnitt 30 zugeführt werden, nachdem sie durch den Wärmeaustauscher 120 hindurch geströmt ist. Bei solch einer Konstruktion nimmt die Sauerstoffmenge zu, die dem Reformierungsabschnitt 30 zugeführt wird, wodurch dann der Aufheizvorgang des Reformierungsabschnittes 30 auf Grund der katalytischen Oxidationsreaktion be­ schleunigt wird, bei der es sich um eine exotherme Reaktion handelt.
Darüber hinaus wird bei der oben beschriebenen fünften Ausführungsform das Antriebsbrennstoffgas von dem Reformierungsabschnitt 30 zu der Brennstoffzelle 60 zugeführt, bevor es zu dem Wärmeaustauscher 120 über den Abgaseinleitkanal 31 zuge­ führt wird. Alternativ kann ein Kanal oder Durchgang zum Umgehen der Brennstoff­ zelle 60 vorgesehen sein, so daß das Verbrennungsgas die Brennstoffzelle 60 umgeht.
Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen wird ein Brennstoff vom Flüssig-Petroleumtyp, wie beispielsweise Benzin, Kerosin oder ähnlichem, als Refor­ mierungsbrennstoff verwendet. Alternativ können vielfältige Arten von Kohlenstoffhydridverbindungen, wie beispielsweise Methanol, Erdgas oder ähnliches, verwendet werden. Darüber hinaus können Wasserstoffverbindungen, die keinen Kohlenstoff enthalten, wie beispielsweise Ammoniak, verwendet werden.
Ferner wird bei der oben beschriebenen fünften Ausführungsform ein Wärmeaus­ tauscher vom Kreuzstromtyp verwendet, während jedoch bei der oben beschriebenen sechsten Ausführungsform ein Wärmeaustauscher vom Gegenstromtyp verwendet wird. Alternativ kann jedoch ein Wärmeaustauscher, der vom Kreuzstromtyp ist, in Verbin­ dung mit einem Wärmeaustauscher vom Gegenstromtyp verwendet werden.

Claims (20)

1. Wasserstoffversorgungsvorrichtung zur Erzeugung und zum Zuführen von Was­ serstoff zu einer Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung (60), mit
einem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal (A);
einem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal (B);
einem Wärmeaustauschabschnitt (20), durch den die Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturkanäle hindurch verlaufen;
einem Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt (10, 10a, 10b), zum Zuführen von wenigstens einem Teil eines Reformierungsmaterials zu dem Niedrigtempe­ ratur-Strömungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des Wärmeaus­ tauschabschnittes;
einem Reformierungsabschnitt (30), in welchem das Reformierungsmaterial re­ formiert wird, um ein reformiertes Gas, welches Wasserstoff enthält, zu erzeu­ gen, nachdem es durch den Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal hindurch geströmt ist; und
einem Verbrennungsgasversorgungsabschnitt (70) zum Erzeugen und zum Zu­ führen eines Verbrennungsgases zu dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Wärmeaustauschabschnitt als Drehantrieb einen thermischen Rotationsspeicher (21) aufweist, und der thermische Rotationsspeicher sich dreht, um sich abwechselnd zwischen dem Niedrigtemperatur- und Hochtemperatur-Strömungsmittelkanälen zu bewegen, so daß die Verbrennungs­ wärme des Verbrennungsgases, welches in der Hochtemperatur-Strömungsmit­ telleitung strömt, auf das Reformierungsmaterial übertragen wird, welches in der Niedrigtemperatur-Strömungsmittelleitung strömt.
2. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit:
einer Druck erzeugenden Einrichtung (51) zum Erhöhen des Druckes des Ver­ brennungsgases, welches in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal strömt.
3. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 2, ferner mit:
einem Kommunikationskanal (50, 61), durch den der Niedrigtemperatur-Strö­ mungsmittelkanal mit dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal kommuni­ ziert,
wobei die Druck erzeugende Einrichtung aus einem Gaskompressor (51) besteht, der an irgendeiner Position in bezug auf den Niedrigtemperatur-Strömungsmit­ telkanal auf einer stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes, des Kommunikationskanals und des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals auf ei­ ner stromaufwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes gelegen ist.
4. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Kommunikationskanal einen Reformierungsgasversorgungspfad (50) aufweist, durch den das reformierte Gas, welches Wasserstoff enthält, von dem Reformierungsabschnitt zu der Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung zuge­ führt wird, und einen Abgaszuführpfad (61) aufweist, durch den das Abgas, wel­ ches nicht reagierten Wasserstoff enthält, welcher in der Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung nicht ausreichend verbraucht wurde, von der Was­ serstoff verbrauchenden Vorrichtung zu dem Verbrennungsgasversorgungsab­ schnitt zugeführt wird, um das Verbrennungsgas zu erzeugen, und bei der ferner der Gaskompressor in dem Reformierungsgaszuführpfad gelegen ist.
5. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit:
Druckeinstelleinrichtungen (14, 83), die bei wenigstens einem der zwei Kanäle gelegen sind, welche aus dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes und dem Hochtempe­ ratur-Strömungsmittelkanal auf einer stromabwärtigen Seite des Wärmeaus­ tauschabschnittes bestehen.
6. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Druckeinstelleinrichtungen ein Drucksteuerventil (14, 83) aufweisen, welches betrieben werden kann, um einen Strömungsdurchtrittsbereich eines Strömungsmittels zu ändern.
7. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 6, welche ferner aufweist:
eine erste Druckdetektoreinrichtung (80) zum Detektieren des Druckes des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals in der Nachbarschaft des thermischen Rotationsspeichers;
eine zweite Druckdetektoreinrichtung (81) zum Detektieren des Druckes des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals in der Nachbarschaft des thermischen Rotationsspeichers; und
eine Steuereinrichtung (90) zum Steuern eines Öffnungsgrades des Drucksteuer­ ventils in Einklang mit den Druckwerten der Niedrigtemperatur- und Hochtem­ peratur-Strömungsmittelkanäle, die jeweils mit Hilfe der ersten und der zweiten Druckdetektoreinrichtung detektiert wurden.
8. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Steuereinrichtung den Öffnungsgrad des Drucksteuerventils derart steuert, daß der Druck des Hochtemperatur-Strömungsmittelkanals isobar ist oder höher liegt als der Druck des Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanals.
9. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Wasserstoff verbrauchende Vorrichtung aus einer Brennstoffzelle (60) besteht.
10. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Reformierungsmaterial ein erstes Reformierungsmaterial aufweist, welches wenigstens Wasser enthält, und ein zweites Reformierungsmaterial aufweist, welches wenigstens eine Hydridverbindung enthält und bei der ferner der Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt einen ersten Reformierungs­ materialversorgungsabschnitt (10a) aufweist, in welchem das erste Reformie­ rungsmaterial dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal auf einer strom­ aufwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes zugeführt wird, und einen zweiten Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt (10b) aufweist, in welchem das zweite Reformierungsmaterial dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal auf einer stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnittes zugeführt wird und mit dem ersten Reformierungsmaterial gemischt wird, um das Reformierungsmaterial zu bilden.
11. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, ferner mit:
einem Abgaszuführpfad (61), über den das Abgas, welches nicht reagierten Was­ serstoff enthält, der in der Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung nicht ausrei­ chend verbraucht worden ist, von der Wasserstoff verbrauchenden Vorrichtung zu dem Verbrennungsgasversorgungsabschnitt zugeführt wird, um das Verbren­ nungsgas zu erzeugen.
12. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, ferner mit:
einem Verbrennungsbrennstoffversorgungsabschnitt (73), der in dem Verbren­ nungsgasversorgungsabschnitt vorgesehen ist, um Brennstoff, der verbrannt werden soll, zuzuführen; und
einer Zündeinrichtung (74), die in dem Verbrennungsgasversorgungsabschnitt vorgesehen ist, um den Brennstoff zu zünden, um das Verbrennungsgas zu er­ zeugen.
13. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, ferner mit:
einem Oxidationskatalysator (24), der an einer Oberfläche des thermischen Ro­ tationsspeichers befestigt ist, die in Berührung mit dem Verbrennungsgas kommt, welches in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal strömt, und mit dem reformierten Gas, welches in dem Niedrigtemperatur-Strömungsmittelkanal strömt.
14. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 10, bei der der zweite Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt mit einer Misch­ kammer (18) ausgestattet ist, in der das erste und das zweite Reformierungsma­ terial gemischt werden.
15. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, bei der der thermische Rotationsspeicher mit einer Matrix ausgestattet ist, die eine Vielzahl an Durchgangslöchern (21a) aufweist, welche sich axial erstrecken, und ein Gehäuse (1, 22, 23) aufweist, in welchem die Matrix drehbar aufge­ nommen ist, wobei jedes der sich gegenüberliegenden axialen Enden des Ge­ häuses eine erste Zone aufweist, die mit dem Hochtemperatur-Strömungsmit­ telkanal kommuniziert, und eine zweite Zone aufweist, die mit dem Niedrigtem­ peratur-Strömungsmittelkanal kommuniziert, so daß das Verbrennungsgas, wel­ ches in dem Hochtemperatur-Strömungsmittelkanal strömt, durch die Durch­ gangslöcher hindurch verläuft, deren Öffnungsenden der ersten Zone gegenüber liegen, und das Reformierungsmaterial, welches in dem. Niedrigtemperatur- Strömungsmittelkanal strömt, durch die Durchgangslöcher hindurch verläuft, de­ ren Öffnungsenden der zweiten Zone gegenüber liegen.
16. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit:
einer Antriebsverbrennungskammer (114), die in dem Niedrigtemperatur-Strö­ mungsmittelkanal auf einer stromaufwärtigen Seite des Wärmeaustauschab­ schnittes vorgesehen ist, wobei der Antriebsbrennstoff wenigstens Hydridver­ bindungen enthält, die der Antriebsverbrennungskammer zugeführt werden; und einer Zündeinrichtung (74), die in der Antriebsverbrennungskammer vorgesehen ist, um eine Flammenverbrennung des Antriebsbrennstoffes zu initiieren, wel­ cher der Antriebsverbrennungskammer zum Zeitpunkt des Antriebes der Was­ serstoffversorgungsvorrichtung zugeführt wird,
wobei das Verbrennungsgas entsprechend der Flammenverbrennung durch den Wärmeaustauschabschnitt und den Reformierungsabschnitt zu dem Verbren­ nungsgasversorgungsabschnitt hindurch verläuft, so daß der Wärmeaustauschab­ schnitt und der Reformierungsabschnitt schneller aufgeheizt werden.
17. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit:
einer Antriebsverbrennungskammer (18), die in dem Niedrigtemperatur-Strö­ mungsmittelkanal zwischen dem Wärmeaustauschabschnitt und dem Reformierungsabschnitt vorgesehen ist, wobei der Antriebsbrennstoff wenig­ stens Hydridverbindungen enthält und der Antriebsverbrennungskammer zuge­ führt wird; und
einer Zündeinrichtung (17), die in der Antriebsverbrennungskammer vorgesehen ist, um eine Flammenverbrennung des Antriebsbrennstoffes zu initiieren, wel­ cher der Antriebsverbrennungskammer zu einem Zeitpunkt des Antriebes der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zugeführt wird,
wobei das Verbrennungsgas auf Grund der Flammenverbrennung durch den Re­ formierungsabschnitt zu dem Verbrennungsgasversorgungsabschnitt hin ver­ läuft, so daß der Reformierungsabschnitt schneller aufgeheizt wird.
18. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 16, bei der der Bestandteil des Antriebsbrennstoffes der gleiche ist wie derjenige des Reformierungsmaterials, um das reformierte Gas, welches Wasserstoff enthält, zu erzeugen.
19. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 17, bei der der Bestandteil des Antriebsbrennstoffes der gleiche ist wie derjenige des Reformierungsmaterials zur Herstellung des reformierten Gases, welches Was­ serstoff enthält.
20. Wasserstoffversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit:
einer Antriebsverbrennungskammer (18), die in dem Niedrigtemperatur-Strö­ mungsmittelkanal zwischen dem Wärmeaustauschabschnitt und dem Reformierungsabschnitt vorgesehen ist, wobei der Reformierungsbrennstoff wenigstens Hydridverbindungen und Luft enthält, die dem Reformierungsmaterialversorgungsabschnitt zugeführt wird, und wobei eine weitere oder andere Luft der Antriebsverbrennungskammer zugeführt wird; und
einer Zündeinrichtung (17), die in der Antriebsverbrennungskammer zum Initiie­ ren einer Flammenverbrennung des Reformierungsmaterials zum Zeitpunkt des Antriebs der Wasserstoffversorgungsvorrichtung vorgesehen ist,
wobei das Verbrennungsgas auf Grund der Flammenverbrennung durch den Reformierungsabschnitt hindurch zu dem Verbrennungsgasversorgungsabschnitt hin verläuft, so daß der Reformierungsabschnitt schneller aufgeheizt wird.
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