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DE112006000730T5 - Wasserstofferzeugungsvorrichtung und eine solche einschliessendes Brennstoffzellensystem - Google Patents

Wasserstofferzeugungsvorrichtung und eine solche einschliessendes Brennstoffzellensystem Download PDF

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DE112006000730T5
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DE
Germany
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reformer
hydrogen
catalyst
reaction
reactant
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE112006000730T
Other languages
English (en)
Inventor
Masahiko Toyota Iijima
Satoshi Toyota Iguchi
Satoshi Toyota Shiokawa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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Abstract

Eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung, welche ein Reformerpaar (112, 114) mit einschließt, wobei jeder Reformer von diesen einen Katalysator (162) mit einschließt und in jedem von diesen eine Reformierreaktion zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas unter Verwendung eines Reaktanten auf dem Katalysator (162) durchgeführt wird, und eine exotherme Reaktion zur Erwärmung und Wiederherstellung des Katalysators (162) unter Verwendung eines exothermen Materials durchgeführt wird, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst:
Entfernungseinrichtung (164, 166), die in wenigstens einem Reformer des Reformerpaares (112, 114) vorgesehen ist und die Verunreinigungen entfernt;
Steuereinrichtung (170) zur Ausführung einer solchen Steuerung, dass der Reaktant und das exotherme Material abwechselnd zu jedem Reformer des Reformerpaares (112, 114) zugeführt wird, wodurch die Reformierreaktion und die exotherme Reaktion abwechselnd in jedem Reformer des Reformerpaares (112, 114) durchgeführt werden.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung, die abwechselnd Wasserstoff durch eine Reformierreaktion unter Verwendung eines Katalysators erzeugt und den Katalysator über eine Wiederherstellungs- bzw. Rückgewinnungsreaktion wiederherstellt bzw. zurückgewinnt. Die Wiederherstellungsreaktion stellt den Katalysator durch Erwärmen des Katalysators für die nächste Reformierreaktion wieder her. Die Erfindung betrifft ebenso ein Brennstoffzellensystem, welches die Wasserstofferzeugungsvorrichtung mit einschließt.
  • 2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
  • In elektrischen Fahrzeugen ist eine Brennstoffzelle als eine Energiequelle vorgesehen. Wasserstoff, der zur Erzeugung von elektrischer Energie in der Brennstoffzelle eingesetzt wird, oder ein Reaktant, der zur Erzeugung von Wasserstoff eingesetzt wird, wird vorgesehen.
  • Falls Wasserstoff selbst vorgesehen wird, kann er auf die folgende Art und Weise gelagert werden: (i) das Wasserstoffgas ist komprimiert und wird in einem Hochdruckbehälter gelagert, (ii) das Wasserstoffgas ist verflüssigt und wird in einem Tank gelagert oder (iii) der Wasserstoff wird unter Verwendung einer Wasserstoffspeicherlegierung oder eines Wasserstoffadsorbens bereitgestellt. Wenn Wasserstoffgas in einem Hochdruckbehälter, wie er bei (i) beschrieben ist, gelagert wird, kann nur eine kleine Menge an Wasserstoff in dem Hochdruckbehälter gespeichert werden, und zwar aufgrund der dicken Wände und des kleinen Innenvolumens des Behälters. Wenn verflüssigter Wasserstoff, wie in (ii) beschrieben, gespeichert wird, geht ein Teil des verflüssigten Wasserstoffs aufgrund der Verdampfung verloren und eine große Menge an Energie wird für die Verflüssigung von Wasserstoff verbraucht. Wenn Wasserstoff unter Verwendung der Wasserstoffspeicherlegierung oder des Wasserstoffadsorbens, wie in (iii) beschrieben, bereitgestellt wird, ist die Dichte des gespeicherten Wasserstoffs im Allgemeinen niedriger als die für den Antrieb eines elektrischen Fahrzeugs benötigte. Ferner ist die Steuerung der Wasserstoffspeicherung, -adsorption und dergleichen schwierig.
  • Falls der Reaktant wie etwa Methanol und Benzin („petrol") bereitgestellt wird, kann Wasserstoffgas durch eine Dampfreformierreaktion unter Verwendung des Recktanten erzeugt werden. Da jedoch die Reformierreaktion eine endotherme Reaktion ist, muss eine Wärmequelle vorgesehen sein. Das Vorsehen eines elektrischen Heizers oder dergleichen als die Wärmequelle in dem System senkt die Energieeffizienz des Gesamtsystems. Zusätzlich muss das System ebenso dazu fähig sein, die zum Antrieb des Fahrzeugs benötigte Wasserstoffmenge unter den verschiedenen Umgebungsbedingungen, in welchen das Fahrzeug betrieben wird, zu gewinnen.
  • Momentan wurde noch kein Verfahren zur Zuführung von Wasserstoff technisch etabliert. Da jedoch erwartet wird, dass Wasserstoff in einer steigenden Zahl von Vorrichtungen eingesetzt wird, muss ein Verfahren zur Zuführung von Wasserstoff etabliert werden.
  • Als eine zu der Vorstehenden verwandten Technologie beschreibt die Offenlegungsschrift der US-Patentanmeldung Nr. 2004/0175326 ein Brennstoffzellensystem, das eine Reformiervorrichtung mit einschließt, in welcher eine Reformierreaktion und eine Wiederherstellungsreaktion abwechselnd durchgeführt werden. Die Reformierreaktion ist eine endotherme Reaktion, die unter Verwendung eines Recktanten auf einem Katalysator durchgeführt wird. Weil die Reformierreaktion eine endotherme Reaktion ist, sinkt die Temperatur des Katalysators bei Durchführung der Reformierreaktion unter Verwendung des Katalysators. Die Wiederherstellungsreaktion ist eine exotherme Reaktion, welche die Temperatur des Katalysators ansteigen lässt.
  • Die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-146337 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle unter Verwendung eines für Wasserstoff permeablen Materials mit einschließt, und elektrische Energie in einem Hochtemperaturbereich erzeugt. Zum Beispiel beschreiben die Offenlegungsschrift der US-Patentanmeldung Nr. 2004/0170558 , die Offenlegungsschrift der US-Patentanmeldung Nr. 2004/0170559 und die Offenlegungsschrift der US-Patentanmeldung Nr. 2003/0235529 ebenso zu der Reformiervorrichtung verwandte Technologien.
  • In einem solchen Brennstoffzellensystem wird ein Katalysator in einem Reformer (Reformiervorrichtung), einer Elektrode einer Brennstoffzelle und dergleichen eingesetzt. Wenn deshalb Verunreinigungen (z.B. Ruß, Sulfid und Nitrid) in dem zugeführten Reaktant oder dem erzeugten Wasserstoffgas in dem Reformer angereichert werden bzw. sich akkumulieren, steigt der Widerstand in der Gasleitung in dem Reformer an und der Katalysator verschlechtert sich. Als eine Folge kann der Katalysator nicht effizient arbeiten. Wenn ebenso Wasserstoffgas mit Verunreinigungen zu der Brennstoffzelle zugeführt wird, verschlechtert sich die Elektrode der Brennstoffzelle und die Fähigkeit zur Erzeugung elektrischer Energie sinkt.
  • Insbesondere müssen Verunreinigungen in dem Recktanten oder dem erzeugten Wasserstoffgas in dem Brennstoffzellensystem, welches den Reformer mit einschließt, in welchem die Reformierreaktion und die Wiederherstellungsreaktion abwechselnd durchgeführt werden, reduziert werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung stellt eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung bereit, in welcher sich ein Katalysator nicht verschlechtert und das erzeugte wasserstoffhaltige Gas wenige Verunreinigungen aufweist. Die Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem unter Verwendung der Wasserstofferzeugungsvorrichtung bereit.
  • Die Erfindung betrifft eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung, in der eine Dampfreformierreaktion und eine Wiederherstellungsreaktion abwechselnd durchgeführt werden, sowie ein Brennstoffzellensystem unter Verwendung der Wasserstofferzeugungsvorrichtung. Die Dampfreformierreaktion ist eine endotherme Reaktion und wird unter Verwendung eines Recktanten durchgeführt. Die Wiederherstellungsreaktion ist eine exotherme Reaktion. Die Wiederherstellungsreaktion steigert die Temperatur eines Katalysators, die aufgrund der Dampfreformierreaktion abgesenkt worden ist, um die Effizienz zur Erzeugung von Wasserstoff auf dem Katalysator durch die Reformierreaktion wiederherzustellen.
  • Eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung schließt ein Reformerpaar; Entfernungseinrichtungen und Steuerungseinrichtungen mit ein. Jedes Reformerpaar schließt einen Katalysator mit ein. In jedem Reformer wird eine Reformierreaktion zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas unter Verwendung eines Recktanten auf dem Katalysator durchgeführt und eine exotherme Reaktion zur Erwärmung und Wiederherstellung des Katalysators unter Verwendung eines exothermen Materials wird durchgeführt. Die Wiederherstellungseinrichtung ist in wenigstens einem Reformerpaar vorgesehen. Die Steuerungseinrichtung führt eine Steuerung derart aus, dass der Reaktant und das exotherme Material abwechselnd zu jedem Reformer zugeführt werden, wodurch die Reformierreaktion und die exotherme Reaktion abwechselnd in jedem Reformer durchgeführt werden.
  • Die Reformierreaktion gemäß der vorliegenden Erfindung schließt die Dampfreformierreaktion, die eine endotherme Reaktion ist, und eine Teiloxidationsreaktion, die eine exotherme Reaktion ist, wie nachstehend beschrieben, mit ein. CnH2n+2 + nH2O → (2n + 1)H2 + nCO (1) CnH2n+2 + (n/2)O2 → (n + 1)H2 + nCO (2) CO + H2O ⇔ CO2 + H2 (3) CO + 3H2 ⇔ CH4 + H2O (4)
  • In der Reformierreaktion gemäß der Erfindung wird hauptsächlich die vorstehend beschriebene, durch die Gleichung (1) dargestellte Dampfreformierreaktion durchgeführt.
  • In der Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß dem vorstehend erwähnten Gesichtspunkt ist die Entfernungseinrichtung in jedem Reformer vorgesehen. Die Entfernungseinrichtung fängt und entfernt die Verunreinigungen, die in dem Recktanten, dem zu dem Reformer zugeführten exothermen Material sowie dem durch jede Reaktion erzeugten Gas enthalten sind, wie etwa eine Schwefelverbindung, eine Stickstoffverbindung und Ruß, unter Verwendung eines chemischen Verfahrens oder eines physikalischen Verfahrens wie etwa der Adsorption. Deshalb kann in der Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß dem vorher erwähnten Gesichtspunkt die Verschlechterung des Katalysators durch Entfernen der in jedem zu dem Reformer zugeführten Material enthaltenen Verunreinigungen reduziert werden. Ebenso kann das wasserstoffhaltige Gas mit wenigen Verunreinigungen zu der Brennstoffzelle und dergleichen durch Entfernen der in dem bei jeder Reaktion erzeugten Gas enthaltenen Verunreinigungen zugeführt werden.
  • In dem vorher erwähnten Gesichtspunkt kann der Reaktant eine Mischung aus einem Brennstoff und Wasserdampf sein. Der Brennstoff kann aus Kohlenwasserstoffbrennstoffen (z.B. Methangas und Benzin bzw. Ottokraftstoff („gasoline"), die gewöhnlicher Weise in der Reformierreaktion wie etwa der Dampfreformierreaktion eingesetzt werden, ausgewählt werden, um ein Synthesegas aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid (insbesondere Wasserstoffgas) zu erhalten. Der Wasserdampf in dem Recktanten kann aus wasserdampfhaltigem Gas, welches aus der Kathode (Sauerstoffelektrode) der Brennstoffzelle ausgestoßen wird (hierin nachstehend als "Kathoden-Abgas" bezeichnet), erhalten werden. Alternativ kann der Wasserdampf in dem Reaktant durch Befeuchtung des Brennstoffs oder durch Befeuchtung von Luft erhalten werden.
  • Das exotherme Material kann eine Mischung aus Brennstoff und Luft sein. Der Brennstoff kann aus Kohlenwasserstoffbrennstoffen (z.B. Methangas und Benzin bzw. Ottokraftstoff („gasoline")), die im Allgemeinen eingesetzt werden, ausgewählt sein. Alternativ kann das exotherme Material das wasserstoffhaltige Gas sein, das aus der Anode (Wasserstoffelektrode) der Brennstoffzelle ausgestoßen wird (hierein nachstehend als "Anoden-Abgas" bezeichnet).
  • In dem vorstehend erwähnten Gesichtspunkt kann die Entfernungsseinrichtung wenigstens eine Schwefelverbindung oder eine Stickstoffverbindung entfernen; und die Entfernungsseinrichtung kann zu der Richtung, in die der Reaktant fließt, stromaufwärts vom Katalysator in wenigstens einem Reformer des Reformerpaares vorgesehen sein.
  • Mit diesem Aufbau kann die in dem Recktanten enthaltene Schwefelverbindung entfernt werden, bevor die Schwefelverbindung den Katalysator erreicht. Dies reduziert die Möglichkeit, dass der Katalysator aufgrund der Vergiftung mit der Schwefelverbindung verschlechtert wird.
  • In dem vorstehend erwähnten Gesichtspunkt kann die Entfernungseinrichtung wenigstens Ruß entfernen; und die Entfernungseinrichtung kann zu der Richtung, in die der Reaktant fließt, stromabwärts vom Katalysator in wenigstens einem Reformer des Reformerpaars vorgesehen sein.
  • Mit diesem Aufbau kann der durch die Teiloxidationsreaktion des Recktanten und dergleichen erzeugte Ruß entfernt werden, bevor er aus dem Reformer ausströmt. Deshalb kann das wasserstoffhaltige Gas, das einen geringen Gehalt an Ruß aufweist, erzeugt werden. Dies reduziert die Möglichkeit, dass Ruß zu der Brennstoffzelle zugeführt wird und dergleichen. In dem Fall, in dem das exotherme Material in der entgegengesetzten Richtung zu der Richtung, in die der Reaktant bei Durchführen der Wiederherstellungsreaktion (exotherme Reaktion) zugeführt wird, zugeführt wird, reagiert auch der durch die Entfernungseinrichtung aufgefangene Ruß mit dem exothermen Material und die Verbrennungsreaktion wird durchgeführt. Dies steigert die Menge an gespeicherter Wärme, um die Reformierreaktion durchzuführen.
  • In dem vorstehend erwähnten Gesichtspunkt schließt die Entfernungseinrichtung eine erste Entfernungseinrichtung und eine zweite Entfernungseinrichtung mit ein, wobei die erste Entfernungseinrichtung wenigstens eine Schwefelverbindung oder eine Stickstoffverbindung entfernen kann; und wobei die erste Entfernungseinrichtung zu der Richtung, in die der Reaktant fließt, stromaufwärts vom Katalysator in wenigstens einem Reformer des Reformierpaares vorgesehen sein kann, und wobei die zweite Entfernungseinrichtung wenigstens Ruß entfernen kann; wobei die zweite Entfernungseinrichtung zu der Richtung, in die der Reaktant fließt, stromabwärts vom Katalysator in wenigstens einem Reformer des Reformerpaares vorgesehen sein kann.
  • In der Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß dem vorstehend erwähnten Gesichtspunkt kann die Steuerungseinrichtung eine Steuerung derart durchführen, dass bei Durchführung der Reformierreaktion in einem Reformer des Reformerpaares die exotherme Reaktion in dem anderen Reformer durchgeführt wird.
  • In der erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungsvorrichtung ist ein Reformerpaar (hierin nachstehend manchmal als „Druckpendelreformierreformer" („pressure swing reforming (PSR) reformers") bezeichnet) vorgesehen. In jedem der Reformer kann die Dampfreformierreaktion zur Erzeugung von Wasserstoff und die exotherme Reaktion (Wiederherstellungsreaktion) abwechselnd durchgeführt werden. Die Dampfreformierreaktion wird unter Verwendung von gespeicherter Wärme durchgeführt. Die exotherme Reaktion (Wiederherstellungsreaktion) steigert die Menge an gespeicherter Wärme, die aufgrund der Dampfreformierreaktion abgesenkt worden ist. Die Reformierreaktion zur Erzeugung von Wasserstoff wird in einem Reformer durchgeführt und die Wiederherstellungsreaktion wird in dem anderen Reformer durchgeführt (hierin nachstehend wird die Wasserstofferzeugungsvorrichtung manchmal als „PSR-Vorrichtung" bezeichnet).
  • In dem Fall, in dem z.B. zwei Reformer vorgesehen sind, wird die Dampferzeugungsreaktion, die die endotherme Reaktion ist, unter Verwendung der gespeicherten Wärme in einem der Reformer durchgeführt und die Wiederherstellungsreaktion, die die exotherme Reaktion ist, wird in dem anderen Reformer durchgeführt. Wenn die Menge an gespeicherter Wärme aufgrund der Reformierreaktion in einem Reformer absinkt, werden die Leitungen, durch welche der Reaktant und das exotherme Material zu den zwei Reformern zugeführt werden, derartig verändert, dass in dem einen Reformer von der Reformierreaktion in die Wiederherstellungsreaktion geschaltet wird und in dem anderen Reformer von der Wiederherstellungsreaktion in die Reformierreaktion geschaltet wird. Demgemäß muss keine Heizvorrichtung oder dergleichen vorgesehen sein und Wasserstoff kann kontinuierlich erzeugt werden, während Wärmeenergie effizient eingesetzt wird.
  • Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem kann die Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß der Erfindung und eine Brennstoffzelle, die unter Verwendung des das durch die Wasserstofferzeugungsvorrichtung erzeugten wasserstoffhaltigen Gases elektrische Energie erzeugt, mit einschließen.
  • Mit diesem Aufbau kann wasserstoffhaltiges Gas, das wenige Verunreinigungen aufweist, aus den Reformern zu der Brennstoffzelle zugeführt werden. Dies reduziert die Möglichkeit, dass sich die Leistung der Brennstoffzelle aufgrund der Verunreinigungen verschlechtert.
  • In dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehend erwähnten Gesichtspunkt kann die Brennstoffzelle eine für Wasserstoff permeable Metallschicht und eine Elektrolytschicht, die auf wenigstens einer Oberfläche der für Wasserstoff permeablen Metallschicht vorgesehen ist, mit einschließen.
  • Wenn die Brennstoffzelle die für Wasserstoff permeable Metallschicht und die Elektrolytschicht mit einschließen, liegt der Betriebstemperaturbereich der Brennstoffzelle bei 300°C bis 600°C. Dieser Betriebstemperaturbereich ist im Wesentlichen der gleiche wie der Reaktionstemperaturbereich der Reformierreaktion. Deshalb liegt die Temperatur des wasserstoffhaltigen Gases, das durch die Wasserstofferzeugungsvorrichtung erzeugt worden ist, in dem Betriebstemperaturbereich der Brennstoffzelle. Ebenso kann das Anoden-Abgas zu den PSR-Reformern ohne Anpassung der Temperatur des Gases zugeführt werden und kann in der Wiederherstellungsreaktion und dergleichen eingesetzt werden. Deshalb ist diese Brennstoffzelle für das Brennstoffzellensystem zweckmäßig und Wärme kann effektiv in dem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden.
  • Eine erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung schließt mehrere Reformer; Entfernungseinrichtungen und Steuerungseinrichtungen mit ein. Jeder Reformer aus den mehreren Reformern schließt einen Katalysator mit ein. In jedem Reformer wird eine Reformierreaktion zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas unter Verwendung eines Recktanten auf dem Katalysator durchgeführt und eine exotherme Reaktion wird zur Erwärmung und Wiederherstellung des Katalysators unter Verwendung des exothermen Materials durchgeführt. Die Entfernungseinrichtung ist in wenigstens einem der mehreren Reformer vorgesehen. Die Steuerungseinrichtung übt eine Steuerung derart aus, dass der Reaktant und das exotherme Material abwechselnd zu jedem Reformer zugeführt werden, wodurch die Reformierreaktion und die exotherme Reaktion abwechselnd in jedem Reformer durchgeführt werden.
  • In der Wasserstofferzeugungsvorrichtung und in dem Brennstoffzellensystem, welches die Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß dem vorstehend erwähnten Gesichtspunkt mit einschließt, verschlechtert sich der Katalysator nicht und wasserstoffhaltiges Gas, das wenige Verunreinigungen aufweist, kann erzeugt werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorhergehenden und/oder weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen ersichtlicher, in welchen die gleichen oder entsprechenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind und wobei:
  • 1 ein schematisches Diagramm veranschaulicht, welches den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 2 eine schematische Querschnittsansicht veranschaulicht, welche den Aufbau eines Reformers zeigt;
  • 3 eine Querschnittsansicht veranschaulicht, welche eine Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
  • 4 ein Diagramm veranschaulicht, welches die Steuerung der Ventile erklärt;
  • 5 ein Flussdiagramm einer Steuerung zum Wechseln bzw. Umschalten einer Reformierreaktion in eine Wiederherstellungsreaktion in einem Reformer 112 veranschaulicht;
  • 6 eine Querschnittsansicht veranschaulicht, welche ein weiteres Beispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle zeigt; und
  • 7 eine Querschnittsansicht veranschaulicht, die noch ein weiteres Beispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle zeigt.
  • DETAILLIERTE ERLÄUTERUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Hierin nachstehend wird ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Eine erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung wird im Detail im Kontext der Erläuterung des Brennstoffzellensystems erläutert.
  • Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform ist in einem elektrischen Fahrzeug vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem schließt eine Wasserstoffmembran-Brennstoffzelle (hierein nachstehend als „HMFC" („hydyrogen membrane fuel cell") bezeichnet) und eine erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungsvorrichtung mit ein. Die HMFC schließt eine Elektrolytmembran, auf der eine protonenleitende Keramik auf der Oberfläche einer für Wasserstoff permeablen Metallmembran vorgesehen ist, mit ein.
  • In dieser Ausführungsform werden bei Durchführung der Reformierreaktion Benzin und Kathoden-Abgas, welches Wasserdampf enthält, als Recktanten eingesetzt. Das Kathoden-Abgas wird aus der Sauerstoffelektrode (Kathode) der HMFC ausgestoßen. Eine Verbrennungsreaktion wird als die exotherme Reaktion (Wiederherstellungsreaktion) durchgeführt. Wenn die Wiederherstellungsreaktion durchgeführt wird, wird mit Luft vermischtes Anoden-Abgas als exotherme Reaktion eingesetzt. Das Anoden-Abgas wird aus einer Wasserstoffelektrode (Anode) der Brennstoffzelle ausgestoßen. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
  • Als Erstes wird die Grundstruktur eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 erläutert. 1 veranschaulicht ein schematisches Diagramm, welches den Aufbau des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. In 1 schließt ein Brennstoffzellensystem 100 eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung 110 und eine HMFC 120 mit ein. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung 110 schließt einen Reformer 112 (PSR 1) und einen Reformer 114 (PSR 2) mit ein. Die HMFC 120 erzeugt elektrische Energie unter Verwendung von durch die Wasserstofferzeugungsvorrichtung 110 erzeugtem Wasserstoff.
  • Jeder der Reformer 112 und 114 in 1 schließt ein Schwefelfallenelement, welches Schwefel und dergleichen einfängt; ein Rußfallenelement, welches Ruß einfängt; einen Katalysator; und eine Einspritzvorrichtung mit ein. In jedem der Reformer 112 und 114 werden die Reformierreaktion und die Wiederherstellungsreaktion abwechselnd durchgeführt. Die Reformierreaktion und die Wiederherstellungsreaktion werden durch Steuern von mehreren Ventilen (Ventile V1 bis V8, und Dreiwegeventile SV1 bis SV7) ineinander umgeschaltet. Diese Ventile schalten zwischen Versorgungsleitungen, durch welche Benzin und das Kathoden-Abgas zu den Reformern zugeführt werden, zwischen Versorgungsleitungen durch welche das Anoden-Abgas und Luft zu den Reformern zugeführt werden, zwischen Ausstoßleitungen, durch welche wasserstoffhaltiges Gas, das durch die Reformierreaktion erzeugt worden ist, abgeführt wird, und zwischen Leitungen, durch welches durch die Wiederherstellungsreaktion erzeugtes Gas aus den Reformern abgeführt wird. Genauer gesagt erlauben die Ventile V1 bis V8, dass Gas durch die Leitungen fließt. Jedes der Dreiwegeventile SV1 bis SV7 ist mit drei Leitungen verbunden und erlaubt die Kommunikation zwischen jeweils zwei der drei Leitungen.
  • In dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn die Dampfreformierreaktion in einem der Reformer durchgeführt wird, die Wiederherstellungsreaktion in dem anderen Reformer durchgeführt. Die Dampfreformierreaktion ist eine endotherme Reaktion. Die Temperatur innerhalb eines Reformers, in dem die Dampfreformierreaktion durchgeführt wird, wird aufgezeichnet. Wenn die Temperatur innerhalb des einen Reformers niedriger als eine vorbestimmte Temperatur wird, wird die Reformierreaktion in die Wiederherstellungsreaktion in dem einen Reformer umgeschaltet und die Wiederherstellungsreaktion wird in dem anderen Reformer in die Reformierreaktion umgeschaltet. Genauer gesagt werden anstelle des Benzins und des Kathoden-Abgases, die als Recktanten dienen, das Anoden-Abgas und Luft zu dem einen Reformer derart zugeführt, dass die Reaktion in dem Reformer von der Reformierreaktion in die Wiederherstellungsreaktion verändert wird. Anstelle des Anoden-Abgases und Luft werden Benzin und das Kathoden-Abgas zu dem anderen Reformer derart zugeführt, dass die Reaktion in dem Reformer in die Reformierreaktion umgeschaltet wird. Benzin und das Kathoden-Abgas, die als Recktanten dienen, werden jeweils zu dem Reformer in der entgegengesetzten Richtung zu der Richtung, in die das Anoden-Abgas und Luft zugeführt werden, unter Berücksichtigung des Temperaturgradienten innerhalb eines jeden Reformers zugeführt.
  • Wenn ein Brennstoffzellensystem 100 betrieben wird, werden die Reformierreaktion und die Wiederherstellungsreaktion abwechselnd in jedem Reformer durchgeführt. Jedoch wird in dieser Ausführungsform zur Vereinfachung der Erläuterung die Reformierreaktion in dem Reformer 112 und die Wiederherstellungsreaktion in dem Reformer 114 durchgeführt.
  • Die Grundstruktur des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird erläutert. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Versorgungsleitung 130B mit einer Seite des Reformers 112 verbunden und die Versorgungsleitung 130C ist mit einer Seite des Reformers 114 verbunden. Die Versorgungsleitungen 130B und 130C sind mit einer Versorgungsleitung 130A über das Dreiwegeventil SV1 verbunden. Der Reaktant wird zu den Reformern durch diese Leitungen zugeführt. Hierin nachstehend stehen die Ausdrücke „stromaufwärts" und „stromabwärts" für den in Richtung, in die die Recktanten fließen, stromaufwärts bzw. stromabwärts fließenden Strom. Die Versorgungsleitung 130A ist mit einer Pumpe 21 versehen. Durch Betreiben der Pumpe P1 wird Benzin, das als ein Reaktant dient, zu dem Reformer 112 zugeführt. Die Versorgungsleitungen 130B und 130C sind mit Ventilen V1 bzw. V5 versehen. Ferner sind die Reformer 112 und 114 mit Temperatursensoren 116 bzw. 118 versehen. Die Temperatursensoren 116 und 118 detektieren die Temperatur innerhalb der Reformer 112 bzw. 114.
  • Ein Ende einer Ausstoßleitung 134A ist mit der anderen Seite des Reformers 112 verbunden und ein Ende einer Ausstoßleitung 134B ist mit der anderen Seite des Reformers 114 verbunden. Wasserstoffhaltiges Gas wird durch die Ausstoßleitungen 134A und 134B ausgestoßen. Falls die Verbrennungsreaktion (Wiederherstellungsreaktion) durchgeführt wird, wird das Anoden-Abgas zu den Reformern von der stromabwärts gerichteten Seite zugeführt.
  • Die anderen Enden der Ausstoßleitungen 134A und 134B sind mit dem Dreiwegeventil SV2 verbunden. Ein Ende einer Versorgungsleitung 136 ist ebenso mit dem Dreiwegeventil SV2 verbunden. Durch Änderung des Zustands des Dreiwegeventils SV2 wird eine Verbindung zwischen der Versorgungsleitung 136 und der Ausstoßleitung 134A oder 134B erlaubt.
  • Das andere Ende der Versorgungsleitung 136 ist mit einer Seite der Anode der HMFC 120 verbunden. Das wasserstoffhaltige Gas wird zu der HMFC 120 durch die Versorgungsleitung 136 zugeführt. Ein Ende einer Ausstoßleitung 138A ist mit der anderen Seite der Anode der HMFC 120 verbunden. Nachdem das wasserstoffhaltige Gas in der Anode verwendet worden ist, wird das gesamte Gas (Anoden-Abgas) durch die Ausstoßleitung 138A ausgestoßen. Durch Änderung des Zustands des Dreiwegeventils SV3 wird eine Verbindung zwischen der Ausstoßleitung 138A und der Ausstoßleitung 138B oder 138C ermöglicht.
  • Das andere Ende der Ausstoßleitung 138C ist mit der stromabwärts gerichteten Seite des Reformers 114 derart verbunden, dass das Anoden-Abgas, das aus der HMFC 120 ausgestoßen wird, zu dem Reformer 114 zugeführt wird. Die Ausstoßleitung 138C ist mit einem Mischer 139, der mit einer Versorgungsleitung 140B verbunden ist, versehen. Die Versorgungsleitung 140B ist mit einer Versorgungsleitung 140A über das Dreiwegeventil SV7 verbunden. Luft wird durch die Versorgungsleitung 140A und 140B zugeführt. Die Versorgungsleitung 140B ist mit dem Ventil V2 versehen.
  • Durch Betreiben des Ventils V2 und einer Pumpe P2 wird Luft zu dem Mischer 139 zugeführt. In dem Mischer 139 wird das Anoden-Abgas, das aus der HMFC 120 ausgestoßen wird, mit Luft vermischt, welche durch die Versorgungsleitung 140B zugeführt wird. Das Anoden-Abgas, gemischt mit Luft, wird zu dem Reformer 114 zugeführt. Die Ausstoßleitung 138C ist mit dem Ventil V3 versehen. Ferner ist das Dreiwegeventil SV7 mit einem Ende einer Versorgungsleitung 140C verbunden. Luft wird durch die Versorgungsleitung 140C zugeführt.
  • Eine Versorgungsleitung 142A ist mit der stromaufwärts gerichteten Seite des Reformers 114 verbunden. Das durch die Oxidationsreaktion erzeugte Gas wird über das Dreiwegeventil SV4 und eine Ausstoßleitung 142B aus dem Brennstoffzellensystem nach außen hin ausgestoßen. Ebenso sind die Ausstoßleitung 142A und die Versorgungsleitung 130C, welche mit der stromaufwärts gerichteten Seite des Reformers 114 verbunden sind, mit den Ventilen V4 bzw. V5 versehen.
  • Das Dreiwegeventil SV4 erlaubt eine Verbindung zwischen der Ausstoßleitung 142A und der Ausstoßleitung 142B oder 142C. Das andere Ende der Ausstoßleitung 142C ist mit dem Dreiwegeventil SV5 verbunden.
  • Die Ausstoßleitung 138B ist mit dem Ventil V6 versehen. Ferner ist das andere Ende der Ausstoßleitung 138B mit der stromabwärts gerichteten Seite des Reformers 112 verbunden. Ebenso ist die Leitung 138B mit einem Mischer 154, der mit dem anderen Ende der Ausstoßleitung 140C verbunden ist, versehen. Ferner ist die Versorgungsleitung 140C mit dem Ventil V8 verbunden.
  • Ein Ende einer Versorgungsleitung 144 ist mit einer Seite der Kathode (Sauerstoffelektrode) der HMFC 120 verbunden.
  • Die Versorgungsleitung 144 ist mit einer Pumpe P3 versehen. Luft und dergleichen werden zu der Kathode durch die Versorgungsleitung 144 zugeführt. Ein Ende einer Versorgungsleitung 146A ist mit der anderen Seite der Kathode der HMFC 120 verbunden. Das Kathoden-Abgas wird durch die Versorgungsleitung 146A ausgestoßen.
  • Das Dreiwegeventil SV5 ist am anderen Ende der Versorgungsleitung 146A vorgesehen. Das andere Ende der Ausstoßleitung 142C ist mit dem anderen Dreiwegeventil SV5 verbunden. Das Dreiwegeventil SV5 erlaubt eine Verbindung zwischen der Versorgungsleitung 146A und der Ausstoßleitung 142C oder der Ausstoßleitung 146B.
  • Das Dreiwegeventil SV6 ist mit dem anderen Ende der Versorgungsleitung 146B verbunden. Das Dreiwegeventil SV6 ist ebenso mit einem Ende einer Versorgungsleitung 146C und einem Ende einer Ausstoßleitung 148 verbunden. Die Versorgungsleitung 146C ist mit dem Ventil V7 versehen. Das andere Ende der Versorgungsleitung 146C ist mit der stromaufwärts gerichteten Seite des Reformers 112 verbunden. Das Kathoden-Abgas, das H2O enthält, wird zu dem Reformer 112 durch die Versorgungsleitung 146C zugeführt. Durch Verändern des Zustands des Dreiwegeventils SV6 wird eine Verbindung zwischen der Versorgungsleitung 146B und der Versorgungsleitung 148 derart ermöglicht, dass das Kathoden-Abgas aus dem Brennstoffzellensystem durch die Ausstoßleitung 148 nach außen hin ausgestoßen wird.
  • Eine Kühlleitung 150 erstreckt sich durch die HMFC 120. Aus der Atmosphäre erhaltene Kühlluft wird zu der Kühlleitung 150 derart zugeführt, dass das Innere der HMFC 120 durch Wärmeaustausch gekühlt wird.
  • Als nächstes wird der Aufbau des Reformers erläutert. Weil die Reformer 112 und 114 den gleichen Aufbau aufweisen, wird nur der Aufbau des Reformers 112 erläutert. 2 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht, welche den Aufbau des Reformers 112 zeigt. Wie in 2 gezeigt ist, schließt der Reformer 112 einen zylindrischen Körper 160; einen Katalysator (Katalysatorträgerbereich) 162; ein Schwefelfallenelement 146 und ein Rußfallenelement 166 mit ein. Der zylindrische Körper 160 hat einen Querschnitt eines Kreises. Die beiden Enden in Längsrichtung des zylindrischen Körpers 116 sind geschlossen. Der Katalysator 162 ist auf den inneren Wandoberflächen des zylindrischen Körpers 160 geträgert. Das Schwefelfallenelement 164 fängt Schwefel und dergleichen ein. Das Rußfallenelement 166 fängt Ruß ein. Der zylindrische Körper 160 hat einen Hohlraum, in dem die Reaktion durchgeführt wird, und er fungiert als ein Katalysatorträgerkörper.
  • Der zylindrische Körper 160 ist aus einer keramischen Wabenstruktur in einer zylindrischen Gestalt erzeugt. Der zylindrische Körper 160 hat einen Querschnitt eines Kreises mit einem Durchmesser von 10 cm. Der zylindrische Körper 160 ist ein Hohlkörper. Die beiden Enden in der Längsrichtung des zylindrischen Körpers 160 sind geschlossen. Der Querschnitt des zylindrischen Körpers 160 kann je nach Zweck irgendeine Gestalt wie etwa eine rechtwinklige und eine ovale Gestalt aufweisen. Ebenso kann die Größe des zylindrischen Körpers 160 je nach dem Zweck variiert werden.
  • In einer gekrümmten Oberfläche der inneren Wand des zylindrischen Körpers 160 werden die Bereiche mit einer vorbestimmten Weite A an beiden Seiten in Längsrichtung als „katalysatorfreie Regionen" bezeichnet. Der Katalysator 162 ist nicht in den katalysatorfreien Regionen A geträgert. Das heißt, dass der Katalysator 162 auf der gesamten Oberfläche der inneren Wand des zylindrischen Körpers 160, außer den katalysatorfreien Regionen A geträgert ist. Als der Katalysator 162 können Metalle wie etwa Pd, Ni, Pt, Rh, Ag, Ce, Cu, La, Mo, Mg, Sn, Ti, Y und Zn eingesetzt werden.
  • Wenn die Reformierreaktion an dem Katalysator 162 durchgeführt wird, wird das wasserstoffhaltige Gas, das durch die Reformierreaktion erzeugt worden ist, an den katalysatorfreien Regionen auf der stromabwärts gerichteten Seite gekühlt. Deshalb kann die Temperatur des wasserstoffhaltigen Gases, das zu der HMFC 120 zugeführt wird, nahe der Betriebstemperatur der HMFC 120 gebracht werden. Wenn die Reformierreaktion in die Wiedergewinnungsreaktion umgeschaltet wird, wird die Temperatur der katalysatorfreien Region aufgrund des Wärmeaustausches mit dem wasserstoffhaltigen Gas gesteigert. Deshalb wird das Anoden-Abgas, welches in der Richtung, entgegengesetzt zu der Richtung, in die das wasserstoffhaltige Gas ausgestoßen wird, an der katalysatorfreien Region vorgewärmt, bevor das Anoden-Abgas zu dem Katalysator 162 zugeführt wird. Im Ergebnis wird die Temperaturverteilung derart ausgebildet, dass die Menge an gespeicherter Wärme zur Mitte des zylindrischen Körpers 160, auf dem der Katalysator 162 geträgert ist, ansteigt. Dies ist für die Förderung der Reaktion vorteilhaft. Ein Temperatursensor 116, der die Temperatur des Katalysators 162 misst, wird an den zylindrischen Körper 160 angebracht.
  • Das Schwefelfallenelement 164 ist in der katalysatorfreien Region auf der stromaufwärts gerichteten Seite des zylindrischen Körpers 160 vorgesehen (d.h. auf der stromaufwärts gerichteten Seite in der Richtung, die durch einen Pfeil B in 2 angegeben ist). Das Schwefelfallenelement 164 fängt Schwefelverbindungen und dergleichen sowie Stickstoffverbindungen, die in dem Benzin und dergleichen enthalten sind, ab. Das Schwefelfallenelement 164 wird unter Verwendung von Zeolith, der eine poröse Struktur aufweist, ausgebildet. Nachdem Benzin zu dem Reformer 112 zugeführt worden ist, entfernt das Schwefelfallenelement 164 Schwefelverbindungen und dergleichen, und dann wird die Reformierreaktion unter Verwendung des Benzins auf dem Katalysator 162 durchgeführt. Dies reduziert die Möglichkeit, dass der Katalysator 162 aufgrund des Kontakts mit Schwefelverbindungen und dergleichen verschlechtert wird. Das Schwefelfallenelement 164 kann unter Verwendung irgendeines geeigneten Materials, welches Schwefelverbindungen und dergleichen und Stickstoffverbindungen abfängt, anstelle des Zeoliths ausgebildet sein. Zum Beispiel kann das Schwefelfallenelement 164 unter Verwendung von Oxid wie etwa aktiviertem Kohlenstoff und Zinkoxid oder einem Metall wie etwa Pt ausgebildet sein. Ferner kann das Schwefelfallenelement 164 eine Filterstruktur oder eine wabenförmige Struktur, anstelle der porösen Struktur aufweisen.
  • Das Rußfallenelement 166 ist an der katalysatorfreien Region auf der stromabwärts gerichteten Seite des zylindrischen Körpers 160 vorgesehen. Das Rußfallenelement 166 fängt durch die Teiloxidationsreaktion erzeugten Ruß ab. Das Rußfallenelement 166 wird unter Verwendung eines keramischen Filters ausgebildet. Das Rußfallenelement 166 erzeugt Ruß in dem wasserstoffhaltigen Gas und dergleichen, bevor das wasserstoffhaltige Gas aus der stromabwärts gerichteten Seite des Reformers 112 ausgestoßen wird. Dies reduziert die Möglichkeit, dass Ruß in dem wasserstoffhaltigen Gas zu der HMFC 120 zugeführt wird. Das Rußfallenelement 166 kann unter Verwendung eines Metalls, auf dem Pd und dergleichen geträgt ist, anstelle des keramischen Filters ausgebildet sein. Ferner kann das Rußfallenelement 166 eine poröse Struktur oder eine wabenförmige Struktur anstelle der Filterstruktur aufweisen.
  • In der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird, nachdem das Brennstoffzellensystem 100 in Betrieb gesetzt worden ist und der Aufwärmbetrieb abgeschlossen ist, Luft zu der Kathode der HMFC 120 unter Verwendung der Pumpe P3 zugeführt. Dann wird das Kathoden-Abgas und Benzin zu dem Reformer 112 zugeführt, um das Brennstoffzellensystem zu aktivieren. Da das wasserstoffhaltige Gas noch nicht in diesem Schritt zu der HMFC 120 zugeführt wurde, enthält das Kathoden-Abgas keinen Wasserdampf. Deshalb wird der Anteil des Benzins in dem Reformer 112 hoch, was die Teiloxidationsreaktion des Benzins mit Sauerstoff in Luft verursacht. Die HMFC 120 beginnt graduell elektrische Energie unter Verwendung des durch die Teiloxidationsreaktion erzeugten Wasserstoffs zu erzeugen. Nachdem der Sauerstoff in dem zu der Kathode (Sauerstoffelektrode) zugeführten Gas an der Kathode aufgebracht worden ist, steigt die Menge des in dem Kathoden-Abgas enthaltenen Wasserdampfes an. Dann wird die Teiloxidationsreaktion bzw. Partialoxidationsreaktion in die Wasserdampfreformierreaktion in dem Reformer 112 umgeschaltet.
  • Da die Teiloxidationsreaktion durchgeführt wird, wenn das Brennstoffzellensystem wie vorstehend beschrieben gestartet wird, wird Ruß leicht durch die Teiloxidationsreaktion erzeugt. Jedoch kann in dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Erfindung das Rußfallenelement 166 den Ruß durch die Teiloxidationsreaktionsreaktion entfernen, z.B. falls das Brennstoffzellensystem gestartet wird. Dies reduziert die Möglichkeit, dass Ruß in dem wasserstoffhaltigen Gas zu der HMFC 120 aus der Wasserstofferzeugungsvorrichtung 110 zugeführt wird, und die Anode der HMFC 120 wird durch den Ruß erodiert. Als eine Folge kann die HMFC 120 stabil elektrische Energie liefern.
  • Die Versorgungsleitungen 130B und 146C sind mit der Wand auf der stromaufwärts gerichteten Seite des zylindrischen Körpers 160 verbunden. Eine Einspritzvorrichtung 168 ist an dem Ende der Versorgungsleitung 130B vorgesehen. Ferner sind die Ausstoßleitungen 134A und 138B mit der Wand an der stromabwärts gerichteten Seite des zylindrischen Körpers 160 verbunden.
  • Falls die Dampfreformierreaktion in dem Reformer 112 während des gewöhnlichen Betriebs durchgeführt wird, spritzt die Einspritzvorrichtung 168 Benzin, das als Reaktant dient, in einem weiten Bereich ein. Das durch die Einspritzvorrichtung 168 eingespritzte Benzin und der in dem Kathoden-Abgas enthaltene Wasserdampf werden zu dem Katalysator 162, der in dem zylindrischen Körper 160 vorgesehen ist, zugeführt, sodass die Reformierreaktion durchgeführt wird. Das wasserstoffhaltige Gas, das durch die Dampfreformierreaktion erzeugt worden ist, wird durch die Ausstoßleitung 134A ausgestoßen und zu der HMFC 120 zugeführt.
  • Wenn die Reformierreaktion in die Wiedergewinnungsreaktion in dem Reformer 112 umgestellt wird, wird Anoden-Abgas zu dem Katalysator 162 derart zugeführt, dass die Oxidationsreaktion durchgeführt wird. Das Anoden-Abgas kann bei Bedarf zusammen mit Benzin und dem wasserstoffhaltigen Gas zugeführt werden.
  • Als nächstes wird die HMFC 120 unter Bezugnahme auf die 3 erläutert. 3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht, welche die HMFC 120 gemäß der Ausführungsform zeigt. Wie in 3 gezeigt ist, schließt die HMFC 120 eine Elektrolytmembran 174; eine Sauerstoffelektrode 176; und eine Wasserstoffelektrode 178 mit ein. Die Elektrolytmembran 174 schließt eine dichte, für Wasserstoff permeable Metallmembran mit ein. Die Elektrolytmembran 174 ist zwischen der Sauerstoffelektrode 176 und der Wasserstoffelektrode 178 vorgesehen. Wenn das wasserstoffhaltige Gas, das in der Wasserstofferzeugungsvorrichtung 110 erzeugt worden ist, zu der HMFC 120 zugeführt wird, kann Wasserstoff selektiv durch die Elektrolytmembran 174 hindurch passieren, sodass elektrische Energie erzeugt wird.
  • Luftleitungen 180 sind zwischen der Sauerstoffelektrode 176 und der Elektrolytmembran 174 ausgebildet. Luft, die als Oxidationsgas dient, geht durch die Luftleitungen 180 hindurch. Das heißt, Luft wird zugeführt und durch die Luftleitungen 180 ausgestoßen. Wasserstoffleitungen 182 sind zwischen der Wasserstoffelektrode 178 und der Elektrolytmembran 174 ausgebildet. Wasserstoffhaltiges Gas, das durch die Reformierreaktion erzeugt wird, geht durch die Wasserstoffleitungen 182 hindurch. Das heißt, das wasserstoffhaltige Gas wird zugeführt und durch die Wasserstoffleitungen 182 ausgestoßen. Die Sauerstoffelektrode 176 und die Wasserstoffelektrode 178 können jeweils unter Verwendung verschiedener Materialien, wie etwa Kohlenstoff (z.B. Kohlenstoffpulver, das Platin oder eine Legierung aus Platin und einem weiteren Metall trägt) oder einer Elektrolytlösung (z.B. Nafion Solution, hergestellt von Aldrich Chemical Company) ausgebildet sein.
  • Die Elektrolytmembran 174 hat vier Schichten, die ein dichtes Substrat 184, hergestellt aus Vanadium (V), mit einschließen. Das dichte Substrat 184 ist eine dichte, für Wasserstoff permeable Metallschicht. Das Substrat 184 ist zwischen Palladiumschichten (Pd) 186, 188 vorgesehen. Die Pd-Schichten 186, 188 sind dichte, für Wasserstoff permeable Metallschichten. Eine dünne Elektrolytschicht 190, hergestellt aus festem Oxid (BaCeO3) ist auf der Oberfläche der Pd-Schicht 186 vorgesehen, welche nicht mit dem Substrat 184 in Kontakt steht.
  • Das Substrat 184 kann unter Verwendung von Niob, Tantal oder einer Legierung mit wenigstens einem aus Niob oder Tantal anstelle von Vanadium (V) ausgebildet sein. Sie haben eine hohe Permeabilität bzw. Durchlässigkeit für Wasserstoff und sind nicht teuer.
  • Die Elektrolytschicht 190 kann unter Verwendung eines SrCeO3-basierten keramischen Protonenleiters anstelle von BaCeO3 ausgebildet sein.
  • Beispiele des für Wasserstoff permeablen Metalls schließen Palladium, Vanadium, Niob, Tantal, eine Legierung mit wenigstens einem aus Vanadium, Niob und Tantal und eine Palladiumlegierung mit ein. Durch Vorsehen der dichten Schichten, hergestellt aus einem solchen für Wasserstoff permeablen Metall, kann die Elektrolytschicht geschützt werden.
  • Bevorzugt kann die dichte Schicht (Beschichtung) nahe der Sauerstoffelektrode 176 unter Verwendung von Vanadium (Vanadium selbst oder einer Vanadiumlegierung wie etwa Vanadium-Nickel), Niob, Tantal oder einer Legierung mit wenigstens einem aus Niob und Tantal ausgebildet sein, weil diese Metalle eine hohe Permeabilität für Wasserstoff aufweisen und im Allgemeinen nicht teuer sind. Die dichte Schicht nahe der Wasserstoffelektrode 178 kann unter Verwendung irgendeines dieser Metalle ausgebildet sein. Jedoch können diese Metalle eine Wasserstoffversprödung verursachen. Deshalb ist die dichte Schicht bevorzugt nahe der Wasserstoffelektrode 178 unter Verwendung von Palladium oder einer Palladiumlegierung ausgebildet. Palladium und Palladiumlegierungen haben hohe Permeabilität für Wasserstoff und verursachen nicht leicht eine Wasserstoffversprödung.
  • Falls die Pd-Schicht 186, das Substrat 184 und die Pd-Schicht 188 aufgeschichtet sind, d.h. zwei oder mehrere Schichten, hergestellt aus unterschiedlichen Metallen (dichte, für Wasserstoff permeable Metallschichten) wie in 3 gezeigt aufgeschichtet sind, kann eine Metalldiffusionsunterdrückungsschicht, die die Diffusion von unterschiedlichen Metallionen unterdrückt, in wenigstens einem Bereich einer Grenzfläche zwischen den unterschiedlichen Metallen vorgesehen sein (siehe 6 und 7, die nachstehend erläutert sind). Die Metalldiffusionsunterdrückungsschicht wird in den Abschnitten [0015] bis [0016] in der Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr. JP-A-2004-146337 beschrieben.
  • Anstelle des Aufschichtens der vorstehend beschriebenen Palladiumschicht (Pd-Schicht), Vanadiumschicht (V-Schicht) und Palladiumschicht (Pd-Schicht) können fünf Schichten geschichtet sein. Zum Beispiel können die Pd-Schicht, eine Tantalschicht (Ta-Schicht), eine V-Schicht, eine Ta-Schicht und eine Pd-Schicht in der angegebenen Reihenfolge aufgeschichtet sein. Wie vorstehend beschrieben, ist die Geschwindigkeit, mit welcher Protonen oder Wasserstoffatome durch Vanadium hindurch passieren, höher als die Geschwindigkeit, mit welcher Protonen oder Wasserstoffatome durch Palladium hindurchpassieren. Ebenso ist Vanadium weniger teuer als Palladium. Jedoch hat Vanadium, verglichen mit Palladium, eine geringe Fähigkeit, Wasserstoffmoleküle in ein Proton und dergleichen zu zersetzen. Deshalb kann durch Vorsehen der Pd-Schicht, die eine höhere Fähigkeit zur Zersetzung der Wasserstoffmoleküle in einem Proton und dergleichen aufweist, auf einer Oberfläche oder beiden Oberflächen der V-Schicht die Permeabilität für Wasserstoff gesteigert werden. In diesem Fall kann durch Vorsehen der Metalldiffusionsunterdrückungsschicht zwischen den Metallschichten die Diffusion der unterschiedlichen Metallionen und eine Herabsenkung der Permeabilität für Wasserstoff unterdrückt werden. Demgemäß kann ein Absenken der elektromotorischen Kraft der HMFC unterdrückt werden.
  • Die Elektrolytschicht 190 ist aus einem festen Oxid hergestellt. Eine Reaktionsunterdrückungsschicht, die die Reaktion von Sauerstoffatomen in der Elektrolytschicht 190 mit Pd unterdrückt, kann in wenigstens einem Bereich der Grenzfläche zwischen der Elektrolytschicht 190 und der Pd-Schicht 186 vorgesehen sein (vgl. auch die Reaktionsunterdrückungsschicht 210 in 6, die nachstehend beschrieben wird). Die Reaktionsunterdrückungsschicht ist in den Paragraphen [0024] bis [0025] der Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr. JP-A-2004-146337 beschrieben.
  • Die Elektrolytmembran 174 schließt ein dichtes, für Wasserstoff permeables Vanadiumsubstrat sowie eine anorganische Elektrolytschicht, die benachbart zu der Kathode der HMFC 120 ausgebildet ist, mit ein. Deshalb kann die Elektrolytmembran dünn gemacht werden. Durch Verwendung dieses Aufbaus kann die Betriebstemperatur einer Festoxid- Brennstoffzelle (SOFC – „solid Oxid fuel cell"), welche im Allgemeinen hoch ist, auf einen Temperaturbereich von 300°C bis 600°C reduziert werden. Im Ergebnis kann in dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung das Kathoden-Abgas, das aus der HMFC 120 ausgestoßen wird, direkt in den Reformer zugeführt werden, in dem die Reformierreaktion durchgeführt wird.
  • Wenn das wasserstoffhaltige Gas, das eine hohe Wasserstoffdichte (H2) aufweist, zu den Wasserstoffleitungen 182 zugeführt wird und Luft mit Sauerstoff (O2) zu den Luftleitungen 180 zugeführt wird, werden die durch die Gleichungen (1) bis (3) dargestellten elektrochemischen Reaktionen in der HMFC 120 durchgeführt (d.h. die Brennstoffzellenreaktion wird durchgeführt) und elektrische Energie wird von der HMFC 120 nach außen zugeführt. Die Gleichung (1) stellt die Reaktion der Anode dar, die Gleichung (2) stellt die Reaktion der Kathode dar und die Gleichung (3) steht für alle Reaktionen bzw. für die Gesamtreaktion der HMFC 120. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2)O2 + 2H+ + 2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
  • Die Steuerung der Ventile wird unter Bezugnahme auf 4 erläutert. 4 veranschaulicht ein Diagramm, welches die Steuerung der Ventile erklärt. Wie in 4 gezeigt ist, sind die Ventile V1 bis V8, die Dreiwegeventile SV1 bis SV7 und die Pumpen P1 bis P3 mit einem Steuerungsabschnitt (CPU) 170 verbunden. Der Steuerungsabschnitt 170 steuert die Ventile V1 bis V8, die Dreiwegeventile SV1 bis SV7 und die Pumpen P1 bis P3. Der Steuerungsabschnitt 170 ist ebenso mit den Temperatursensoren 116 und 118 verbunden. Unter Verwendung der Temperatursensoren 116 und 118 können die Temperaturen innerhalb der Reformer 112 bzw. 114 aufgezeichnet werden. Der Steuerungsabschnitt 170 steuert die Ventile und Pumpen gemäß den Temperaturen innerhalb der Reformer 112 und 114, wodurch die Reformierreaktion in die Wiederherstellungsreaktion (Verbrennungsreaktion) in jedem der Reformer 112 und 114 umgewandelt werden kann. Ferner kann der Steuerungsabschnitt 170 die Pumpen P1 bis P3 steuern, wodurch die Steuerung der in die Reformer zugeführten Menge an Benzin (Reaktant) und die der zu der HMFC 120 zugeführten Menge an Luft gesteuert werden.
  • Als nächstes werden der Gasfluss und die Steuerung des Gasflusses in dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der Ausführungsform während des gewöhnlichen Betriebs unter Bezugnahme auf die 1 erläutert. In 1 werden die durch dicke Linien dargestellten Leitungen in dem Fall eingesetzt, in dem die Reformierreaktion in dem Reformer 112 durchgeführt wird und die Wiederherstellungsreaktion (Verbrennungsreaktion) in dem Reformer 114 durchgeführt wird. Die durch Außenlinien dargestellten Leitungen werden in diesem Fall nicht eingesetzt. Unter den Ventilen V1 bis V8 sind die durch Außenlinien angegebenen Ventile offen und die schwarzen Ventile geschlossen.
  • In 1 wird als Erstes Benzin durch die Versorgungsleitung 130A durch Betreiben der Pumpe 21 zugeführt. Das Dreiwegeventil SV1 erlaubt die Kommunikation bzw. Verbindung zwischen den Versorgungsleitungen 130A und 130B und Benzin wird zu dem Reformer 112 durch die Versorgungsleitung 130B zugeführt. In dieser Ausführungsform wird Wasserdampf in dem Kathoden-Abgas aus der HMFC 120 in der Reformierreaktion eingesetzt. Jedoch kann Wasserdampf in das Brennstoffzellensystem von außerhalb des Systems zugeführt werden, und zwar zusammen mit Benzin oder getrennt von Benzin.
  • Wenn Benzin und Wasserdampf in dem Kathoden-Abgas durch das Schwefelfallenelement 164 in dem Reformer 112 in 2 hindurchpassieren, entfernt das Schwefelfallenelement 164 hauptsächlich die Schwefelverbindungen aus dem Benzin. Dann erreichen das Benzin und der Wasserdampf den Katalysator und das wasserstoffhaltige Gas wird auf dem Katalysator durch die Dampfreformierreaktion erzeugt. Das wasserstoffhaltige Gas passiert durch das Rußfallenelement 166 in 2 hindurch und wird durch die Ausstoßleitung 134A ausgestoßen. Zu diesem Zeitpunkt ermöglicht das Dreiwegeventil SV2 eine Verbindung zwischen der Ausstoßleitung 134A und der Versorgungsleitung 136. Das wasserstoffhaltige Gas, das aus dem Reformer 112 ausgestoßen wird, wird zu der Anode der HMFC 120 durch die Versorgungsleitung 134A und die Versorgungsleitung 136 zugeführt. Die HMFC 120 erzeugt elektrische Energie unter Verwendung des wasserstoffhaltigen Gases.
  • Das Anoden-Abgas enthält überschüssige Wasserstoffmoleküle, die nicht in Protonen in der Anode der HMFC 120 zersetzt worden sind. Das Anoden-Abgas wird durch die Ausstoßleitung 138A ausgestoßen. Zu diesem Zeitpunkt erlaubt das Dreiwegeventil SV3 eine Verbindung zwischen den Ausstoßleitungen 138A und 138C. Das Anoden-Abgas, das in die Ausstoßleitung 138A ausgestoßen wird, wird in die Ausstoßleitung 138C eingeleitet. Das Anoden-Abgas wird zu dem Mischer 139 durch die Ausstoßleitung 138C zugeführt.
  • Zu diesem Zeitpunkt erlaubt das Dreiwegeventil SV7 eine Verbindung zwischen den Versorgungsleitungen 140A und 140B, sodass Luft in den Mischer 139 zugeführt wird. Das Ventil V2 ist so eingestellt, dass es offen ist.
  • In dem Mischer 139 wird das Anoden-Abgas mit Luft, die durch die Versorgungsleitungen 140A und 140B zugeführt wurden, zur Erzeugung eines Mischgases vermischt. Dann wird das Mischgas zu dem Reformer 114 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Ventil V3 so eingestellt, dass es offen ist. In der Erfindung kann eine Hilfsleitung vorgesehen sein. In diesem Fall wird Benzin und dergleichen durch die Hilfsleitung zugeführt und in der Wiederherstellungsreaktion zusammen mit dem Anoden-Abgas eingesetzt.
  • In dem Reformer 114 ist das Schwefelfallenelement auf der stromaufwärts gerichteten Seite vorgesehen und das Rußfallenelement ist auf der stromabwärts gerichteten Seite wie in dem Reformer 112 vorgesehen. Das Schwefelfallenelement fängt die Schwefelverbindungen in dem für die vorhergehende Reformierreaktion zugeführten Benzin ab und das Rußfallenelement fängt den in der vorhergehenden Reformierreaktion erzeugten Ruß und dergleichen ab. Wenn das Anoden-Abgas, vermischt mit Luft, in den Reformer 114 zugeführt wird, reagiert der durch das Rußfallenelement abgefangene Ruß mit dem Anoden-Abgas, welches die Verbrennungsreaktion verursacht. Diese Verbrennungsreaktion steigert effizient die Wärmemenge, die in dem Reformer 114 gespeichert ist. Als nächstes wird die Verbrennungsreaktion auf den Katalysator unter Verwendung des Anoden-Abgases bewirkt. Diese Verbrennungsreaktion steigert ebenso die Wärmemenge, die in dem Reformer 114 gespeichert ist.
  • Die Schwefelverbindungen und andere Verunreinigungen, die durch das Schwefelfallenelement während der Reformierreaktion abgefangen wurden, werden aus dem Schwefelfallenelement durch die Wärme der Verbrennungsreaktion freigesetzt. Die Schwefelverbindung und dergleichen und das durch die Verbrennungsreaktion erzeugte Gas werden aus dem Brennstoffzellensystem durch die Ausstoßleitungen 142A und 142B, eine Entschwefelungsvorrichtung (nicht gezeigt) und dergleichen nach außen hin ausgestoßen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Ventil V4, das in der Ausstoßleitung 142A vorgesehen ist, derart gesteuert, dass es offen ist. Und das Ventil V5, das in der Versorgungsleitung 130C vorgesehen ist, wird so gesteuert, dass es geschlossen ist.
  • Luft, die als ein Oxidans dient, wird in die Kathode der HMFC 120 durch die Versorgungsleitung 144 mittels Betreiben der Pumpe P3 zugeführt. Sauerstoff in der zu der Kathode zugeführten Luft reagiert mit durch die Elektrolytmembran zugeführten Protonen und durch einen äußeren Kreislauf (nicht gezeigt) zugeführte Elektronen, wodurch Wasser erzeugt wird. Das Kathoden-Abgas mit Wasserdampf wird in die Versorgungsleitung 146A ausgestoßen.
  • Das Dreiwegeventil SV5 erlaubt eine Verbindung zwischen den Versorgungsleitungen 146A und 146B und das Dreiwegeventil SV6 erlaubt eine Verbindung zwischen den Versorgungsleitungen 146B und 146C. Das Kathoden-Abgas wird aus der Kathode der HMFC 120 durch die Versorgungsleitungen 146A bis 146C in den Reformer 112 zugeführt. Durch Zuführen des Kathoden-Abgases aus der HMFC 120 in den Reformer 112, in dem die Dampfreformierreaktion durchgeführt wird, kann Wasserdampf in dem Kathoden-Abgas in der Reformierreaktion eingesetzt werden. Dies senkt die Menge an Wasserdampf, die vom Äußeren des Brennstoffzellensystems zugeführt werden muss. Im Ergebnis kann das Brennstoffzellensystem elektrische Energie effizient erzeugen.
  • Während des gewöhnlichen Betriebs wird Kühlluft durch die Kühlleitung 150 zugeführt, sodass das Innere der HMFC 120 durch Wärmeaustausch mit der Kühlluft in der Kühlleitung 150 gekühlt wird.
  • Die Steuerung der Ventile und der Pumpen, um die Reformierreaktion in die Wiederherstellungsreaktion (Verbrennungsreaktion) in dem Reformer 112 umzuschalten, wird nachstehend unter Bezugnahme auf 5 erläutert. 5 veranschaulicht das Flussdiagramm zur Steuerung der Umschaltung der Reformierreaktion in die Wiederherstellungsreaktion in dem Reformer 112 in der ersten Ausführungsform. In 5 liefert als erstes der Steuerungsabschnitt 170 Benzin und das Kathoden-Abgas in den Reformer 112, um die Reformierreaktion in dem Reformer 112 (PSR1) durchzuführen (Schritt S101). Zu diesem Zeitpunkt wird das Anoden-Abgas, gemischt mit Luft, in den Reformer 114 (PSR2) zugeführt.
  • Der Steuerungsabschnitt 170 detektiert unter Verwendung des Temperatursensors 116 eine Temperatur T1 innerhalb des Reformers 112, in dem die Reformierreaktion durchgeführt wird, während Benzin und das Kathoden-Abgas in den Reformer 112 zugeführt wird (Schritt S102).
  • Als nächstes bestimmt der Steuerungsabschnitt 170, ob die Temperatur Ti niedriger als ein Schwellenwert T0 (z.B. annähernd 600°C) ist (Schritt S103). Wenn der Steuerungsabschnitt 170 bestimmt, dass die Temperatur Ti gleich oder höher als der Schwellenwert T0 (NEIN in Schritt S103) ist, wird Benzin und das Kathoden-Abgas in den Reformer 112 in Schritt S101 zugeführt.
  • Wenn der Steuerungsabschnitt 170 bestimmt, dass die Temperatur Ti niedriger als der Schwellenwert T0 (JA in Schritt S103) ist, stoppt der Steuerungsabschnitt 170 die Zuführung des Benzins und des Kathoden-Abgases in den Reformer 112 (Schritt S104). Zu diesem Zeitpunkt stoppt der Steuerungsabschnitt 170 ebenso die Zuführung des Anoden-Abgases in dem Reformer 114.
  • Als nächstes schaltet der Steuerungsabschnitt 170 in dem Reformer 112 die Reformierreaktion in die Wiederherstellungsreaktion um und schaltet in dem Reformer 114 die Wiederherstellungsreaktion in die Reformierreaktion um. Genauer gesagt führt der Steuerungsabschnitt 170 das mit Luft gemischte Anoden-Abgas in den Reformer 112 zu, um in dem Reformer 112 die Reformierreaktion in die Wiederherstellungsreaktion umzuschalten. Die Wiederherstellungsreaktion steigert die Temperatur innerhalb des Reformers 112, welche durch die Wiederherstellungsreaktion (Verbrennungsreaktion) abgesenkt worden war. Ebenso liefert der Steuerungsabschnitt 170 Benzin und das Kathoden-Abgas in den Reformer 114, um in dem Reformer 114 die Wiederherstellungsreaktion in die Reformierreaktion umzuschalten (Schritt S105). Dann wird die Steuerungsroutine beendet.
  • Nur die Steuerung zum Umschalten der Reformierreaktion in die Wiederherstellungsreaktion in dem Reformer 112 wurde beschrieben. Jedoch wird die gleiche Steuerung ausgeübt, wenn in dem Reformer 114 die Reformierreaktion in die Wiederherstellungsreaktion umgeschaltet wird.
  • Als nächstes wird die Reaktion beschrieben, die durchgeführt wird, wenn das Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Erfindung gestartet wird. Wie vorstehend erläutert, wird in dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, nachdem die Aufwärmoperation beendet ist, als erstes Benzin in den Reformer 112 durch Betreiben der Pumpe P1 zugeführt. Ebenso wird Luft in die HMFC 120 durch Betreiben der Pumpe P3 zugeführt und das Kathoden-Abgas, das aus der HMFC 120 ausgestoßen wird, wird in den Reformer 112 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird noch kein Wasserstoff in die HMFC 120 zugeführt. Deshalb ist die Wasserdampfmenge, die in dem Kathoden-Abgas enthalten ist, nicht hinreichend für das Durchführen der Dampfreformierreaktion. Die Zusammensetzung des Kathoden-Abgases ist die gleiche wie die der Luft.
  • Die Menge an Benzin, die zu dem Reformer 112 zugeführt wird, ist hinsichtlich der Menge an Kathoden-Abgas, das in den Reformer 112 zugeführt wird, leicht im Überschuss. Deshalb schreitet die Teiloxidationsreaktion in dem Reformer 112 voran. Wenn der Wasserstoff durch diese Teiloxidationsreaktion erzeugt wird, schreitet eine Reaktion zur Erzeugung elektrischer Energie graduell in der HMFC 120 voran. Da die Reaktion zur Erzeugung elektrischer Energie in der HMFC 120 voranschreitet, steigt die in der Kathode der HMFC 120 verbrauchte Menge an Sauerstoff an und steigt die in dem Kathoden-Abgas enthaltene Menge an Wasserdampf an. Demgemäß schaltet sich die Teiloxidationsreaktion graduell in die Dampfreformierreaktion in dem Reformer 112 um und der gewöhnliche Betrieb beginnt.
  • Weil das Brennstoffzellensystem durch die Teiloxidationsreaktion während des Hochfahrens des Systems aktiviert wird, kann, wie vorstehend erläutert, elektrische Energie erzeugt werden, ohne dass der für die Erzeugung von Wasserstoff notwendige Wasserdampf von außerhalb des Brennstoffzellensystems erhalten wird. Wenn die Teiloxidationsreaktion während des Hochfahrens des Systems durchgeführt wird oder wenn das Verhältnis von Dampf (Wasserdampf) zu Kohlenstoff aufgrund des gewöhnlichen Betriebs unter einer hohen Last absinkt, wird leicht Ruß erzeugt. Jedoch entfernt in dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung das Rußfallenelement den Ruß. Deshalb kann das Brennstoffzellensystem kontinuierlich betrieben werden.
  • Wie vorstehend erläutert, entfernt in dieser Ausführungsform das Schwefelfallenelement die Schwefelverbindungen und dergleichen in dem zugeführten Benzin, wenn die Reformierreaktion durchgeführt wird. Ebenso entfernt das Rußfallenelement den durch die Teiloxidationsreaktion erzeugten Ruß aus dem wasserstoffhaltigen Gas. Im Ergebnis kann die Vergiftung des Katalysators mit den Schwefelverbindungen und dergleichen verhindert werden und das wasserstoffhaltige Gas, das wenige Verunreinigungen, wie etwa Ruß enthält, kann zu der HMFC 120 zugeführt werden. Dies reduziert die Möglichkeit, dass der Widerstand in den Gasleitungen in dem Reformer aufgrund der Akkumulation bzw. Ansammlung der Verunreinigungen in dem Reformer ansteigt. Deshalb kann das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung elektrische Energie stabil liefern.
  • Die Schwefelverbindungen und dergleichen, die durch das Schwefelfallenelement abgefangen worden sind, werden aus dem Schwefelfallenelement durch die Wärme des durch die Wiederherstellungsreaktion (Verbrennungsreaktion) erzeugten Gases freigesetzt. Die Schwefelverbindungen und dergleichen und das durch die Verbrennungsreaktion erzeugte Gas werden aus dem Brennstoffzellensystem durch eine Entschwefelungsvorrichtung (nicht gezeigt) und dergleichen nach außen hin ausgestoßen. Ebenso wird der durch das Rußfallenelement abgefangene Ruß unter Verwendung des Anoden-Abgases während der Wiedergewinnungsreaktion verbrannt, wodurch die Wiederherstellungsreaktion effizient in dem Reformer durchgeführt wird.
  • Der Fall, in dem Benzin als der Reaktant in der Reformierreaktion eingesetzt wird, wurde beschrieben.
  • Jedoch kann der gleiche Aufbau ebenso in einem Fall verwendet werden, in dem ein anderer Kohlenwasserstoffbrennstoff als Benzin eingesetzt wird.
  • Als nächstes werden andere Beispiele der HMFC 120 des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 6 und 7 erläutert. Die Beispiele der HMFC sind detaillierter in der Offenlegunqsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr. JP-A-2004-146337 beschrieben.
  • 6 zeigt eine HMFC 200, die eine Elektrolytmembran 202, eine Sauerstoffelektrode 204 und eine Wasserstoffelektrode 206 mit einschließt. Die HMFC 200 schließt ferner eine Metalldiffusionsunterdrückungsschicht 214 und eine Reaktionsunterdrückungsschicht 210 mit ein. Die Elektrolytmembran 202 hat eine fünfschichtige Struktur und schließt ein dichtes, aus Vanadium (V) hergestelltes Substrat 212 mit ein. Die Elektrolytmembran 202 ist zwischen der Sauerstoffelektrode 204 und der Wasserstoffelektrode 206 vorgesehen. In der Elektrolytmembran 202 sind die Dichtemetalldiffusionsunterdrückungsschicht 214 und eine Palladiumschicht (Pd) 216 auf der Oberfläche des Substrats 212 vorgesehen, wobei sie in der vorstehend angegebenen Reihenfolge gegenüber der Wasserstoffelektrode (Anode) 206 liegen. Ebenso sind die Dichtereaktionsunterdrückungsschicht 210 (z.B. eine Schicht eines Protonenleiters, eines gemischten Leiters oder eines Isolators) und eine dünne Elektrolytschicht 208, hergestellt aus festem Oxid (z.B. eine Schicht aus Metalloxid SrCeO3, welche eine aus Perowskit ist) auf der Oberfläche des Substrats 212 vorgesehen, wobei sie in dieser angegebenen Reihenfolge gegenüber der Sauerstoffelektrode (Kathode) 204 liegen. Die Reaktionsunterdrückungsschicht 210 unterdrückt die Reaktion zwischen den Sauerstoffatomen in der Elektrolytschicht 208 und dem Substrat (V) 212. Die Luftleitungen 180 und Wasserstoffleitungen 182 sind wie in der vorstehend erwähnten Ausführungsform zwischen der Elektrolytmembran 202 und der Sauerstoffelektrode 204 bzw. zwischen der Elektrolytmembran 202 und der Wasserstoffelektrode 206 ausgebildet. Wie vorstehend erläutert, werden die Metalldiffusionsunterdrückungsschicht und die Reaktionsunterdrückungsschicht im Detail in der vorstehend erwähnten Veröffentlichung beschrieben.
  • 7 zeigt eine Protonenaustauschmembran HMFC 300, die eine Elektrolytmembran 302, eine Sauerstoffelektrode 304 und eine Wasserstoffelektrode 306 mit einschließt. Die Elektrolytmembran 302 ist zwischen der Sauerstoffelektrode 304 und der Wasserstoffelektrode 306 vorgesehen. Die Elektrolytmembran 302 hat eine mehrlagige Struktur und schließt dichte, für Wasserstoff permeable Metallschichten mit ein. Zum Beispiel ist in der Elektrolytmembran 302 eine Elektrolytschicht 312 zwischen den dichten, für Wasserstoff permeablen Metallschichten vorgesehen. Die Elektrolytschicht 312 ist aus einer festen Polymermembran, z.B. Nafionmembran (eingetragene Marke) aufgebaut. Eine Palladiumschicht (Pd) (dichte Schicht) 314 ist auf der Oberfläche der Elektrolytschicht 312, welche der Wasserstoffelektrode (Anode) 306 gegenüber liegt, vorgesehen. Eine Vanadium-Nickel-Schicht (V-Ni) (dichte Schicht) 310, welche als ein Substrat dient, und eine Pd-Schicht (dichte Schicht) 308 sind auf der Oberfläche der Elektrolytschicht 312, welche der Sauerstoffelektrode (Kathode) 304 gegenüber liegt, in der angegebenen Reihenfolge vorgesehen. Die Luftleitungen 180 und die Wasserstoffleitungen 182 sind wie in der vorstehend erwähnten Ausführungsform zwischen der Elektrolytmembran 302 und der Sauerstoffelektrode 304 bzw. zwischen der Elektrolytmembran 302 und der Wasserstoffelektrode 306 vorgesehen. In dieser HMFC 300 können genauso die Metalldiffusionsunterdrückungsschicht zwischen der V-Ni-Schicht 310 und der Pd-Schicht 308 vorgesehen sein. Ebenso kann die Reaktionsunterdrückungsschicht zwischen der Elektrolytschicht 312 und der V-Ni-Schicht 310 oder der Pd-Schicht 314 vorgesehen sein.
  • In der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, die in 7 gezeigt ist, kann eine wasserhaltige Elektrolytschicht zwischen den für Wasserstoff permeablen Metallschichten vorgesehen sein. Mit diesem Aufbau können die Verdampfung des Wassers aus der Elektrolytschicht und die Steigerung des Membranwiderstands bei hohen Temperaturen unterdrückt werden. Die Betriebsbedingungen der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEFC), welche im Allgemeinen niedrig ist, kann auf 300°C–600°C gesteigert werden. Diese Brennstoffzelle ist für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, in dem das aus der Brennstoffzelle ausgestoßene Kathoden-Abgas direkt in den PSR-Reformer, in dem die Reaktion durchgeführt werden sollte, zugeführt wird, zweckmäßig.
  • Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen von dieser erläutert worden ist, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen oder Ausgestaltungen beschränkt ist. Im Gegensatz dazu soll die Erfindung verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken. Zusätzlich sind, während verschiedene Elemente der beispielhaften Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen gezeigt sind, welche beispielhaft sind, andere Kombinationen und Konfigurationen, einschließlich mehr, weniger oder nur einem einzelnen Element, ebenso innerhalb des Geistes und des Umfangs der Erfindung.
  • Zusammenfassung
  • Eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung (110) schließt einen Katalysator (162); ein Schwefelfallenelement (164); ein Rußfallenelement (166); ein Reformerpaar (112, 114); sowie einen Steuerungsabschnitt (170) mit ein. In jedem Reformer (112, 114) wird eine Reformierreaktion durchgeführt, um wasserstoffhaltiges Gas unter Verwendung von Benzin und Kathoden-Abgas auf dem Katalysator (162) durchzuführen und eine exotherme Reaktion wird durchgeführt, um den Katalysator (162) unter Verwendung des Anoden-Abgases und Luft zu erwärmen. Der Steuerungsabschnitt (170) führt eine Steuerung derart durch, dass der Reaktant und das exotherme Material abwechselnd zu jedem Reformer (112, 114) zugeführt werden, wodurch die Reformierreaktion und die exotherme Reaktion abwechselnd in jedem Reformer (112, 114) durchgeführt werden. Ein Brennstoffzellensystem (100) schließt die Wasserstofferzeugungsvorrichtung (110) mit ein.

Claims (18)

  1. Eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung, welche ein Reformerpaar (112, 114) mit einschließt, wobei jeder Reformer von diesen einen Katalysator (162) mit einschließt und in jedem von diesen eine Reformierreaktion zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas unter Verwendung eines Reaktanten auf dem Katalysator (162) durchgeführt wird, und eine exotherme Reaktion zur Erwärmung und Wiederherstellung des Katalysators (162) unter Verwendung eines exothermen Materials durchgeführt wird, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst: Entfernungseinrichtung (164, 166), die in wenigstens einem Reformer des Reformerpaares (112, 114) vorgesehen ist und die Verunreinigungen entfernt; Steuereinrichtung (170) zur Ausführung einer solchen Steuerung, dass der Reaktant und das exotherme Material abwechselnd zu jedem Reformer des Reformerpaares (112, 114) zugeführt wird, wodurch die Reformierreaktion und die exotherme Reaktion abwechselnd in jedem Reformer des Reformerpaares (112, 114) durchgeführt werden.
  2. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Entfernungseinrichtung (164) wenigstens eine Schwefelverbindung oder eine Stickstoffverbindung entfernt; und die Entfernungseinrichtung (164) zu einer Richtung, in die der Reaktant fließt, stromaufwärts vom Katalysator (162) in dem wenigstens einem Reformer des Reformerpaares (112, 114) vorgesehen ist.
  3. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Entfernungseinrichtung (166) wenigstens Ruß entfernt und die Entfernungseinrichtung (166) zu einer Richtung, in die der Reaktant fließt, stromabwärts vom Katalysator (162) in dem wenigstens einem Reformer des Reformerpaares (112, 114) vorgesehen ist.
  4. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Entfernungseinrichtung (164, 166) eine erste Entfernungseinrichtung (164) und eine zweite Entfernungseinrichtung (166) mit einschließt, wobei die erste Entfernungseinrichtung (164) wenigstens eine Schwefelverbindung oder eine Stickstoffverbindung entfernt; und die erste Entfernungseinrichtung (164) zu der Richtung, in die der Reaktant fließt, stromaufwärts vom Katalysator (162) in dem wenigsten einem Reformer des Reformerpaares (112, 114) vorgesehen ist und die zweite Entfernungseinrichtung (166) wenigstens Ruß entfernt; und die zweite Entfernungseinrichtung (166) zu der Richtung, in die der Reaktant fließt, stromabwärts vom Katalysator (162) in dem wenigstens einem Reformer des Reformerpaares (112, 114) vorgesehen ist.
  5. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerungseinrichtung (170) eine solche Steuerung durchführt, dass bei Durchführung der Reformierreaktion in einem Reformer des Reformerpaares (112, 114), die exotherme Reaktion in dem anderen Reformer durchgeführt wird.
  6. Brennstoffzellensystem, umfassend: die Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5; und eine Brennstoffzelle, die elektrische Energie unter Verwendung des wasserstoffhaltigen Gases, das durch die Wasserstofferzeugungsvorrichtung erzeugt worden ist, erzeugt.
  7. Das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 6, wobei die Brennstoffzelle eine für Wasserstoff permeable Metallschicht sowie eine Elektrolytschicht, die auf wenigstens einer Oberfläche der für Wasserstoff permeablen Metallschicht vorgesehen ist, mit einschließt.
  8. Wasserstofferzeugungsvorrichtung, welche mehrere Reformer (112, 114) mit einschließt, wobei jeder von diesen einen Katalysator (162) mit einschließt, und in jedem von diesem eine Reformierreaktion zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas unter Verwendung eines Recktanten auf dem Katalysator (162) durchgeführt wird, und ebenso eine exotherme Reaktion zur Erwärmung und Wiederherstellung des Katalysators (162) unter Verwendung des exothermen Materials durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: Entfernungseinrichtung (164, 166), die in wenigstens einem Reformer der mehreren Reformer (112, 114) vorgesehen ist und die Verunreinigungen entfernt; Steuerungseinrichtung (170) zur Durchführung einer solchen Steuerung, dass der Reaktant und das exotherme Material abwechselnd zu jedem Reformer der mehreren Reformer (112, 114) zugeführt wird, wodurch die Reformierreaktion und die exotherme Reaktion abwechselnd in jedem Reformer der mehreren Reformer (112, 114) durchgeführt wird.
  9. Wasserstofferzeugungsvorrichtung, welche ein Reformerpaar (112, 114) mit einschließt, wobei jeder Reformer von diesen einen Katalysator (162) mit einschließt und wobei in jedem der Reformer eine Reformierreaktion zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas unter Verwendung eines Reaktanten auf dem bei Zuführung des Recktanten erwärmten Katalysator (162) durchgeführt wird und eine exotherme Reaktion zur Erwärmung und Wiederherstellung des Katalysators (162) unter Verwendung des exothermen Materials bei Zuführung des exothermen Materials durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: Entfernungseinrichtung (164, 166), die in wenigstens einem Reformer des Reformerpaares (112, 114) vorgesehen ist und die Verunreinigungen entfernt; und Steuerungseinrichtung (170) zur Durchführng einer solchen Steuerung, dass der Reaktant und das exotherme Material abwechselnd zu jedem Reformer des Reformerpaares (112, 114) zugeführt wird, wodurch die Reformierreaktion und die exotherme Reaktion abwechselnd in jedem Reformer des Reformerpaares (112, 114) durchgeführt werden.
  10. Wasserstofferzeugungsvorrichtung, die umfasst: ein Reformerpaar, wobei jeder Reformer von diesen einen Katalysator mit einschließt und wobei in jedem von diesen eine Reformierreaktion zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas unter Verwendung eines Recktanten auf dem Katalysator durchgeführt wird und eine exotherme Reaktion zur Erwärmung und Wiederherstellung des Katalysators unter Verwendung des exothermen Materials durchgeführt wird; einen Entfernungsabschnitt, der in wenigstens einem Reformer des Reformerpaares vorgesehen ist und der Verunreinigungen entfernt; einen Steuerungsabschnitt, der eine solche Steuerung durchführt, dass der Reaktant und das exotherme Material abwechselnd zu jedem Reformer des Reformerpaares zugeführt werden, wodurch die Reformierreaktion und die exotherme Reaktion abwechselnd in jedem Reformer des Reformerpaares durchgeführt werden.
  11. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei der Entfernungsabschnitt wenigstens eine Schwefelverbindung oder eine Stickstoffverbindung entfernt und der Entfernungsabschnitt zu einer Richtung, in die der Reaktant fließt, stromaufwärts vom Katalysator in dem wenigstens einem Reformer des Reformerpaares vorgesehen ist.
  12. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei der Entfernungsabschnitt wenigstens Ruß entfernt und der Entfernungsabschnitt zu einer Richtung, in die der Reaktant fließt, stromabwärts vom Katalysator in dem wenigstens einem Reformer des Reformerpaares vorgesehen ist.
  13. Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei der Entfernungsabschnitt einen ersten Entfernungsabschnitt und einen zweiten Entfernungsabschnitt mit einschließt, wobei der erste Entfernungsabschnitt wenigstens eine Schwefelverbindung oder eine Stickstoffverbindung entfernt; und der Entfernungsabschnitt zu der Richtung, in die der Reaktant fließt, stromaufwärts vom Katalysator in dem wenigstens einem Reformer des Reformerpaares vorgesehen ist, und der zweite Entfernungsabschnitt wenigstens Ruß entfernt und der zweite Entfernungsabschnitt zu der Richtung, in die der Reaktant fließt, stromabwärts vom Katalysator in dem wenigstens einem Reformer des Reformerpaares vorgesehen ist.
  14. Die Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Steuerungsabschnitt eine solche Steuerung durchführt, dass bei der Durchführung der Reformierreaktion in einem Reformer des Reformerpaares die exotherme Reaktion in dem anderen Reformer durchgeführt wird.
  15. Brennstoffzellensystem, welches das Folgende umfasst: die Wasserstofferzeugungsvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 10 bis 14 und eine Brennstoffzelle, die elektrische Energie unter Verwendung des durch die Wasserstofferzeugungsvorrichtung erzeugten wasserstoffhaltigen Gases erzeugt.
  16. Das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 15, wobei die Brennstoffzelle eine für Wasserstoff permeable Metallschicht sowie eine Elektrolytschicht, die auf wenigstens einer Oberfläche der für Wasserstoff permeablen Metallschicht vorgesehen ist, mit einschließt.
  17. Wasserstofferzeugungsvorrichtung, die umfasst: mehrere Reformer, wobei jeder von diesen einen Katalysator mit einschließt und wobei in jedem von diesen eine Reformierreaktion zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas unter Verwendung eines Recktanten auf dem Katalysator durchgeführt wird, und eine exotherme Reaktion zur Erwärmung und Wiederherstellung des Katalysators unter Verwendung des exothermen Materials durchgeführt wird; einen Entfernungsabschnitt, der in wenigstens einem der mehreren Reformer vorgesehen ist und der Verunreinigungen entfernt; und einen Steuerungsabschnitt, der eine solche Steuerung durchführt, dass der Reaktant und das exotherme Material abwechselnd zu jedem der mehreren Reformer zugeführt wird, wodurch die Reformierreaktion und die exotherme Reaktion abwechselnd in jedem der mehreren Reformer durchgeführt wird.
  18. Wasserstofferzeugungsvorrichtung, die umfasst: ein Reformerpaar, wobei jeder Reformer von diesen einen Katalysator mit einschließt und in jedem von diesen Reformern eine Reformierreaktion zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas unter Verwendung eines Recktanten auf dem bei Zuführung des Recktanten erwärmten Katalysator durchgeführt wird, und eine exotherme Reaktion zur Erwärmung und Wiederherstellung des Katalysators unter Verwendung des exothermen Materials bei Zuführung des exothermen Materials durchgeführt wird; einen Entfernungsabschnitt, der in wenigstens einem Reformer des Reformerpaares vorgesehen ist und der Verunreinigungen entfernt; einen Steuerungsabschnitt, der eine solche Steuerung durchführt, dass der Reaktant und das exotherme Material abwechselnd zu jedem Reformer des Reformerpaares zugeführt werden, wodurch die Reformierreaktion und die exotherme Reaktion abwechselnd in jedem Reformer des Reformerpaares durchgeführt werden.
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