DE10113768A1 - Wasserstofferzeugungssystem - Google Patents

Wasserstofferzeugungssystem

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Abstract

Es wird ein System vorgeschlagen, welches einen flüssigen Rohstoff in einem Verdampfungsabschnitt (30) verdampft und den verdampften Rohstoff in einem Umformungsabschnitt (50) dampfumformt, um Wasserstoff zu erzeugen. Ein Drucksteuerventil (38) zum Regeln des Drucks in dem Verdampfungsabschnitt (30) ist irgendwo nach dem Verdampfungsabschnitt (30) stromab zu dem Umformungsabschnitt (50) hin angeordnet. Wenn der Wasserstoffbedarf zunimmt, wird das Drucksteuerventil (38) so gesteuert, daß der Druck in dem Verdampfungsabschnitt (30) abnimmt. Die Druckverringerung ermöglicht es, die Verdampfung in dem Verdampfungsabschnitt (30) derart zu fördern, daß die Dampferzeugungsrate verbessert werden kann. Darüber hinaus wird während des Anlaufens des Systems die Steuerbetriebsart so geändert, daß das Drucksteuerventil (38) geöffnet wird, wodurch die Geschwindigkeit des Druckanstiegs kurz nach dem Beginn der Erzeugung umgeformten Gases begrenzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wasserstofferzeugungssystem und ein Verfahren, welche flüssige Rohstoffe umformen, um wasser­ stoffreiches Gas zu erzeugen, sowie einen in dem System ver­ wendeten Verdampfer.
Systemen wie beispielsweise Brennstoffzellen, in welchen Was­ serstoff verbraucht wird, zuzuführender Wasserstoff wird zum Beispiel durch Umformen flüssiger Rohstoffe erzeugt. Als flüssige Rohstoffe werden vorwiegend verflüssigtes Naturgas, Benzin, andere Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Äther und Alde­ hyde und dergleichen verwendet. In einem Wasserstofferzeu­ gungssystem werden diese Rohstoffe und Wasser durch einen Verdampfer verdampft und einer Umformungsreaktion in Gegen­ wart eines Katalysators wie beispielsweise Platin unterwor­ fen, um dadurch wasserstoffreiches umgeformtes Gas zu erzeu­ gen. Um die Reaktion stabil ablaufen zu lassen, wird die Um­ formungsreaktion durch eine Regelung oder dergleichen in ei­ ner vorbestimmten Temperatur- und Druckbedingung gehalten. Dieses umgeformte Gas wird behandelt, um die Konzentration von Komponenten wie beispielsweise Kohlenmonoxid zu verrin­ gern, und dann einem Wasserstoff verbrauchenden System, bei­ spielsweise einer Brennstoffzelle, zugeführt.
In dem Wasserstofferzeugungssystem muß die zu erzeugende Was­ serstoffmenge der in einem Wasserstoff verbrauchenden System zu verbrauchenden Menge von Wasserstoff folgen. Es ist be­ kannt, daß der Mengenermittlungsschritt bezüglich der zu er­ zeugenden Menge von Wasserstoff in der Verdampfung in einem Verdampfer besteht. Daher ist eine Verbesserung der Ansprech­ geschwindigkeit der Verdampfung erforderlich, um die An­ sprechgeschwindigkeit der Wasserstofferzeugung zu verbessern.
Die folgenden Verfahren wurden mit der Absicht, die Ansprech­ geschwindigkeit der Verdampfung zu verbessern, vorgeschlagen. Zum Beispiel ist in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. HEI 8-121705 (1996) eine Struktur offenbart, in welcher der während eines Niedriglastbetriebs erzeugte Dampf in einem Akkumulator gesammelt und die zu erzeugende Dampfmenge wäh­ rend eines Hochlastbetriebs durch den gesammelten Dampf aus­ geglichen wird. Darüber hinaus ist in der japanischen Patent­ veröffentlichung Nr. Hei 2000-119001 eine Struktur offenbart, in welcher Dampf immer in einer Menge erzeugt wird, die viel größer ist als die zu jedem Zeitpunkt benötigten Mengen.
Die vorstehenden Systeme werfen jedoch die folgenden Probleme hinsichtlich einer Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit der zu erzeugenden Wasserstoffmenge auf. In der in der japa­ nischen Patentveröffentlichung Nr. HEI 8-121705 (1996) be­ schriebenen Struktur bildet der Akkumulator ein Hindernis für die Verkleinerung der Anlage. In den vergangenen Jahren wurde ein Verfahren untersucht, in welchem ein Wasserstofferzeu­ gungssystem und eine Brennstoffzelle auf einem beweglichen Körper, wie beispielsweise einem Fahrzeug, angebracht sind. In einem solchen Fall besteht ein großer Bedarf an Verkleine­ rung, weil sehr starke Beschränkungen im Hinblick auf den Un­ terbringungsraum bestehen. Auch muß bei der in der japani­ schen Patentveröffentlichung Nr. HEI 8-121705 (1996) be­ schriebenen Struktur eine Verringerung der Temperatur des ge­ sammelten Dampfs unterdrückt werden, um zu ermöglichen, daß die Umformungsreaktion effizient fortschreitet, wodurch das System komplexer wird. Darüber hinaus hat die in der japani­ schen Patentveröffentlichung Nr. HEI 2000-119001 beschriebene Struktur das Problem geringen Energiewirkungsgrads aufgrund der Erzeugung zu vielen Dampfs.
Die in den vorstehenden Veröffentlichungen offenbarten Syste­ me werfen ferner die folgenden Probleme auf, die durch die Drucksteuerung in dem Umformungsabschnitt verursacht werden, insbesondere während des Anlaufvorgangs. Zunächst neigt ein Drucksteuerventil dazu, zu stark auf die Aufrechterhaltung des Solldrucks beschränkt zu sein, wenn eine unzureichende Menge umgeformten Gases vorhanden ist. Daher besteht dann, wenn die Erzeugung umgeformten Gases beginnt, die Möglich­ keit, daß eine Verzögerung der Drucksteuerung dazu führt, daß der Druck in dem Umformungsabschnitt den Sollwert übersteigt. Weiter wird ein ziemlich hoher Druck bei einem Zustand rela­ tiv niedriger Temperatur aufrechterhalten, welches dazu führt, daß verdampfte Rohstoffe kondensieren, so daß die Mög­ lichkeit besteht, daß die erzeugte Flüssigkeit an dem Kataly­ sator anhaftet und dadurch die Aktivität des Katalysators ab­ nimmt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Ansprech­ geschwindigkeit der Menge zu erzeugenden Wasserstoffs durch Verbessern der Ansprechgeschwindigkeit der Verdampfung von Rohstoffen und dergleichen in einem Wasserstofferzeugungssy­ stem zu verbessern, und in Verbindung mit dieser Verbesserung der Ansprecheigenschaften eine Verkleinerung einer Anlage zu erzielen, um den Energiewirkungsgrad zu verbessern und die Temperatur des Dampfs aufrechtzuerhalten.
Darüber hinaus soll die Erfindung ein Verfahren zum Vermeiden der Dampfprobleme bereitstellen, welche durch die Drucksteue­ rung während der Anlaufphase in dem Wasserstofferzeugungssy­ stem verursacht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wasser­ stofferzeugungssystem gemäß Patentanspruch 1, ein Wasser­ stofferzeugungssystem gemäß Patentanspruch 14, eine Wasser­ stofferzeugungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 25, ein Ver­ fahren gemäß Patentanspruch 26, und ein Verfahren gemäß Pa­ tentanspruch 29.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im Einzelnen wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch ein Wasserstofferzeugungssystem zur Erzeugung wasserstoffreichen Gases durch Umformen eines flüssigen Rohstoffs, gekennzeich­ net durch: einen Verdampfungsabschnitt, der den flüssigen Rohstoff verdampft; einen Umformungsabschnitt, der den von dem Verdampfungsabschnitt gelieferten Dampf umformt; eine Drucksteuereinrichtung zum Regeln eines Drucks in dem Ver­ dampfungsabschnitt; und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Drucksteuereinrichtung auf der Grundlage einer quantita­ tiven Bedingung der Erzeugung von Wasserstoff für das Wasser­ stofferzeugungssystem.
Hierbei ist der Verdampfungsabschnitt eine Einheit zum Ver­ dampfen flüssiger Rohstoffe und besteht aus beispielsweise einem Verdampfer. Der Umformungsabschnitt ist eine Einheit, welche den von dem Verdampfungsabschnitt zugeführten Dampf umformt. Der Umformungsabschnitt umfaßt eine Reihe von Ein­ heiten, die zur Durchführung einer chemischen Reaktion zum Erzeugen von wasserstoffreichem Gas aus Rohstoffen verwendet werden. Diese Einheiten umfassen eine Umformungseinheit, wel­ che Wasserstoff und Kohlenmonoxid (CO) durch die Dampfumfor­ mung oder teilweise Oxidation von Rohstoffen erzeugt, eine Schiebereaktionseinheit, welche Wasserstoff und Kohlendioxid durch eine Schiebereaktion aus Kohlenmonoxid und Wasser er­ zeugt, und eine CO-Oxidationseinheit, welche selektiv Kohlen­ monoxid oxidiert. Der Umformungsabschnitt ist mit zumindest einer dieser Einheiten versehen.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird die Ansprechgeschwin­ digkeit der Erzeugung von Wasserstoff in dem Wasserstoffer­ zeugungssystem durch die Verdampfungsrate bzw. Verdampfungs­ geschwindigkeit bestimmt. Wie gemeinhin bekannt ist, wird die Verdampfungsrate durch den Druck in dem Verdampfungsabschnitt beeinflußt. Erfindungsgemäß kann nicht nur die Verdampfungs­ rate, sondern auch die Ansprechgeschwindigkeit der Erzeugung von Wasserstoff durch Steuern des Drucks in dem Verdampfungs­ abschnitt in Übereinstimmung mit dem quantitativen Bedarf zu erzeugenden Wasserstoffs verbessert werden. Darüber hinaus ist keine große Anlage wie beispielsweise ein Akkumulator er­ forderlich, und kann eine Verbesserung der Ansprechgeschwin­ digkeit erzielt werden. Es ist ferner nicht notwendig, ver­ dampftes Gas zu sammeln, so daß daher kein Problem aufgrund der verringerten Dampftemperatur besteht. Überdies kann fer­ ner der Energiewirkungsgrad verbessert werden, da es auch nicht notwendig ist, zu viel Dampf zu erzeugen.
In diesem System wird bevorzugt, daß die Drucksteuereinrich­ tung in dem Verdampfungsabschnitt angeordnet ist. Vorzugswei­ se wird hierbei eine Anordnung derart vorgesehen, daß der Verdampfungsabschnitt umfaßt: einen Dampferzeugungsabschnitt, welchem der flüssige Rohstoff zugeführt wird und der einen gemischten Teil des flüssigen Rohstoffs ausbildet, wobei der gemischte Teil einen Dampfphasenanteil und einen Flüssigpha­ senanteil des flüssigen Rohstoffs beinhaltet; und einen Damp­ ferwärmungsabschnitt, der mit dem Dampfphasenanteil des Damp­ ferzeugungsabschnitts verbunden ist und den flüssigen Roh­ stoff in dem Dampfphasenanteil erwärmt; und vorgesehen, daß die Drucksteuereinrichtung den Druck in dem Dampferzeugungs­ abschnitt regelt. Diese Anordnung ermöglicht es, auf relativ einfache Art und Weise Dampf mit einer gewünschten Temperatur zu erhalten.
Die Regelung des Drucks in dem Dampferzeugungsabschnitt kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Drucksteuer­ einrichtung an einem Verbindungsabschnitt des Dampferzeu­ gungsabschnitts und des Dampferwärmungsabschnitts angeordnet ist.
Darüber hinaus wird bevorzugt, daß die Drucksteuereinrichtung stromab des Verdampfungsabschnitts angeordnet ist. Die Drucksteuereinrichtung kann beispielsweise zwischen dem Ver­ dampfungsabschnitt und dem Umformungsabschnitt, innerhalb des Umformungsabschnitts, und stromab des Umformungsabschnitts, das heißt irgendwo zwischen dem Umformungsabschnitt und einem Wasserstoff verbrauchenden System, angeordnet sein. Da der Verdampfungsabschnitt mit dem Umformungsabschnitt in Verbin­ dung steht, kann der Druck in dem Verdampfungsabschnitt selbst in diesen Lagen gesteuert werden. Diese Lagen sind darüber hinaus dahingehend vorteilhaft, daß der Druck in dem Umformungsabschnitt zusammen mit der Regelung des Drucks in dem Verdampfungsabschnitt geregelt werden kann.
Weiter bevorzugt umfaßt der Umformungsabschnitt: eine erste Einheit, die durch eine Umformungsreaktion des Rohstoffs um­ geformtes, Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes Gas er­ zeugt; und eine zweite Einheit stromab der ersten Einheit, die den erzeugten Kohlenmonoxidgehalt verringert; und ist die Drucksteuereinrichtung zwischen der ersten Einheit und der zweiten Einheit angeordnet ist.
In diesem Fall der Anordnung der Druckregeleinrichtung inner­ halb des Umformungsabschnitts kann somit dann, wenn der Um­ formungsabschnitt mit einer ersten Einheit und einer zweiten Einheit vorgesehen ist, die stromab der ersten Einheit ange­ ordnet ist, die Drucksteuereinrichtung zwischen diesen Ein­ heiten angeordnet sein. Hierbei ist die erste Einheit eine Einheit, welche ein umgeformtes Gas, das Wasserstoff und Koh­ lenmonoxid enthält, durch eine Umformungsreaktion der Roh­ stoffe erzeugt. Die vorstehend beschriebene Umformungseinheit zum Beispiel entspricht dieser Einheit. Die zweite Einheit ist eine Einheit, welche die Menge zu erzeugenden Kohlenmono­ xids verringert. Die vorstehend beschriebene Schiebereakti­ onseinheit oder CO-Oxidationseinheit zum Beispiel entspricht dieser Einheit. In dieser Anordnung kann der Druck in der er­ sten Einheit auf einen höheren Druck als der der zweiten Ein­ heit gesteuert werden. Diese Anordnung ist darüber hinaus da­ hingehend vorteilhaft, daß die Gastemperatur durch Nutzen ei­ ner adiabatischen Expansion verringert werden kann, wenn das in der ersten Einheit erzeugte umgeformte Gas an die zweite Einheit transferiert wird.
Die Steuerung in Antwort auf die quantitative Bedingung für zu erzeugenden Wasserstoff kann mittels verschiedenartigen Ausführungsformen erreicht werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, daß die Steuereinrich­ tung die Drucksteuereinrichtung derart steuert, daß der Druck in dem Verdampfungsabschnitt in Übereinstimmung mit einer Zu­ nahme der quantitativen Bedingung oder einer Änderungsge­ schwindigkeit der quantitativen Bedingung verringert wird. Allgemein kann die Verdampfung durch eine Druckverringerung gefördert werden. Wenn beabsichtigt wird, die Verdampfung gleichbleibend zu fördern, kann der Druck in Übereinstimmung mit der quantitativen Bedingung verringert werden. Wenn eine vorübergehende Antwort nach der quantitativen Bedingung er­ höht wird, kann der Druck in Übereinstimmung mit der Änderung der quantitativen Bedingung verringert werden. Es ist mög­ lich, den Druck unter Berücksichtigung sowohl der quantitati­ ven Bedingung als auch der Änderung der quantitativen Bedin­ gung zu steuern.
Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Steuereinrichtung die Drucksteuereinrichtung derart steuert, daß der Druck in dem Verdampfungsabschnitt in Übereinstimmung mit einer Abnah­ me der quantitativen Bedingung oder einer Änderungsgeschwin­ digkeit der quantitativen Bedingung erhöht wird. Die Abnahme der Änderungsgeschwindigkeit beinhaltet sowohl den Fall, in dem dann, wenn die Änderungsgeschwindigkeit positiv ist, ihr Absolutwert verringert wird, und den Fall, in dem dann, wenn die Änderungsgeschwindigkeit negativ ist, ihr Absolutwert er­ höht wird. Dies gewährleistet, daß die Erzeugung einer zu großen Dampfmenge schnell unterdrückt werden kann, wodurch der Energiewirkungsgrad verbessert wird.
Wenn der Druck in dem Verdampfungsabschnitt erhöht wird, kann Wärme als innere Energie des Behälters und flüssiger Rohstof­ fe akkumuliert werden, weil der Siedepunkt der Rohstoffe an­ gehoben wird. Dann kann durch Verringern des Drucks in dem Verdampfungsabschnitt Dampf der flüssigen Rohstoffe unter Verwendung dieser inneren Energie erzeugt werden. Daher kann dann, wenn eine Erhöhung der Dampferzeugung erforderlich ist, die Dampfmenge durch Verringern des Drucks in dem Verdamp­ fungsabschnitt sofort erhöht werden, wohingegen dann, wenn eine Verringerung der Dampferzeugung erforderlich ist, die Dampfmenge durch Erhöhen des Drucks in dem Verdampfungsab­ schnitt sofort verringert werden kann. Insbesondere kann eine Laständerung rasch berücksichtigt werden.
Vorzugsweise ist das Wasserstofferzeugungssystem auf einem beweglichen Körper angebracht, um wasserstoffreiches Gas als einer Antriebsquelle des beweglichen Körpers zuzuführenden Kraftstoff zu erzeugen. Das Wasserstofferzeugungssystem ist daher für ein bordeigenes, auf dem beweglichen Körper mon­ tiertes System sehr brauchbar. Dies ist deshalb so, weil der bewegliche Körper nur über einen sehr begrenzten Einbauraum verfügt und sich sein quantitativer Bedarf bzw. die quantita­ tive Bedingung relativ stark ändert.
Wenn das Wasserstofferzeugungssystem als bordeigenes System aufgebaut ist, kann vorzugsweise die quantitative Bedingung auf der Grundlage eines Antriebskrafterfordernisses des be­ weglichen Körpers bestimmt werden. Es wird angemerkt, daß der Begriff bewegliche Körper Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Luft­ fahrzeuge und fliegende Körper einschließt.
Auch bevorzugt wird, daß die Drucksteuereinrichtung ein Druckregelventil oder ein Durchflußmeßventil ist, und daß der Rohstoff eine kohlenwasserstoffartige Verbindung ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß alternativ ge­ löst durch ein Wasserstofferzeugungssystem zur Erzeugung was­ serstoffreichen Gases durch Umformen eines Rohstoffes, ge­ kennzeichnet durch einen Umformungsabschnitt, der den Roh­ stoff umformt; eine Drucksteuereinrichtung zum Regeln eines Drucks in dem Umformungsabschnitt; und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Drucksteuereinrichtung mittels einer ersten Steuerbetriebsart, in welcher der Druck in dem Umformungsab­ schnitt zu einem vorbestimmten Solldruck wird, und zum Steu­ ern der Drucksteuereinrichtung mittels einer zweiten Steuer­ betriebsart, die sich in der Anlaufphase des Wasserstoffer­ zeugungssystems von der ersten Steuerbetriebsart unterschei­ det.
Es wird angemerkt, daß dieses Wasserstofferzeugungssystem nicht nur auf flüssige Rohstoffe verwendende Systeme, sondern auch auf andere Systeme anwendbar ist.
Bevorzugt wird, daß der Druck in dem Umformungsabschnitt in einem vorbestimmten Zustand gehalten wird, der zur Förderung einer Reaktion bei Betrieb des Wasserstofferzeugungssystems geeignet ist. In der Anlaufphase des Systems jedoch wird un­ zureichend umgeformtes Gas erzeugt und ist die Temperatur des Umformungsabschnitts niedrig. Daher schreitet in diesem Zu­ stand die Reaktion nur mit Schwierigkeiten fort. Bisher wurde der Drucksteuerung in der Anlaufphase keinerlei Beachtung ge­ schenkt. In einem solchen Zustand ist es jedoch nicht immer zu bevorzugen, denselben Druckzustand wie den während regel­ mäßigen Betriebs aufrechtzuerhalten. Bei dem hier vorgeschla­ genen Wasserstofferzeugungssystem wird daher die Steuerbe­ triebsart in der Anlaufphase und in regelmäßigem Betrieb der­ art umgeschaltet, daß eine für beide Betriebsabläufe geeigne­ te Drucksteuerung erzielt werden kann.
Beispielsweise wird bevorzugt, daß die erste Steuerbetriebs­ art eine Regelung unter Berücksichtigung eines Zeitintegrals einer Abweichung zwischen dem Solldruck und dem tatsächlichen Druck ist; und die zweite Steuerbetriebsart eine Betriebsart ist, in der ein Einfluß des Zeitintegrals auf eine gesteuerte Variable unterdrückt wird. Die Beschränkung des Einflusses des Zeitintegrals kann zum Beispiel durch Verringern einer Regelverstärkung für das Zeitintegral stärker als in der er­ sten Steuerbetriebsart erreicht werden. Es kann auch eine Re­ gelung ausschließlich des Zeitintegralausdrucks vorgesehen sein.
Allgemein erzeugt in der Regelung der Zeitintegralausdruck die Wirkung der Beibehaltung des früheren Zustands und des Glättens von Schwankungen in der gesteuerten Variablen. Weil in der Anlaufphase des Systems die zu erzeugende Menge umge­ formten Gases klein ist, wird die Drucksteuereinrichtung in die Richtung gesteuert, in welcher der Druck in dem Umfor­ mungsabschnitt ansteigt. Falls dieser Zustand für eine lange Zeitdauer aufrechterhalten wird, wird das Ansprechen bzw. die Antwort der Drucksteuereinrichtung verzögert, welches die Möglichkeit einer schnellen Zunahme des Drucks in dem Umfor­ mungsabschnitt in dem Fall bietet, in dem der Einfluß des Zeitintegralausdrucks groß ist, wenn die Erzeugung umgeform­ ten Gases begonnen hat. Dieses Phänomen kann durch Unterdrücken des Einflusses des Zeitintegralausdrucks leicht unter­ drückt werden.
Beispielsweise vorteilhaft ist, daß die erste Steuerbetriebs­ art eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis ist und die zweite Steuerbetriebsart eine Steuerung mit offenem Regel­ kreis ist. Dies hält die Drucksteuereinrichtung davon ab, zu stark in die Richtung betrieben zu werden, in der der Druck in dem Umformungsabschnitt ansteigt, so daß daher ein schnel­ ler Druckanstieg nach dem Beginn der Erzeugung umgewandelten Gases vermieden werden kann. In der einfachsten Form der Steuerung mit offenem Regelkreis ist die Drucksteuereinrich­ tung so ausgelegt, daß die Drucksteuereinrichtung in der zweiten Steuerbetriebsart unabhängig von dem Druck in dem Um­ formungsabschnitt in einem festgelegten Zustand gehalten wird.
Weiter bevorzugt wird, daß die Steuereinrichtung mit einer Übergangssteuerbetriebsart versehen ist, in der die Ände­ rungsgeschwindigkeit bzw. Schwankung des Drucks in dem Umfor­ mungsabschnitt während eines Übergangs des Systems von der zweiten Steuerbetriebsart zu der ersten Steuerbetriebsart in­ nerhalb eines vorbestimmten Bereichs unterdrückt wird. In dem Fall, in dem der Druck in dem Umformungsabschnitt relativ niedrig ist, wenn das System in die erste Steuerbetriebsart übergeht, besteht die Möglichkeit, daß die manipulierte Va­ riable der Drucksteuereinrichtung überschwingt bzw. übersteu­ ert wird und einen übergangsweise schnellen Druckanstieg ver­ ursacht. Dies kann jedoch durch die Bereitstellung der Über­ gangssteuerbetriebsart vermieden werden. Als Übergangssteuer­ betriebsart können ein Verfahren, in welchem der Drucksoll­ wert auf weniger als seinen ursprünglichen Wert bzw. stärker als er ursprünglich war verringert wird, ein Verfahren, in welchem eine sogenannte "Glättungsbehandlung" für die in der ersten Steuerbetriebsart erhaltene Steuervariable bereitge­ stellt ist, und ein Verfahren, in welchem die Steuervariable in einem offenen Regelkreis eingestellt wird, und dergleichen angewandt werden.
Zusätzlich zu der vorgenannten Steuerung wird die Regelung zusammen mit der ersten Steuerbetriebsart und der zweiten Steuerbetriebsart angewandt, wobei der Drucksollwert in der zweiten Steuerbetriebsart niedriger als in der ersten Steuer­ betriebsart sein kann. In der zweiten Steuerbetriebsart kann ein oberer Grenzwert für die manipulierte Variable in der Drucksteuereinrichtung gesetzt werden.
Bevorzugt ist die vorliegende Anordnung derart ausgebildet, daß die Umschaltung zwischen der ersten Steuerbetriebsart und der zweiten Steuerbetriebsart auf der Grundlage eines Gas- bzw. Dampfmengenzustands in dem Umformungsabschnitt durchge­ führt wird, wobei der Dampfmengenzustand zumindest eine Tem­ peratur und einen Druck in dem Umformungsabschnitt, eine Kom­ ponente eines Gases, oder eine Strömungsgeschwindigkeit eines aus dem Umformungsabschnitt ausströmenden Gases beinhaltet bzw. diese als Mengenzustand einzeln oder in Kombination ver­ wendet werden können. Beispielsweise wird dann, wenn die Tem­ peratur, der Druck und die Strömungsgeschwindigkeit jeweils unter den vorbestimmten Werten liegen, der Betriebszustand als der Anlaufbetriebszustand ermittelt und infolgedessen die zweite Steuerbetriebsart angewandt. Wenn diese Parameter je­ weils über den vorbestimmten Werten liegen, kann das System in die erste Steuerbetriebsart geschaltet werden. Als Kompo­ nenten des Gases werden Komponenten wie beispielsweise Was­ serstoff oder Kohlenmonoxid, welche mengenmäßig in Überein­ stimmung mit dem Fortschritt der Reaktion in dem Umformungs­ abschnitt schwanken, verwendet, und die Systembetriebsart kann auf der Grundlage davon, ob die Konzentration jeder die­ ser Komponenten größer als der vorbestimmte Wert ist oder nicht, umgeschaltet werden. Diese vorbestimmten Werte als die Norm zum Beurteilen, ob die Systembetriebsart umzuschalten ist oder nicht, können auf der Grundlage von Versuchen oder dergleichen vorab in Übereinstimmung mit der Systemstruktur festgelegt werden. Diese Mengenzustände können direkt in dem Umformungsabschnitt oder indirekt an einem Abschnitt, bei­ spielsweise stromab, des Umformungsabschnitts erfaßt werden.
Erfindungsgemäß kann als Drucksteuereinrichtung ein Druckre­ gelventil oder ein Durchflußmeßventil verwendet werden. Be­ vorzugt wird ein elektromagnetisch steuerbares Ventil verwen­ det.
In dem erfindungsgemäßen System können als Rohstoffe kohlen­ wasserstoffartige Verbindungen verwendet werden. Solche Ver­ bindungen beinhalten verflüssigtes Naturgas, Benzin bzw. Ga­ solin, andere Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Äther und Aldehy­ de.
Erfindungsgemäß können die vorstehend erwähnten, verschiede­ nen zusätzliche Elemente durch geeignetes Kombinieren dersel­ ben angewandt werden. Darüber hinaus können strukturelle Ele­ mente, die in der erstgenannten und in der zweitgenannten (alternativen) Anordnung angegeben wurden, zur Bildung eines einzigen Wasserstofferzeugungssystems kombiniert werden.
Die Erfindung kann zusätzlich zu den vorstehenden Anordnungen des Wasserstofferzeugungssystems in verschiedenen Ausgestal­ tungen aufgebaut werden. Beispielsweise kann die erstgenannte erfindungsgemäße Anordnung als auf das Wasserstofferzeugungs­ system angewandter Dampferzeuger ausgebildet werden.
Somit wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß auch ge­ löst durch eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung zur Erzeu­ gung eines Dampfs eines flüssigen Rohstoffs, gekennzeichnet durch: einen Dampferzeugungsabschnitt, dem der flüssige Roh­ stoff zugeführt wird und der einen Dampf-Flüssigkeits-Misch­ teil des flüssigen Rohstoffs ausbildet, wobei der Dampf-Flüs­ sigkeits-Mischteil einen Dampfphasenanteil und einen Flüssig­ phasenanteil beinhaltet; einen Dampferwärmungsabschnitt, der mit dem Dampfphasenanteil des Dampferzeugungsabschnitts ver­ bunden ist und den flüssigen Rohstoff des Dampfphasenanteils erwärmt; und eine Drucksteuereinrichtung zum Regeln eines Drucks in dem Dampferzeugungsabschnitt.
Darüber hinaus kann die Erfindung als Steuerverfahren bereit­ gestellt werden, welche die in den vorstehend erst- und zweitgenannten Anordnungen des Wasserstofferzeugungssystems beschriebenen Steuerungen erzielen.
Somit wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß ferner ge­ löst durch ein Verfahren zur Steuerung eines mit einem Ver­ dampfungsabschnitt zum Verdampfen eines flüssigen Rohstoffs versehenen Wasserstofferzeugungssystems, welches System was­ serstoffreiches Gas durch Umformen des flüssigen Rohstoffes erzeugt, gekennzeichnet durch einen Schritt des Steuerns ei­ nes Drucks in dem Verdampfungsabschnitt auf der Grundlage ei­ ner quantitativen Bedingung der Erzeugung von Wasserstoff für das Wasserstofferzeugungssystem, und ein Verfahren zur Steue­ rung eines mit einem Umformungsabschnitt zum Umformen eines flüssigen Rohstoffs versehenen Wasserstofferzeugungssystems, welches System wasserstoffreiches Gas durch Umformen des flüssigen Rohstoffes erzeugt, gekennzeichnet durch einen Schritt zum Ermitteln, ob sich das Wasserstofferzeugungssy­ stem in einer Anlaufphase befindet, auf der Grundlage vorbe­ stimmter Parameter; einen Schritt zum Steuern eines Drucks in dem Umformungsabschnitt mit einer ersten Steuerbetriebsart, in welcher der Druck in dem Umformungsabschnitt zu einem vor­ bestimmten Solldruck wird, wenn sich das Wasserstofferzeu­ gungssystem nicht in der Anlaufphase befindet; und einen Schritt zum Steuern des Drucks in dem Umformungsabschnitt mit einer zweiten Steuerbetriebsart, die sich von der ersten Steuerbetriebsart unterscheide, wenn sich das Wasserstoffer­ zeugungssystem in der Anlaufphase befindet.
Bevorzugt wird in einem solchen Verfahren ermittelt, daß sich das Wasserstofferzeugungssystem in der Anlaufphase befindet, wenn die Temperatur des Umformungsabschnitts größer als eine vorbestimmte Temperatur ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses Verfahrens umfaßt fer­ ner einen Schritt zum Ermitteln, ob ein Übergang von der zweiten Steuerbetriebsart zu der ersten Steuerbetriebsart stattfindet, wenn sich das Wasserstofferzeugungssystem in der Anlaufphase befindet und der Druck in dem Wasserstofferzeu­ gungssystem niedriger als ein vorbestimmter Druck ist; und einen Schritt zum Steuern des Drucks in dem Umformungsab­ schnitt mit einer dritten Steuerbetriebsart, in welcher eine Änderungsgeschwindigeit in dem Druck in dem Umformungsab­ schnitt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs unterdrückt wird, wenn ein Übergang von der zweiten Steuerbetriebsart zu der ersten Steuerbetriebsart ermittelt wird.
Außerdem kann die Erfindung in Form eines Brennstoffzellensy­ stems bereitgestellt werden, in welchem das erfindungsgemäße Wasserstofferzeugungssystem mit einer Brennstoffzelle kombi­ niert ist, die elektrische Energie unter Verwendung von in dem Wasserstofferzeugungssystem erzeugtem Wasserstoff er­ zeugt, und kann die Erfindung als beweglicher Körper (bei­ spielsweise als Fahrzeug) dargestellt werden, auf welchem ein solches Brennstoffzellensystem angebracht ist.
Erfindungsgemäß wird zumindest ein Teil der eingangs erwähn­ ten Probleme durch Verbesserung der Drucksteuerung in einem Wasserstofferzeugungssystem gelöst. Mit anderen Worten ausge­ drückt wird bei bekannten Anordnungen der Druck in einem Was­ serstofferzeugungssystem derart gesteuert, daß er in einem zur Umformung und dergleichen geeigneten gleichbleibenden Zu­ stand gehalten wird. Erfindungsgemäß dagegen wird eine Struk­ tur verwendet, in welcher der Druck in dem System in Überein­ stimmung mit dem Betriebsbedingungen des Systems zu jedem Zeitpunkt bzw. den Betriebsbedingungen wie vorstehend angege­ ben geändert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, nä­ her beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erklärende Ansicht, die eine vereinfachte Struk­ tur eines Wasserstofferzeugungssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer Drucksteuerprozeßroutine in dem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine erklärende Ansicht, die eine vereinfachte Struk­ tur eines Fahrzeugs als ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Betriebssteuerprozesses;
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines Wasserstofferzeugungssteuer­ prozesses;
Fig. 6A, Fig. 6B, Fig. 6C und Fig. 6D Zeitdiagramme, die eine Druckänderung und dergleichen auf der Grundlage eines Wasser­ stofferzeugungssteuerprozesses in dem zweiten Ausführungsbei­ spiel zeigen; und
Fig. 7A und Fig. 7B Diagramme, die die Ergebnisse von Versu­ chen betreffend eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit umgeformten Gases zeigen.
Nachstehend wird ein erstes Ausführungsbeispiel des Wasser­ stofferzeugungssystems beschrieben.
Fig. 1 ist eine erklärende Ansicht, die eine vereinfachte Struktur eines Wasserstofferzeugungssystems 20 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt. Das Wasserstofferzeugungs­ system 20 ist ein System, welches wasserstoffreiches Gas durch Umformen eines Rohstoffes erzeugt und umfaßt einen Ver­ dampfungsabschnitt 30, einen Umformungsabschnitt 50, einen Drucksteuerabschnitt 60, einen Kohlenmonoxidreduktionsab­ schnitt bzw. Kohlenmonoxidverringerungsabschnitt 70 und eine elektronische Steuereinheit 80. Als Rohstoff kann beispiels­ weise ein kohlenwasserstoffartiger Rohstoff verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird Methanol verwendet. Das erzeugte Gas wird einer Anlage (beispielsweise einer Brenn­ stoffzelle oder einem Wasserstoffmotor) zugeführt, welche Brennstoffgas bzw. Heizgas verbraucht und zur Erzeugung von Elektrizität verwendet wird.
Der Verdampfungsabschnitt 30 ist eine Einheit, die zum Ver­ dampfen eines umgeformten Rohstoffes verwendet wird, welcher ein Gemisch des Rohstoffes und Wasser ist. Der Verdampfungs­ abschnitt 30 ist mit einem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 und einem Heiz- bzw. Erwärmungsabschnitt 34 versehen ist. Der Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 ist ein Abschnitt, in dem die flüssige Phase und die Dampfphase des umgeformten Rohstoffes nebeneinander bestehen und der umgeformte Rohstoff verdampft wird. Der umgeformte flüssige Rohstoff wird in einem Spei­ chertank für umgeformten Rohstoff 22 gespeichert und dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 durch eine Pumpe 24 zuge­ führt. Ein mit dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 verbunde­ nes Zuleitungsrohr ist derart angeordnet, daß der Rohstoff über einen Wärmetauscher 74 des Kohlenwasserstoffreduktions­ abschnitts 70 erwärmt wird. Der Erwärmungsabschnitt 34 ist eine Einheit, welche den in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 verdampften, umgeformten Rohstoff auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt.
Der Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 und der Erwärmungsab­ schnitt 34 werden jeweils durch eine Heizeinrichtung 40 er­ wärmt. Die Heizeinrichtung 40 ist mit einem Wärmetauscher 42 zum Erwärmen des Dampf-Flüssigkeits-Mischteils 32 und einem Wärmetauscher 43 zum Erwärmen des Erwärmungsabschnitts 34 versehen, und die zum Erwärmen erforderliche Wärmemenge wird durch eine elektronische Steuereinheit 80 gesteuert. In die­ sem Ausführungsbeispiel wird als Heizeinrichtung 40 eine Heizeinrichtung eingesetzt, die durch Verbrennen von Heizöl als Wärmeaustauschmedium erhaltenes Hochtemperaturverbren­ nungsgas verwendet.
Der Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 steht mit dem Erwärmungs­ abschnitt 34 über einen Verbindungsabschnitt 36 in Verbin­ dung. Der Verbindungsabschnitt 36 ist als Drosselabschnitt mit einer kleineren Öffnungsfläche als der Dampf-Flüssig­ keits-Mischteil 32 und der Erwärmungsabschnitt 34 ausgebildet und mit einem Drucksteuerventil 38 versehen, welches den Druck in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 reguliert. Das Drucksteuerventil 38 ist derart bereitgestellt, daß es durch Regulieren seiner Öffnung eine Schwankung in der das Wasser­ stofferzeugungssystem 20 beaufschlagenden Last ausgleichen kann. Der Steuer- bzw. Regulierungsvorgang des Drucksteuer­ ventils 38 und seine Entsprechung zu der Lastschwankung wird an späterer Stelle beschrieben.
Der Umformungsabschnitt 50 formt den verdampften Rohstoff um, um wasserstoffreiches umgeformtes Gas zu erzeugen. Der Umfor­ mungsabschnitt ist mit einem monolithischen Katalysator 52 gefüllt, der durch Beschichten der Oberfläche eines monolithi­ schen Trägers, wie beispielsweise einem Wabenrohr, mit ei­ nem Katalysator (beispielsweise einem Kupfer-Zink-Kataly­ sator), der Methanol dampfumformt, erhalten wurde.
Der Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 verringert die Menge von Kohlenmonoxid in dem umgeformten Gas. Der Kohlenmonoxid­ reduktionsabschnitt 70 ist mit vorzugsweise einem Oxidations­ katalysator 72 gefüllt, der einen Katalysator (beispielsweise einen Ruthenium-Katalysator) trägt, welcher Kohlenmonoxid bei Vorhandensein von Wasserstoff bevorzugt zu Wasserstoff oxi­ diert und Kohlenmonoxid durch sauerstoffhaltiges Gas (Luft in diesem Ausführungsbeispiel), welches Sauerstoff enthält, oxi­ diert. Die Luft wird durch ein Gebläse 68 aus einer Luftzu­ fuhrleitung zugeführt.
Der Umformungsabschnitt 50 steht mit dem Kohlenmonoxidreduk­ tionsabschnitt 70 über den Drucksteuerabschnitt 60 in Verbin­ dung. Der Drucksteuerabschnitt 60 spricht auf eine Last­ schwankung an und senkt die Temperatur des umgeformten Gases. Der Drucksteuerabschnitt 60 ist als Drosselabschnitt mit ei­ ner kleinen Öffnungsfläche ausgebildet und mit einem Drucksteuerventil 62 versehen, welches den Druckunterschied zwischen dem Umformungsabschnitt 50 und dem Drucksteuerab­ schnitt 60 reguliert. Das Drucksteuerventil 60 schließt und öffnet in Übereinstimmung mit der Lastschwankung.
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Steuerung derart, daß der Druck in dem Umformungsabschnitt 50 höher als der Druck in dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 ist. Durch diesen Druckunterschied wird das umgeformte Gas aus dem Um­ formungsabschnitt 50 adiabatisch expandiert und die Tempera­ tur gesenkt, wenn es in den Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 transferiert wird. Im allgemeinen ist die optimale Tempe­ ratur für die bevorzugte Oxidation von Kohlenmonoxid in dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 niedriger als die optima­ le Temperatur für die Dampfumformungsreaktion von Methanol in dem Umformungsabschnitt 50. Daher kann dies durch Nutzen der Kühlwirkung der adiabatischen Expansion die Notwendigkeit ei­ nes Kühlers in dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 besei­ tigen oder ermöglichen, daß der Kühler kleiner sein kann. Ei­ ne Kohlenmonoxidoxidationsreaktion in dem Kohlenmonoxidreduk­ tionsabschnitt 70 ist vorwiegend eine exothermische Reaktion. In diesem Ausführungsbeispiel werden das umgeformte Gas er­ wärmt und der Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 durch Nut­ zen der in dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 erzeugten Wärme in Verbindung mit der adiabatischen Expansion des umge­ formten Gases auf eine optimale Temperatur gesteuert.
Die elektronische Steuereinheit 80 steuert das gesamte Sy­ stem. Die elektronische Steuereinheit 80 ist in Form eines Mikroprozessors aufgebaut, der eine zentrale Verarbeitungs­ einheit (CPU) 82 als Hauptelement enthält, und mit einem ein Verarbeitungsprogramm speichernden Festspeicher (ROM) 84, ei­ nem Daten vorübergehend speichernden Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 86 und einem (nicht gezeigten) Eingangs/Aus­ gangs-Port versehen. Mit der elektronischen Steuereinheit 80 sind ein in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 angeordneter Pegelmesser 44, ein an dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 angebrachter Drucksensor 45, ein an dem Erwärmungsabschnitt 34 angebrachter Temperatursensor 46, ein an dem Erwärmungsab­ schnitt 34 angebrachter Drucksensor 47, ein in dem Drucksteu­ erabschnitt 60 auf der Seite des Kohlenmonoxidreduktionsab­ schnitts 70 angeordneter Drucksensor 66, ein an dem Kohlenmo­ noxidreduktionsabschnitt 70 angebrachter Temperatursensor 76 und eine elektronische Steuereinheit (ECU) 88, die den Be­ trieb der Brennstoffgas verbrauchenden Anlage über einen Ein­ gangsport steuert, verbunden. Über den Eingangsport werden der elektronischen Steuereinheit 80 der Pegelstand des umge­ formten Rohstoffes aus dem Pegelmesser 44, ein Druck P1 aus dem Drucksensor 45, eine Temperatur T1 des verdampften, umge­ formten Rohstoffes aus dem Temperatursensor 46, ein Druck P2 in dem Erwärmungsabschnitt 34 aus dem Drucksensor 47, ein Druck P3 auf der Seite des Kohlenmonoxidreduktionsabschnitts 70 aus dem Drucksensor 66, eine Temperatur T3 in dem Kohlen­ monoxidreduktionsabschnitt 70 aus dem Temperatursensor 76, eine Lastanforderung Q* aus der elektronischen Steuereinheit 88, die die Last der Brennstoffgaserzeugung angibt, und der­ gleichen zugeführt. Darüber hinaus gibt die elektronische Steuereinheit 80 ein Ansteuersignal an die Pumpe 24, ein An­ steuersignal an einen Aktuator 39 des Drucksteuerventils 38, ein Steuersignal an die Heizeinrichtung 40, ein Ansteuersi­ gnal an einen Aktuator 63 des Drucksteuerventils 62, ein An­ steuersignal an das Gebläse 68 und dergleichen über einen Ausgangsport aus. Es wird angemerkt, daß die elektronische Steuereinheit 88 die Brennstoffgas verbrauchende Anlage steu­ ert und eine Lastanzeige an die elektronische Steuereinheit 80 übergibt.
Nachstehend wird die Wirkungsweise des Wasserstofferzeugungs­ systems 20, insbesondere die Wirkungsweise des Verdampfungs­ abschnitts 30, als Antwort auf eine das System beaufschlagen­ de Lastschwankung beschrieben. Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm einer Drucksteuerprozeßroutine gemäß dem ersten Ausführungs­ beispiel. Diese zeigt einen durch die CPU 82 der elektroni­ schen Steuereinheit 80 ausgeführten Prozeß zum Steuern des Drucks in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32. In diesem Aus­ führungsbeispiel wird diese Routine wiederholt in vorbestimm­ ten Zeitintervallen (beispielsweise alle 100 ms) ausgeführt, nachdem das Wasserstofferzeugungssystem 20 angelaufen ist.
Wenn die Drucksteuerprozeßroutine begonnen wird, liest die CPU 82 die Lastanforderung Q* aus der elektronischen Steuer­ einheit 88 aus und subtrahiert die aktuelle Last Q von der Lastanforderung Q*, um eine Lastschwankung ΔQ zu berechnen (Schritte S100 und S102). Darauffolgend subtrahiert die CPU 82 einen durch Multiplizieren der Lastschwankung ΔQ mit einem positiven Gewinn K erhaltenen Wert von einem Solldruck P* in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil bzw. Dampfstrom-Mischteil 32, um einen neuen Solldruck P* festzulegen (Schritt S104). Dann wird die Öffnung des Drucksteuerventils 38 so gesteuert, daß der Druck P1 in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 gleich dem Solldruck P* wird (Schritt S106). Ferner wird die Öffnung des Drucksteuerventils 62 so gesteuert, daß die zu erzeugende Brennstoffgasmenge gleich der Lastanforderung Q* wird (Schritt S108). Dann wird die vorliegende Routine been­ det.
Da der in Schritt S104 verwendete Gewinn bzw. die Regelver­ stärkung K ein positiver Wert ist, ist der Solldruck P* klein, wenn die Lastschwankung ΔQ ein positiver Wert ist, und ist der Solldruck P* groß, wenn die Lastschwankung ΔQ ein ne­ gativer Wert ist. Die Steuerung erfolgt derart, daß dann, wenn die Last zunimmt, der Druck P1 in dem Dampf-Flüssig­ keits-Mischteil 32 abnimmt, wohingegen dann, wenn die Last abnimmt, der Druck P2 in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 zunimmt. Die Verdampfungsrate des umgeformten Rohstoffs nimmt mit der Verringerung des Drucks in dem Dampf-Flüssigkeits- Mischteil 32 zu.
Eine solche Steuerung gewährleistet, daß dann, wenn die Last zunimmt, der Druck P1 in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 verringert wird, um dadurch den Siedepunkt des umgeformten Rohstoffs zu senken, wodurch eine Zunahme der Dampfmenge des umgeformten Rohstoffs unter Verwendung der inneren Energie (Temperatur) des Behälters und des umgeformten Rohstoffs er­ zielt werden kann. Darüber hinaus wird dann, wenn die Last abnimmt, der Druck P1 in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 erhöht, um dadurch den Siedepunkt des umgeformten Rohstoffs zu erhöhen, wodurch die Wärme als innere Energie (Temperatur) des Behälters und des umgeformten Rohstoffs akkumuliert wer­ den kann. Falls die Öffnung des Drucksteuerventils 38 geän­ dert wird, werden die dem Erwärmungsabschnitt 34 zugeführte Dampfmenge des umgeformten Rohstoffs sowie die für die Erwär­ mung in dem Erwärmungsabschnitt 34 benötigte Wärmemenge geän­ dert. Die Änderung der Wärmemenge in dem Erwärmungsabschnitt 34 ist jedoch relativ klein, weil die Wärmekapazität des Dampfs klein ist. Daher kann die Temperaturänderung des Dampfs in dem umgeformten Rohstoff bei einer Lastschwankung auf einen kleinen Wert begrenzt werden.
Der Druck in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32, dem Erwär­ mungsabschnitt 34, dem Umformungsabschnitt 50 und dem Druck­ steuerabschnitt 60 kann optional festgelegt werden. Wenn das erzeugte Brennstoffgas einer Brennstoffzelle zugeführt wird, werden zum Beispiel der Druck in dem Dampf-Flüssigkeits- Mischteil 32 des Verdampfungsabschnitts 30 auf etwa 400 kPa bis etwa 700 kPa festgelegt, der Druck in dem Erwärmungsab­ schnitt 34 des Verdampfungsabschnitts 30 und dem Umformungs­ abschnitt 50 auf etwa 200 kPa bis etwa 400 kPa festgelegt, und der Druck in dem Drucksteuerabschnitt 60 auf etwa 150 kPa bis etwa 200 kPa festgelegt.
In dem Wasserstofferzeugungssystem 20 gemäß dem ersten Aus­ führungsbeispiel wie vorstehend beschrieben kann die in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 erzeugte Dampfmenge durch Steuern des Drucks P1 in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 schnell erhöht oder verringert werden, wodurch ein schnelles Ansprechen auf eine Lastschwankung ermöglicht wird. Darüber hinaus kann die Größe des Verdampfungsabschnitts 30 verrin­ gert werden, da die Drucksteuerung so erfolgt, daß der Druck in dem Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 höher als der des Er­ wärmungsabschnitts 34 ist.
Ferner wird in dem Wasserstofferzeugungssystem 20 gemäß die­ sem Ausführungsbeispiel ein Druckunterschied zwischen dem Um­ formungsabschnitt 50 und dem Kohlenmonoxidreduktionsabschnitt 70 festgelegt, wodurch das umgeformte Gas adiabatisch expan­ diert wird und die Temperatur des umgeformten Gases gesenkt werden kann. Infolgedessen kann die Größe der Ausrüstung zum Kühlen des Kohlenmonoxidreduktionsabschnitts 70 verringert werden. Überdies kann der aus dem Prozeß, in welchem eine Er­ wärmung und eine Abkühlung in ein und derselben Vorrichtung durchgeführt werden, resultierende Energieverlust gesteuert werden.
In dem Wasserstofferzeugungssystem 20 gemäß diesem Ausfüh­ rungsbeispiel wird eine Heizeinrichtung, die durch Verbrennen von Brennstoff erhaltenes Hochtemperaturverbrennungsgas als Wärmeaustauschmedium verwendet, als Heizeinrichtung 40 einge­ setzt. Es kann jedoch jede beliebige Heizeinrichtung verwen­ det werden, so lange sie den Dampf-Flüssigkeits-Mischteil 32 und den Erwärmungsabschnitt 34 erwärmen kann. Beispielsweise kann ohne irgendwelche Probleme eine elektrische Heizeinrich­ tung verwendet werden.
Obwohl der Verdampfungsabschnitt 30 gemäß diesem Ausführungs­ beispiel als eine Vorrichtung zum Erzeugen von Dampf eines umgeformten Rohstoffs in dem Wasserstofferzeugungssystem 20 beschrieben wird, ist der zu erzeugende Dampf nicht auf den Dampf des umgeformten Rohstoffs beschränkt. Der Verdampfungs­ abschnitt 30 kann auf Vorrichtungen angewandt werden, die Dampf eines beliebigen Stoffes bzw. Materials erzeugen.
Nachstehend wird eine vereinfachte Struktur eines Fahrzeugs als ein zweites Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine erklärende Ansicht gemäß Fig. 3 beschrieben. Das Fahrzeug wird mittels sich drehender Räder 124R und 124L, die durch die Antriebskraft eines Motors 123 unter Verwendung einer Brennstoffzelle 120 und einer Batterie 121 als Leistungsquel­ len angetrieben werden, in Bewegung versetzt. In diesem Aus­ führungsbeispiel wird eine mit festem Polymer arbeitende Brennstoffzelle verwendet, obwohl auch verschiedene andere Ausführungsformen eingesetzt werden können.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Synchronmotor als Mo­ tor 123 verwendet. Der Motor 123 wird durch einen aus Gleich­ strom, der aus der Brennstoffzelle 120 und der Batterie 121 erhalten wird, mittels Umwandlung erzeugten Dreiphasen-Wech­ selstrom durch eine Ansteuerschaltung 122 angetrieben. Als Ansteuerschaltung 122 kann beispielsweise ein Transistorin­ verter verwendet werden. Die Hauptleistungsquelle des Motors 123 ist die Brennstoffzelle 120, wobei die Batterie 121 dazu genutzt wird, die Ansprechverzögerung der von der Brennstoff­ zelle 120 zugeführten Leistung und dergleichen zu kompensie­ ren. Der Motor 123 kann durch Nutzen der kinetischen Energie des Fahrzeugs als Leistung während eines Bremsvorgangs rege­ neriert werden. Die Batterie 121 wird in geeigneter Art und Weise mit dieser regenerierten Leistung und durch die Brenn­ stoffzelle 120 geladen.
Der Brennstoffzelle 120 zugeführter Wasserstoff wird durch ein bordeigenes, an dem Fahrzeug angebrachtes Wasserstoffer­ zeugungssystem erzeugt. Das Wasserstofferzeugungssystem er­ zeugt auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 Wasser­ stoff durch Umformung eines flüssigen Rohstoffs unter der Steuerung einer Steuereinheit 100. In diesem Ausführungsbei­ spiel wird Methanol als Rohstoff dampfumgeformt. Das System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann anstelle des bei­ spielhaft in Fig. 3 dargestellten Systems verbaut werden.
Der flüssige Rohstoff, das heißt eine Mischlösung aus Metha­ nol und Wasser, wird in einem Rohstofftank 111 gespeichert und über ein Ventil 112 einem Verdampfungsabschnitt 110 zuge­ führt. Die zuzuführende Menge wird durch die Öffnung des Ven­ tils 112 reguliert. In dem Verdampfungsabschnitt 110 wird der flüssige Rohstoff erwärmt und vergast. Die Erwärmung erfolgt durch Verbrennen entflammbarer Komponenten in Anodenaus­ trittsgas, welches von der Anode der Brennstoffzelle 120 ab­ gegeben wird. Der Betrieb des Verdampfers wird durch Regulie­ ren der Zufuhrmenge des Anodenaustrittsgases durch ein in der Mitte einer Austrittsgasleitung angeordnetes Durchflußsteuer­ ventil 113 gesteuert.
Der in dem Verdampfungsabschnitt 110 vergaste Rohstoff wird einer Umformungseinheit 114 zugeführt. Wie in dem ersten Aus­ führungsbeispiel ist die Umformungseinheit 114 eine Einheit, die einen Katalysator zum Dampfumformen des Rohstoffs beher­ bergt. Der Rohstoff wird hier dampfumgeformt, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes umgeformtes Gas zu erzeugen.
Das umgeformte Gas wird einer Kohlenmonoxid- bzw. CO-Reini­ gungseinheit 115 zugeführt. Die CO-Reinigungseinheit 115 ist eine Einheit, welche die Konzentration von Kohlenmonoxid ver­ ringert und einen Katalysator beherbergt, der auf dieselbe Art und Weise wie in dem ersten Ausführungsbeispiel Kohlenmon­ oxid selektiv oxidiert. Ein zum Kühlen des umgeformten Gases auf eine für die Oxidationsreaktion geeignete Temperatur ver­ wendeter Wärmetauscher und eine zum Zuführen von für die Oxi­ dationsreaktion benötigter Luft verwendete Vorrichtung sind in der Figur weggelassen.
Das durch die selektive Oxidationsreaktion prozessierte Gas wird der Anodenseite der Brennstoffzelle 120 als Brennstoff­ gas bzw. Heizgas zugeführt. Ein Durchflußsteuerventil 116 ist zwischen der CO-Reinigungseinheit 115 und der Brennstoffzelle 120 angeordnet. Das Durchflußsteuerventil 116 reguliert die Zufuhrmenge des Brennstoffgases und arbeitet als Druckregula­ tor, welcher den inneren Druck in dem Verdampfungsabschnitt 110 zu der CO-Reinigungseinheit 115 bzw. zwischen diesen re­ guliert.
In diesem Ausführungsbeispiel steuert die Steuereinheit 100 das Wasserstofferzeugungssystem so, daß das Wasserstofferzeu­ gungssystem Wasserstoff entsprechend dem Antriebskraftbedarf des Fahrzeugs erzeugt. Diese Steuerung beinhaltet die Steue­ rung der zuzuführenden Rohstoffmenge, die Steuerung der Wär­ memenge in dem Verdampfungsabschnitt 110, und die Drucksteue­ rung in dem Wasserstofferzeugungssystem. Um diese Steuerungen zu erzielen, werden Signale aus verschiedenen Sensoren in die Steuereinheit 100 geleitet. In der Figur sind Signale von ei­ nem zum Erfassen des Öffnungsgrads des Gaspedals verwendeten Gaspedalpositionssensor 103, einem zum Erfassen der Tempera­ tur der Umformungseinheit 114 verwendeten Temperatursensor 101 und einem zum Erfassen des Drucks in dem Verdampfungsab­ schnitt 110 zu der CO-Reinigungseinheit 115 verwendeten Drucksensor 102 gezeigt. Andere Signale sind in der Figur weggelassen, um eine Komplizierung der Figur zu vermeiden.
Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm eines Betriebssteuerprozesses. Die Figur zeigt einen Prozeß, welcher durch die Steuereinheit 100 wiederholt in vorbestimmten Intervallen ausgeführt wird. Wenn dieser Prozeß begonnen wird, werden die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Öffnungsgrad des Gaspedals der Steuer­ einheit 100 zugeleitet (Schritt S200). Weil der Öffnungsgrad des Gaspedals dem von einem Fahrer angeforderten Drehmoment entspricht, kann die Antriebskraft (nachstehend als Fahran­ triebskraft bezeichnet), die zum Fahren benötigt wird, auf der Grundlage dieser Eingangssignale bestimmt werden. In die­ sem Ausführungsbeispiel wird die Fahrantriebskraft durch eine die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und dem Öffnungsgrad des Gaspedals zeigende Tabelle erhalten.
Sodann berechnet die Steuereinheit 100 einen Antriebskraftbe­ darf Pdrv für die Brennstoffzelle 120 (Schritt S102). Zusätz­ lich zu der Fahrantriebskraft werden von der Brennstoffzelle 120 eine Antriebskraft zum Laden und Entladen der Batterie 121 sowie eine Antriebskraft zum Antreiben von Hilfsvorrich­ tungen wie beispielsweise einer Hydraulikpumpe benötigt. Der Antriebskraftbedarf ist ein positiver Wert, wenn die Batterie 121 geladen wird, und ein negativer Wert, wenn die Batterie 121 entladen wird. Der Antriebskraftbedarf Pdrv wird unter Berücksichtigung dieser Antriebskräfte und des Energieüber­ tragungswirkungsgrads festgelegt.
Wenn der Antriebskraftbedarf Pdrv festgelegt ist, wird ein Sollstrom Ifc der Brennstoffzelle 120 auf der Grundlage des festgelegten Antriebskraftbedarfs eingestellt (Schritt S204). Der Sollstrom Ifc wird unter Berücksichtigung des Antriebs­ kraftbedarfs Pdrv und der Ausgangskennlinien der Brennstoff­ zelle 120 festgelegt. In der Figur ist die Ausgangskennlinie der Brennstoffzelle 120, das heißt eine Spannungs-Strom- Kennlinie, die der Brennstoffzelle eine Ausgabe ermöglicht, gezeigt. Die Ausgabe der Brennstoffzelle 120 wird durch das Produkt aus der Spannung und dem Strom bestimmt. Daher wird der Sollstrom Ifc zum Erzielen des Antriebskraftbedarfs Pdrv aus dem Schnittpunkt der Gleichleistungslinie und dem Aus­ gangskennlinienverlauf des Antriebskraftbedarfs Pdrv erhal­ ten.
Die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 120 korreliert mit der ihr zuzuführenden Wasserstoffmenge. Die Steuereinheit 100 legt einen Wasserstoffbedarf Fh zum Erzielen des Sollstroms Ifc auf der Grundlage dieser Korrelation fest (Schritt S206). Diese Festlegung kann auch auf der Grundlage einer die Bezie­ hung zwischen dem Wasserstoffbedarf Fh und dem Sollstrom Ifc speichernden Tabelle erfolgen. In diesem Ausführungsbeispiel jedoch wird der Wasserstoffbedarf auf der Grundlage der nach­ stehenden Formel bestimmt:
Fh = Ifc × N/(2 × F)/η
worin
N die Anzahl der in der Brennstoffzelle 120 vorhandenen Zellen ist,
F die Faraday-Konstante ist, und
η der Nutzungsfaktor von Wasserstoff (der Anteil von für die Erzeugung von Elektrizität verwendetem Wasserstoff in einer Einheitswasserstoffmenge) ist.
Die Steuereinheit 100 führt die Steuerung des Wasserstoffer­ zeugungssystems, um den auf die vorstehende Art und Weise festgelegten Wasserstoffbedarf Fh zu erreichen (Schritt S208), die Steuerung der Erzeugung von Elektrizität in der Brennstoffzelle zum Erzeugen von Elektrizität in Übereinstim­ mung mit der Mengenbedingung (Schritt S210), und die Steue­ rung des Betriebs des Motors zur Ausgabe von Fahrantriebs­ kraft (Schritt S212) aus.
Fig. 5 ist ein Ablaufdiagramm eines Wasserstofferzeugungs­ steuerprozesses. Dieses Ablaufdiagramm entspricht Einzelhei­ ten des Schritts S208 gemäß Fig. 4. In diesem Ausführungsbei­ spiel wird der Betriebsablauf durch geeignete Verwendung ver­ schiedener Betriebsarten, im Einzelnen einer Anlaufbetriebs­ art, einer Übergangsbetriebsart und einer Normalbetriebsart, entsprechend Betriebsbedingungen des Wasserstofferzeugungssy­ stems gesteuert.
Wenn der Prozeß begonnen wird, werden die dem T der Umfor­ mungseinheit 114 und der Druck P in dem Wasserstofferzeu­ gungssystem als Parameter zum Umschalten der Steuerbetriebs­ art in die Steuereinheit 100 geleitet. Jeder Wert wird durch die in Fig. 3 gezeigten Sensoren 101 und 102 erfaßt.
Die richtige Verwendung dieser Steuerbetriebsarten auf der Grundlage dieser Parameter ist wie folgt. Wenn die Temperatur T der Umformungseinheit 114 gleich einer vorbestimmten Tempe­ ratur Tst oder niedriger ist (Schritt S302), wird entschie­ den, daß das Wasserstofferzeugungssystem nicht warm ist, das heißt sich im Verlauf eines Anlaufvorgangs befindet, und das System in der Anlaufbetriebsart gesteuert (Schritt S306). In dem Fall, in dem die Temperatur T der Umformungseinheit 114 die vorbestimmte Temperatur Tst übersteigt und der Druck P in dem Wasserstofferzeugungssystem einen vorbestimmten Druck Pst überschreitet (Schritte S302 und S304), wird entschieden, daß der Aufwärmvorgang beendet ist und eine ausreichende Menge umgeformten Gases erzeugt wird. Dann wird die Normalbetriebs­ art (Schritte S310 und S312) angewandt. In dem Fall, in dem die Temperatur T die vorbestimmte Temperatur Tst übersteigt, der Druck P jedoch gleich dem Druck Pst oder niedriger ist (Schritte S302 und S304), wird entschieden, daß sich das Sy­ stem in dem Zustand kurz nach Beginn der Erzeugung umgeform­ ten Gases befindet, und wird die Übergangsbetriebsart ange­ wandt. Da diese vorbestimmten Werte Tst und Pst Kriterien für die Umschaltung jeder Betriebsart ist, können diese Werte durch Versuche oder dergleichen in jedem System jeweils auf einen geeigneten Wert gesetzt werden.
Nachstehend wird die Verarbeitung in jeder Betriebsart be­ schrieben. Es wird angemerkt, daß die Zufuhr des Rohstoffs und die Erwärmungssteuerung des Verdampfungsabschnitts 110 in jeder Steuerbetriebsart zusammen durchgeführt werden, obwohl dies in dem Ablaufdiagramm nicht gezeigt ist.
In der Anlaufbetriebsart wird das Durchflußsteuerventil 116 in einen geöffneten Zustand gebracht (Schritt S306). Bei dem Anlaufen des Systems schreitet die Umformungsreaktion nicht ausreichend fort, so daß daher nicht ausreichend umgeformtes Gas erzeugt wird. In diesem Zustand kann dann, wenn die Ab­ sicht besteht, den Druck P in dem System durch eine Regelung auf dem vorbestimmten Solldruckwert zu halten, das Durchfluß­ steuerventil 116 zu stark begrenzt werden. In diesem Ausfüh­ rungsbeispiel wird zur Vermeidung dieses Problems in der An­ laufbetriebsart eine Steuerung mit offenem Regelkreis verwen­ det und das Durchflußsteuerventil 116 in einem Beispiel ge­ öffnet.
In der Anlaufbetriebsart können nicht nur der in dem Ausfüh­ rungsbeispiel beispielhaft beschriebene Prozeß, sondern ver­ schiedene Steuerungen angewandt werden, die es ermöglichen zu vermeiden, daß das Durchflußsteuerventil 116 in einen zu stark begrenzten Zustand gerät. Als eine erste Steuereinrich­ tung kann zum Beispiel das Durchflußsteuerventil 116 in einen Zustand gesteuert werden, der sich von einem offenen Zustand unterscheidet. Darüber hinaus kann als eine zweite Steuerein­ richtung eine Regelung angewandt werden, die es ermöglicht, das Ausmaß der Begrenzung des Durchflußsteuerventils 116 zu unterdrücken. Als die zweite Steuereinrichtung kann bei­ spielsweise ein Verfahren, in welchem der Drucksollwert auf einen relativ niedrigen, zum Anlaufen geeigneten Wert festge­ legt wird, angewandt werden, oder kann ein Verfahren, in wel­ chem ein oberer Grenzwert für das Ausmaß der Begrenzung des Durchflußsteuerventils 116 gegeben wird, angewandt werden.
In der Anlaufbetriebsart kann eine Betriebsart verwendet wer­ den, die unter der Voraussetzung, daß die Ansprechgeschwin­ digkeit des Durchflußsteuerventils 116 gewährleistet ist, ei­ ne Begrenzung des Ventils erlaubt. Beispielsweise wird eine Proportional-Integral (PI)-Regelung angewandt und kann in der Anlaufbetriebsart der Gewinn bzw. die Verstärkung des Inte­ gralausdrucks stärker als in den anderen Betriebsarten ver­ ringert oder vernachlässigt werden. Infolgedessen kann das Durchflußsteuerventil schnell geöffnet werden, kurz nachdem die Umformungsreaktion begonnen hat.
In der Normalbetriebsart wird der Druck P in dem System rück­ gekoppelt gesteuert. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Drucksollwert nicht auf einen für die Umformungsreaktion ge­ eigneten festen Wert festgelegt, sondern in Übereinstimmung mit dem Wasserstoffbedarf Fh eingestellt.
Demgemäß wird in der Normalbetriebsart der Wasserstoffbedarf Fh der Steuereinheit 100 (Schritt S310) zugeführt, und legt auf der Grundlage dieses Eingangssignals die Steuereinheit 100 den Solldruck P* in Übereinstimmung mit der folgenden Formel fest (Schritt S312):
P* = L-1: {K.s/(αs + 1) × Fh} + P0
worin
K, α Koeffizienten sind (K < 0),
s eine Variable ist dann, wenn eine Zeitfunktion t mittels der Laplace-Transformation verarbeitet wird,
P0 ein Normaldruckwert (beispielsweise 1 atm) ist, und
L-1 ein Operator für die inverse Laplace-Transformation ist.
Diese Gleichung bedeutet, daß der Solldruck P* eine Funktion ist, in welcher ein Korrekturterm in Abhängigkeit von dem Zeitdifferential des Wasserstoffbedarfs zu dem Druckwert P0 als Basis addiert wird.
Um Funktionen mit derselben physikalischen Bedeutung an­ zugeben, kann der Solldruck P* unter Verwendung der folgenden Funktion festgelegt werden:
P* = K1.ΔFh + P0
worin
K1 die Regelverstärkung ist (< 0), und
ΔFh die Zeitdifferenz bzw. das Zeitdifferential von Fh ist.
In dem Fall, in dem eine der vorstehenden Gleichungen zur Festlegung des Solldrucks P* verwendet wird, wird dann, wenn der Wasserstoffbedarf zunimmt, der Solldruck P* in Überein­ stimmung mit der Änderungsrate bzw. Änderungsgeschwindigkeit des Wasserstoffbedarfs niedriger als der Normaldruckwert P0.
Demgegenüber wird dann, wenn der Wasserstoffbedarf abnimmt, der Solldruck P* in Übereinstimmung mit der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs höher als der Normaldruckwert P0. Da der Korrekturausdruck von der Änderungsrate des Wasserstoffbe­ darfs Fh abhängt, nähert sich der Solldruck P* mit der Zeit dem Normaldruck an, nachdem der Wasserstoffbedarf Fh erhöht oder verringert ist.
In dem Korrekturausdruck können andere Parameter, die in Kor­ relation mit der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs Fh ste­ hen, anstelle der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs Fh verwendet werden. Als Beispiele dieser Parameter werden die Änderungsrate des Öffnungsgrads eines Gaspedals und des An­ triebskraftbedarfs Pdrv genannt.
Die Steuereinheit 100 führt die Proportional-Integral (PI)- Steuerung des Drucks aus, um den auf diese Art und Weise festgelegten Solldruck P* zu erreichen (Schritt S314). Die Proportional-Integral (PI)-Regelung ist eine rückgekoppelte Steuerung, unter der die Öffnung des Durchflußsteuerventils 116 auf der Grundlage der Summe eines Proportionalausdrucks, der durch Multiplizieren einer Abweichung zwischen dem Soll­ druck und dem aktuellen Druck mit einer Regelverstärkung er­ halten wird, und eines Integralausdrucks, der durch Multipli­ zieren des Integralwerts der Abweichung mit der Regelverstär­ kung erhalten wird, festgelegt wird. Obwohl in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel nur der Proportionalausdruck und der Integral­ ausdruck verwendet werden, kann bedarfsweise ein Differential­ ausdruck hinzugezogen werden.
Die Übergangsbetriebsart ist eine Steuerbetriebsart, welche während des Übergangs von der Anlaufbetriebsart zu der Normalbetriebsart angewandt wird. Der Druck P in dem System wird auf dieselbe Art und Weise wie in der Normalbetriebsart rückgekoppelt gesteuert. Der Solldruck P* wird jedoch auf der Grundlage einer festen Funktion unabhängig von dem Wasser­ stoffbedarf Fh unter Berücksichtigung des Punkts, daß sich das System in dem Übergangszustand befindet, in dem der Druck nicht ausreichend erhöht ist, festgelegt. In diesem Ausfüh­ rungsbeispiel wird der Solldruck P* mit verstreichender Zeit nach dem Übergang aus der Anlaufbetriebsart mit einer gleich­ bleibenden Änderungsrate von 0 bis Pst erhöht. Der Solldruck P* kann schrittweise erhöht werden, oder kann auf einen rela­ tiv niedrigen konstanten Wert festgelegt werden. Die Steuer­ einheit 100 steuert den Druck mittels der PI-Steuerung auf dieselbe Art und Weise wie in der Normalbetriebsart auf der Grundlage des auf diese Weise festgelegten Solldrucks P* (Schritt S314).
Die Übergangsbetriebsart ist eine Betriebsart, welche ange­ wandt wird, um durch zu starke Betätigung des Durchflußsteu­ erventils 116 während des Übergangs in die Normalbetriebsart verursachte Probleme zu unterdrücken. Daher können verschie­ dene Steuerbetriebsarten, welche nicht nur die Betriebsvaria­ blen, sondern auch die Druckänderungsrate in dem System wäh­ rend des Übergangs unterdrücken, auf die Übergangsbetriebsart angewandt werden. Zum Beispiel kann der obere Grenzwert des Solldrucks oder der Änderungsrate des Solldrucks in derselben Betriebsart (Schritt S312) wie der Normalbetriebsart bzw. auf dieselbe Weise (Schritt S312) wie in der Normalbetriebsart beschränkt werden. Um eine plötzliche Änderung des Solldrucks zu vermeiden, kann eine sogenannte "Glättungsbehandlung" in der Berechnung in Schritt S312 angewandt werden. Als Glät­ tungsbehandlung kann ein Verfahren, in welchem ein Mittelwert des berechneten Solldrucks und der Solldruck in dem letzten Zeitschritt als Solldruck P* festgelegt werden, verwendet werden.
Fig. 6A, Fig. 6B, Fig. 6C und Fig. 6D sind Zeitdiagramme, die eine Druckänderung und dergleichen auf der Basis eines Was­ serstofferzeugungssteuerprozesses gemäß dem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel zeigen. Fig. 6A bis Fig. 6D zeigen jeweils eine Änderung der Temperatur der Umformungseinheit 114, des An­ triebskraftbedarfs Pdrv, des Solldrucks P* und des Drucks P in dem System.
Es sei angenommen, daß der Betrieb des Wasserstofferzeugungs­ systems zu einer Zeit t0 beginnt. Zu diesem Zeitpunkt ist das System nicht warm und die Temperatur T daher niedrig. Während eines Zeitraums bis zu der Zeit t1, zu der die Temperatur T die vorbestimmte Temperatur Tst übersteigt, wird das System in der Anlaufbetriebsart gesteuert. In diesem Intervall be­ findet sich das Fahrzeug in einem Zustand, in welchem es sich nicht in Bewegung setzen kann und die Antriebskraftanforde­ rung Pdrv des Fahrers 0 ist. Darüber hinaus ist auch der Solldruck P* 0, weil die Steuerung mit offenem Regelkreis an­ gewandt wird (Schritt S306 in Fig. 5). Der Druck P schwankt unabhängig von der Steuerung und ist daher in der Figur weg­ gelassen.
Wenn die Zeit die Zeit t1 erreicht und die Temperatur T die vorbestimmte Temperatur Tst übersteigt, wird die Steuerung in die Übergangsbetriebsart überführt. Zu diesem Zeitpunkt ist Fahren möglich und wird die Antriebskraftanforderung Pdrv zu­ geführt. Der Solldruck P* steigt in Übereinstimmung mit dem Prozeß von Schritt S308 gemäß Fig. 5 mit gleichbleibender Än­ derungsrate auf den Druck Pst an. Wie bereits beschrieben wurde, ist der Solldruck P* in der Übergangsbetriebsart nicht auf ein derartiges Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es können eine Vielzahl von Einstellungen verwendet werden. Mit einer Zunahme des Solldrucks P* durch die rückgekoppelte Steuerung steigt der Druck P langsam an.
Wenn die Zeit die Zeit t2 erreicht und der Druck P den vorbe­ stimmten Druck Pst übersteigt, wird die Steuerung in die Normalbetriebsart überführt. In der Normalbetriebsart werden der Solldruck P* sowie der Druck P konstant (Normaldruck­ wert), während der Antriebskraftbedarf Pdrv ein konstanter Wert ist (zum Beispiel das Zeitintervall zwischen der Zeit t2 und der Zeit t3 in der Figur). In Fig. 6 ist beispielhaft der Fall dargestellt, in dem der Normaldruckwert gleich dem Druck Pst ist. Es ist jedoch unerheblich, wenn sie verschiedene Werte sind.
Es sei nun angenommen, daß der Antriebskraftbedarf Pdrv vorü­ bergehend in dem Intervall zwischen der Zeit t3 und der Zeit t4 ansteigt. Zur Zeit t3 ändert sich nicht nur der Antriebs­ kraftbedarf Pdrv, sondern ändert sich auch der Wasserstoffbe­ darf Fh, so daß der Solldruck P* in Übereinstimmung mit die­ ser Änderung schwankt. Der Solldruck P* nimmt in der Nähe der Zeit t3 ab, zu der der Wasserstoffbedarf Fh zunimmt und mit der Zeit auf den Normaldruckwert zurückkehrt. Der Solldruck P* nimmt in der Nähe der Zeit t4 zu, zu der der Wasserstoff­ bedarf Fh abnimmt und mit der Zeit auf den Normaldruckwert zurückkehrt. Jeder Druck F schwankt in Übereinstimmung mit dem Solldruck P*.
Das Wasserstofferzeugungssystem gemäß dem vorstehend be­ schriebenen zweiten Ausführungsbeispiel hat die folgenden Vorteile. Zunächst kann in der Normalbetriebsart die An­ sprechgeschwindigkeit der Erzeugung von Wasserstoff durch Steuern des Drucks auf der Grundlage der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs Fh verbessert werden. Dieser Vorteil tritt insbesondere dann ein, wenn der Wasserstoffbedarf Fh zunimmt.
Fig. 7A und 7B sind Diagramme, die die Ergebnisse eines Ver­ suchs hinsichtlich Schwankungen in der Strömungsrate des um­ geformten Gases zeigen. Der Wasserstoffbedarf, das heißt der Sollwert der Strömungsrate des umgeformten Gases, ist durch die Kurve CO dargestellt. Die Änderung bei Anwendung der in dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten Steuerung, das heißt die Steuerung, bei der der Druck in Übereinstimmung mit der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs abnimmt, ist durch die Kurve C2 dargestellt. Die Änderung dann, wenn der Soll­ druck unabhängig von der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs konstant gehalten wird, ist durch die Kurve C1 gezeigt.
Dieselbe Druckschwankung wie die in der Nähe der Zeit t3 ge­ mäß Fig. 6D gezeigte wird in der Nähe der Zeit, zu der der Wasserstoffbedarf akut zunimmt, das heißt in Bereich A, beob­ achtet. Wenn der Druck verringert wird, wird die Verdampfung des Rohstoffs in dem Verdampfungsabschnitt 110 gefördert. Die Umformungsrate kann durch Verbessern der Geschwindigkeit der Verdampfung entsprechend dem Ratenbestimmungsschritt einer Umformungsreaktion verbessert werden. Ein solches Prinzip ge­ währleistet, wie Fig. 6A bis 6D entnehmbar ist, daß die An­ sprechgeschwindigkeit der Wasserstofferzeugung durch Anwenden der Steuerung in dem Ausführungsbeispiel stark verbessert werden kann. Obwohl in Fig. 7A und 7B die experimentellen Er­ gebnisse des Falls dargestellt sind, in dem der Wasserstoff­ bedarf zunimmt, ermöglicht es die Steuerung gemäß diesem Aus­ führungsbeispiel nach demselben Prinzip, die Erzeugung von Wasserstoff auch in dem Fall schnell zu unterdrücken, in dem der Wasserstoffbedarf abnimmt.
Die Steuerung gemäß diesem Ausführungsbeispiel bietet auch den Vorteil, daß eine plötzliche Druckänderung durch die ge­ eignete Verwendung unterschiedlicher Betriebsarten unter­ drückt werden kann. Eine zu starke Begrenzung des Durchfluß­ steuerventils kann durch Anwenden der Anlaufbetriebsart und der Übergangsbetriebsart vermieden werden. Demgemäß kann eine plötzliche Druckänderung vermieden werden, die durch die Ver­ zögerung der Steuerung des Durchflußsteuerventils kurz nach­ dem die Erzeugung des umgeformten Gases begonnen hat verur­ sacht wird. Darüber hinaus können die Kondensation des Roh­ stoffs und eine durch Kondensation verursachte Verringerung der Aktivität des Katalysators durch Anwenden der Anlaufbe­ triebsart zum Aufrechterhalten eines relativ niedrigen Drucks in der Umformungseinheit 114 unterdrückt werden.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird beispielhaft der Fall dargestellt, in dem der Solldruck P* in Übereinstimmung mit der Änderungsrate des Wasserstoffbedarfs Fh festgelegt wird. Unterdessen kann der Solldruck P* auch in Übereinstimmung mit dem Wasserstoffbedarf Fh festgelegt werden. Zum Beispiel wird die folgende Gleichung zur Einstellung des Zieldrucks P* ver­ wendet:
P* = K2.ΔFh + P0
worin
K2 die Regelverstärkung ist, und
ΔFh die Zeitdifferenz bzw. das Zeitdifferential von Fh ist.
Falls der Solldruck P* auf diese Art und Weise festgelegt wird, schwankt der Solldruck P* wie durch die durchbrochene Linie in Fig. 6C gezeigt. Auch mit dieser Einstellung kann nicht nur die Verdampfung, sondern auch eine Umformungsreak­ tion durch Verringern des Drucks P verbessert werden, wenn der Wasserstoffbedarf Fh groß ist. Es wird angemerkt, daß Pa­ rameter wie beispielsweise der Öffnungsgrad eines Gaspedals und ein Antriebskraftbedarf, die jeweils eine Korrelation mit dem Wasserstoffbedarf Fh aufweisen, anstelle des Wasserstoff­ bedarfs Fh ebenfalls möglich sind.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Fall aufgezeigt, in welchem der Druck P sowohl variieren darf, wenn der Wasser­ stoffbedarf zunimmt, als auch variieren darf, wenn der Was­ serstoffbedarf abnimmt. Demgegenüber kann der Druck P nur ge­ ändert werden, wenn der Wasserstoffbedarf zunimmt. In einem solchen Fall tritt eine Druckschwankung in der Nähe der Zeit t3 gemäß Fig. 6D auf, während eine Druckschwankung in der Nä­ he der Zeit t4 nicht auftritt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Druck unter Verwendung des stromab der CO-Reinigungseinheit 115 angeordneten Durch­ flußsteuerventils 116 gesteuert. Demgegenüber kann der Druck zwischen der Umformungseinheit 114 und der CO-Reinigungsein­ heit 115, zwischen dem Verdampfungsabschnitt 110 und der Um­ formungseinheit 114 oder innerhalb des Verdampfungsabschnitts 110 gesteuert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Steuerbetriebsart un­ ter Verwendung der Temperatur T und des Drucks P umgeschal­ tet. Eine Festlegung kann auf der Grundlage der Strömungsrate des von der CO-Reinigungseinheit 115 ausgegebenen Gases oder der Menge einer bestimmten Komponente, wie beispielsweise der Menge von Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, in dem Gas anstelle der vorstehend erwähnten Parameter erfolgen.
In sowohl dem ersten als auch dem zweiten Ausführungsbeispiel wird beispielhaft das zum Umformen von Methanol verwendete System beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch als System aufgebaut sein, welches andere Kohlenwasserstoff-Rohmateria­ lien umformt. Die Erfindung kann beispielsweise für ein Sy­ stem genutzt werden, welches Benzin oder andere Kohlenwasser­ stoffe umformt. Wenn Benzin oder dergleichen umgeformt wird, wird bevorzugt eine für eine Schiebereaktion zwischen der Um­ formungseinheit 114 und der CO-Reinigungseinheit 115 verwen­ dete Einheit angeordnet. Hierbei bedeutet die Schiebereaktion eine Reaktion zum Erzeugen von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Kohlenmonoxid und Wasser.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuerein­ heit (ECU 80, 100) als ein programmierter Vielzweckcomputer implementiert. Für den Fachmann ist ohne weiteres ersicht­ lich, daß die Steuereinrichtung unter Verwendung einer ein­ zelnen speziellen integrierten Schaltung (beispielsweise ei­ nes ASICs) mit einem Haupt- oder Zentralprozessorabschnitt für die gesamte Steuerung auf Systemebene und separater Ab­ schnitte, die zum Durchführen zahlreicher unterschiedlicher bestimmter Berechnungen, Funktionen und anderer Prozesse un­ ter der Steuerung des Zentralprozessorabschnitts dediziert sind, implementiert werden kann. Die Steuereinrichtung kann aus einer Vielzahl separater dedizierter oder programmierter integrierter oder anderer elektronischer Schaltungen oder Einrichtungen (beispielsweise festverdrahteter Elektronik oder logischen Schaltungen wie etwa Schaltungen aus diskreten Elementen, oder programmierbaren logischen Einrichtungen wie etwa PLDs, PLAs, PALs oder dergleichen) bestehen. Die Steuer­ einrichtung kann unter Verwendung eines geeigneten Vielzweck­ computers, beispielsweise eines Mikroprozessors, Mikrocon­ trollers oder anderen Prozessoreinrichtungen (CPU oder MPU), entweder für sich allein oder in Verbindung mit einer oder mehreren peripheren Daten- und Signalverarbeitungseinrichtun­ gen (beispielsweise integrierten Schaltungen) implementiert sein. Allgemein kann jede beliebige Einrichtung oder Anord­ nung von Einrichtungen, auf der eine finite Zustandsmaschine zur Implementierung der hierin beschriebenen Prozeduren in der Lage ist, als Steuereinrichtung bzw. Controller verwendet werden. Eine verteilt verarbeitende Architektur kann für ma­ ximale Daten/Signal-Verarbeitungsfähigkeit und Geschwindig­ keit verwendet werden.
Vorstehend wurde somit ein System vorgeschlagen, welches ei­ nen flüssigen Rohstoff in einem Verdampfungsabschnitt 30 ver­ dampft und den verdampften Rohstoff in einem Umformungsab­ schnitt 50 dampfumformt, um Wasserstoff zu erzeugen. Ein Drucksteuerventil 38 zum Regeln des Drucks in dem Verdamp­ fungsabschnitt 30 ist irgendwo nach dem Verdampfungsabschnitt 30 stromab zu dem Umformungsabschnitt 50 hin angeordnet. Wenn der Wasserstoffbedarf zunimmt, wird das Drucksteuerventil 38 so gesteuert, daß der Druck in dem Verdampfungsabschnitt 30 abnimmt. Die Druckverringerung ermöglicht es, die Verdampfung in dem Verdampfungsabschnitt 30 derart zu fördern, daß die Dampferzeugungsrate verbessert werden kann. Darüber hinaus wird während des Anlaufens des Systems die Steuerbetriebsart so geändert, daß das Drucksteuerventil 38 geöffnet wird, wo­ durch die Geschwindigkeit des Druckanstiegs kurz nach dem Be­ ginn der Erzeugung umgeformten Gases begrenzt wird.

Claims (31)

1. Wasserstofferzeugungssystem zur Erzeugung wasserstoff­ reichen Gases durch Umformen eines flüssigen Rohstoffs, ge­ kennzeichnet durch:
einen Verdampfungsabschnitt (32, 34), der den flüssigen Rohstoff verdampft;
einen Umformungsabschnitt (50), der den von dem Verdamp­ fungsabschnitt (32, 34) gelieferten Dampf umformt;
eine Drucksteuereinrichtung (38, 62) zum Regeln eines Drucks in dem Verdampfungsabschnitt; und
eine Steuereinrichtung (80) zum Steuern der Drucksteuer­ einrichtung (38, 62) auf der Grundlage einer quantitativen Bedingung der Erzeugung von Wasserstoff für das Wasserstoff­ erzeugungssystem.
2. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Drucksteuereinrichtung (38) in dem Ver­ dampfungsabschnitt (32, 34) angeordnet ist.
3. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet,
daß der Verdampfungsabschnitt umfaßt:
einen Dampferzeugungsabschnitt (32), welchem der flüssige Rohstoff zugeführt wird und der einen gemischten Teil des flüssigen Rohstoffs ausbildet, wobei der gemischte Teil einen Dampfphasenanteil und einen Flüssigphasenanteil des flüssigen Rohstoffs beinhaltet; und
einen Dampferwärmungsabschnitt (34), der mit dem Dampfphasenanteil des Dampferzeugungsabschnitts verbunden ist und den flüssigen Rohstoff in dem Dampfphasenanteil erwärmt; und
die Drucksteuereinrichtung (38) den Druck in dem Dampf­ erzeugungsabschnitt (32) regelt.
4. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Drucksteuereinrichtung (38) an einem Verbindungsabschnitt (36) des Dampferzeugungsabschnitts (32) und des Dampferwärmungsabschnitts (34) angeordnet ist.
5. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Drucksteuereinrichtung (62) stromab des Verdampfungsabschnitts (32, 34) angeordnet ist.
6. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Drucksteuereinrichtung (62) stromab des Umformungsabschnitts (50) angeordnet ist.
7. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
der Umformungsabschnitt umfaßt:
eine erste Einheit (50), die durch eine Umformungs­ reaktion des Rohstoffs umgeformtes, Wasserstoff und Kohlenmon­ oxid enthaltendes Gas erzeugt; und
eine zweite Einheit (70) stromab der ersten Ein­ heit, die den erzeugten Kohlenmonoxidgehalt verringert; und
die Drucksteuereinrichtung (62) zwischen der ersten Ein­ heit (50) und der zweiten Einheit (70) angeordnet ist.
8. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (80) die Drucksteuer­ einrichtung (38, 62) derart steuert, daß der Druck in dem Verdampfungsabschnitt in Übereinstimmung mit einer Zunahme der quantitativen Bedingung oder einer Änderungsgeschwindig­ keit der quantitativen Bedingung verringert wird.
9. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (80) die Drucksteuer­ einrichtung (38, 62) derart steuert, daß der Druck in dem Verdampfungsabschnitt in Übereinstimmung mit einer Abnahme der quantitativen Bedingung oder einer Änderungsgeschwindig­ keit der quantitativen Bedingung erhöht wird.
10. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Wasserstofferzeugungssystem auf einem beweglichen Körper angebracht ist, um wasserstoffreiches Gas als einer Antriebsquelle des beweglichen Körpers zuzuführen­ den Kraftstoff zu erzeugen.
11. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die quantitative Bedingung auf der Grund­ lage eines Antriebskrafterfordernisses des beweglichen Kör­ pers bestimmt wird.
12. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Drucksteuereinrichtung (38, 62) ein Druckregelventil oder ein Durchflußmeßventil ist.
13. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rohstoff eine kohlenwasserstoffartige Verbindung ist.
14. Wasserstofferzeugungssystem zur Erzeugung wasserstoff­ reichen Gases durch Umformen eines Rohstoffs, gekennzeichnet durch
einen Umformungsabschnitt (114), der den Rohstoff um­ formt;
eine Drucksteuereinrichtung (116) zum Regeln eines Drucks in dem Umformungsabschnitt (114); und
eine Steuereinrichtung (100) zum Steuern der Drucksteu­ ereinrichtung (116) mittels einer ersten Steuerbetriebsart, in welcher der Druck in dem Umformungsabschnitt (114) zu ei­ nem vorbestimmten Solldruck wird, und zum Steuern der Drucksteuereinrichtung (116) mittels einer zweiten Steuerbe­ triebsart, die sich in der Anlaufphase des Wasserstofferzeu­ gungssystems von der ersten Steuerbetriebsart unterscheidet.
15. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Steuerbetriebsart eine Regelung unter Berück­ sichtigung eines Zeitintegrals einer Abweichung zwischen dem Solldruck und dem tatsächlichen Druck ist; und
die zweite Steuerbetriebsart eine Betriebsart ist, in der ein Einfluß des Zeitintegrals auf eine gesteuerte Varia­ ble unterdrückt wird.
16. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuerbetriebsart eine Be­ triebsart ist, in der eine Regelverstärkung für das Zeitinte­ gral stärker als in der ersten Steuerbetriebsart verringert wird.
17. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuerbetriebsart eine Steue­ rung mit geschlossenem Regelkreis ist und die zweite Steuer­ betriebsart eine Steuerung mit offenem Regelkreis ist.
18. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuereinrichtung (116) in der zweiten Steuerbetriebsart unabhängig von dem Druck in dem Um­ formungsabschnitt in einem festgelegten Zustand gehalten wird.
19. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (100) mit einer Übergangssteuerbetriebsart versehen ist, in der die Ände­ rungsgeschwindigkeit des Drucks in dem Umformungsabschnitt (114) während eines Übergangs von der zweiten Steuerbetriebs­ art zu der ersten Steuerbetriebsart innerhalb eines vorbe­ stimmten Bereichs unterdrückt wird.
20. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen der ersten Steu­ erbetriebsart und der zweiten Steuerbetriebsart auf der Grundlage eines Dampfmengenzustands in dem Umformungsab­ schnitt (114) durchgeführt wird.
21. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmengenzustand zumindest eine Temperatur und einen Druck in dem Umformungsabschnitt, eine Komponente eines Gases, oder eine Strömungsgeschwindigkeit eines aus dem Umformungsabschnitt ausströmenden Gases bein­ haltet.
22. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuereinrichtung (116) ein Druckregelventil oder ein Durchflußmeßventil ist.
23. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohstoff eine kohlenwasserstoffartige Verbindung ist.
24. Wasserstofferzeugungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Solldruck in Übereinstimmung mit ei­ ner quantitativen Bedingung der Erzeugung von Wasserstoff für das Wasserstofferzeugungssystem oder einer Änderungsgeschwin­ digkeit der quantitativen Bedingung festgelegt wird.
25. Wasserstofferzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines Dampfs eines flüssigen Rohstoffs, gekennzeichnet durch:
einen Dampferzeugungsabschnitt (32), dem der flüssige Rohstoff zugeführt wird und der einen Dampf-Flüssigkeits- Mischteil des flüssigen Rohstoffs ausbildet, wobei der Dampf- Flüssigkeits-Mischteil einen Dampfphasenanteil und einen Flüssigphasenanteil beinhaltet;
einen Dampferwärmungsabschnitt (34), der mit dem Dampf­ phasenanteil des Dampferzeugungsabschnitts (32) verbunden ist und den flüssigen Rohstoff des Dampfphasenanteils erwärmt; und
eine Drucksteuereinrichtung (38) zum Regeln eines Drucks in dem Dampferzeugungsabschnitt (32).
26. Verfahren zur Steuerung eines mit einem Verdampfungsab­ schnitt (32, 34) zum Verdampfen eines flüssigen Rohstoffs versehenen Wasserstofferzeugungssystems, welches System was­ serstoffreiches Gas durch Umformen des flüssigen Rohstoffes erzeugt, gekennzeichnet durch einen Schritt (S100 bis S106) des Steuerns eines Drucks in dem Verdampfungsabschnitt (32, 34) auf der Grundlage einer quantitativen Bedingung der Erzeugung von Wasserstoff für das Wasserstofferzeugungssystem.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksteuerschritt den Druck in dem Verdampfungsabschnitt (32, 34) in Übereinstimmung mit einer Zunahme der quantitati­ ven Bedingung oder einer Änderungsgeschwindigkeit der quanti­ tativen Bedingung verringert.
28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksteuerschritt den Druck in dem Verdampfungsabschnitt (32, 34) in Übereinstimmung mit einer Abnahme der quantitati­ ven Bedingung oder einer Änderungsgeschwindigkeit der quanti­ tativen Bedingung erhöht.
29. Verfahren zur Steuerung eines mit einem Umformungsab­ schnitt zum Umformen eines flüssigen Rohstoffs versehenen Wasserstofferzeugungssystems, welches System wasserstoffrei­ ches Gas durch Umformen des flüssigen Rohstoffes erzeugt, ge­ kennzeichnet durch
einen Schritt (S302) zum Ermitteln, ob sich das Wasser­ stofferzeugungssystem in einer Anlaufphase befindet, auf der Grundlage vorbestimmter Parameter;
einen Schritt (S310 bis S314) zum Steuern eines Drucks in dem Umformungsabschnitt mit einer ersten Steuerbetriebs­ art, in welcher der Druck in dem Umformungsabschnitt zu einem vorbestimmten Solldruck wird, wenn sich das Wasserstofferzeu­ gungssystem nicht in der Anlaufphase befindet; und
einen Schritt (S306) zum Steuern des Drucks in dem Um­ formungsabschnitt mit einer zweiten Steuerbetriebsart, die sich von der ersten Steuerbetriebsart unterscheide, wenn sich das Wasserstofferzeugungssystem in der Anlaufphase befindet.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß ermittelt wird, daß sich das Wasserstofferzeugungssystem in der Anlaufphase befindet, wenn die Temperatur des Umformungs­ abschnitts größer als eine vorbestimmte Temperatur ist.
31. Verfahren nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch
einen Schritt (S304) zum Ermitteln, ob ein Übergang von der zweiten Steuerbetriebsart zu der ersten Steuerbetriebsart stattfindet, wenn sich das Wasserstofferzeugungssystem in der Anlaufphase befindet und der Druck in dem Wasserstofferzeu­ gungssystem niedriger als ein vorbestimmter Druck ist; und
einen Schritt (S308) zum Steuern des Drucks in dem Um­ formungsabschnitt mit einer dritten Steuerbetriebsart, in welcher eine Änderungsgeschwindigeit in dem Druck in dem Um­ formungsabschnitt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs un­ terdrückt wird, wenn ein Übergang von der zweiten Steuerbe­ triebsart zu der ersten Steuerbetriebsart ermittelt wird.
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