DE10020089A1 - Verfahren zum dosierten Einbringen eines Flüssigkeitsvolumenstroms in ein System - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren dient zum dosierten Einbringen eines Flüssigkeitsvolumenstroms in ein System oder eine Komponente, insbesondere einen Verdampfer eines Gaserzeugungssystems einer mobilen Brennstoffzellenanlage. Das System oder die Komponente wirkt mit Druckpulsationen auf den Flüssigkeitsvolumenstrom zurück. Ein Kreislaufvolumenstrom wird von einem Vorratstank zu einem Verzweigungsbereich und zurück zu dem Vorratstank gefördert. Von dem Verzweigungsbereich gelangt der Flüssigkeitsvolumenstrom zu dem System oder der Komponente, in welche er in einer zu jedem Zeitpunkt vorgegebenen Menge dosiert wird. Der Flüssigkeitsvolumenstrom wird viel kleiner gewählt als der Kreislaufvolumenstrom.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dosierten Einbringen eines Flüssigkeitsvolumenstroms in ein Sy­ stem oder eine Komponente, insbesondere einen Verdamp­ fer in einem Gaserzeugungssystem einer Brennstoffzel­ lenanlage, welche mit Druckpulsationen auf den Flüs­ sigkeitsvolumenstrom zurückwirkt. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des oben genannten Verfahrens.

Aus der DE 44 25 634 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dosierten Zuführen von flüssigen Re­ aktanten, wie beispielsweise Methanol und/oder Wasser, zu einem Brennstoffzellensystem bekannt. Dabei wird mit Hilfe einer Förderpumpe ein konstanter Massenstrom aus einem Vorratsbehälter in eine Förderleitung geför­ dert. Der Differenzdruck zwischen Förderleitung und Brennstoffzellensystem wird mit Hilfe eines Differenz­ druckreglers, der in einer zwischen Förderleitung und Vorratsbehälter vorgesehenen Rückführleitung angeordnet ist, auf einen vorgegebenen Wert eingestellt. Die zuzuführende Methanol- und/oder Wassermenge kann dann z. B. durch Variation der Öffnungs- und Schließzeiten eines als Dosierventil eingesetzten Magnetventils ein­ gestellt werden.

Derartige Aufbauten weisen immer den Nachteil auf, daß sie nur sehr ungenügend auf Druckpulsationen reagieren können, welche durch die Komponenten, in welche die Flüssigkeit zudosiert wird, auf die Vorrichtung zum dosierten Einbringen zurückwirken. Insbesondere gilt dies bei der Zudosierung von Flüssigkeiten, wie bei­ spielsweise Wasser und/oder flüssiger Kohlenwasser­ stoff, in einen Verdampfer, z. B. den Verdampfer eines Gaserzeugungssystems einer Brennstoffzellenanlage. Durch die schlagartige Verdampfung der Flüssigkeit in dem Verdampfer werden Druckstöße erzeugt, welche auf die Vorrichtung zum dosierten Einbringen zurückwirken. Dadurch wird es praktisch unmöglich, eine gewünschte vorgegebene Dosierfördermenge exakt einzuhalten, da bei den im allgemeinen recht flachen Kennlinien der Dosiereinrichtungen, wie z. B. Düsen, bereits eine ge­ ringe Druckpulsation eine sehr große Variation in dem dosierten Volumenstrom zur Folge hat.

Um dennoch eine möglichst gute Dosiergenauigkeit in einem derartigen Flüssigkeitsreaktionsraum zu errei­ chen, kann man zusammen mit den Dosiereinrichtungen nur entsprechende Dosierpumpen einsetzen, welche eine sehr steile Förderkennlinie aufweisen. Dies bedeutet also, daß je steiler die Förderkennlinie ist, desto weniger sich die Druckschwankungen auf die Variation der Fördermenge der Dosierpumpe auswirken.

Nun liegt jedoch die Problematik darin, daß alle Pum­ pen die vergleichsweise steile Kennlinien aufweisen, engste Toleranzen, exakte Ventile, mehrere Pumpenele­ mente, elektrische Steuerungen usw. besitzen. Diese Komponenten stellen damit ausgesprochen teure Elemente dar. Außerdem kommen dazu noch pumpenspezifische Nach­ teile, z. B. bei einer Membranpumpe, welche eine sehr steile Kennlinie aufweist, liegen diese pumpenspezifi­ schen Nachteile im Bereich der Fördercharakteristik. Dabei wird pro Umdrehung des Pumpenkopfes jeweils nur ein Förderimpuls an der Membran getätigt. D. h. die Förderung und damit der zudosierte Volumenstrom ist nicht kontinuierlich, sondern ein in sich bereits ge­ mäß den Förderimpulsen pulsierender Volumenstrom. Dies kann nur mittels mehrerer sich überlagernder Pum­ penelemente vermieden werden. Der Nachteil einer der­ artigen Anordnung liegt dabei wieder im Bauvolumen, im Gewicht sowie den damit verbundenen Kosten.

Speziell für den Einsatz in einem Brennstoffzellenssy­ stem für eine mobile Anwendung, also im Bereich der Kohlenwasserstoffreformierung für ein Brennstoffzel­ lenfahrzeug, wirken sich derartige Nachteile gravie­ rend aus.

Ein weiterer Nachteil tritt zusätzlich dann auf, wenn als Dosiereinrichtung eine Düsenzerstäubung eingesetzt wird. Aufgrund der Systemdruckschwankungen wird hier nicht nur die Dosiergenauigkeit nachteilig beeinflußt, sondern aufgrund der Charakteristik der Düse kommt es durch die Druckschwankungen hinter der Düse zusätzlich zu einer sehr nachteiligen Beeinflussung der Zerstäu­ bungsgüte bzw. - qualität einer derartigen Düse.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum dosierten Einbringen eines Flüssig­ keitvolumenstroms in ein System oder eine Komponenten, welche mit Druckpulsationen auf den Flüssigkeitsvolu­ menstrom zurückwirkt, zu schaffen, welches einen ein­ fachen und kostengünstigen Aufbau bei geringem Gewicht und bei geringem Bauraum erlaubt, und welches ein sehr genaues Einhalten einer zu dem jeweiligen Zeitpunkt vorgegebenen Dosiermenge ermöglicht. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im An­ spruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die Anpassung des Verhältnisses der Volumenströ­ me, also des Kreislaufvolumenstroms, welcher sich dann in den zu dosierenden Flüssigkeitsvolumenstrom bzw. Systemvolumenstrom und einen zu dem Vorratstank zu­ rückströmenden Tankrücklaufvolumenstrom aufteilt, kann eine Entkoppelung der Druckpulsationen von der Dosier­ genauigkeit erreicht werden. Dazu wird der Systemvolu­ menstrom im Verhältnis zu dem Tankrücklaufvolumenstrom sehr klein gehalten. Somit verursacht eine Änderung in dem Systemvolumenstrom, welche durch die von dem Sy­ stem oder von der Komponente zurückwirkenden Druck­ pulsationen verursacht wird, und welche im Vergleich zu dem sehr viel größeren Tankrücklaufvolumenstrom sehr klein ist, nur eine minimale Pulsation in dem eigentlichen von der Pumpe erzeugten Kreislaufvolumen­ strom. Der anhand dieses Kreislaufvolumenstroms einge­ stellte Betriebspunkt der Pumpe in dem Dosierkreislauf wird dadurch also nur sehr geringfügig verschoben.

Erfindungsgemäß erreicht man so also ein sehr preis­ wertes und einfaches Verfahren, welches es erlaubt, unabhängig von den aus der Komponente oder dem System auf die Flüssigkeitsdosierung zurückwirkenden Druck­ pulsationen einen zum jeweiligen Zeitpunkt vorgegebe­ nen Flüssigkeitsvolumenstrom zu dosieren. Dieses Ver­ fahren läßt sich grundsätzlich für alle Flüssigkeits­ dosierungen einsetzen, findet seinen besonderen Vor­ teil jedoch bei der Dosierung von flüssigen Kohlenwas­ serstoffen und Wasser in den Gaserzeugungssystemen von mobilen Brennstoffzellenanlagen, bei denen sich die Vorteile bezüglich Kosten, Gewicht, Robustheit und geringem Bauraum als besonders wertvoll erweisen.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann dabei ein Differenzdruck zwischen ei­ nem Druck nach der Dosiereinrichtung und einem Druck vor dem Verzweigungsbereich bzw. nach der Pumpe ermit­ telt werden. Und in einer weiteren sehr günstigen Wei­ terbildung davon kann dann die Pumpe, welche die Flüs­ sigkeitsvolumenströme aufrecht erhält, in ihrer Dreh­ zahl in Abhängigkeit dieses Differenzdrucks geregelt werden.

Da dieser Differenzdruck im Vergleich zu dem Förder­ druck der Pumpe selbst nur sehr geringe Schwankungen aufweist, läßt sich dieser leicht erfassen und mittels einer einfachen und schnellen Regelung entsprechend der Pumpendrehzahl nachführen. Da diese für die Rege­ lung erforderliche Drehzahländerung im Vergleich zu einer reinen drehzahlgeregelten Anordnung wesentlich geringer ist, kann diese Regelung hochdynamisch erfol­ gen und der Differenzdruck und damit der dosierte Flüssigkeitsvolumenstrom kann in einem sehr engen Band wenigstens annähernd konstant gehalten werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens ergibt sich durch die im kennzeichnen­ den Teil von Anspruch 5 genannten Merkmale.

Der darin beschriebene Aufbau ist einfach, sehr ro­ bust, kostengünstig und bezüglich seines Bauraums in einer sehr geringen Ausdehnung herzustellen. Insbeson­ dere für den bevorzugten Einsatzzweck der Vorrichtung, nämlich für die Dosierung von flüssigen Kohlenwasser­ stoffen und/oder Wasser in ein Reformierungssystem einer mobilen Brennstoffzellenanlage, ergeben sich damit die beim Verfahren bereits angesprochenen erfin­ dungsgemäßen Vorteile.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Un­ teransprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen möglichen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 2 eine Darstellung der Anpassung der Volumen­ ströme in einem Systemdruck-Volumenstrom- Diagramm.

Fig. 1 zeigt eine prinzipmäßige Darstellung einer Vor­ richtung, mittels welcher ein Verfahren zum dosierten Einbringen eines Flüssigkeitsvolumenstroms dV₁/dt in ein System oder eine Komponente 1, welche hier nur prinzipmäßig angedeutet ist und einen stark schwanken­ den Systemdruck p_sys aufweist, realisiert werden kann.

Gegen diesen Systemdruck p_sys wird über eine Dosierein­ richtung 2 der Flüssigkeitsvolumenstrom bzw. Systemvo­ lumenstrom dV₁/dt zudosiert. Der Systemvolumenstrom dV₁/dt stammt dabei aus einem Vorratsbehälter 3, von dem aus eine Pumpe 4 einen Kreislaufvolumenstrom dV₂/dt mit einem entsprechenden Druck p fördert. Der Kreislaufvolumenstrom dV₂/dt durchströmt dann einen optionale Filtereinrichtung 5 bevor er zu einem Ver­ zweigungsbereich 6 gelangt und sich dort in den Sy­ stemvolumenstrom dV₁/dt und einen Tankrücklaufvolumen­ strom dV₂/dt aufteilt. In den Leitungen des Tankrück­ laufvolumenstroms dV₃/dt ist ein Druckhalteventil 7 angeordnet, über welches sich der Tankrücklaufvolumen­ strom dV₃/dt einstellen läßt.

Prinzipiell ist als Ausführungsform für die Dosierein­ richtung 2 ein Dosierventil, z. B. ein Magnetventil oder dergleichen, genauso denkbar, wie eine Dosier­ düse, welche neben der Dosierung gleichzeitig eine Zerstäubung des zu dosierenden Mediums beim Eintritt in das System bzw. die Komponente 1 bewirkt.

Für die Pumpe 4 sind sämtliche an sich bekannte Formen von Fördereinrichtungen denkbar, wobei sich hier ins­ besondere der Aufbau der Pumpe 4 als Kreisel-, Zahn­ rad-, Flügelzellen- oder Membranpumpe anbietet.

Die Filtereinrichtung 5 kann je nach Erfordernissen an den entsprechenden Kreislauf auch an einer anderen Stelle angeordnet sein oder es kann bei entsprechenden, sauberen Ausgangsstoffen auf den Einsatz einer Filtereinrichtung 5 gänzlich verzichtet werden.

Zusätzlich zu den bisher beschriebenen Komponenten kann der Bereich des Tankrücklaufvolumenstroms dV₃/dt zusätzlich eine optionale Kühleinrichtung 8 aufweisen. Diese Kühleinrichtung 8 macht insbesondere beim Ein­ satz des Kreislaufes bei einer Dosierung der flüssigen Kohlenwasserstoffe für eine Benzin-Reformierung Sinn, da auf diese Weise durch die Kühleinrichtung 8 eine Aerosolbildung in dem Benzin genauso verhindert werden kann, wie ein vorzeitiges Aufbrechen der Kohlenwasser­ stoffketten, ein sogenanntes "Cracken", welches die kontrollierte Reformierung des Benzins in dem System oder der Komponente 1 beeinträchtigen würde.

Wird nun der Systemvolumenstrom dV₁/dt gegenüber dem Tankrücklaufvolumenstrom dV₃/dt sehr klein gewählt, so können die in dem Systemdruck p_sys wirkenden Druck­ pulsationen, welche aus der Komponente 1, beispiels­ weise einem Verdampfer, stammen und beim schlagartigen Übergang von Flüssigkeitströpfchen in Dampf entstehen, den Druck p im Kreislaufvolumenstrom dV₂/dt und damit den Betriebspunkt der Pumpe 4 nur minimal verändern.

In dem Diagramm dieser Anpassung der Volumenströme in gemäß Fig. 2 kennzeichnen die gestrichelten Linien n₁, n₂ und n₃ die Kennlinien der Pumpe 4 bei konstanter Drehzahl. Bei einem mittleren Gegendruck aus dem Sy­ stem p_sys 1 wird sich auf der dV₂/dt-Linie des Kreis­ laufvolumenstroms ein Betriebspunkt B einstellen. Zu diesem Betriebspunkt gehört dann ein entsprechender Systemvolumenstrom dV₁/dt gemäß dessen Kennlinie sowie ein Tankrücklaufvolumenstrom dV₃/dt. Kommt es nun zu Schwankungen dp_sys in dem Systemdruck, so wird der Be­ triebspunkt B auf der Kennlinie n₃ der Pumpe 4 ver­ schoben und verursacht damit eine Druckschwankung d(dV₂/dt) im Kreislaufvolumenstrom dV₂/dt. Da jedoch der Systemvolumenstrom dV₁/dt in der Art an den Kreis­ laufvolumenstrom dV₂/dt angepaßt ist, daß er um ein vielfaches kleiner als der Kreislaufvolumenstrom dV₂/dt im jeweiligen Betriebspunkt B ist, wird er­ reicht, daß sich die durch den Systemdruck verursachte Druckschwankung dp_sys nur in einer minimalen Druck­ schwankung d(dV₁/dt) des Systemvolumenstroms dV₁/dt auswirkt.

Zusätzlich zu dieser Minimierung der Druckschwankung d(dV₁/dt) des Systemvolumenstroms dV₁/dt kann eine weitere Gegenmaßnahme ergriffen werden, welche wieder­ um in Fig. 1 prinzipmäßig angedeutet ist. Dabei wird, wie bereits oben erläutert, der Druck p vor dem Ver­ zweigungspunkt 6 und der Systemdruck p_sys im Bereich zwischen der Dosiereinrichtung 2 und dem System oder der Komponente 1 oder in dem System oder der Komponen­ te 1 direkt gemessen. Gemäß der punktiert angedeuteten Linie wird aus diesen beiden gemessenen Drücken p, p_sys eine Druckdifferenz dp ermittelt. Diese Druckdifferenz dp wird von einer Regeleinheit 9 erfaßt und zu einer Regelung der Drehzahl n_M eines die Pumpe 4 antreiben­ den Motors 10 genutzt.

Gegenüber einer reinen Drehzahlregelung der Pumpe 4 ohne eine Reduzierung der Druckschwankung d(dV₁/dt) des Systemvolumenstroms dV₁/dt über die Anpassung der Volumenstromverhältnisse ergibt sich nur eine sehr geringen Schwankungen der Druckdifferenz dp. Diese geringe Schwankung kann über die Regeleinheit 9 mittels einer sehr schnellen und hochdynamischen Regelung der Drehzahl n_M des Motors 10 und damit einer sehr schnellen und hochdynamischen Anpassung der Förderlei­ stung der Pumpe 4 auzsgeregeklt werde, da nur sehr viel kleinere Drehzahländerungen erfolgen müssen, um erforderlich sind den Systemvolumenstrom dV₁/dt bzw. die Druckdifferenz dp konstant zu regeln, als dies bei der oben angesprochenen reinen Drehzahlregelung der Pumpe 4 der Fall wäre.

Zwar verursacht dieser Aufbau einen vergleichsweise hohen Bedarf an Förderleistung, da ein großer Teil des Kreislaufvolumenstroms dV₂/dt, nämlich der Tankrück­ laufvolumenstrom dV₃/dt ungenutzt in dem System zirku­ liert, andererseits wird so bei vergleichsweise klei­ nem Bauraum die Möglichkeit geschaffen, mit einem ein­ fachen und kostengünstigen Aufbau eine sehr hohe Do­ siergenauigkeit, unabhängig von den Pulsationen des Systemdrucks p_sys, zu erreichen.

Claims (9)

1. Verfahren zum dosierten Einbringen eines Flüssig­ keitsvolumenstroms in ein System oder eine Kompo­ nente (1), insbesondere einen Verdampfer, in einem Gaserzeugungssystem einer Brennstoffzellenanlage, welche mit Druckpulsationen auf den Flüssigkeits­ volumenstrom (dV₁/dt) zurückwirkt, wobei ein Kreislaufvolumenstrom (dV₂/dt) von einem Vorrat­ stank (3) mittels einer Pumpe zu einem Verzwei­ gungsbereich (6) und zurück zu dem Vorratstank (3) gefördert wird, wobei von dem Verzweigungsbereich (6) der Flüssigkeitsvolumenstrom (dV₁/dt) zu dem System oder der Komponente (1) gelangt, in welche er in einer zu jedem Zeitpunkt vorgegebenen Menge zudosiert wird, und wobei der Flüssigkeitsvolumen­ strom (dV₁/dt) sehr viel kleiner als der Kreis­ laufvolumenstrom (dV₂/dt) gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzdruck (dp) zwischen dem Druck (p_sys) nach einer Dosiereinrichtung (2) und dem Druck (p) vor dem Verzweigungsbereich (6) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenströme (dV₁/dt, dV₂/dt, dV₃/dt) mittels der Pumpe (4) aufrechterhalten werden, wobei die Drehzahl (n_M) der Pumpe in Abhängigkeit des Diffe­ renzdrucks (dp) geregelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich zwischen dem Verzweigungspunkt (6) und dem Vorratsbehälter (3) der Kreislaufvolumen­ strom/Tankrücklaufvolumenstrom (dV₃/dt) gekühlt wird (Kühleinrichtung 8).

5. Vorrichtung zum dosierten Einbringen von Flüssig­ keiten nach dem in den Ansprüchen 1 bis 4 be­ schriebenen Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislaufvolumenstrom (dV₂/dt) von der Pumpe (4) zu dem Verzweigungsbereich (6) förderbar ist, wobei zwischen dem Verzweigungsbereich (6) und dem Vorratsbehälter (3) ein Druckhalteventil (7) ange­ ordnet ist, und wobei zwischen dem Verzweigungsbe­ reich (6) und dem System oder der Komponente (1), in welche die Flüssigkeit zudosierbar ist, eine Dosiereinrichtung (2) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung (2) als Dosierventil ausge­ bildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung (2) als Düsenzerstäuber aus­ gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Pumpe (4) und dem Verzweigungsbereich (3) eine Filtereinrichtung (5) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (4) drehzahlregelbar ausgebildet ist.