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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum dosierten Einbringen eines
Flüssigkeitsvolumenstroms in
ein System oder eine Komponente, insbesondere einen Verdampfer in
einem Gaserzeugungssystem einer Brennstoffzellenanlage, welche mit
Druckpulsationen auf den Flüssigkeitsvolumenstrom
zurückwirkt.
Außerdem
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des
oben genannten Verfahrens.
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Aus
der
DE 44 25 634 C1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dosierten Zuführen von flüssigen Reaktanten,
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
gefördert.
Der Differenzdruck zwischen Förderleitung
und Brennstoffzellensystem wird mit Hilfe eines Differenzdruckreglers,
der in einer zwischen Förderleitung
und Vorratsbehälter
vorgesehenen Rückführleitung
angeord net 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 eingestellt werden.
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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 beispielsweise Wasser und/oder flüssiger Kohlenwasserstoff, 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 geringe Druckpulsation
eine sehr große Variation
in dem dosierten Volumenstrom zur Folge hat.
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Um
dennoch eine möglichst
gute Dosiergenauigkeit in einem derartigen Flüssigkeitsreaktionsraum zu erreichen,
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.
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Nun
liegt jedoch die Problematik darin, daß alle Pumpen die vergleichsweise
steile Kennlinien aufweisen, engste Toleranzen, exakte Ventile,
mehrere Pumpenelemente, elektrische Steuerungen usw. besitzen. Diese
Komponenten stellen damit ausgesprochen teure Elemente dar. Außerdem kommen dazu
noch pumpenspezifische Nachteile, z.B. bei einer Membranpumpe, welche
eine sehr steile Kennlinie aufweist, liegen diese pumpenspezifischen
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 gemäß den Förderimpulsen
pulsierender Volumenstrom. Dies kann nur mittels mehrerer sich überlagernder
Pumpenelemente vermieden werden. Der Nachteil einer derartigen Anordnung
liegt dabei wieder im Bauvolumen, im Gewicht sowie den damit verbundenen
Kosten.
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Speziell
für den
Einsatz in einem Brennstoffzellenssystem für eine mobile Anwendung, also
im Bereich der Kohlenwasserstoffreformierung für ein Brennstoffzellenfahrzeug,
wirken sich derartige Nachteile gravierend aus.
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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 Zerstäubungsgüte bzw.
-qualität
einer derartigen Düse.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum dosierten Einbringen eines Flüssigkeitvolumenstroms in ein
System oder eine Komponente, welche mit Druckpulsationen auf den
Flüssigkeitsvolumenstrom
zurückwirkt,
zu schaffen, welches einen einfachen 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.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch
die Anpassung des Verhältnisses
der Volumenströme,
also des Kreislaufvolumenstroms, welcher sich dann in den zu dosierenden
Flüssigkeitsvolumenstrom
bzw. Systemvolumenstrom und einen zu dem Vorratstank zurückströmenden Tankrücklaufvolumenstrom
aufteilt, kann eine Entkoppelung der Druckpulsationen von der Dosiergenauigkeit
erreicht werden. Dazu wird der Systemvolumenstrom im Verhältnis zu
dem Tankrücklaufvolumenstrom
sehr klein gehalten. Somit verursacht eine Änderung in dem Systemvolumenstrom,
welche durch die von dem System oder von der Komponente zurückwirkenden
Druckpulsationen 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 Kreislaufvolumenstrom. Der anhand dieses
Kreislaufvolumenstroms eingestellte Betriebspunkt der Pumpe in dem
Dosierkreislauf wird dadurch also nur sehr geringfügig verschoben.
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Erfindungsgemäß erreicht
man so also ein sehr preiswertes und einfaches Verfahren, welches es
erlaubt, unabhängig
von den aus der Komponente oder dem System auf die Flüssigkeitsdosierung
zurückwirkenden
Druckpulsationen einen zum jeweiligen Zeitpunkt vorgegebenen Flüssigkeitsvolumenstrom
zu dosieren. Dieses Verfahren läßt sich
grundsätzlich
für alle
Flüssigkeitsdosierungen
einsetzen, findet seinen besonderen Vorteil jedoch bei der Dosierung
von flüssigen
Kohlenwasserstoffen und Wasser in den Gaserzeugungssystemen von
mobilen Brennstoffzellenanlagen, bei denen sich die Vorteile bezüglich Kosten,
Gewicht, Robustheit und geringem Bauraum als besonders wertvoll
erweisen.
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In
einer weiteren sehr günstigen
Ausgestaltung des Verfahrens kann dabei ein Differenzdruck zwischen
einem Druck nach der Dosiereinrichtung und einem Druck vor dem Verzweigungsbereich
bzw. nach der Pumpe ermittelt werden. Und in einer weiteren sehr
günstigen
Weiterbildung davon kann dann die Pumpe, welche die Flüssigkeitsvolumenströme aufrecht
erhält,
in ihrer Drehzahl in Abhängigkeit
dieses Differenzdrucks geregelt werden.
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Da
dieser Differenzdruck im Vergleich zu dem Förderdruck 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 Regelung erforderliche Drehzahländerung im Vergleich zu einer
reinen drehzahlgeregelten Anordnung wesentlich geringer ist, kann
diese Regelung hochdynamisch erfolgen und der Differenzdruck und
damit der dosierte Flüssigkeitsvolumenstrom
kann in einem sehr engen Band wenigstens annähernd konstant gehalten werden.
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Eine
Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergibt sich durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 5 genannten Merkmale.
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Der
darin beschriebene Aufbau ist einfach, sehr robust, kostengünstig und
bezüglich
seines Bauraums in einer sehr geringen Ausdehnung herzustellen.
Insbesondere für
den bevorzugten Einsatzzweck der Vorrichtung, nämlich für die Dosierung von flüssigen Kohlenwasserstoffen
und/oder Wasser in ein Reformierungssystem einer mobilen Brennstoffzellenanlage,
ergeben sich damit die beim Verfahren bereits angesprochenen erfindungsgemäßen Vorteile.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den restlichen Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung
nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Es
zeigt:
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1 einen
möglichen
Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
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2 eine
Darstellung der Anpassung der Volumenströme in einem Systemdruck-Volumenstrom-Diagramm.
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1 zeigt
eine prinzipmäßige Darstellung einer
Vorrichtung, 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 schwankenden Systemdruck psys aufweist, realisiert
werden kann.
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Gegen
diesen Systemdruck psys wird über eine
Dosiereinrichtung 2 der Flüssigkeitsvolumenstrom bzw.
Systemvolumenstrom 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 Verzweigungsbereich 6 gelangt
und sich dort in den Systemvolumenstrom dV1/dt
und einen Tankrücklaufvolumenstrom dV3/dt aufteilt. In den Leitungen des Tankrücklaufvolumenstroms
dV3/dt ist ein Druckhalteventil 7 angeordnet, über welches
sich der Tankrücklaufvolumenstrom
dV3/dt einstellen läßt.
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Prinzipiell
ist als Ausführungsform
für die
Dosiereinrichtung 2 ein Dosierventil, z.B. ein Magnetventil
oder dergleichen, genauso denkbar, wie eine Dosierdüse, welche
neben der Dosierung gleichzeitig eine Zerstäubung des zu dosierenden Mediums
beim Eintritt in das System bzw. die Komponente 1 bewirkt.
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Für die Pumpe 4 sind
sämtliche
an sich bekannte Formen von Fördereinrichtungen
denkbar, wobei sich hier insbesondere der Aufbau der Pumpe 4 als
Kreisel-, Zahnrad-, Flügelzellen-
oder Membranpumpe anbietet.
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Die
Filtereinrichtung 5 kann je nach Erfordernissen an den
entsprechenden Kreislauf auch an einer anderen Stelle angeordnet
sein oder es kann bei entsprechen den, sauberen Ausgangsstoffen auf
den Einsatz einer Filtereinrichtung 5 gänzlich verzichtet werden.
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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 Einsatz 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 Kohlenwasserstoffketten, ein sogenanntes "Cracken", welches die kontrollierte
Reformierung des Benzins in dem System oder der Komponente 1 beeinträchtigen
würde.
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Wird
nun der Systemvolumenstrom dV1/dt gegenüber dem
Tankrücklaufvolumenstrom
dV3/dt sehr klein gewählt, so können die in dem Systemdruck
psys wirkenden Druckpulsationen, welche
aus der Komponente 1, beispielsweise 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.
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In
dem Diagramm dieser Anpassung der Volumenströme in gemäß 2 kennzeichnen
die gestrichelten Linien n1, n2 und
n3 die Kennlinien der Pumpe 4 bei
konstanter Drehzahl. Bei einem mittleren Gegendruck aus dem System
psys 1 wird sich auf der dV2/dt-Linie des Kreislaufvolumenstroms 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 dpsys in dem Systemdruck, so wird der Betriebspunkt
B auf der Kennlinie n3 der Pumpe 4 verschoben
und verursacht damit eine Druckschwankung d(dV2/dt)
im Kreislaufvolumenstrom dV2/dt. Da jedoch
der Systemvolumenstrom dV1/dt in der Art
an den Kreislaufvolumenstrom dV2/dt angepaßt ist,
daß er
um ein vielfaches kleiner als der Kreislaufvolumenstrom dV2/dt im jeweiligen Betriebspunkt B ist, wird
erreicht, daß sich
die durch den Systemdruck verursachte Druckschwankung dpsys nur in einer minimalen Druckschwankung
d(dV1/dt) des Systemvolumenstroms dV1/dt auswirkt.
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Zusätzlich zu
dieser Minimierung der Druckschwankung d(dV1/dt)
des Systemvolumenstroms dV1/dt kann eine
weitere Gegenmaßnahme
ergriffen werden, welche wiederum in 1 prinzipmäßig angedeutet
ist. Dabei wird, wie bereits oben erläutert, der Druck p vor dem
Verzweigungspunkt 6 und der Systemdruck psys im
Bereich zwischen der Dosiereinrichtung 2 und dem System
oder der Komponente 1 oder in dem System oder der Komponente 1 direkt gemessen.
Gemäß der punktiert
angedeuteten Linie wird aus diesen beiden gemessenen Drücken p,
psys eine Druckdifferenz dp ermittelt. Diese
Druckdifferenz dp wird von einer Regeleinheit 9 erfaßt und zu einer
Regelung der Drehzahl nM eines die Pumpe 4 antreibenden
Motors 10 genutzt.
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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 mit tels einer sehr schnellen und hochdynamischen
Regelung der Drehzahl nM des Motors 10 und
damit einer sehr schnellen und hochdynamischen Anpassung der Förderleistung
der Pumpe 4 ausgeregelt werden da nur sehr viel kleinere
Drehzahländerungen
erfolgen müssen, bzw.
erforderlich sind, um 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.
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Zwar
verursacht dieser Aufbau einen vergleichsweise hohen Bedarf an Förderleistung,
da ein großer
Teil des Kreislaufvolumenstroms dV2/dt,
nämlich
der Tankrücklaufvolumenstrom
dV3/dt ungenutzt in dem System zirkuliert,
andererseits wird so bei vergleichsweise kleinem Bauraum die Möglichkeit
geschaffen, mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau eine sehr hohe
Dosiergenauigkeit, unabhängig
von den Pulsationen des Systemdrucks psys,
zu erreichen.