DE10129084A1 - Process for dosing water used in steam reforming of hydrocarbons in a gas generating system for a fuel cell, comprises feeding water in a cycle through a steam-generating chamber containing the reaction chamber, and regulating the steam - Google Patents

Process for dosing water used in steam reforming of hydrocarbons in a gas generating system for a fuel cell, comprises feeding water in a cycle through a steam-generating chamber containing the reaction chamber, and regulating the steam

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Abstract

Process for dosing water comprises feeding water in a cycle through a steam-generating chamber (2) containing the reaction chamber (1); and regulating the amount of steam by acquiring the condition parameters of the water and/or the reaction region. An Independent claim is also included for a device for carrying out the process. Preferred Features: The steam-generating chamber surrounds the reaction chamber in the lower region and is in heat-conducting connection with it. The vapor produced from the lower region of the steam-generating chamber is fed to the reaction zone for superheating. The lower region of the steam-generating chamber is formed as a collecting container (6) for water and provided with a water run-off (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung von Wasser nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for metering water according to the preamble of Claim 1.

Brennstoffzellensysteme besitzen eine Gaserzeugungseinrichtung, der so genannte Re­ former. Hier werden Kohlenwasserstoffe mit Luft und Wasser vermischt und zu einem wasserstoffreichen Synthesegas für die Brennstoffzellenreaktion umgewandelt. Zur Dosie­ rung der Kohlenwasserstoffe und/oder des Wassers in Abhängigkeit vom Verfahrenspro­ zess werden in der Regel bekannte Düsen eingesetzt. Diese verteilen die Medien bei der Einspritzung sehr fein in einem Reaktionsraum.Fuel cell systems have a gas generating device, the so-called Re former. Here hydrocarbons are mixed with air and water and become one converted hydrogen-rich synthesis gas for the fuel cell reaction. To the Dosie tion of the hydrocarbons and / or water depending on the process pro known nozzles are generally used. These distribute the media at Very fine injection in a reaction chamber.

Die Durchflussmengen werden dabei im Wesentlichen durch die Düsenöffnung und den Vordruck bestimmt. Bei sehr geringen Durchflussmengen sind dazu beispielsweise sehr kleine Düsenöffnungen und ein hoher Druck im Leitungssystem erforderlich, um noch eine ausreichend hohe Feinverteilung eines flüssigen Mediums zu erreichen. Andererseits be­ steht bei einer zu geringen Düsenöffnung die Gefahr, dass die Düse verstopft. Sehr oft können größere, mehr Betriebssicherheit bietende Düsenöffnungen in Gaserzeugungsein­ richtungen nicht verwendet werden, weil dann wiederum zu große Stoffströme eingebracht würden, die sich negativ auf die gesamte Reaktion auswirken.The flow rates are essentially through the nozzle opening and Form determined. With very low flow rates, for example, this is very important Small nozzle openings and a high pressure in the piping system are required to create another to achieve a sufficiently high fine distribution of a liquid medium. On the other hand, be If the nozzle opening is too small, there is a risk that the nozzle will become blocked. Very often can have larger, more operational safety nozzle openings in gas generation directions are not used, because then again too large material flows are introduced would have a negative impact on the overall response.

Aus der DE 196 48 995 A1 ist es bereits bekannt, das Wasser dem Brenngas einer Brenn­ stoffzelle vor der Mischung mit der Verbrennungsluft zuzuführen. Sowohl die DE 198 40 216 A1 als auch die DE 199 09 935 A1 enthalten Reformierungseinrichtungen für Brenn­ stoffzellen, bei denen ein flüssiger Kohlenwasserstoff zusammen mit Wasser als Mi­ schungslösung vorliegt und dann einem Reaktionsraum zugegeben wird.From DE 196 48 995 A1 it is already known that the water is the fuel gas of a burner feed the fuel cell before mixing with the combustion air. Both DE 198 40 216 A1 as well as DE 199 09 935 A1 contain reforming devices for burning fabric cells in which a liquid hydrocarbon together with water as Mi Solution is present and then added to a reaction chamber.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Betrieb einer Gaserzeugungseinrichtung für Brennstoffzellensysteme sehr kleine Wasserdampfmengen zu dosieren. The invention has for its object when operating a gas generating device dosing very small amounts of water vapor for fuel cell systems.  

Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhaf­ te Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.According to the invention this is solved with the features of claim 1. Vorteilhaf Further training can be found in the subclaims.

Das Verfahren zur Dosierung von Wasser ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser im Kreislauf durch einen Raum zur Dampferzeugung geleitet wird, welcher den Reaktions­ raum mindestens in Teilbereichen einfasst. Dabei wird die Dampfmenge durch die Erfas­ sung von wesentlichen Zustandsparametern des Wassers und/oder des Reaktionsberei­ ches geregelt.The method of dosing water is characterized in that the water is circulated through a steam generating room which controls the reaction bordering at least in some areas. The amount of steam is detected by the Solution of essential status parameters of the water and / or the reaction area ches regulated.

Der Raum zur Dampferzeugung umgibt den Reaktionsraum großflächig, vorzugsweise im unteren Bereich, und steht mit diesem in wärmeleitender Verbindung. Für eine optimale Verdampfung durch die nach außen übertragene Reaktionswärme ist es günstig, wenn das im oberen Bereich des Raumes zur Dampferzeugung eingedüste Wasser gleichmäßig und/oder großflächig verteilt wird. Vorzugsweise wird das Wasser direkt auf eine Wärme­ übertragungsfläche, die als äußere Begrenzung des Reaktionsraumes dient, verteilt. Der entstehende Dampf wird aus dem unteren Bereich des Raumes zur Dampferzeugung zur Überhitzung in die Reaktionszone im Zentrum der Anordnung geleitet.The space for steam generation surrounds the reaction space over a large area, preferably in lower area, and is thermally conductive to this. For an optimal Evaporation due to the heat of reaction transferred to the outside is beneficial if the water injected in the upper area of the room to generate steam evenly and / or is distributed over a large area. Preferably the water is directly heated Transfer area, which serves as the outer boundary of the reaction space, distributed. The steam generated is from the lower area of the room for steam generation Overheating passed into the reaction zone in the center of the assembly.

Als Parameter zur Regelung der Dampfmenge dienen vorzugsweise die Wassermenge, die Wassertemperaturen am Ein- und Austritt in den bzw. aus dem Raum zur Dampfer­ zeugung und/oder die als Reaktionsparameter zu bezeichnende Temperatur im Reaktions­ raum, an der Wärmeübertragungsfläche und/oder im Verdampfer. Grundsätzlich können die Parameter alleine oder gemeinsam in das Regelverfahren einfließen.The quantity of water preferably serves as a parameter for regulating the quantity of steam, the water temperatures at the entry and exit into and out of the room to the steamer Generation and / or the temperature in the reaction to be called reaction parameters space, on the heat transfer surface and / or in the evaporator. Basically you can the parameters flow into the control process alone or together.

Für die Durchführung des Verfahrens ist der untere Bereich des Raumes zur Dampferzeu­ gung als Sammelbehälter für Wasser ausgebildet und mit einem Wasserablauf versehen, um überschüssiges Wasser wieder dem äußeren Kreislauf zuzuführen. Vorteilhaft ist es weiterhin, dass die Wärmeübertragungsfläche als äußere Begrenzung des Reaktionsrau­ mes mit einer den Wärmeübergang begünstigenden Oberflächenstruktur versehen ist. Außerdem sollte das eingedüste Wasser die Wärmeübertragungsfläche großflächig be­ netzen.The lower area of the steam generator room is used to carry out the process designed as a collection container for water and provided with a water drain, to return excess water to the external circuit. It is advantageous further that the heat transfer surface as the outer boundary of the reaction area mes is provided with a surface structure that favors heat transfer. In addition, the injected water should be the heat transfer surface over a large area networks.

Neben den bereits aufgeführten Messvorrichtungen für wesentliche Parameter wird der äußere Wasserkreislauf über die Drehzahlregelung mit einer Pumpe und wahlweise einem Steuerventil als Anschluss für die Wasserzufuhrleitung geregelt. In addition to the measuring devices for essential parameters already listed, the external water circuit via speed control with a pump and optionally one Control valve regulated as a connection for the water supply line.  

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Betrieb einer Gaserzeugungseinrichtung für Brennstoffzellensysteme ermöglicht, sehr kleine Wasserdampfmengen zu dosieren. Das Wasser befindet sich in einem überwachten Kreislauf, da aus charakteristischen Pa­ rametern und/oder Zustandsgrößen des gesamten Systems die erzeugte Dampfmenge ermittelt wird. Beispielsweise würde eine Steigerung der Wasserzugabe sofort zu einer Verringerung der Temperatur an der Wärmeübertragungsfläche führen.With the method according to the invention, the operation of a gas generating device for fuel cell systems enables very small amounts of water vapor to be dosed. The water is in a monitored cycle, since characteristic Pa parameters and / or state variables of the entire system the amount of steam generated is determined. For example, an increase in water addition would immediately result in one Reduce the temperature at the heat transfer surface.

In allen Betriebszuständen ist eine genaue Dosierung des Wassers bzw. der entsprechen­ den Dampfmenge gewährleistet. Gegenüber herkömmlichen Verfahren wird durch den Aufbau immer über Ventile oder Düsen eine ausreichende Flüssigkeitsmenge geleitet, so dass selbst im Teillastbereich größere Querschnitte geöffnet sind und einer Verstopfung vorgebeugt ist. Zudem kann der Systemdruck relativ kein gehalten werden. Dadurch ent­ steht eine gute Lastspreizung an der Gaserzeugungseinrichtung, d. h. gleichfalls ein weiter Modulations- bzw. Einsatzbereich für das nachgeschaltete Brennstoffzellensystem.In all operating conditions, an exact dosage of the water or the corresponding guaranteed the amount of steam. Compared to conventional processes, the Structure always passed a sufficient amount of liquid via valves or nozzles, so that larger cross-sections are open even in the partial load range and clogging is prevented. In addition, the system pressure can hardly be maintained. This ent there is a good load spread on the gas generating device, i. H. likewise another Modulation or application area for the downstream fuel cell system.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen Figur den Aufbau einer Gaserzeugungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem.The drawing shows an embodiment of the invention and shows in one Figure the structure of a gas generating device for a fuel cell system.

Die Gaserzeugungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem besteht im Wesentlichen aus einem Reaktionsraum 1, einem diesen mindestens in Teilbereichen einfassenden Raum 2 zur Dampferzeugung und einem mit dem Raum 2 in Verbindung stehenden Ver­ dampfer 3 für Wasserdampf.The gas generating device for a fuel cell system essentially consists of a reaction chamber 1 , a space 2 enclosing this at least in partial areas for steam generation and a evaporator 3 connected to the space 2 for water vapor.

Über die Düsen 4, 4' wird Wasser im oberen Bereich des Raumes 2 zur Dampferzeugung zugegeben. Besonders im Bereich der Wärmeübertragungsflächen 5 kommt es dann zu einer intensiven Dampfbildung. Überschüssiges Wasser gelangt in den unteren Bereich des Raumes 2, welcher als Sammelbehälter 6 mit einem Wasserablauf 7 ausgebildet ist. Von dort aus wird das überschüssige Wasser wieder über den äußeren Kreislauf zu den Düsen 4, 4' geführt. Neben einer Pumpe 8 ist ein Steuerventil 9 vorgesehen, mit dem aus einer Wasserzufuhrleitung 10 weiteres Wasser bei Bedarf ergänzt werden kann.Water is added via the nozzles 4 , 4 'in the upper region of the room 2 for steam generation. In particular in the area of the heat transfer surfaces 5 there is an intensive formation of steam. Excess water reaches the lower area of the room 2 , which is designed as a collecting tank 6 with a water drain 7 . From there, the excess water is returned to the nozzles 4 , 4 'via the external circuit. In addition to a pump 8 , a control valve 9 is provided, with which additional water can be added from a water supply line 10 if required.

Durch die Erfassung von wesentlichen Zustandsparametern des Wassers und/oder des Reaktionsbereiches wird die Wasserdampfmenge mit der beschriebenen Anordnung gere­ gelt.By recording essential status parameters of the water and / or the Reaction area is the amount of water vapor with the arrangement described gelt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Dosierung von Wasser für den Einsatz zur Wasserdampfreformie­ rung eines Kohlenwasserstoffes in einer Gaserzeugungseinrichtung für ein Brennstoffzel­ lensystem mit einem Reaktionsraum, einem Verdampfer für Wasserdampf sowie einer Wasserzufuhrleitung, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser im Kreislauf durch einen den Reaktionsraum (1) mindestens in Teilbereichen einfassenden Raum (2) zur Dampferzeugung geleitet wird und dass durch die Erfassung von wesentlichen Zustandsparametern des Wassers und/oder des Reaktionsbereiches die Dampfmenge geregelt wird.1. A method for metering water for use in steam reforming a hydrocarbon in a gas generating device for a fuel cell system with a reaction chamber, an evaporator for steam and a water supply line, characterized in that the water in the circuit through a reaction chamber ( 1 ) at least room ( 2 ) enclosing partial areas is directed to steam generation and that the amount of steam is regulated by the detection of essential state parameters of the water and / or the reaction area. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (2) zur Dampferzeugung den Reaktionsraum (1) großflächig, vorzugsweise im unteren Bereich umgibt und mit diesem in wärmeleitender Verbindung steht.2. The method according to claim 1, characterized in that the space ( 2 ) for generating steam surrounds the reaction space ( 1 ) over a large area, preferably in the lower region and is in heat-conducting connection therewith. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser vorzugsweise gleichmäßig und/oder großflä­ chig verteilt im oberen Bereich des Raumes (2) zur Dampferzeugung eingedüst wird.3. The method according to claims 1 or 2, characterized in that the water is preferably injected evenly and / or extensively distributed in the upper region of the space ( 2 ) for steam generation. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser vorzugsweise gleichmäßig und/oder großflä­ chig verteilt auf eine Wärmeübertragungsfläche (5) als äußere Begrenzung des Reaktions­ raumes (1) eingedüst wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the water is preferably injected evenly and / or large area distributed on a heat transfer surface ( 5 ) as the outer boundary of the reaction chamber ( 1 ). 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der entstehende Dampf aus dem unteren Bereich des Raumes (2) zur Dampferzeugung zur Überhitzung in die Reaktionszone (1) geleitet wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the resulting steam from the lower region of the room ( 2 ) for steam generation for overheating in the reaction zone ( 1 ) is passed. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Dampfmenge vorzugsweise die Wasser­ menge, die Wassertemperaturen am Ein- und Austritt in den bzw. aus dem Raum (2) zur Dampferzeugung und/oder als Reaktionsparameter die Temperatur im Reaktionsraum (1), an der Wärmeübertragungsfläche (5) und/oder im Verdampfer (3) dienen.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that for regulating the amount of steam, preferably the amount of water, the water temperatures at the inlet and outlet in or out of the room ( 2 ) for steam generation and / or as a reaction parameter, the temperature serve in the reaction chamber ( 1 ), on the heat transfer surface ( 5 ) and / or in the evaporator ( 3 ). 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Bereich des Raumes (2) zur Dampferzeugung als Sammelbehälter (6) für Wasser ausgebildet und mit einem Wasserablauf (7) versehen ist.7. Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the lower region of the space ( 2 ) for steam generation is designed as a collecting container ( 6 ) for water and is provided with a water drain ( 7 ). 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsfläche (5) als äußere Begrenzung des Reaktionsraumes (1) eine den Wärmeübergang begünstigende Oberflächenstruktur besitzt.8. Device for performing the method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the heat transfer surface ( 5 ) as the outer boundary of the reaction space ( 1 ) has a surface structure favoring the heat transfer. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkreislauf mit einer Pumpe (8) und wahlweise einem Steuerventil (9) in der Wasserzufuhrleitung (10) versehen ist.9. Device for performing the method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the water circuit is provided with a pump ( 8 ) and optionally a control valve ( 9 ) in the water supply line ( 10 ).
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