DE10030775C1 - Fluid dosing method for gas generation device for fuel cell system uses central 3-way mixing valve for pulsed dosing of hydrocarbon and water in alternation - Google Patents

Fluid dosing method for gas generation device for fuel cell system uses central 3-way mixing valve for pulsed dosing of hydrocarbon and water in alternation

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Abstract

The dosing method uses a common dosing jet (D) for supplying a hydrocarbon (K) and water (W) to a gas generation device, with pulsed dosing of each in alternation via a regulation device controlling a central 3-way magnetic valve (M) for supplying the hydrocarbon and the water to the dosing jet. An Independent claim for a fluid dosing device is also included.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung von Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for dosing liquids according to the preamble of claim 1.

Brennstoffzellensysteme besitzen eine Gaserzeugungseinrichtung, in denen Kohlenwas­ serstoffe mit Luft und Wasser vermischt und zu einem wasserstoffreichen Synthesegas für die Brennstoffzellenreaktion umgewandelt werden. Zur Dosierung der Kohlenwasserstoffe werden in der Regel bekannte Dralldüsen eingesetzt. Diese verteilen den Kohlenwasser­ stoff bei der Einspritzung sehr fein. Dabei wird die Durchflussmenge des Kohlenwasser­ stoffs bestimmt durch die Düsenöffnung und den Vordruck. Bei sehr geringen Durchfluss­ mengen sind beispielsweise sehr kleine Düsenöffnungen und ein hoher Flüssigkeitsdruck erforderlich, um noch eine ausreichend hohe Feinverteilung des Kohlenwasserstoffs zu erreichen. Eine zu geringe Düsenöffnung kann zum Verstopfen der Düse führen.Fuel cell systems have a gas generating device in which coal water mixed with air and water and into a hydrogen-rich synthesis gas for the fuel cell reaction are converted. For dosing the hydrocarbons Known swirl nozzles are generally used. These distribute the hydrocarbon very fine material during injection. The flow rate of the hydro determined by the nozzle opening and the pre-pressure. With very low flow quantities are, for example, very small nozzle openings and high liquid pressure required to ensure a sufficiently high fine distribution of the hydrocarbon to reach. If the nozzle opening is too small, the nozzle may become blocked.

Besonders bei Verbrennungsmotoren wird ein pulsierendes System eingesetzt, bei dem die Öffnungszeit und Pulsdauer mit Hilfe einer Düsennadel variiert wird. Wegen der Pulsa­ tion muss in der begrenzten Zeit, in der die Düse geöffnet ist, mehr Kraftstoff durchfließen. Dadurch kann eine verhältnismäßig größere Düsenöffnung verwendet werden, die wieder­ um mehr Betriebssicherheit bietet.A pulsating system is used especially in internal combustion engines, in which the opening time and pulse duration is varied using a nozzle needle. Because of the pulsa tion must flow through more fuel in the limited time that the nozzle is open. This allows a relatively larger nozzle opening to be used to provide more operational security.

Bei Gaserzeugungseinrichtungen für Brennstoffzellensysteme, sogenannten Reformern zur Herstellung von Wasserstoff, wird zusätzlich noch Wasser eingespritzt. Die über min­ destens eine zusätzliche Düse eingebrachte Wassermenge ist abhängig vom Verfahrens­ prozess, jedoch üblicherweise größer als die Durchflussmenge des Kohlenwasserstoffs. Aus der DE 196 48 995 A1 ist es bereits bekannt, das Wasser zum 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 einem Reaktionsraum zugegeben wird.In gas generating devices for fuel cell systems, so-called reformers to produce hydrogen, water is additionally injected. The over min at least an additional amount of water introduced depends on the process process, but usually greater than the flow rate of the hydrocarbon. From DE 196 48 995 A1 it is already known to convert the water into a combustible gas 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 is added to a reaction chamber.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, besonders im Teillastbetrieb eines Reformers für Brennstoffzellensysteme kleinste Flüssigkeitsmengen zu dosieren.The invention has for its object, especially in the partial load operation of a reformer dosing the smallest amounts of liquid 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. Advantageous Further training can be found in the subclaims.

Das Verfahren zur Flüssigkeitsdosierung ist dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenwasserstoff und Wasser über eine gemeinsame Düse in die Gaserzeugungseinrich­ tung dosiert bzw. in den Reformer eines Brennstoffzellensystems eingebracht werden. vor Vor dieser Einspritzung werden dabei Kohlenwasserstoff und Wasser stromaufwärts der Düse über eine Regeleinrichtung abwechselnd pulsierend zudosiert, so dass eine genaue Mischung von Kohlenwasserstoff und Wasser entsteht und bevor das Gemisch die Düse erreicht. Dazu wird die Kohlenwasserstoff- und Wasserzufuhr zur Düse mit einem zentra­ len, stromaufwärts angeordneten Dreiwege-Magnetventil geregelt. Alternativ dazu kann zur Regelung der Durchflußmenge auch jeweils ein Magnetventil in der entsprechenden Zu­ fuhrleitung für Kohlenwasserstoff und Wasser eingesetzt werden.The method for dosing liquid is characterized in that Hydrocarbon and water through a common nozzle in the gas generating device tion dosed or introduced into the reformer of a fuel cell system. in front Before this injection, hydrocarbon and water are upstream of the Nozzle alternately metered in pulsating manner via a control device, so that an exact Mixture of hydrocarbon and water is created and before the mixture the nozzle reached. For this, the hydrocarbon and water supply to the nozzle is controlled with a zentra len, upstream three-way solenoid valve controlled. Alternatively, the Regulation of the flow rate also a solenoid valve in the corresponding Zu Guide line for hydrocarbon and water are used.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an einem Reformer der Aufbau hinsichtlich der Regelung der Stoffströme vereinfacht. In der Zeit, in der das Dreiwege-Magnetventil für den Kohlenwasserstoff geschlossen ist, kann über den anderen Eingang Wasser zugege­ ben werden. Die Öffnungszeit und Pulsdauer an der Düse wird in einer bevorzugten Aus­ führungsform mit Hilfe einer Düsennadel nach den bekannten Verfahren variiert. Die Ge­ fahr, dass es bei der Zerstäubung von sehr kleinen Flüssigkeitsmengen zum Verstopfen einer Düse kommt, verringert sich in Verbindung mit einem pulsierenden Gesamtsystem deutlich. Es wird in allen Betriebszuständen eine gegenüber herkömmlichen Verfahren größere Flüssigkeitsmenge über die Düsenöffnung geleitet, welche dann selbst im Teil­ lastbereich größere Querschnitte als bei der Einspritzung einzelner Stoffströme freigibt. Somit entsteht eine gute Lastspreizung am Reformer, d. h. gleichfalls ein weiter Modulati­ ons- bzw. Einsatzbereich für die nachgeschaltete Brennstoffzelle. An einer Gaserzeu­ gungseinrichtung können auch mehrere Düsen zum erfindungsgemäßen Einbringen von Kohlenwasserstoff und Wasser vorhanden sein.With the method according to the invention, the structure of a reformer is considered the regulation of the material flows simplified. At the time when the three-way solenoid valve for the hydrocarbon is closed, water can be added via the other input be. The opening time and pulse duration at the nozzle is in a preferred off leadership form with the help of a nozzle needle according to the known methods. The Ge drive that it will clog when atomizing very small amounts of liquid a nozzle, decreases in connection with a pulsating overall system clear. In all operating conditions, it becomes a conventional process larger amount of liquid passed through the nozzle opening, which then itself in the part load area larger cross-sections than released with the injection of individual material flows. This creates a good load spread on the reformer, i. H. also another modulati ons or application area for the downstream fuel cell. On a gas generator supply device can also have several nozzles for the introduction of the invention Hydrocarbon and water are present.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt die Zusammen­ führung der Kohlenwasserstoff- und Wasserströme an einer gemeinsamen Düse: The drawing represents an embodiment of the invention. It shows the together Guiding the hydrocarbon and water flows at a common nozzle:  

Fig. 1 mit jeweils einem Magnetventil in der Zufuhrleitung, Fig. 1, each having a solenoid valve in the supply line,

Fig. 2 mit einem zentralen Dreiwege-Magnetventil und Fig. 2 with a central three-way solenoid valve and

Fig. 3 mit dem zeitlichen Verlauf der Einspritzung. Fig. 3 with the time course of the injection.

Mit dem Verfahren zur Dosierung von Flüssigkeiten werden Kohlenwasserstoffe K und Wasser W über eine gemeinsame Düse D in einen Reformer eingespritzt, dort vermischt und zu einem wasserstoffreichen Synthesegas umgewandelt.With the process for dosing liquids, hydrocarbons K and Water W injected through a common nozzle D into a reformer, mixed there and converted to a hydrogen-rich synthesis gas.

Beim Aufbau nach Fig. 1 wird der Kohlenwasserstoff K mit dem Wasser W vollständig ge­ mischt und das Gemisch danach über eine einzige Düse D getaktet eingespritzt. Mit einer Regeleinrichtung R wird die betreffende Durchflussmenge beeinflußt. Es befindet sich dann jeweils ein angesteuertes Magnetventil M in der entsprechenden Zufuhrleitung für Kohlenwasserstoff K und Wasser W zur gemeinsamen Düse D.In the construction according to Fig. 1 of the hydrocarbon H is mixed with the water W completely ge and the mixture injected thereafter clocked by a single nozzle D. The flow rate in question is influenced by a control device R. There is then a controlled solenoid valve M in the corresponding feed line for hydrocarbon K and water W to the common nozzle D.

Demgegenüber können Kohlenwasserstoff K und Wasser W stromaufwärts der Düse D über eine einzige Regeleinheit auch abwechselnd pulsierend zudosiert werden, bevor die Einspritzung erfolgt. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Die Zufuhr von Kohlenwasserstoff K und Wasser W zur gemeinsamen Düse D wird in diesem Fall mit einem zentralen, getakteten Dreiwege-Magnetventil M geregelt.In contrast, hydrocarbon K and water W upstream of the nozzle D can also be metered in alternately in a pulsating manner via a single control unit before the injection takes place. This is shown in Fig. 2. In this case, the supply of hydrocarbon K and water W to the common nozzle D is regulated by a central, clocked three-way solenoid valve M.

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Einspritzung, d. h. die Aneinanderreihung der einzel­ nen Impulse. Beim beschriebenen Verfahren ist die Menge des Wassers W immer etwas größer als die des Kohlenwasserstoffs K. Bei herkömmlichen Ausführungen wäre die Düse D nach der Einspritzung des Kohlenwasserstoffs K geschlossen. Dieser Zeitraum wird er­ findungsgemäß an derselben Düse D für die Einspritzung von Wasser W genutzt. Fig. 3 shows the time course of the injection, that is, the sequence of the individual pulses. In the described method, the amount of water W is always somewhat larger than that of the hydrocarbon K. In conventional designs, the nozzle D would be closed after the injection of the hydrocarbon K. According to the invention, this period of time is used at the same nozzle D for the injection of water W.

Claims (2)

1. Verfahren zur Dosierung von Flüssigkeiten für den Einsatz in einer Gaserzeu­ gungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem, wobei Kohlenwasserstoffe und Wasser unter Verwendung von jeweils einer Düse eingespritzt, vermischt und bei der Reaktion mit Luft oder Sauerstoff zu einem wasserstoffreichen Synthesegas umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenwasserstoff (K) und Wasser (W) über eine gemein­ same Düse (D) in die Gaserzeugungseinrichtung dosiert werden, wobei Kohlenwasserstoff (K) und Wasser (W) vor der Einspritzung stromaufwärts der Düse (D) über eine Regelein­ richtung (R) abwechselnd pulsierend zudosiert werden und die Kohlenwasserstoff- (K) und Wasserzufuhr (W) zur Düse (D) mit einem zentralen Dreiwege-Magnetventil (M) geregelt wird.1. A method for metering liquids for use in a gas generating device for a fuel cell system, wherein hydrocarbons and water are injected using a nozzle, mixed and converted into a hydrogen-rich synthesis gas in the reaction with air or oxygen, characterized in that Hydrocarbon (K) and water (W) are metered into the gas generating device via a common nozzle (D), with hydrocarbon (K) and water (W) alternatingly upstream of the nozzle (D) via a control device (R) before the injection be pulsed in and the hydrocarbon (K) and water supply (W) to the nozzle (D) is regulated with a central three-way solenoid valve (M). 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zufuhrleitungen für Kohlenwasserstoff (K) und Wasser (W) in einem Dreiwege-Magnetventil (M) vor einer gemeinsamen Düse (D) münden und mit einer Regeleinrichtung (R) das Dreiwege-Magnetventil (M) betätigt wird.2. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that supply lines for hydrocarbon (K) and water (W) open into a three-way solenoid valve (M) in front of a common nozzle (D) and with a control device (R) the three-way solenoid valve (M) is actuated.
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