DE102010047526A1 - Estimation method of hydrogen and nitrogen concentration for use in fuel cell system, involves estimating amount of hydrogen in anode flow-field and plumbing volume, and cathode flow-field volume - Google Patents
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Abstract
Description
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Diese Anmeldung beansprucht Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 61/250 429 mit dem Titel Hydrogen Concentration Estimation in Fuel Cell Systems at Shutdown and Startup, eingereicht am 9. Oktober 2009.This application claims priority to US provisional patent application Ser. 61/250 429, entitled Hydrogen Concentration Estimation, at Fuel Cell Systems at Shutdown and Startup, filed October 9, 2009.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Schätzen der Wasserstoff- und/oder Stickstoffkonzentration in einem Brennstoffzellensystem während einer Außerbetriebnahme und Inbetriebnahme, im Spezielleren ein System und ein Verfahren zum Schätzen der Wasserstoff- und/oder Stickstoffkonzentration in einem Brennstoffzellensystem während einer Außerbetriebnahme und Inbetriebnahme, welches umfasst, dass das Brennstoffzellensystem zu einem Anodenströmungsfeld- und -leitungssystemvolumen, einem Kathodenströmungsfeldvolumen und einem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen definiert wird und die Flüsse von Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Wasser in die Volumina hinein oder aus diesen heraus berechnet werden.This invention relates generally to a system and method for estimating hydrogen and / or nitrogen concentration in a fuel cell system during decommissioning and commissioning, more particularly to a system and method for estimating hydrogen and / or nitrogen concentration in a fuel cell system during decommissioning and Commissioning, which comprises defining the fuel cell system to an anode flow field and conduit volume, a cathode flow field volume and a cathode manifold and conduit volume, and calculating the flows of hydrogen, nitrogen, oxygen and / or water into or out of the volumes ,
2. Erläuterung des Standes der Technik2. Explanation of the prior art
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen befindlichen Elektrolyt umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode zerlegt, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurch gelangen und werden daher durch eine Last hindurch geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden.Hydrogen is a very attractive fuel because it is clean and can be used to efficiently produce electricity in a fuel cell. A hydrogen fuel cell is an electrochemical device comprising an anode and a cathode with an electrolyte therebetween. The anode receives hydrogen gas and the cathode receives oxygen or air. The hydrogen gas is decomposed in the anode to generate free protons and electrons. The protons pass through the electrolyte to the cathode. The protons react with the oxygen and electrons in the cathode to produce water. The electrons from the anode can not pass through the electrolyte and are therefore passed through a load to do work before being sent to the cathode ,
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfassen allgemein eine feste, protonenleitende Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer vermischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus dem katalytischen Anodengemisch, dem katalytischen Kathodengemisch und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ kostspielig herzustellen und benötigen bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are common fuel cells for vehicles. The PEMFC generally comprise a solid, proton-conducting polymer electrolyte membrane, such as e.g. B. a perfluorosulfonic acid membrane. The anode and cathode typically comprise finely divided catalytic particles, usually platinum (Pt), carried on carbon particles and mixed with an ionomer. The catalytic mixture is deposited on opposite sides of the membrane. The combination of the catalytic anode mix, the catalytic cathode mix and the membrane defines a membrane electrode assembly (MEA). MEAs are relatively expensive to manufacture and require certain conditions for effective operation.
Mehrere Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die erwünschte Leistung zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodeneingangs-Reaktandengas, typischerweise eine Strömung von Luft, die von einem Verdichter durch den Stapel gezwungen wird. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Sauerstoff, und etwas von der Luft wird als ein Kathodenabgas, das Wasser als ein Stapel-Nebenprodukt enthalten kann, abgegeben. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anoden-Wasserstoffreaktandengas, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel umfasst auch Strömungskanäle, durch die hindurch ein Kühlfluid strömt.Multiple fuel cells are typically combined in a fuel cell stack to produce the desired performance. For example, a typical fuel cell stack for a vehicle may include two hundred or more stacked fuel cells. The fuel cell stack receives a cathode input reactant gas, typically a flow of air forced by a compressor through the stack. The stack does not consume all of the oxygen, and some of the air is released as a cathode exhaust, which may contain water as a stack by-product. The fuel cell stack also receives an anode hydrogen reactant gas flowing into the anode side of the stack. The stack also includes flow channels through which a cooling fluid flows.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von bipolaren Platten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen den zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengas-Strömungskanäle sind auf der Anodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Anodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Kathodengas-Strömungskanäle sind auf der Kathodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Kathodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die bipolaren Platten und die Endplatten sind aus einem leitfähigen Material wie z. B. Edelstahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial hergestellt. Die Endplatten leiten die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch die hindurch ein Kühlfluid strömt.The fuel cell stack includes a series of bipolar plates positioned between the various MEAs in the stack with the bipolar plates and the MEAs positioned between the two end plates. The bipolar plates include an anode side and a cathode side for adjacent fuel cells in the stack. Anode gas flow channels are provided on the anode side of the bipolar plates that allow the anode reactant gas to flow to the corresponding MEA. Cathode gas flow channels are provided on the cathode side of the bipolar plates, which allow the cathode reactant gas to flow to the corresponding MEA. One end plate includes anode gas flow channels and the other end plate includes cathode gas flow channels. The bipolar plates and the end plates are made of a conductive material such. As stainless steel or a conductive composite material. The End plates direct the electricity generated by the fuel cells out of the stack. The bipolar plates also include flow channels through which a cooling fluid flows.
Bei einer Systeminbetriebnahme ist, unter der Annahme, dass ausreichend Zeit seit der vorangegangenen Außerbetriebnahme vergangen ist, der Großteil des bei der letzten Außerbetriebnahme in dem Stapel verbliebenen Wasserstoffes aus dem Stapel heraus diffundiert und sowohl die Kathoden- als auch die Anodenströmungskanäle sind allgemein mit Luft gefüllt. Wenn Wasserstoff bei einer Systeminbetriebnahme in die Anodenströmungskanäle eingeleitet wurde, drückt der Wasserstoff die Luft aus den Anodenströmungskanälen heraus und erzeugt eine Wasserstoff/Luft-Front, die sich durch die Anodenströmungskanäle hindurch bewegt. Wie in der Literatur beschrieben, bewirkt das Vorhandensein der Wasserstoff/Luft-Front auf der Anodenseite kombiniert mit der Luft auf der Kathodenseite, dass eine Reihe von elektrochemischen Reaktionen stattfindet, die den Verbrauch der Kohlenstoffunterstützung auf der Kathodenseite der MEA zur Folge haben, wodurch die Lebensdauer der MEAs in dem Brennstoffzellenstapel reduziert ist. Es wurde z. B. gezeigt, dass es, wenn die Degradationsauswirkungen der Wasserstoff/Luft-Front bei einer Systeminbetriebnahme außer acht gelassen werden, möglich ist, dass etwa 100 Außerbetriebnahme- und Inbetriebnahmezyklen den Brennstoffzellenstapel auf diese Weise zerstören.At system start-up, assuming sufficient time has elapsed since the previous shutdown, most of the hydrogen left in the stack during the last shutdown is diffused out of the stack and both the cathode and anode flow channels are generally filled with air , When hydrogen has been introduced into the anode flow channels at system startup, the hydrogen pushes the air out of the anode flow channels and creates a hydrogen / air front that moves through the anode flow channels. As described in the literature, the presence of the hydrogen / air front on the anode side combined with the air on the cathode side causes a series of electrochemical reactions to occur which result in the consumption of carbon support on the cathode side of the MEA Life of the MEAs is reduced in the fuel cell stack. It was z. For example, it has been shown that, if the degradation effects of the hydrogen / air front are neglected during system start-up, it is possible that about 100 decommissioning and start-up cycles will destroy the fuel cell stack in this manner.
Eine bekannte Technik, um die Luft/Wasserstoff-Front bei einer Systeminbetriebnahme deutlich zu reduzieren und somit die Katalysatorkorrosion zu reduzieren, besteht darin, die Häufigkeit der Inbetriebnahmen zu reduzieren, in denen die Anode und die Kathode mit Luft gefüllt sind. Eine Strategie, um dies zu erreichen, besteht darin, die Anode und die Kathode in einer Stickstoff/Wasserstoff-Umgebung zu belassen. Allerdings wird der Wasserstoff letztlich entweder aus der Anode heraus diffundieren oder von dem Sauerstoff verbraucht werden, der langsam zu dem Stapel zurückkehrt. Somit kann, um das Vermögen, die Katalysatorkorrosion zu reduzieren, zu erweitern, Wasserstoff periodisch in den Stapel eingespritzt werden, während das System außer Betrieb genommen ist. Da der meiste Stickstoff bei einer Systemaußerbetriebnahme in der Kathodenseite verbleibt, sind infolgedessen, dass der Sauerstoff durch die Brennstoffzellenreaktion verbraucht wird, Stickstoff und Wasserstoff die Hauptelemente, die in den Kathoden- und Anodenseiten des Brennstoffzellenstapels nach einer Systemaußerbetriebnahme ausgeglichen werden. Diese lässt nicht zu, dass Luft, die Sauerstoff umfasst, die Luft/Wasserstoff-Front bildet.One known technique for significantly reducing the air / hydrogen front at system start-up, and thus reducing catalyst corrosion, is to reduce the frequency of start-ups in which the anode and cathode are filled with air. One strategy to accomplish this is to leave the anode and cathode in a nitrogen / hydrogen environment. However, eventually the hydrogen will either diffuse out of the anode or be consumed by the oxygen slowly returning to the stack. Thus, to increase the ability to reduce catalyst corrosion, hydrogen may be periodically injected into the stack while the system is decommissioned. As most of the nitrogen remains in the cathode side during system shutdown, as a result of the oxygen being consumed by the fuel cell reaction, nitrogen and hydrogen are the major elements that are balanced in the cathode and anode sides of the fuel cell stack after system shutdown. This does not allow air that includes oxygen to form the air / hydrogen front.
Wenn das Brennstoffzellensystem außer Betrieb genommen wird, dauert die Gaspermeation durch die Membran an, bis sich die Gaskomponentenpartialdrücke auf beiden Seiten der Membran ausgeglichen haben. Das Diffusionsvermögen von Wasserstoff durch die Membran von der Anode zu der Kathode entspricht ungefähr dem Dreifachen der Stickstoffrate von der Kathode zu der Anode. Höhere Diffusionsvermögensraten entsprechen einem schnellen Ausgleich des Wasserstoffpartialdruckes im Vergleich zu einem relativ langsamen Ausgleich des Stickstoffpartialdruckes. Die Differenz in den Gasdiffusionsvermögen bewirkt, dass der Absolutdruck des Anoden-Subsystems fällt, bis der Kathodenwasserstoffpartialdruck den Anodenwasserstoffpartialdruck erreicht. Typischerweise wird die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels bei einer hohen Wasserstoffkonzentration wie z. B. höher als 60% betrieben und es sind große Volumina von wasserstoffreichem Gas in den Anodenverteilern und dem Anodenleitungssystem außerhalb der Anode des Stapels vorhanden. Wenn der Anodenabsolutdruck sinkt, wird mehr Wasserstoff aus dem Anoden-Subsystem in das Anodenströmungsfeld des Stapels gesaugt.When the fuel cell system is decommissioned, gas permeation through the membrane continues until the gas component partial pressures on both sides of the membrane have equalized. The diffusivity of hydrogen across the membrane from the anode to the cathode is about three times the nitrogen rate from the cathode to the anode. Higher diffusivity rates correspond to a rapid compensation of the hydrogen partial pressure compared to a relatively slow compensation of the nitrogen partial pressure. The difference in gas diffusivity causes the absolute pressure of the anode subsystem to drop until the partial hydrogen bromide pressure reaches the partial hydrogen partial pressure. Typically, the anode side of the fuel cell stack is at a high hydrogen concentration such. B. operated higher than 60% and there are large volumes of hydrogen-rich gas in the anode distributors and the anode conduit system outside the anode of the stack available. As the anode absolute pressure decreases, more hydrogen from the anode subsystem is drawn into the anode flow field of the stack.
Das Nettoergebnis des Wasserstoffpartialdruck-Ausgleiches nach einer Systemaußerbetriebnahme ist ein Anstieg in der Konzentration von Wasserstoff in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels mit der Zeit, zumindest für eine bestimmte Zeitspanne, nach einer Außerbetriebnahme.The net result of the hydrogen partial pressure compensation after system shutdown is an increase in the concentration of hydrogen in the cathode side of the fuel cell stack over time, at least for a certain period of time after a shutdown.
Bei einer Systeminbetriebnahme wird der Verdichter gestartet, aber die Konzentration von Wasserstoff, der aus dem Brennstoffzellenstapel aus der Kathode austritt, muss begrenzt sein, um nicht gegen Emissionsauflagen zu verstoßen. Daher muss, da die Kathode der Brennstoffzelle mit frischer Luft gefüllt ist, das wasserstoffreiche Gas, welches aus der Kathodenseite des Stapels austritt, verdünnt sein. Um die Startzeit- und -lärmanforderungen zu erfüllen, besteht ein Bedarf, die Füllzeit der Stapelkathode zu optimieren. Da die Kathodenströmung durch die Leistung, die dem Verdichter zur Verfügung steht, begrenzt ist, muss dieses Füllverfahren robust gegenüber Änderungen in der Verdichtergesamtströmungsrate sein.At system startup, the compressor is started, but the concentration of hydrogen exiting the fuel cell stack from the cathode must be limited so as not to violate emission regulations. Therefore, since the cathode of the fuel cell is filled with fresh air, the hydrogen-rich gas exiting from the cathode side of the stack must be diluted. In order to meet the start time and noise requirements, there is a need to optimize the filling time of the stacked cathode. Since the cathode flow is limited by the power available to the compressor, this filling process must be robust to changes in the total compressor flow rate.
Es ist wünschenswert, die Menge an Wasserstoff in der Anode und der Kathode eines Brennstoffzellensystems während einer Systeminbetriebnahme vorherzusagen oder zu schätzen, um zuzulassen, dass die Inbetriebnahmestrategie Emissionsauflagen nachkommt, während die Zuverlässigkeit maximiert ist und die Startzeit minimiert ist. Es ist allgemein wünschenswert, dass die Wasserstoffkonzentrationsschätzungseinrichtung robust gegenüber außerbetriebnahme- und ausschaltzeitbezogenen Funktionen ist und die Membranpermeation von Gasen wie auch die Luftintrusion von äußeren Quellen berücksichtigt. Gleichzeitig muss der Schätzungsalgorithmus einfach genug sein, um in einem Automobilcontroller vorgesehen zu sein, wobei Berechnung hinreichend minimal sein muss, um beendet zu werden, ohne die Inbetriebnahme zu verzögern.It is desirable to predict or estimate the amount of hydrogen in the anode and cathode of a fuel cell system during system startup to allow the commissioning strategy to meet emissions requirements while maximizing reliability and minimizing startup time. It is generally desirable that the hydrogen concentration estimation means be robust to off-cycle and off-time related functions, and that the Membrane permeation of gases as well as the air intrusion from external sources considered. At the same time, the estimation algorithm has to be simple enough to be provided in an automotive controller, where calculation must be sufficiently minimal to be terminated without delaying commissioning.
Die Bestimmung der Wasserstoffkonzentration in der Anode und der Kathode des Brennstoffzellenstapels bei einer Inbetriebnahme wird dies schnellstmögliche Startzeit zulassen, da es nicht notwendig ist, dass die Systemsteuerung überschüssige Verdünnungsluft bereitstellt, wenn dies nicht erforderlich ist. Ferner sorgt die Kenntnis der Wasserstoffkonzentration für einen zuverlässigeren Start, da die Menge von Wasserstoff in der Anode, die ergänzt werden muss, bekannt sein wird. Dies ist besonders relevant für Inbetriebnahmen aus einem Bereitschaftsmodus oder von der Mitte einer Außerbetriebnahme, wo die Wasserstoffkonzentrationen relativ hoch sein können.Determining the hydrogen concentration in the anode and cathode of the fuel cell stack at start-up will allow for the fastest possible start-up time since it is not necessary for the system controller to provide excess dilution air unless it is necessary. Further, knowledge of the hydrogen concentration provides a more reliable start since the amount of hydrogen in the anode that needs to be replenished will be known. This is particularly relevant for start-up from a standby mode or from the midst of decommissioning, where the hydrogen concentrations may be relatively high.
Ferner verbessert die Kenntnis der Wasserstoffkonzentration die Lebensdauer, da, wenn eine unbekannte Wasserstoffkonzentration in dem Stapel vorhanden ist, typische Inbetriebnahmestrategien vom ungünstigsten Fall im Hinblick auf den Anteil von Wasserstoff zu Einspritzzwecken und 100% Wasserstoff zu Verdünnungszwecken ausgehen. In diesen Situationen könnte die anfängliche Anodenausspülung mit Wasserstoff langsamer sein, als wenn bekannt ist, dass der Stapel mit Luft gefüllt ist. Die Korrosionsrate ist proportional zu der anfänglichen Wasserstoffströmungsrate. Daher wird, ohne genaue Kenntnis der Wasserstoffkonzentration, jedes dieser Ereignisse mehr Schaden anrichten als notwendig.Further, knowledge of hydrogen concentration improves service life because, if there is an unknown concentration of hydrogen in the stack, typical worst case commissioning strategies are for hydrogen for injection purposes and 100% hydrogen for dilution purposes. In these situations, the initial anode purge with hydrogen could be slower than if it is known that the stack is filled with air. The corrosion rate is proportional to the initial hydrogen flow rate. Therefore, without precise knowledge of the hydrogen concentration, each of these events will do more damage than necessary.
Auch sorgt die Kenntnis der Wasserstoffkonzentration für eine verbesserte Effizienz, da eine genauere Bestimmung der Wasserstoffkonzentration in der Anode und der Kathode vor einer Inbetriebnahme zu effektiveren Inbetriebnahmeentscheidungen und einer potentiellen Reduktion der Wasserstoffverwendungen führt. Es könnte z. B. die Verdünnungsluft herabgesetzt werden, wenn bekannt ist, dass der Stapel ohne Wasserstoff in demselben startet. Des Weiteren sorgt die Kenntnis der Wasserstoffkonzentration für robustere Inbetriebnahmen. Im Fall einer vorzeitigen Außerbetriebnahme oder einer Außerbetriebnahme mit einem gestörten Sensor kann der Algorithmus physikalische Grenzen verwenden, um eine obere und eine untere Begrenzung für den Wasserstoff in der Kathode und der Anode vorzusehen.Also, knowledge of the hydrogen concentration provides improved efficiency, as more accurate determination of hydrogen concentration in the anode and cathode prior to startup will result in more effective startup decisions and potential reduction in hydrogen usages. It could be z. B. the dilution air are reduced, if it is known that the stack starts without hydrogen in the same. Furthermore, the knowledge of the hydrogen concentration ensures more robust commissioning. In the case of premature decommissioning or decommissioning with a failed sensor, the algorithm may use physical limits to provide upper and lower bounds for the hydrogen in the cathode and anode.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung sind ein System und ein Verfahren zum Schätzen der Menge an Wasserstoff- und/oder Stickstoff in einem Brennstoffzellenstapel und Stapelvolumina bei einer Systeminbetriebnahme und -außerbetriebnahme vorgesehen. Das Verfahren definiert den Brennstoffzellenstapel und die Stapelvolumina als diskrete Volumina, die ein Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, ein Kathodenströmungsfeldvolumen und ein Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen umfassen. Das Verfahren schätzt die Menge an Wasserstoff und/oder Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen, wenn das Brennstoffzellensystem außer Betrieb genommen wird. Das Verfahren schätzt auch die Menge an Wasserstoff und/oder Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, die Menge an Wasserstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen und die Menge an Wasserstoff in dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen bei einer Systeminbetriebnahme. Diese Werte basieren auf der Schätzung von Wasserstoff und Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen bei einer Systemaußerbetriebnahme während einer ersten Stufe bei einer Systeminbetriebnahme, wenn der Druck zwischen dem Anodenströmungsfeld und dem Kathodenströmungsfeld nicht im Gleichgewicht ist. Das Verfahren schätzt auch die Menge an Wasserstoff in dem Anodenströmungsfeld- und -leitungssystemvolumen und dem Kathodenströmungsfeldvolumen auf der Basis der Schätzung des Wasserstoffes und Stickstoffes in dem Anodenströmungsfeld- und -leitungssystemvolumen, dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen in der ersten Stufe und während einer zweiten Stufe bei einer Systeminbetriebnahme, wenn das Anodenströmungsfeld- und das Kathodenströmungsfeldvolumen im Druckgleichgewicht stehen. Die vorliegende Beschreibung verwendet zwei Kathodenvolumina und ein Anodenvolumen. In Abhängigkeit von der geometrischen Konfiguration der Kathode und der Anode können zusätzliche Volumina erforderlich sein. Das Verfahren kann bei Bedarf für diese Fälle abgewandelt werden.In accordance with the teachings of the present invention, a system and method are provided for estimating the amount of hydrogen and / or nitrogen in a fuel cell stack and stack volumes at system start-up and shutdown. The method defines the fuel cell stack and the stack volumes as discrete volumes that include an anode flow field and anode conduit system volume, a cathode flow field volume, and a cathode manifold and conduit system volume. The method estimates the amount of hydrogen and / or nitrogen in the anode flow field and anode conduit system volume, the cathode flow field volume, and the cathode manifold and conduit system volume when the fuel cell system is decommissioned. The method also estimates the amount of hydrogen and / or nitrogen in the anode flow field and anode conduit system volume, the amount of hydrogen in the cathode flow field volume, and the amount of hydrogen in the cathode distribution and conduit system volume at system startup. These values are based on the estimation of hydrogen and nitrogen in the anode flow field and anode piping volume, the cathode flow field volume, and the cathode manifold and manifold system volume during system shutdown during a first stage at system start-up when the pressure between the anode flow field and the cathode flow field is not in equilibrium , The method also estimates the amount of hydrogen in the anode flow field and conduit system volume and the cathode flow field volume based on the estimate of the hydrogen and nitrogen in the anode flow field and conduit system volume, the cathode flow field volume, and the cathode distributor and conduit system volume in the first stage and during a second stage at system start-up when the anode flow field and cathode flow field volumes are in pressure balance. The present description uses two cathode volumes and one anode volume. Depending on the geometric configuration of the cathode and the anode, additional volumes may be required. If necessary, the procedure can be modified for these cases.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den beigelegten Zeichnungen offensichtlich.Further features of the present invention will become apparent from the subsequent detailed description and the appended claims, taken in conjunction with the accompanying drawings.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Detaillierte Beschreibung der AusführungsformenDetailed description of the embodiments
Die nachfolgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die sich auf ein System und ein Verfahren zum Schätzen der Wasserstoff- und/oder Stickstoffkonzentration in einem Brennstoffzellenstapel und weiteren Systemvolumina bei einer Systeminbetriebnahme und einer Systemaußerbetriebnahme bezieht, ist rein beispielhaft und soll die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.The following explanation of the embodiments of the invention, which relates to a system and method for estimating the hydrogen and / or nitrogen concentration in a fuel cell stack and other system volumes at system startup and system shutdown, is merely exemplary and is intended to cover the invention or its applications Limit uses in any way.
Ein Injektor
Das Kathoden-Subsystem umfasst Umgehungs- und/oder Ablassventile, um eine Steuerung der Umleitung von Luft um den Brennstoffzellenstapel
Wie oben erläutert, umfasst eine bekannte Brennstoffzellenystem-Außerbetriebnahmeprozedur, dass ein Stickstoff/Wasserstoff-Gemisch in sowohl den Anoden- als auch den Kathodenströmungsfeldern des Brennstoffzellenstapels
Für beide dieser Teile sind die Systemkathode und -anode in drei definierte Volumina unterteilt. Im Speziellen zeigt
Für den ersten Teil der Prozedur befindet sich das System
Eine detaillierte Erläuterung des Vorganges zum Schätzen der Gaskonzentration lautet wie folgt für eine spezielle nicht einschränkende Ausführungsform zur Bestimmung von Stickstoff- und Wasserstoffströmungen für den ersten Teil des Außerbetriebnahmeprozesses. Die Gesamtmole con Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen
Die Wasserstoffpermeation an der Strömungsleitung
Das Ideale Gasgesetz wird verwendet, um die Gesamtzahl der Mole von trockenem Gas zu schätzen, die das Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen
Die Wasserstoffdiffusion und -konvektion an der Strömungsleitung
Die Wasserstoffströmungsrate auf Grund von Diffusion
Die Wasserstoffströmungsrate auf Grund von Konvektion entlang der Leitung
Die Gesamtmole von Wasserstoff in dem Kathodenleitungssystemvolumen
Die Gesamtmole von Wasserstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen
Die Mole von Stickstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen
Der zweite Teil der Prozedur wird verwendet, wenn das System
Um die Lösung zu vereinfachen, wird das Außerbetriebnahmemodell in zwei Stufen aufgeteilt. In einer ersten Stufe stellen Wasserstoff und Stickstoff schnell ein Gleichgewicht über die Stapelmembranen her und Wasserstoff diffundiert in das Kathodenleitungssystem. Für einige Leitungssystemkonfigurationen stellt sich das Gleichgewicht typischerweise 15–45 Minuten nach der Außerbetriebnahme ein. Man geht davon aus, dass in der ersten Stufe sehr wenig Wasserstoff verloren geht, da man annimmt, dass der Verteilersauerstoff während der letzten Außerbetriebnahme verbraucht wurde und jegliche überbordende Diffusionseffekte vernachlässigbar sind. In einer zweiten Stufe wird der Sauerstoff von dem unterstromigen Kathodenleitungssystem langsam zurück in den Stapel strömen und den Wasserstoff verbrauchen. Auch könnte eine sehr kleine Konzentration Wasserstoff durch einen überbordenden Sickerverlust aus dem System austreten. Wenn gespeicherter Wasserstoff in einem dazwischen liegenden oberstromigen Volumen vorhanden ist, kann ein möglicher Sickerverlust in das Brennstoffzellensystem berücksichtigt werden.To simplify the solution, the decommissioning model is split into two stages. In a first stage, hydrogen and nitrogen rapidly equilibrate over the stack membranes and hydrogen diffuses into the cathode conduit system. For some conduit system configurations, equilibrium typically sets in 15-45 minutes after decommissioning. It is believed that very little hydrogen is lost in the first stage because it is believed that the distribution oxygen was consumed during the last shutdown and any overflowing diffusion effects are negligible. In a second stage, oxygen from the downstream cathode conduit system will slowly flow back into the stack and consume the hydrogen. Also, a very small concentration of hydrogen could leak out of the system due to excessive leakage. If stored hydrogen is present in an intervening upstream volume, any potential leakage into the fuel cell system may be taken into account.
Für die Berechnungen der ersten Stufe ist die Stickstoffpermeationsströmung an der Leitung
Da der Anodendruck nicht bekannt ist, während das System ausgeschaltet ist, muss er bei jedem Zeitschritt schätzt werden. Die Menge an Wasserstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen
Der Injektorsickerverlust an der Strömungsleitung
In der zweiten Stufe wird angenommen, dass die Wasserstoffpermeation durch die Membranen viel schneller ist als die Menge von Wasserstoff, die hinaus gehend verloren geht oder verbraucht wird.
Als eine Vereinfachung stehen die Mole von Wasserstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen
Die Mole von Wasserstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen
Der anfängliche Wasserstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen
Die Sauerstoffintrusion auf Grund thermischer Gaskontraktion an der Strömungsleitung
Die Wasserstoffinjektorsickerverlustströmung an der Strömungsleitung
In einer alternativen Ausführungsform können Stoffbilanzen um den Wasser- und Sauerstoffgehalt erzeugt und gehandhabt werden. Allerdings würde, während die Verwendung eines Modells mit mehr Inhalt und Rechenkomplexität attraktiv ist, diese nicht unbedingt die Gesamtgenauigkeit des Algorithmus erhöhen.In an alternative embodiment, material balances can be generated and handled around the water and oxygen content. However, while using a model with more content and computational complexity would be attractive, it would not necessarily increase the overall accuracy of the algorithm.
Die vorhergehende Erläuterung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird aus dieser Erläuterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen ohne weiteres erkennen, dass dabei verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und Schutzumfang der Erfindung, die in den nachfolgenden Ansprüchen definiert sind, abzuweichen.The foregoing discussion discloses and describes merely exemplary embodiments of the present invention. One skilled in the art will readily recognize from such discussion and from the accompanying drawings and claims that various changes, modifications and variations can be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the following claims.
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