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

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 Download PDF

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John P. Salvador
Joseph Nicholas Lovria
Sriram Ganapathy
John C. Fagley
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Abstract

The estimation method involves defining fuel cell system (10) as discrete volume including anode flow-field and anode plumbing volume, and estimating amount of hydrogen and nitrogen in anode flow-field and anode plumbing volume, cathode flow-field volume, and cathode header and plumbing volume when fuel cell system is shutdown. The amount of hydrogen in anode flow-field and plumbing volume, and cathode flow-field volume is estimated based on estimation of hydrogen and nitrogen in the anode flow-field and plumbing volume, cathode flow-field volume, and cathode header and plumbing volume. An independent claim is also included for a hydrogen and nitrogen concentration estimation system in fuel cell system.

Description

Querverweis auf verwandte AnmeldungenCross-reference to related applications

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

1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems; 1 Fig. 10 is a schematic block diagram of a fuel cell system;

2 ist ein Blockdiagramm eines Systems, das eine Wasserstoffkonzentration in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel für eine erste Stufe während einer Systeminbetriebnahme schätzt; und 2 is a block diagram of a system having a hydrogen concentration in the in 1 estimates fuel cell stack for a first stage during system startup; and

3 ist ein Blockdiagramm eines Systems, das eine Wasserstoffkonzentration in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel für eine zweite Stufe während einer Systeminbetriebnahme schätzt. 3 is a block diagram of a system having a hydrogen concentration in the in 1 estimates fuel cell stack for a second stage during system startup.

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.

1 ist eine schematische Draufsicht eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Ein Verdichter 14 stellt verdichtete Luft an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 an einer Kathodeneingangsleitung 16 bereit. Ein Kathodenabgas wird aus dem Brennstoffzellenstapel 12 an einer Kathodenabgasleitung 18 ausgegeben. Ein Drucksensor 28 misst den Umgebungsdruck in der Abgasleitung 18. Ein Umgehungsventil 20 ist in einer Umgehungsleitung 22 vorgesehen, das direkt eine Verbindung mit der Kathodeneingangsleitung 16 mit der Kathodenaungangsleitung 18 herstellt, um den Stapel 12 zu umgehen. Somit bestimmt die selektive Steuerung des Umgehungsventils 20, wie viel von der Kathodenluft durch den Stapel 12 strömen wird und wie viel von der Kathodenluft den Stapel 12 umgehen wird. Ein Verdichterströmungsmesser (CFM) 24 ist in einer Eingangsleitung 26 zu dem Verdichter 14 vorgesehen und misst die Luftströmung durch den Verdichter 14. Ein Temperatursensor 30 ist vorgesehen, um die Temperatur des Stapels 12 zu messen. 1 is a schematic plan view of a fuel cell system 10 putting a fuel cell stack 12 includes. A compressor 14 provides compressed air to the cathode side of the fuel cell stack 12 on a cathode input line 16 ready. A cathode exhaust gas is removed from the fuel cell stack 12 on a cathode exhaust gas line 18 output. A pressure sensor 28 measures the ambient pressure in the exhaust pipe 18 , A bypass valve 20 is in a bypass line 22 provided that directly connects to the cathode input line 16 with the cathode discharge line 18 makes the pile 12 to get around. Thus, the selective control of the bypass valve determines 20 how much of the cathode air through the stack 12 will flow and how much of the cathode air the stack 12 will work around. A compressor flow meter (CFM) 24 is in an input line 26 to the compressor 14 provided and measures the flow of air through the compressor 14 , A temperature sensor 30 is provided to the temperature of the stack 12 to eat.

Ein Injektor 32 spritzt Wasserstoffgas in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 an einer Anodeneingangsleitung 34 von einer Wasserstoffquelle 36 wie z. B. einem Hochdrucktank ein. Das Anodengas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 12 ausgestoßen wird, wird an einer Rezirkulationsleitung 38 zurück zu dem Injektor 32 rezirkuliert. Wie auf dem technischen Gebiet gut bekannt ist, ist es von Zeit zu Zeit notwendig, das Anodenabgas abzulassen, um Stickstoff aus der Anodenseite des Stapels 12 zu entfernen. Ein Entlüftungsventil 40 ist zu diesem Zweck in der Anodenabgasleitung 42 vorgesehen, wobei das abgelassene Anodenabgas mit dem Kathodenabgas an der Leitung 18 kombiniert wird, um den Wasserstoff innerhalb des Anodenabgases zu verdünnen, sodass er unter den Brennstoff- und/oder Emissionsgrenzwerten liegt. Ein Drucksensor 44 ist in der Rezirkulationsleitung 38 vorgesehen und stellt eine Messung des Druckes in dem Anodensubsystem bereit. Wenngleich sich der Drucksensor 44 in dieser Ausführungsform in der Rezirkulationsleitung 38 befindet, kann der Drucksensor 44 an jeder beliebigen Position innerhalb des Anoden-Subsystems vorgesehen sein, die geeignet ist, eine genaue Ablesung des Druckes vorzunehmen. Auch wird die Erfindung, wie hierin erläutert, Anwendung für Strömungsumschaltsysteme finden, die Fachleuten gut bekannt sind.An injector 32 Hydrogen gas injects into the anode side of the fuel cell stack 12 at an anode input line 34 from a hydrogen source 36 such as B. a high-pressure tank. The anode gas coming out of the fuel cell stack 12 is discharged at a recirculation line 38 back to the injector 32 recirculated. As is well known in the art, from time to time it is necessary to drain the anode exhaust to remove nitrogen from the anode side of the stack 12 to remove. A bleed valve 40 is for this purpose in the anode exhaust gas line 42 provided, wherein the drained anode exhaust gas with the cathode exhaust gas to the line 18 is combined to dilute the hydrogen within the anode exhaust gas so that it is below the fuel and / or emission limits. A pressure sensor 44 is in the recirculation line 38 and provides a measure of the pressure in the anode subsystem. Although the pressure sensor 44 in this embodiment in the recirculation line 38 is located, the pressure sensor 44 be provided at any position within the anode subsystem, which is adapted to make an accurate reading of the pressure. Also, as explained herein, the invention will find application to flow switching systems well known to those skilled in the art.

Das Kathoden-Subsystem umfasst Umgehungs- und/oder Ablassventile, um eine Steuerung der Umleitung von Luft um den Brennstoffzellenstapel 12 herum zuzulassen. Die Steuerung der verschiedenen Ventile kann optimiert sein, um den maximal erwünschten Kathodenausstoß von Wasserstoff aufrechtzuerhalten, um die Kathodenseite des Stapels 12 in der minimal möglichen Zeit mit einer spezifischen Luftströmung zu füllen. Da das Kathoden-Subsystem groß ist, ist die Konzentration des Wasserstoffgases in dem Kathoden-Subsystem nicht gleichmäßig. Ferner wird der Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel 12 und den verschiedenen Leitungen nach der letzten Systemaußerbetriebnahme weiter abnehmen, sodass die Konzentration von Wasserstoffgas nicht nur in Abhängigkeit von dem Ort variiert, sondern mit der Zeit kontinuierlich reduziert wird.The cathode subsystem includes bypass and / or dump valves to control the diversion of air around the fuel cell stack 12 to allow around. The control of the various valves may be optimized to maintain the maximum desired cathode output of hydrogen around the cathode side of the stack 12 to fill with a specific air flow in the minimum possible time. Since the cathode subsystem is large, the concentration of hydrogen gas in the cathode subsystem is not uniform. Further, the hydrogen in the fuel cell stack becomes 12 and decrease the various lines after the last system shutdown, so that the concentration of hydrogen gas not only varies depending on the location but is continuously reduced with time.

Wie oben erläutert, umfasst eine bekannte Brennstoffzellenystem-Außerbetriebnahmeprozedur, dass ein Stickstoff/Wasserstoff-Gemisch in sowohl den Anoden- als auch den Kathodenströmungsfeldern des Brennstoffzellenstapels 12 zurück bleibt, wobei typischerweise eine niedrige Konzentration von Sauerstoff in dem Kathodenleitungssystem aufrechterhalten wird. Wasserstoff tritt in die Kathode durch Permeation durch die Stapelmembranen hindurch ein, nachdem der Kathodensauerstoff im Wesentlichen verbraucht wurde. Die vorliegende Erfindung schlägt ein System und ein Verfahren zum Schätzen der Konzentration von Wasserstoff und/oder Stickstoff in einer Brennstoffzellenstapelkathode und -anode bei einer Systeminbetriebnahme und -außerbetriebnahme vor. Das System und das Verfahren zum Schätzen der Konzentration von Wasserstoff und/oder Stickstoff in der Kathode und der Anode ist in einen ersten Teil und einen zweiten Teil unterteilt. Der erste Teil bestimmt Gaskonzentrationen in der Kathode und der Anode, wenn das System außer Betrieb genommen wird, und der zweite Teil schätzt die Wasserstoffkonzentrationen innerhalb der Kathode und der Anode über die Zeit bis zu der nächsten Systeminbetriebnahme.As discussed above, one known fuel cell system shutdown procedure involves a nitrogen / hydrogen mixture in both the anode and cathode flow fields of the fuel cell stack 12 remains, typically maintaining a low concentration of oxygen in the cathode conduit system. Hydrogen enters the cathode by permeation through the stack membranes after the cathode oxygen has been substantially consumed. The present invention proposes a system and method for estimating the concentration of hydrogen and / or nitrogen in a fuel cell stack cathode and anode at system start-up and decommissioning. The system and method for estimating the concentration of hydrogen and / or nitrogen in the cathode and the anode is divided into a first part and a second part. The first part determines gas concentrations in the cathode and anode when the system is decommissioned and the second part estimates the hydrogen concentrations within the cathode and anode over time until the next system startup.

Für beide dieser Teile sind die Systemkathode und -anode in drei definierte Volumina unterteilt. Im Speziellen zeigt 2 ein Brennstoffzellensystem 50, das ein Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen 52, ein Kathodenströmungsfeldvolumen 54 und ein Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen 56 umfasst. Die relevanten Gasströmungen sind als eingespritzter Wasserstoff in das Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen 52 mit einem Injektorsickerverlust an der Leitung 58, einer Permeation von Wasserstoff von dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen 52 zu dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 an der Leitung 60, einer Stickstoffpermeation von dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 zu dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen 52 an der Leitung 62, der Diffusion und Konvektion von Wasserstoff von dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 zu dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen 56 an der Leitung 64 und der Konvektion von Stickstoff von dem Kathodenverteiler- und Kathodenleitungssystemvolumen 56 zu dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 an der Leitung 66 gezeigt. Diese Konvektionsbedingungen treten auf Grund der Abkühlung des Systems über die Zeit während einer Außerbetriebnahme auf. Die Gruppierung aller Anodenvolumina zu einem Volumen ist eine Vereinfachung auf der Basis der Annahme, dass das Stapelinnenvolumen viel größer ist als das Leitungssystemvolumen. Wenn diese Annahme für ein gegebenes System nicht genau ist, dann könnten zusätzliche Volumina erforderlich sein. Ebenso könnte das Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen 56 bei gegebenen und individuellen Systemgeometrieeigenschaften in mehrere Volumina aufgeteilt sein.For both of these parts, the system cathode and anode are divided into three defined volumes. In particular shows 2 a fuel cell system 50 comprising an anode flow field and anode conduit system volume 52 , a cathode flow field volume 54 and a cathode manifold and conduit system volume 56 includes. The relevant gas flows are as injected hydrogen into the anode flow field and anode conduit system volume 52 with an injector leakage on the line 58 , a permeation of hydrogen from the anode flow field and anode conduit system volume 52 to the cathode flow field volume 54 on the line 60 , a nitrogen permeation from the cathode flow field volume 54 to the anode flow field and anode conduit system volume 52 on the line 62 , the diffusion and convection of hydrogen from the cathode flow field volume 54 to the cathode distribution and piping system volume 56 on the line 64 and the convection of nitrogen from the cathode manifold and cathode conduit system volume 56 to the cathode flow field volume 54 on the line 66 shown. These convection conditions occur due to the cooling of the system over time during decommissioning. The grouping of all anode volumes into one volume is a simplification based on the assumption that the stack internal volume is much larger than the conduit system volume. If this assumption is not accurate for a given system, then additional volumes may be required. Likewise, the cathode distribution and piping system volume could 56 be divided into several volumes given given and individual system geometry properties.

Für den ersten Teil der Prozedur befindet sich das System 10 in dem Prozess der Außerbetriebnahme oder des Eintretens in einen Bereitschaftszustand. Der Algorithmus schätzt die Mole von Wasserstoff und Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen 52, dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen 56 in regelmäßigen Zeitschritten während der Außerbetriebnahmeprozedur. Die Anfangswerte für den Anodenwasserstoff und -stickstoff werden mit einem Satz von Kalibrationen oder einem geeigneten Laufzeitmodell bestimmt. Die Feuchtigkeit wird berücksichtigt, indem der Partialdruck von Wasser in der Anode und der Kathode von dem Gesamtdruck subtrahiert wird. Am Ende der Außerbetriebnahme werden die schätzten Wasserstoff- und Stickstoffkonzentrationswerte zusammen mit der Außerbetriebnahmezeit und kritischen Systemdrücken und -temperaturen in dem nicht flüchtigen Speicher des Controllers aufgezeichnet, sodass sie Zündschlüsselzyklen überdauern. Es werden auch relative Feuchtigkeitsniveaus und die anfängliche Sauerstoffkonzentration aufgezeichnet.The first part of the procedure is the system 10 in the process of decommissioning or entering a standby state. The algorithm estimates the moles of hydrogen and nitrogen in the anode flow field and anode conduit system volumes 52 , the cathode flow field volume 54 and the cathode manifold and conduit system volume 56 at regular intervals during the decommissioning procedure. The initial values for the anode hydrogen and nitrogen are determined with a set of calibrations or a suitable runtime model. The moisture is taken into account by subtracting the partial pressure of water in the anode and the cathode from the total pressure. At the end of decommissioning, the estimated hydrogen and nitrogen concentration values along with the decommissioning time and critical system pressures and temperatures are recorded in the non-volatile memory of the controller so that they outlast keychain cycles. Relative humidity levels and initial oxygen concentration are also recorded.

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 52 ist gegeben durch: n N2 / An(k + 1) = n N2 / An(k) – (ṅN2(k)·Δt) (1) wobei der Stickstoff in die Anode durch die Strömungsleitung 62 als: ṅN2(k) = C2·(P N2 / An(k) – P N2 / Ca(k)) (2) strömt, wobei n N2 / An die Anodenstickstoffmole sind, ṅN2(k) die molare Stickstoffströmungsrate von der Anode zu der Kathode ist, C2 ein Stickstoffpermeationskoeffizient von der Anode zu der Kathode ist und eine Funktion der Membraneigenschaften und örtlichen Bedingungen wie z. B. der Temperatur und der relativen Feuchtigkeit ist, P N2 / An und P N2 / Ca die Partialdrücke des Stickstoffgases in der Anode bzw. der Kathode sind; und Δt ein Zeitschritt ist, wobei sich die nachgestellten Zeichen k und k + 1 auf die Zeitpunkte k und k + 1 und t(k + 1) – t(k) = Δt beziehen.A detailed explanation of the process of estimating gas concentration is as follows for a particular non-limiting embodiment for determining nitrogen and hydrogen flows for the first part of the decommissioning process. The total moles of nitrogen in the anode flow field and anode conduit system volume 52 is given by: n N2 / An (k + 1) = n N2 / An (k) - (ṅ N2 (k) · Δt) (1) the nitrogen being in the anode through the flow line 62 when: ṅ N2 (k) = C 2 · (P N2 / An (k) -P N2 / Ca (k)) (2) flows, being n N2 / on the anode nitrogen moles are, ṅ N2 (k) is the molar nitrogen flow rate from the anode to the cathode, C 2 is a nitrogen permeation coefficient from the anode to the cathode, and a function of the membrane properties and local conditions such. Temperature and relative humidity, P N2 / An and P N2 / Ca the partial pressures of the nitrogen gas in the anode and the cathode, respectively; and Δt is a time step, wherein the trailing characters k and k + 1 refer to the times k and k + 1 and t (k + 1) - t (k) = Δt.

Die Wasserstoffpermeation an der Strömungsleitung 60 ist durch eine Gleichung analog zu Gleichung (2) als: ṅH2(k) = C1·(P H2 / An(k) – P H2 / Ca(k)) (3) gegeben, wobei ṅH2(k) die molare Wasserstoffströmungsrate von der Anode zu der Kathode ist, C1 ein Wasserstoffpermeationskoeffizient von der Anode zu der Kathode ist und eine Funktion der Membraneigenschaften und örtlichen Bedingungen ist, und P H2 / An und P H2 / Ca die Partialdrücke des Wasserstoffes in der Anode bzw. der Kathode sind.The hydrogen permeation on the flow line 60 is by an equation analogous to equation (2) as: ṅ H2 (k) = C 1 · (P H2 / An (k) - P H2 / Ca (k)) (3) where ṅ H2 (k) is the molar hydrogen flow rate from the anode to the cathode, C 1 is a hydrogen permeation coefficient from the anode to the cathode, and a function of Membrane properties and local conditions is, and P H2 / on and P H2 / Ca the partial pressures of the hydrogen in the anode or the cathode are.

Das Ideale Gasgesetz wird verwendet, um die Gesamtzahl der Mole von trockenem Gas zu schätzen, die das Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen 52, korrigiert für die Feuchtigkeit, aufnehmen kann. Da der Druck in der Anode durch den Sensor 44 gemessen wird und der Druck dadurch aufrechterhalten wird, dass der Anode über die Leitung 58 reiner Wasserstoff zugesetzt wird, werden die Gesamtmole von Wasserstoff in dem Anodenvolumen 52 schätzt, indem die Menge von Stickstoff in der Anode von den Gesamtmolen in der Anode subtrahiert wird.

Figure 00150001
n H2 / An(k + 1) = nAn(k) – ṅ N2 / An(k) (5) wobei n H2 / An die Anodenwasserstoffmole sind, n N2 / An die Anodenstickstoffmole sind, TStck(k) die Stapeltemperatur ist, VAn das Anodenvolumen ist, RHest(k) die relative Feuchtigkeit in der Anode ist, Psat(k) der Sättigungsdruck bei der Stapeltemperatur ist, Pan(k) der Anodendruck ist, und nAn die Anodengesamtmole sind.The ideal gas law is used to estimate the total number of moles of dry gas that the anode flow field and anode piping volume 52 , corrected for moisture, can absorb. As the pressure in the anode through the sensor 44 is measured and the pressure is maintained by the anode via the line 58 pure hydrogen is added, the total moles of hydrogen in the anode volume 52 estimates by subtracting the amount of nitrogen in the anode from the total moles in the anode.
Figure 00150001
n H2 / An (k + 1) = n An (k) - ṅ N2 / An (k) (5) in which n H2 / on are the hydrogen iodide moles, n N2 / on the anode nitrogen mole- cules are, T piece (k) is the stack temperature, V an is the anode volume, RH est (k) is the relative humidity in the anode, P sat (k) is the saturation pressure at the stack temperature, P an (k) the Anode pressure is, and n to the anode total mole are.

Die Wasserstoffdiffusion und -konvektion an der Strömungsleitung 64 von dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 zu dem Kathodenleitungssystemvolumen 56 ist gegeben durch: ṅ H2 / Ca plumb(k) = (ṅ H2 / D f sn(k) + ṅ H2 / Conv(k)) (6) wobei n H2 / Ca plumb die Kathodenleitungssystem-Wasserstoffmole sind, ṅ H2 / Ca plumb die Wasserstoffströmungsrate in das Kathodenleitungssystem hinein an der Leitung 64 ist, ṅ H2 / D f sn die Wasserstoffströmungsrate auf Grund von Diffusion ist, und ṅ H2 / Conv(k) die Rate der Wasserstoffkonvektion entlang der Leitung 64 ist.Hydrogen diffusion and convection at the flow line 64 from the cathode flow field volume 54 to the cathode conduit system volume 56 is given by: ṅ H2 / Ca plumb (k) = (ṅ H2 / D f sn (k) + ṅ H2 / Conv (k)) (6) in which n H2 / Ca plumb the cathode conduit hydrogen moles are, ṅ H2 / Ca plumb the hydrogen flow rate into the cathode conduit system on the line 64 is ṅ H2 / D f sn is the hydrogen flow rate due to diffusion, and ṅ H2 / Conv (k) the rate of hydrogen convection along the line 64 is.

Die Wasserstoffströmungsrate auf Grund von Diffusion ṅ H2 / D f sn ist gegeben mithilfe von: ṅ H2 / D f sn(k) = C3·(y H2 / Ca f f ld(k) – y H2 / Ca plumb(k)) (7) wobei C3 ein effektiver Wasserstoffdiffusionskoeffizient ist, der Folgen einer natürlichen Konvektionsdurchmischung wie auch der molekularen Diffusion umfassen kann, y H2 / Ca f f ld der Wasserstoffmolenbruch des Kathodenströmungsfeldes ist, und y H2 / Ca plumb der Wasserstoffmolenbruch des Kathodenleitungssystems ist.The hydrogen flow rate due to diffusion ṅ H2 / D f sn is given by: ṅ H2 / D f sn (k) = C 3 · (y H2 / Ca ff ld (k) - y H2 / Ca plumb (k)) (7) where C 3 is an effective hydrogen diffusion coefficient, which may include consequences of natural convection mixing as well as molecular diffusion, y H2 / Ca ff ld is the hydrogen mole fraction of the cathode flow field, and y H2 / Ca plumb is the hydrogen mole fraction of the cathode conduit system.

Die Wasserstoffströmungsrate auf Grund von Konvektion entlang der Leitung 64, ṅ H2 / Conv(k) ist gegeben mithilfe von: ṅ H2 / Conv(k) = (ṅH2(k) – ṅN2(k) – ṅ H2 / D f sn(k))·y H2 / Ca f f ld(k) (8) wobei ṅH2(k) und ṅN2(k) die Wasserstoff- bzw. Stickstoffpermeation von der Anode ist und y H2 / Ca f f ld(k) der Wasserstoffmolenbruch in dem Kathodenströmungsfeld ist. Es wird eine Stoffbilanz verwendet, um Gleichung (8) zu entwickeln. Sie basiert auf der Annahme, dass sich der Kathodendruck nicht ändert, da die Kathode nicht vollständig abgedichtet ist.The hydrogen flow rate due to convection along the line 64 . ṅ H2 / Conv (k) is given by: ṅ H2 / Conv (k) = (ṅ H2 (k) - ṅ N2 (k) - ṅ H2 / D f sn (k)) · y H2 / Ca ff ld (k) (8) where ṅ H2 (k) and ṅ N2 (k) is the hydrogen or nitrogen permeation of the anode and y H2 / Ca ff ld (k) is the hydrogen mole fraction in the cathode flow field. A material balance is used to develop equation (8). It is based on the assumption that the cathode pressure does not change since the cathode is not completely sealed.

Die Gesamtmole von Wasserstoff in dem Kathodenleitungssystemvolumen 56 ist beschrieben durch: n H2 / Ca plumb(k + 1) = n H2 / Ca plumb(k) + (ṅ H2 / Ca plumb(k)·Δt) (9) The total moles of hydrogen in the cathode conduit system volume 56 is described by: n H2 / Ca plumb (k + 1) = n H2 / Ca plumb (k) + (ṅ H2 / Ca plumb (k) · Δt) (9)

Die Gesamtmole von Wasserstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 sind beschrieben durch: n H2 / Ca f f ld(k + 1) = n H2 / ca f f ld(k) + (ṅ H2 / Ca f f ld(k)·Δt) (10) wobei die Strömung von Wasserstoff in das Kathodenströmungsfeldvolumen 54 hinein oder aus diesem heraus beschrieben ist durch: ṅ H2 / Ca f f ld(k) = (ṅH2(k) – ṅ N2 / D f sn(k) – ṅ N2 / Conv(k)) (11) wobei ṅH2 die Wasserstoffpermeationsrate von der Anode ist, n H2 / Ca f f ld die Wasserstoffmole des Kathodenströmungsfeldes sind, ṅ H2 / Ca f f ld(k) die Wasserstoffströmungsrate des Kathodenströmungsfeldes ist und Δt der Zeitschritt ist.The total moles of hydrogen in the cathode flow field volume 54 are described by: n H2 / Ca ff ld (k + 1) = n H2 / ca ff ld (k) + (ṅ H2 / Ca ff ld (k) · Δt) (10) the flow of hydrogen into the cathode flow field volume 54 in or out of this is described by: ṅ H2 / Ca ff ld (k) = (ṅ H2 (k) - ṅ N2 / D f sn (k) - ṅ N2 / Conv (k)) (11) where ṅ H2 is the hydrogen permeation rate of the anode, n H2 / Ca ff ld are the hydrogen moles of the cathode flow field, ṅ H2 / Ca ff ld (k) is the hydrogen flow rate of the cathode flow field and Δt is the time step.

Die Mole von Stickstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 sind gegeben durch: n N2 / Ca f f ld(k) = nCa f f ld(k) – n H2 / Ca f f ld(k) (12) wobei n N2 / Ca f f ld die Stickstoffmole des Kathodenströmungsfeldes sind und n H2 / Ca f f ld die Wasserstoffmole des Kathodenströmungsfeldes sind und nCa f f ld die Gesamtmole des Strömungsfeldes sind, die mithilfe des Idealen Gasgesetzes in Kenntnis des/der Kathodendruckes und -temperatur und im Hinblick auf die relative Feuchtigkeit korrigiert schätzt werden. Dabei wird von der Annahme ausgegangen, dass während einer Außerbetriebnahme, bei der ein H2/N2-Gemisch in der Kathode und der Anode zurückbleibt, die Sauerstoffkonzentration hinreichend niedrig ist, sodass sie vernachlässigbar ist. Zur Unterstützung dieser Annahme könnte es notwendig sein, die Anfangszeit zu modifizieren. Die Stickstoffströmungsrate zwischen dem Kathodenströmungsfeld und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystem an der Leitung 66 könnte aus Gleichung (12) berechnet werden, sie ist jedoch in anderen Gleichungen nicht explizit erforderlich.The mole of nitrogen in the cathode flow field volume 54 are given by: n N2 / Ca ff ld (k) = n Ca ff ld (k) - n H2 / Ca ff ld (k) (12) in which n N2 / Ca ff ld the nitrogen mols of the cathode flow field are and n H2 / Ca ff ld are the hydrogen moles of the cathode flow field and n Ca ff ld are the total moles of the flow field which are estimated to be corrected by the Ideal Gas Law with knowledge of the cathode pressure and temperature and relative humidity. It is assumed that during decommissioning, in which a H2 / N2 mixture in the cathode and the anode remains, the oxygen concentration is sufficiently low, so that it is negligible. To support this assumption, it may be necessary to modify the start time. The nitrogen flow rate between the cathode flow field and the cathode distribution and piping system on the line 66 could be calculated from equation (12), but it is not explicitly required in other equations.

Der zweite Teil der Prozedur wird verwendet, wenn das System 10 neu gestartet wird. Wenn der Controller sich einschaltet und idealerweise bevor irgendwelche Gase strömen, sagt ein Modell die Wassertsoff-, Sickstoff- und Luftgasbewegung innerhalb der Volumina vorher, die aufgetreten ist, während das System 10 außer Betrieb war, einschließlich des Wasserstoffverbrauches und überbordender Verluste. Das Modell verwendet die Drücke, Temperaturen, Gaskonzentrationen, die Außerbetriebnahmezeit etc., die in dem nicht flüchtigen Speicher aus dem ersten Teil als Anfangsbedingungen gespeichert wurden. Das Modell schätzt die Wasserstoffkonzentration in der Anode und der Kathode als eine Funktion der Zeit, in der das System ausgeschaltet war.The second part of the procedure is used when the system 10 is restarted. When the controller turns on, and ideally before any gases flow, a model predicts the water, nitrogen, and air-gas movement within the volumes that has occurred while the system is in operation 10 was out of order, including hydrogen consumption and excessive losses. The model uses the pressures, temperatures, gas concentrations, decommissioning time, etc. stored in the non-volatile memory from the first part as initial conditions. The model estimates the hydrogen concentration in the anode and cathode as a function of the time the system was turned off.

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 62 dieselbe wie Gleichung (2), die Wasserstoffpermeationsströmung an der Leitung 60 ist dieselbe wie Gleichung (14), die Wasserstoffdiffusions- und -konvektionsströmung an der Leitung 64 ist dieselbe wie die Gleichungen (7) und (8) und die Stickstoffkonvektionsströmung an der Leitung 66 ist implizit durch Gleichung (12) beschrieben. In dieser Beschreibung wird angenommen, dass Luft über die Kathode, während es ausgeschaltet ist, entweder durch die Kathodenventile oder über andere Medien langsam in das System gelangen kann. Dies führt zu einem Kathodendruck, der innerhalb weniger kPa Umgebungsdruck bleibt. Wenn ein Kathodensystem vollständig abgedichtet ist, so dass nicht davon ausgegangen werden kann, dass der Kathodendruck konstant ist, dann würde die Kathode ein geschlossenes System werden. Der Druck in dem Kathodenströmungsfeld müsste für jeden Zeitschritt berechnet werden und die Stickstoffkonvektion in das Strömungsfeld hinein müsste explizit berechnet werden, anstatt durch Gleichung (12) hergeleitet zu werden.For the first stage calculations, the nitrogen permeation flow is on the line 62 the same as equation (2), the hydrogen permeation flow on the line 60 is the same as equation (14), the hydrogen diffusion and convection flow on the pipe 64 is the same as equations (7) and (8) and the nitrogen convection flow on the line 66 is implicitly described by equation (12). In this description, it is believed that air over the cathode while it is turned off can enter the system slowly through either the cathode valves or other media. This results in a cathode pressure that remains within a few kPa of ambient pressure. If a cathode system is completely sealed, so that it can not be assumed that the cathode pressure is constant, then the cathode would become a closed system. The pressure in the cathode flow field would have to be calculated for each time step, and the nitrogen convection into the flow field would have to be calculated explicitly instead of being derived by equation (12).

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 52 wird mithilfe von: n H2 / An(k + 1) = n H2 / An(k) – (ṅH2(k)·Δt) (13) berechnet.Since the anode pressure is not known while the system is off, it must be estimated at each time step. The amount of hydrogen in the anode flow field and anode conduit system volume 52 is using: n H2 / An (k + 1) = n H2 / An (k) - (ṅ H2 (k) · Δt) (13) calculated.

Der Injektorsickerverlust an der Strömungsleitung 58 ist gegeben durch:

Figure 00200001
wobei
Figure 00200002
die aus der Versorgungsleitung ausgetretenen Mole von Wasserstoff sind, P Shdn / AnInjIn und P Wakeup / AnInjIn Versorgungsleitungsdrücke bei einer Außerbetriebnahme bzw. Inbetriebnahme sind, VAnInjIn ein Versorgungsleitungsvolumen ist, T meas / AnInjIn eine Versorgungsleitungstemperatur ist, und R die ideale Gaskonstante ist. Wenn die Zeit zwischen der vorhergegangenen Außerbetriebnahme hinreichend kurz ist, damit das System vor dem Ende von Stufe 1 gestartet wird und ein beträchtlicher Injektorsickerverlust vorhanden ist, kann n H2 / An(k) durch Addieren des Anteils des Sickerverlustes
Figure 00210001
bei jedem Zeitschritt modifiziert werden. Der Anodengesamtdruck wird mithilfe von:
Figure 00210002
berechnet, wobei VAn das Anodenvolumen ist und TStck(k) die Stapeltemperatur ist.The injector leakage on the flow line 58 is given by:
Figure 00200001
in which
Figure 00200002
are the moles of hydrogen leaked from the supply line, P Shdn / AnInjIn and P Wakeup / AnInjIn Are supply line pressures at a decommissioning or commissioning, V is a supply line AnInjIn volume, T meas / AnInjIn is a supply line temperature, and R is the ideal gas constant. If the time between the previous shutdown is sufficiently short for the system to be started before the end of stage 1 and there is a significant injector leakage, then n H2 / on (k) by adding the proportion of the seepage loss
Figure 00210001
be modified at each time step. The total anode pressure is calculated using:
Figure 00210002
where V An is the anode volume and T pk (k) is the stack temperature.

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. 3 zeigt das System 50 mit dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen 52, dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54, und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen 56. Sobald die Kathode und die Anode ähnliche Wasserstoff- und Stickstoffpartialdrücke aufweisen, können die Gasströmungen wie folgt gekennzeichnet werden; (1) Injektorsickerverlust in das Anodenströmungsfeld- und -leitungssystemvolumen an der Leitung 58, (2) Ausgleich der Partialdrücke, die bewirken, dass Wasserstoff zwischen dem Anodenströmungsfeld- und -leitungssystemvolumen 52 und dem Kathodenströmungsfeldvolumen an der Leitung 70 strömt, (3) der Wasserstoffsickerverlust von dem Kathodenströmungsfeldvolumen an der Leitung 72, (4) die Wasserstoffströmung von dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 zu dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen an der Leitung 74, (5) die Sauerstoffdiffusion und -konvektion von dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen 56 zu dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 an der Leitung 76 und (6) die Sauerstoffströmung in das Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen 56 infolge der thermischen Gaskontraktion an der Leitung 78.In the second stage, it is believed that the hydrogen permeation through the membranes is much faster than the amount of hydrogen that is lost or consumed. 3 shows the system 50 with the anode flow field and anode conduit system volume 52 , the cathode flow field volume 54 , and the cathode distribution and piping volume 56 , Once the cathode and anode have similar hydrogen and nitrogen partial pressures, the gas flows may be characterized as follows; (1) Injector leakage into the anode flow field and piping system volume on the line 58 , (2) balancing the partial pressures that cause hydrogen to flow between the anode flow field and piping system volume 52 and the cathode flow field volume on the line 70 (3) the hydrogen leakage from the cathode flow field volume on the line 72 , (4) the hydrogen flow from the cathode flow field volume 54 to the cathode distribution and piping system volume on the line 74 (5) oxygen diffusion and convection from the cathode manifold and manifold system volume 56 to the cathode flow field volume 54 on the line 76 and (6) the flow of oxygen into the cathode distribution and piping system volume 56 due to the thermal gas contraction on the line 78 ,

Als eine Vereinfachung stehen die Mole von Wasserstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen 52 direkt mit dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 in Beziehung:

Figure 00220001
wobei VAn und VCa f f ld die Anoden- bzw. Kathodenströmungsfeldvolumina sind.As a simplification, the moles of hydrogen in the anode flow field and anode conduit system volume are 52 directly with the cathode flow field volume 54 in relationship:
Figure 00220001
where V An and V Ca ff ld are the anode and cathode flow field volumes, respectively.

Die Mole von Wasserstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 sind gegeben durch:

Figure 00220002
wobei t die Brennstoffzellensystem-Ausschaltzeit ist, wie von dem Ende der ersten Stufe weg gezählt, C7 eine abstimmbare Konstante ist, die den überbordenden Wasserstoffsickerverlust beschreibt, und C8 eine abstimmbare Konstante ist, die die Sauerstoffintrusion auf Grund thermischer Gaskontraktion ist. Diese Konstante kann eine Funktion der Differenz zwischen der Stapel- und der Umgebungstemperatur sein.The mole of hydrogen in the cathode flow field volume 54 are given by:
Figure 00220002
where t is the fuel cell system turn-off time, as counted from the end of the first stage, C 7 is a tunable constant describing the excess hydrogen leakage, and C 8 is a tunable constant, which is oxygen intrusion due to thermal gas contraction. This constant may be a function of the difference between the stack and ambient temperatures.

Der anfängliche Wasserstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen 54 für lange Ausschaltzeiten A ist gegeben durch:

Figure 00230001
The initial hydrogen in the cathode flow field volume 54 for long off times A is given by:
Figure 00230001

Die Sauerstoffintrusion auf Grund thermischer Gaskontraktion an der Strömungsleitung 78 ist gegeben durch: B = n O2 / Ca (19) wobei n O2 / Ca ein Abstimmparameter ist, der die Mole von Sauerstoff in dem Kathodenleitungssystem bei einer Außerbetriebnahme zusammen mit dem zusätzlichen Sauerstoff, von dem bekannt ist, dass er aus der Umgebung zurück in die Kathode diffundiert, beschreibt und eine Funktion der Differenzen zwischen den Stapel- und Umgebungstemperaturen sein kann.Oxygen intrusion due to thermal gas contraction on the flow line 78 is given by: B = n O2 / Ca (19) in which n O2 / Ca is a tuning parameter which describes the moles of oxygen in the cathode conduit system at decommissioning along with the additional oxygen known to diffuse back into the cathode from the environment and be a function of the differences between stacking and ambient temperatures can.

Die Wasserstoffinjektorsickerverlustströmung an der Strömungsleitung 58 ist gegeben durch:

Figure 00230002
The hydrogen injector leakage flow at the flow line 58 is given by:
Figure 00230002

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.

Claims (10)

Verfahren zum Schätzen der Wasserstoff- und/oder Stickstoffkonzentration in einem Brennstoffzellensystem während einer Außerbetriebnahme, Inbetriebnahme oder irgendeines Übergangszustandes, das verwendet werden kann, um Wasserstoff- und Luftströmungen zur Erfüllung von Emissions-, Langlebigkeits- und Effizienzanforderungen zu planen, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, ein Anodenleitungssystem, ein Kathodenleitungssystem und Kathodenstapelverteiler umfasst, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Anodenströmungsfeld und ein Kathodenströmungsfeld umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: das Brennstoffzellensystem als diskrete Volumina mit einem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, einem Kathodenströmungsfeldvolumen und einem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen definiert wird; die Menge an Wasserstoff und Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen schätzt wird, wenn das Brennstoffzellensystem außer Betrieb genommen wird; die Menge an Wasserstoff und 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, die 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, basieren, schätzt werden; und 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 während einer zweiten Stufe bei einer Systeminbetriebnahme schätzt wird, nachdem das Anodenströmungsfeld und das Kathodenströmungsfeld ausgeglichene Partialdrücke von Wasserstoff und Stickstoff aufweisen.A method of estimating hydrogen and / or nitrogen concentration in a fuel cell system during decommissioning, commissioning, or any transient condition that may be used to schedule hydrogen and air flows to meet emissions, longevity, and efficiency requirements, the fuel cell system comprising a fuel cell stack , an anode conduit system, a cathode conduit system, and a cathode stack manifold, the fuel cell stack comprising an anode flow field and a cathode flow field, the method comprising: defining the fuel cell system as discrete volumes having an anode flow field and anode conduit system volume, a cathode flow field volume, and a cathode manifold and conduit system volume; the amount of hydrogen and nitrogen in the anode flow field and anode conduit system volume, the cathode flow field volume, and the cathode manifold and conduit system volume is estimated when the fuel cell system is decommissioned; the amount of hydrogen and 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 based on the estimate of hydrogen and nitrogen in the anode flow field and anode conduit system volume , the cathode flow field volume and the cathode manifold and conduit system volume are estimated at system shutdown during a first stage at a system startup when the pressure between the anode flow field and the cathode flow field is out of balance; and the amount of hydrogen in the anode flow field and conduit system volume and cathode flow field volume based on the estimate of 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 during a second stage System start-up is estimated after the anode flow field and the cathode flow field have balanced partial pressures of hydrogen and nitrogen. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen der Menge an Wasserstoff und Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen, wenn das Brennstoffzellensystem außer Betrieb genommen wird, die Stickstoffpermeationsströmung von dem Kathodenströmungsfeldvolumen zu dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, die Wasserstoffpermeation von dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen zu dem Kathodenströmungsfeldvolumen, die Wasserstoffdiffusion und -konvektion von dem Kathodenströmungsfeldvolumen zu dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen und die Stickstoffkonvektion zwischen dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen berücksichtigt.The method of claim 1, wherein estimating the amount of hydrogen and 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 nitrogen permeation flow from the cathode flow field volume to the anode flow field and anode conduit volume , the hydrogen permeation of the anode flow field and Anode conduit system volume to the cathode flow field volume which accounts for hydrogen diffusion and convection from the cathode flow field volume to the cathode manifold and conduit system volume and the nitrogen convection between the cathode flow field volume and the cathode manifold and conduit system volume. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Anodenstickstoffmole durch die Gleichung: n N2 / An(k + 1) = n N2 / An(k) – (ṅN2(k)·Δt) definiert sind, wobei n N2 / An die Anodenstickstoffmole sind, ṅN2(k) die molare Stickstoffströmungsrate zum Zeitpunkt t(k) ist und Δt der Zeitschritt ist; wobei die Wasserstoffpermeationsströmung durch die Gleichung: ṅH2(k) = C1·(P H2 / An(k) – P H2 / Ca(k)) definiert ist, wobei ṅH2 die Wasserstoffgesamtströmungsrate ist, P H2 / An und P H2 / Ca die Partialdrücke des Wasserstoffgases in der Anode bzw. der Kathode sind und C1 der Wasserstoffpermeationskoeffizient von der Anode zu der Kathode ist, wobei die Stickstoffpermeationsströmung durch die Gleichung: ṅN2(k) = C2·(P N2 / An(k) – P N2 / Ca(k)) definiert ist, wobei ṅN2(k) die molare Wasserstoffströmungsrate von der Anode zu der Kathode ist, C2 ein Wasserstoffpermeationskoeffizient von der Anode zu der Kathode ist und eine Funktion der Membraneigenschaften und örtlichen Bedingungen ist, und P N2 / An und P N2 / Ca die Partialdrücke des Wasserstoffes in der Anode bzw. der Kathode sind; wobei die Wasserstoffströmungsrate auf Grund der Diffusion ṅ H2 / D f sn durch die Gleichung: ṅ H2 / D f sn(k) = C3·(y H2 / Ca f f ld(k) – y H2 / Ca plumb(k)) definiert ist, wobei C3 ein effektiver Wasserstoffdiffusionskoeffizient ist, der Folgen einer natürlichen Konvektionsdurchmischung wie auch der molekularen Diffusion umfassen kann, y H2 / Ca f f ld der Wasserstoffmolenbruch des Kathodenströmungsfeldes ist, und y H2 / Ca plumb der Wasserstoffmolenbruch des Kathodenleitungssystems in dem Kathodenströmungsfeldvolumen bzw. dem Kathodenleitungssystemvolumen ist; wobei die Wasserstoffströmungsrate von dem Kathodenströmungsfeld zu dem Kathodenleitungssystem auf Grund von Konvektion durch die Gleichung: ṅ H2 / Conv(k) = (ṅH2(k) – ṅN2 – ṅ H2 / D f sn(k))·y H2 / Ca f f ld(k) definiert ist, wobei ṅH2(k) und ṅN2(k) die Wasserstoff- bzw. Stickstoffpermeation von der Anode ist; und wobei die Konvektion von Stickstoff zwischen dem Kathodenleitungssystem und dem Kathodenströmungsfeld implizit von: n N2 / Ca f f ld(k) = nCa f f ld(k) – n H2 / Ca f f ld(k) abgeleitet ist, wobei n N2 / Ca f f ld die Stickstoffmole des Kathodenströmungsfeldes sind und n H2 / Ca f f ld die Wasserstoffmole des Kathodenströmungsfeldes sind und nCa f f ld die Gesamtmole des Strömungsfeldes sind, die mithilfe des Idealen Gasgesetzes unter der Annahme schätzt sind, dass die Befeuchtung konstant ist und der Partialdruck von Wasser von dem Gesamtdruck subtrahiert werden kann, der sowohl in der Anode als auch der Kathode gemessen wird, wobei die Gleichungen Stoffbilanzen um jedes Volumen herum vorsehen, und wobei am Ende eines jeden Zeitschrittes die Molenbrüche aus den Molen der einzelnen Spezies und Gesamtmolen berechnet werden.The method of claim 2, wherein the anode nitrogen molars are represented by the equation: n N2 / An (k + 1) = n N2 / An (k) - (ṅ N2 (k) · Δt) are defined, where n N2 / on the anode nitrogen molecules are, ṅ N2 (k) is the molar nitrogen flow rate at time t (k) and Δt is the time step; where the hydrogen permeation flow is given by the equation: ṅ H2 (k) = C 1 · (P H2 / An (k) - P H2 / Ca (k)) is defined, where ṅ H2 is the total hydrogen flow rate, P H2 / on and P H2 / Ca the partial pressures of the hydrogen gas in the anode and the cathode, respectively, and C 1 is the hydrogen permeation coefficient from the anode to the cathode, the nitrogen permeation flux being represented by the equation: ṅ N2 (k) = C 2 · (P N2 / An (k) -P N2 / Ca (k)) is defined, where N N2 (k) is the molar hydrogen flow rate from the anode to the cathode, C 2 is a hydrogen permeation from the anode to the cathode and is a function of membrane properties and local conditions, and P N2 / An and P N2 / Ca the partial pressures of the hydrogen in the anode and the cathode, respectively; wherein the hydrogen flow rate due to the diffusion ṅ H2 / D f sn through the equation: ṅ H2 / D f sn (k) = C 3 · (y H2 / Ca ff ld (k) - y H2 / Ca plumb (k)) where C 3 is an effective hydrogen diffusion coefficient, which may include consequences of natural convection mixing as well as molecular diffusion, y H2 / Ca ff ld is the hydrogen mole fraction of the cathode flow field, and y H2 / Ca plumb is the hydrogen mole fraction of the cathode conduit system in the cathode flow field volume and cathode conduit system volume, respectively; the hydrogen flow rate from the cathode flow field to the cathode conduit system being convected by the equation: ṅ H2 / Conv (k) = (ṅ H2 (k) - ṅ N2 - ṅ H2 / D f sn (k)) · y H2 / Ca ff ld (k) where ṅ H2 (k) and ṅ N2 (k) is the hydrogen or nitrogen permeation from the anode, respectively; and wherein the convection of nitrogen between the cathode conduit system and the cathode flow field implicitly of: n N2 / Ca ff ld (k) = n Ca ff ld (k) - n H2 / Ca ff ld (k) is derived, where n N2 / Ca ff ld the nitrogen mols of the cathode flow field are and n H2 / Ca ff ld are the hydrogen moles of the cathode flow field and n Ca ff ld are the total moles of the flow field estimated using the Ideal Gas Law assuming that humidification is constant and the partial pressure of water can be subtracted from the total pressure present in both the anode and and the cathode is measured, the equations providing mass balances around each volume, and at the end of each time step, calculating the mole fractions from the moles of the individual species and total moles. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen der Menge an Wasserstoff und Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und -leitungssystemvolumen, dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen während der ersten Stufe eine Injektorsickerverlustströmung in das Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, eine Wasserstoffpermeationsströmung von dem Anodenströmungsfeld- und -leitungssystemvolumen zu dem Kathodenströmungsfeldvolumen, eine Stickstoffpermeationsströmung von dem Kathodenströmungsfeldvolumen zu dem Anodenströmungsfeld- und -leitungssystemvolumen, eine Wasserstoffdiffusions- und -konvektionsströmung von dem Kathodenströmungsfeldvolumen zu dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen und eine Stickstoffkonvektionsströmung zwischen dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen berücksichtigt und die Änderung des Anodendruckes mit der Zeit berücksichtigt wird.The method of claim 1, wherein estimating the amount of hydrogen and nitrogen in the anode flow field and conduit system volume, the cathode flow field volume, and the cathode manifold and conduit system volume during the first stage comprises an injector leakage flow into the anode flow field and anode conduit system volume, a hydrogen permeation flow from the anode flow field volume. and piping volume to the cathode flow field volume, a nitrogen permeation flow from the cathode flow field volume to the anode flow field and piping volume, a hydrogen diffusion and convection flow from the cathode flow field volume the cathode distribution and piping system volume and a nitrogen convection flow between the cathode flow field volume and the cathode manifold and piping system volume, and taking into account the change in anode pressure over time. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Stickstoffpermeationsströmung durch die Gleichung: ṅN2(k) = C2·(P N2 / An(k) – P N2 / Ca(k)) definiert ist, wobei ṅN2(k) die molare Stickstoffströmungsrate von der Anode zu der Kathode ist, C2 ein Stickstoffpermeationskoeffizient von der Anode zu der Kathode ist, P N2 / An und P N2 / Ca die Partialdrücke von Stickstoffgas in der Anode bzw. der Kathode sind; wobei die Wasserstoffpermeationsströmung durch die Gleichung: ṅ H2 / D f sn(k) = C3·(y H2 / Ca f f ld(k) – y H2 / Ca plumb(k)) definiert ist, wobei C3 ein effektiver Wasserstoffdiffusionskoeffizient ist, der Folgen einer natürlichen Konvektionsdurchmischung wie auch der molekularen Diffusion umfassen kann, y H2 / Ca f f ld der Wasserstoffmolenbruch des Kathodenströmungsfeldes ist, und y H2 / Ca plumb der Wasserstoffmolenbruch des Kathodenleitungssystems in dem Kathodenströmungsfeldvolumen bzw. dem Kathodenleitungssystemvolumen ist; wobei die Wasserstoffströmungsrate auf Grund von Konvektion durch die Gleichung: ṅ H2 / Conv(k) = (ṅH2(k) – ṅN2 – ṅ H2 / D f sn(k))·y H2 / Ca f f ld(k) definiert ist, wobei ṅH2(k) und ṅN2(k) die Wasserstoff- bzw. Stickstoffpermeation von der Anode ist; wobei die Konvektion von Stickstoff zwischen dem Kathodenleitungssystemvolumen und dem Kathodenströmungsfeldvolumen implizit von der Gleichung: n N2 / Ca f f ld(k) = nCa f f ld(k) – n H2 / Ca f f ld(k) abgeleitet ist, wobei n N2 / Ca f f ld die Stickstoffmole des Kathodenströmungsfeldes sind und n H2 / Ca f f ld die Wasserstoffmole des Kathodenströmungsfeldes sind und nCa f f ld die Gesamtmole des Strömungsfeldes sind, die mithilfe des Idealen Gasgesetzes schätzt sind, wobei der Anodendruck, der den Partialdruck von Wasser nicht umfasst, durch die Gleichung:
Figure 00310001
definiert ist, wobei VAn das Anodenvolumen ist, R die ideale Gaskonstante ist und TStck(k) die Stapeltemperatur ist; und wobei die Injektorsickerverlustströmung durch die Gleichung:
Figure 00310002
definiert ist, wobei
Figure 00310003
die aus einer Versorgungsleitung ausgetretenen Mole von Wasserstoff sind, P Shdn / AnInjIn und P Wakeup / AnInjIn Versorgungsleitungsdrücke bei einer Außerbetriebnahme bzw. Inbetriebnahme sind, VAnInjIn ein Versorgungsleitungsvolumen ist, T meas / AnInjIn eine Versorgungsleitungstemperatur in Grad Celsius ist, und R die ideale Gaskonstante ist, wobei, wenn die Zeit zwischen der vorhergegangenen Außerbetriebnahme hinreichend kurz ist und ein beträchtlicher Injektorsickerverlust vorhanden ist, n H2 / An(k) durch Addieren eines Anteils des Sickerverlustes
Figure 00310004
modifiziert werden kann.The method of claim 4, wherein the nitrogen permeation flow is represented by the equation: ṅ N2 (k) = C 2 · (P N2 / An (k) -P N2 / Ca (k)) where ṅ N2 (k) is the molar nitrogen flow rate from the anode to the cathode, C 2 is a nitrogen permeation coefficient from the anode to the cathode, P N2 / An and P N2 / Ca the partial pressures of nitrogen gas in the anode and the cathode, respectively; where the hydrogen permeation flow is given by the equation: ṅ H2 / D f sn (k) = C 3 · (y H2 / Ca ff ld (k) - y H2 / Ca plumb (k)) is defined, wherein C 3 is an effective hydrogen diffusion coefficient, which may include sequences of a natural Konvektionsdurchmischung as well as the molecular diffusion, y H2 / Ca ff ld is the hydrogen mole fraction of the cathode flow field, and y H2 / Ca plumb is the hydrogen mole fraction of the cathode conduit system in the cathode flow field volume and cathode conduit system volume, respectively; wherein the hydrogen flow rate due to convection by the equation: ṅ H2 / Conv (k) = (ṅ H2 (k) - ṅ N2 - ṅ H2 / D f sn (k)) · y H2 / Ca ff ld (k) where ṅ H2 (k) and ṅ N2 (k) is the hydrogen or nitrogen permeation from the anode, respectively; wherein the convection of nitrogen between the cathode conduit system volume and the cathode flow field volume is implicitly from the equation: n N2 / Ca ff ld (k) = n Ca ff ld (k) - n H2 / Ca ff ld (k) is derived, where n N2 / Ca ff ld the nitrogen mols of the cathode flow field are and n H2 / Ca ff ld are the hydrogen moles of the cathode flow field and n Ca ff ld are the total moles of the flow field estimated using the Ideal Gas Law, where the anode pressure, which does not include the partial pressure of water, is given by the equation:
Figure 00310001
where V An is the anode volume, R is the ideal gas constant, and T Stck (k) is the stack temperature; and wherein the injector leakage flow is given by the equation:
Figure 00310002
is defined, where
Figure 00310003
are the moles of hydrogen leaked from a supply line, P Shdn / AnInjIn and P Wakeup / AnInjIn Supply line pressures at shutdown are V AnInjIn is a supply line volume , T meas / AnInjIn is a supply line temperature in degrees Celsius, and R is the ideal gas constant, where if the time between the previous decommissioning is sufficiently short and there is a significant injector leakage, n H2 / on (k) by adding a share of the leakage
Figure 00310004
can be modified. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen der Wasserstoffkonzentration in dem Anodenströmungsfeld- und -leitungssystemvolumen und dem Kathodenströmungsfeldvolumen während der zweiten Stufe umfasst, dass eine Wasserstoffinjektorsickerverlustströmung in das Anodenströmungsfeld- und -leitungssystemvolumen, eine Wasserstoffströmung zwischen dem Anodenströmungsfeld- und -leitungssystemvolumen und dem Kathodenströmungsfeldvolumen, eine Wasserstoffsickerverlustströmung von dem Kathodenströmungsfeldvolumen, den Wasserstoff, der von dem Kathodenströmungsfeldvolumen zu dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen diffundiert ist, eine Sauerstoffdiffusion und -konvektionsströmung von dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen zu dem Kathodenströmungsfeldvolumen und die Sauerstoffströmung in das Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen als ein Ergebnis thermischer Gaskontraktion berücksichtigt wird.2. The method of claim 1, wherein estimating the hydrogen concentration in the anode flow field and conduit volume and the cathode flow field volume during the second stage comprises injecting a hydrogen injector leakage flow into the anode flow field and conduit volume, a hydrogen flow between the anode flow field and conduit volume, and the cathode flow field volume. a hydrogen leakage flow from the cathode flow field volume, the hydrogen diffused from the cathode flow field volume to the cathode distribution and conduit system volume, oxygen diffusion and convection flow from the cathode distribution and conduit system volume to the cathode flow field volume and the oxygen flow into the cathode distribution and piping volume as a result of thermal gas contraction. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der verbleibende Wasserstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen durch die Gleichung:
Figure 00320001
definiert ist, wobei t die BZS-Ausschaltzeit ist, wie vom Ende der ersten Stufe weg gezählt, C7 eine abstimmbare Konstante ist, die der überbordende Wasserstoffsickerverlust ist, und C8 eine abstimmbare Konstante ist, die die Sauerstoffitrusion in das Kathodenströmungsfeldvolumen aus dem Kathodenleitungssystemvolumen auf Grund konvektiver und Diffusionskräfte ist; wobei die anfängliche Menge an Wasserstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen durch die Gleichung:
Figure 00330001
definiert ist, wobei n H2 / Ca f f ld(k) die Menge an Wasserstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen am Ende der Stufe eins ist, wobei die Wasserstoffinjektorsickerverlustströmung durch die Gleichung:
Figure 00330002
definiert ist, wobei VAnInjIn das Volumen der Anodenleitung oberstromig von einem Injektor ist, P Shdn / AnInjIn der Druck einer Leitung oberstromig von dem Injektor bei Außerbetriebnahme ist, P Wakeup / AnInjIn der Druck der Leitung oberstromig von dem Injektor bei Inbetriebnahme ist, R die ideale Gaskonstante ist und T meas / AnInjIn die Temperatur einer Leitung oberstromig von dem Injektor bei Inbetriebnahme ist; wobei die Wasserstoffintrusion auf Grund der thermischen Gaskonzentrationsströmung durch die Gleichung: B = n O2 / Ca definiert ist, wobei n O2 / Ca ein Abstimmparameter ist, der die Mole von Sauerstoff beschreibt, die zur Verfügung stehen, um den gesamten Wasserstoff in dem System zu verbrauchen, von dem angenommen wird, dass er in das Kathodenströmungsfeldvolumen von dem Kathodenleitungssystemvolumen mit der Zeit eindringt; und wobei die verbleibenden Mole von Wasserstoff in der Anode, von denen angenommen wird, dass sie mit den Molen von Wasserstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen in Beziehung stehen, durch die Gleichung:
Figure 00340001
definiert sind, wobei VAn und VCa f f ld die Anoden- bzw. Kathodenströmungsfeldvolumina sind, wobei von der Annahme ausgegangen wird, dass die Rate der Wasserstoff- und Stickstoffpermeation durch eine Membran viel höher sein wird als die Raten des Wasserstoffsickerverlustes und der Sauerstoffintrusion.The method of claim 6, wherein the remaining hydrogen in the cathode flow field volume is represented by the equation:
Figure 00320001
where t is the BZS turn-off time as counted from the end of the first stage, C 7 is a tunable constant that is the excess hydrogen leakage, and C 8 is a tunable constant that limits oxygen diffusion into the cathode flow field volume from the cathode conduit system volume due to convective and diffusion forces; wherein the initial amount of hydrogen in the cathode flow field volume is given by the equation:
Figure 00330001
is defined, where n H2 / Ca ff ld (k) the amount of hydrogen in the cathode flow field volume at the end of stage one, wherein the hydrogen injector leakage flow is given by the equation:
Figure 00330002
where V AnInjIn is the volume of the anode conduit upstream of an injector, P Shdn / AnInjIn the pressure of a line is upstream of the injector at shutdown, P Wakeup / AnInjIn the pressure of the line is upstream of the injector at startup, R is the ideal gas constant and T meas / AnInjIn the temperature of a conduit is upstream of the injector at start up; wherein the hydrogen intrusion due to the thermal gas concentration flow is given by the equation: B = n O2 / Ca is defined, where n O2 / Ca a tuning parameter describing the moles of oxygen available to consume all of the hydrogen in the system, which is believed to enter the cathode flow field volume from the cathode conduit system volume over time; and wherein the remaining moles of hydrogen in the anode, which are assumed to be related to the moles of hydrogen in the cathode flow field volume, are given by the equation:
Figure 00340001
where V An and V Ca ff ld are the anode and cathode flow field volumes, respectively, assuming that the rate of hydrogen and nitrogen permeation across a membrane will be much higher than the rates of hydrogen leakage and oxygen intrusion. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen der Menge an Wasserstoff und Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen während der ersten Stufe berücksichtigt, dass Wasserstoff absichtlich in das Anodenströmungsfeld eingespritzt wird.The method of claim 1, wherein estimating the amount of hydrogen and nitrogen in the anode flow field and anode conduit system volume, the cathode flow field volume and the cathode manifold and conduit system volume during the first stage considers that hydrogen is intentionally injected into the anode flow field. System zum Schätzen der Wasserstoff- und/oder Stickstoffkonzentration in einem Brennstoffzellensystem während einer Außerbetriebnahme, Inbetriebnahme oder irgendeines Übergangszustandes, das verwendet werden kann, um Wasserstoff- und Luftströmungen zur Erfüllung von Emissions-, Langlebigkeits- und Effizienzanforderungen zu planen, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, ein Anodenleitungssystem, ein Kathodenleitungssystem und Kathodenstapelverteiler umfasst, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Anodenströmungsfeld und ein Kathodenströmungsfeld umfasst, wobei das System umfasst: ein Mittel zum Definieren des Brennstoffzellensystems als drei Volumina mit einem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, einem Kathodenströmungsfeldvolumen und einem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen; ein Mittel zum Schätzen der Menge an Wasserstoff und Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen, wenn das Brennstoffzellensystem außer Betrieb genommen ist; ein Mittel zum Schätzen der Menge an Wasserstoff und Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, der Menge an Wasserstoff in dem Kathodenströmungsfeldvolumen und der Menge an Wasserstoff in dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen bei einer Systeminbetriebnahme, die 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 Partialdruck des Wasserstoffes und des Stickstoffes in dem Anodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenströmungsfeld in etwa derselbe ist, basieren; und ein Mittel zum Schätzen der Menge an Wasserstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen 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 während einer zweiten Stufe bei einer Systeminbetriebnahme, wenn das Anodenströmungsfeld- und das Kathodenströmungsfeldvolumen im Druckgleichgewicht stehen.A system for estimating hydrogen and / or nitrogen concentration in a fuel cell system during decommissioning, commissioning or any transient condition that may be used to schedule hydrogen and air flows to meet emissions, longevity and efficiency requirements, the fuel cell system comprising a fuel cell stack , an anode conduit system, a cathode conduit system, and a cathode stack manifold, the fuel cell stack comprising an anode flow field and a cathode flow field, the system comprising: means for defining the fuel cell system as three volumes having an anode flow field and anode conduit system volume, a cathode flow field volume, and a cathode manifold and conduit system volume; means for estimating the amount of hydrogen and 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; means for estimating the amount of hydrogen and 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 start-up based on the estimate of hydrogen and nitrogen in the Anode flow field and anode conduit system volumes, the cathode flow field volume and the cathode manifold and conduit system volume at system shutdown during a first stage at system startup when the partial pressure of the hydrogen and nitrogen in the anode flow field volume and the cathode flow field are approximately the same; and means for estimating the amount of hydrogen in the anode flow field and anode 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 during a second stage at system start-up when the anode flow field and cathode flow field volumes are in pressure balance. System nach Anspruch 9, wobei das Mittel zum Schätzen der Menge an Wasserstoff und Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen, wenn das Brennstoffzellensystem außer Betrieb genommen wird, die Stickstoffpermeationsströmung von dem Kathodenströmungsfeldvolumen zu dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen, die Wasserstoffpermeation von dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungssystemvolumen zu dem Kathodenströmungsfeldvolumen, die Wasserstoffdiffusion und -konvektion von dem Kathodenströmungsfeldvolumen zu dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen und die Stickstoffkonvektion zwischen dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodenverteiler- und -leitungssystemvolumen berücksichtigt.The system of claim 9, wherein the means for estimating the amount of hydrogen and 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, controls the nitrogen permeation flow from the cathode flow field volume to the anode flow field volume. and anode conduit system volume that considers hydrogen permeation from the anode flow field and anode conduit system volume to the cathode flow field volume, hydrogen diffusion and convection from the cathode flow field volume to the cathode manifold and conduit system volume, and nitrogen convection between the cathode flow field volume and the cathode manifold and conduit system volume.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112201813A (en) * 2020-10-10 2021-01-08 上海捷氢科技有限公司 Hydrogen fuel supply control method, fuel cell and automobile
CN112635800A (en) * 2019-10-08 2021-04-09 现代自动车株式会社 System and method for estimating hydrogen concentration of fuel cell
CN114497647A (en) * 2022-03-21 2022-05-13 北京亿华通科技股份有限公司 Fuel cell shutdown diagnosis method and device
CN116626263A (en) * 2023-07-20 2023-08-22 合肥工业大学智能制造技术研究院 Heterogeneous hydrogen cloud explosion double-flame testing system and method
CN117790844A (en) * 2024-02-27 2024-03-29 氢质氢离(北京)氢能科技有限公司 Fuel cell engine hydrogen cavity nitrogen concentration control strategy and test calibration method
CN117790844B (en) * 2024-02-27 2024-05-24 氢质氢离(北京)氢能科技有限公司 Fuel cell engine hydrogen cavity nitrogen concentration control strategy and test calibration method

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112635800A (en) * 2019-10-08 2021-04-09 现代自动车株式会社 System and method for estimating hydrogen concentration of fuel cell
CN112635800B (en) * 2019-10-08 2024-04-12 现代自动车株式会社 System and method for estimating hydrogen concentration of fuel cell
CN112201813A (en) * 2020-10-10 2021-01-08 上海捷氢科技有限公司 Hydrogen fuel supply control method, fuel cell and automobile
CN114497647A (en) * 2022-03-21 2022-05-13 北京亿华通科技股份有限公司 Fuel cell shutdown diagnosis method and device
CN116626263A (en) * 2023-07-20 2023-08-22 合肥工业大学智能制造技术研究院 Heterogeneous hydrogen cloud explosion double-flame testing system and method
CN116626263B (en) * 2023-07-20 2023-09-29 合肥工业大学智能制造技术研究院 Heterogeneous hydrogen cloud explosion double-flame testing system and method
CN117790844A (en) * 2024-02-27 2024-03-29 氢质氢离(北京)氢能科技有限公司 Fuel cell engine hydrogen cavity nitrogen concentration control strategy and test calibration method
CN117790844B (en) * 2024-02-27 2024-05-24 氢质氢离(北京)氢能科技有限公司 Fuel cell engine hydrogen cavity nitrogen concentration control strategy and test calibration method

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