DE10003584A1

DE10003584A1 - Verfahren zur Bestimmung der Stromdichteverteilung in Brennstoffzellenstocks durch Messung des den Stock umgebenen magnetischen Feldes

Info

Publication number: DE10003584A1
Application number: DE10003584A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Hauer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2001-08-02
Also published as: EP1254376B1; EP1254376A1; JP2004500689A; ES2204841T3; AU2001237317A1; US20030020454A1; US6815117B2; ATE247833T1; WO2001055735A1; DE50100524D1

Description

Anwendungsgebiet

Es ist bekannt, dass die Stromdichteverteilung in Brennstoffzellenstacks auf unterschiedliche Weise gemessen werden kann. In "In-situ methods for the determination of current distributions in PEM fuel cells, Juergen Stumper, Ballard Power Systems Inc., 9000 Glenlyon Parkway, Burnaby, BC, Canada V5J 5J9, Electrochimica Acta, Vol. 43, 1998" und "A printed circuit board approach to measuring current distribution in a fuel cell, S. J. C. Cleghorn, C. R. Derouin, M. S. Wilson, S. Gottesfeld, Los Alamos, Journal of Electrochemistry, July 1998" werden entsprechende Verfahren beschrieben.

Nachteile des Stands der Technik

- Ein Eingriff (Manipulation) in den Stack ist erforderlich
- Messrueckwirkungen durch die Manipulation des Stacks koennen nicht ausgeschlossen werden
- Es muss vor der Messung und der Manipulation des Stacks festgelegt werden an welcher Stelle (Zelle) die Stromdichteverteilung gemessen werden soll
- Der Verdrahtungsaufwand fuer die Messung steigt mit zunehmender Aufloesung und begrenzt diese somit
- Durch die erforderliche Manipilaltion des Stacks sind die bekannten Messmethoden nur fuer die Forschung geeignet
- Die Variation der Stromdichteverteilung entlang des Stacks (Variation von Zelle zu Zelle)kann nicht gemessen werden

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es die Stromdichteverteilung ueber den Zellenquerschnitt an beliebiger Stelle des Stacks zu bestimmen.

Loesung der Aufgabe

Das einen stromduchflossenen Brennstoffzellenstack umgebene Magnetfeld wird an mehreren Punkten gemessen und dann ausgehend von dieser Messung auf die Stromdichteverteilung ueber den Zellenquerschnitt im Inneren des Stacks zurueckgerechnet.

Vorteile der Erfindung

- Eine Veraenderung (Manipulation) des Stacks ist nicht erforderlich.
- Messrueckwirkungen der Messtechnik auf die Stromdichteverteilung sind nahezu nicht vorhanden
- Es kann die Stromdichteverteilung jeder beliebigen Zelle im Stack gemessen werden ohne das eine Zelle vorher festgelegt werden muss.
- Es kann die Variation der Stromdichteverteilung entlang des Stacks (Von Zelle zu Zelle) gemessen werden.
- Hoehere Messgenauigkeit
- Hoehere Aufloesung
- Die Kosten pro Messung sind deutlich reduziert

Ausfuehrungsbeschreibung

Es zeigt Bild 1 einen Brennstoffzellenstack bestehend aus mehreren Einzelzellen mit Stromlinien im Inneren des Stacks und dem resultierenden magnetischne Feld B ausserhalb des Stacks.

Zur Bestimmung der Stromdichteverteilung im Stack wird das aeussere Magnetfeld des zu untersuchenden Brennstoffzellenstacks in einer Ebene an der Stelle x = x0 in y und z Richtung gemessen (By und Bz) und auf die Stromdichteverteilung J(x0, y, z) im inneren des Stacks zuruckgeschlossen (Bild 1). Grundlage fuer die Zurueckrechnung sind die Maxwellgleichung

und die Materialgleichung

= µ . (2)

wobei B die magnetische Flussdichte ist, H die magnetische Feldstaerke, J(x0, y, z) die Stromdichteverteilung im Inneren des Stacks an der Stelle x = x0 und A die Integrationsflaeche.

Zur Bestimmung der Stromdichteverteilung an der Stelle x = x0 wird der Stack an der Stelle x = x0 geschnitten (Gedankenmodell) und die Schnittflaeche in stromdurchflossene Flaechenincremente aufgeteilt. Die Gleichungen (1) und (2) werden dann auf jedes Flaecheninkrement angewand. Durch Ueberlagerung der resultierenden Einzelfelder laesst sich die Gesamtflussdichte im Raum berechnen. Diese Gesamtflussdichte wird der gemessenen Flussdichte in der Ebene x = x0 gleichgesetzt derart dass ein lineares Gleichungssystem fuer die Stroeme und damit die Stromdichten jedes Flaechinkrements entsteht (Gl. 3) Die rechte Seite des Gleichungssystems stellt dabei die magnetische Flussdichte B, gemessen in der Schnittebene, dar und kann, da durch Messung ermittelt, als bekannt vorausgesetzt werden. Die Matrix A beruecksichtigt dabei den Abstand zwischen Flaechinkrement und dem Messpunkt.

A(x0, y, z, y', z') . (x0, y, z) = (x0, x', z') (3)

x0 = Schnittebene oder Messebene
y' = y Koordinate des jeweiligen Messpunktes)
z' = z Koordinate des jeweiligen Messpunktes
y = y Koordinate des jeweiligen Flaechenelements
z = z Koordinate des jeweiligen Flaechenelements
= Vektor der der gemessenen Flussdichten
= Vektor der unbekannten Stromdichten in den Flaechenelementen

Der Vektor der Stromdichten und damit die Stromdichte in jedem Flaechenelement und damit die Stromdichteverteilung kann durch Loesen von Gleichung 3 ermittelt werden. Die Loesung zeigt Gleichung 4:

(x0, y, z) = A^-1(x0, y, z, y', z') . (x0, x', z') (4)

Bild 2 und 3 zeigen beispielhaft die Verteilung der magnetischen Flussdichte um einen Stack mit (hier) quadratischen Querschnitt durchflossen von einem Strom mit homogener Stromdichteverteilung. Die Sensoren sind in diesem Beispiel auf einem Kreisbogen um den Stack angeordnet. Es wird dabei auf die Stirnseite des Stacks gesehen. Bild 2 zeigt den Absolutbetrag der magnetischen Flussdichte und Bild 3 die y und z Komponente der magnetischen Flussdichte. In einem ideal arbeitenden Stack ist die Magnetfeldkomponente in x Richtung Bx = 0. Randeffekte an den Stirnseiten und Inhomogenitaeten beim Zell- und Stackaufbau sowie der Gasversorgung von Anode und Kathode bedingen jedoch eine nichthomogene Stromdichteverteilung. Eine solche Verteilung fuehrt im Stack zu Stromdichtekomponenten in y und z Richtung und dadurch zu einer einer Magnetfeldkomponente B_x in x Richtung.

Die Nachfolgenden Messungen sind moeglich:

1. Erfassung von Stellen (Zellen) mit hoher Jy und Jz Komponente. Dies sind Stellen an denen sich Stromdichteverteilung Jx(x, y, z) aendert (Der Gesamtstrom ist das Integral uber Jx(x, y, z) und bleibt gleich). An Stellen mit hoher Jy und Jz Komponente existiert eine Magnetfeldkomponente Bx (x) ungleich 0.
In Schritt 1 wird der Magnetsensor entlang der x Achse (Koordinaten siehe Bild 1) gefuehrt und die Magnetfeldkomponente B_x gemessen. Eine B_x Komponente des aeusseren Magnetfeldes ist ein Hinweis auf Stromdichtekomponenten (Jy und Jz) in y und z Richtung also ein Hinweiss darauf, dass sich die Stromdichteverteilung Jx(x, y, z) aendert. Der Gradient der Flussdichte Bx in x Richtung ist ein Mass hier die Staerke der Aenderung von Jx(x, y, z).
2. Erfassung der Stromdichteverteilung Jx(x0, y, z) ueber den Zellquerschnitt A an der Stelle x = x0. Hierzu werden die Magnetfeldkomponenten By und Bz an der Stelle x = x0 an mehreren Punkten am Umfang in der Ebene x = x0 gemessen. Die Anzahl der Messpunkte N haengt dabei von der benoetigten Stromdichteaufloesung ab und ist mindestens:
N = 0.5 . Anzahl der Flaechenquadrate in die der Stackquerschnitt (= Zellquerschnitt) aufgeteilt wird wenn die Flussdichte By und Bz gemessen wird.
Wird nur eine Komponente der Flussdichte gemessen (By oder Bz) ist die Anzahl der Messpunkte N = Anzahl der Flaechenquadrate in die der Stackquerschnitt (= Zellquerschnitt) aufgeteilt wird
Die Anzahl der Messwerte N kann aber auch groesser als die Mindestanzahl sein.
Mit diesen Messwerten der magnetischen Flussdichte (By, Bz) zusammen mit der Position an der sie gemessen werden (x = x0, y, z) kann dann auf die Stromdichteverteilung an der Stelle x = x0 im Inneren des Stack zuruckgeschlossen werden. Dazu muessen die Gleichungen 1 und 2 in diskreter Form fuer die Stromdichte J geloest werden. Eine Matrixinversion (nach Gl. 4) ist dafuer erforderlich.

Beispiel

Eine Erfassung der Stromdichte in der Ebene x = x0 unter der Annahme, dass 100 Flaechenquadrate aufgeloest werden sollen bedeutet, dass 100 unbekannte Stromdichten zu berechnen sind (Jedes Flaechenquadrat hat eine eigene Stromdichte). Dazu wird ein lineares Gleichungssystem mit 100 Gleichungen benoetigt. Zur Aufstellung dieses Gleichungssystems mussen 50 Flussdichten in der Ebene x = x0 einschliesslich Ihrer Position relativ zum Stack aufgenommen werden. Diese 50 Messpunkte beinhalten 50 Flussdichtepaare (By, Bz), die dann zur Aufstellung des Gleichungssystems hier die Stromdichte J(x0, y, z) verwendet werden. Die Loesung dieses linearen Glkeichungssystems fuehrt dann zu der Stromdichteverteilung J(x0, y, z).

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Stromdichteverteilung J_x,y,z(x, y, z) in einem Brennstoffzellenstack aus dem den Stack umgebenen vom Stromfluss im Stack erzeugten Magnetfeld B, dadurch gekennzeichnet, dass

- Sensoren hier die x, y und z Komponente der magnetischen Flussdichte B diese an mehreren Punkten ausserhalb des Stacks erfassen.
- Die Position der Sensoren fuer die Flussdichte relativ zum Stack bestimmt wird.
- Diese Werte hier Flussdichte und zugeordneter Position mit Hilfe der Maxwellgleichung, die die magnetische Feldstaerke definiert und der Materialgleichung die die magnetische Feldstaerke und Flussdichte in Beziehung setzt in Stromdichtewerte in Abhangigkeit von der Position im Stack umgerechnet werden.

2. Die Aufnahme der Messpunkte erfolgt sequentiell dadurch gekennzeichnet, dass mit einem einzigen Sensor fuer die Flussdichte und einem weiteren Sensor hier die Position des Flussdichtesensors die verschiedenen Messpunkte nacheinander angefahren werden und die Messungen zeitlich hintereinander durchgefuehrt werden (Bild 5).

3. Die Aufnahme der Messpunkte erfolgt parallel dadurch gekennzeichnet, dass mehreren Sensoren hier die Flussdichte und Position vorgesehen sind und alle Messwerte zeitlich gleichzeitig erfasst werden (Bild 4).

4. Die Aufnahme der Messpunkte erfolgt mit mehreren Sensoren parallel und zusaetzlich gleichzeitig sequentiell dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Messwerten parallel erfasst wird und dann die Sensoren neu positioniert werden und ein weiterer Satz von Messwerten erfasst wird.

5. Der Positionssensor wird durch einen Mechanismuss ersetzt dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Ursprungserkennung vorgesehen ist kombiniert mit einem Algorithmus zum Zaehlen von Schritten in einer Positionierungseinrichtung mit festen Inkrementen (Schrittmotor). Die Angabe der Position erfolgt damit relativ zu einem Referenzpunkt (Ursprung).

6. Im Fall von Parallelmessung mit mehreren Sensoren werden diese relativ zueinander raeumlich fest angeordnet sein (gemeinsamer Traeger) und dann gemeinsam z. B. in Hauptrichtung x des Brennstoffzellenstacks positioniert (Bild 4).

7. Der Abstand der Flussdichtesensoren vom Stack kann variiert werden und damit der Messbereich der Sensoren an die Flussdichte ausserhalb des Stack angepasst werden.

8. Die Sensoren koennen alle in einer Ebene z. B. x = x0 angeordent werden.

9. Die Komponente Bx des Magnetfeldes kann zur Erkennung von Stellen an denen sich die Stromdichteverteilung aendert ausgewertet werden.

10. Es koennen Sensoren die alle drei Flussdichtekomponenten (Bx, By, Bz) messen eingesetzt werden oder Sensoren die jeweils nur eine Komponente (Bx, By oder Bz) messen.

11. Es koennen getrennte Sensoren fuer die Feldkomponente Bx und die Feldkomponenten By und Bz eingesetzt werden.

12. Es koennen mehr Messwerte als noetig fuer die gewuenschte Aufloesung der Stromdichte gemessen werden (Fehlerreduzierung).

13. Anstelle der analytischen Berechnung des Gleichungssystems (z. B. Gauss Algorithmus) hier die Stromdichteverteilung koennen auch iterative Verfahren eingesetzt werden.

14. Alternativ oder Ergaenzend zur Loesung des Gleichungssytems fuer die Stromdichtewerte koennen auch Vergleiche mit Magnetfeldern von Stacks mit bekannter Stromdichteverteilung durchgefuehrt werden und damit auf die Stomdichteverteilung zurueckgeschlossen werden.

15. Alternativ oder Ergaenzend zur Loesung des Gleichungsssytems hier die Berechnung der Stromdichtewerte kann auch ein Montecarlo Algorithmus eingesetzt werden, derart dass Stromdichteverteilungen angenommen werden, das resultierende Feld berechnet wird und dann mit dem gemessenen Feld verglichen wird. In der naechsten Iterationsschleife wird dann die angenommene Stromdichteverteilung korrigiert derart dasss die Unterschiede zwischen berechnetem und gemessenen Feld kleiner werden. Bei genuegend grosser Korrelation zwischen berechnetem und gemessenen Feld wird das Verfahren abgebrochen und die angenommene Stromdichteverteilung als Ergebnis (gleich der tatsaechlichen Stromdichteverteilung im Stacck) interpretiert.

16. Durch Erhoehung der Messwertezahl hier die Flussdichte und Position kann das Messergebnisses (Aufloesung der Stromdichteverteilung) erhoeht werden.

17. In einer der eigentlichen Messung vorgestellten Messung kann das Erdmagnetfeld gemessen werden und die Werte dann von der eigentlichen Messung abgezogen werden.

18. Der Brennstoffzellenstrom kann niederfrequent moduliert werden und entweder mit Hardware oder Softwarefiltern fuer die Flussdichtemessungen der Einfluss des quasistatischen Erdmagnetfeldes auf das Messergebnis unterdrueckt werden.

19. Alle Messwerte (Position, Magnetfeld, Stromfluss) koennen in ein PC Messverarbeitungssystem eingeleitet werden und dann die Stromdichteverteilung automatisch berechnet abgespeichert und mit fruheren Messungen verglichen werden.

20. Anstelle der magnetischen Flussdichte kann auch die magnetische Feldstaerke H gemessen werden.

21. Die Messung kann in zwei Teilmessungen unterteilt werden. In einem ersten Durchlauf wird der gesamte Stack mit einer groben Aufloesung abgescannt und dann in einem zweiten Durchlauf werden kritische Bereiche mit hocherer Aufloesung untersucht.