ES2204841T3 - Procedimiento para determinar la distribucion de la densidad de corriente en una columna de pilas de combustible. - Google Patents

Procedimiento para determinar la distribucion de la densidad de corriente en una columna de pilas de combustible.

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Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente Jxyz(x, y, z) en una columna de pilas de combustible, caracterizado porque se determina la distribución de la densidad de corriente a partir del campo magnético que rodea a la columna y que es generado en ésta por el flujo de la corriente.

Description

Procedimiento para determinar la distribución de la densidad de corriente en una columna de pilas de combustible.
Para el funcionamiento de columnas de pilas de combustible en sistemas de pilas de combustible, especialmente para sistemas de pilas de combustible en vehículos automóviles, es necesario que se pueda determinar la distribución de la densidad de corriente en las columnas de pilas de combustible. Es conocido a este respecto el recurso de medir de manera diferente esta distribución de la densidad de corriente en columnas de pilas de combustible. En las publicaciones "In-situ methods for the determination of current distributions in PEM-fuel cells", de Jürgen Stumper, Ballard Power Systems Inc., 9000 Glenlyon Parkway, Burnaby, BC, Canadá V5J 5J9, Electrochimica Acta, volumen 43, 1998, y en la publicación "A printed circuit board approach to measuring current distribution in a full cell", S.J.C. Cleghorn, C.R. Derouin, M.S. Wilson, S. Gottesfeld, Los Alamos, Journal of Electrochemistry, Julio de 1998, se describen procedimientos correspondientes para esto.
El documento WO 99 26305 A describe un procedimiento para determinar el grado de conversión de material en reacciones electroquímicas. Se miden aquí las reacciones electroquímicas por medio de las altas corrientes que conducen a los elementos de contacto.
Sin embargo, estos procedimientos de medida conocidos de la distribución de la densidad de corriente en columnas de pilas de combustible adolecen de los inconvenientes siguientes. En primer lugar, en cada uno de estos procedimientos de medida es necesaria una intervención (manipulación) en la columna de pilas de combustible. Por tanto, no pueden excluirse retroacciones de medida y falseamientos de los resultados de medida a consecuencia de esta manipulación de la columna de pilas de combustible. Además, antes de la medición y la manipulación de la columna de pilas de combustible tiene que determinarse el sitio de la pila en el que deberá medirse la correspondiente distribución de la densidad de corriente. El coste del cableado para la medición se incrementa al aumentar la resolución y, por tanto, limita su volumen tolerable. Debido al coste de las medidas conocidas y a la manipulación necesaria en la columna de pilas de combustible, los métodos conocidos son adecuados únicamente para la investigación o el desarrollo de columnas de pilas de combustible, pero no pueden aprovecharse para la medición continua durante el funcionamiento o en intervalos de servicio. Otro inconveniente de los procedimientos de medida conocidos consiste en que no puede medirse con ellos la variación de la distribución de la densidad de corriente a lo largo de la columna de pilas de combustible, es decir, la variación de una pila a otra.
Por tanto, la invención se basa en el problema de proporcionar un procedimiento para determinar la distribución de la densidad de corriente en columnas de pilas de combustible con el que se pueda determinar la distribución de la densidad de corriente en columnas de pilas de combustible a lo largo de la sección transversal de las pilas en cualquier punto de la columna.
Este problema se resuelve con las características de la reivindicación 1. Se mide aquí de manera ventajosa en varios puntos el campo magnético que rodea a una columna de pilas de combustible recorrida por la corriente y, partiendo de esta medición, se calcula después la distribución de la densidad de corriente a lo largo de la sección transversal de las pilas en el interior de la columna.
El procedimiento según la invención para determinar la distribución de la densidad de corriente en columnas de pilas de combustible mediante la medición del campo magnético que rodea a la columna tiene la ventaja de que no es necesaria una variación (manipulación) de la propia columna de pilas de combustible. Además, se pueden evitar casi por completo retroacciones de la técnica de medida sobre la distribución de la densidad de corriente. Por otra parte, se puede medir la distribución de la densidad de corriente de cada pila que se desee en la columna, sin que tenga que fijarse previamente una pila. Asimismo, se puede medir la variación de la distribución de la densidad de corriente a lo largo de la columna (de una pila a otra). Por tanto, con el procedimiento de medida según la invención resulta posible una mayor exactitud de medida debido a una mayor resolución en comparación con los procedimientos conocidos hasta ahora, junto con al mismo tiempo unos costes netamente reducidos por cada operación de medida.
En la descripción y dibujo siguientes se expone con más detalle un ejemplo de ejecución del procedimiento según la invención para determinar la distribución de la densidad de corriente en columnas de pilas de combustible.
Muestran:
la figura 1, una representación esquemática de las líneas de corriente, del campo magnético y de la disposición de sensores en una columna de pilas de combustible de funcionamiento optativo, en donde se han despreciado los efectos marginales,
la figura 2 muestra la representación de la densidad de flujo magnético B medida en puntos discretos sobre un arco de círculo en torno al eje longitudinal (z) de la columna de pilas de combustible. La distribución de la densidad de corriente se ha supuesto aquí homogénea en toda la sección transversal de la pila, estando representada en la figura 2 una vista del lado frontal de la columna,
la figura 3 muestra de manera correspondiente una representación de las componentes y y z de la densidad de flujo magnético B en las mismas condiciones que en la figura 2. La distribución de la densidad de corriente se ha supuesto también homogénea en toda la sección transversal de la pila, mostrando la figura 3 una vista del lado frontal de la columna de pilas de combustible,
la figura 4 muestra una instalación de dispositivos de medida con varios sensores sobre un soporte común y
la figura 5 muestra una instalación de dispositivos de medida con un sensor individual de campo magnético.
Se explican en lo que sigue el ejemplo de ejecución y la representaciones de las figuras 1 a 5. La figura 1 muestra una columna de pilas de combustible que está constituida por varias pilas individuales con líneas de corriente en el interior de la columna y un campo magnético resultante B por fuera de la columna. Para determinar la distribución de la densidad de corriente en la columna se mide en un plano, en el punto x = x0, en las direcciones y y z, el campo magnético exterior de la columna de pilas de combustible a estudiar (By y Bz) y se deduce de ello la distribución de la densidad de corriente J(x0, y, z) en el interior de la columna. Fundamento del cálculo son la ecuación de Maxwell
1
Borde de A (A)
y la ecuación del material
(2)\vec{B} = \mu \cdot \vec{H}
en donde B es la densidad de flujo magnético, H la intensidad de campo magnético, J(x0, y, z) la distribución de la densidad de corriente en el interior de la columna en el punto x = x0 y A la superficie de integración.
Para determinar la distribución de la densidad de corriente en el punto x = x0 se corta la columna en el punto
x = x0 (modelo ideal) y se divide la superficie del corte en incrementos de superficie recorridos por la corriente. Se aplican las ecuaciones (1) y (2) a cada incremento de superficie. Superponiendo los campos individuales resultantes se puede calcular la densidad de flujo total en el espacio. Esta densidad de flujo total se equipara a la densidad de flujo medida en el plano x = x0 de tal manera que se obtiene un sistema de ecuaciones lineales para las corrientes y, por tanto, las densidades de corriente de cada incremento de superficie (ecuación 3). El lado derecho del sistema de ecuaciones representa la densidad de flujo magnético B, medida en el plano de corte, y, dado que se ha determinado por medición, puede presuponerse como conocido. La matriz A tiene en cuenta la distancia entre el incremento de superficie y el punto de medida.
(3)A(x0, y, z, y', z') \cdot \vec{J} (x0, y, z) = \vec{B} (x0, x', z')
x0 = plano de corte o plano de medida
y' = coordenada y del punto de medida correspondiente
z' = coordenada z del punto de medida correspondiente
y = coordenada y del elemento de superficie correspondiente
z = coordenada z del elemento de superficie correspondiente
\vec{B} = vector de las densidades de flujo medidas
\vec{J} = vector de las densidades de corriente desconocidas en los elementos de superficie
El vector de las densidades de corriente y, por tanto, la densidad de corriente en cada elemento de superficie y así la distribución de la densidad de corriente pueden calcularse resolviendo la ecuación (3). La solución se muestra en la ecuación (4):
(4)\vec{J}(x0, y, z) = A^{-1}(x0, y, z, y', z')\cdot \vec{B} (x0, x', z')
Las figuras 2 y 3 muestran a título de ejemplo la distribución de la densidad de flujo magnético en torno a una columna con sección transversal cuadrada en el ejemplo de ejecución, recorrida por una corriente con distribución de densidad de corriente homogénea. Los sensores están dispuestos en este ejemplo sobre un arco de círculo en torno a la columna. Se mira aquí hacia el lado derecho de la columna. La figura 2 muestra la magnitud absoluta de la densidad de flujo magnético y la figura 3 muestra las componentes y y z de la densidad de flujo magnético. En una columna de funcionamiento ideal la componente del campo magnético en la dirección x es Bx = 0. Sin embargo, los efectos marginales en los lados frontales y las faltas de homogeneidad en la estructura de las pilas y de la columna, así como el suministro de gas del ánodo y el cátodo originan una distribución de densidad de corriente no homogénea. Esta distribución conduce en la columna a componentes de densidad de corriente en las direcciones y y z y por tanto, a una componente de campo magnético Bx en la dirección x.
Con el procedimiento de medida según la invención son posibles, entre otras, las mediciones siguientes:
1. Captación de puntos (pilas) con altas componentes Jy y Jz. Estos son puntos en los que varía la distribución de la densidad de corriente Yx(x, y, z). La corriente total es aquí la integral sobre Jx(x, y, z) y se mantiene igual. En puntos con altas componente Jy y Jz existe una componente de campo magnético Bx(x) desigual de 0. En el paso 1 se conduce el sensor magnético a lo largo del eje x (coordenadas, véase la figura 1) y se mide la componente de campo magnético B_{x}. Una componente B_{x} del campo magnético interior es entonces una indicación de las componentes de densidad de corriente Jy y Jz en las direcciones y y z, es decir, una indicación de que varía la distribución de densidad de corriente Jx(x, y, z). El gradiente de la densidad de flujo Bx en la dirección x es una medida de la magnitud de la variación de Jx(x, y, z).
2. Captación de la distribución de densidad de corriente Jx(x0, y, z) en la sección transversal A de la pila en el punto x = x0. Se miden para ello las componentes de campo magnético By y Bz en el punto x = x0 en varios puntos del perímetro en el plano x = x0. El número de puntos de medida N depende de la resolución necesaria de la densidad de corriente y es al menos:
N = 0,5 veces el número de cuadrados de superficie en los que se divide la sección transversal de la columna (corresponde a la sección transversal de las pilas) cuando se mide la densidad de flujo By y Bz.
Si se mide solamente una componente de la densidad de flujo (By o Bz), el número de puntos de medida N es igual al número de los cuadrados de superficie en los que se divide la sección transversal de la columna (corresponde a la sección transversal de las pilas). Sin embargo, el número de valores de medida N puede ser también mayor que el número mínimo. Con estos valores de medida de la densidad de flujo magnético (By, Bz) junto con la posición en la que fueron medidos (x = x0, y, z), se puede deducir entonces la distribución de la densidad de corriente en el punto x = x0 del interior de la columna. Se tienen que resolver para ello las ecuaciones 1 y 2 en forma discreta para la densidad de corriente J. Es necesario para esto una inversión de la matriz (según la ecuación 4).
En lo que sigue se explicará con detalle un ejemplo de medida. Una captación de la densidad de corriente en el plano x = x0, en el supuesto de que deban resolverse 100 cuadrados de superficie, significa que han de calcularse 100 densidades de corriente desconocidas. Cada cuadrado de superficie presenta aquí su propia densidad de corriente. Se necesita un sistema de ecuaciones lineales con 100 ecuaciones. Para establecer este sistema de ecuaciones se tienen que registrar 50 densidades de flujo en el plano x = x0, incluyendo su posición con relación a la columna. Estos 50 puntos de medida incluyen 50 pares de densidades de flujo (By, Bz) que se emplean después para establecer el sistema de ecuaciones para la densidad de corriente J(x0, y, z). La solución de este sistema de ecuaciones lineales conduce después a la distribución de la densidad de corriente J(x0, y, z).
Es especialmente ventajoso a este respecto que, como se representa en la figura 5, el registro de los puntos de medida se efectúe secuencialmente, poniéndose en marcha sucesivamente los diferentes puntos de medida con un único sensor para la densidad de flujo y con otro sensor para la posición de dicho sensor de la densidad de flujo y realizándose las mediciones una tras otra en el tiempo.
En otra variante ventajosa representada en la figura 4 el registro de los puntos de medida se efectúa en paralelo, estando previstos varios sensores para la densidad de flujo y la posición y captándose todos los valores de medida simultáneamente en el tiempo.
El registro de los puntos de medida puede efectuarse en paralelo y, además, secuencialmente al mismo tiempo con varios sensores, captándose una pluralidad de valores de medida en paralelo y posicionándose entonces de nuevo los sensores y captándose un juego adicional de valores de medida.
Como alternativa, un sensor de posición puede ser sustituido por un mecanismo, estando previsto entonces un dispositivo de reconocimiento del origen que está combinado con un algoritmo para contar pasos en un dispositivo de posicionamiento con incrementos fijos (motor de pasos), efectuándose la indicación de la posición preferiblemente con relación a un punto de referencia (origen).
En una medición en paralelo con varios sensores éstos están dispuestos ventajosamente fijos en el espacio uno con relación a otro, preferiblemente sobre un soporte común, y se pueden posicionar entonces conjuntamente, de preferencia en la dirección principal x de la columna de pilas de combustible (figura 4).
Se puede variar la distancia de los sensores de densidad de flujo a la columna para poder adaptar así el intervalo de medida de los sensores a la densidad de flujo por fuera de la columna.
Los sensores de la disposición de medida pueden estar situados todos en un plano, preferiblemente x = x0.
Se evalúa preferiblemente la componente Bx del campo magnético para reconocer sitios en los que varía la distribución de la densidad de corriente.
Como alternativa, se pueden utilizar sensores que midan todos tres componentes de densidad de flujo (Bx, By, Bz).
Sin embargo, los sensores utilizados pueden captar también cada uno de ellos solamente una componente (Bx, By o Bz).
Se pueden emplear sensores separados para la componente de campo (Bx) y las componentes de campo (By y Bz).
Se pueden captar más valores de medida que los que son necesarios para la resolución deseada de la densidad de corriente.
Como alternativa, se pueden utilizar procedimientos de cálculo iterativo para calcular los sistemas de ecuaciones para la distribución de la densidad de corriente.
Como alternativa o como complemento de la resolución de los sistemas de ecuaciones para los valores de densidad de corriente, se pueden realizar comparaciones con campos magnéticos de columnas de pilas de combustible con distribución conocida de la densidad de corriente y con estos resultados se puede deducir la distribución de la densidad de corriente en la columna de pilas de combustible que se quiere medir.
Para resolver el sistema de ecuaciones para el cálculo de los valores de densidad de corriente se puede utilizar un algoritmo de Montecarlo de tal manera que se supongan distribuciones de densidad de corriente, se calcule el campo resultante y luego se compare éste con el campo medido, corrigiéndose luego en un bucle de iteración siguiente esta distribución de densidad de corriente supuesta de tal manera que se hagan más pequeñas las diferencias entre el campo calculado y el campo medido, interrumpiéndose el procedimiento cuando exista una correlación suficientemente grande entre el campo calculado y el campo medido y representando la distribución de densidad de corriente supuesta el resultado.
Aumentando el número de valores de medida para la densidad de flujo y la posición se puede precisar el resultado de medida con respecto a la resolución de la distribución de la densidad de corriente.
Además, en una medición que precede a la medición propiamente dicha se puede medir el campo magnético terrestre y se pueden restar estos valores de la medición propiamente dicha.
Como alternativa, la corriente de las pilas de combustible puede modularse en baja frecuencia y se puede suprimir la influencia del campo magnético terrestre cuasiestático sobre el resultado de medida mediante un hardware y/o filtros de software correspondientes para las mediciones de la densidad de flujo.
Todos los valores de medida (posición, campo magnético, flujo de corriente) pueden introducirse en un sistema de proceso electrónico de medida (ordenador), calculándose entonces allí automáticamente la distribución de la densidad de corriente, archivándola y comparándola con mediciones anteriores.
Con el procedimiento de medida según la invención se puede medir también la intensidad (H) del campo magnético (B) generado por el flujo de la corriente en la columna.
Además, es posible subdividir la medición en dos mediciones parciales, explorándose en una primera operación de medición parcial la columna completa con una resolución basta y analizándose luego en una segunda operación de medición parcial las zonas críticas con mayor resolución.

Claims (23)

1. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente J_{xyz}(x, y, z) en una columna de pilas de combustible, caracterizado porque se determina la distribución de la densidad de corriente a partir del campo magnético que rodea a la columna y que es generado en ésta por el flujo de la corriente.
2. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque unos sensores para las componentes x, y y z de la densidad de flujo magnético captan estas componentes en varios puntos por fuera de la columna, se determina la posición de los sensores para la densidad de flujo con relación a la columna y se transforman estos valores para densidad de flujo y posición asociada con ayuda de la ecuación de Maxwell, que define la intensidad del campo magnético, y la ecuación del material, que relaciona la intensidad de campo y la densidad de flujo magnéticos, en valores de densidad de corriente en función de la posición en la columna.
3. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se efectúa secuencialmente el registro de los puntos de medida, poniéndose en marcha sucesivamente los diferentes puntos de medida con un único sensor para la densidad de flujo y con otro sensor para la posición de dicho sensor de la densidad de flujo, y realizándose las mediciones una tras otra en el tiempo.
4. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se efectúa el registro de los puntos de medida en paralelo, estando previstos varios sensores para la densidad de flujo y la posición y captándose todos los valores de medida simultáneamente en el tiempo.
5. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se efectúa el registro de los puntos de medida en paralelo y, además, secuencialmente al mismo tiempo con varios sensores, captándose en paralelo una pluralidad de valores de medida y posicionándose luego nuevamente los sensores y captándose un juego adicional de valores de medida.
6. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se sustituye un sensor de posición por un mecanismo, estando previsto un dispositivo de reconocimiento del origen que está combinado con un algoritmo para contar pasos en un dispositivo de posicionamiento con incrementos fijos, efectuándose la indicación de la posición preferiblemente con relación a un punto de referencia.
7. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque en caso de una medición en paralelo con varios sensores estos están dispuestos fijos en el espacio uno con relación a otro, preferiblemente sobre un soporte común, y se posicionan entonces conjuntamente de preferencia en la dirección principal x de la columna de pilas de combustible.
8. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se varía la distancia de los sensores de la densidad de flujo a la columna para poder adaptar así la zona de medida de los sensores a la densidad de flujo por fuera de la columna.
9. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque los sensores están dispuestos todos en un plano, preferiblemente x = x0.
10. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se evalúa la componente Bx del campo magnético para reconocer sitios en los que varía la distribución de la densidad de corriente.
11. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se utilizan sensores que miden todos tres componentes de densidad de flujo (Bx, By, Bz).
12. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque los sensores utilizados captan cada uno de ellos solamente una componente (Bx, By o Bz).
13. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se emplean sensores separados para la componente de campo (Bx) y las componentes de campo (By y Bz).
\newpage
14. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se captan más valores que los que son necesarios para la resolución deseada de la densidad de corriente.
15. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se utilizan procedimientos de cálculo iterativo para calcular los sistemas de ecuaciones para la distribución de la densidad de corriente.
16. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque, como alternativa o como complemento de la resolución de los sistemas de ecuaciones para los valores de densidad de corriente, se realizan comparaciones con campos magnéticos de columnas de pilas de combustible con distribución de densidad de corriente conocida y con estos resultados se deduce la distribución de la densidad de corriente en la columna de pilas de combustible a medir.
17. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque, para resolver el sistema de ecuaciones para calcular los valores de densidad de corriente, se utiliza un algoritmo de Montecarlo de tal manera que se supongan distribuciones de densidad de corriente, se calcule el campo resultante y se compare éste entonces con el campo medido, corrigiéndose luego en un bucle de iteración siguiente esta distribución de densidad de corriente supuesta de tal manera que se hagan más pequeñas las diferencias entre el campo calculado y el campo medido, interrumpiéndose el procedimiento cuando exista una correlación suficientemente grande entre el campo calculado y el campo medido y representando la distribución de densidad de corriente supuesta el resultado.
18. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se precisa el resultado de medida respecto de la resolución de la distribución de la densidad de corriente incrementando el número de valores de medida para la densidad de flujo y la posición.
19. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se mide el campo magnético terrestre en una medición que precede a la medición propiamente dicha y se restan estos valores de la medición propiamente dicha.
20. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se modula la corriente de las pilas de combustible en baja frecuencia y se suprime la influencia del campo magnético terrestre cuasiestático sobre el resultado de medida mediante un hardware y/o filtros de software correspondientes para las mediciones de densidad de flujo.
21. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se introducen todos los valores de medida en un sistema de proceso electrónico de medida y luego se calcula allí automáticamente la distribución de la densidad de corriente, se la archiva y se la compara con mediciones anteriores.
22. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se mide la intensidad (H) del campo magnético (B) generado por el flujo de corriente en la columna.
23. Procedimiento para determinar la distribución de densidad de corriente en una columna de pilas de combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque se subdivide la medición en dos mediciones parciales, explorándose en una primera operación de medición parcial toda la pila con una resolución basta y analizándose después en una segunda operación de medición parcial las zonas críticas con mayor resolución.
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