JP2004500689A - 燃料電池における電流密度分布の検出方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池における電流によって形成される燃料電池を取り囲む磁界から燃料電池中の電流密度分布を検出する方法であって、その際磁束密度（Ｂ）のｘ、ｙ及びｚ成分用のセンサが燃料電池の外部の複数の点で磁界密度を検出し、かつ燃料電池に対する磁界密度用のセンサの位置が決定される方法に関する。センサは磁界密度の値を検出する。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム、特に自動車の燃料電池システムにおける燃料電池の運転のために、燃料電池における電流密度分布を決定できることが必要である。その際燃料電池におけるこの電流密度分布を相異なる方法で測定することが公知である。カナダ国 Ｖ５Ｊ５Ｊ９、ＢＣ、バーナビ、９０００グレンリョン パークウェイ、バラード パワー システム 会社のユルゲンスタンパによる１９９８年の刊行物エレクトロチミカ アクタ Ｖｏｌ ．４３の「ＰＥＭ燃料電池における電流分布の決定方法」及びＳ．Ｊ．Ｃ．クレグホーン、Ｃ．Ｒ．デルイン、Ｍ．Ｓ．ウイルソン、Ｓ．ゴッテスフェルド、ロス アラモスによる１９９８年の刊行物ジャーナル オブ エレクトロケミストリ７月号の「燃料電池における電流分布を測定するためのプリント配線盤アプローチ」には、このための相応する方法が記載されている。
【０００２】
【従来の技術】
しかし燃料電池における電流密度分布のためのこれらの公知の措置は、次の欠点を有する。先ず、これらの測定方法の各々では、燃料電池に対する干渉（マニピュレーション）が必要である。従って燃料電池のこれらのマニピュレーションによって測定への影響及び測定結果の悪化は排除できない。更に、燃料電池の測定及びマニピュレーションの前に燃料電池のどの個所での相応した電流密度分布が測定されるべきかを確認しなければならない。その際分解能の増大と共に、測定用の配線コストが上昇し、従ってその代替可能な範囲を制限する。公知の及びこのために必要な燃料電池のマニピュレーションのコストに基づいて、公知の測定方法は燃料電池の進歩若しくは発展のためにのみ役立つが、運転中又は保守期間中の連続的測定のためには寄与することができない。この公知の測定方法の他の欠点は、燃料電池に沿う電流密度分布の変化、即ち、燃料電池による燃料電池から燃料電池への振動が測定できないことにある。
【０００３】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、燃料電池の任意の個所の燃料電池横断面に亘る燃料電池の電流密度分布を決定可能にするための、燃料電池中の電流密度分布の決定方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１の特徴によって解決される。その際有利な方法で電流が流れる燃料電池を取り囲む磁界は、複数の点で測定されかつこの測定値から出発して燃料電池の内部の電池横断面に亘る電流密度分布が逆算される。
【０００５】
その際燃料電池を取り囲む磁界の測定による燃料電池中の電流密度分布の決定のための本発明による方法は、燃料電池自体の変更（マニピュレーション）を必要としないという利点を有する。更に、電流密度分布への測定技術上の影響は殆ど完全に回避される。このために、燃料電池における各任意の燃料電池の電流密度分布は燃料電池を予め固定する必要なしに測定されることができる。更に、燃料電池に沿う（燃料電池から燃料電池への）電流密度分布の変化が測定されることができる。それによって本発明による測定方法によって、従来公知の方法に対して高い分解能に基づいて同時に測定工程当りのコストを明らかに減少させて高い測定精度が可能になる。
【０００６】
燃料電池における電流密度分布の決定のための本発明による方法の実施例を次の記載及び図面に基づいて詳しく説明する。
【０００７】
実施例及び図１〜図５の図面の内容を次に説明する。その際図１は燃料電池を示し、燃料電池は燃料電池の内部に電流線を有する複数の単一電池から成りかつ燃料電池の外部に合成された磁界Ｂ を有する。燃料電池における電流密度分布を決定するために、求められるべき燃料電池の外部磁界が個所ｘ＝ｘ０の平面でｙ方向及びｚ方向において測定され（Ｂｙ及びＢｚ）及び燃料電池の内部における電流密度分布Ｊ （ｘ０、ｙ、ｚ）が推定される。逆算の基礎はマックスウエル等式
【外１】

及び材料等式
【外２】

であり、その際、Ｂは磁束密度、Ｈは磁界強度、Ｊ（ｘ０、ｙ、ｚ）は個所ｘ＝ｘ０における燃料電池内部の電流密度分布及びＡは積分面積である。
【０００８】
個所ｘ＝ｘ０における電流密度分布の決定のために燃料電池は個所ｘ＝ｘ０で切断され（思考モデル）、かつ切断面は電流の流れる面インクリメントに分割される。方程式（１）及び（２）は、各面インクリメントに適用される。合成された単一磁界の重ね合わせによって、空間中の全磁束密度が計算される。この全磁束密度は、電流従って各面積インクリメントの電流密度のための線形方程式が成立するように、平面ｘ＝ｘ０において測定された磁束密度と等価として扱われる（方程式３）。その際方程式群の右辺は断面で測定された磁束密度Ｂを表しかつ測定によって検出されるので、既知であることを前提とし得る。マトリックスＡは面インクリメントと測定点との間の距離を考慮する。
【０００９】
【外３】

【００１０】
電流密度のベクトル従って各面インクリメントにおける電流密度従って電流密度分布は方程式（３）の解によって求められることができる。解は方程式（４）が示される。
【外４】

【００１１】
図２及び３は、均一な電流密度分布の電流が流れる実施例における矩形横断面を有する燃料電池の回りの磁束密度の分布を示す。センサはこの例では燃料電池の回りの円上に配設されている。その際燃料電池の端面が見えている。図２は磁束密度の絶対量、図３は磁束密度のｙ及びｚ成分を示す。理想的に作動する燃料電池では、ｘ方向における磁界成分はＢｘ＝０である。端面での縁効果及び燃料電池構造における不均一性並びにしかしアノード及びカソードのガス供給は、不均一の電流密度分布を生じさせる。そのような分布は燃料電池におけるｙ方向及びｚ方向の電流密度成分、従ってｘ方向の磁界成分Ｂｘに繋がる。
【００１２】
次の測定は本発明による測定方法等によって可能である。
１．高いＪｙ及びＪｘ成分を有する個所（燃料電池の）の検出。これは電流密度分布Ｙｘ（ｘ、ｙ、ｚ）が変化する個所である。その際全電流はＪｘ（ｘ、ｙ、ｚ）に亘る積分でありかつ等しい。高いＪｘ及びＪｚ成分の個所では磁界成分Ｂｘ（ｘ）はゼロに等しくない。ステップ１においては磁気センサはｘ軸（図１の座標参照）に沿って案内されかつ磁界成分Ｂｘが測定される。外部磁界のＢｘ成分については、ｙ方向及びｚ方向における電流密度成分Ｊｙ及びＪｚが参照され、即ち、電流密度分布Ｊｘ（ｘ、ｙ、ｚ）が変わることが参照される。ｘ方向における磁束密度Ｂｘの勾配はＪｘ（ｘ、ｙ、ｚ）の変化の大きさの値である。
２．ｘ＝ｘ０の箇所での燃料電池横断面Ａに亘る電流密度分布Ｊｘ（ｘ０、ｙ、ｚ）の検出。このために、平面ｘ＝ｘ０の領域の複数の点での個所ｘ＝ｘ０における磁界成分Ｂｙ，Ｂｚが測定される。測定点の数Ｎは、必要な電流密度解明に依存しかつ最小である。
磁束密度Ｂｙ，Ｂｚが測定される場合、面矩形の数Ｎの０．５倍が電池横断面に相応するスタック横断面の面矩形として割り振られる。
磁束密度の１つの成分（Ｂｙ又はＢｚ）のみが測定される場合、面矩形の数＝測定点の数Ｎが、スタック横断面に相応する電池横断面の面矩形として割り振られる。しかし測定値の数Ｎは前記面矩形の数の最小数より大きくされることもできる。磁束密度が測定された位置（ｘ＝ｘ０、ｙ、ｚ）と共に磁束密度（Ｂｙ，Ｂｚ）のこの測定値によって、燃料電池の内部でのｘ＝ｘ０の個所での電流密度分布が推定される。このために、方程式１及び２が電流密度Ｊのための不連続の形で解かれねばならない。このためにマトリックス変換（方程式４）が必要である。
【００１３】
次に、測定例を詳しく説明する。１００の面矩形が解明されるべきであるという仮定の基に平面ｘ＝ｘ０における電流密度の検出は、１００の未知の電流密度が計算されることを意味する。その際各面矩形はその好適な電流密度を有する。１００の方程式群による線形方程式群が必要である。方程式群を立てるために、その燃料電池に対する位置を含めて平面ｘ＝ｘ０における５０の磁束密度が測定されねばならない。これら５０の測定点は５０の電流密度群（Ｂｙ，Ｂｚ）を含み、電流密度群は電流密度Ｊ（ｘ０，ｙ，ｚ）のための方程式群を立てるために使用される。この線形方程式群の解は、電流密度分布Ｊ（ｘ０，ｙ，ｚ）に繋がる。
【００１４】
その際図５に表されるように、測定点の設定が連続して行われる場合には特に有利であり、その際電流密度用の単一センサ及び位置用の他のセンサが、相異なる測定点で順次作動されかつ測定が時間的に前後して実施される。
【００１５】
図４に表す有利な他のバリエーションでは、測定点の設定は平行して行われ、その際電流密度及び位置用の複数のセンサが設けられかつ全ての測定値は時間的に同時に検出されることができる。
【００１６】
その際複数のセンサによる測定点の設定が平行してかつ追加的に同時に連続して行われ、その際多数の測定値が平行して検出されかつセンサは改めて位置決めされ、かつ他の測定値群が検出される。
【００１７】
選択的に位置センサが機構によって置換され、その際原点認識のための装置が設けられ、該装置は位置決め装置におけるステップを計数するためのアルゴリズムによって固定インクリメンタル要素（ステップモータ）と組み合わされ、その際位置の記載は好ましくは、参照点（原点）に対して行われる。
【００１８】
複数のセンサによる平行測定では、センサは有利に互いに空間的に固定して配設され、好ましくは、共通の支持体上に配設されると共に、好ましくは、燃料電池の主方向ｘにおいて位置決めされることができる（図４）。
【００１９】
燃料電池から電流密度センサまでの距離は、燃料電池の外部での電流密度にセンサの測定領域を適合させるために、変えられる。
【００２０】
測定装置のセンサは全て、一平面内に、好ましくは、ｘ＝ｘ０に配設されることができる。
【００２１】
磁界の成分Ｂｘは、好ましくは、電流密度分布が変わる個所の認識のために評価されることができる。
【００２２】
選択的にセンサが使用されることができ、センサは全部で３つの電流密度分布（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）を測定する。
【００２３】
しかし使用されるセンサはそれぞれ１つの成分（Ｂｘ，Ｂｙ又はＢｚ）のみを検出することができる。
【００２４】
磁界成分（Ｂｘ）用及び磁界成分（Ｂｙ及びＢｚ）のための別個のセンサが使用されることができる。
【００２５】
電流密度の所望の解明に必要なものとして複数の測定値が検出されることができる。
【００２６】
電流密度分布のための方程式群の計算のために選択的に反復計算法が使用されることができる。
【００２７】
電流密度値のための方程式群の解を得るために、交互に又は補完的に既知の電流密度分布と燃料電池の磁界との比較が実施されることができかつこれらの結果によって測定されるべき燃料電池における電流密度分布が推定されることができる。
【００２８】
電流密度の計算のための方程式群の解を得るために、電流密度分布が仮定され、合成された磁界が計算されかつ測定さた磁界と比較されるように使用され、その際計算された磁界と測定された磁界との間の差が小さくなるように次の反復回路においてこれらの仮定された電流密度分布が修正され、その際計算された磁界と測定された磁界との間の相関関係が十分大きな場合、プロセスが中断され、かつ仮定された電流密度分布が計算結果とされる。
【００２９】
磁束密度及び位置のための測定値数の増加によって、電流密度分布の解明のための測定結果が正確にされることができる。
【００３０】
固有の測定に先行する測定において、アース磁界が測定されかつこの値が固有の測定値から減算される。
【００３１】
燃料電池電流は、交互に低周波数に変調されかつ矩形のアース磁界の測定結果への影響は電流密度測定用の相応するハードウエア及び又はソフトウエアによって抑制される。
【００３２】
全ての測定値（位置、磁界、電流）は、電子的測定処理システム（コンピュータ）に導入され、その際そこで電流密度分布は自動的に計算され、記憶され、かつ先に行われた測定値と比較される。
【００３３】
本発明による測定方法によって、燃料電池における電流によって生じる磁界（Ｂ）の磁界強さ（Ｈ）も測定されることができる。
【００３４】
このために、測定を２つの部分測定に分けることが可能である場合、その際第１部分測定工程において、全燃料電池が大きな分解能によってスキャンニングされ、かつ第２部分測定工程で臨界領域は高い分解能をもって求められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、光学的に作動する燃料電池における電流線、磁界及びセンサ配置の図式図であって、その際縁効果は無視されている。
【図２】
図２は、燃料電池の縦軸線（ｚ）の回りの円上の不連続な点で測定された磁界密度Ｂ を示す図であって、電流密度分布は電池横断面に亘って均一であると仮定され、その際燃料電池の端面を見た図である。
【図３】
図３は、図２と同様な条件の下での磁束密度のｙ−及びｚ成分を示す相応する図であって、電流密度分布は同様に電池横断面に亘って均一であると仮定され、その際燃料電池の端面を見た図である。
【図４】
図４は、共通の支持体上に複数のセンサを備えた測定装置を示す図である。
【図５】
図５は、個々の磁界センサを備えた測定装置を示す図である。
【符号の説明】
Ｂ 磁界
Ｊ_{ｘ ｙ ｚ} （ｘ、ｙ、ｚ）　電流密度分布

Claims (23)

1. 燃料電池における電流密度分布Ｊ_ｘ 、Ｊ_ｙ 、Ｊ_ｚ （ｘ、ｙ、ｚ）の決定方法において、
   電流密度分布は燃料電池における電流によって発生し、燃料電池を取り囲んでいる磁界（Ｂ）から決定されることを特徴とする前記方法。
2. 磁束密度（Ｂ）のｘ、ｙ、ｚ成分のためのセンサが燃料電池の外部における複数の点の磁束密度を検出し、燃料電池に対する磁束密度のためのセンサの位置が決定され、そして電流密度及びそのセンサの位置のこれらの値が磁界強度を特定するマクスウエル方程式及び磁界強度及び磁束密度を電流密度値に関係ずける材料方程式によって燃料電池における位置に依存して算出されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池中の電流密度分布の決定方法。
3. 測定点の設定が連続してに行われ、その際磁束密度用のセンサ及び磁束密度用センサの位置用の他のセンサが、相異なる測定点で順次作動しかつ測定が時間的に前後して実施されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池中の電流密度分布を決定する方法（図５）。
4. 測定点の設定が平行して行われ、その際磁束密度用及び位置用の複数のセンサが設けられかつ全ての測定値が時間的に同時に検出されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
5. 複数のセンサによる測定点の設定が平行して行われ、かつ追加的に同時に連続して行われ、その際多数の測定値が平行して検出され、かつそれからセンサが改めて位置決めされかつ他の測定値群が検出されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
6. 位置センサが１つの機構によって置換され、その際原点認識のための装置が設けられており、該装置は一定のインクリメンタル要素（ステップモータ）を備えた位置決め装置におけるステップを計数するためのアルゴリズムと組み合せ可能であり、その際位置の表示は好ましくは、参照点（原点）に対して行われることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
7. 複数のセンサによる平行測定では、センサは互いに空間的に固定して、好ましくは、共通の支持体上に配設されると共に、好ましくは、燃料電池の主方向ｘにおいて位置決めされることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法（図４）。
8. センサの測定範囲を燃料電池の外部の磁束密度に適合させるために、磁束密度センサの燃料電池からの距離が変えられることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
9. センサが、全て、一平面内、好ましくはｘ＝ｘ０の平面内に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
10. 電流密度分布が変化する個所の認識のために磁界の１つの成分Ｂｘが評価されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
11. 全部で３つの磁束密度成分（Ｂｘ， Ｂｙ， Ｂｚ）を測定するセンサが使用されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
12. 使用されるセンサが、それぞれ唯１つの成分（Ｂｘ，Ｂｙ又はＢｚ） を検出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
13. 磁界成分（Ｂｘ） 及び磁界成分（Ｂｙ， Ｂｚ） 用として別個のセンサが使用されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
14. 電流密度の所望の解明のために必要な複数の測定値が検出されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
15. 電流密度分布のための方程式群の計算のために、反復的計算法が使用されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
16. 電流密度分布のための方程式群の解を得るために交互に又は補完的に既知の電流密度分布と燃料電池の磁界との比較が実施されかつこの結果によって測定されるべき燃料電池における電流密度分布が推定されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
17. 電流密度値の計算のための方程式群の解を得るために、電流密度分布が仮定され、合成磁界が計算されかつ測定された磁界と比較されるように、モンテカルロアルゴリズムが使用され、その際次の反復計算においてこの仮定された電流密度分布が、計算された磁界と測定された磁界との間の差が小さくなるように修正され、その際計算された磁界と測定された磁界との間に十分大きな相関関係が存在する場合には、プロセスが中断されかつ仮定された電流密度分布が計算結果とされることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
18. 磁束密度及び位置についての測定値数の増加によって、電流密度分布の解明に関する測定結果が正確にされることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
19. 固有の測定に先行する測定において、アース磁界が測定され、かつこれらの値が固有の測定値から差し引かれることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
20. 燃料電池電流が低周波に変調され、かつ電流密度測定のための相応したハードウエア及び又はソフトウエアによって準静的アース磁界の測定結果への影響が抑制されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
21. 全測定値（位置、磁界、電流）が、電子測定処理システムに導入され、かつそれから電流密度分布が自動的に計算され、記憶されかつ先に行われた測定値と比較されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
22. 燃料電池における電流によって発生する磁界（Ｂ ）の磁界強さ（Ｈ）が測定されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。
23. 測定が２つの部分測定に分割され、その際第１部分測定工程において全燃料電池が大きな分解能でスキャンニングされ、かつ第２部分測定工程で臨界領域が高い分解能で求められることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池における電流密度分布の決定方法。

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