(57)【要約】電気化学デバイスに対する測定システムは、半導体測定ストリップを利用し、該半導体測定ストリップが、電気化学デバイスに接続されることにより、電気化学デバイスの電気特性を表し得る。測定システムは、電気接触器および／または測定デバイスをさらに含み得る。電気化学デバイスのセルをモニタリングする方法が、電気化学デバイスの電圧の距離による変化をモニタリングし、分析するために開示される。電気化学デバイスのセルをモニタリングする方法は、半導体測定ストリップを燃料電池スタックに接続することによって、燃料電池スタックの直列に接続された燃料電池をモニタリングし、測定ストリップの電圧の距離による変化をモニタリングすることを包含する。
2009522729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチセル電気化学デバイスの複数のセルの電気特性を示す装置であって、
該マルチセル電気化学デバイスの少なくとも一部分に電気接続可能な半導体測定ストリップであって、動作中、該測定ストリップは、該マルチセル電気化学デバイスの該一部分の電気特性の示度を示す、半導体測定ストリップ
を備えている、装置。
【請求項２】
前記電気化学デバイスは、燃料電池スタックである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電気化学デバイスの前記一部分の前記示された電気特性は、該電気化学デバイスの前記セルの電圧である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記測定ストリップによって示された前記電気特性は、前記マルチセル電気化学デバイスの前記複数のセルの前記電気特性の電圧の示度である、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記測定ストリップは、導電性に関して実質的に等方性の材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記測定ストリップは、ポリカーボネート材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記測定ストリップは、導電性に関して実質的に非等方性の材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記測定ストリップに電気接続可能であり、かつ、前記マルチセル電気化学デバイスの前記複数のセルの前記電気特性を示す、該測定ストリップの電気特性を測定するように動作可能である測定デバイス
をさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記測定デバイスは、さらに、前記測定ストリップに沿ったポイントにおいて複数の測定を行うように動作可能である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記複数の測定は、前記電気化学デバイス内の前記複数のセルの積層の方向に一致する方向において、前記測定ストリップの長さに沿って一定の距離で行われる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記複数の測定は、前記電気化学デバイス内の前記複数のセルの積層の方向に一致する方向において、前記測定ストリップの長さに沿って可変の距離で行われる、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記測定デバイスは、前記測定ストリップに沿ったポイントにおいて複数の電圧測定を行うように動作可能である、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記測定ストリップと前記マルチセルラー電気化学デバイスのセルとの間の第１の接触ポイントと、
該測定ストリップと前記測定デバイスの第１の測定ポイントとの間の第２の接触ポイントと、
該測定ストリップと該測定デバイスの第２の測定ポイントとの間の第３の接触ポイントと
をさらに備え、
該測定ストリップは、該第１の接触ポイントと該第２の接触ポイントとの間に電気抵抗ＲＬを有し、かつ、該第２の接触ポイントと該第３の接触ポイントとの間に電気抵抗ＲＳを有し、
前記測定ストリップは、ＲＳ：ＲＬの比率が約２０：１を上回る性質を有する材料を備えている、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記測定ストリップの前記電気特性の前記複数の測定を分析する手段をさらに備えている、請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
前記測定ストリップの前記電気特性の前記複数の測定を分析する前記手段は、該測定ストリップの該電気特性の該複数の測定を分析するように動作可能なコントローラを備えている、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記複数の測定の分析に応答して制御行動を行わせる手段をさらに備えている、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記制御行動は、燃料電池システムを止めることと、該燃料電池システムを電力を低下させた動作状態にすることと、該燃料電池システムのオペレータに警告を出すことと、該燃料電池システムの動作条件を修正することと、またはそれらの組み合わせのリストから選択された制御行動を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
制御行動を行わせる前記手段は、制御行動を行わせるように動作可能なコントローラを備えている、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
燃料電池システムであって、該燃料電池システムは、
複数の燃料電池であって、該燃料電池は、燃料電池スタックを形成するように電気接続されている、複数の燃料電池と、
半導体測定ストリップと、
該複数の燃料電池のうちの少なくとも１つと該測定ストリップとの間で電気接続可能な電気接触デバイスであって、該接触デバイスは、該少なくとも１つのセルの電圧の示度を該測定ストリップに提供するように動作可能である、電気接触デバイスと
を備えている、燃料電池システム。
【請求項２０】
前記電気接触デバイスは、複数の電気接触を備えており、それぞれの電気接触は、互いから電気絶縁されている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記複数の電気接触は、非金属の導電性エラストマー組成物を含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記エラストマー組成物は、エラストマーと非金属の導電体とを含む、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記電気接触デバイスは、導電性エラストマー組成物層と非導電性エラストマー層とを互い違いにすることを含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
前記測定ストリップは、導電性に関して実質的に等方性の材料を含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２５】
前記測定ストリップは、ポリカーボネート材料を含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２６】
前記測定ストリップは、導電性に関して実質的に非等方性の材料を含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２７】
前記測定ストリップに電気接続可能であり、かつ、前記燃料電池スタックの少なくとも１つのセルの電圧を示す、少なくとも１つの測定ストリップの電圧を測定するように動作可能である測定デバイス
をさらに備えている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２８】
前記測定デバイスは、さらに、複数の測定ストリップの電圧を測定するように動作可能である、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記複数の測定ストリップの電圧の測定は、前記燃料電池スタック内の前記複数のセルの積層の方向に一致する方向において、前記測定ストリップの長さに沿って一定の距離で行われる、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記複数の測定ストリップの電圧の測定は、前記電気化学デバイス内の前記複数のセルの積層の方向に一致する方向において、前記測定ストリップの長さに沿って可変の距離で行われる、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
前記測定ストリップと前記電気接触デバイスとの間の第１の接触ポイントと、
該測定ストリップと前記測定デバイスの第１の測定ポイントとの間の第２の接触ポイントと、
該測定ストリップと該測定デバイスの第２の測定ポイントとの間の第３の接触ポイントと
をさらに備え、
該測定ストリップは、該第１の接触ポイントと該第２の接触ポイントとの間に電気抵抗ＲＬを有し、かつ、該第２の接触ポイントと該第３の接触ポイントとの間に電気抵抗ＲＳを有し、
前記測定ストリップは、ＲＳ：ＲＬの比率が約２０：１を上回る性質を有する材料を備えている、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３２】
燃料電池スタックの直列に接続された燃料電池をモニタリングする方法であって、該方法は、
スタックの電圧プロファイルをモニタリングすることと、
該スタックの電圧プロファイルを分析することにより、該燃料電池スタック内の燃料電池のいずれかが、閾値電圧を下回るか否かを決定することと
を包含する、方法。
【請求項３３】
燃料電池スタックの燃料電池をモニタリングする方法であって、該方法は、
半導体測定ストリップを該燃料電池スタックの該燃料電池のうちの少なくとも１つに電気接続することと、
該測定ストリップに存在する電圧の距離による変化をモニタリングすることと
を包含する、方法。
【請求項３４】
前記電圧の距離による前記変化を分析することにより、前記燃料電池スタックの動作状態を決定することをさらに包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記測定ストリップに存在する前記電圧の距離による前記変化をモニタリングすることは、該測定ストリップにおいて複数の電圧測定を行うことを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記電圧の距離による前記変化を分析することは、前記燃料電池スタックの前記セルの差分電圧を決定することを包含する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記差分電圧を閾値と比較することをさらに包含する、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
燃料電池スタックを形成するために直列に電気接続された複数の燃料電池を備えている燃料電池システムを動作させる方法であって、該方法は、
該燃料電池スタックに電気接続された半導体測定ストリップに渡って電圧を測定することと、
該測定ストリップに存在する前記電圧の距離による変化をモニタリングすることと、
該測定ストリップに存在する該電圧の距離による該変化を分析することと、
該測定ストリップに存在する該電圧の距離による該変化の該分析に応答して制御行動を行うことと
を包含する、方法。
【請求項３９】
前記測定ストリップに渡って電圧を測定することは、該測定ストリップにおいて複数の電圧測定を行うことを包含する、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記複数の電圧測定のそれぞれは、互いから等距離にある、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
行われる電圧測定の数は、前記燃料電池スタック内の前記燃料電池の数と等しい、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
行われる電圧測定の数は、前記燃料電池スタック内の前記燃料電池の数を上回る請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
行われる電圧測定の数は、前記燃料電池スタック内の前記燃料電池の数を下回る請求項３９に記載の方法。
【請求項４４】
前記電圧の距離による前記変化を分析することは、前記燃料電池スタックの前記電池の差分電圧を決定することを包含する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４５】
前記差分電圧を閾値と比較することをさらに包含する、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記制御行動を行うことは、前記燃料電池システムを止めることと、該燃料電池システムを電力を低下させた動作状態にすることと、該燃料電池システムのオペレータに警告を出すことと、該燃料電池システムの動作条件を修正することと、それらの組み合わせを行うこととのリストから選択された制御行動を行うこと包含する、請求項３８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電気化学デバイスは、反応によって生成された化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。電気化学デバイスの例は、バッテリおよび燃料電池を含む。一部の場合において、電気化学デバイスは、電気的に直列に接続された多数のセルから成る。電気化学デバイスは、多種多様な用途において電力を供給するために使用され得る。例示的な輸送の用途は、ハイブリッド電気車両（ＨＥＶ）、電気車両（ＥＶ）、重量車両（ＨＤＶ）、および４２ボルトの電気システムを有する車両を含む。例示的な固定の用途は、遠隔通信システムに対するバックアップ電力、非常用電源（ＵＰＳ）、および分散型の電力生成用途を含む。
【背景技術】
【０００２】
電気化学燃料電池は、反応体、すなわち、燃料と酸化体とを変換することにより電力と反応生成物を生成する。電気化学燃料電池は、概して、２つの電極、すなわち、カソードとアノードとの間に配置された電解質を利用する。
【０００３】
電気化学燃料電池の１つのタイプは、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、概して、膜電極接合体（ＭＥＡ）を利用しており、該膜電極接合体（ＭＥＡ）は、２つの電極の間に配置された固体高分子電解質またはイオン交換膜を備えている。
【０００４】
燃料電池において、ＭＥＡは、一般的には２つの伝導性セパレータプレートまたは流量フィールドプレートの間に挟まれ、該２つの伝導性セパレータプレートまたは流量フィールドプレートは、反応体の流体の流れに対して、実質的に不浸透性である。セパレータプレートは、電流コレクタとして働き、ＭＥＡに機械的支持を提供し得る。さらに、セパレータプレートは、その中に形成されたチャネル、トレンチなどを有し、該チャネル、トレンチなどが、経路として働くことにより、反応体の流体の流れおよび酸化体の流体の流れに対するアクセスを適切な電極層に提供する。すなわち、燃料側にアノードを提供し、酸化体側にカソードを提供する。また、流体の経路は、燃料電池の動作中に形成された、反応体の副産物および劣化ガスの除去を提供する。
【０００５】
燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池が、一般的には直列に接続されるが、時には、並列に、または直列と並列との組み合わせで接続されることにより、燃料電池システムの全出力電力を増加させる。かかる配置において、所与のセパレータプレートの一方の側は、１つのセルに対するアノードセパレータプレートと呼ばれ得、プレートの他方の側は、隣接するセルに対するカソードセパレータプレートと呼ばれ得る。
【０００６】
燃料電池スタックの動作状態の示度として、燃料電池スタックの一部分の性能と、燃料電池スタックの中の個々のセルの性能とをモニタリングすることが、有用であり得る。例えば、燃料電池スタックの動作状態が既知となると、制御活動が行われることにより、燃料電池スタックの動作条件を変更または維持し、それにより燃料電池スタックを望ましい状態にし得る。
【０００７】
燃料電池スタックの中の燃料電池の性能は、一般的には、燃料電池の個々の差分電圧を測定することによってモニタリングされる。
【０００８】
しかしながら、電圧の測定は、差分モードの測定、または共通モードの測定として行われ得る。差分電圧の測定は、規定された測定点間の電位差を表す。例えば、差分電圧の測定は、セル間の電圧、またはセルの１つの群とセルの別の群との間の電位差を示し得る。共通モードの測定は、一般的には、単一の規定された基準を使用して行われる。例えば、共通モードの電圧測定は、グランド電位に対するセルの電圧、または燃料電池モジュールのフレーム、車両のシャシー、もしくは他の適切な基準に対するセルの電圧を示し得る。いずれかの電圧測定モードが、有用なセルの電圧のデータを集めるために使用され得ることを、当業者は理解する。
【０００９】
一般的なセルの電圧のモニタリング（ＣＶＭ）は、個々のセルに対する適切な電気接続を経由して電圧データを収集する。次に、セルの電圧を表す信号が生成され、プロセッサに供給され、次に、該プロセッサは、問題の状態が存在するか否かを決定し、適切な行動を開始する。一般的なプロセッサは、高い共通モードの電圧（すなわち、共通電圧または共通アースに対する電圧）に適合することが出来ず、一般的な直列スタックにおいて遭遇される電圧は、（例えば、セル間で数百ボルトまでと）きわめて高いので、生成された信号は、通常、適切な絶縁回路網を経由してセル自体から電気絶縁されている。しかしながら、セルに対して行われた電気接続に関して、そして、セルの電圧を表す電気絶縁信号を生成する回路網に関して、問題と直面する。
【００１０】
セルに電気接続を行うことに関して、必要とされるアセンブリは、非常に大きな労力を必要とし、燃料電池の設計が進歩するにつれ、およびセパレータプレートが段々と薄くなるにつれ、より近接して間隔を空けられるにつれ、接触を整列および設置することが困難になる。さらに、（製造の公差による、またはスタックの動作中の膨張および収縮による）セル間の間隔における変化に適合しなければならない。さらにまた、燃料電池スタックは、振動を受け得、従って、振動を受けたときでさえ、確かな接続が接触を維持することができなければならない。
【００１１】
ＣＶＭにおける信号生成／電気絶縁回路網は、セルに対する電気接続の近く、従ってスタックの近くに配置されることが望ましい（これが、ハードウェアに必要とされる高い電圧と、システムにおける危険な電圧範囲のサイズとを最小化する。また、ＣＶＭによる、スタック内のセルの偶発的な短絡の可能性が減少される）。しかしながら、スタックのすぐ近くにおいて、環境は、多湿であったり、暑かったり、酸性またはアルカリ性のいずれかであったりし得る。例えば、固体高分子電解質燃料電池において、カーボンセパレータプレートは、多少透過性があり得、従って、プレートのすぐ近くの環境は、セルの内側の環境とやや似ることがあり得る。結果として、スタックのすぐ近くのあらゆる金属のハードウェアが、腐食しやすくなり、欠陥をもたらしやすくなり得る。特に、（例えば、プリント回路基板ベースの絶縁回路網における）大きな電圧を隔離する伝導性トレースは、樹枝状結晶の形成を介した腐食および橋絡を受けやすい。このタイプの欠陥を防止するために、かかるハードウェアが、適切にカプセル化されるか、または絶縁体に埋め込まれることにより、腐食環境からハードウェアを分離し得る。まだ、この方法で、満足のいく包括的な耐久性のある保護コーティングを提供することは、自明なことではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本分野における進歩は存在するが、燃料電池スタックに対する簡単で確実なセルの電圧のモニタリングに対する必要性が存在する。本発明は、これらの必要性に対処し、さらに、関連する利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一実施形態において、測定システムは、電気化学デバイスに接続された半導体測定ストリップを備えることにより、電気化学デバイスの電気特性の示度を提供する。
【００１４】
一実施形態において、測定システムは、測定ストリップの電気特性を測定するために動作可能である測定デバイスを備えており、該測定ストリップの電気特性は、電気化学デバイスの電気特性を表す。
【００１５】
一実施形態において、燃料電池システムは、セルの電圧を提供する複数の燃料電池と、半導体測定ストリップと、燃料電池スタックと測定ストリップとに電気接続された電気接触器と、燃料電池の電圧の示度を測定ストリップに提供するように動作可能である電気接触器とを備えている。
【００１６】
一実施形態において、燃料電池スタックの動作をモニタリングする方法は、燃料電池スタックの電圧の距離による変化をモニタリングすることと、燃料電池スタックの電圧の距離による変化を分析することとを包含する。
【００１７】
一実施形態においては、半導体測定ストリップを燃料電池スタックに接続することによって、燃料電池スタックの直列に接続された燃料電池をモニタリングし、測定ストリップの電圧の距離による変化をモニタリングする方法である。
【００１８】
一実施形態においては、半導体測定ストリップを燃料電池スタックに接続し、測定ストリップの電圧の距離による変化をモニタリングおよび分析し、電圧プロファイルの分析に応答して制御行動を取ることによって、燃料電池スタックを動作する方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図面においては、同一の参照番号は、同様な要素または行為を識別する。図面内の要素のサイズおよび相対位置は、必ずしもサイズを合わせて描かれていない。例えば、様々な要素の形状および角度は、サイズを合わせて描かれておらず、これらの要素の一部が、任意的に、拡大され、配置されることにより、図面の読み取りやすさを改善する。さらに、描かれているような要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関する情報を伝えることを全く意図しておらず、図面の認識の容易さのために選ばれただけである。
【００２０】
以下の記述と、含まれている図面とにおいて、一定の特定の詳細が、本発明の様々な実施形態の完全な理解を提供するように述べられる。しかしながら、本発明は、これらの詳細の全てを用いることなく実施され得ることを、当業者は理解する。他の例において、燃料電池システムと関連付けられる周知の構造は、本発明の実施形態の記述を不必要に不明瞭にすることを回避するために、詳細には示されていないか、または詳細には記述されていない。
【００２１】
特に断りがない限りは、本明細書および添付の特許請求の範囲の全体を渡って、単語「備えている」と、その変形、例えば、「備える」、「備えた」は、「含むが、限定するものではない」という非制限的な意味で解釈される。
【００２２】
本明細書全体を渡って、「一実施形態」または「１つの実施形態」に対する言及は、実施形態に関して記述された特定の特徴、構造または特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、明細書全体を渡る様々な場所における語句「一実施形態において」または「１つの実施形態において」の出現は、全てが必ずしも同じ実施形態を言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造または特性が、１つ以上の実施形態において、任意の適切な方法で組み合わせられ得る。
【００２３】
本明細書において提供された頭書きは、理解のためだけのものであり、請求された発明の範囲または意味を解釈するものではない。
【００２４】
図１は、一実施形態に従った電気測定システムの一部分を例示する分解図である。複数の燃料電池１０２を有する燃料電池スタック１０１は、測定ストリップ１０３に電気接続されている。複数の測定サンプリングポイント１０５が、測定ストリップの表面１０４に配置されている。測定デバイス（図示せず）が測定ストリップ１０３に電気接続されることにより、測定サンプリングポイント１０５において複数の測定を行い得る。例えば、測定デバイス、例えば、デジタルマルチメータ（図示せず）は、測定ストリップの表面１０４に沿った複数の電圧の測定を行うために測定ストリップに電気接続され得る。電圧測定ストリップ１０４に沿って行われた電圧測定は、燃料電池スタック１０１に沿って存在する電圧を表す。他の実施形態においては、測定センサが使用されることにより、サンプリングポイント１０５において測定を行い得る。次に、これらの測定センサは、アナログデジタル変換器に接続され得、該アナログデジタル変換器が、結果として生じるデジタル信号をさらなる処理デバイス、例えば、マイクロプロセッサに提供し得る。
【００２５】
一部の実施形態において、測定ストリップ１０３および／または測定サンプリングポイント１０５が、燃料電池の範囲を越えて充分に延びることにより、燃料電池が動作中の動きまたは膨張によって移動させられたときでさえも、燃料電池の少なくとも一部が、依然として接触させられていることを確実にする。
【００２６】
燃料電池スタックの方向に沿った物理的距離の関数としての、累積的なスタックの電圧の示度が、スタックの電圧プロファイルと呼ばれる。次に、スタックの電圧プロファイルに沿った間隔を空けられたポイントにおいて一連の電圧測定を行うことによって、燃料電池の動作状態の決定が行われる。スタックの電圧プロファイルが、測定ストリップの長さに沿った様々なポイントにおいて電気化学デバイス（例えば、図１の燃料電池スタック１０１）に電気的に接続された測定ストリップ（例えば、図１の測定ストリップ１０３）において確立される。スタックの電圧プロファイルをモニタリングすることは、燃料電池の個々の燃料電池またはアースの電気化学燃料電池の反応の動作状態を決定する方法として使用され、個々の燃料電池間に介在する電気的相関関係を決定するためにも使用され得る。
【００２７】
スタックの電圧プロファイルが確立される測定ストリップ１０３は、半導体材料を備えている。伝導性の高い材料は、個々の燃料電池間で短絡を形成するか、または電流の漏れを可能にし、該電流の漏れは、燃料電池スタックの動作に有害な影響を及ぼす。完全に非伝導性（絶縁）の材料は、燃料電池スタックの電圧の示度を全く伝えず、従ってスタックの電圧プロファイルを測定するためには使用され得ない。従って、測定ストリップとして使用される目的のためには、半導体材料が、半導体材料が接続される電気化学デバイスに存在する電圧の示度を提供する充分な伝導性を有する材料として、かつ、半導体材料が接続される電気化学デバイスが、それの意図された目的を満たすことを妨げるには充分ではない伝導性を有する材料として定義される。
【００２８】
一部の実施形態において、測定ストリップは、スタックから引き込まれることが可能な電流を一定のレベルに限定するために充分なインピーダンスを有する材料を含む。例えば、測定ストリップのインピーダンスが、ストリップを通過し得る全電流が安全閾値を下回るようなものであることが望ましくあり得る。従ってかかる測定ストリップは、改善された電気的安全性を提供する。
【００２９】
測定ストリップは、連続的な面を含み得、従って燃料電池スタック（または中間の電気接触器）が測定表面と接触するべき正確な場所に関して物理的制限が全くなく、スタックの電圧プロファイルの測定が、測定ストリップの長さに沿って行われるべき場所に関して物理的制限が全くないことがあり得る。さらに、あらゆる個々のセルが、（直接的に、または中間の電気接触器を介してのいずれかで）測定ストリップに電気接続することに失敗した場合には、スタックの電圧プロファイルに対する失敗したセルの寄与の良好な近似が、その他任意の近くのセルの接触によって本来的に生成される。
【００３０】
測定ストリップの長さに沿って行われる測定は、差分電圧の測定またはシングルエンドの電圧測定であり得、均等に間隔を空けられた物理的距離、または可変に間隔を空けられた物理的距離において行われ得る。例えば、一部の実施形態において、電圧測定は、一部の複数のセルピッチにおいて、均等に間隔を空けられた物理的距離で行われ得る。セルのピッチは、電気化学デバイスの中のセル間の間隔として画定される。他の実施形態において、可変の間隔距離が電圧測定の間に使用され得る。例えば、測定が、燃料電池スタックの端近くにおいては、狭い間隔で行われ、燃料電池スタックの中間においては、より広い間隔において行われ得る。
【００３１】
別の実施形態において、一連の均等に間隔を空けられた、差分電圧の測定を提供する１つの測定デバイスを製作することが望ましくあり得る。次に、本デバイスは、セルのピッチに関わらず、スタックの電圧プロファイルをモニタリングするために任意の燃料電池スタックと共に使用され得る。一部の実施形態において、本デバイスは、複数のこれらのデバイスが直列に配置されることにより、任意のサイズの燃料電池スタックのスタックの電圧プロファイルをモニタリングし得るようなモジュールであり得る。
【００３２】
図２は、電気接続器２０６を経由して測定ストリップ２０３に電気接続された燃料電池スタック２０１を示す実施形態を例示する。電気測定は、測定サンプリングポイント２０５において行われ得る。複数の測定が、測定デバイス（図示せず）によって、測定サンプリングポイント２０５において行われ得る。電気接触器２０６と燃料電池スタック２０１との間の電気的接触を高めるように電気接触器２０６と燃料電池スタック２０１との間の物理的接触を最大化するために、圧力が、破線の矢印２０７によって示された方向に電気接触器２０６に及ぼされ得る。
【００３３】
図３は、一実施形態の等価電気モデルを示す。例示されたモデルにおいて、燃料電池スタック３０１は、複数の燃料電池のモデルレジスタ３０２ａ〜３０２ｎに直列に電気接続された電源３０８としてモデル化されており、各レジスタは、個々の燃料電池３０２をモデル化している。弱い燃料電池または力の劣る燃料電池をモデル化するために、対応する燃料電池のモデルレジスタ３０２ａ〜３０２ｎは、他の燃料電池のモデルレジスタよりも低い抵抗を有し得る。例えば、半分の電圧（０．５＊Ｖ）で動作する１つの燃料電池を除いて、全ての燃料電池が同じ燃料電池の電圧Ｖで動作する燃料電池スタックをモデル化するために、電圧Ｖで動作する燃料電池のそれぞれが、１オームの抵抗を有する燃料電池のモデルレジスタ３０２ａ〜３０２ｎによってモデル化され、（０．５＊Ｖ）で動作する燃料電池は、０．５オームの抵抗を有する燃料電池のモデルレジスタ３０２ａ〜３０２ｎによってモデル化される。
【００３４】
測定ストリップ３０３は、２つのタイプの抵抗によってモデル化される。燃料電池３０２と測定ストリップ３０３における測定のポイントとの間の経路に存在する電気抵抗は、直列抵抗ＲＳ３１３ａ〜３１３ｏとしてモデル化される。抵抗ＲＳ３１３ａ〜３１３ｏは、測定ストリップの表面に対して実質的に垂直な面における測定ストリップ３０３の抵抗、ならびに電気接触器（図示せず）の接触抵抗および直列抵抗を表し得る。例示されたモデルにおいて、抵抗ＲＳ３１３ａ〜３１３ｏは、関連のある面における測定ストリップの抵抗、およびこの面における材料の厚さによって最も強く影響される。
【００３５】
測定ストリップ３０３における測定サンプリングポイントの間の経路に存在する電気抵抗は、直列抵抗ＲＬ３２３ａ〜３２３ｎとしてモデル化される。例示されたモデルにおいて、抵抗ＲＬ３２３ａ〜３２３ｎは、関連のある面における測定ストリップの抵抗、およびこの面において行われる測定間の距離によって最も強く影響される。
【００３６】
一部の実施形態において、測定ストリップ３０３は、伝導性に関して実質的に電気的に等方性であり得、すなわち、材料の導電特性が、材料の全方向においてほぼ等しい。導電性が等方性の材料のモデルにおいて、測定間の距離が等しい場合には、全ての抵抗ＲＬ３２３ａ〜３２３ｎが、実質的に互いに等しく、材料が、抵抗ＲＳ３１３ａ…３１３ｏに対応する面において均一な厚さを有する場合には、全ての抵抗ＲＳ３１３ａ〜３１３ｏは、実質的に互いに等しい。一実施形態において、抵抗ＲＬ３２３ａ〜３２３ｎのそれぞれは、例えば、約５キロオームの抵抗を有し得、抵抗ＲＳ３１３ａ〜３１３ｏのそれぞれは、例えば、約１．４キロオームの抵抗を有し得る。
【００３７】
一部の実施形態において、測定ストリップは、伝導性に関して電気的に非等方性の材料を含み得る。この場合、測定間の距離が等しい場合には、抵抗ＲＬ３２３ａ〜３２３ｎは、互いに等しくないことがあり得、測定ストリップが均一な厚さを有する場合であっても、抵抗ＲＳ３１３ａ〜３１３ｏは、互いに等しくないことがあり得る。
【００３８】
一部の実施形態において、測定ストリップは、軸に沿って実質的に一定の伝導性を有する材料であり、かつ、１つ以上の他の軸に沿って実質的に一定であるが異なる伝導性を有する材料を含み得る。一部の実施形態において、測定ストリップは、実質的に均一な材料を含み得る。一部の実施形態において、測定ストリップは、２つ以上の材料または１つの非均一な材料で形成され得る。
【００３９】
一部の実施形態において、測定ストリップは、さらに、所望の電気抵抗特性を示すような形状にされ得る。例えば、導電性に関して電気的に等方性の材料は、より高い抵抗が所望される部分においてはより小さい断面積を有するような形状にされ得る。従って、実質的に一定の導電性を有する測定ストリップ材料の形状は、可変の導電性を示す材料を使用することと同じ効果を有し得る。一次負荷が燃料電池スタックに接続されていないときには、燃料電池スタックから小さな負荷を引き出し、それにより燃料電池スタックの電圧を減少させるように測定ストリップの能力を高めるために、可変の導電性（または電気抵抗）が所望され得る。可変の導電性（または電気抵抗）は、さらに、選ばれた測定の範囲、例えば、燃料電池スタックの端付近における測定の感度を高めるために所望され得る。
【００４０】
測定デバイス３０９は、複数の電圧センサ３１９ａ〜３１９ｎによってモデル化される。図面において、燃料電池スタック３０１内の燃料電池３０２の数が、ＮＣ３１１として示されている。測定ストリップ３０３の長さに渡って作られた測定サンプルの数は、電圧センサ３１９ａ〜３１９ｎの数と等しく、ＮＳ３１２によって表される。一部の実施形態において、測定サンプルの数ＮＳ３１２は、燃料電池の数ＮＣ３１１と等しい。測定サンプルの数ＮＳ３１２は、燃料電池の数ＮＣ３１１よりも多いか、燃料電池の数ＮＣ３１１と等しいか、または燃料電池の数ＮＣ３１１よりも少なくなり得る。測定サンプルの数ＮＳ３１２に対するセルの数ＮＣ３１１の比率は、スタックの電圧プロファイルの分解能に影響を与え得、所望の用途に従って選ばれ得る。
【００４１】
図３に例示されたモデルは、測定ストリップとしての使用のための材料において必要とされる特性の一部を決定するツールとして使用され得る。モデルは、測定装置３１０の関心があり得る他の特性を考慮するためにも使用され得る。例えば、モデルは、電圧センサ３１９ａ〜３１９ｎの所望の特性、例えば、感度または分解能を決定するために使用され得る。別の例として、モデルは、測定装置３１０のセル間の電気的等方性のような特性を決定するためにも使用され得る。
【００４２】
上記の例示的なモデルにおいて、抵抗ＲＬ（３２３ａ〜３２３ｎ）に対する抵抗ＲＳ（３１３ａ〜３１３ｏ）の比率は、約５キロオームに対して約１．４キロオームであり、言い換えると、ＲＳ：ＲＬは、約１：３．６である。ＲＳ：ＲＬの他の比率が望ましいことがあり得る。例えば、所望の測定ストリップ材料は、約１：２０のＲＳ：ＲＬの比率を有し得る。
【００４３】
一部の実施形態において、測定ストリップに対する適切な材料は、以下のように選ばれ得る。
【００４４】
抵抗ρを有する均一な（電気的に等方性の）材料を考慮すると、次の式：
【００４５】
【数１】
2009522729.tif 000003
【００４６】
が適用される。ここで、
Ｒ＝オーム単位（Ω）の抵抗
Ｌ＝メートル単位（ｍ）の長さ
ρ＝１メートル当たりのオーム単位（Ω／ｍ）の抵抗
Ａ＝平方メートル単位（ｍ２）の断面積
である。
【００４７】
図４を参照すると、厚さｙと、幅ｚと、測定サンプルポイント間の距離ｘとを有する例示的な測定ストリップ４０３が示されている。図４の測定ストリップ４０３を図３における測定ストリップ３０３のモデルと関連付けると、ＲＳは、測定ストリップの幅ｚに対応する面における材料の抵抗である。同様に、ＲＬは、測定サンプルポイント４０５の間の測定距離ｘに沿った経路に対する材料の抵抗である。
【００４８】
従って、式１を用いて、
【００４９】
【数２】
2009522729.tif 000004
【００５０】
および
【００５１】
【数３】
2009522729.tif 000005
【００５２】
となる。
【００５３】
上記の図３に示されたモデルを用いて、ＲＳ：ＲＬが約１：２０を上回る特性
２０＊ＲＳ＜ＲＬ（式４）
を示す材料が選ばれる。
【００５４】
上記の式４の中に式２と式３とを代入すると、次の式：
【００５５】
【数４】
2009522729.tif 000006
【００５６】
となる。
【００５７】
式５を解くと、
４．４７＊ｚ＜ｘ（式６）
となり、次に、ｘが、所望の測定距離を提供するように選択される。これは、セルのピッチと関連付けられ得る。例えば、セルのピッチが２ｍｍであり、測定の数がセルの数と等しくなることを所望される燃料電池スタックにおいて、測定距離ｘもまた、２ｍｍになるように選ばれ得る。上で考察されたように、測定の数は、燃料電池スタック内のセルの数と等しくなる必要はない。例えば、セルのピッチが２．２ｍｍであり得、測定距離が２ｍｍであり得る。これは、２００個のセルの燃料電池スタックにおいて２２０回の測定を行うことに対応する。
【００５８】
ｘ＝２ｍｍの測定距離を選択し、式６を解くことは、０．４５ｍｍを下回る必要とされる測定ストリップの幅ｚをもたらす。
【００５９】
さらに、厚さｙ＝５ｍｍの測定ストリップ材料を想定すると、ｘおよびｚに対する上で計算された値と、式５を解くこととが、ρ＞２２５０Ωｃｍをもたらす。従って、ＲＳ：ＲＬの比率と、材料の厚さと、上で選ばれた測定距離とに対して、均一な測定ストリップ材料は、約２２５０Ωｃｍを上回る抵抗を有するべきである。これは、例えば、ポリカーボネート材料に対応し得る。
【００６０】
厚さｙは、用途に合うように選ばれ得るか、または選ばれた材料の商業的入手性によって課される制限がある。
【００６１】
図５は、本発明の別の実施形態の分解図である。セル５０２を有する電気化学デバイス５０１が第１の電気接触器５１４を経由して測定ストリップ５０３に電気接続される。一部の実施形態において、第１の電気接触器５１４は、エラストマー接触器を備え得る。適切なエラストマー接触器の例は、Ｆｕｊｉｐｏｌｙ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＺｅｂｒａ（登録商標）エラストマーコネクタである。他の適切な接触器の例は、米国特許出願公開第２００３／０２１５６７８号に開示されている。しかしながら、電気接触器は、電気化学デバイス５０１を測定ストリップ５０３に電気接続することに適した任意の接触器を備え得る。
【００６２】
例示された実施形態において、第２の電気接触器５１５が、測定ストリップ５０３と測定デバイス５０９のコンポーネントとの間に電気接続される。一部の実施形態において、第２の電気接触器５１５は、エラストマー接触器を備え得る。
【００６３】
第３の電気接触器５１６が、第２の電気接触器５１５と測定デバイス５０９との間に電気接続される。第３の電気接触器５１６は、例えば、容易に入手可能な２．５１ｍｍのピンコネクタを備え得る。多くの他の電気接触器がこの用途に適していることを、当業者は認識する。他の実施形態は、電気接触器５１４、５１５、５１６の全て、もしくは一部を利用し得るか、または電気接触器５１４、５１５、５１６を全く利用しないことがあり得る。測定デバイス５０９は、第３の電気接触器５１６に電気接続され、測定ストリップ５０３の電気特性を測定するように動作可能である。測定デバイス５０９は、任意の電気特性、例えば、電圧を測定し得る。測定デバイス５０９は、第３の接触器５１６の接触の一部または全てに渡る電圧を測定し得る。測定デバイス５０９は、比較的単純なデバイス、例えば、電圧計、マルチメータ、またはデジタルマルチメータであり得るか、または測定デバイス５０９は、より複雑な測定デバイス、例えば、信号調節、多重化、アナログデジタル変換、信号処理、データ格納、およびデータ通信を含む測定システムであり得る。
【００６４】
図６は、燃料電池スタック６０１内のセパレータプレート６１７に接続された電気接触デバイス６１４の概略図を示す。燃料電池スタック６０１は、燃料電池６０２の直列のスタックを含み、燃料電池６０２のそれぞれが、２つのセパレータプレート６１７の間に挟まれた膜電極接合体（ＭＥＡ）６１８を備えている。図６に示されているように、膜電極接合体６１８における膜電解質が、セパレータプレート６１７の縁を越えて、接触６２０を分離するスロットの中に延び、それにより隣接する接触６２０間の電気的短絡を防止する。様々な整列、圧縮および保持のデバイスが、電気接触デバイス６１４を燃料電池スタック６０１に接続するために使用され得る。
【００６５】
図７は、電気接触デバイスの実施形態の概略図であり、燃料電池スタック７０１の一部分におけるセパレータプレート７１７に接続された電気接触デバイス７１４の一部分を示す。燃料電池スタック７０１は、燃料電池７０２の直列のスタックを含み、燃料電池７０２のそれぞれが、２つのセパレータプレート７１７の間に挟まれた膜電極接合体（ＭＥＡ）７１８を備えている。図７に示されているように、セパレータプレート７１７は、膜電極接合体（ＭＥＡ）７１８の縁を越えて延びている。この実施形態において、セパレータプレート７１７の縁は、各隣接するセパレータプレート７１７から離れるように角度を付けられることにより、それぞれのポイント７２１を形成する。この実施形態において、セパレータプレート７１７が尖らせられていることにより、電気接触デバイス７１４の単一の伝導性部分７２４が、両方のセパレータプレート７１７に同時に接触することによる、２つの隣接するセパレータプレート７１７の間の短絡をもたらし得ないことを確実にする。電気接触デバイス７１４の伝導性部分７２４は、不伝導部分７２５によって隔離される。
【００６６】
一部の実施形態において、例えば、ＭＥＡ７１８の寸法および伝導性部分７２４の寸法のいずれか、または両方が、単一の伝導性部分７２４が同時に２つのセパレータプレート７１７に接触することが不可能であるようなものである場合には、セパレータプレートの先端は、互いから離れるように角度を付けられる必要はなく、任意の適切な形状であり得る。上記の図６におけるように、様々な整列、圧縮および保持のデバイス（図示せず）が、電気接続デバイス７１４を燃料電池スタック７０１に接続するために使用され得る。
【００６７】
図８は、本発明の別の実施形態を例示する分解図である。この例示された実施形態において、測定ストリップ８０３は、燃料電池スタック８０１の上面に沿って燃料電池スタック８０１に接続されている。図１におけるように、燃料電池スタック８０１は、複数の燃料電池８０２を備えている。この実施形態においてさらに示されているように、測定は、測定ストリップの表面８０４に沿ったどのような場所においても行われ、例えば、測定サンプリングポイント８０５において行われ得る。従って、例示された実施形態は、燃料電池スタック８０１の単一のセル８０２に沿った電圧分布、燃料電池スタックの積層の方向に沿ったスタックの電圧プロファイルをモニタリングするために使用され得るか、またはこれら両方の測定を表す２次元行列を作成するために使用され得る。同様に、他の実施形態において、測定ストリップが燃料電池スタックのその他任意の適切な表面に沿って接続されることにより、燃料電池スタックの電気特性をモニタリングし得ることが理解される。他の実施形態において、複数の測定ストリップが使用され得るか、または測定ストリップが、燃料電池スタックの複数の表面に接触するような形状にされ得る。これらの実施形態は、燃料電池スタックの測定された電気特性の空間的な３次元表示を可能にし得る。
【００６８】
図９は、動作中に燃料電池スタックの各一個のセルに渡って存在し得る電圧の例を示す棒グラフ９０１を描いている。力の劣るセルが、動作中に、９０２に示されたような負の電圧に到達する可能性がある。この現象はセル反転（ｃｅｌｌ  ｒｅｖｅｒｓａｌ）として公知である。セル反転は、概して、燃料電池スタックの通常の動作中において、望ましい動作条件ではない。セル反転は、電力を生成するのではなく電力を消費している燃料電池を表し得、局所的な加熱のような効果をたらし得、該局所的な加熱は、燃料電池を損傷し、燃料電池スタックに他の有害な影響をもたらし得る。従来のセルの電圧測定の使用は、反転したセルまたは一定の電圧の閾値を下回るセルの存在を検知することと、これらのセルを識別し、それにより制御システムが状況を補正するために一定の制御行動を行うことを可能にすることとを含む。
【００６９】
セルの電圧測定から獲得された様々な他の情報がまた、制御行動を決定するために使用され得るか、または燃料電池システムの動作を分析するために使用され得る。例えば、９０３に示された不揃いの測定、または９０４に示された実質的に平滑な測定のようなセルの電圧測定に存在する様々な特徴が、燃料電池システムの中の一定の所望の状態または所望されない状態を示し得、制御行動が、所望されない状態を変更するか、または所望の状況を維持するかのいずれかのために行われ得る。例えば、９０３における不揃いの測定は、燃料電池を通る不充分な酸化体の流れを示し得、この動作状態を修正するために取られる制御行動は、ブラウザ（図示せず）に信号を送信することにより、燃料電池を通る酸化体の流れを増加させることを含む。
【００７０】
燃料電池の電圧の分析は、燃料電池システムの他の動作パラメータをモニタリングすることと、それらのパラメータのモニタリングから獲得された情報を燃料電池の電圧のモニタリングから獲得された情報と組み合わせることとをさらに含む。燃料電池システム内でモニタリングされ得る他のパラメータの例は、圧力、流れ、電気負荷、温度、相対湿度、ユーザ入力、および周囲の条件などを含む。
【００７１】
様々な制御行動は、燃料電池の電圧の分析と、燃料電池システムの他の動作パラメータとに応答して行われ得る。行われる行動は、限定するものではないが、供給された燃料、酸化体および／または冷却材の流速を増加または減少させることと、供給された燃料、酸化体および／または冷却材の圧力を増加または減少させることと、供給された燃料、および／または酸化体の相対湿度を増加または減少させることと、供給された燃料、酸化体および／または冷却材の温度を増加または減少させることと、燃料電池スタックのカソードおよび／またはアノードをきれいにすることとを含み得る。
【００７２】
制御行動はさらに、燃料電池システムによって生成される電力量を制限することと、および／またはこの電力が生成される速度を制限することとを含み得る。これは、例えば、「リンプホーム（ｌｉｍｐ  ｈｏｍｅ）」能力を燃料電池システムに提供するために使用され得る。制御行動はまた、燃料電池システムのユーザに警報を出すことを含み得る。任意の数および任意のタイプの制御行動が、燃料電池の電圧の分析に応答して行われ得ることが理解され得る。
【００７３】
図１０は、図９に示された例示的な電圧を有する燃料電池スタックに接続された測定ストリップに沿って存在する電圧を表すグラフ１００１を示す。図１〜図９に示されたような、測定ストリップの長さに渡って行われたシングルエンドの電圧測定は、図１０に示されたものと似たグラフの結果となる。理解され得るように、測定ストリップに渡る電圧は、（燃料電池スタックの一端に関して）０Ｖから、燃料電池スタックによって生成される総電圧にまで上昇する。図１０から理解され得るように、セルの電圧の特徴がまた、このグラフにおいて識別され得、例えば、図９の９０２おける低い電圧が、図１０において１００２で示され得る。
【００７４】
図１１は、図１０の例示的な測定ストリップの長さに沿って行われた差分電圧の測定を表すグラフ１１０１を示す。このグラフは、測定ストリップの長さに沿って行われたシングルエンドの測定からも導き出され得ることが理解されるべきである。測定されたセルの電圧をこのフォーマットで表すことは、上記の図９において考察された電圧測定の特徴のうちの一部を強調する。例えば、図９において９０２で示された低いセルの電圧は、明らかに、図１１における特徴１１０２として識別可能である。曲線１１０１のさらなる分析が、上に記述されたような燃料電池システムに対する適切な制御活動を識別するために行われ得る。例えば、閾値１１０５は、一定の電圧を下回るセルの存在を識別するために使用され得る。
【００７５】
図１２は、図１１において定義された閾値１１０５を下回るあらゆるセルの存在を例示するグラフ１２０１を示す。グラフ１２０１はさらに、燃料電池スタックの縁を１２０８で識別することにより、これらが、閾値１１０５を下回る任意のセルと区別されることを確実にする。１２０２における特徴は、閾値電圧を下回るセルの電圧を含む事象を識別し、該閾値電圧を下回るセルの電圧は、図９〜図１１において９０２、１００２、および１１０２でそれぞれ示された低いセルの電圧に対応する。
【００７６】
上に示された単純な閾値比較以外のアルゴリズムが、燃料電池スタックの動作状態を決定するために使用され得る。例えば、図１０および図１１に示された曲線１００１および曲線１１０１は、閾値検出技術、ピーク検出技術、傾斜検出技術、境界検出技術、または周波数領域分析方法および／または統計学的方法を利用した技術などを使用して分析され得る。
【００７７】
電圧測定の収集および分析が、多種多様なハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、または事実上それらのあらゆる組み合わせによって、個々におよび／または集合的に行われ得ることが、当業者に理解される。
【００７８】
図１３は、一実施形態のプロトタイプのシステムを示す。スタックシミュレータ１３３１は、ＤＣ電源１３３２から受け取られた単一のＤＣ電圧を異なる大きさの複数のＤＣ電圧に変換し、ピックアップフープ１３２３を有する接続基板を経由して、これらを利用可能にする。伝導範囲と不伝導範囲とを互い違いにしている絶縁プレート１３３４が、ピックアップフープ１３２３に電気接続され、それにより絶縁プレート１３３４の長さに沿って複数のＤＣ電圧を伝え、それにより燃料電池スタックをシミュレーションする。第１の電気接触器１３１４は、絶縁プレート１３３４と測定ストリップ１３０３との間に電気接続されている。その結果、第１の電気接触器１３１４は、絶縁プレート１３３４に存在する電圧の示度を測定ストリップ１３０３に提供する。測定ストリップ１３０３は、ポリカーボネート材料から構築されている。第２の電気接触器１３１５が、測定ストリップ１３０３に対する測定デバイス１３０９の電気接続を単純化するために、測定ストリップ１３０３に接続される。第１の電気接触器１３１４と第２の電気接触器１３１５との両方が、エラストマー電気接触器である。第３の電気接触器１３１６は、第３の電気接触器１３１５に電気接続される。第３の電気接触器１３１６は、２．５１ｍｍのピンコネクタである。第３の電気接触器１３１６の金属のピンが、適切な電気接触を形成するために、第２の電気接触器１３１５のエラストマー材料の中に単に押し込まれ得るので、このタイプのコネクタは、第２の電気接触器１３１５を経由して測定ストリップ１３０３に接続することを簡単にする。これが、ハンダ付け、または電気接続を確実にする他の方法に対する必要性を排除する。次に、測定デバイス１３０９、この場合においては、デジタルマルチメータが、第３の電気接触器１３１６における電圧を測定するために使用される。任意の方法および任意の数の電気接触器が、同じ結果を達成するために使用され得ることを、当業者は理解する。例示されたプロトタイプにおいて、絶縁プレート１３３４のセルのピッチは、２．２ｍｍであり、測定ストリップ１３０３における測定間の距離は、（第３の電気接触器１３１６の各接触間の距離によって決定された）２．５１ｍｍである。
【００７９】
図１４〜図１７は、実際のセルの電圧、予測されたセルの電圧、および測定されたセルの電圧を例示する。図１４は、実際のセルの電圧を例示する３つの曲線１４０１、１４０２、および１４０３を表示しており、該実際のセルの電圧は、図３に示されたモデルの適用可能性を示すために、および図１３に示されたプロトタイプのシステムを使用して実際の電圧を測定することによってモデルの精度を計るために使用された。約−０．４Ｖから約１．５Ｖの範囲にある２０個の個々のセルの電圧が使用された。
【００８０】
図１５は、１４０１、１４０２および１４０３のそれぞれにおいて示されたセルの電圧の曲線を使用した、図３に例示されたモデルによって予測された結果として生じる測定曲線１５０１、１５０２および１５０３を示す。
【００８１】
図１６は、１４０１、１４０２および１４０３のそれぞれにおいて示されたようなセルの電圧を使用した、図１３に示されたプロトタイプのシステムを使用して測定された実際の測定曲線１６０１、１６０２、および１６０３を示す。図１４〜図１６から理解され得るように、実際のセル電圧と、予測されたセル電圧と、測定されたセル電圧との間の緊密な相関関係が存在する。
【００８２】
図１７は、１４０１、１４０２および１４０３のそれぞれにおいて示されたセルの電圧の曲線を使用した、および図１５に対する計算の際に使用される材料とは異なる材料を測定ストリップに使用した、図３に例示されたモデルによって予測された３つの測定曲線１７０１、１７０２および１７０３を示す。
【００８３】
上記の詳細な記述は、ブロック図、概略図および例の使用によってデバイスおよび／またはプロセッサの様々な実施形態を述べてきた。かかるブロック図、概略図、および例が、１つ以上の機能および／または動作を含む限り、かかるブロック図、流れ図、または例の中の各機能および／または動作は、多種多様なハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、または事実上それらのあらゆる組み合わせによって、個々におよび／または集合的に実装され得ることが当業者によって理解される。一実施形態において、本主題の一部分は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）によって実装され得る。しかしながら、１つ以上のコンピュータにおいて走る１つ以上のコンピュータプログラムとして（例えば、１つ以上のコンピュータシステムにおいて走る１つ以上のプログラムとして）、１つ以上のコントローラ（例えば、マイクロコントローラ）において走る１つ以上のプログラムとして、１つ以上のプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ）において走る１つ以上のプログラムとして、ファームウェアとして、または事実上それらのあらゆる組み合わせとして、本明細書において開示された実施形態が、全体的にまたは部分的に、標準規格の集積回路に均等に実装され得ることを、当業者は理解し、回路網を設計すること、および／またはソフトウェアおよび／またはファームウェアに符号を書き込むことは、本開示を鑑みると、当業者の技術の範囲内で充分であることを、当業者は理解する。一部の実施形態において、測定、分析および制御が、例えば、測定器具、測定コントローラ、および燃料電池システムコントローラのような様々なサブシステムの間で調整され得る。一部の実施形態において、この調整は、デジタル通信を使用して達成され、例えば、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）によって達成され得る。
【００８４】
さらに、本明細書において教示された測定、分析、および制御のメカニズムは、様々な形式のプログラム製品として分配されることが可能であることを、当業者は理解し、分配を実際に行うために使用される信号を含む媒体の特定のタイプに関わらず、例示的な実施形態が均等に適用されることを、当業者は理解する。信号を含む媒体の例は、限定するものではないが、次のもの：記録可能なタイプの媒体、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクドライブ、ＣＤ  ＲＯＭ、デジタルテープ、およびコンピュータメモリ、ならびに伝送タイプの媒体、例えば、ＴＤＭまたはＩＰベースの通信リンク（例えば、パケットリンク）を使用するデジタルおよびアナログの通信リンクを含む。
【００８５】
測定システムおよび方法の特定の実施形態および例が、本明細書において例示的な目的で記述されたが、当業者には理解されるように、様々な均等な改変が、本開示の精神および範囲を逸脱することなく行われ得る。本明細書において提供された教示は、他の測定システムに適用され得、必ずしも、概略的に上で記述された電気化学デバイスの測定システムに適用されるわけではない。
【００８６】
測定システムの複数の部分が、筐体の中に統合されることにより、測定モジュール（図示せず）を形成し得る。例えば、電気接触器が測定ストリップと接続されることにより、測定モジュールを形成し得、該測定モジュールは、任意の電気化学デバイスに容易に接続され得る。測定モジュールは、さらに、測定ストリップと測定コントローラとの間に接続されたセンサを備え得る。
【００８７】
測定システムの複数の部分が、さらに、燃料電池モジュールを形成する筐体に統合され得る。例えば、測定ストリップが、燃料電池モジュールの中の燃料電池スタックに接続され得、それにより測定表面を提供し、該測定表面に、測定デバイスが接続され得る。一部の実施形態において、測定デバイス（および任意の関連の電気接続）もまた、燃料電池モジュールの中に統合され得る。
【００８８】
上に記述された様々な実施形態が組み合わされることにより、さらなる実施形態を提供し得る。本発明の局面は、必要がある場合には、本発明のまたさらなる実施形態を提供するために、様々な特許、特許出願、および出願公開のシステム、回路、および概念を利用するように改変され得る。
【００８９】
これらの変更および他の変更が、上で詳細に述べられた記述を鑑みて、本発明に対して行われ得る。概して、添付の特許請求の範囲において、使用される用語は、本明細書および特許請求の範囲に開示された特定の実施形態に本発明を限定するものとして考慮されるべきではなく、全ての測定システムを含むものとして考慮されるべきである。従って、本発明は、開示によって限定されるのではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって完全に決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】図１は、一実施形態に従った、電気測定システムの一部分を例示する分解図である。
【図２】図２は、電気接続器を経由して測定ストリップに電気接続された燃料電池スタックを示す実施形態を例示する。
【図３】図３は、一実施形態の等価電気モデルを示す。
【図４】図４は、厚さｙと、幅ｚと、測定サンプルポイント間の距離ｘとを有する例示的な測定ストリップを示す。
【図５】図５は、本発明の別の実施形態の分解図であり、電気化学デバイスと、３つの電気接触器と、測定ストリップと測定デバイスとを示す。
【図６】図６は、燃料電池スタックにおけるセパレータプレートに接続された電気接触デバイスの概略図を示す。
【図７】図７は、接触デバイスの別の実施形態の概略図であり、燃料電池スタックの一部分におけるセパレータプレートに接続された電気接触デバイスの一部分を示す。
【図８】図８は、本発明の別の実施形態の分解図であり、燃料電池スタックに結合された測定ストリップを示す。
【図９】図９は、動作中に燃料電池スタックの各個々のセル全体に存在し得る電圧の例を示す棒グラフを示す。
【図１０】図１０は、例示的な電圧を有する、燃料電池スタックに接続された測定ストリップに存在する電圧を表すグラフを示す。
【図１１】図１１は、例示的な測定ストリップの長さに沿って行われた差分電圧の測定を表すグラフを示す。
【図１２】図１２は、規定された閾値を下回るあらゆるセルの存在を例示するグラフを示す。
【図１３】図１３は、一実施形態のプロトタイプのシステムを示す。
【図１４】図１４は、実際のセルの電圧を例示する３つの曲線を示す。
【図１５】図１５は、例示的な電気モデルと例示的な測定ストリップとを使用した、実際のセルの電圧の予測測定を例示する３つの曲線を示す。
【図１６】図１６は、例示的なプロトタイプのシステムを使用した、測定されたセルの電圧を例示する３つの曲線を示す。
【図１７】図１７は、例示的な電気モデルと別の例示的な測定ストリップとを使用した、実際のセルの電圧の予測測定を例示する３つの曲線を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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