(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池の燃料電池面内状態推定システムに関し、面内の発電量分布を簡易かつ正確に予測することを目的とする。【解決手段】膜電極接合体の発電環境と、電流密度I及び水移動量H2O_mとの関係を定めたマップを記憶する。カソード入口並びにアノード入口の発電環境を特定する。膜電極接合体を、仮想的に、反応ガスの流れに沿って並んだ複数の小領域に区分する。前段から伝えられる発電環境１２２、１２８に基づき、上記マップを参照して、n-1領域の電流密度１３２及び水移動量１３６を算出する。電流密度１３２から反応ガス消費量１３８，１４６を求める。反応ガス消費量１３８，１４６及び水移動量１３６を反映させることにより（１４０，１４４，１４８，１５０）、ｎ領域に伝わる発電環境を算出する。全ての小領域につき、発電環境と発電状態の予測を順次実行する。【選択図】図７
2008293805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びカソードのそれぞれに反応ガスの供給を受けることにより発電を行う燃料電池の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の発電量と発電環境との関係を定めた発電特性を記憶する発電特性記憶手段と、
前記膜電極接合体の反応ガス消費量及び水生成量と前記発電量との関係を定めた消費生成特性を記憶した消費生成特性記憶手段と、
前記反応ガスの入口における発電環境を決定する入口環境決定手段と、
前記膜電極接合体を、仮想的に、前記反応ガスの流れに沿って並んだ複数の小領域に区分する小領域定義手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける発電量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて、前記発電特性に従って算出する発電量算出手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける反応ガス消費量及び水生成量を、当該小領域で生成された発電量に基づいて、前記消費生成特性に従って算出する消費生成量算出手段と、
前記複数の小領域のそれぞれが生成する発電環境を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に、当該小領域における反応ガス消費量及び水生成量を反映させることにより算出する発電環境更新手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池面内状態推定システム。
【請求項２】
前記膜電極接合体の抵抗値と発電環境との関係を定めた抵抗特性を記憶する抵抗特性記憶手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける抵抗値を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて、前記抵抗特性に従って算出する抵抗値算出手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池面内状態推定システム。
【請求項３】
前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量と発電環境との関係を定めた水移動特性を記憶する水移動特性記憶手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける水移動量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて、前記水移動特性に従って算出する水移動量算出手段とを備え、
前記発電環境は、膜電極接合体のカソードに存在する水量及びアノードに存在する水量を含み、
前記発電環境更新手段は、
反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のカソードに存在する水量と当該小領域における水生成量との和から、当該小領域における水移動量を減ずることで当該小領域のカソードに存在する水量を算出するカソード水量更新手段と、
反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のアノードに存在する水量に当該小領域における水移動量を加えることで当該小領域のアノードに存在する水量を算出するアノード水量更新手段と、
を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池面内状態推定システム。
【請求項４】
カソードに供給される反応ガスは酸素を含む酸化ガスであり、
アノードに供給される反応ガスは水素を含む燃料ガスであり、
前記消費生成量算出手段は、それぞれの小領域のカソードで生ずる酸素消費量を算出する酸素消費量算出手段と、それぞれの小領域のアノードで生ずる水素消費量を算出する水素消費量算出手段と、を含み、
前記発電環境は、膜電極接合体のカソードに存在する酸素量及びアノードに存在する水素量を含み、
前記発電環境更新手段は、
反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のカソードに存在する酸素量から、当該小領域における酸素消費量を減ずることで当該小領域のカソードに存在する酸素量を算出する酸素量更新手段と、
反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のアノードに存在する水素量から、当該小領域における水素消費量を減ずることで当該小領域のアノードに存在する水素量を算出する水素量更新手段と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池面内状態推定システム。
【請求項５】
前記膜電極接合体は、カソードの酸化ガスとアノードの燃料ガスが同じ方向に向かって流れるコフロー流路を備え、
個々の小領域に対する反応ガスの流れの上流側に位置する小領域は、カソード及びアノードの双方につき、共通であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池面内状態推定システム。
【請求項６】
前記膜電極接合体は、カソードの酸化ガスとアノードの燃料ガスが対向する方向に向かって流れるカウンター流路を備え、
個々の小領域に対して、前記酸化ガスの流れに対して上流側に隣接する小領域がカソード側における前記反応ガスの流れの上流側に位置する小領域となり、前記燃料ガスの流れに対して上流側に隣接する小領域がアノード側の前記反応ガスの流れの上流側に位置する小領域となることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池面内状態推定システム。
【請求項７】
燃料電池の膜電極接合体のアノード及びカソードに、それぞれ反応ガスを供給するステップと、
前記反応ガスの入口における発電環境を決定する入口環境決定ステップと、
前記膜電極接合体を、仮想的に、前記反応ガスの流れに沿って並んだ複数の小領域に区分する小領域定義ステップと、
前記膜電極接合体の発電量と発電環境との関係を定めた発電特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれにおける発電量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて算出する発電量算出ステップと、
前記膜電極接合体の反応ガス消費量及び水生成量と前記発電量との関係を定めた消費生成特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれにおける反応ガス消費量及び水生成量を、当該小領域で生成された発電量に基づいて算出する消費生成量算出ステップと、
前記複数の小領域のそれぞれが生成する発電環境を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に、当該小領域における反応ガス消費量及び水生成量を反映させることにより算出する発電環境更新ステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池面内状態推定方法。
【請求項８】
前記膜電極接合体と同じ構造を有し、面内の発電環境を実質的に均一にすることが可能な程度の大きさを有する膜電極接合体小片を準備するステップと、
前記膜電極接合体小片のアノード及びカソードに、反応ガスを供給するステップと、
前記反応ガスの入口における発電環境を変化させながら前記膜電極接合体小片の発電量を計測する計測ステップと、
前記計測ステップの結果に基づいて前記発電特性を生成するステップと、
を含むことを特徴とする請求項７記載の燃料電池面内状態推定方法。
【請求項９】
前記膜電極接合体の抵抗値と発電環境との関係を定めた抵抗特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれにおける抵抗値を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて算出する抵抗値算出ステップを含むことを特徴とする請求項７又は８記載の燃料電池面内状態推定方法。
【請求項１０】
前記膜電極接合体と同じ構造を有し、面内の発電環境を実質的に均一にすることが可能な程度の大きさを有する膜電極接合体小片を準備するステップと、
前記膜電極接合体小片のアノード及びカソードに、反応ガスを供給するステップと、
前記反応ガスの入口における発電環境を変化させながら前記膜電極接合体小片の抵抗値を計測する計測ステップと、
前記計測ステップの結果に基づいて前記抵抗特性を生成するステップと、
を含むことを特徴とする請求項９記載の燃料電池面内状態推定方法。
【請求項１１】
前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量と発電環境との関係を定めた水移動特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれにおける水移動量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて算出する水移動量算出ステップを含み、
前記発電環境は、膜電極接合体のカソードに存在する水量及びアノードに存在する水量を含み、
前記発電環境更新ステップは、
反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のカソードに存在する水量と当該小領域における水生成量との和から、当該小領域における水移動量を減ずることで当該小領域のカソードに存在する水量を算出するカソード水量更新ステップと、
反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のアノードに存在する水量に当該小領域における水移動量を加えることで当該小領域のアノードに存在する水量を算出するアノード水量更新ステップと、
を含むことを特徴とする請求項７乃至１０の何れか１項記載の燃料電池面内状態推定方法。
【請求項１２】
前記膜電極接合体と同じ構造を有し、面内の発電環境を実質的に均一にすることが可能な程度の大きさを有する膜電極接合体小片を準備するステップと、
前記膜電極接合体小片のアノード及びカソードに、反応ガスを供給するステップと、
前記反応ガスの入口における発電環境を変化させながら前記膜電極接合体小片の水移動量を計測する計測ステップと、
前記計測ステップの結果に基づいて前記水移動特性を生成するステップと、
を含むことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池面内状態推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池面内状態推定システム及び推定方法に係り、特に、燃料電池を構成する膜電極接合体の面内における電流分布を精度良く推定するための面内状態推定システム及び推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００５−３４７０１６号公報には、燃料電池の膜電極接合体の面内状態を簡易に予測するための方法が開示されている。上記公報には、具体的には、予測の対象である膜電極接合体を１／ｎに縮小したモデルを作成して、このモデルを用いて面内状態を予測する方法が開示されている。
【０００３】
上記従来の予測方法では、膜電極接合体の面内状態を、既存の演算方法で予測することとしている。ここで用いられる演算方法は、膨大な適合作業等を伴って開発すべきものであるため、その開発に長い期間を要する。１／ｎの縮小モデルを用いて予測演算を行うこととすれば、フルサイズの予測を行う場合に比して、演算方法の開発時間を著しく短縮することができる。この点、上記従来の予測方法は、膜電極接合体の面内状態を簡易に予測する方法として有効である。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１８８０２０号公報
【特許文献２】特開２００６−２４４７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、１／ｎの縮小モデルにおいて生ずる現象は、フルサイズの膜電極接合体において生ずる現象と正確には一致しない。このため、上記従来の予測方法では、現実の膜電極接合体において生ずる面内状態を正確に予測することはできない。また、１／ｎの縮小モデルを用いたとしても、そのモデルに対応する演算方法を開発するには、上記従来の方法では未だに多大な時間を要する。この点、上記従来の方法は、開発工数の面でも、予測精度の面でも、改善の余地を残すものであった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の膜電極接合体における面内の発電量分布を簡易かつ正確に予測することのできる面内状態推定システム及び予測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池面内状態推定システムであって、
アノード及びカソードのそれぞれに反応ガスの供給を受けることにより発電を行う燃料電池の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の発電量と発電環境との関係を定めた発電特性を記憶する発電特性記憶手段と、
前記膜電極接合体の反応ガス消費量及び水生成量と前記発電量との関係を定めた消費生成特性を記憶した消費生成特性記憶手段と、
前記反応ガスの入口における発電環境を決定する入口環境決定手段と、
前記膜電極接合体を、仮想的に、前記反応ガスの流れに沿って並んだ複数の小領域に区分する小領域定義手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける発電量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて、前記発電特性に従って算出する発電量算出手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける反応ガス消費量及び水生成量を、当該小領域で生成された発電量に基づいて、前記消費生成特性に従って算出する消費生成量算出手段と、
前記複数の小領域のそれぞれが生成する発電環境を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に、当該小領域における反応ガス消費量及び水生成量を反映させることにより算出する発電環境更新手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記膜電極接合体の抵抗値と発電環境との関係を定めた抵抗特性を記憶する抵抗特性記憶手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける抵抗値を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて、前記抵抗特性に従って算出する抵抗値算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量と発電環境との関係を定めた水移動特性を記憶する水移動特性記憶手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける水移動量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて、前記水移動特性に従って算出する水移動量算出手段とを備え、
前記発電環境は、膜電極接合体のカソードに存在する水量及びアノードに存在する水量を含み、
前記発電環境更新手段は、
反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のカソードに存在する水量と当該小領域における水生成量との和から、当該小領域における水移動量を減ずることで当該小領域のカソードに存在する水量を算出するカソード水量更新手段と、
反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のアノードに存在する水量に当該小領域における水移動量を加えることで当該小領域のアノードに存在する水量を算出するアノード水量更新手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
カソードに供給される反応ガスは酸素を含む酸化ガスであり、
アノードに供給される反応ガスは水素を含む燃料ガスであり、
前記消費生成量算出手段は、それぞれの小領域のカソードで生ずる酸素消費量を算出する酸素消費量算出手段と、それぞれの小領域のアノードで生ずる水素消費量を算出する水素消費量算出手段と、を含み、
前記発電環境は、膜電極接合体のカソードに存在する酸素量及びアノードに存在する水素量を含み、
前記発電環境更新手段は、
反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のカソードに存在する酸素量から、当該小領域における酸素消費量を減ずることで当該小領域のカソードに存在する酸素量を算出する酸素量更新手段と、
反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のアノードに存在する水素量から、当該小領域における水素消費量を減ずることで当該小領域のアノードに存在する水素量を算出する水素量更新手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記膜電極接合体は、カソードの酸化ガスとアノードの燃料ガスが同じ方向に向かって流れるコフロー流路を備え、
個々の小領域に対する反応ガスの流れの上流側に位置する小領域は、カソード及びアノードの双方につき、共通であることを特徴とする。
【００１２】
また、第６の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記膜電極接合体は、カソードの酸化ガスとアノードの燃料ガスが対向する方向に向かって流れるカウンター流路を備え、
個々の小領域に対して、前記酸化ガスの流れに対して上流側に隣接する小領域がカソード側における前記反応ガスの流れの上流側に位置する小領域となり、前記燃料ガスの流れに対して上流側に隣接する小領域がアノード側の前記反応ガスの流れの上流側に位置する小領域となることを特徴とする。
【００１３】
また、第７の発明は、燃料電池面内状態推定方法であって、
燃料電池の膜電極接合体のアノード及びカソードに、それぞれ反応ガスを供給するステップと、
前記反応ガスの入口における発電環境を決定する入口環境決定ステップと、
前記膜電極接合体を、仮想的に、前記反応ガスの流れに沿って並んだ複数の小領域に区分する小領域定義ステップと、
前記膜電極接合体の発電量と発電環境との関係を定めた発電特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれにおける発電量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて算出する発電量算出ステップと、
前記膜電極接合体の反応ガス消費量及び水生成量と前記発電量との関係を定めた消費生成特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれにおける反応ガス消費量及び水生成量を、当該小領域で生成された発電量に基づいて算出する消費生成量算出ステップと、
前記複数の小領域のそれぞれが生成する発電環境を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に、当該小領域における反応ガス消費量及び水生成量を反映させることにより算出する発電環境更新ステップと、
を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、第８の発明は、第７の発明において、
前記膜電極接合体と同じ構造を有し、面内の発電環境を実質的に均一にすることが可能な程度の大きさを有する膜電極接合体小片を準備するステップと、
前記膜電極接合体小片のアノード及びカソードに、反応ガスを供給するステップと、
前記反応ガスの入口における発電環境を変化させながら前記膜電極接合体小片の発電量を計測する計測ステップと、
前記計測ステップの結果に基づいて前記発電特性を生成するステップと、
を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、第９の発明は、第７又は第８の発明において、前記膜電極接合体の抵抗値と発電環境との関係を定めた抵抗特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれにおける抵抗値を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて算出する抵抗値算出ステップを含むことを特徴とする。
【００１６】
また、第１０の発明は、第９の発明において、
前記膜電極接合体と同じ構造を有し、面内の発電環境を実質的に均一にすることが可能な程度の大きさを有する膜電極接合体小片を準備するステップと、
前記膜電極接合体小片のアノード及びカソードに、反応ガスを供給するステップと、
前記反応ガスの入口における発電環境を変化させながら前記膜電極接合体小片の抵抗値を計測する計測ステップと、
前記計測ステップの結果に基づいて前記抵抗特性を生成するステップと、
を含むことを特徴とする。
【００１７】
また、第１１の発明は、第７乃至第１０の発明の何れかにおいて、
前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量と発電環境との関係を定めた水移動特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれにおける水移動量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域で生成された発電環境に基づいて算出する水移動量算出ステップを含み、
前記発電環境は、膜電極接合体のカソードに存在する水量及びアノードに存在する水量を含み、
前記発電環境更新ステップは、
反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のカソードに存在する水量と当該小領域における水生成量との和から、当該小領域における水移動量を減ずることで当該小領域のカソードに存在する水量を算出するカソード水量更新ステップと、
反応ガスの流れの上流側に位置する小領域のアノードに存在する水量に当該小領域における水移動量を加えることで当該小領域のアノードに存在する水量を算出するアノード水量更新ステップと、
を含むことを特徴とする。
【００１８】
また、第１２の発明は、第１１の発明において、
前記膜電極接合体と同じ構造を有し、面内の発電環境を実質的に均一にすることが可能な程度の大きさを有する膜電極接合体小片を準備するステップと、
前記膜電極接合体小片のアノード及びカソードに、反応ガスを供給するステップと、
前記反応ガスの入口における発電環境を変化させながら前記膜電極接合体小片の水移動量を計測する計測ステップと、
前記計測ステップの結果に基づいて前記水移動特性を生成するステップと、
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
第１の発明によれば、仮想的に区分された小領域のそれぞれにおける発電量を、前段から後段にかけて順次正確に演算により求めることができる。すなわち、本発明によれば、反応ガスの入口における発電環境が、最反応ガスの流れの上流側に位置する小領域の発電環境となる。このため、最反応ガスの流れの上流側に位置する小領域における発電量は、発電特性に基づいて算出することができる。発電量が判ると、その小領域で生ずる反応ガス消費量及び水生成量は、消費生成特性に基づいて算出することができる。また、反応ガス消費量及び水生成量が判ると、その小領域が後段の小領域に伝える発電環境を予測することができる。この発電環境を用いれば後段の小領域の発電量を予測することができる。以上の処理が繰り返されることにより、本発明によれば、複数の小領域のそれぞれにおける発電量を正確かつ容易に算出することができる。
【００２０】
第２の発明によれば、抵抗値と発電環境との関係を定めた抵抗特性を用いることにより、膜電極接合体の面内における抵抗値分布も予測することができる。
【００２１】
第３の発明によれば、水移動量と発電環境との関係を定めた水移動特性を用いることにより、個々の小領域における水移動量を正確に予測することができる。水移動量が予測できると、個々の小領域のカソード、アノードのそれぞれに存在する水量を正確に予測することが可能となる。このため、本発明によれば、発電環境の一つである水量を、小領域毎に順次精度良く更新することができる。
【００２２】
第４の発明によれば、個々の小領域において、アノードに存在する水素量と、カソードに存在する酸素量を、精度良く予測することができる。アノードの水素量およびカソードの酸素量は、膜電極接合体の発電量に影響を与える発電環境の一つである。つまり、本発明によれば、発電環境の一つであるアノードの水素量及びカソードの酸素量を、小領域毎に順次精度良く更新することができる。
【００２３】
第５の発明によれば、コフロー流路を備える膜電極接合体を対象として、面内の電流分布を予測することができる。
【００２４】
第６の発明によれば、カウンター流路を備える膜電極接合体を対象として、面内の電流分布を予測することができる。
【００２５】
第７の発明によれば、発電量と発電環境との関係を定めた発電特性を用いることにより、膜電極接合体の面内における発電量分布を精度良く予測することができる。
【００２６】
第８の発明によれば、膜電極接合体小片を用いることにより、発電特性を簡単に生成することができる。すなわち、膜電極接合体小片においては、面内の発電環境を均一にすることができる。このため、反応ガスの入口において発電環境を変化させながら、膜電極接合体小片が発生する電流量を計測すれば、発電特性を簡単に生成することができる。
【００２７】
第９の発明によれば、抵抗特性を用いることにより、膜電極接合体の面内における抵抗値分布を精度良く予測することができる。
【００２８】
第１０の発明によれば、反応ガスの入口において発電環境を変化させながら、膜電極接合体小片の抵抗値を計測することにより、抵抗特性を簡単に生成することができる。
【００２９】
第１１の発明によれば、水移動特性を用いることにより、膜電極接合体の個々の小領域における水移動量を精度良く予測することができる。また、個々の小領域における水移動量を考慮することで、本発明によれば、それらの小領域のアノード及びカソードにそれぞれ存在する水量を正確に予測することができる。
【００３０】
第１２の発明によれば、反応ガスの入口において発電環境を変化させながら、膜電極接合体小片において生ずる水移動量を計測することにより、抵抗特性を簡単に予測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステムの構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、積層された複数の膜電極接合体１２を備えている。膜電極接合体１２は、図１の紙面奥行き方向に広がりを有する板状の構造物である。
【００３２】
膜電極接合体１２の内部には、電解質膜を挟んでアノードとカソードが形成されている。アノード側には、水素を含む燃料ガス（本実施形態では水素ガスとする）を面内に流通させるためのガス流路が形成されている。また、カソード側には、酸素を含む酸化ガス（本実施形態では空気とする）を面内に流通させるためのガス流路が形成されている。更に、個々の膜電極接合体の境界には、冷却水を流通させるための冷却水通路が形成されている。燃料電池１０及び膜電極接合体１２の構成は公知であるため、ここでは、これ以上の説明は省略する。
【００３３】
燃料電池１０には、酸化ガス供給通路１４と酸化ガス排出通路１６が連通している。酸化ガス供給通路１４は、加湿器１８を介してコンプレッサ２０に連通している。コンプレッサ２０は、エアフィルタ２２を通して吸入した空気を、酸化ガス供給通路１４を介して燃料電池１０に供給することができる。
【００３４】
酸化ガス供給通路１４から燃料電池１０に供給された空気は、積層された複数の膜電極接合体１２のそれぞれが備えるカソード側のガス流路に分配される。このようにして分配された空気は、それぞれの膜電極接合体のカソード側の面内を伝って流れた後、酸化ガス排出通路１６から排出される。
【００３５】
燃料電池１０は、酸素と水素を反応させて発電を行うにあたり、カソード側において水を生成する。このため、酸化ガス排出通路１６から排出されるガスには、水分が含まれている。加湿器１８は、酸化ガス排出通路１６に含まれる水分を利用して、酸化ガス供給通路１４側の空気を加湿する機能を有している。このため、図１に示すシステムによれば、燃料電池１０のカソード側に、加湿空気を供給することができる。
【００３６】
燃料電池１０には、燃料ガス供給通路２４及び燃料ガス排出通路２６が連通している。燃料ガス供給通路２４には、調整バルブ２８を介して水素タンク３０が連通している。この構成によれば、調整バルブ２８の開度を調整することで、所望の圧力の水素ガスを燃料電池１０に供給することができる。
【００３７】
燃料電池１０に供給された水素ガスは、積層された複数の膜電極接合体１２のそれぞれが備えるアノード側のガス流路に分配される。アノード側に供給された水素ガスは、それぞれの膜電極接合体の面内を伝って流れた後、燃料ガス排出通路２６から排出される。
【００３８】
本実施形態において、膜電極接合体１２は、コフロー流路を有している。すなわち、膜電極接合体１２のカソード側ガス流路と、アノード側ガス流路は、それぞれ、同じ方向に反応ガスを流通させるように設けられている。より具体的には、本実施形態の膜電極接合体１２は、図１に示す状態において、アノード側の燃料ガス、及びカソード側の酸化ガスを、何れも紙面の上方から下方に向けて流通させるように構成されている。
【００３９】
燃料電池１０には、更に、冷却水供給通路３２と、冷却水排出通路３４とが連通している。冷却水供給通路３２から流入した冷却水は、個々の膜電極接合体１２の境界を流れた後、冷却水排出通路３４から排出される。燃料電池１０の温度は、この冷却水により、例えば８０℃程度に制御される。
【００４０】
本実施形態のシステムは、図１に示すように、酸化ガス供給通路１４に、圧力計３６及び露点計３８を備えている。また、酸化ガス排出通路１６には、圧力計４０が配置されている。前者の圧力計３６及び露点計３８によれば、膜電極接合体１２のカソード側入口における圧力及び湿度を検知することができる。後者の圧力計４０によれば、膜電極接合体１２のカソード側出口における圧力を検知することができる。
【００４１】
本実施形態のシステムは、更に、燃料ガス供給通路２４に配置された圧力計４２及び露点計４４、燃料ガス排出通路２６に配置された圧力計４６、及び、冷却水排出通路３４に配置された温度計４８を備えている。これらの計器によれば、膜電極接合体１２のアノード側入口における圧力及び湿度、アノード側出口における圧力、及び、膜電極接合体１２の温度を検知することができる。
【００４２】
圧力計３６，４０，４２，４６、露点計３８，４４、及び温度計４８の出力は、ECU（Electronic Control Unit）５０に供給されている。ECU５０は、それらの計器の出力により、膜電極接合体１２の圧力及び温度に関する環境を検知することができる。
【００４３】
［ECU内のマップ］
本実施形態のシステムは、燃料電池１０が備える個々の膜電極接合体１２の発電分布を正確に予測する点に特徴を有している。ECU５０は、この機能を実現するために、図２乃至図４に示す複数のマップを記憶している。
【００４４】
図２は、電流密度Iのマップを示す。膜電極接合体１２は、その面内において、発電環境に応じた電流密度Iで発電を行う。図２は、膜電極接合体１２を取りまく発電環境と、膜電極接合体１２が発生する電流密度Iとの関係を定義したマップを示す。
【００４５】
膜電極接合体１２の発電状態は、以下に説明する複数のパラメータにより決定される。ここでは、それらのパラメータを総称して「発電環境」と称することとする。
１．アノードを流れる燃料ガスの相対湿度An_RH
２．カソードを流れる酸化ガスの相対湿度Ca_RH
３．アノードの圧力P_An
４．カソードの圧力P_Ca
５．アノードを流れる燃料ガス中の水素濃度
６．カソードを流れる酸化ガス中の酸素濃度
７．膜電極接合体１２の温度
但し、「相対湿度」は、（蒸気圧）／（飽和蒸気圧）×１００である。
【００４６】
上記７つのパラメータのうち、３のアノードの圧力P_Anと、４のカソードの圧力P_Caとは、ほぼ同じ圧力である。加えて、前者が発電状態に与える影響は、後者による影響に比して十分に小さい。このため、本実施形態では、３のアノード圧力P_Anの影響は無視することとする。また、上記のパラメータのうち、５の水素濃度は、位置によらずほぼ１００％であり、７の温度は、位置によらずほぼ冷却水温と同じである。このため、本実施形態では、５の水素濃度と７の温度も一定値として取り扱うこととする。
【００４７】
図２は、残る４つのパラメータで決まる発電環境と、電流密度Iとの関係を定義している。より具体的には、図２（Ａ）は、カソード圧力P_Caが１４０Kpaである場合に発生する電流密度Iを、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、及び酸素濃度との関係で定義したマップである。また、図２（Ｂ）は、カソード圧力P_Caが２００Kpaである場合に発生する電流密度Iを、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、及び酸素濃度との関係で定義したマップである。
【００４８】
図３は、図２の場合と同様の規則に従って、膜電極接合体１２の抵抗値Rと発電環境との関係を定義したマップである。また、図４は、同様の規則に従って、膜電極接合体１２のカソードからアノードへの水移動量H2O_mと発電環境との関係を定義したマップである。ECU５０は、膜電極接合体１２の発電環境が特定されると、これらのマップを参照することにより、その発電環境下で発生する電流密度I、抵抗値R、及び水移動量H2O_mを予測することができる。
【００４９】
［マップの作成方法］
次に、図５を参照して、図２乃至図４に示すマップの作成方法について説明する。図１に示す膜電極接合体１２は、酸化ガスが流入してくる箇所と流出する箇所との間に十分に長い距離を有している。燃料ガスの流入経路についても同様である。このため、酸化ガスの圧力、及び燃料ガスの圧力は、膜電極接合体１２の面内において一定にはならない。
【００５０】
また、膜電極接合体１２は、発電に伴い、カソード側において水を生成する。生成された水は、酸化ガスの流れに伴って下流側に流される。このため、カソード側の水量は、膜電極接合体１２の面内において均一にはならない。その結果、カソード側の相対湿度Ca_RHには、ガスの流れに沿った分布が生ずる。
【００５１】
膜電極接合体１２のアノード側には、上述した通り、カソード側から水が移動してくる。このようにして移動してきた水は、燃料ガスの流れにより、その下流側に流される。このため、アノード側においても、水の量は面内で均一にはならない。その結果、アノード側の相対湿度An_RHにも、ガスの流れに沿った分布が生ずる。
【００５２】
更に、膜電極接合体１２は、カソードに供給される空気中の酸素を消費することで発電を行う。このため、カソードの面内における酸素濃度は、空気の入口に近いほど高くなり、空気の出口に近づくに連れて低くなる。このように、膜電極接合体１２においては、カソード側の酸素濃度にも、面内に分布が発生する。
【００５３】
図２乃至図４に示すマップを作成するにあたっては、発電環境を特定して、その結果生ずる結果を測定することが必要である。これらのマップを作成するにあたって特定するべき発電環境のうち、温度T及び圧力P_Caは、膜電極接合体１２の全面において比較的容易に均一化することができる。しかしながら、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、及び酸素濃度は、上述したように、膜電極接合体１２の全面において均一にすることは難しい。このため、フルサイズの膜電極接合体１２を用いた場合、発電環境を特定することが困難となる。そこで、本実施形態では、サイズを除いて膜電極接合体１２と同じ構造を有する膜電極接合体小片を作成し、この小片を用いて上記マップを作成することとした。
【００５４】
図５は、膜電極接合体小片６０を用いて、特定の発電環境下での発電状態を測定するためのシステムの図である。膜電極接合体小片６０は、電解質膜の両側に、カソード側のガス流路と、アノード側のガス流路とを、コフロー流路の関係で備えている。膜電極接合体小片６０は、それらのガス流路の入口から出口までの発電環境、具体的には、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、酸素濃度、及び圧力が均一であるとみなせる程度の大きさを有している。ここでは、上記の観点から、膜電極接合体６０のサイズを１cm×１cmとしている。
【００５５】
図５に示すシステムは、膜電極接合体小片６０のカソード側に連通する酸化ガス供給通路６２及び酸化ガス排出通路６４を備えている。酸化ガス供給通路６２には、コンプレッサ６６が連通している。コンプレッサ６６は、エアフィルタ６８を介して吸入した空気を膜電極接合体小片６０に向けて供給することができる。
【００５６】
酸化ガス供給通路６２には、調整バルブ７２を介して窒素タンク７２が連通している。窒素タンク７２は、調整バルブ７２の開度に応じた量の窒素を酸化ガス供給通路６２に供給することができる。
【００５７】
酸化ガス供給通路６２は、バブラー７４を備えている。バブラー７４は、ヒータ７６と温度計７８とを内蔵した加湿器である。バブラー７４によれば、設定温度における水蒸気の飽和状態を作り出すことができる。例えば、設定温度が４０℃であれば、膜電極接合体小片６０に流れ込む酸化ガスを４０℃における飽和状態になるように加湿することができる。
【００５８】
バブラー７４の下流には、圧力計８０と、ヒータ８２が配置されている。膜電極接合体小片６０は、上述した通り、その内部における圧力の分布が無視できる大きさとされている。このため、圧力計８０の計測値は、膜電極接合体小片６０のカソードにおける圧力P_Ca（均一値）として取り扱うことができる。
【００５９】
ヒータ８２は、膜電極接合体小片６０の前段での結露を防止するために設けられている。このような構成によれば、バブラー７４で加湿された酸化ガスを、そのままの湿度で膜電極接合体小片６０に供給することができる。従って、図５に示すシステムによれば、膜電極接合体小片６０に供給する酸化ガスの湿度を、極めて精度良く制御することができる。
【００６０】
膜電極接合体小片６０のカソードに供給された酸化ガスは、酸化ガス排出通路６４から流出する。酸化ガス排出通路６４には、露点計８４が設けられている。露点計８４によれば、膜電極接合体小片６０から流出してくる酸化ガスの湿度を正確に測定することができる。
【００６１】
図５に示すシステムは、膜電極接合体小片６０のアノード側に連通する燃料ガス供給通路８６及び燃料ガス排出通路８８を備えている。燃料ガス供給通路８６には、調整バルブ９０を介して水素タンク９２が連通している。この構成によれば、調整バルブ９０の開度を制御することで、所望の圧力で水素ガスを膜電極接合体小片６０に供給することができる。
【００６２】
燃料ガス供給通路８６は、調整バルブ９０の下流に、バブラー９４を備えている。バブラー９４は、カソード側のバブラー７４と同様に、ヒータ９６及び温度計９８を備えており、設定温度下での飽和状態が形成されるように燃料ガスを加湿することができる。
【００６３】
バブラー９４の下流には、圧力計１００と、ヒータ１０２が配置されている。圧力計１００の計測値は、膜電極接合体小片６０のアノードにおける圧力P_An（均一値）として取り扱うことができる。また、ヒータ１０２によれば、膜電極接合体小片６０の前段での結露を防止することができる。このような構成によれば、膜電極接合体小片６０のアノードに流入する燃料ガスの湿度を、極めて精度良く制御することができる。
【００６４】
膜電極接合体小片６０のアノードに供給された燃料ガスは、燃料ガス排出通路８８から流出する。燃料ガス排出通路８８には、露点計１０４が設けられている。露点計１０４によれば、膜電極接合体小片６０から流出してくる燃料ガスの湿度を正確に測定することができる。
【００６５】
膜電極接合体小片６０には、冷却水供給通路１０６及び冷却水排出通路１０８が連通している。冷却水排出通路１０８には、温度計１１０が設けられている。図５に示すシステムは、温度計１１０の計測値をフィードバックすることにより、膜電極接合体小片６０を流れる冷却水の温度を正確に制御することができる。また、このシステムにおいては、その冷却水の温度を、膜電極接合体小片６０の温度として取り扱うことができる。
【００６６】
図５に示すシステムは、更に、膜電極接合体小片６０のアノード側電極とカソード側電極とを結ぶ測定回路１１２を備えている。測定回路１１２には、電流計１１４と可変抵抗１１６を備えている。この構成によれば、可変抵抗１１６を調整することで、アノード電極とカソード電極との間に生ずる電位差を所望の値（例えば０．６V、或いは０．８V）に制御した状態で、膜電極接合体小片６０が発する電流量（電流密度I）を計測することができる。
【００６７】
上述した通り、図２乃至図４に示すマップを作成するためには、膜電極接合体を取りまく発電環境を特定することが必要である。具体的には、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、カソード圧力P_Ca、水素濃度、酸素濃度、及び温度Tを特定することが必要である。
【００６８】
アノード相対湿度An_RH、及びカソード相対湿度Ca_RHは、それぞれ下記の演算式により求めることができる。
An_RH＝（燃料ガスの蒸気圧）／（温度Tにおける飽和水蒸気圧）×１００
・・・（１）
Ca_RH＝（酸化ガスの蒸気圧）／（温度Tにおける飽和水蒸気圧）×１００
・・・（２）
【００６９】
図５に示すシステムによれば、冷却水温が「温度T」であるから、その温度を決めることで、右辺第２項における「飽和水蒸気圧」を決めることができる。そして、このシステムによれば、バブラー７４，９４の温度を変化させることにより、（１）式の「燃料ガスの湿度」、並びに（２）式の「酸化ガスの湿度」を任意に変化させることができる。従って、図５に示すシステムによれば、膜電極接合体６０のアノード相対湿度An_RH及びカソード相対湿度Ca_RHを、正確かつ簡単に、任意の値に制御することができる。
【００７０】
また、図５に示すシステムによれば、コンプレッサ６６の運転状態を制御することで、カソード圧力P_Caを任意の値に制御することができる。更に、調整バルブ７０によって、酸化ガス供給通路６２に流れ込む窒素の量を調整することにより、膜電極接合体小片６０に流れ込む酸化ガス中の酸素濃度も正確に制御することができる。このように、図５に示すシステムによれば、図２乃至図４に示すマップを設定するにあたって特定するべき全てのパラメータを、容易かつ正確に設定することが可能である。
【００７１】
図１に示す膜電極接合体１２には、それぞれが目標（０．６V程度）の起電力を発生することが求められる。このため、図２乃至図４に示すマップは、膜電極接合体１２が目標の起電力を発生している状況下での「電流密度I」、「抵抗値R」、及び「水移動量H2O_m」を定義している必要がある。
【００７２】
図５に示すシステムでは、可変抵抗１１６を調整することにより、膜電極接合体小片６０の起電力を調整しながら、電流計１１４により電流密度Iを計測することができる。また、その際の電流と電圧との関係から、膜電極接合体小片６０の抵抗値Rを計算することができる。更に、カソードで生成される水量は、電流密度Iに比例するため、電流密度Iが判れば水生成量が計算できる。そして、カソードに流入する酸化ガスの湿度（つまり水量）と、カソードにおける生成水量と、カソードから流出する酸化ガスの湿度（つまり水量）とが判れば、膜電極接合体小片６０の内部でカソードからアノードに移動する水量H2O_mは計算することができる。
【００７３】
つまり、図５に示すシステムによれば、膜電極接合体小片６０を取りまく発電環境を適宜変更しながら、電流密度I及び抵抗値Rを計測し、また、水移動量H2O_mを算出することができる。このため、このシステムを用いれば、図２乃至図４に示すマップを、簡単な処理により、極めて正確に設定することが可能である。
【００７４】
［膜電極接合体の面内状態の予測］
図６は、図１に示す燃料電池１０が備える膜電極接合体１２の仮想的な分割方法を説明するための図である。より具体的には、図６（Ａ）は、膜電極接合体１２のアノード面を示す斜視図である。膜電極接合体１２の内部には、上述した通り、アノード側及びカソード側の双方に、燃料ガス又は酸化ガスを流通させるためのガス流路が形成されている。本実施形態では、それらのガス流路が、コフロー流路を形成するように、つまり、アノード側の燃料ガスと、カソード側の酸化ガスとが、膜電極接合体１２の一端から他端へ、同じ方向（図６（Ａ）中に矢印で示す方向）に進むように構成されている。
【００７５】
図６（Ｂ）は、膜電極接合体１２の一部を帯状に切り出した部分（以下、「帯状部分１２０」と称す）を示す。膜電極接合体１２は、仮想的には、この帯状部分１２０が縦方向に複数連なって構成されたものとみなすことができる。帯状部分１２０において、カソード側の酸化ガス、及びアノード側の燃料ガスは、図６（Ｂ）中に矢印で示すように、長手方向に向かって互いに平行に流通する。
【００７６】
帯状部分１２０は、図６（Ｂ）に示すように、反応ガスの流れ方向に並んだｓ個の小領域で構成されているとみなすことができる。本実施形態では、これらの小領域は、図５に示す膜電極接合体小片６０と同様に、１cm×１cmの大きさを有しているものとする。
【００７７】
膜電極接合体１２を、図６（Ｂ）に示す小領域に分解して考えた場合、個々の小領域においては、発電環境が均一であるとみなすことができる。また、この場合、n-1番目の小領域（以下、「n-1領域」と称す）における発電環境が判れば、その領域における発電状態を予測することができる。そして、n-1領域における発電環境と発電状態が判れば、ｎ領域における発電環境が予測できる。このため、膜電極接合体１２を図６（Ｂ）に示すような小領域に区分して考えると、１番目の小領域における発電環境が判れば、以後、順番に、ｓ領域に至るまで、個々の小領域における発電環境と発電状態とを予測することが可能である。
【００７８】
図７は、n-1領域における発電環境を基礎として、n領域における発電環境を予測する手順を説明するための図である。n-1領域のカソードには、n-2領域のカソードから酸化ガスが流入し、また、n-2領域のカソードに存在する水が流入する。ここでは、n-2領域から流入する酸素量O2(n-1)及び水量H2O_Ca(n-1)が既知であるものとする（符号１２２参照）。
【００７９】
カソード相対湿度Ca_RHは、カソード圧力P_Ca、カソード水量H2O_Ca、酸化ガス量（窒素量N2＋酸素量O2）から次式によって算出することができる。
Ca_RH＝[P_Ca×H2O_Ca／{(N2＋O2)＋H2O_Ca}]／（飽和水蒸気圧）×１００
・・・（３）
【００８０】
上記（３）式右辺に含まれる全てのパラメータは、下記の通り、n-1領域において特定することが可能である。従って、n-1領域のカソード相対湿度Ca_RHは、上記（３）式を用いることにより算出することができる（符号１２４参照）。
・カソード圧力P_Ca(n-1)は、膜電極接合体１２のカソード側入口及び出口における圧力計３６，４０の測定値から比例計算による求めることができる（符号１２５参照）。
・水量H2O_Ca(n-1)は、上記の通り既知である。
・N2は、流通過程で一定とみなせるため膜電極接合体１２に流入する空気流量から算出することができる。
・酸素量O2(n-1)は、上記の通り既知である。
・飽和水蒸気圧は、温度計４８により検知される温度Tから特定することができる。
【００８１】
酸化ガス中の酸素濃度は、窒素量N2及び酸素量O2から、次式に従って算出することができる。
酸素濃度＝O2／(N2＋O2)              ・・・（４）
従って、n-1領域における酸素濃度（O2濃度(n-1)）は、膜電極接合体１２に流入する窒素量N2と、n-2領域から流入してくる酸素量O2(n-1)から算出することができる（符号１２６参照）。
【００８２】
n-1領域のアノードには、n-2領域のアノードから燃料ガスが流入し、また、n-2領域のアノードに存在する水が流入する。ここでは、n-2領域から流入してくる水素量H2(n-1)及び水量H2O_An(n-1)が既知であるものとする（符号１２８参照）。
【００８３】
アノード相対湿度An_RHは、アノード圧力P_An、アノード水量H2O_An、水素量H2から次式によって算出することができる。
An_RH＝{P_An×H2O_An／(H2＋H2O_An)}／（飽和水蒸気圧）×１００
・・・（５）
【００８４】
上記（５）式右辺に含まれる全てのパラメータは、下記の通り、n-1領域において特定することが可能である。従って、n-1領域のアノード相対湿度Ca_Anは、上記（５）式を用いることにより算出することができる（符号１３０参照）。
・アノード圧力P_An(n-1)は、膜電極接合体１２のアノード側入口及び出口における圧力計４２，４６の測定値から比例計算により求めることができる（符号１３１参照）。
・水量H2O_An(n-1)、及び水素量H2(n-1)は、上記の通り既知である。
・飽和水蒸気圧は、温度計４８により検知される温度Tから特定することができる。
【００８５】
アノード相対湿度An_RH(n-1)（１３０）、カソード相対湿度Ca_RH(n-1)（１２４）、及びO2濃度(n-1)（１２６）が判ると、図２（Ａ）に示すマップから、カソード圧力P_Ca＝１４０kPaの下での電流密度Iを読み出すことができる。また、図２（Ｂ）に示すマップから、カソード圧力P_Ca＝２００kPaの下での電流密度Iを読み出すことができる。
【００８６】
他方、n-1領域におけるカソード圧力P_Ca(n-1)は、上述した通り、圧力計３６，４０の計測値を用いた比例計算により求めることができる。電流密度Iは、カソード圧力P_Caに対して比例的な関係を示すため、n-1領域の電流密度I(n-1)は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すマップからそれぞれ読み出した電流密度Iに基づいて、比例計算により算出することができる（符号１３２参照）。
【００８７】
同様に、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すマップを参照することで、n-1領域における抵抗値Rを算出することができる（符号１３４参照）。更に、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すマップを参照することで、n-1領域における水移動量H2O_mを算出することができる（符号１３６参照）。
【００８８】
膜電極接合体１２のカソード側では、電流密度Iに応じた量の酸素が消費される。この酸素消費量O2_offは、次式により算出することができる。但し、次式におけるFはファラデー定数である。
O2_off＝I／４／F×２２．４×６０        ・・・（６）
【００８９】
従って、n-1領域の電流密度I(n-1)が判れば、その領域におけるカソード側の酸素消費量O2_0ff(n-1)を求めることができる（符号１３８参照）。そして、n-1領域から流出してn領域に流入する酸素量O2(n)は、n-1領域に流入してくる酸素量O2(n-1)から、n-1領域で消費される酸素量O2_off(n-1)を減じた量となるから、次式により求めることができる（符号１４０参照）。
O2(n)＝O2(n-1)−O2_off(n-1)            ・・・（７）
【００９０】
また、膜電極接合体１２のカソード側では、電流密度Iに応じた量の水が生成される。この生成水量H2Oは、次式により算出することができる。
H2O＝I／２／F×２２．４×６０          ・・・（８）
【００９１】
従って、n-1領域の電流密度I(n-1)が判れば、その領域のカソードで生成される水量H2O (n-1)を求めることができる（符号１４２参照）。そして、n-1領域から流出してｎ領域のカソードに流入する水の量H2O_Ca(n)は、n-1領域に流入してくる水量H2O_Ca(n-1)とn-1領域で生成される水量H2O(n-1)との和から、n-1領域においてカソードからアノードに移動する水量H2O_m(n-1)を減じた量であるから、次式により求めることができる（符号１４４参照）。
H2O_Ca(n)＝H2O_Ca(n-1)＋H2O(n-1)−H2O_m(n-1)        ・・・（９）
【００９２】
次に、アノード側の発電状態の予測について説明する。すなわち、膜電極接合体１２のアノード側では、電流密度Iに応じた量の水素が消費される。この水素消費量H2_offは、次式により算出することができる。
H2_off＝I／２／F×２２．４×６０        ・・・（１０）
【００９３】
従って、n-1領域の電流密度I(n-1)が判れば、その領域におけるアノード側の水素消費量H2_0ff(n-1)を求めることができる（符号１４６参照）。そして、n-1領域から流出してn領域に流入する水素量H2(n)は、n-1領域に流入してくる水素量H2(n-1)から、n-1領域で消費される水素量H2_off(n-1)を減じた量となるから、次式により求めることができる（符号１４８参照）。
H2(n)＝H2(n-1)−H2_off(n-1)            ・・・（１１）
【００９４】
アノードの水量は、カソード側から移動してくる水量だけ増加する。このため、n-1領域から流出してｎ領域のアノードに流入する水の量H2O_An(n)は、n-1領域に流入してくる水量H2O_An(n-1)に、n-1領域における水移動H2O_m(n-1)を加えた量となる。この水量H2O_An(n)は、次式により求めることができる（符号１５０参照）。
H2O_An(n)＝H2O_An(n-1)＋H2O_m(n-1)      ・・・（１２）
【００９５】
以上説明した通り、上記の処理によれば、n-1領域の発電環境が判れば、この領域における発電状態を予測することができる。より具体的には、以下の値が判ればn-1領域における電流密度I(n-1)、抵抗値R(n-1)、及び水移動量H2０_mを算出することができる。
・n-1領域のカソードに流入する酸素量O2(n-1)、水量H2０_Ca(n-1)
・n-1領域のアノードに流入する水素量H2(n-1)、水量H2O_An(n-1)
・n-1領域のカソード圧力P_Ca、アノード圧P_An
【００９６】
また、n-1領域の発電環境に、上記の処理により予測される発電状態を反映させると、次段のｎ領域における発電環境を特定することができる。このため、以上の処理によれば、１番目の小領域における発電環境さえ特定できれば、ｓ領域に至るまで、個々の小領域における発電環境及び発電状態を、順次演算により求めることができる。
【００９７】
図１に示すシステムにおいて、１番目の領域のカソードに流入する酸素量O2(1)は、コンプレッサ２０によって圧送される空気の量に、空気中の酸素濃度（既知）を掛け合わせることで求めることができる。１番目の領域のカソードに流れ込む水量H2０_Ca(1)は、カソード側の露点計３８の出力に基づいて算出することができる。
【００９８】
また、１番目の領域のアノードに流入する水素量H2(1)は、調整バルブ２８の開度等に基づいて検知することができる。１番目の領域のアノードに流れ込む水量H2O_An(1)は、アノード側の露点計４４の出力に基づいて算出することができる。
【００９９】
更に、１番目の領域のカソード圧力P_Caは、カソード入口の圧力計３６の出力と、カソード出口の圧力計４０の出力とを基礎として比例計算を行うことで算出することができる。同様に、１番目の領域のアノード圧力P_Anは、アノード入口の圧力計４２の出力と、アノード出口の圧力計４６の出力とを基礎として比例計算を行うことで算出することができる。
【０１００】
このように、図１に示すシステムによれば、１番目の領域における発電状態を予測するために必要な全ての数値を取得することが可能である。従って，本実施形態のシステムでは、膜電極接合体１２の１領域からs領域のそれぞれが、どのような発電環境の下で、どのような発電状態にあるのかを、演算により予測することができる。
【０１０１】
[実施の形態１における具体的処理]
図８は、上記の処理を実現するためにECU５０が実行するルーチンのフローチャートである。図８に示すルーチンでは、先ず、領域番号ｎに１がセットされる（ステップ１６０）。
【０１０２】
次に、領域ｎのカソード状態量が算出される（ステップ１６２）。具体的には、ｎ＝１の領域を対象として、カソードに流入する酸素量O2(n)及び水量H2０_Ca(n)が算出される（図７中、符号１２２参照）。次いで、圧力計３６，４０の出力を基礎とする比例計算によりカソード圧力P_Ca(n)が算出される（図７中、符号１２５参照）。更に、上記（３）式に従ってカソード相対湿度Ca_RH(n)が、また、上記（４）式に従ってカソードの酸素濃度O2濃度(n)が、それぞれ算出される（図７中、符号１２４，１２６参照）。
【０１０３】
図８に示すルーチンでは、次に、領域ｎのアノード状態量が算出される（ステップ１６４）。具体的には、ｎ＝１の領域を対象として、アノードに流入する水素H2(n)及び水量H2０_An(n)が算出される（図７中、符号１２８参照）。次いで、圧力計４２，４６の出力を基礎とする比例計算によりアノード圧力P_An(n)が算出される（図７中、符号１３１参照）。更に、上記（５）式に従ってアノード相対湿度An_RH(n)が算出される（図７中、符号１３０参照）。
【０１０４】
次に、ｎ領域における発電状態が算出される（ステップ１６６）。具体的には、先ず、図２（Ａ）に示すマップ、及び図２（Ｂ）に示すマップから、それぞれ、電流密度Iが読み出される。次に、図２（Ａ）に示すマップからは、カソード圧力P_Caが１４０kPaである場合の電流密度Iが読み出される。また、図２（Ｂ）に示すマップからは、カソード圧力P_Caが２００kPaである場合の電流密度Iが読み出される。本ステップでは、それらのマップ値に比例計算を施すことで、カソード圧P_Ca(n)に対応する電流密度Iが算出される（図７中、符号１３２参照）。
【０１０５】
上記ステップ１６６では、また、図３（Ａ）に示すマップ、及び図３（Ｂ）に示すマップを参照して、抵抗値R(n)が算出される（図７中、符号１３４参照）。更に、ここでは、図４（Ａ）に示すマップ、及び図４（Ｂ）に示すマップを参照して、水移動量H2O_m(n)が算出される（図７中、符号１３６参照）。２つのマップ値からカソード圧P_Ca(n)に応じた抵抗値R(n)及び水移動量H2O_m(n)を算出する手法は、電流密度Iの場合と同様であるため、ここではその詳細は省略する。
【０１０６】
次に、ｎ領域における生成・消費量が算出される（ステップ１６８）。具体的には、カソード側で消費される酸素量O2_off(n)が上記（６）式に従って、また、生成される水の量H2O(n)が上記（８）式に従って、それぞれ算出される（図７中、符号１３８、１４２参照）。更に、アノード側で消費される水素量H2_off(n)が、上記（１０）式に従って算出される（図７中、符号１４６参照）。
【０１０７】
以上の処理が終わると、領域番号ｎが、最終値ｓに達しているかが判別される（ステップ１７０）。その結果、ｎがｓに達していないと判断された場合は、ｎがインクリメントされた後（ステップ１７２）、再び、上記ステップ１６２以降の処理が実行される。
【０１０８】
ｎが２以上である場合、ステップ１６２では、カソードの酸素量O2(n)及び水量H2O_Caが、それぞれ上記（７）式又は（９）式に従って算出される（図７中、符号１４０，１４４参照）。また、この場合は、ステップ１６４において、アノードの水素量H2(n)及び水量H2O_Anが、それぞれ上記（１１）式又は（１２）式に従って算出される。
【０１０９】
以後、ステップ１７０において、ｎ＝ｓの成立が判定されるまで、上記の処理が繰り返し実行される。その結果、１番目の領域からｓ領域まで、全ての領域において、発電環境と、発電状態とが算出される。つまり、以上の処理によれば、上記の小領域をメッシュの単位として、膜電極接合体１２の発電環境及び発電状態の分布を予測することができる。
【０１１０】
ところで、上述した実施の形態１においては、膜電極接合体１２の温度が、全面において均一であることとしているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、膜電極接合体１２の温度が面内で分布を持つ場合には、その分布を考慮して発電状態の分布を予測することとしてもよい。温度分布を考慮した予測は、例えば、以下のような手法により実現することができる。
【０１１１】
電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_mに関するマップを、複数の温度についてそれぞれ準備する。それぞれのマップは、膜電極接合体小片６０の温度を変えて（図５参照）電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_mを測定することで設定する。膜電極接合体１２の個々の小領域における温度は、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域の温度に、当該領域の発熱量を反映させることにより予測する。発熱量は、当該領域の電流密度Iに基づいて算出する。当該領域の温度が判ったら、温度別に準備された複数のマップから読み出したマップ値を基礎として、比例計算により、当該領域の温度に対応する電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_mを算出する。
【０１１２】
また、上述した実施の形態１では、膜電極接合体１２の抵抗値Rの分布をも予測することとしているが、抵抗値Rの予測は、必要がなければ省略してもよい。
【０１１３】
また、上述した実施の形態１では、マップ設定の作業を簡単化するために膜電極接合体小片１２を用いた測定（図５参照）を行うこととしているが、図２乃至図４に示すマップを設定する手法は、これに限定されるものではない。例えば、膜電極接合体１２を計測の対象としてマップ設定の作業を行うこととしてもよい。
【０１１４】
また、上述した実施の形態１では、燃料電池１０のアノードに加湿された水素ガスが供給される場合に備えて、アノード側の入口にも露点計４４を配置することとしているが、この発明はこれに限定されるものではない。すなわち、アノードに供給する燃料ガスが加湿されない場合には、上記の露点計４４は省略することとしてもよい。
【０１１５】
また、上述した実施の形態１では、アノード圧P_Anを予測するために、入口と出口の２カ所に圧力計４２，４６を配置することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、膜電極接合体１２内部での圧力分布は、入口及び出口の一方で圧力が判れば推定することが可能である。このため、アノード側の圧力計は、入口側及び出口側の何れか一方にのみ配置することとしてもよい。この点は、カソード側の圧力計についても同様である。
【０１１６】
尚、上述した実施の形態１においては、ECU５０が、図２に示すマップを記憶していることにより前記第１の発明における「発電特性記憶手段」が実現されている。また、ECU５０が、上記（６）式、（８）式、及び（１０）式を記憶していることにより前記第１の発明における「消費生成特性記憶手段」が実現されている。また、コンプレッサ２０、加湿器１８、調整バルブ２８及び水素タンク３０が前記第１の発明における「入口環境決定手段」に相当している。また、ECU５０が、膜電極接合体１２を上記の小領域に区分して演算処理を進めることにより前記第１の発明における「小領域定義手段」が実現されている。また、ECU５０が、ステップ１６６において電流密度I(n)を算出することにより前記第１の発明における「発電量算出手段」が、ステップ１６８の処理を実行することにより前記第１の発明における「消費生成量算出手段」が、それぞれ実現されている。更に、ECU５０が、ステップ１６２において、上記（７）式及び（９）式によりO2(n)及びH2O_Ca(n)を算出し、かつ、ステップ１６４において、上記（１１）式及び（１２）式によりH2(n)及びH2O_An(n)を算出することにより前記第１の発明における「発電環境更新手段」が実現されている。
【０１１７】
また、上述した実施の形態１においては、ECU５０が、図３に示すマップを記憶していることにより前記第２の発明における「抵抗特性記憶手段」が実現されている。また、ECU５０が、ステップ１６６において抵抗値R(n)を算出することにより前記第２の発明における「抵抗値算出手段」が実現されている。
【０１１８】
また、上述した実施の形態１においては、ECU５０が、図４に示すマップを記憶していることにより前記第３の発明における「水移動特性記憶手段」が実現されている。また、ECU５０が、ステップ１６６において水移動量H2O_m(n)を算出することにより前記第３の発明における「水移動量算出手段」が実現されている。更に、ECU５０が、ステップ１６２において、上記（９）式によりH2O_Ca(n)を算出することにより前記第３の発明における「カソード水量更新手段」が、ステップ１６４において、上記（１２）式によりH2O_An(n)を算出することにより前記第３の発明における「アノード水量更新手段」が、それぞれ実現されている。
【０１１９】
また、上述した実施の形態１においては、ECU５０が、ステップ１６８において、上記（６）式に従って酸素消費量O2_off(n)を算出することにより前記第４の発明における「酸素消費量算出手段」が、上記（１０）式に従って水素消費量H2_off(n)を算出することにより前記第４の発明における「水素消費量算出手段」が、それぞれ実現されている。更に、ECU５０が、ステップ１６２において、上記（７）式によりO2(n)を算出することにより前記第４の発明における「酸素量更新手段」が、ステップ１６４において、上記（１１）式によりH2(n)を算出することにより前記第４の発明における「水素量更新手段」が、それぞれ実現されている。
【０１２０】
実施の形態２．
次に、図９乃至図１２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のハードウェア構成は、膜電極接合体１２の酸化ガス流路と燃料ガス流路がカウンター流路を形成するように構成されている点を除いて、図１に示す構成と同様である。本実施形態のシステムは、このようなハードウェア構成において、ECU５０に、後述する図１１に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【０１２１】
上述した通り、実施の形態１のシステムでは、膜電極接合体１２の酸化ガス流路と燃料ガス流路がコフロー流路を形成している。つまり、実施の形態１では、カソード側の酸化ガスと、アノード側の燃料ガスが、同じ方向に向かって流通する。この場合、アノード側でもカソード側でも、n-1領域の発電環境及び発電状態が、ｎ領域の発電環境を決めることになる。このため、実施の形態１のシステムでは、アノード入口の状態と、カソード入口の状態とに基づいて、１番目の領域における発電環境及び発電状態を予測することが可能であり、以後、ｓ領域に至るまで、小領域毎に発電環境と発電状態を、順次予測することが可能である。
【０１２２】
しかしながら、カソード側の燃料通路とアノード側の燃料通路がカウンター流路を形成する場合は、カソードの入口が１番目の領域につながっているとすれば、アノードの入口はｓ領域につながることになる。この場合、カソード側では、n-1領域の状態がｎ領域の状態を決めることとなり、他方、アノード側では、n+1領域の状態がｎ領域の状態を決めることになる。
【０１２３】
例えば、カソード及びアノードの双方において、入口に隣接する小領域から予測を始めるとすれば、カソード側では、先ず、カソード入口の状態に基づいて１番目の小領域の発電状態が予測される。他方、アノード側では、そのタイミングにおいて、アノード入口の状態に基づいて、ｓ領域の発電状態が予測される。つまり、このタイミングにおいて、１番目の領域については、カソード側の発電環境は予測できるが、アノード側の発電環境が予測できないという事態が生ずる。ｓ領域においては、その逆の状況が生ずる。
【０１２４】
図７を参照して説明した通り、ある小領域（(n-1)領域とする）における電流密度I(n-1)、抵抗値R(n-1)、水移動量H2O_m(n-1)は、その領域におけるカソード側の環境と、アノード側の環境が共に特定されていない限りは予測することができない。また、電流密度I(n-1)及び水移動量H2O_m(n-1)が定まらなければ、(n-1)領域における酸素消費量O2_off(n-1)、水素消費量H2_off(n-1)、並びに生成水量H2O(n-1)は予測することができない。このため、酸化ガス通路と燃料ガス通路がカウンター流路を形成する場合は、実施の形態１と同じ手法によっては、複数の小領域の全てについて、発電環境と発電状態を順次予測することはできない。
【０１２５】
図９及び図１０は、酸化ガス通路と燃料ガス通路がカウンター流路を形成する場合に、個々の小領域の発電環境及び発電状態を予測するための手法を説明するための図である。より具体的には、図９は、カソード側の発電環境と発電状態を順次予測するための手法を説明するための図である。また、図１０は、アノード側の発電環境と発電状態を順次予測するための手法を説明するための図である。
【０１２６】
本実施形態において、ECU５０は、カソードメモリ領域（図９（Ａ）、図１０（Ｃ）参照）と、アノードメモリ領域（図９（Ｃ）及び図１０（Ａ）参照）を有している。カソードメモリ領域は、個々の小領域におけるカソード相対湿度Ca_RHとO2濃度を記憶するための領域である。他方、アノードメモリ領域は、個々の小領域におけるアノード相対湿度An_RHを記憶するための領域である。
【０１２７】
図９に示すように、ECU５０は、アノードメモリ領域に、個々の小領域に対応するアノード相対湿度An_RHを記憶している。図７を参照して説明した通り、ある小領域（i領域とする）の電流密度I(i)、抵抗値R(i)及び水移動量H2O_m(i)は、カソード側の発電環境に加えて、アノード相対湿度An_RH(i)が特定できれば算出することができる。このため、i領域におけるカソード側の発電環境が特定できれば、アノードメモリ領域からアノード相対湿度An_RH(i)を読み出してくることで、i領域の発電状態を予測し、更に、次段に位置する(i+1)領域の発電環境を予測することが可能である。そして、この処理を繰り返すことにより、１番目の小領域からｓ領域に至るまで、全ての小領域における発電環境と発電状態を順次予測することができる。
【０１２８】
本実施形態において、ECU５０は、上述した手法によって、カソード側の酸化ガスの流れに沿う順番で、個々の小領域におけるカソード側の発電環境と、個々の小領域における発電状態とを演算する。この演算の過程では、それぞれの小領域(i)において、カソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)が算出される。ECU５０は、図９に示すように、このようにして算出されたカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を、次段のデータとして、つまり、i+1領域のデータとしてカソードメモリ領域に記憶する。
【０１２９】
図１０は、ECU５０が、カソードメモリ領域に記憶されているカソード相対湿度Ca_RH及びO2濃度を用いて、アノード側の状態を順次計算する手順を示している。すなわち、ECU５０は、i領域において、アノード側の発電環境と共に、カソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)が特定できれば、電流密度I(i)、抵抗値R(i)及び水移動量H2O_m(i)算出することができる。このため、i領域におけるアノード側の発電環境が特定できれば、カソードメモリ領域からカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を読み出してくることで、i領域の発電状態を予測し、更に、その前段に位置する (i-1) 領域の発電環境を予測することが可能である。そして、この処理を繰り返すことで、ｓ領域から１番目の領域に至るまで、全ての小領域における発電環境と発電状態を順次予測することができる。
【０１３０】
本実施形態において、ECU５０は、上述した手法によって、アノード側の燃料ガスの流れに沿う順番で、個々の小領域におけるアノード側の発電環境と、個々の小領域における発電状態とを演算する。この演算の過程では、それぞれの小領域(i)において、アノード相対湿度An_RH(i)が算出される。ECU５０は、図１０に示すように、このようにして算出されたアノード相対湿度An_RH(i)を、前段のデータとして、つまり、i-1領域のデータとしてアノードメモリ領域に記憶する。
【０１３１】
上述した通り、本実施形態において、ECU５０は、発電環境と発電状態を順次予測する処理を、カソード側とアノード側の双方で並行して実行する。そして、カソード側の処理は、１サイクル前にアノードメモリ領域に記憶されたアノード相対湿度An_RHを用いて実行される。他方、アノード側の処理は、１サイクル前にカソードメモリ領域に記憶されたカソード相対湿度Ca_RH及びO2濃度を用いて行われる。
【０１３２】
従って、時刻t1において、カソード側では、時刻t1におけるカソード側の発電環境と、時刻t1から１サイクル分だけ遡った時刻t0におけるアノード相対湿度An_RHとを用いた予測処理が実行される。同様に、アノード側では、時刻t1におけるアノード側の発電環境と、時刻t0におけるカソード相対湿度Ca_RH及びO2濃度による予測処理が実行される。
【０１３３】
本実施形態では、上述した時間差の影響を排除するため、i領域で得られたカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を(i+1)領域のデータとしてカソードメモリ領域に記憶する。カソード側では、酸化ガスの流れに伴い、i領域の状態が時間の経過によって後段側に移行する事態が生ずる。このため、i領域で得られたデータをi+1領域のデータとして記憶すると、上述した１サイクル分の時間差の影響を抑制することができる。同様の理由により、本実施形態の手法によれば、アノード側においても、１サイクル分の時間差の影響を十分に抑えることができる。従って、本実施形態のシステムによれば、カソード側の処理、及びアノード側の処理のそれぞれにより、精度良く発電環境及び発電状態を予測することができる。
【０１３４】
図１１は、本実施形態において、ECU５０が実行するルーチンのフローチャートである。図１１に示すルーチンでは、先ず、領域番号の初期化が行われる（ステップ１８０）。具体的には、カソード側の処理対象を示す領域番号ｎに１がセットされる。また、アノード側の処理対象を示す領域番号Ｎにｓがセットされる。
【０１３５】
次に、ｎ領域（１番目の領域）のカソード状態量が算出される（ステップ１８２）。本ステップ１８２では、図８に示すステップ１６２と同様の処理により、カソードにおける酸素量O2(ｎ)、水量H2O_Ca(ｎ)、カソード相対湿度Ca_RH(ｎ)、O2濃度(ｎ)及びカソード圧力P_Ca(ｎ)が算出される（図７中、符号１２２、１２４，１２５、１２６参照）。
【０１３６】
次に、アノードメモリ領域から、ｎ領域に対応するアノード相対湿度An_RH(n)が読み出される（ステップ１８４）。
【０１３７】
次いで、ｎ領域における発電状態が算出される（ステップ１８６）。図７を参照して説明した通り、カソード側の発電環境に加えて、アノード相対湿度An_RH(n) （図７中、符号１３０参照）が決まれば、図２乃至図４に示すマップから、電流密度I(ｎ)、抵抗値R(ｎ)、及び水移動量H2O_m(ｎ)を読み出すことができる。ここでは、上記ステップ１８２及び１８４の処理により特定されたパラメータに基づいて、マップからそれらの値が読み出される。
【０１３８】
次に、カソード側で消費される酸素量O2_off(ｎ)、及びカソード側で生成される水量H2O(n)が算出される（ステップ１８８）。酸素消費量O2_off(n)は、上記（６）式に従って算出される。また、水生成量H2O(n)は上記（８）式に従って算出される（図７中、符号１３８、１４２参照）。
【０１３９】
次に、Ｎ領域（ｓ領域）のアノード状態量が算出される（ステップ１９０）。本ステップ１９０では、図８に示すステップ１６４と同様の処理により、アノードにおける水素量H2(Ｎ)、水量H2O_An(Ｎ)、アノード相対湿度An_RH(Ｎ)、及びアノード圧力P_Ca(Ｎ)が算出される（図７中、符号１２８、１３０，１３１参照）。
【０１４０】
次に、カソードメモリ領域から、Ｎ領域に対応するカソード相対湿度Ca_RH(Ｎ)が読み出される（ステップ１９２）。更に、カソード側の圧力計３６，４０の出力に基づいてカソード圧力P_Ca(Ｎ)が算出される（ステップ１９３）。
【０１４１】
続いて、Ｎ領域における発電状態が算出される（ステップ１９４）。図７を参照して説明した通り、アノード側の発電環境に加えて、カソード相対湿度Ca_RH(Ｎ)、カソード圧力P_Ca(Ｎ)及びO2濃度(Ｎ)が決まれば（図７中、符号１２４、１２５、１２６参照）、図２乃至図４に示すマップから、電流密度I(Ｎ)、抵抗値R(Ｎ)、及び水移動量H2O_m(Ｎ)を読み出すことができる。ここでは、上記ステップ１９０〜１９３の処理により特定されたパラメータに基づいて、マップからそれらの値が読み出される。
【０１４２】
次に、アノード側で消費される水素量H2_off(Ｎ)が算出される（ステップ１９６）。水素消費量H2_off(Ｎ)は、上記（１０）式に従って算出される（図７中、符号１４６参照）。
【０１４３】
以上の処理が終わると、カソード側の領域番号ｎがｓに達しているか、及びアノード側の領域番号Ｎが１に達しているかが判別される（ステップ１９８）。その結果、この判定が否定された場合は、ｎがインクリメントされ、かつ、Ｎがデクリメントされた後（ステップ２００）、再び、上記ステップ１８２以降の処理が実行される。
【０１４４】
ｎが２以上である場合、ステップ１８２では、カソードの酸素量O2(n)及び水量H2O_Caが、それぞれ上記（７）式又は（９）式に従って算出される（図７中、符号１４０，１４４参照）。また、この場合は、ステップ１９０において、アノードの水素量H2(n)及び水量H2O_Anが、それぞれ上記（１１）式又は（１２）式に従って算出される。
【０１４５】
以後、ステップ１９８において、ｎ＝ｓ、Ｎ＝１の成立が判定されるまで、上記の処理が繰り返し実行される。その結果、１番目の領域からｓ領域まで、全ての領域において、発電環境と、発電状態とが算出される。
【０１４６】
上記の処理が繰り返され、カソード側及びアノード側の双方で１サイクルの処理が終わると、ステップ１９８の条件が成立する。この場合、ECU５０は、次に、i領域（i＝１〜ｓ）のカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を、(i+1)領域のデータとしてカソードメモリ領域に記憶する（ステップ２０２）。
【０１４７】
更に、ECU５０は、i領域（i＝１〜ｓ）のアノード相対湿度An_RH(i)を、(i-1)領域のデータとしてアノードメモリ領域に記憶する（ステップ２０４）。以上の処理により、図９を参照して説明した処理が実現される。その結果、次回の処理サイクル時に、カソード側及びアノード側の双方で、精度良く発電環境及び発電状態を予測するための準備が整えられる。
【０１４８】
図１１に示すルーチンによると、ステップ１８６では、カソード側の発電環境がリアルタイムに反映された発電状態が算出される。また、上記ステップ１９４では、アノード側の発電環境がリアルタイムに反映された発電状態が算出される。これら２つの発電状態は、予測演算が繰り返されることにより、やがては実質的に同じ値に収束する。そして、両者が同じ値に収束した時点での発電環境及び発電状態の分布は、定常状態における分布として認識することができる。このため、本実施形態のシステムを用いる場合は、ステップ１８６で得られる発電状態と、ステップ１９４で得られる発電状態とが同等となった時点で予測演算を終了することとしてもよい。
【０１４９】
図１２は、本実施形態のシステムが実行した分布予測の結果である。図１２において、例えば、O2濃度は、カソード入口から遠ざかるに連れて、ほぼ比例的に低下している。また、電流密度Iは、カソード入口から遠ざかるに従って、一端増加した後減少する傾向を示している。これらは、膜電極接合体１２において、現実に生ずる傾向と精度良く一致している。図１２に示す他の値（抵抗値R、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH）についても同様である。これらの予測結果が示すように、本実施形態のシステムは、膜電極接合体１２の面内に生ずる分布を正確に予測することができる。
【０１５０】
尚、上述した実施の形態２においては、ECU５０が、ステップ１８６及び１９４において電流密度I(n)を算出することにより前記第１の発明における「発電量算出手段」が、ステップ１８８及び１９６の処理を実行することにより前記第１の発明における「消費生成量算出手段」が、それぞれ実現されている。更に、ECU５０が、ステップ１８２において、上記（７）式及び（９）式によりO2(n)及びH2O_Ca(n)を算出し、かつ、ステップ１９０において、上記（１１）式及び（１２）式によりH2(n)及びH2O_An(n)を算出することにより前記第１の発明における「発電環境更新手段」が実現されている。
【０１５１】
また、上述した実施の形態２においては、ECU５０が、ステップ１８６及び１９４において抵抗値R(n)を算出することにより前記第２の発明における「抵抗値算出手段」が実現されている。
【０１５２】
また、上述した実施の形態２においては、ECU５０が、ステップ１８６及び１９４において水移動量H2O_m(n)を算出することにより前記第３の発明における「水移動量算出手段」が実現されている。更に、ECU５０が、ステップ１８２において、上記（９）式によりH2O_Ca(n)を算出することにより前記第３の発明における「カソード水量更新手段」が、ステップ１９０において、上記（１２）式によりH2O_An(n)を算出することにより前記第３の発明における「アノード水量更新手段」が、それぞれ実現されている。
【０１５３】
また、上述した実施の形態２においては、ECU５０が、ステップ１８８において、上記（６）式に従って酸素消費量O2_off(n)を算出することにより前記第４の発明における「酸素消費量算出手段」が、上記（１０）式に従って水素消費量H2_off(n)を算出することにより前記第４の発明における「水素消費量算出手段」が、それぞれ実現されている。更に、ECU５０が、ステップ１８２において、上記（７）式によりO2(n)を算出することにより前記第４の発明における「酸素量更新手段」が、ステップ１９０において、上記（１１）式によりH2(n)を算出することにより前記第４の発明における「水素量更新手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】本発明の実施の形態１のシステムの構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のシステムが用いる電流密度Iのマップを示す。
【図３】本発明の実施の形態１のシステムが用いる抵抗値Rのマップを示す。
【図４】本発明の実施の形態１のシステムが用いる水移動量H2O_mのマップを示す。
【図５】膜電極接合体小片を用いて、特定の発電環境下での発電状態を測定するためのシステムの図である。
【図６】図１に示す燃料電池が備える膜電極接合体の仮想的な分割方法を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態１のシステムが、n-1領域における発電環境を基礎として、n領域における発電環境を予測する手順を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態１のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態２においてカソード側で実行される処理の内容を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態２においてアノード側で実行される処理の内容を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態２のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態２のシステムによる分布予測の結果を示す図である。
【符号の説明】
【０１５５】
１０  燃料電池
１２  膜電極接合体
２０  コンプレッサ
２８  調整バルブ
３０  水素タンク
３６，４０，４２，４６  圧力計
３８，４４  露点計
４８  温度計
５０  ECU（Electronic Control Unit）
Ｉ  電流密度
Ｒ  抵抗値
An_RH  アノード相対湿度
Ca_RH  カソード相対湿度
水移動量  H2O_m
生成水量  H2O
酸素消費量  O2_off
水素消費量  H2_off
カソード側水量  H2O_Ca
アノード側水量  H2O_An
カソード圧力  P_Ca
アノード圧力  P_An
【図１】
2008293805.tif 000003
【図２】
2008293805.tif 000004
【図３】
2008293805.tif 000005
【図４】
2008293805.tif 000006
【図５】
2008293805.tif 000007
【図６】
2008293805.tif 000008
【図７】
2008293805.tif 000009
【図８】
2008293805.tif 000010
【図９】
2008293805.tif 000011
【図１０】
2008293805.tif 000012
【図１１】
2008293805.tif 000013
【図１２】
2008293805.tif 000014