(57)【要約】【課題】燃料電池の膜電極接合体の面内状態を簡易かつ正確に推定できるようにする。【解決手段】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。その各小領域（ｎ領域）について、それが置かれている発電環境に基づいて電流密度Ｉを算出し、電流密度Ｉに基づいて反応ガス消費量及び水生成量を算出する。また、ｎ領域から下流のｎ＋１領域への各ガス成分の移動量dn_H2_An，dn_N2_An，dn_H2O_Anと液水移動量dn_liqH2O_Anとをそれぞれの移動特性に従って算出する。そして、上流のｎ−１領域からｎ領域への各ガス成分の移動量及び液水移動量、ｎ領域から下流のｎ＋１領域への各ガス成分の移動量及び液水移動量、並びに、ｎ領域における反応ガス消費量及び水生成量に基づいて、ｎ領域が置かれている発電環境を更新する。【選択図】図４
2009211940.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、
反応ガスの流れに沿ったガス成分の移動特性を記憶するガス移動特性記憶手段と、
反応ガスの流れに沿った液水の移動特性を記憶する液水移動特性記憶手段と、
前記膜電極接合体を、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、当該小領域が置かれている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について、当該小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への各ガス成分の移動量を前記ガス移動特性に従って算出するガス移動量算出手段と、
前記複数の小領域のそれぞれについて、当該小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水の移動量を前記液水移動特性に従って算出する液水移動量算出手段と、
前記複数の小領域のそれぞれが置かれる発電環境を、隣接する小領域間での各ガス成分の移動量及び液水の移動量、並びに、当該小領域における反応ガス消費量及び水生成量に基づいて更新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】
前記発電環境更新手段は、前記複数の小領域のそれぞれに存在する液水量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域からの液水移動量を当該小領域に存在する液水量に加え、また、反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水移動量を当該小領域に存在する液水量から減ずることによって更新す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】
前記膜電極接合体での液水の生成或いは蒸発量と発電環境との関係を定めた生成蒸発特性を記憶する生成蒸発特性記憶手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける液水生成量或いは液水蒸発量を、当該小領域が置かれている発電環境に基づいて、前記生成蒸発特性に従って算出する液水生成蒸発量算出手段とを備え、
前記発電環境更新手段は、前記複数の小領域のそれぞれに存在する液水量を、当該小領域における液水生成量を当該小領域に存在する液水量に加え、或いは、当該小領域における液水蒸発量を当該小領域に存在する液水量から減ずることによって更新することを特徴とする請求項２記載の燃料電池面内状態推定システム。
【請求項４】
前記液水移動特性は、各小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水の移動量を当該小領域におけるガス成分の流速に関連付けるものであることを特徴とする請求項１乃至３の１記載の燃料電池面内状態推定システム。
【請求項５】
前記液水移動特性は、各小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水の移動量を小領域間の圧力差に関連付けるものであることを特徴とする請求項１乃至４の１記載の燃料電池面内状態推定システム。
【請求項６】
前記液水移動特性は、各小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水の移動量を当該小領域に存在する液水量に関連付けるものであることを特徴とする請求項１乃至５の１記載の燃料電池面内状態推定システム。
【請求項７】
前記液水移動特性は、各小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水の移動量を当該小領域の流路形状に関連付けるものであることを特徴とする請求項１乃至６の１記載の燃料電池面内状態推定システム。
【請求項８】
前記膜電極接合体のカソードからアノードへ、前記膜電極接合体を横断して移動する水の量と発電環境との関係を定めた水横断移動特性を記憶する水横断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横断移動量を、当該小領域が置かれている発電環境に基づいて、前記水横断移動特性に従って算出する水横断移動量算出手段とを備え、
前記発電環境更新手段は、前記複数の小領域のそれぞれが置かれる発電環境を、当該小領域の水横断移動量を反映させて更新することを特徴とする請求項１乃至７の１記載の燃料電池面内状態推定システム。
【請求項９】
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、当該小領域が置かれている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、
反応ガスの流れに沿ったガス成分の移動特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれについて、当該小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への各ガス成分の移動量を算出するガス移動量算出ステップと、
反応ガスの流れに沿った液水の移動特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれについて、当該小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水の移動量を算出する液水移動量算出ステップと、
前記複数の小領域のそれぞれが置かれる発電環境を、隣接する小領域間での各ガス成分の移動量及び液水の移動量、並びに、当該小領域における反応ガス消費量及び水生成量に基づいて更新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１０】
前記発電環境更新ステップは、
前記複数の小領域のそれぞれに存在する液水量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域からの液水移動量を当該小領域に存在する液水量に加え、また、反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水移動量を当該小領域に存在する液水量から減ずることによって更新するステップ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】
前記膜電極接合体での液水の生成或いは蒸発量と発電環境との関係を定めた生成蒸発特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれにおける液水生成量或いは液水蒸発量を、当該小領域が置かれている発電環境に基づいて算出する液水生成蒸発量算出ステップを含み、
前記発電環境更新ステップは、
前記複数の小領域のそれぞれに存在する液水量を、当該小領域における液水生成量を当該小領域に存在する液水量に加え、或いは、当該小領域における液水蒸発量を当該小領域に存在する液水量から減ずることによって更新するステップを含むことを特徴とする請求項１０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２００５−３４７０１６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。つまり、上記従来の方法は、予測精度の面において改善の余地を残すものであった。
【０００６】
本発明は、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の面内状態を簡易かつ正確に推定することのできる面内状態推定システム及び推定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、燃料電池の面内状態を推定するシステムであって、
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、
反応ガスの流れに沿ったガス成分の移動特性を記憶するガス移動特性記憶手段と、
反応ガスの流れに沿った液水の移動特性を記憶する液水移動特性記憶手段と、
前記膜電極接合体を、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、当該小領域が置かれている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について、当該小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への各ガス成分の移動量を前記ガス移動特性に従って算出するガス移動量算出手段と、
前記複数の小領域のそれぞれについて、当該小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水の移動量を前記液水移動特性に従って算出する液水移動量算出手段と、
前記複数の小領域のそれぞれが置かれる発電環境を、隣接する小領域間での各ガス成分の移動量及び液水の移動量、並びに、当該小領域における反応ガス消費量及び水生成量に基づいて更新する発電環境更新手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記発電環境更新手段は、前記複数の小領域のそれぞれに存在する液水量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域からの液水移動量を当該小領域に存在する液水量に加え、また、反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水移動量を当該小領域に存在する液水量から減ずることによって更新することを特徴としている。
【０００９】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記膜電極接合体での液水の生成或いは蒸発量と発電環境との関係を定めた生成蒸発特性を記憶する生成蒸発特性記憶手段と、
前記複数の小領域のそれぞれにおける液水生成量或いは液水蒸発量を、当該小領域が置かれている発電環境に基づいて、前記生成蒸発特性に従って算出する液水生成蒸発量算出手段とを備え、
前記発電環境更新手段は、前記複数の小領域のそれぞれに存在する液水量を、当該小領域における液水生成量を当該小領域に存在する液水量に加え、或いは、当該小領域における液水蒸発量を当該小領域に存在する液水量から減ずることによって更新することを特徴としている。
【００１０】
また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記液水移動特性は、各小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水の移動量を当該小領域におけるガス成分の流速に関連付けるものであることを特徴としている。
【００１１】
また、第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記液水移動特性は、各小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水の移動量を小領域間の圧力差に関連付けるものであることを特徴としている。
【００１２】
また、第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記液水移動特性は、各小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水の移動量を当該小領域に存在する液水量に関連付けるものであることを特徴としている。
【００１３】
また、第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、
前記液水移動特性は、各小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水の移動量を当該小領域の流路形状に関連付けるものであることを特徴としている。
【００１４】
また、第８の発明は、第１乃至第７の何れか１つの発明において、
前記膜電極接合体のカソードからアノードへ、前記膜電極接合体を横断して移動する水の量と発電環境との関係を定めた水横断移動特性を記憶する水横断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横断移動量を、当該小領域が置かれている発電環境に基づいて、前記水横断移動特性に従って算出する水横断移動量算出手段とを備え、
前記発電環境更新手段は、前記複数の小領域のそれぞれが置かれる発電環境を、当該小領域の水横断移動量を反映させて更新することを特徴としている。
【００１５】
第９の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の面内状態を推定する方法であって、
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、当該小領域が置かれている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、
反応ガスの流れに沿ったガス成分の移動特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれについて、当該小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への各ガス成分の移動量を算出するガス移動量算出ステップと、
反応ガスの流れに沿った液水の移動特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれについて、当該小領域から反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水の移動量を算出する液水移動量算出ステップと、
前記複数の小領域のそれぞれが置かれる発電環境を、隣接する小領域間での各ガス成分の移動量及び液水の移動量、並びに、当該小領域における反応ガス消費量及び水生成量に基づいて更新する発電環境更新ステップと、
を含むことを特徴としている。
【００１６】
また、第１０の発明は、第９の発明において、
前記発電環境更新ステップは、
前記複数の小領域のそれぞれに存在する液水量を、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域からの液水移動量を当該小領域に存在する液水量に加え、また、反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への液水移動量を当該小領域に存在する液水量から減ずることによって更新するステップを含むことを特徴としている。
【００１７】
また、第１１の発明は、第１０の発明において、
前記膜電極接合体での液水の生成或いは蒸発量と発電環境との関係を定めた生成蒸発特性に従って、前記複数の小領域のそれぞれにおける液水生成量或いは液水蒸発量を、当該小領域が置かれている発電環境に基づいて算出する液水生成蒸発量算出ステップを含み、
前記発電環境更新ステップは、
前記複数の小領域のそれぞれに存在する液水量を、当該小領域における液水生成量を当該小領域に存在する液水量に加え、或いは、当該小領域における液水蒸発量を当該小領域に存在する液水量から減ずることによって更新するステップを含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
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、その小領域が置かれている発電環境に基づいて求めることができる。発電環境には反応ガスの量や反応ガスの拡散を阻害する液水の量が含まれるが、各小領域におけるそれらの量は発電によって変化し、また、隣接する小領域間での移動によっても変化する。第１の発明によれば、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、小領域間のガス成分の移動量は、ガス移動特性に基づいて算出することができ、小領域間の液水の移動量は、液水移動特性に基づいて算出することができる。各小領域について、その小領域で生ずる反応ガス消費量及び水生成量、その小領域への前段からの反応ガス及び液水の移動量、その小領域から後段への反応ガス及び液水の移動量がそれぞれ判ることで、各小領域が置かれている発電環境を常に正確に把握することができる。したがって、本発明によれば、複数の小領域のそれぞれにおける発電環境の正確な把握によって、膜電極接合体における面内の発電量分布を正確に推定することができる。
【００１９】
第２の発明によれば、複数の小領域のそれぞれについて、上流側に位置する小領域からの液水移動量と、下流側に位置する小領域への液水移動量との収支を求めることができる。液水移動量の収支が判ることで、個々の小領域に存在する液水量を正確に推定することが可能となる。つまり、本発明によれば、膜電極接合体における面内の液水量分布を正確に推定することができる。
【００２０】
第３の発明によれば、液水の生成或いは蒸発量と発電環境との関係を定めた生成蒸発特性を用いることにより、個々の小領域における液水生成量或いは液水蒸発量を正確に予測することができる。液水生成量或いは液水蒸発量が予測できると、個々の小領域に存在する液水量をより正確に推定することが可能となる。
【００２１】
第４の発明によれば、各小領域からの液水移動量をその小領域におけるガス成分の流速に関連付けることで、小領域間の液水移動量を正確に推定することが可能となる。
【００２２】
第５発明によれば、各小領域からの液水移動量を小領域間の圧力差に関連付けることで、小領域間の液水移動量を正確に推定することが可能となる。
【００２３】
第６発明によれば、各小領域からの液水移動量をその小領域に存在する液水量に関連付けることで、面内の液水量分布が一様でない場合において、小領域間の液水移動量を正確に推定することが可能となる。
【００２４】
第７発明によれば、各小領域からの液水移動量をその小領域の流路形状に関連付けることで、反応ガスの流れの方向において流路形状が変化している場合において、小領域間の液水移動量を正確に推定することが可能となる。
【００２５】
第８の発明によれば、カソードからアノードへの水横断移動量と発電環境との関係を定めた水横断移動特性を用いることにより、個々の小領域における水横断移動量を正確に予測することができる。膜電極接合体を横断して移動した水の量に応じて発電環境には変化が生じることから、本発明によれば、水横断移動量の予測によって、各小領域が置かれている発電環境をより正確に把握することができる。
【００２６】
第９の発明によれば、各領域で生ずる反応ガス消費量及び水生成量と、その小領域への前段からの反応ガス及び液水の移動量と、その小領域から後段への反応ガス及び液水の移動量とに基づいて、各小領域が置かれている発電環境を正確に把握し、それにより膜電極接合体における面内の発電量分布を正確に推定することができる。
【００２７】
第１０の発明によれば、膜電極接合体における面内の液水量分布を正確に推定することができる。
【００２８】
第１１の発明によれば、個々の小領域における液水生成量或いは液水蒸発量の予測によって、個々の小領域に存在する液水量をより正確に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
実施の形態１．
以下、図を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３０】
［ＦＣシステムの構成］
図１は、本発明の実施の形態のＦＣシステムの構成を説明するための図である。図１に示すＦＣシステムは、燃料電池２を備えている。燃料電池２は、積層された複数の膜電極接合体を備えている。膜電極接合体は、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。膜電極接合体の内部には、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。さらに、個々の膜電極接合体は、内部に冷却水通路が形成された集電板によって隣接する膜電極接合体から隔離されている。燃料電池２及び膜電極接合体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。
【００３１】
ＦＣシステムでは、燃料電池２は複数のＦＣシステム補器４を介してＥＣＵ６によって制御される。ＦＣシステム補器４には、空気を燃料電池２のカソードに供給するコンプレッサ、その空気を加湿する加湿器、カソードからのオフガスの通路に配置された背圧調整バルブ、水素ガスのアノードへの供給圧を調整する供給圧調整バルブ、アノードからのオフガス通路に配置された排気バルブ等の機器が含まれる。水素ガスを循環させるタイプのＦＣシステムの場合には、循環ポンプやエジャクタ等の循環機器もＦＣシステム補器４に含まれる。
【００３２】
ＦＣシステムには、燃料電池２の運転状態を取得するための複数のセンサ８が設けられている。センサ８には、燃料電池２に繋がる空気の供給通路に設けられた圧力計及び露点計、空気オフガスの排出通路に設けられた圧力計、水素の供給通路に設けられた圧力計及び露点計、水素オフガスの排出通路に設けられた圧力計、そして、冷却水の排出通路に配置された温度計等が含まれる。
【００３３】
［膜電極接合体の面内状態の推定］
ＥＣＵ６は、各種センサ８の出力から燃料電池２内部の圧力及び温度に関する情報を取得し、その情報に基づいて個々の膜電極接合体における面内の状態、詳しくは、発電量に関わる面内の状態を推定している。以下、本実施の形態のＦＣシステムで採られている膜電極接合体の面内状態の推定方法について説明する。
【００３４】
ＥＣＵ６は、膜電極接合体の面内状態をシミュレーション（以下、状態推定シミュレーションという）によって推定する。状態推定シミュレーションには膜電極接合体のモデルが使用される。このモデルは、図２及び図３に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）を反応ガスの流路に沿って複数個の小領域に仮想的に分割したものである。図２は膜電極接合体の表面を反応ガスの流路に沿って分割した二次元モデルであり、図３は同二次元モデルを流路に沿って展開した一次元モデルである。この一次元モデルに示すように、本実施の形態の燃料電池２は、膜電極接合体を挟んでカソード側ガスとアノード側ガスとが対向して流れるカウンターフロー流路を有している。
【００３５】
膜電極接合体は、その面内において、発電環境に応じた電流密度で発電を行う。「発電環境」とは、膜電極接合体の面内状態を表す種々のパラメータのうち、膜電極接合体の発電状態を決定する複数のパラメータの総称である。ＥＣＵ６による状態推定シミュレーションでは、図２及び図３に示す分割モデルの個々の小領域が置かれている発電環境は各小領域内で均一であるとみなして、小領域毎に発電環境の推定計算が行われる。
【００３６】
発電環境には、アノード側ガスの相対湿度、カソード側ガスの相対湿度、アノードの圧力、カソードの圧力、アノード側ガス中の水素濃度、カソード側ガス中の酸素濃度、アノードの液水量、カソードの液水量、及び膜電極接合体の温度が含まれる。これらのパラメータのうち、アノードの圧力とカソードの圧力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、アノード圧力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、水素濃度は位置によらずほぼ１００％であり、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、水素濃度と温度も一定値として取り扱うこととする。
【００３７】
したがって、状態推定シミュレーションにおいて考慮すべきパラメータは、アノード側ガスの相対湿度、カソード側ガスの相対湿度、カソードの圧力、カソード側ガス中の酸素濃度、アノードの液水量、及びカソードの液水量となる。ＥＣＵ６には、これらのパラメータで決まる発電環境と電流密度との関係を定義したマップ（発電特性マップ）が記憶されている。また、ＥＣＵ６には、膜電極接合体のカソードからアノードへ、膜電極接合体を横断して移動する水の量と発電環境との関係を定めたマップ（水横断移動特性マップ）も記憶されている。さらに、ＥＣＵ６には、発電による酸素消費量、水素消費量及び水生成量と電流密度との関係を定義したマップ（消費生成特性マップ）も記憶されている。
【００３８】
個々の小領域が置かれている発電環境が特定されれば、発電特性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を予測することができる。また、水横断移動特性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水横断移動量を予測することができる。そして、発電特性マップにより電流密度が特定されれば、消費生成特性マップを参照することにより、その発電環境下での酸素消費量、水素消費量及び水生成量を予測することができる。
【００３９】
酸素消費量、水素消費量、水生成量、そして、水横断移動量は、何れも発電環境に影響を与える要因である。これらの他にも、発電環境に影響する要因には、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域からの各ガス成分及び液水の各移動量、反応ガスの流れの下流側に位置する小領域への各ガス成分及び液水の各移動量が含まれる。状態推定シミュレーションでは、これら要因の値が個々の小領域について取得され、その値に基づいて個々の小領域が置かれている発電環境が更新される。
【００４０】
［発電環境の更新の具体的方法］
状態推定シミュレーションで行われる発電環境の更新について、その内容を図４を参照して具体的に説明する。図４は、分割モデルの任意の小領域（ｎ領域）を例にとって、ｎ領域が置かれている発電環境の更新の手順について説明するための図である。状態推定シミュレーションでは、個々の小領域はカソード（Ｃａ）側とアノード（Ａｎ）側とに区分される。各小領域は、そこに存在する各成分の状態量（モル数）を内部パラメータとして持たされている。具体的には、図４に示すように、ｎ領域は、カソード側の状態量として酸素量n_O2_Ca、窒素量n_N2_Ca、水蒸気量n_gasH2O_Ca、及び液水量n_liqH2O_Caを持ち、アノード側の状態量として水素量n_H2_An、窒素量n_N2_An、水蒸気量n_gasH2O_An、及び液水量n_liqH2O_Anを持っている。
【００４１】
また、ｎ領域は、当該領域の圧力Ｐ、体積Ｖ、及び温度Ｔも内部パラメータとして持っている。体積Ｖは予め設定された固定値であり、温度Ｔは冷却水温と同じ一定値である。圧力Ｐは状態方程式（PV=nRT）によって計算することができる。
【００４２】
状態推定シミュレーションでは、上記の複数の状態量を用いてｎ領域におけるアノード側ガスの相対湿度、カソード側ガスの相対湿度、及び、カソード側ガス中の酸素濃度を計算する。各相対湿度は、水蒸気分圧P_H2Oと温度Ｔとから計算することができる。酸素濃度は、カソード側の全ガス成分の量（モル数）に対する酸素量n_O2_Caの比から計算することができる。
【００４３】
こうして、ｎ領域におけるアノード側ガスの相対湿度、カソード側ガスの相対湿度、カソードの圧力、カソード側ガス中の酸素濃度、アノードの液水量、及びカソードの液水量が特定されることで、現時点においてｎ領域が置かれている発電環境が特定される。状態推定シミュレーションでは、特定した発電環境を前述の発電特性マップに照合することで、ｎ領域における電流密度Ｉを特定する。そして、電流密度Ｉを前述の消費生成特性マップに照合することで、ｎ領域のカソード側での酸素消費量と水生成量、及び、アノード側での水素消費量を特定する。また、特定した発電環境を前述の水横断移動特性マップに照合することで、ｎ領域のカソード側からアノード側への水横断移動量cross_H2Oを特定する。なお、酸素消費量、水素消費量、水生成量及び水横断移動量は、何れも所定の計算刻み時間当たりの量である。
【００４４】
また、状態推定シミュレーションでは、上記の各消費生成量の計算と並行して、或いは、その計算の前後において、ｎ領域からその下流のｎ＋１領域への各成分の計算刻み時間当たりの移動量（モル数）を計算する。具体的には、図４に示すように、カソード側では、酸素移動量dn_O2_Ca、窒素移動量dn_N2_Ca、水蒸気移動量dn_gasH2O_Ca、及び移動量dn_liqH2O_Caを計算し、アノード側では、水素移動量dn_H2_An、窒素移動量dn_N2_An、水蒸気移動量dn_gasH2O_An、及び液水移動量dn_liqH2O_Anを計算する。
【００４５】
ここで留意するのは、本実施の形態の燃料電池２が採用しているカウンターフロー流路では、カソード側のｎ＋１領域とアノード側のｎ＋１領域とは表裏の関係にはないことである。ｎ−１領域についても同様である。膜電極接合体を挟んでアノード側とカソード側とが表裏の関係にあるのは、あくまでも計算の対象になっているｎ領域だけである。図４では、カソード側のガス流れとアノード側のガス流れとを同方向に描いているため、ｎ＋１領域及びｎ−１領域に関してもカソード側とアノード側とが対応しているように見えるが、実際にはカソード側のｎ＋１領域と対応するのはアノード側のｎ−１領域であり、カソード側のｎ−１領域に対応するのはアノード側のｎ＋１領域である。なお、カソード側ガスとアノード側ガスとが並行して流れるコフロー流路であるならば、カソード側のｎ＋１領域とアノード側のｎ＋１領域とは表裏の関係になる。ｎ−１領域についても同様である。コフロー流路を有する燃料電池にも本発明の適用は可能である。
【００４６】
各成分の移動量の計算では、ガス成分と液水とで異なるロジックを使用する。具体的には、図５に模式的に示すように、液水はガス成分に対してｋ倍の速度で移動するものとする。ｋは１より小さい正の値であって、例えば予め実験で求めた値を用いることができる。液水の移動速度をV_liq、ガス成分の移動速度をV_gasとすると、その関係は次の式（１）で表される。ＥＣＵ６は式（１）が示す規則を液水移動特性として記憶している。
V_liq＝ｋ×V_gas  ・・・式（１）
【００４７】
ガス移動速度V_gasは、ｎ領域とｎ＋１領域との間の圧力差から計算される。ＥＣＵ６は圧力差とガス移動速度V_gasとの関係を規定した規則をガス移動特性として記憶している。ガス移動速度V_gasはアノード側とカソード側とで別々に計算され、それに応じて液水移動速度V_liqもアノード側とカソード側とで別々に計算される。つまり、カソード側のガス移動速度V_gas_Anと個々のガス成分の量とから、カソード側の個々のガス成分の移動量が算出され、カソード側の液水移動速度V_liq_Caと液水量n_liqH2O_Caとから、カソード側の液水移動量dn_liqH2O_Caが算出される。また、アノード側のガス移動速度V_gas_Caと個々のガス成分の量とから、アノード側の個々のガス成分の移動量が算出され、アノード側の液水移動速度V_liq_Anと液水量n_liqH2O_Anとから、アノード側の液水移動量dn_liqH2O_Anが算出される。
【００４８】
なお、上記の計算で用いている液水移動ロジック（これを液水移動ロジック１とする）は、本発明の実施にあたって採りうるロジックの一例に過ぎない。この他にも、例えば図６，図７，図８の各図に模式的に示すようなロジックを採用することができる。
【００４９】
図６は、液水移動ロジック２を模式的に示した図である。液水移動ロジック２では、液水（液滴）はそれが存在する位置の前後の圧力差、すなわち、ｎ領域とｎ＋１領域との間の圧力差によって移動するものとする。この場合、液水の移動速度をV_liq、圧力差をΔＰとすると、その関係は次の式（２）で表される。係数ｋの値は、例えば予め実験で求めた値を用いることができる。液水移動ロジック２を採用する場合には、ＥＣＵ６は式（２）が示す規則を液水移動特性として記憶する。
V_liq＝ｋ×ΔＰ  ・・・式（２）
【００５０】
図７は、液水移動ロジック３を模式的に示した図である。液水移動ロジック３では、液水がガスの拡散を阻害することで局所的に圧力が上昇し、それにより液水が移動するものとする。つまり、ガスが流れにくくなると、ｎ領域の圧力Ｐｎが上昇し、その結果、液水の前後の圧力差ΔＰが大きくなって液水移動量が大きくなる、というロジックである。このロジックは、上記式（２）の圧力差ΔＰを算出する際に必要となるガス流れ量の算出に、液水によるガス拡散阻害を考慮することで実現することができる。
【００５１】
図８は、液水移動ロジック４を模式的に示した図である。液水移動ロジック４では、液水の移動量は液水の大きささ流路の形状に左右されるとする。液水の大きさを考慮するのは、それが大きいほど、前後の圧力差によって受ける推進力は大きくなるからである。また、流路の形状を考慮するのは、流路の直線部とターン部とを比較した場合、ターン部には液水が溜まりやすく直線部よりも液水が移動しにくいからである。このロジックを採る場合には、上記の式（１）或いは式（２）の係数ｋを次の式（３）に従って設定すればよい。
ｋ＝ｋ’×Ｓ×Ｎ  ・・・式（３）
【００５２】
上記式（３）のｋ’は係数の基本値であり、式（１）或いは式（２）で説明した係数ｋに相当する。Ｓは液水量、若しくはガス流れ方向の液水断面積に相当するパラメータである。液水の断面積は、液水量と撥水性パラメータ（液滴の接触角度に相当する値）とから算出することができる。液水量が大きいほど、また、撥水性パラメータが大きいほど、液水断面積は大きくなる。Ｎは流路の形状に対応するパラメータである。Ｎの値は直線部では１とし、ターン部では１より小さい値とする。図８には、ｎ−１領域がターン部であってｎ領域とｎ＋１領域は直線部である場合の係数ｋの値を示している。
【００５３】
以上はｎ領域からｎ-1領域への液水及びガス成分の移動量の計算についての説明であるが、状態推定シミュレーションでは、全ての小領域のそれぞれについて当小該領域から下流への各成分の移動量の計算が行われている。このため、ｎ領域からｎ-1領域への各物質の移動量（流出量）が算出されると同時に、上流のｎ−１領域からｎ領域への各物質の移動量（流入量）も計算されている。
【００５４】
その他にも、状態推定シミュレーションでは、膜電極接合体のカソードからアノードへ、膜電極接合体を横断して移動する窒素の量が計算される。この窒素横断移動量は、カソード側の窒素分圧とアノード側の窒素分圧との分圧差によって決まる。ＥＣＵ６には、窒素横断移動量と窒素の分圧差との関係を定めたマップ（窒素横断移動特性マップ）が記憶されている。
【００５５】
以上の一連の計算により、ｎ領域で生ずる反応ガス消費量及び水生成量、前段のｎ−１領域からｎ領域への各成分の移動量、ｎ領域から後段のｎ＋1領域への各成分の移動量、そして、ｎ領域のアノードとカソードとの間での各成分の横断移動量がそれぞれ判明する。これらの消費生成量や移動量をｎ領域の各成分の状態量に反映させることで、各成分の最新の状態量を把握することが可能となる。
【００５６】
ただし、各成分のうち水蒸気と液水に関しては、ｎ領域内の発電環境によって水蒸気から液水への凝縮が起こることや、逆に、液水から水蒸気への蒸発が起こることを考慮する必要がある。ｎ領域のカソード或いはアノード内に存在する水分を全て水蒸気と仮定したとき、そのときの相対湿度が１００％を超える場合には水蒸気の凝縮が起こり、相対湿度が１００％未満である場合には液水の蒸発が起こる。状態推定シミュレーションでは、計算刻み時間当たりの液水生成量若しくは液水蒸発量を計算し、上述の各種の消費生成量や移動量に加えて、この液水生成蒸発量も反映させた上でｎ領域の各成分の状態量を更新する。
【００５７】
液水生成蒸発量の計算には、以下に説明する液水生成蒸発速度計算ロジックが用いられる。このロジックでは、液水生成速度Vcを次の式（４）で定義する。式（４）においてｋは係数であり、σcは過飽和度である。
Vc＝ｋ×σc  ・・・式（４）
【００５８】
上記式（４）の係数ｋは、次の式（５）で定義される。式（５）においてαは水凝縮のエンタルピ変化に相当する値、βは水凝縮のエントロピ変化に相当する値、Ｔは温度、ｗは液水量、そして、θは撥水性パラメータ（液滴の接触角度に相当する値）である。
kc＝(α−Ｔ×β)×（ｗ×θ）  ・・・式（５）
【００５９】
上記式（５）に示すように、係数kcは温度因子、液水量及び撥水性因子に拠る。温度因子であるα−Ｔ×βは自由エネルギー変化量ΔＧ＝ΔＨ−Ｔ×ΔＳに対応する。水の凝縮は発熱反応なのでΔＨはマイナス値となる。また、凝縮により体積は減るのでΔＳはマイナス値となる。したがって、温度Ｔが小さいほどΔＧの値は小さくなって、水の凝縮は起こりやすいことになる。液水量と撥水性因子は、液水の表面積（液水生成面積）に対応している。撥水性が良いと液水は球状になりやすく、表面積は小さくなるため、水の凝縮は起こりにくい。逆に、撥水性が悪いと液水は平たくなりやすく、表面積は大きくなるため、水の凝縮は起こりやすい。
【００６０】
上記式（５）の過飽和度σcは、次の式（６）で定義される。%RHは水分を全て水蒸気として考えたときの相対湿度である。
σc＝%RH−100  ・・・式（６）
【００６１】
また、このロジックでは、液水蒸発速度Veを次の式（７）で定義する。式（７）においてｋは前述の式（３）で定義される係数であり、σeは未飽和度である。
Ve＝ｋ×σe  ・・・式（７）
【００６２】
前述のように、係数ｋの温度因子は自由エネルギー変化量ΔＧ＝ΔＨ−Ｔ×ΔＳに対応する。水の蒸発は発熱反応なのでΔＨはプラス値となる。また、蒸発により体積は増えるのでΔＳはプラス値となる。したがって、温度Ｔが大きいほどΔＧの値は小さくなって、水の蒸発は起こりやすいことになる。
【００６３】
上記式（７）の未飽和度σeは、次の式（８）で定義される。%RHは水分を全て水蒸気として考えたときの相対湿度である。
σc＝100−%RH  ・・・式（８）
【００６４】
状態推定シミュレーションでは、カソード側とアノード側のそれぞれについて、水分を全て水蒸気として考えたときの相対湿度が１００％を超えるか否かを判定する。そして、例えばカソード側の相対湿度が１００％を超える場合には、上記式（４）に従って液水生成速度Vcを求め、これに基づいて計算刻み時間当たりの液水生成量を計算する。そして、算出した液水生成量を水蒸気量n_gasH2O_Caから差し引き、液水量n_liqH2O_Caに加算する。一方、例えばカソード側の相対湿度が１００％未満であれば、上記式（７）に従って液水蒸発速度Veを求め、これに基づいて計算刻み時間当たりの液水蒸発量を計算する。そして、算出した液水蒸発量を液水量n_liqH2O_Caから差し引き、水蒸気量n_gasH2O_Caに加算する。ＥＣＵ６は、上記式（４）及び式（７）が示す各規則を生成蒸発特性として記憶している。
【００６５】
なお、上記式（４）及び式（７）は、液水の生成速度や蒸発速度を示す厳密式をデフォルメした式である。厳密式とは、例えば、次の式（９）に示すような気象学・降水形成数値モデリングに用いるような式である。式（９）において、Xwは液水の質量、rdは液水の半径、Dvは水蒸気分子拡散係数、dρv/drは液水表面での水蒸気密度勾配である。このような厳密式を用いて液水生成量や液水蒸発量を計算してもよい。
dXw/dt＝４×π×rd2×Dv×(dρv/dr)  ・・・式（９）
【００６６】
［膜電極接合体の面内状態の推定結果］
上述の状態推定シミュレーションによれば、分割モデルの各小領域が置かれている発電環境を常に正確に把握することができる。そして、個々の小領域における発電環境の正確な把握によって、膜電極接合体の面内の発電量分布を正確に推定することができる。
【００６７】
また、上述の状態推定シミュレーションによれば、発電環境に関する各種パラメータの値の面内分布を求めることができる。そのようなパラメータの一つである液水量は、フラッディングの指標値となる特に重要なパラメータである。図９には、上述の状態推定シミュレーションによって得られた液水量の面内分布を示している。小領域毎に液水量を求めることで、面内のどの位置に液水が溜まっているのか、その程度はどれほどのものなのか、を正確に把握することができる。
【００６８】
面内に溜まった液水は反応ガスの拡散を阻害し、膜電極接合体に異常電位を生じさせる。図１０は、小領域における液水量とその小領域に供給される水素量との関係を示す図である。液水量がある程度まで増えると、膜電極接合体の触媒層に供給される水素量、すなわち、反応に供される有効水素量は液水量の増大に応じて急激に減少していく。なお、液水量と有効水素量との関係は流路の形状によって異なる。図１０中には実線で示すのは直線部における関係であり、破線で示すのがターン部における関係である。ターン部では液水とガスが外側と内側に別れるため、同液水量での有効水素量の低下は直線部よりも小さくなる。
【００６９】
図１１は、小領域における液水量とその小領域で発生する異常電位との関係を示す図である。液水量が増大すると有効水素量が減少する結果、異常電位は液水量の増大に応じて高くなっていく。そして、液水量がある閾値（図９に示す閾値）を超えると、異常電位は膜電極接合体の損傷（例えば触媒の劣化）の目安となる閾値を超えることになる。つまり、フラッディングが生じたことになる。
【００７０】
［ＥＣＵによる燃料電池の制御フロー］
図１２は、上記の推定結果を燃料電池２の制御に反映させるためにＥＣＵ６が実行するルーチンのフローチャートである。図１２に示すルーチンは、燃料電池２の起動時に開始され、前述の計算刻み時間を１周期として繰り返し実行される。
【００７１】
図１２に示すルーチンでは、まず、状態推定シミュレーションが実行される（ステップＳ１０１）。そして、膜電極接合体の面内の液水量状態の推定結果が出力される（ステップ１０２）。次に、その推定結果に基づいてガス欠回避運転が必要か否か判定される（ステップＳ１０３）。ガス欠回避運転の必要性は、液水量が閾値を越えている小領域の有無によって判断される。図９に実線で示すように液水量が閾値を超えている小領域が一部でも存在すれば、ガス欠回避運転は必要と判断される。ガス欠回避運転とは燃料電池２の運転モードの一つであり、フラッディングによって生じるガス欠、すなわち、触媒反応に必要な反応ガスの欠乏を回避するための運転モードである。
【００７２】
ステップＳ１０３の判定の結果、ガス欠回避運転を必要としないならば、ステップＳ１０１に戻って状態推定シミュレーションが実行される。一方、ガス欠回避運転が必要と判定された場合には、燃料電池２の運転条件がガス欠回避運転のための条件に変更される。なお、ガス欠回避運転の内容は、ガス欠がカソード側で起きているのかアノード側で起きているのかによって異なっている。カソードガス欠の場合には、ガス欠回避運転として、コンプレッサの回転速度を高めてカソードストイキ比を上昇させたり、背圧調整バルブの開度を大きくしてカソード背圧を低下させたりすることが行われる。一方、アノードガス欠の場合には、ガス欠回避運転として、供給圧調整バルブの開度を大きくしてアノードストイキ比を上昇させたり、排気バルブを開いてアノード背圧を低下させたり、或いは、加湿器による空気の加湿量を低下させたりすることが行われる。
【００７３】
以上のルーチンを実行することにより、図９に破線で示すように液水量を閾値未満まで低下させ、フラッディングによるガス欠を確実に回避することが可能となる。また、特殊な運転条件での運転となるガス欠回避運転の実行は必要最小限に止められるので、最適化された運転条件での運転によって燃費を向上させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態のＦＣ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の状態推定シミュレーションで使用する、膜電極接合体（ＭＥＡ）の表面を反応ガスの流路に沿って分割した二次元モデルを示す図である。
【図３】図２に示す二次元モデルを流路に沿って展開した一次元モデルである。
【図４】図２及び図３に示す分割モデルの任意の小領域（ｎ領域）が置かれている発電環境の更新の手順について説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態において用いる液水移動ロジック１を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態において用いる液水移動ロジック２を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態において用いる液水移動ロジック３を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態において用いる液水移動ロジック４を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態の状態推定シミュレーションによって得られた液水量の面内分布を示す図である。
【図１０】図２及び図３に示す分割モデルの小領域における液水量とその小領域に供給される水素量との関係を示す図である。
【図１１】図２及び図３に示す分割モデルの小領域における液水量とその小領域で発生する異常電位との関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態の状態推定シミュレーションによる推定結果を燃料電池の制御に反映させるためにＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７５】
２  燃料電池
４  ＦＣシステム補器
６  ＥＣＵ
８  センサ
Ｉ  電流密度
Ｒ  抵抗
n_O2_Ca  酸素量
n_H2_An  水素量
n_N2_Ca，n_N2_An  窒素量
n_liqH2O_Ca，n_liqH2O_An  液水量
n_gasH2O_Ca，n_gasH2O_An  水蒸気量
dn_O2_Ca  酸素移動量
dn_H2_An  水素移動量
dn_N2_Ca，dn_N2_An  窒素移動量
dn_liqH2O_Ca，dn_liqH2O_An  液水移動量
dn_gasH2O_Ca，dn_gasH2O_An  水蒸気移動量
cross_H2O  水横断移動量
【図１】
2009211940.tif 000003
【図２】
2009211940.tif 000004
【図３】
2009211940.tif 000005
【図４】
2009211940.tif 000006
【図５】
2009211940.tif 000007
【図６】
2009211940.tif 000008
【図７】
2009211940.tif 000009
【図８】
2009211940.tif 000010
【図９】
2009211940.tif 000011
【図１０】
2009211940.tif 000012
【図１１】
2009211940.tif 000013
【図１２】
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