JP2009211940A - Fuel cell in-plane state estimation system and fuel cell in-plane state estimation method - Google Patents

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JP2009211940A JP2008053838A JP2008053838A JP2009211940A JP 2009211940 A JP2009211940 A JP 2009211940A JP 2008053838 A JP2008053838 A JP 2008053838A JP 2008053838 A JP2008053838 A JP 2008053838A JP 2009211940 A JP2009211940 A JP 2009211940A
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Masaaki Matsusue
真明 松末
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To simply accurately estimate an in-plane state of a membrane electrode assembly in a fuel cell. <P>SOLUTION: The membrane electrode assembly is virtually divided into a plurality of small regions arranged in a line along the flow of reaction gas. The current density I in each small region (n region) is calculated based on the power generation environment in each region, and the reaction gas consumption and the water generation is calculated based on the current density I. The movement of each gas component from the n region to the downstream n+1 region dn_H2_An, dn_N2_An, dn_H2O_An and the liquid water movement dn_liqH2O_An are also calculated according to each movement characteristic. Power generation environment where the n region is placed is updated based on each gas component movement and liquid water movement from an upstream n-1 region to the n region, each gas component movement and liquid water movement from the n region to a downstream n+1 region, and the reaction gas consumption and water generation in the n region. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a fuel cell in-plane state estimation system and estimation method, and more particularly to an in-plane state estimation system and estimation method for accurately estimating a current distribution in a plane of a membrane electrode assembly constituting a fuel cell. .

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。   Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2005-347016 discloses a method for easily predicting the in-plane state of a membrane electrode assembly of a fuel cell. Specifically, the above publication discloses a method of creating a model obtained by reducing the prediction of a membrane electrode assembly to be predicted to 1 / n and predicting the in-plane state using this model.

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。   In the conventional prediction method, the in-plane state of the membrane electrode assembly is predicted by an existing calculation method. Since the calculation method used here should be developed with enormous adaptation work etc., the development requires a long period of time. If the prediction calculation is performed using the 1 / n reduced model, the development time of the calculation method can be remarkably reduced as compared with the case of performing the full size prediction. In this respect, the conventional prediction method is effective as a method for easily predicting the in-plane state of the membrane electrode assembly.

特開2005−347016号公報JP 2005-347016 A

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。   However, the phenomenon that occurs in the 1 / n reduction model does not exactly match the phenomenon that occurs in a full-size membrane electrode assembly. For this reason, the conventional prediction method cannot accurately predict the in-plane state that occurs in an actual membrane electrode assembly. That is, the above conventional method leaves room for improvement in terms of prediction accuracy.

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。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an in-plane state estimation system and an estimation method that can easily and accurately estimate the in-plane state of a membrane electrode assembly of a fuel cell. The purpose is to do.

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。
In order to achieve the above object, a first invention is a system for estimating an in-plane state of a fuel cell,
A membrane electrode assembly of a fuel cell that generates power by receiving supply of a reaction gas to each of an anode and a cathode;
A power generation characteristic storage means for storing a power generation characteristic defining a relationship between a power generation amount of the membrane electrode assembly and a power generation environment;
Consumption generation characteristic storage means for storing consumption generation characteristics defining the relationship between the amount of reaction gas consumption and water generation amount of the membrane electrode assembly and the amount of power generation;
Gas movement characteristic storage means for storing movement characteristics of gas components along the flow of the reaction gas;
Liquid water movement characteristic storage means for storing liquid water movement characteristics along the flow of the reaction gas;
A small region defining means for virtually dividing the membrane electrode assembly into a plurality of small regions arranged along the flow of the reaction gas;
A power generation amount calculating means for calculating a power generation amount in each of the plurality of small regions based on the power generation characteristics based on a power generation environment in which the small region is placed;
A consumption generation amount calculating means for calculating a reaction gas consumption amount and a water generation amount in each of the plurality of small regions according to the consumption generation characteristic based on the power generation amount generated in the small region;
For each of the plurality of small areas, a gas movement amount calculating means for calculating the movement amount of each gas component from the small area to the small area located downstream of the flow of the reaction gas according to the gas movement characteristics;
For each of the plurality of small areas, a liquid water movement amount calculating means for calculating the movement amount of liquid water from the small area to the small area located downstream of the flow of the reaction gas according to the liquid water movement characteristics;
The power generation environment in which each of the plurality of small areas is placed is based on the movement amount of each gas component and the movement amount of liquid water between adjacent small areas, and the reaction gas consumption amount and the water generation amount in the small area. Power generation environment updating means for updating
It is characterized by having.

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。
The second invention is the first invention, wherein
The power generation environment updating means adds the amount of liquid water existing in each of the plurality of small regions to the amount of liquid water transferred from the small region located upstream of the flow of the reaction gas to the amount of liquid water existing in the small region. Further, the present invention is characterized in that the liquid water transfer amount to a small area located downstream of the flow of the reaction gas is updated by subtracting from the liquid water amount existing in the small area.

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。
The third invention is the second invention, wherein
Generation evaporation characteristic storage means for storing generation evaporation characteristics defining the relationship between the generation or evaporation amount of liquid water in the membrane electrode assembly and the power generation environment;
Liquid water generation evaporation amount calculating means for calculating the liquid water generation amount or liquid water evaporation amount in each of the plurality of small regions according to the generation evaporation characteristics based on the power generation environment in which the small region is placed. ,
The power generation environment updating means adds the amount of liquid water existing in each of the plurality of small regions, adds the amount of liquid water generated in the small regions to the amount of liquid water present in the small regions, or evaporates liquid water in the small regions. The quantity is updated by subtracting from the quantity of liquid water present in the small area.

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。
In addition, a fourth invention is any one of the first to third inventions,
The liquid water transfer characteristic is characterized in that the amount of liquid water transferred from each small region to a small region located downstream of the flow of the reaction gas is related to the flow rate of the gas component in the small region.

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。
The fifth invention is the invention according to any one of the first to fourth inventions,
The liquid water movement characteristic is characterized in that the movement amount of liquid water from each small region to the small region located downstream of the flow of the reaction gas is related to the pressure difference between the small regions.

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。
Further, the sixth invention is the invention according to any one of the first to fifth inventions,
The liquid water movement characteristic is characterized in that the amount of liquid water transferred from each small region to a small region located downstream of the flow of the reaction gas is related to the amount of liquid water existing in the small region.

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。
The seventh invention is the invention according to any one of the first to sixth inventions,
The liquid water movement characteristic is characterized in that the movement amount of liquid water from each small region to a small region located downstream of the flow of the reaction gas is associated with the flow path shape of the small region.

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。
Further, an eighth invention is any one of the first to seventh inventions,
Water crossing movement characteristic storage means for storing water crossing movement characteristics that define the relationship between the amount of water that moves across the membrane electrode assembly from the cathode to the anode of the membrane electrode assembly and the power generation environment;
A water crossing movement amount calculating means for calculating a water crossing movement amount in each of the plurality of small areas based on the water crossing movement characteristic based on a power generation environment in which the small area is placed;
The power generation environment update means updates the power generation environment in which each of the plurality of small areas is placed, reflecting the amount of water crossing movement in the small area.

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。
A ninth invention is a method for estimating an in-plane state of a fuel cell in order to achieve the above object,
Supplying a reactive gas to the anode and cathode of the membrane electrode assembly of the fuel cell,
A small region defining step of virtually dividing the membrane electrode assembly into a plurality of small regions arranged along the flow of the reaction gas;
Power generation amount for calculating the power generation amount in each of the plurality of small regions based on the power generation environment in which the small region is placed according to the power generation characteristics that define the relationship between the power generation amount of the membrane electrode assembly and the power generation environment A calculation step;
In accordance with the consumption generation characteristics that define the relationship between the reaction gas consumption amount and the water generation amount of the membrane electrode assembly and the power generation amount, the reaction gas consumption amount and the water generation amount in each of the plurality of small regions A consumption generation amount calculating step for calculating based on the power generation amount generated in
For each of the plurality of small areas, the amount of movement of each gas component from the small area to the small area located downstream of the flow of the reactive gas is calculated according to the movement characteristics of the gas component along the flow of the reactive gas. A gas transfer amount calculation step;
A liquid that calculates the amount of liquid water transferred from the small area to the small area located downstream of the reactive gas flow for each of the plurality of small areas in accordance with the liquid water movement characteristics along the flow of the reactive gas. A water transfer amount calculation step;
The power generation environment in which each of the plurality of small areas is placed is based on the movement amount of each gas component and the movement amount of liquid water between adjacent small areas, and the reaction gas consumption amount and the water generation amount in the small area. Power generation environment update step to be updated,
It is characterized by including.

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。
The tenth invention is the ninth invention, wherein
The power generation environment update step includes:
The amount of liquid water present in each of the plurality of small regions is added to the amount of liquid water transferred from the small region located upstream of the flow of the reaction gas to the amount of liquid water present in the small region, and the flow of the reaction gas And a step of updating by subtracting the liquid water movement amount to the small area located downstream of the liquid area from the liquid water amount existing in the small area.

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。
The eleventh aspect of the invention is the tenth aspect of the invention,
According to the generation evaporation characteristic that defines the relationship between the generation or evaporation amount of liquid water in the membrane electrode assembly and the power generation environment, the generation amount of liquid water or the evaporation amount of liquid water in each of the plurality of small regions Including a liquid water generation evaporation amount calculating step for calculating based on the power generation environment where
The power generation environment update step includes:
The amount of liquid water existing in each of the plurality of small regions is added to the amount of liquid water generated in the small region, or the amount of liquid water evaporated in the small region is present in the small region. And a step of updating by subtracting from the amount of liquid water to be performed.

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。   According to the first invention, the power generation amount in each of the virtually divided small areas can be obtained based on the power generation environment in which the small areas are placed. The power generation environment includes the amount of reaction gas and the amount of liquid water that inhibits the diffusion of reaction gas, but these amounts in each small area change due to power generation and also due to movement between adjacent small areas. Change. According to the first invention, when the amount of power generation is known, the reaction gas consumption amount and the water generation amount generated in the small region can be calculated based on the consumption generation characteristics. Further, the movement amount of the gas component between the small areas can be calculated based on the gas movement characteristic, and the movement amount of the liquid water between the small areas can be calculated based on the liquid water movement characteristic. For each small region, the amount of reaction gas consumption and water production generated in the small region, the amount of reaction gas and liquid water transferred from the previous stage to the small region, the reaction gas and liquid water transferred from the small region to the subsequent stage By knowing each quantity, it is possible to always accurately grasp the power generation environment in which each small area is placed. Therefore, according to the present invention, the in-plane power generation amount distribution in the membrane electrode assembly can be accurately estimated by accurately grasping the power generation environment in each of the plurality of small regions.

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。   According to the second invention, for each of the plurality of small areas, the balance between the liquid water movement amount from the small area located on the upstream side and the liquid water movement amount to the small area located on the downstream side is obtained. Can do. By knowing the balance of the liquid water movement amount, it becomes possible to accurately estimate the liquid water amount existing in each small area. In other words, according to the present invention, the in-plane liquid water amount distribution in the membrane electrode assembly can be accurately estimated.

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。   According to the third aspect of the invention, the generation amount of liquid water or the evaporation amount of liquid water in each small region is accurately predicted by using the generation evaporation characteristic that defines the relationship between the generation or evaporation amount of liquid water and the power generation environment. can do. If the amount of liquid water generated or the amount of liquid water evaporation can be predicted, the amount of liquid water existing in each small area can be estimated more accurately.

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。   According to the fourth invention, it is possible to accurately estimate the liquid water movement amount between the small regions by associating the liquid water movement amount from each small region with the flow velocity of the gas component in the small region.

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。   According to the fifth invention, it is possible to accurately estimate the liquid water movement amount between the small regions by associating the liquid water movement amount from each small region with the pressure difference between the small regions.

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。   According to the sixth aspect of the invention, by associating the liquid water movement amount from each small region with the liquid water amount existing in the small region, the liquid water movement between the small regions when the in-plane liquid water amount distribution is not uniform. The quantity can be estimated accurately.

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。   According to the seventh invention, the liquid water movement amount from each small region is associated with the channel shape of the small region, so that when the channel shape changes in the direction of the reaction gas flow, It is possible to accurately estimate the amount of liquid water movement.

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。   According to the eighth invention, by using the water crossing movement characteristic that defines the relationship between the water crossing movement amount from the cathode to the anode and the power generation environment, the water crossing movement amount in each small region can be accurately predicted. Can do. Since the power generation environment changes according to the amount of water moved across the membrane electrode assembly, according to the present invention, the power generation environment in which each small region is placed is predicted by predicting the amount of water crossing movement. Can be grasped more accurately.

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。   According to the ninth aspect of the present invention, the amount of reaction gas consumed and the amount of water produced in each region, the amount of reaction gas and liquid water transferred from the previous stage to the small region, the reaction gas from the small region to the subsequent stage, and Based on the movement amount of liquid water, it is possible to accurately grasp the power generation environment in which each small region is placed, thereby accurately estimating the in-plane power generation amount distribution in the membrane electrode assembly.

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。   According to the tenth invention, the in-plane liquid water amount distribution in the membrane electrode assembly can be accurately estimated.

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。   According to the eleventh aspect, the amount of liquid water existing in each small region can be estimated more accurately by predicting the amount of liquid water generated or the amount of liquid water evaporation in each small region.

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。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

[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。
[Configuration of FC system]
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the FC system according to the embodiment of this invention. The FC system shown in FIG. 1 includes a fuel cell 2. The fuel cell 2 includes a plurality of laminated membrane electrode assemblies. The membrane electrode assembly is a plate-like structure having a spread in the depth direction of the sheet of FIG. An anode and a cathode are formed inside the membrane electrode assembly with the electrolyte membrane interposed therebetween. On the anode side, there is formed a gas flow path for allowing a fuel gas containing hydrogen (in this embodiment, hydrogen gas) to flow in the plane. In addition, a gas flow path for allowing an oxidizing gas containing oxygen (in this embodiment, air) to flow in the plane is formed on the cathode side. Furthermore, each membrane electrode assembly is isolated from the adjacent membrane electrode assembly by a current collector plate having a cooling water passage formed therein. Since the configurations of the fuel cell 2 and the membrane electrode assembly are known, further description is omitted here.

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。   In the FC system, the fuel cell 2 is controlled by the ECU 6 via a plurality of FC system auxiliary devices 4. The FC system auxiliary device 4 includes a compressor that supplies air to the cathode of the fuel cell 2, a humidifier that humidifies the air, a back pressure adjusting valve disposed in an off-gas passage from the cathode, and supply of hydrogen gas to the anode Devices such as a supply pressure adjusting valve for adjusting the pressure and an exhaust valve arranged in an off gas passage from the anode are included. In the case of an FC system in which hydrogen gas is circulated, circulation equipment such as a circulation pump and an ejector is also included in the FC system auxiliary device 4.

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。   The FC system is provided with a plurality of sensors 8 for acquiring the operating state of the fuel cell 2. The sensor 8 includes a pressure gauge and a dew point meter provided in an air supply passage connected to the fuel cell 2, a pressure gauge provided in an air off-gas discharge passage, a pressure gauge and a dew point meter provided in a hydrogen supply passage, A pressure gauge provided in the hydrogen off-gas discharge passage and a thermometer arranged in the cooling water discharge passage are included.

[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。
[Estimation of in-plane state of membrane electrode assembly]
The ECU 6 acquires information on the pressure and temperature inside the fuel cell 2 from the outputs of the various sensors 8, and based on the information, the in-plane state of each membrane electrode assembly, specifically, the in-plane related to the power generation amount. The state is estimated. Hereinafter, a method for estimating the in-plane state of the membrane electrode assembly employed in the FC system of the present embodiment will be described.

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。   The ECU 6 estimates the in-plane state of the membrane electrode assembly by simulation (hereinafter referred to as state estimation simulation). A model of a membrane electrode assembly is used for the state estimation simulation. As shown in FIGS. 2 and 3, this model is obtained by virtually dividing a membrane electrode assembly (MEA) into a plurality of small regions along the flow path of the reaction gas. FIG. 2 is a two-dimensional model in which the surface of the membrane electrode assembly is divided along the flow path of the reaction gas, and FIG. 3 is a one-dimensional model in which the two-dimensional model is developed along the flow path. As shown in this one-dimensional model, the fuel cell 2 of the present embodiment has a counter flow channel in which the cathode side gas and the anode side gas flow opposite to each other with the membrane electrode assembly interposed therebetween.

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。   The membrane electrode assembly generates power at a current density corresponding to the power generation environment in the plane. “Power generation environment” is a general term for a plurality of parameters that determine the power generation state of the membrane electrode assembly among various parameters representing the in-plane state of the membrane electrode assembly. In the state estimation simulation by the ECU 6, it is assumed that the power generation environment in which each small area of the divided model shown in FIGS. 2 and 3 is placed is uniform in each small area, and the power generation environment estimation calculation is performed for each small area. Is done.

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。   The power generation environment includes the relative humidity of the anode side gas, the relative humidity of the cathode side gas, the anode pressure, the cathode pressure, the hydrogen concentration in the anode side gas, the oxygen concentration in the cathode side gas, the amount of liquid water in the anode, The amount of liquid water and the temperature of the membrane electrode assembly are included. Of these parameters, the anode pressure and the cathode pressure are approximately the same pressure. In addition, the influence of the former on the power generation state is sufficiently smaller than the influence of the latter. For this reason, in this embodiment, the influence of the anode pressure is ignored. Of the above parameters, the hydrogen concentration is almost 100% regardless of the position, and the temperature is almost the same as the cooling water temperature regardless of the position. For this reason, in this embodiment, the hydrogen concentration and temperature are also treated as constant values.

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。   Therefore, the parameters to be considered in the state estimation simulation are the relative humidity of the anode side gas, the relative humidity of the cathode side gas, the cathode pressure, the oxygen concentration in the cathode side gas, the amount of liquid water in the anode, and the amount of liquid water in the cathode. . The ECU 6 stores a map (power generation characteristic map) that defines the relationship between the power generation environment determined by these parameters and the current density. The ECU 6 also stores a map (water crossing movement characteristic map) that defines the relationship between the amount of water moving across the membrane electrode assembly from the cathode to the anode of the membrane electrode assembly and the power generation environment. Yes. Further, the ECU 6 also stores a map (consumption generation characteristic map) that defines the relationship between the current consumption and the oxygen consumption, hydrogen consumption, water generation amount and current density.

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。   If the power generation environment in which each small area is placed is specified, the current density generated in the power generation environment can be predicted by referring to the power generation characteristic map. Further, by referring to the water crossing movement characteristic map, it is possible to predict the amount of water crossing movement that occurs in the power generation environment. When the current density is specified by the power generation characteristic map, the oxygen consumption amount, the hydrogen consumption amount, and the water generation amount in the power generation environment can be predicted by referring to the consumption generation characteristic map.

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。   Oxygen consumption, hydrogen consumption, water production, and water crossing movement are all factors that affect the power generation environment. In addition to these, other factors that affect the power generation environment include each gas component and each amount of liquid water moved from a small region located upstream of the reaction gas flow, and downstream of the reaction gas flow. Each movement amount of each gas component and liquid water to a small area is included. In the state estimation simulation, the values of these factors are acquired for the individual small areas, and the power generation environment in which the individual small areas are placed is updated based on the values.

[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。
[Specific method for renewing power generation environment]
The content of the power generation environment update performed in the state estimation simulation will be specifically described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining a procedure for updating the power generation environment in which the n region is placed, taking an arbitrary small region (n region) of the division model as an example. In the state estimation simulation, each small region is divided into a cathode (Ca) side and an anode (An) side. Each small area has a state quantity (number of moles) of each component existing therein as an internal parameter. Specifically, as shown in FIG. 4, the n region has an oxygen amount n_O2_Ca, a nitrogen amount n_N2_Ca, a water vapor amount n_gasH2O_Ca, and a liquid water amount n_liqH2O_Ca as cathode state quantities, and a hydrogen amount n_H2_An as anode state quantities. , Nitrogen amount n_N2_An, water vapor amount n_gasH2O_An, and liquid water amount n_liqH2O_An.

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。   The n region also has the pressure P, volume V, and temperature T of the region as internal parameters. The volume V is a preset fixed value, and the temperature T is the same constant value as the cooling water temperature. The pressure P can be calculated by the equation of state (PV = nRT).

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。   In the state estimation simulation, the relative humidity of the anode side gas, the relative humidity of the cathode side gas, and the oxygen concentration in the cathode side gas in the n region are calculated using the plurality of state quantities. Each relative humidity can be calculated from the water vapor partial pressure P_H2O and the temperature T. The oxygen concentration can be calculated from the ratio of the oxygen amount n_O2_Ca to the amount (number of moles) of all gas components on the cathode side.

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。   Thus, by specifying the relative humidity of the anode side gas, the relative humidity of the cathode side gas, the cathode pressure, the oxygen concentration in the cathode side gas, the amount of anode liquid water, and the amount of cathode liquid water in the n region, The power generation environment in which the n region is placed is specified. In the state estimation simulation, the current density I in the n region is specified by comparing the specified power generation environment with the above-described power generation characteristic map. Then, by comparing the current density I with the above-described consumption generation characteristic map, the oxygen consumption amount and water generation amount on the cathode side in the n region and the hydrogen consumption amount on the anode side are specified. Further, the cross-H2O water crossing movement amount from the cathode side to the anode side in the n region is specified by collating the specified power generation environment with the water crossing movement characteristic map described above. Note that the oxygen consumption, hydrogen consumption, water generation amount, and water crossing movement amount are all amounts per predetermined calculation interval.

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。   In the state estimation simulation, in parallel with the above calculation of each consumption generation amount, or before and after the calculation, the movement amount (moles) of each component from the n region to the n + 1 region downstream thereof per calculation time. Number). Specifically, as shown in FIG. 4, the oxygen transfer amount dn_O2_Ca, the nitrogen transfer amount dn_N2_Ca, the water vapor transfer amount dn_gasH2O_Ca, and the transfer amount dn_liqH2O_Ca are calculated on the cathode side, and the hydrogen transfer amount dn_H2_An and nitrogen transfer are calculated on the anode side. The amount dn_N2_An, the water vapor transfer amount dn_gasH2O_An, and the liquid water transfer amount dn_liqH2O_An are calculated.

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。   It should be noted here that in the counterflow channel employed by the fuel cell 2 of the present embodiment, the n + 1 region on the cathode side and the n + 1 region on the anode side are not in a reverse relationship. The same applies to the n-1 region. It is only the n region that is the object of calculation that the anode side and the cathode side are in the relationship of front and back with the membrane electrode assembly interposed therebetween. In FIG. 4, since the gas flow on the cathode side and the gas flow on the anode side are drawn in the same direction, it seems that the cathode side and the anode side correspond to each other in the n + 1 region and the n−1 region. Actually, the n + 1 region on the anode side corresponds to the n + 1 region on the cathode side, and the n + 1 region on the anode side corresponds to the n-1 region on the cathode side. If the cathode side gas and the anode side gas flow in parallel, the n + 1 region on the cathode side and the n + 1 region on the anode side have a front / back relationship. The same applies to the n-1 region. The present invention can also be applied to a fuel cell having a coflow channel.

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)
In calculating the movement amount of each component, different logic is used for the gas component and liquid water. Specifically, as schematically shown in FIG. 5, it is assumed that the liquid water moves at a speed of k times the gas component. k is a positive value smaller than 1, and for example, a value obtained in advance by experiment can be used. When the moving speed of liquid water is V_liq and the moving speed of gas components is V_gas, the relationship is expressed by the following equation (1). The ECU 6 stores the rule indicated by the expression (1) as the liquid water transfer characteristic.
V_liq = k × V_gas (1)

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。   The gas moving speed V_gas is calculated from the pressure difference between the n region and the n + 1 region. The ECU 6 stores a rule defining the relationship between the pressure difference and the gas moving speed V_gas as a gas moving characteristic. The gas moving speed V_gas is calculated separately on the anode side and the cathode side, and the liquid water moving speed V_liq is calculated separately on the anode side and the cathode side accordingly. That is, the amount of movement of each gas component on the cathode side is calculated from the gas movement speed V_gas_An on the cathode side and the amount of each gas component, and from the liquid water movement speed V_liq_Ca and the amount of liquid water n_liqH2O_Ca on the cathode side The liquid water transfer amount dn_liqH2O_Ca is calculated. Further, the movement amount of each gas component on the anode side is calculated from the gas movement speed V_gas_Ca on the anode side and the amount of each gas component. From the liquid water movement speed V_liq_An on the anode side and the liquid water amount n_liqH2O_An, the anode side The liquid water transfer amount dn_liqH2O_An is calculated.

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。   In addition, the liquid water movement logic (this is called the liquid water movement logic 1) used by said calculation is only an example of the logic which can be taken in implementation of this invention. In addition to this, for example, logic as schematically shown in FIGS. 6, 7, and 8 can be employed.

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)
FIG. 6 is a diagram schematically showing the liquid water transfer logic 2. In the liquid water movement logic 2, the liquid water (droplet) is moved by a pressure difference before and after the position where the liquid water exists, that is, a pressure difference between the n region and the n + 1 region. In this case, when the moving speed of liquid water is V_liq and the pressure difference is ΔP, the relationship is expressed by the following equation (2). As the value of the coefficient k, for example, a value obtained in advance by experiments can be used. When the liquid water transfer logic 2 is employed, the ECU 6 stores the rule indicated by the expression (2) as the liquid water transfer characteristic.
V_liq = k × ΔP (2)

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。   FIG. 7 is a diagram schematically showing the liquid water transfer logic 3. In the liquid water transfer logic 3, it is assumed that the liquid water locally inhibits the diffusion of gas and thereby the pressure rises locally, thereby moving the liquid water. In other words, when the gas is difficult to flow, the pressure Pn in the n region increases, and as a result, the pressure difference ΔP before and after the liquid water increases and the liquid water transfer amount increases. This logic can be realized by taking into account gas diffusion inhibition by liquid water in the calculation of the gas flow amount required when calculating the pressure difference ΔP of the above equation (2).

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)
FIG. 8 is a diagram schematically showing the liquid water transfer logic 4. In the liquid water movement logic 4, it is assumed that the movement amount of liquid water depends on the size of the liquid water and the shape of the flow path. The reason for considering the size of the liquid water is that the propulsive force received by the pressure difference between the front and rear becomes larger as it is larger. The reason for considering the shape of the flow path is that when the straight part and the turn part of the flow path are compared, liquid water is likely to accumulate in the turn part and the liquid water is less likely to move than the straight part. When this logic is adopted, the coefficient k in the above equation (1) or (2) may be set according to the following equation (3).
k = k ′ × S × N (3)

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。   K ′ in the above formula (3) is a basic value of the coefficient, and corresponds to the coefficient k described in the formula (1) or the formula (2). S is a parameter corresponding to the amount of liquid water or the cross-sectional area of the liquid water in the gas flow direction. The cross-sectional area of the liquid water can be calculated from the amount of liquid water and the water repellency parameter (a value corresponding to the contact angle of the droplet). The larger the amount of liquid water and the larger the water repellency parameter, the larger the liquid-water cross-sectional area. N is a parameter corresponding to the shape of the flow path. The value of N is set to 1 in the straight part and is smaller than 1 in the turn part. FIG. 8 shows the value of the coefficient k when the n-1 region is a turn portion and the n region and the n + 1 region are straight portions.

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。   The above is an explanation of the calculation of the amount of liquid water and gas component movement from the n region to the n-1 region. However, in the state estimation simulation, each small region has its components downstream from the small region. The amount of movement is calculated. Therefore, the movement amount (outflow amount) of each substance from the n region to the n-1 region is calculated, and the movement amount (inflow amount) of each substance from the upstream n-1 region to the n region is also calculated. Has been.

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。   In addition, in the state estimation simulation, the amount of nitrogen that moves across the membrane electrode assembly from the cathode to the anode of the membrane electrode assembly is calculated. This amount of crossing nitrogen is determined by the partial pressure difference between the nitrogen partial pressure on the cathode side and the nitrogen partial pressure on the anode side. The ECU 6 stores a map (nitrogen crossing movement characteristic map) that defines the relationship between the nitrogen crossing movement amount and the partial pressure difference of nitrogen.

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。   Through the above series of calculations, the amount of reaction gas consumed and the amount of water produced in the n region, the amount of movement of each component from the preceding n-1 region to the n region, and the movement of each component from the n region to the subsequent n + 1 region The amount of each component and the amount of movement of each component between the anode and the cathode in the n region are determined. By reflecting these consumption generation amount and movement amount on the state amount of each component in the n region, it is possible to grasp the latest state amount of each component.

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。   However, regarding water vapor and liquid water among the components, it is necessary to consider that condensation from water vapor to liquid water occurs due to the power generation environment in the n region, and conversely, evaporation from liquid water to water vapor occurs. is there. Assuming that all the water present in the cathode or anode in the n region is water vapor, if the relative humidity at that time exceeds 100%, condensation of water vapor occurs, and if the relative humidity is less than 100%, Water evaporation occurs. In the state estimation simulation, the liquid water generation amount or liquid water evaporation amount per calculation step time is calculated, and in addition to the above-mentioned various consumption generation amounts and movement amounts, the liquid water generation evaporation amount is reflected and n Update the state quantity of each component in the region.

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)
The liquid water generation evaporation rate calculation logic described below is used for calculating the liquid water generation evaporation amount. In this logic, the liquid water generation rate Vc is defined by the following equation (4). In Equation (4), k is a coefficient, and σc is the degree of supersaturation.
Vc = k × σc (4)

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)
The coefficient k in the above equation (4) is defined by the following equation (5). In Equation (5), α is a value corresponding to a change in enthalpy of water condensation, β is a value corresponding to a change in entropy of water condensation, T is a temperature, w is a liquid water amount, and θ is a water repellency parameter (contact of a droplet). Value corresponding to an angle).
kc = (α−T × β) × (w × θ) (5)

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。   As shown in the above equation (5), the coefficient kc depends on the temperature factor, the amount of liquid water, and the water repellency factor. The temperature factor α−T × β corresponds to the free energy change amount ΔG = ΔH−T × ΔS. Since the condensation of water is an exothermic reaction, ΔH is a negative value. Further, since the volume is reduced by condensation, ΔS becomes a negative value. Therefore, the smaller the temperature T is, the smaller the value of ΔG is, so that water is likely to condense. The amount of liquid water and the water repellency factor correspond to the surface area (liquid water generation area) of the liquid water. If the water repellency is good, the liquid water tends to be spherical and the surface area is small, so that the water is unlikely to condense. Conversely, if the water repellency is poor, the liquid water tends to be flat and the surface area becomes large, so water condensation tends to occur.

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)
The degree of supersaturation σc in the above equation (5) is defined by the following equation (6). % RH is the relative humidity when all moisture is considered as water vapor.
σc =% RH−100 (6)

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)
In this logic, the liquid water evaporation rate Ve is defined by the following equation (7). In Equation (7), k is a coefficient defined by Equation (3) described above, and σe is the degree of unsaturation.
Ve = k × σe (7)

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。   As described above, the temperature factor of the coefficient k corresponds to the free energy change amount ΔG = ΔH−T × ΔS. Since the evaporation of water is an exothermic reaction, ΔH has a positive value. Further, since the volume increases by evaporation, ΔS becomes a positive value. Therefore, the greater the temperature T, the smaller the value of ΔG, and water evaporation tends to occur.

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)
The degree of unsaturation σe in the equation (7) is defined by the following equation (8). % RH is the relative humidity when all moisture is considered as water vapor.
σc = 100−% RH (8)

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。   In the state estimation simulation, for each of the cathode side and the anode side, it is determined whether or not the relative humidity when all the moisture is considered as water vapor exceeds 100%. For example, when the relative humidity on the cathode side exceeds 100%, the liquid water generation rate Vc is obtained according to the above equation (4), and the liquid water generation amount per calculation interval is calculated based on this. Then, the calculated liquid water generation amount is subtracted from the water vapor amount n_gasH2O_Ca and added to the liquid water amount n_liqH2O_Ca. On the other hand, for example, if the relative humidity on the cathode side is less than 100%, the liquid water evaporation rate Ve is obtained according to the above equation (7), and the liquid water evaporation amount per calculation time is calculated based on this. Then, the calculated liquid water evaporation amount is subtracted from the liquid water amount n_liqH2O_Ca and added to the water vapor amount n_gasH2O_Ca. ECU6 has memorize | stored each rule which said Formula (4) and Formula (7) shows as a production | generation evaporation characteristic.

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)
In addition, the said Formula (4) and Formula (7) are the formula which deform | transformed the exact formula which shows the production | generation rate and evaporation rate of liquid water. The exact formula is, for example, a formula used for meteorology and numerical modeling of precipitation formation as shown in the following formula (9). In Equation (9), Xw is the mass of liquid water, rd is the radius of liquid water, Dv is the water vapor molecular diffusion coefficient, and dρv / dr is the water vapor density gradient on the surface of the liquid water. You may calculate liquid water production | generation amount and liquid water evaporation amount using such exact | strict expressions.
dXw / dt = 4 × π × rd 2 × Dv × (dρv / dr) (9)

[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。
[Estimated results of in-plane state of membrane electrode assembly]
According to the state estimation simulation described above, it is possible to always accurately grasp the power generation environment in which each small area of the divided model is placed. Then, by accurately grasping the power generation environment in each small region, the power generation amount distribution in the surface of the membrane electrode assembly can be accurately estimated.

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。   Further, according to the above-described state estimation simulation, the in-plane distribution of various parameter values related to the power generation environment can be obtained. The amount of liquid water, which is one of such parameters, is a particularly important parameter that serves as an index value for flooding. FIG. 9 shows an in-plane distribution of the amount of liquid water obtained by the above-described state estimation simulation. By obtaining the amount of liquid water for each small region, it is possible to accurately grasp at which position in the surface the liquid water is accumulated and to what extent.

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。   The liquid water accumulated in the surface inhibits the diffusion of the reaction gas and generates an abnormal potential in the membrane electrode assembly. FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the amount of liquid water in a small region and the amount of hydrogen supplied to the small region. When the amount of liquid water increases to a certain extent, the amount of hydrogen supplied to the catalyst layer of the membrane electrode assembly, that is, the amount of effective hydrogen supplied to the reaction, decreases rapidly as the amount of liquid water increases. The relationship between the liquid water amount and the effective hydrogen amount varies depending on the shape of the flow path. In FIG. 10, the solid line indicates the relationship at the straight line portion, and the broken line indicates the relationship at the turn portion. Since liquid water and gas are separated into an outer side and an inner side in the turn part, the decrease in the effective hydrogen amount with the same liquid water quantity is smaller than that in the straight part.

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。   FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between the amount of liquid water in a small region and the abnormal potential generated in the small region. As the amount of liquid water increases, the amount of effective hydrogen decreases. As a result, the abnormal potential increases as the amount of liquid water increases. When the amount of liquid water exceeds a certain threshold value (threshold value shown in FIG. 9), the abnormal potential exceeds a threshold value that is a measure of damage to the membrane electrode assembly (for example, deterioration of the catalyst). That is, flooding has occurred.

[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。
[Fuel cell control flow by ECU]
FIG. 12 is a flowchart of a routine executed by the ECU 6 in order to reflect the above estimation result in the control of the fuel cell 2. The routine shown in FIG. 12 is started when the fuel cell 2 is started, and is repeatedly executed with the above-described calculation step time as one cycle.

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。   In the routine shown in FIG. 12, first, a state estimation simulation is executed (step S101). And the estimation result of the liquid water amount state in the surface of a membrane electrode assembly is output (step 102). Next, it is determined whether or not a gas shortage avoidance operation is necessary based on the estimation result (step S103). The necessity of the gas shortage avoidance operation is determined by the presence or absence of a small region where the liquid water amount exceeds the threshold value. As shown by the solid line in FIG. 9, if there is even a small area where the amount of liquid water exceeds the threshold, it is determined that the gas shortage avoidance operation is necessary. The gas shortage avoidance operation is one of the operation modes of the fuel cell 2 and is an operation mode for avoiding a gas shortage caused by flooding, that is, a shortage of reaction gas necessary for the catalytic reaction.

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。   If the result of determination in step S103 is that no out-of-gassing avoidance operation is required, processing returns to step S101 and a state estimation simulation is executed. On the other hand, when it is determined that the gas shortage avoidance operation is necessary, the operation condition of the fuel cell 2 is changed to the condition for the gas shortage avoidance operation. Note that the content of the gas shortage avoidance operation differs depending on whether the gas shortage occurs on the cathode side or the anode side. In the case of cathode gas shortage, as a gas shortage avoidance operation, it is possible to increase the cathode stoichiometric ratio by increasing the rotational speed of the compressor, or increase the opening of the back pressure adjustment valve to decrease the cathode back pressure. Done. On the other hand, in the case of lack of anode gas, as a gas shortage avoidance operation, the anode stoichiometric ratio is increased by increasing the opening of the supply pressure adjusting valve, the anode back pressure is lowered by opening the exhaust valve, or For example, the humidification amount of air by the humidifier is reduced.

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。   By executing the above routine, it is possible to reduce the amount of liquid water to below the threshold value as shown by the broken line in FIG. 9 and to reliably avoid out of gas due to flooding. In addition, since the execution of the gas shortage avoidance operation, which is an operation under special operation conditions, can be minimized, the fuel consumption can be improved by the operation under the optimized operation conditions.

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。It is a figure for demonstrating the structure of the FC system of embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the two-dimensional model which divided | segmented the surface of a membrane electrode assembly (MEA) used along the flow path of a reactive gas used in the state estimation simulation of embodiment of this invention. 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。It is the one-dimensional model which developed the two-dimensional model shown in FIG. 2 along the flow path. 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。It is a figure for demonstrating the procedure of the update of the electric power generation environment where the arbitrary small area | regions (n area | region) of the division | segmentation model shown in FIG.2 and FIG.3 are set | placed. 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。It is a figure for demonstrating the liquid water movement logic 1 used in embodiment of this invention. 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。It is a figure for demonstrating the liquid water movement logic 2 used in embodiment of this invention. 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。It is a figure for demonstrating the liquid water movement logic 3 used in embodiment of this invention. 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。It is a figure for demonstrating the liquid water movement logic 4 used in embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows in-plane distribution of the amount of liquid water obtained by the state estimation simulation of embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the relationship between the amount of liquid water in the small area | region of the division | segmentation model shown in FIG.2 and FIG.3, and the hydrogen amount supplied to the small area | region. 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。It is a figure which shows the relationship between the amount of liquid water in the small area | region of the division | segmentation model shown in FIG.2 and FIG.3, and the abnormal electric potential which generate | occur | produces in the small area | region. 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。It is a flowchart of the routine which ECU performs in order to reflect the estimation result by the state estimation simulation of embodiment of this invention in control of a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

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
2 Fuel cell 4 FC system auxiliary 6 ECU
8 Sensor I Current density R Resistance
n_O2_Ca Oxygen content
n_H2_An Hydrogen amount
n_N2_Ca, n_N2_An Nitrogen content
n_liqH2O_Ca, n_liqH2O_An Liquid water volume
n_gasH2O_Ca, n_gasH2O_An amount of water vapor
dn_O2_Ca Oxygen transfer
dn_H2_An Hydrogen transfer amount
dn_N2_Ca, dn_N2_An Nitrogen transfer
dn_liqH2O_Ca, dn_liqH2O_An Liquid water transfer amount
dn_gasH2O_Ca, dn_gasH2O_An Water vapor transfer amount
cross_H2O Cross-water travel

Claims (11)

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。
A membrane electrode assembly of a fuel cell that generates power by receiving supply of a reaction gas to each of an anode and a cathode;
A power generation characteristic storage means for storing a power generation characteristic defining a relationship between a power generation amount of the membrane electrode assembly and a power generation environment;
Consumption generation characteristic storage means for storing consumption generation characteristics defining the relationship between the amount of reaction gas consumption and water generation amount of the membrane electrode assembly and the amount of power generation;
Gas movement characteristic storage means for storing movement characteristics of gas components along the flow of the reaction gas;
Liquid water movement characteristic storage means for storing liquid water movement characteristics along the flow of the reaction gas;
A small region defining means for virtually dividing the membrane electrode assembly into a plurality of small regions arranged along the flow of the reaction gas;
A power generation amount calculating means for calculating a power generation amount in each of the plurality of small regions based on the power generation characteristics based on a power generation environment in which the small region is placed;
A consumption generation amount calculating means for calculating a reaction gas consumption amount and a water generation amount in each of the plurality of small regions according to the consumption generation characteristic based on the power generation amount generated in the small region;
For each of the plurality of small areas, a gas movement amount calculating means for calculating the movement amount of each gas component from the small area to the small area located downstream of the flow of the reaction gas according to the gas movement characteristics;
For each of the plurality of small areas, a liquid water movement amount calculating means for calculating the movement amount of liquid water from the small area to the small area located downstream of the flow of the reaction gas according to the liquid water movement characteristics;
The power generation environment in which each of the plurality of small areas is placed is based on the movement amount of each gas component and the movement amount of liquid water between adjacent small areas, and the reaction gas consumption amount and the water generation amount in the small area. Power generation environment updating means for updating
A fuel cell in-plane state estimation system comprising:
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。   The power generation environment updating means adds the amount of liquid water existing in each of the plurality of small regions to the amount of liquid water transferred from the small region located upstream of the flow of the reaction gas to the amount of liquid water existing in the small region. 2. The fuel cell in-plane according to claim 1, wherein the amount of liquid water transferred to a small area located downstream of the flow of the reaction gas is updated by subtracting from the amount of liquid water existing in the small area. State estimation system. 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。
Generation evaporation characteristic storage means for storing generation evaporation characteristics defining the relationship between the generation or evaporation amount of liquid water in the membrane electrode assembly and the power generation environment;
Liquid water generation evaporation amount calculating means for calculating the liquid water generation amount or liquid water evaporation amount in each of the plurality of small regions according to the generation evaporation characteristics based on the power generation environment in which the small region is placed. ,
The power generation environment updating means adds the amount of liquid water existing in each of the plurality of small regions, adds the amount of liquid water generated in the small regions to the amount of liquid water present in the small regions, or evaporates liquid water in the small regions. The fuel cell in-plane state estimation system according to claim 2, wherein the amount is updated by subtracting the amount from the amount of liquid water existing in the small area.
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。   The liquid water movement characteristic is characterized in that the amount of liquid water moved from each small region to a small region located downstream of the flow of the reaction gas is related to the flow rate of the gas component in the small region. Item 4. The fuel cell in-plane state estimation system according to Item 1 above. 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。   2. The liquid water movement characteristic is characterized in that a movement amount of liquid water from each small region to a small region located downstream of the flow of the reaction gas is related to a pressure difference between the small regions. 5. The fuel cell in-plane state estimation system according to 1 to 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。   The liquid water movement characteristic is characterized in that the amount of liquid water transferred from each small region to a small region located downstream of the flow of the reaction gas is related to the amount of liquid water existing in the small region. Item 6. The fuel cell in-plane state estimation system according to Item 1 above. 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。   The liquid water movement characteristic is characterized in that a movement amount of liquid water from each small region to a small region located on the downstream side of the flow of the reaction gas is associated with a flow path shape of the small region. 7. The fuel cell in-plane state estimation system according to 1 to 6. 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。
Water crossing movement characteristic storage means for storing water crossing movement characteristics that define the relationship between the amount of water that moves across the membrane electrode assembly from the cathode to the anode of the membrane electrode assembly and the power generation environment;
A water crossing movement amount calculating means for calculating a water crossing movement amount in each of the plurality of small areas based on the water crossing movement characteristic based on a power generation environment in which the small area is placed;
8. The fuel according to claim 1, wherein the power generation environment updating unit updates the power generation environment in which each of the plurality of small areas is placed, reflecting the amount of water crossing movement in the small area. Battery state estimation system.
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。
Supplying a reactive gas to the anode and cathode of the membrane electrode assembly of the fuel cell,
A small region defining step of virtually dividing the membrane electrode assembly into a plurality of small regions arranged along the flow of the reaction gas;
Power generation amount for calculating the power generation amount in each of the plurality of small regions based on the power generation environment in which the small region is placed according to the power generation characteristics that define the relationship between the power generation amount of the membrane electrode assembly and the power generation environment A calculation step;
In accordance with the consumption generation characteristics that define the relationship between the reaction gas consumption amount and the water generation amount of the membrane electrode assembly and the power generation amount, the reaction gas consumption amount and the water generation amount in each of the plurality of small regions A consumption generation amount calculating step for calculating based on the power generation amount generated in
For each of the plurality of small areas, the amount of movement of each gas component from the small area to the small area located downstream of the flow of the reactive gas is calculated according to the movement characteristics of the gas component along the flow of the reactive gas. A gas transfer amount calculation step;
A liquid that calculates the amount of liquid water transferred from the small area to the small area located downstream of the reactive gas flow for each of the plurality of small areas in accordance with the liquid water movement characteristics along the flow of the reactive gas. A water transfer amount calculation step;
The power generation environment in which each of the plurality of small areas is placed is based on the movement amount of each gas component and the movement amount of liquid water between adjacent small areas, and the reaction gas consumption amount and the water generation amount in the small area. Power generation environment update step to be updated,
A fuel cell in-plane state estimation method comprising:
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。
The power generation environment update step includes:
The amount of liquid water present in each of the plurality of small regions is added to the amount of liquid water transferred from the small region located upstream of the flow of the reaction gas to the amount of liquid water present in the small region, and the flow of the reaction gas The fuel cell in-plane state estimation method according to claim 9, further comprising a step of updating the amount of liquid water transferred to a small region located downstream of the subregion by subtracting from the amount of liquid water existing in the small region.
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。
According to the generation evaporation characteristic that defines the relationship between the generation or evaporation amount of liquid water in the membrane electrode assembly and the power generation environment, the generation amount of liquid water or the evaporation amount of liquid water in each of the plurality of small regions Including a liquid water generation evaporation amount calculating step for calculating based on the power generation environment where
The power generation environment update step includes:
The amount of liquid water existing in each of the plurality of small regions is added to the amount of liquid water generated in the small region, or the amount of liquid water evaporated in the small region is present in the small region. The fuel cell in-plane state estimation method according to claim 10, further comprising a step of updating by subtracting from the amount of liquid water to be performed.
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