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JP2009224045A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2009224045A
JP2009224045A JP2008064277A JP2008064277A JP2009224045A JP 2009224045 A JP2009224045 A JP 2009224045A JP 2008064277 A JP2008064277 A JP 2008064277A JP 2008064277 A JP2008064277 A JP 2008064277A JP 2009224045 A JP2009224045 A JP 2009224045A
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JP
Japan
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fuel cell
humidity
amount
gas flow
flow path
Prior art date
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Pending
Application number
JP2008064277A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroki Tanaka
浩己 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

【課題】この発明は、膜電極接合体を介して一方のガス流路の出口側から他方のガス流路の入口側へと移動する水の量を、調整することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池スタック10を、カウンターフロー流路を備える単位燃料電池11を積層して構成する。単位燃料電池11の面内に、冷却液通路15a、15b、15cをそれぞれ設ける。冷却液通路15a、15b、15cを、それぞれ、冷却液通路50a、50b、50cに連通させる。冷却液通路50a、50cに、それぞれ、熱交換器53、54を設ける。
【選択図】図1
The present invention provides a fuel cell system capable of adjusting the amount of water moving from the outlet side of one gas flow path to the inlet side of the other gas flow path via a membrane electrode assembly. The purpose is to do.
A fuel cell stack is formed by stacking unit fuel cells having a counter flow channel. Coolant passages 15a, 15b, and 15c are provided in the plane of the unit fuel cell 11, respectively. The coolant passages 15a, 15b, and 15c are communicated with the coolant passages 50a, 50b, and 50c, respectively. Heat exchangers 53 and 54 are provided in the coolant passages 50a and 50c, respectively.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

従来、例えば、特開2002−184428号公報に開示されているように、アノードとカソードのガスの流れを対向させた、いわゆるカウンターフロー流路を備える燃料電池が知られている。燃料電池が備える膜電極接合体(或いは電解質膜)は、適度な湿潤状態で良好な電気特性を発揮する。また、膜電極接合体の全体がより均一に潤っている状態で発電が行われることが好ましい。カウンターフロー流路によれば、燃料電池内部を循環するような水の流れを作り出し、燃料電池内部にバランスよく水を分布させることができる。これにより、上記の要求を満たすことができる。   2. Description of the Related Art Conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-184428, a fuel cell having a so-called counter flow channel in which gas flows of an anode and a cathode are opposed to each other is known. The membrane electrode assembly (or electrolyte membrane) provided in the fuel cell exhibits good electrical characteristics in a moderately wet state. Moreover, it is preferable that power generation is performed in a state where the whole membrane electrode assembly is moistened more uniformly. According to the counter flow channel, it is possible to create a flow of water that circulates inside the fuel cell and distribute the water in a well-balanced manner inside the fuel cell. Thereby, said request | requirement can be satisfy | filled.

具体的には、カウンターフロー流路によれば、膜電極接合体を介して、カソードガス流路とアノードガス流路とが、それらのガスの流れ方向が逆向きになるように向かい合う。よって、カウンターフロー流路では、カソードガス流路の入口側とアノードガス流路の出口側とが対向し、また、カソードガス流路の出口側とアノードガス流路の入口側とが対向する。   Specifically, according to the counter flow channel, the cathode gas channel and the anode gas channel face each other through the membrane electrode assembly so that the flow directions of these gases are reversed. Therefore, in the counter flow channel, the cathode gas channel inlet side and the anode gas channel outlet side face each other, and the cathode gas channel outlet side and the anode gas channel inlet side face each other.

燃料電池が発電する際には、カソードで水が生成する。カソードガス流路内のガス(カソードガス)は、この生成水を含みながら流れる。このため、カソードガス流路の出口側は相対的に湿度が高くなり、当該位置ではカソードとアノードの間の湿度差が大きくなる。カソードとアノードの間に湿度差があると、湿度の低い側へと膜電極接合体を介して水が移動する。このため、上記従来の燃料電池では、カソードガス流路の出口側からアノードのガス流路の入口側へと、膜電極接合体を介して水が積極的に移動することになる。   When the fuel cell generates electricity, water is generated at the cathode. The gas (cathode gas) in the cathode gas flow path flows while containing this generated water. For this reason, the humidity on the outlet side of the cathode gas flow path becomes relatively high, and the humidity difference between the cathode and the anode becomes large at this position. When there is a humidity difference between the cathode and the anode, water moves to the low humidity side via the membrane electrode assembly. Therefore, in the conventional fuel cell, water actively moves from the outlet side of the cathode gas passage to the inlet side of the anode gas passage through the membrane electrode assembly.

アノードガス流路の入口側へと移動してきた水は、当該位置を流れるアノードガスに持ち去られる。換言すれば、アノードガス流路の入口側へ移動してきた水により、アノードガスの加湿が行われる。加湿されたアノードガスがアノードガス流路の下流へと流れていく過程で、当該アノードガスに含まれる水分が膜電極接合体へと供給される。   The water that has moved to the inlet side of the anode gas flow path is taken away by the anode gas flowing through the position. In other words, the anode gas is humidified by the water that has moved to the inlet side of the anode gas flow path. In the process in which the humidified anode gas flows downstream of the anode gas flow path, moisture contained in the anode gas is supplied to the membrane electrode assembly.

アノードガスも同様に、アノードガス流路内の水分を含みながら流れる。従って、アノードガス流路の出口側は相対的に湿度が高くなり、当該出口側ではアノードとカソードの湿度差が大きくなる。その結果、アノードガス流路の出口側からカソードガス流路の入口側へと水が移動し、カソードガス流路の入口部分でカソードガスが加湿される。加湿されたカソードガスがカソードガス流路内を流れていく過程で、カソードガス中の水分が膜電極接合体に供給される。以上のように、カウンターフロー流路構造によれば、発電に伴う生成水を利用して膜電極接合体の加湿を効率よく行うことができる。   Similarly, the anode gas flows while containing moisture in the anode gas flow path. Therefore, the humidity on the outlet side of the anode gas channel is relatively high, and the humidity difference between the anode and the cathode is large on the outlet side. As a result, water moves from the outlet side of the anode gas channel to the inlet side of the cathode gas channel, and the cathode gas is humidified at the inlet portion of the cathode gas channel. In the process in which the humidified cathode gas flows in the cathode gas flow path, moisture in the cathode gas is supplied to the membrane electrode assembly. As described above, according to the counterflow channel structure, it is possible to efficiently humidify the membrane electrode assembly using the generated water accompanying power generation.

特開2002−184428号公報JP 2002-184428 A 特開2001−43871号公報JP 2001-43871 A 特開2001−118588号公報JP 2001-118588 A 特開平9−245809号公報JP-A-9-245809

上述したように、相対的に湿度が高いガス流路出口と相対的に湿度が低いガス流路入口とを膜電極接合体を介して対向させることにより、当該ガス流路出口から当該ガス流路入口に向かって水を移動させることができる。   As described above, the gas channel outlet from the gas channel outlet is made to face the gas channel outlet having a relatively high humidity and the gas channel inlet having a relatively low humidity through the membrane electrode assembly. Water can be moved towards the entrance.

このように膜電極接合体を介してガス流路間を移動する水の量(水移動量とも称す)を、なるべく過不足のない適切な量に近づけたいという要求がある。例えば、燃料電池が比較的乾燥しやすい環境で用いられているとすれば、上述したガス流路の出口と入口を対向させた結果得られる水移動量に加えて、更に多くの量の水を移動させたくなる状況も想定される。そこで、本願発明者は、このような要求を満たすべく鋭意研究を行った結果、水の移動量を調整することができる効果的な手法に想到した。   As described above, there is a demand to make the amount of water moving between the gas flow paths via the membrane electrode assembly (also referred to as water movement amount) as close as possible to an appropriate amount without excess or deficiency. For example, if the fuel cell is used in an environment that is relatively easy to dry, in addition to the amount of water movement obtained as a result of facing the outlet and the inlet of the gas flow path described above, a larger amount of water is used. Situations where you want to move are also assumed. Therefore, the inventors of the present application have conducted an intensive study to satisfy such a demand, and as a result, have come up with an effective method capable of adjusting the amount of water movement.

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、膜電極接合体を介して一方のガス流路の出口側から他方のガス流路の入口側へと移動する水の量を、調整することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and the amount of water that moves from the outlet side of one gas flow path to the inlet side of the other gas flow path through the membrane electrode assembly An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of adjusting the above.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
電解質膜の両側に触媒層を備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面に接して設けられた第1ガス流路と、前記膜電極接合体の他方の面に接して設けられた第2ガス流路とを有し、前記第1ガス流路の入口側部分と前記第2ガス流路の出口側部分とが前記膜電極接合体を挟んで対向している燃料電池と、
前記燃料電池の前記第1ガス流路側の面における該第1ガス流路の入口側の領域と、該燃料電池の前記第2ガス流路側の面における該第2ガス流路の出口側の領域とのうち少なくとも一方の領域に設けられ、入口を有し該燃料電池の発電中にその内部に冷媒が流れる第1冷媒通路と、
前記燃料電池における前記第1ガス流路側の面と前記第2ガス流路側の面とのうち少なくとも一方の面の中央領域に設けられ、前記第1冷媒通路の入口とは異なる入口を備えて該燃料電池の発電中にその内部に冷媒が流れる第2冷媒通路と、
前記第1、2冷媒通路のそれぞれの入口に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記第1冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度または流量を、前記第2冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度または流量とは独立に調整することができる調整機構と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
A membrane electrode assembly having a catalyst layer on both sides of the electrolyte membrane, a first gas channel provided in contact with one surface of the membrane electrode assembly, and in contact with the other surface of the membrane electrode assembly A fuel cell, wherein an inlet side portion of the first gas channel and an outlet side portion of the second gas channel are opposed to each other with the membrane electrode assembly interposed therebetween, ,
An area on the inlet side of the first gas flow path on the surface on the first gas flow path side of the fuel cell, and an area on the outlet side of the second gas flow path on the surface on the second gas flow path side of the fuel cell. A first refrigerant passage having an inlet and having a refrigerant flowing therein during power generation of the fuel cell;
The fuel cell is provided in a central region of at least one of the first gas flow path side surface and the second gas flow path side surface, and includes an inlet different from the inlet of the first refrigerant passage. A second refrigerant passage through which refrigerant flows during power generation of the fuel cell;
Refrigerant supply means for supplying refrigerant to the respective inlets of the first and second refrigerant passages;
An adjustment mechanism capable of adjusting the temperature or flow rate of the refrigerant flowing into the inlet of the first refrigerant passage independently of the temperature or flow rate of the refrigerant flowing into the inlet of the second refrigerant passage;
It is characterized by providing.

また、第2の発明は、第1の発明において、
前記第1ガス流路の前記入口側部分への水移動量が不足しているか否かを判定する不足判定手段と、
前記不足判定手段により前記水移動量が不足していると判定されたら、前記第1冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度が低下し、または/および、該冷媒の流量が増加するように、前記調整機構を制御する冷却制御手段と、
を備えることを特徴とする。
The second invention is the first invention, wherein
Shortage determination means for determining whether or not the amount of water movement to the inlet side portion of the first gas flow path is insufficient;
If it is determined by the shortage determining means that the amount of water movement is insufficient, the temperature of the refrigerant flowing into the inlet of the first refrigerant passage is decreased, and / or the flow rate of the refrigerant is increased. Cooling control means for controlling the adjusting mechanism;
It is characterized by providing.

また、第3の発明は、第2の発明において、
前記第1ガス流路の入口側部分の湿度を表す第1ガス流路入口湿度を、計測または推定により取得する入口側湿度取得手段を備え、
前記不足判定手段は、前記第1ガス流路入口湿度が所定の下限値を下回ったら、前記第1ガス流路の前記入口側部分への水移動量が不足していると判定することを特徴とする。
The third invention is the second invention, wherein
An inlet-side humidity acquisition means for acquiring, by measurement or estimation, a first gas channel inlet humidity that represents the humidity of the inlet side portion of the first gas channel;
The deficiency determining means determines that the amount of water movement to the inlet side portion of the first gas channel is insufficient when the humidity at the inlet of the first gas channel is below a predetermined lower limit value. And

また、第4の発明は、第2の発明において、
前記電解質膜を介して前記第2ガス流路の出口側部分から前記第1ガス流路の入口側部分へと向かう水移動量を取得する水移動量取得手段を備え、
前記不足判定手段は、前記水移動量取得手段が取得した水移動量が所定の下限値を下回ったら、前記第1ガス流路の前記入口側部分への水移動量が不足していると判定することを特徴とする。
Moreover, 4th invention is 2nd invention.
Water movement amount acquisition means for acquiring a water movement amount from the outlet side portion of the second gas flow path toward the inlet side portion of the first gas flow path through the electrolyte membrane;
The shortage determination means determines that the amount of water movement to the inlet side portion of the first gas channel is insufficient when the water movement amount acquired by the water movement amount acquisition means falls below a predetermined lower limit value. It is characterized by doing.

また、第5の発明は、第4の発明において、
前記水移動量取得手段は、
前記第1ガス流路の入口側部分の湿度、温度および圧力と、前記第2ガス流路の出口側部分の湿度、温度および圧力とを計測または推定により取得するガス流路環境取得手段と、
前記電解質膜の周囲の環境と、該電解質膜の前記第2ガス流路側の面から前記第1ガス流路側の面への水移動量との関係を定めた水移動特性を記憶した水移動特性記憶手段と、
前記ガス流路環境取得手段が取得した取得値を用いて、前記水移動特性に従って、水移動量を推定演算する推定演算手段と、
を含むことを特徴とする。
The fifth invention is the fourth invention, wherein
The water movement amount acquisition means is
A gas flow path environment acquisition means for measuring or estimating the humidity, temperature and pressure of the inlet side portion of the first gas flow path and the humidity, temperature and pressure of the outlet side portion of the second gas flow path;
Water movement characteristics storing water movement characteristics that define the relationship between the environment around the electrolyte membrane and the amount of water movement from the second gas flow path side surface of the electrolyte membrane to the first gas flow path side surface Storage means;
Using the acquired value acquired by the gas flow path environment acquiring unit, according to the water transfer characteristic, an estimation calculation unit that estimates and calculates a water movement amount;
It is characterized by including.

また、第6の発明は、第2乃至5のいずれかの発明において、
前記第1ガス流路の入口側部分の湿度を表す第1ガス流路入口湿度を、計測または推定により取得する入口側湿度取得手段と、
前記第2ガス流路の出口側部分の湿度を表す第2ガス流路出口湿度を、計測または推定により取得する出口側湿度取得手段と、
前記第1ガス流路入口湿度と前記第2ガス流路出口湿度の差が、所定の判定値よりも大きいか否かを判定する環境判定手段と、を備え、
前記冷却制御手段は、前記不足判定手段により前記水移動量が不足していると判定され、かつ、前記環境判定手段により前記差が前記判定値よりも大きいと判定されたら、前記調整機構を制御することを特徴とする。
The sixth invention is the invention according to any one of the second to fifth inventions,
Inlet-side humidity acquisition means for acquiring, by measurement or estimation, a first gas-channel inlet humidity representing the humidity of the inlet-side portion of the first gas channel;
Outlet side humidity obtaining means for obtaining, by measurement or estimation, a second gas passage outlet humidity representing the humidity of the outlet side portion of the second gas passage;
Environmental determination means for determining whether a difference between the first gas flow path inlet humidity and the second gas flow path outlet humidity is greater than a predetermined determination value;
The cooling control means controls the adjustment mechanism when it is determined that the amount of water movement is insufficient by the shortage determination means and the difference is determined to be greater than the determination value by the environment determination means. It is characterized by doing.

また、第7の発明は、第1乃至6のいずれかの発明において、
前記第1ガス流路の前記入口側部分への水移動量が過剰であるか否かを判定する過剰判定手段と、
前記不足判定手段により前記水移動量が過剰であると判定されたら、前記第1冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度が上昇し、または/および、該冷媒の流量が減少するように、前記調整機構を制御する昇温制御手段と、
を備えることを特徴とする。
The seventh invention is the invention according to any one of the first to sixth inventions,
Excess determination means for determining whether the amount of water movement to the inlet side portion of the first gas flow path is excessive;
If it is determined by the shortage determining means that the amount of water movement is excessive, the temperature of the refrigerant flowing into the inlet of the first refrigerant passage rises and / or the flow rate of the refrigerant decreases. A temperature rise control means for controlling the adjustment mechanism;
It is characterized by providing.

また、第8の発明は、第1乃至7のいずれかの発明において、
前記膜電極接合体は、面内における前記第1ガス流路の入口側部分と前記第2ガス流路の出口側部分とによって挟まれる特定部位が、面内における中央側の部位に比して、厚み方向に水が透過し易いことを特徴とする。
Further, an eighth invention is the invention according to any one of the first to seventh inventions,
The membrane electrode assembly has a specific portion sandwiched between an inlet side portion of the first gas flow channel and an outlet side portion of the second gas flow channel in a plane as compared to a central portion in the plane. The water is easy to permeate in the thickness direction.

また、第9の発明は、第1乃至8のいずれかの発明において、
前記膜電極接合体の面内における前記第1ガス流路の入口側部分と前記第2ガス流路の出口側部分とによって挟まれる特定部位は、該膜電極接合体の面内における中央側の部位に比して、単位面積あたりの、周囲湿度の上昇量に対する水透過量の増加量が大きいことを特徴とする。
Further, a ninth invention is the invention according to any one of the first to eighth inventions,
The specific portion sandwiched between the inlet side portion of the first gas flow path and the outlet side portion of the second gas flow path in the plane of the membrane electrode assembly is a central side in the plane of the membrane electrode assembly. Compared with a part, the increase amount of the water permeation amount with respect to the increase amount of the ambient humidity per unit area is large.

第1の発明によれば、第1冷媒通路の冷媒の温度を調整することができるので、第1、2ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域(対向領域)を流れるガスの湿度を、所望の値に変化させることができる。膜電極接合体は、周囲の湿度環境に応じて水の透過特性が変化し、周囲の湿度が高いほどより多くの水を透過させる。第1の発明によれば、必要に応じて、対向領域における膜電極接合体の水透過特性を変化させ、対向領域において膜電極接合体を介して移動する水の量を調整することができる。   According to the first invention, since the temperature of the refrigerant in the first refrigerant passage can be adjusted, the region where the inlet side portion and the outlet side portion of the first and second gas flow paths are opposed to each other (opposing region). The humidity of the gas flowing through can be changed to a desired value. In the membrane electrode assembly, the water permeation characteristics change according to the surrounding humidity environment, and the higher the surrounding humidity, the more water permeates. According to the first invention, the water permeation characteristics of the membrane electrode assembly in the facing region can be changed as necessary, and the amount of water moving through the membrane electrode assembly in the facing region can be adjusted.

第2の発明によれば、第1ガス流路の入口側部分への水移動量が不足しているか否かを判定し、その判定結果に応じて、第1、2ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域(対向領域)を低温にすることができる。これにより、必要なときに水移動量を増加させ、水移動量を好適な値に近づけることができる。   According to the second invention, it is determined whether or not the amount of water movement to the inlet side portion of the first gas channel is insufficient, and the inlet side of the first and second gas channels is determined according to the determination result. The region where the portion and the outlet side portion are located opposite to each other (opposing region) can be made low temperature. Thereby, the amount of water movement can be increased when necessary, and the amount of water movement can be made close to a suitable value.

第3の発明によれば、第1ガス流路の入口側部分の湿度を監視して、当該入口側部分の湿度が過度に低下して水移動量の増加が急務となった場合に、水移動量の増加を迅速に実行することができる。   According to the third invention, the humidity of the inlet side portion of the first gas flow path is monitored, and when the humidity of the inlet side portion is excessively reduced and an increase in the amount of water movement becomes an urgent matter, The movement amount can be increased quickly.

第4の発明によれば、水移動量そのものの情報を取得して、水移動量が不足しているか否かを精度良く判定し、燃料電池内部の水移動量を調整することができる。   According to the fourth aspect of the invention, it is possible to acquire information on the water movement amount itself, accurately determine whether or not the water movement amount is insufficient, and adjust the water movement amount inside the fuel cell.

第5の発明によれば、第1、2ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域(対向領域)の環境に関する情報(具体的には、湿度、温度、圧力)に基づいて、水移動量を推定により把握することができる。   According to the fifth invention, information (specifically, humidity, temperature, pressure) regarding the environment of the region (opposite region) where the inlet side portion and the outlet side portion of the first and second gas flow passages are opposed to each other. Based on this, it is possible to grasp the amount of water movement by estimation.

第6の発明によれば、第1ガス流路の入口側部分の湿度と第2ガス流路の出口側部分の湿度の差に基づき、水移動の促進が可能な状況にあることを確実に把握した上で、水移動量の増加のための制御を行うことができる。   According to the sixth invention, based on the difference between the humidity of the inlet side portion of the first gas flow path and the humidity of the outlet side portion of the second gas flow path, it is ensured that water movement can be promoted. After grasping, control for increasing the amount of water movement can be performed.

第7の発明によれば、水移動量が過剰であると判定されたら、第1、2ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域(対向領域)の温度を上昇させることができる。これにより、必要なとき速やかに水移動量を低減し、対向領域におけるアノードとカソードの間の水移動量を好適な値に近づけることができる。   According to the seventh invention, when it is determined that the amount of water movement is excessive, the temperature of the region (opposite region) where the inlet side portion and the outlet side portion of the first and second gas flow paths are opposed to each other is increased. Can be made. Thereby, the amount of water movement can be quickly reduced when necessary, and the amount of water movement between the anode and the cathode in the facing region can be brought close to a suitable value.

第8の発明によれば、膜電極接合体の構成の工夫により、膜電極接合体(若しくは電解質膜)を介して一方のガス流路の出口側から他方のガス流路の入口側へと移動する水の量を増やすことができる。   According to the eighth invention, the configuration of the membrane electrode assembly is devised to move from the outlet side of one gas flow path to the inlet side of the other gas flow path via the membrane electrode assembly (or electrolyte membrane). You can increase the amount of water.

第9の発明によれば、膜電極接合体の構成の工夫により、周囲の湿度の上昇幅が小さくとも、大きな水移動促進効果を得ることができる。   According to the ninth aspect of the present invention, a great effect of promoting water movement can be obtained by devising the configuration of the membrane electrode assembly even if the surrounding humidity rise is small.

実施の形態1.
[実施の形態1のシステム構成]
図1は、本発明の実施の形態1のシステムの構成を説明するための図である。図1に示すシステムは、燃料電池スタック10を備えている。燃料電池スタック10は、複数の膜電極接合体12と複数の集電板(ともに図示せず)とが、交互に積層されたものである。この集電板は、ガス流路および冷却液通路を備えており、2枚の隣り合う膜電極接合体12を隔てるセパレータとしても機能する。本実施形態では、1枚の膜電極接合体12およびこれを挟み込む1対のセパレータによって構成される構造を、1つの単位燃料電池11と考える。燃料電池スタック10は、複数の単位燃料電池11が積層されて構成されたものである。
Embodiment 1 FIG.
[System Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the system according to the first embodiment of the present invention. The system shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 10. The fuel cell stack 10 is formed by alternately laminating a plurality of membrane electrode assemblies 12 and a plurality of current collector plates (both not shown). This current collector plate is provided with a gas flow path and a coolant flow path, and functions as a separator that separates two adjacent membrane electrode assemblies 12. In the present embodiment, a structure constituted by one membrane electrode assembly 12 and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly 12 is considered as one unit fuel cell 11. The fuel cell stack 10 is configured by stacking a plurality of unit fuel cells 11.

(単位燃料電池11の構成の詳細)
単位燃料電池11の構成について、図2、3を用いて説明する。図2は、本実施形態の単位燃料電池11の積層構造を示す図である。具体的には、図2は、単位燃料電池11の1つを、積層方向に切断した場合の断面図である。図2には、膜電極接合体12およびその両面に位置するガス流路13、14(便宜上、矢印で簡略に示している)が示されている。
(Details of configuration of unit fuel cell 11)
The configuration of the unit fuel cell 11 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram showing a stacked structure of the unit fuel cell 11 of the present embodiment. Specifically, FIG. 2 is a cross-sectional view when one of the unit fuel cells 11 is cut in the stacking direction. FIG. 2 shows the membrane electrode assembly 12 and gas flow paths 13 and 14 (shown simply by arrows for convenience) located on both surfaces thereof.

膜電極接合体12は、固体高分子電解質膜12a(以下、単に電解質膜12aとも称す)の両面に、電極触媒層12b、12cが一体化されたものである。電極触媒層12bはアノードの電極触媒層として、電極触媒層12cはカソードの電極触媒層として、それぞれ形成される。さらに、膜電極接合体12の各面には、カーボンシート等で作られたガス拡散層(図示せず)が一体化されている。   The membrane electrode assembly 12 is obtained by integrating electrode catalyst layers 12b and 12c on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 12a (hereinafter also simply referred to as an electrolyte membrane 12a). The electrode catalyst layer 12b is formed as an anode electrode catalyst layer, and the electrode catalyst layer 12c is formed as a cathode electrode catalyst layer. Furthermore, a gas diffusion layer (not shown) made of a carbon sheet or the like is integrated with each surface of the membrane electrode assembly 12.

図2では図示を省略しているが、膜電極接合体12の上下の面には、それぞれ、セパレータ(図示せず)が位置する。このセパレータは、膜電極接合体12と接する側の面に、その面内に沿って延びる溝を有している。セパレータと膜電極接合体12とが積層されることにより、この溝を膜電極接合体12の表面を延びる溝状ガス流路として機能させることができる。この溝状ガス流路が、すなわち、ガス流路13、14である。以下、ガス流路13をアノードガス流路13とも称し、ガス流路14をカソードガス流路14とも称す。   Although not shown in FIG. 2, separators (not shown) are respectively located on the upper and lower surfaces of the membrane electrode assembly 12. This separator has a groove extending along the surface on the surface in contact with the membrane electrode assembly 12. By laminating the separator and the membrane electrode assembly 12, this groove can be made to function as a groove-like gas flow path extending over the surface of the membrane electrode assembly 12. This groove-like gas flow path is the gas flow paths 13 and 14. Hereinafter, the gas flow path 13 is also referred to as an anode gas flow path 13, and the gas flow path 14 is also referred to as a cathode gas flow path 14.

ガス流路13は、水素を含む燃料ガス(本実施形態では水素ガスとする)を膜電極接合体12の面内に流通させるために用いられる。また、ガス流路14は、酸素を含む酸化ガス(本実施形態では空気とする)を膜電極接合体12の面内に流通させるために用いられる。   The gas flow path 13 is used to circulate a fuel gas containing hydrogen (in this embodiment, hydrogen gas) in the plane of the membrane electrode assembly 12. The gas flow path 14 is used to circulate an oxidizing gas containing oxygen (air in this embodiment) in the plane of the membrane electrode assembly 12.

図2において各ガス流路を示す矢印は、それぞれのガス流路においてガスが流れる方向を示している。本実施形態では、図2に示すように、膜電極接合体12を挟んで、ガス流路13内の燃料ガスの流れ方向と、ガス流路14内の酸化ガスの流れ方向とが逆向きになる。このように、本実施形態における単位燃料電池11は、いわゆるカウンターフロー流路の構造を有している。   In FIG. 2, the arrows indicating the respective gas flow paths indicate the directions in which the gas flows in the respective gas flow paths. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the flow direction of the fuel gas in the gas flow path 13 and the flow direction of the oxidizing gas in the gas flow path 14 are opposite to each other with the membrane electrode assembly 12 interposed therebetween. Become. Thus, the unit fuel cell 11 in the present embodiment has a so-called counter flow channel structure.

なお、カウンターフロー流路を実現するガス流路の形状および構成は、本実施形態で述べる溝状の流路に限定されるものではない。例えば、セパレータと膜電極接合体12との間に導電性材料からなる多孔体層を設け、多孔体層内の連続する気孔によってガス流路を形成してもよい。   Note that the shape and configuration of the gas flow path realizing the counter flow flow path are not limited to the groove-shaped flow path described in the present embodiment. For example, a porous layer made of a conductive material may be provided between the separator and the membrane electrode assembly 12, and the gas flow path may be formed by continuous pores in the porous layer.

図3(a)、(b)は、単位燃料電池11の平面図である。図3(a)、(b)は、図2における矢印Aの方向(つまり、紙面上方側)から単位燃料電池11を見た様子を示している。図3(a)は、ガス流路13、14が、膜電極接合体12の面内を延びる様子を示している。図3(b)は、ガス流路13、14は省略し、膜電極接合体12の面方向に沿って伸びる冷却液通路15a、15b、15c(便宜上、矢印で示す)を示した図である。冷却液通路15a、15b、15cは、積層方向に見てガス流路13、14の外側に位置し、両者は立体的に交差している。   3A and 3B are plan views of the unit fuel cell 11. FIGS. 3A and 3B show a state in which the unit fuel cell 11 is viewed from the direction of the arrow A in FIG. 2 (that is, the upper side in the drawing). FIG. 3A shows a state in which the gas flow paths 13 and 14 extend in the plane of the membrane electrode assembly 12. FIG. 3B is a diagram showing coolant passages 15a, 15b, and 15c (shown by arrows for convenience) extending along the surface direction of the membrane electrode assembly 12 with the gas passages 13 and 14 omitted. . The coolant passages 15a, 15b, and 15c are located outside the gas passages 13 and 14 when viewed in the stacking direction, and both cross three-dimensionally.

図3(a)において、膜電極接合体12を挟んで、紙面の表側にはガス流路13が位置し(実線矢印で示す)、紙面の裏面側にガス流路14が位置している(破線矢印で示す)。正確には、図3(a)の紙面手前側にセパレータが存在し、このセパレータの紙面裏面側の面(つまり膜電極接合体12と接する面)に、溝状のガス流路13が形成されている。また、正確には、図3(a)の紙面奥側に他のセパレータが存在し、このセパレータの紙面手前側の面(つまり膜電極接合体12と接する面)に、溝状のガス流路14が形成されている。   In FIG. 3A, the gas flow path 13 is located on the front side of the sheet with the membrane electrode assembly 12 interposed therebetween (indicated by solid arrows), and the gas flow path 14 is located on the back side of the sheet ( (Indicated by dashed arrows). Precisely, a separator exists on the front side of the paper surface of FIG. 3A, and a groove-like gas flow path 13 is formed on the surface of the separator on the back surface side (that is, the surface in contact with the membrane electrode assembly 12). ing. More precisely, there is another separator on the back side of the paper surface of FIG. 3A, and a groove-like gas channel is formed on the front surface of the separator (that is, the surface in contact with the membrane electrode assembly 12). 14 is formed.

図3(a)に示すように、ガス流路13は、単位燃料電池11の面内で複数に分岐して、入口側と出口側でそれぞれ1箇所に合流している(図3(a)右下側のガス流路入口13aと、図3(a)左下側のガス流路出口13b)。また、ガス流路14についても、ガス流路13と同様に、単位燃料電池11の面内で複数に分岐しており、入口側と出口側でそれぞれ1箇所に合流している(図3(a)右下側のガス流路入口14aと、図3(a)左下側のガス流路出口14b)。   As shown in FIG. 3 (a), the gas flow path 13 branches into a plurality within the plane of the unit fuel cell 11, and merges at one place on each of the inlet side and the outlet side (FIG. 3 (a)). A gas channel inlet 13a on the lower right side and a gas channel outlet 13b on the lower left side in FIG. Similarly to the gas flow path 13, the gas flow path 14 is branched into a plurality of parts within the plane of the unit fuel cell 11, and merges at one place on each of the inlet side and the outlet side (FIG. 3 ( a) A gas flow path inlet 14a on the lower right side and a gas flow path outlet 14b on the lower left side in FIG. 3 (a).

実施の形態1では、単位燃料電池11を平面方向に見た領域を、図3(b)に示す3つの領域に区分して考える(図3中の破線で区切られた領域)。以下、この3つの領域を、図3の紙面左側から順に、A領域、B領域、C領域とも呼称する。A領域は、ちょうど、ガス流路13の出口側部分と、ガス流路14の入口側部分とが対向している領域である。B領域は、単位燃料電池11の中央の領域である。C領域は、ちょうど、ガス流路13の入口側部分と、ガス流路14の出口側部分とが対向している領域である。   In the first embodiment, the region in which the unit fuel cell 11 is viewed in the plane direction is considered to be divided into three regions shown in FIG. 3B (regions separated by broken lines in FIG. 3). Hereinafter, these three areas are also referred to as an A area, a B area, and a C area in order from the left side of FIG. The area A is an area where the outlet side portion of the gas flow channel 13 and the inlet side portion of the gas flow channel 14 face each other. The region B is a central region of the unit fuel cell 11. The region C is an area where the inlet side portion of the gas flow path 13 and the outlet side portion of the gas flow path 14 are opposed to each other.

実施の形態1では、図3(b)のように、1つの単位燃料電池11の面内に、独立した3つの冷却液通路(冷却液通路15a、15b、15c)を設ける。具体的には、本実施形態では、図3の紙面手前側および紙面裏面側に位置するセパレータのそれぞれに、その内部を貫通しながらA、B、C領域上をそれぞれ伸びる貫通穴を設ける。これらの貫通穴を、それぞれ、冷却液通路15a、15b、15cとして利用する。なお、ガス流路13、14はセパレータの両面に、冷却液通路15a、15b、15cはセパレータの内部に、それぞれ形成されることになり、両者は立体的に交差している。   In the first embodiment, as shown in FIG. 3B, three independent coolant passages (coolant passages 15a, 15b, 15c) are provided in the plane of one unit fuel cell 11. Specifically, in the present embodiment, through-holes extending in the A, B, and C regions are provided in each of the separators located on the front side and the back side in FIG. These through holes are used as the coolant passages 15a, 15b, and 15c, respectively. The gas flow paths 13 and 14 are formed on both sides of the separator, and the coolant passages 15a, 15b and 15c are formed on the inside of the separator, respectively.

各冷却液通路の入口は、セパレータの図3紙面上方側端面にそれぞれ設けられている。各冷却液通路の出口は、セパレータの図3紙面下方側端面にそれぞれ設けられている。このように、冷却液通路15aはA領域上を、冷却液通路15bはB領域上を、冷却液通路15cはC領域上を、それぞれ独立に延びており、各々の冷却液通路内の冷却液によりA、B、C領域がそれぞれ冷やされる。   The inlets of the respective coolant passages are respectively provided on the upper end surface of the separator in FIG. The outlets of the respective coolant passages are respectively provided on the lower end surface of the separator in FIG. As described above, the coolant passage 15a extends on the A region, the coolant passage 15b extends on the B region, and the coolant passage 15c extends on the C region. As a result, the A, B, and C regions are each cooled.

図3では、A、B、C領域のそれぞれへの冷却液の流れを、紙面下方に向かう矢印で示している。以下の説明では、冷却液通路15aから流れ出た冷却液の温度をtaと、冷却液通路15bから流れ出た冷却液の温度をtbと、冷却液通路15cから流れ出た冷却液の温度をtcと、それぞれ称す。   In FIG. 3, the flow of the cooling liquid to each of the A, B, and C regions is indicated by arrows directed downward in the drawing. In the following description, the temperature of the coolant flowing out of the coolant passage 15a is ta, the temperature of the coolant flowing out of the coolant passage 15b is tb, the temperature of the coolant flowing out of the coolant passage 15c is tc, Call each one.

燃料電池スタック10を構成する際には、個々の単位燃料電池11のガス流路入口13a、14a、ガス流路出口13b、14b、および冷却液通路15a、15b、15cの入口と出口が、それぞれ、流体の種類毎に別々のマニホールド(アノードガス供給マニホールド、カソードガス供給マニホールド、アノードガス排出供給マニホールド、カソードガス排出マニホールド)にまとめられる。   When the fuel cell stack 10 is configured, the gas channel inlets 13a and 14a, the gas channel outlets 13b and 14b of the individual unit fuel cells 11, and the inlets and outlets of the coolant passages 15a, 15b and 15c are respectively The fluids are grouped into separate manifolds (anode gas supply manifold, cathode gas supply manifold, anode gas discharge supply manifold, cathode gas discharge manifold) for each type of fluid.

実施の形態1では、燃料電池スタック10が、互いに独立した6つの冷却液マニホールドを備えている。図3(b)に、説明の便宜上、仮想的に、冷却液供給マニホールド18a、18b、18c、および冷却液排出マニホールド18e、18d、18fを破線で示す。これら6本の冷却液マニホールドは、単位燃料電池11の積層方向つまり図3の紙面奥行方向に延びながら、個々の単位燃料電池11の冷却液通路15a、15b、15cの入口や出口にそれぞれ接続している。   In the first embodiment, the fuel cell stack 10 includes six coolant manifolds independent of each other. In FIG. 3B, for convenience of explanation, the coolant supply manifolds 18a, 18b, and 18c and the coolant discharge manifolds 18e, 18d, and 18f are virtually shown by broken lines. These six coolant manifolds are connected to the inlets and outlets of the coolant passages 15a, 15b, and 15c of each unit fuel cell 11 while extending in the stacking direction of the unit fuel cells 11, that is, the depth direction in FIG. ing.

具体的には、個々の単位燃料電池11について、冷却液通路15aの入口と冷却液供給マニホールド18aが、冷却液通路15bの入口と冷却液供給マニホールド18bが、冷却液通路15cの入口と冷却液供給マニホールド18cが、それぞれ連通する。また、個々の単位燃料電池11について、冷却液通路15aの出口と冷却液排出マニホールド18dが、冷却液通路15bの出口と冷却液排出マニホールド18eが、冷却液通路15cの出口と冷却液排出マニホールド18fが、それぞれ連通する。   Specifically, for each unit fuel cell 11, the inlet of the coolant passage 15a and the coolant supply manifold 18a, the inlet of the coolant passage 15b and the coolant supply manifold 18b, the inlet of the coolant passage 15c and the coolant The supply manifolds 18c communicate with each other. Further, for each unit fuel cell 11, the outlet of the coolant passage 15a and the coolant discharge manifold 18d, the outlet of the coolant passage 15b and the coolant discharge manifold 18e, and the outlet of the coolant passage 15c and the coolant discharge manifold 18f are provided. However, they communicate with each other.

なお、上述した各種ガス流路及び冷却液通路を備えたセパレータは、従来の公知の技術を用いて作製することができる。例えば、金属製の平板を準備し、当該平板の両面に溝を形成してガス流路とし、当該平板の内部に、面方向に伸びる貫通穴を形成して冷却液通路としても良い。また、従来公知となっているような、面内に種々の形状の貫通穴を備える平板を複数枚(例えば3枚)積層させた、多層構造のセパレータを用いても良い。   In addition, the separator provided with the various gas flow paths and the coolant passage described above can be manufactured using a conventionally known technique. For example, a metal flat plate may be prepared, grooves may be formed on both sides of the flat plate to form a gas flow path, and a through hole extending in the surface direction may be formed inside the flat plate to form a coolant passage. Moreover, you may use the separator of the multilayered structure which laminated | stacked the flat plate which has a through-hole of various shapes in the surface as conventionally well-known (for example, 3 sheets).

また、複数の単位燃料電池を積層させて燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックにマニホールドを設けて各ガス流路および各冷却液通路を合流させる技術は、既に公知となっている。このため、ここではその詳細な説明は行わない。   In addition, a technique in which a plurality of unit fuel cells are stacked to form a fuel cell stack, a manifold is provided in the fuel cell stack, and each gas flow path and each coolant passage are merged is already known. Therefore, detailed description thereof will not be given here.

(システムの構成の詳細)
再び図1を用いて、実施の形態1のシステム構成について説明する。燃料電池スタック10には、酸化ガス供給通路17と酸化ガス排出通路16が連通している。酸化ガス供給通路17はカソードガス供給マニホールドに、酸化ガス排出通路16はカソードガス排出マニホールドに、それぞれ連通している。酸化ガス供給通路17は、コンプレッサ20に連通している。コンプレッサ20は、エアフィルタ22を通して吸入した空気を、酸化ガス供給通路17を介して燃料電池スタック10に供給することができる。
(Details of system configuration)
The system configuration of the first embodiment will be described using FIG. 1 again. An oxidant gas supply passage 17 and an oxidant gas discharge passage 16 communicate with the fuel cell stack 10. The oxidizing gas supply passage 17 communicates with the cathode gas supply manifold, and the oxidizing gas discharge passage 16 communicates with the cathode gas discharge manifold. The oxidizing gas supply passage 17 communicates with the compressor 20. The compressor 20 can supply the air sucked through the air filter 22 to the fuel cell stack 10 via the oxidizing gas supply passage 17.

酸化ガス供給通路17から燃料電池スタック10に供給された空気は、既述したカソードガス供給マニホールドを介して、積層された複数の単位燃料電池11のそれぞれが備えるガス流路13に分配される。このようにして分配された空気は、それぞれの単位燃料電池11の内部で膜電極接合体12のカソード側の面内を伝って流れた後、既述したカソードガス排出マニホールドを介して、酸化ガス排出通路16から排出される。   The air supplied from the oxidizing gas supply passage 17 to the fuel cell stack 10 is distributed to the gas flow path 13 provided in each of the stacked unit fuel cells 11 via the cathode gas supply manifold described above. The air distributed in this way flows through the inside of each unit fuel cell 11 along the surface of the membrane electrode assembly 12 on the cathode side, and then passes through the cathode gas discharge manifold described above to oxidize gas. It is discharged from the discharge passage 16.

燃料電池スタック10には、燃料ガス供給通路24及び燃料ガス排出通路26が連通している。燃料ガス供給通路24には、調整バルブ28を介して水素タンク30が連通している。この構成によれば、調整バルブ28の開度を調整することで、所望の圧力の水素ガスを燃料電池スタック10に供給することができる。   A fuel gas supply passage 24 and a fuel gas discharge passage 26 communicate with the fuel cell stack 10. A hydrogen tank 30 communicates with the fuel gas supply passage 24 via an adjustment valve 28. According to this configuration, by adjusting the opening degree of the adjustment valve 28, hydrogen gas having a desired pressure can be supplied to the fuel cell stack 10.

燃料電池スタック10に供給された水素ガスは、既述したアノードガス供給マニホールドを介して、積層された複数の単位燃料電池11のそれぞれが備えるガス流路14に分配される。アノード側に供給された水素ガスは、それぞれの単位燃料電池11の内部で膜電極接合体12のアノード側の面内を伝って流れた後、既述したアノードガス排出マニホールドを介して、燃料ガス排出通路26から排出される。   The hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 10 is distributed to the gas flow paths 14 included in each of the stacked unit fuel cells 11 via the anode gas supply manifold described above. The hydrogen gas supplied to the anode side flows along the anode side surface of the membrane electrode assembly 12 inside each unit fuel cell 11, and then passes through the anode gas discharge manifold described above. It is discharged from the discharge passage 26.

(冷却系の詳細)
燃料電池スタック10には、更に、冷却液通路50が接続されている。冷却液通路50の途中には、ラジエータ51およびポンプ52が接続されている。ポンプ52が駆動することにより、冷却液通路50内を冷却液(Long Life Coolant(LLCとも称される)などと称される)が循環する。冷却液通路50は、燃料電池スタック10の上流側で冷却液通路50a、50b、50cに分岐する。
(Details of cooling system)
A coolant passage 50 is further connected to the fuel cell stack 10. In the middle of the coolant passage 50, a radiator 51 and a pump 52 are connected. When the pump 52 is driven, a coolant (referred to as Long Life Coolant (also referred to as LLC)) circulates in the coolant passage 50. The coolant passage 50 branches into coolant passages 50 a, 50 b, 50 c on the upstream side of the fuel cell stack 10.

冷却液通路50a、50b、50cは、それぞれ、燃料電池スタック10の各冷却液マニホールドに接続する。具体的には、冷却液通路50aに関しては、冷却液通路50a上流側→冷却液供給マニホールド18a→単位燃料電池11の冷却液通路15a→冷却液排出マニホールド18d→冷却液通路50a下流側の順に、それらが連通する。よって、冷却液通路50aの上流側から流れてきた冷却液は、先ず、冷却液供給マニホールド18aから個々の単位燃料電池11の冷却液通路15aに分配され、その後、個々の単位燃料電池11のA領域上を伝って流れる。この冷却液は、その後、冷却液排出マニホールド18dにまとめられて、冷却液通路50aの下流側へと流出する。図1では、燃料電池スタック10に対する冷却液の流入および流出の様子を、紙面下方を向く矢印でも表している。   The coolant passages 50 a, 50 b and 50 c are connected to the respective coolant manifolds of the fuel cell stack 10. Specifically, regarding the coolant passage 50a, the coolant passage 50a upstream side → the coolant supply manifold 18a → the coolant passage 15a of the unit fuel cell 11 → the coolant discharge manifold 18d → the coolant passage 50a downstream side in this order. They communicate. Therefore, the coolant flowing from the upstream side of the coolant passage 50a is first distributed from the coolant supply manifold 18a to the coolant passage 15a of each unit fuel cell 11, and then the A of each unit fuel cell 11 is transferred. It flows along the area. The coolant is then collected in the coolant discharge manifold 18d and flows out downstream of the coolant passage 50a. In FIG. 1, the inflow and outflow states of the coolant with respect to the fuel cell stack 10 are also represented by arrows pointing downward in the drawing.

また、冷却液通路50b、50cに関しても、同様に、冷却液供給マニホールド18b、18cおよび冷却液排出マニホールド18e、18fにそれぞれ連通する。従って、冷却液通路50b、50cを流れる冷却液は、それぞれ冷却液供給マニホールド18b、18cから個々の単位燃料電池11の冷却液通路15b、15cに分配される。冷却液通路15b、15cにそれぞれ流入した冷却液は、各々の単位燃料電池11のB、C領域上をそれぞれ伝って流れた後、冷却液排出マニホールド18e、18fへとそれぞれ合流して、再び冷却液通路50b、50cのそれぞれへと流出する。下流側では、冷却液通路50a、50b、50cが再び合流してラジエータ51に接続する。   Similarly, the coolant passages 50b and 50c communicate with the coolant supply manifolds 18b and 18c and the coolant discharge manifolds 18e and 18f, respectively. Accordingly, the coolant flowing through the coolant passages 50b and 50c is distributed from the coolant supply manifolds 18b and 18c to the coolant passages 15b and 15c of the individual unit fuel cells 11, respectively. The coolant flowing into the coolant passages 15b and 15c flows through the B and C regions of the unit fuel cells 11, respectively, and then merges with the coolant discharge manifolds 18e and 18f to cool again. It flows out to each of the liquid passages 50b and 50c. On the downstream side, the coolant passages 50 a, 50 b, and 50 c join again and connect to the radiator 51.

以上述べたように、本実施形態では、冷却液通路50が途中で分岐して冷却液通路50a、50b、50cとなり、これら3つの冷却液通路が個々の単位燃料電池11の冷却液通路15a、15b、15cに個別に連通する。より具体的にいえば、実施の形態1においては、冷却液通路50a、50b、50cを介して上流側と下流側とで合流させることにより、個々の単位燃料電池11の冷却液通路15a、15b、15cの各々を互いに並列接続の関係にしている。本実施形態によれば、このような構成により、冷却液通路15a、15b、15cの冷却液を、互いに、温度、流量に関して独立的な関係においている。   As described above, in the present embodiment, the coolant passage 50 is branched in the middle to become the coolant passages 50a, 50b, 50c, and these three coolant passages are the coolant passages 15a, 15a, 15b of the individual unit fuel cells 11. It communicates with 15b and 15c individually. More specifically, in the first embodiment, the coolant passages 15a and 15b of the individual unit fuel cells 11 are joined by joining the upstream and downstream sides via the coolant passages 50a, 50b, and 50c. 15c are connected in parallel with each other. According to the present embodiment, with such a configuration, the coolant in the coolant passages 15a, 15b, and 15c are in an independent relationship with respect to temperature and flow rate.

実施の形態1のシステムは、冷却液通路50a、50cに、それぞれ熱交換器53、54を備えている。熱交換器53は冷却液通路50a内の冷却液の温度を、熱交換器54は冷却液通路50c内の冷却液の温度を、それぞれ独立に調整することができる。このような構成によれば、熱交換器53、54の出力を適宜調整することにより、冷却液通路50a、50c内の冷却液の温度を、冷却液通路50b内の冷却液の温度と相違させることができる。   The system of the first embodiment includes heat exchangers 53 and 54 in the coolant passages 50a and 50c, respectively. The heat exchanger 53 can independently adjust the temperature of the coolant in the coolant passage 50a, and the heat exchanger 54 can independently adjust the temperature of the coolant in the coolant passage 50c. According to such a configuration, the temperature of the coolant in the coolant passages 50a and 50c is made different from the temperature of the coolant in the coolant passage 50b by appropriately adjusting the outputs of the heat exchangers 53 and 54. be able to.

ポンプ52の流量を増加すれば、冷却液通路50内全体で冷却液の循環量も増加する。この場合には、冷却液通路50a、50b、50c全てについて、冷却液の温度を変化させることができる。従って、熱交換器53、54による冷却液温度の調整とポンプ52の流量調整とを併用すれば、冷却液通路50a、50b、50cの各通路内の冷却液の温度を、それぞれ所望の値に調整することが可能である。   If the flow rate of the pump 52 is increased, the circulation amount of the coolant in the entire coolant passage 50 is also increased. In this case, the temperature of the coolant can be changed for all the coolant passages 50a, 50b, and 50c. Therefore, if the adjustment of the coolant temperature by the heat exchangers 53 and 54 and the flow rate adjustment of the pump 52 are used in combination, the temperature of the coolant in each of the coolant passages 50a, 50b and 50c is set to a desired value. It is possible to adjust.

以上述べた本実施形態のシステムの冷却系によれば、燃料電池スタック10内の個々の単位燃料電池11の、冷却液通路15a、15b、15cを流れる冷却液の温度を、独立に調整することができる。よって、例えば、冷却液通路15a、15c内の冷却液を冷却液通路15b内の冷却液とは異なる温度にして、1つの単位燃料電池11内でA、C領域の温度とB領域の温度とを異ならしめることができる。また、冷却液通路15a、15c内の冷却液の温度を相違させて、A、C領域を異なる温度に冷却することもできる。   According to the cooling system of the system of the present embodiment described above, the temperature of the coolant flowing through the coolant passages 15a, 15b, 15c of the individual unit fuel cells 11 in the fuel cell stack 10 can be adjusted independently. Can do. Therefore, for example, the coolant in the coolant passages 15a and 15c is set to a temperature different from the coolant in the coolant passage 15b, and the temperatures of the A and C regions and the temperatures of the B regions in one unit fuel cell 11 Can be made different. Moreover, the temperature of the coolant in the coolant passages 15a and 15c can be made different to cool the regions A and C to different temperatures.

なお、通常、発電中には、単位燃料電池11内の温度は、冷却液により、面内の全域でなるべく均一化される。本実施形態でこのような状態を実現する場合は、熱交換器53、54を停止して、冷却液通路15a、15b、15c内の冷却液を同じ温度にする。これにより、面内全領域(つまりA、B、C領域全て)がほぼ均一な温度となるように、単位燃料電池11の冷却を行うことができる。   Normally, during power generation, the temperature in the unit fuel cell 11 is made as uniform as possible throughout the entire area by the coolant. When realizing such a state in the present embodiment, the heat exchangers 53 and 54 are stopped, and the coolant in the coolant passages 15a, 15b, and 15c is set to the same temperature. Accordingly, the unit fuel cell 11 can be cooled so that the entire in-plane region (that is, all of the A, B, and C regions) has a substantially uniform temperature.

(システムの計器など)
本実施形態のシステムは、図1に示すように、酸化ガス供給通路17に、圧力計36及び露点計38を備えている。また、酸化ガス排出通路16には、圧力計40が配置されている。前者の圧力計36及び露点計38によれば、単位燃料電池11のアノード側のガス流路の入口(ガス流路入口13a)における圧力及び湿度を検知することができる。後者の圧力計40によれば、単位燃料電池11のカソード側のガス流路の出口(ガス流路出口13b)における圧力を検知することができる。
(System instrument etc.)
As shown in FIG. 1, the system of the present embodiment includes a pressure gauge 36 and a dew point gauge 38 in the oxidizing gas supply passage 17. A pressure gauge 40 is disposed in the oxidizing gas discharge passage 16. According to the former pressure gauge 36 and dew point meter 38, the pressure and humidity at the inlet (gas passage inlet 13a) of the gas passage on the anode side of the unit fuel cell 11 can be detected. According to the latter pressure gauge 40, the pressure at the outlet (gas passage outlet 13b) of the gas passage on the cathode side of the unit fuel cell 11 can be detected.

本実施形態のシステムは、更に、燃料ガス供給通路24に配置された圧力計42及び露点計44、燃料ガス排出通路26に配置された圧力計46を備えている。これらの計器によれば、単位燃料電池11のアノード側入口(ガス流路入口14a)における圧力及び湿度、アノード側出口(ガス流路出口14b)における圧力を検知することができる。   The system of the present embodiment further includes a pressure gauge 42 and a dew point meter 44 disposed in the fuel gas supply passage 24, and a pressure gauge 46 disposed in the fuel gas discharge passage 26. According to these instruments, the pressure and humidity at the anode side inlet (gas channel inlet 14a) of the unit fuel cell 11 and the pressure at the anode side outlet (gas channel outlet 14b) can be detected.

また、本実施形態のシステムは、冷却液通路50a、50b、50cの下流側に、それぞれ、温度計55、56、57を備えている。温度計55、56、57は、燃料電池スタック10から冷却液通路50a、50b、50cへとそれぞれ流れ出た冷却液の温度を計測することができる。温度計55、56、57がそれぞれ示す温度は、個々の単位燃料電池11内の膜電極接合体12のA、B、C領域部分のそれぞれの温度として考えることができる。   In addition, the system of the present embodiment includes thermometers 55, 56, and 57 on the downstream side of the coolant passages 50a, 50b, and 50c, respectively. The thermometers 55, 56, and 57 can measure the temperature of the coolant that has flowed from the fuel cell stack 10 to the coolant passages 50a, 50b, and 50c, respectively. The temperatures indicated by the thermometers 55, 56, and 57 can be considered as the temperatures of the A, B, and C region portions of the membrane electrode assembly 12 in each unit fuel cell 11, respectively.

圧力計36,40,42,46、露点計38,44、及び温度計55、56、57の計測値は、ECU(Electronic Control Unit)58に供給されている。ECU58は、それらの計器の出力により、単位燃料電池11内部(言い換えれば、膜電極接合体12の周囲)の圧力及び温度に関する環境を検知することができる。なお、ECU58は、既述した調整バルブ28、コンプレッサ20、ポンプ52、熱交換器53、54に接続され、各構成の開度や出力を変更可能とされる。   The measured values of the pressure gauges 36, 40, 42, 46, the dew point meters 38, 44, and the thermometers 55, 56, 57 are supplied to an ECU (Electronic Control Unit) 58. The ECU 58 can detect the environment related to the pressure and temperature inside the unit fuel cell 11 (in other words, around the membrane electrode assembly 12) based on the outputs of these instruments. The ECU 58 is connected to the adjustment valve 28, the compressor 20, the pump 52, and the heat exchangers 53 and 54 described above, and the opening degree and output of each component can be changed.

(燃料電池面内状態推定のルーチン)
本実施形態では、ECU58が、単位燃料電池11の内部の状態を推定することができる推定ルーチンを記憶している。この推定ルーチンによれば、上記の各計器の出力に基づいて、単位燃料電池11の内部の発電状態や発電環境を正確に予測することができる。
(Fuel cell in-plane condition estimation routine)
In the present embodiment, the ECU 58 stores an estimation routine that can estimate the internal state of the unit fuel cell 11. According to this estimation routine, the power generation state and power generation environment inside the unit fuel cell 11 can be accurately predicted based on the output of each meter.

実施の形態1では、この推定ルーチンを、特願2007−138333号に記載の推定方法を用いて実現する。特願2007−138333号の推定方法によれば、燃料電池(膜電極接合体)のガス流路の入口の環境(ガスの湿度、圧力、濃度など)や膜電極接合体の温度を特定することができれば、膜電極接合体の面内の全域にわたって発電環境や発電状態を特定することができる。   In the first embodiment, this estimation routine is realized by using the estimation method described in Japanese Patent Application No. 2007-138333. According to the estimation method of Japanese Patent Application No. 2007-138333, the environment (gas humidity, pressure, concentration, etc.) of the gas channel inlet of the fuel cell (membrane electrode assembly) and the temperature of the membrane electrode assembly are specified. If it is possible, the power generation environment and the power generation state can be specified over the entire area within the surface of the membrane electrode assembly.

実施の形態1のシステムにおいても、上記説明した各種計器の計測値を用いて、特願2007−138333号と同様にガス流路の入口の環境を特定することができる。また、温度計55、56、57が示す計測値によれば、膜電極接合体12の温度をその面内の全域にわたって把握することができる。このように、実施の形態1のシステムによれば、特願2007−138333号に記載の推定方法に必要な情報を全て取得可能とされているので、特願2007−138333号と同様の手法によって燃料電池面内状態の推定を行うことができる。   Also in the system of the first embodiment, the environment at the entrance of the gas flow path can be specified using the measured values of the various instruments described above, as in Japanese Patent Application No. 2007-138333. Moreover, according to the measured value which the thermometers 55, 56, and 57 show, the temperature of the membrane electrode assembly 12 can be grasped over the whole area in the surface. As described above, according to the system of the first embodiment, all the information necessary for the estimation method described in Japanese Patent Application No. 2007-138333 can be acquired. The in-plane state of the fuel cell can be estimated.

図4は、上記推定ルーチンにより得られる単位燃料電池11内の湿度分布の推定結果を表す図である。図4では、ガス流れ方向に沿う、アノードを流れるガスの湿度の推定値の分布と、カソードを流れるガスの湿度の推定値の分布とを、それぞれ図示している。図4中のA、B、Cで区分した領域は、それぞれ、単位燃料電池11のA、B、C領域にあたる。以下の説明では、ECU58の推定ルーチンによって推定された湿度の分布を、「推定湿度分布」とも称す。   FIG. 4 is a diagram showing the estimation result of the humidity distribution in the unit fuel cell 11 obtained by the estimation routine. In FIG. 4, the distribution of the estimated value of the humidity of the gas flowing through the anode and the distribution of the estimated value of the humidity of the gas flowing through the cathode along the gas flow direction are respectively illustrated. Regions divided by A, B, and C in FIG. 4 correspond to regions A, B, and C of the unit fuel cell 11, respectively. In the following description, the humidity distribution estimated by the estimation routine of the ECU 58 is also referred to as “estimated humidity distribution”.

なお、本明細書の末尾に、特願2007−138333号の推定方法の内容を記載しておく。   In addition, the content of the estimation method of Japanese Patent Application No. 2007-138333 is described at the end of this specification.

[実施の形態1のシステムの水移動量調整機能]
以下、図1乃至4を参照しながら、実施の形態1のシステムの水移動量調整機能について説明する。先ず、図2を用いて、単位燃料電池11内部における水の流れ及び湿潤環境について説明する。続いて、本実施形態のシステムにおける水移動量調整機能について説明する。
[Water movement amount adjustment function of system of Embodiment 1]
Hereinafter, the water movement amount adjustment function of the system according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. First, the flow of water and the wet environment inside the unit fuel cell 11 will be described with reference to FIG. Then, the water movement amount adjustment function in the system of this embodiment is demonstrated.

図2において、膜電極接合体12の内部に記載した矢印は、単位燃料電池11内部の水の動きの概要を示している。単位燃料電池11の発電時には、カソードの電極触媒層12cで水が生成する。カソードのガス流路14内のガスはこの生成水を含みながら流れるため、カソードガス流路14内は下流側ほど湿度が高くなる。その結果、カソードのガス流路14の出口側の部分は、特に湿度が高くなる。   In FIG. 2, the arrows described inside the membrane electrode assembly 12 indicate the outline of the movement of water inside the unit fuel cell 11. During power generation by the unit fuel cell 11, water is generated in the cathode electrode catalyst layer 12c. Since the gas in the cathode gas flow path 14 flows while containing this generated water, the humidity in the cathode gas flow path 14 becomes higher toward the downstream side. As a result, the portion on the outlet side of the cathode gas flow path 14 is particularly humid.

従って、カソードのガス流路14の出口側の部分ではカソードとアノードの間の湿度差が大きくなり、膜電極接合体12を介して、カソードガス流路14の出口側からアノードガス流路13の入口側へと、水が移動することになる。以下の説明では、便宜上、この水の移動を図2に矢印f2で示すとともに、矢印f2に沿う水の移動量を水移動量f2と称すこととする。なお、図2で電解質膜12a中に示す紙面右方を向く矢印は、ガスにより搬送される水分の移動を便宜的に表現したものである。   Therefore, the humidity difference between the cathode and the anode becomes large at the outlet side portion of the cathode gas flow path 14, and the anode gas flow path 13 is connected from the outlet side of the cathode gas flow path 14 through the membrane electrode assembly 12. Water will move to the entrance side. In the following description, for the sake of convenience, this movement of water is indicated by an arrow f2 in FIG. 2 and the movement amount of water along the arrow f2 is referred to as a water movement amount f2. In FIG. 2, the arrow pointing to the right side of the drawing shown in the electrolyte membrane 12a expresses the movement of moisture carried by the gas for convenience.

ガス流路13の入口側へと移動した水は、ガス流路13に流れ込んでくる水素ガスに含まれて(換言すれば、水素ガスを加湿して)、ガス流路13内の下流側に向かって搬送される。水素ガス中の水分は、ガス流路13内を流れる過程で、アノード側から、膜電極接合体12の加湿に寄与する。なお、図2で電解質膜12a内に示す紙面左方を向く矢印は、水素ガスにより搬送される水分の移動を表現したものである。   The water that has moved to the inlet side of the gas flow path 13 is contained in the hydrogen gas flowing into the gas flow path 13 (in other words, humidifying the hydrogen gas), and is moved downstream in the gas flow path 13. It is conveyed toward. Moisture in the hydrogen gas contributes to humidification of the membrane electrode assembly 12 from the anode side in the process of flowing in the gas flow path 13. In FIG. 2, the arrow pointing to the left side of the drawing in the electrolyte membrane 12a represents the movement of moisture transported by hydrogen gas.

一方、アノードガス流路13の出口側とカソードガス流路14の入口側についても、同様のことがいえる。すなわち、カソードガス流路14の入口の空気は比較的乾いているのに対し、アノードガス流路13の出口は湿度が高い状態にある。従って、当該位置でもカソードとアノードの間の湿度差が生じ、アノードガス流路13の出口側からカソードガス流路14の入口側へと、膜電極接合体12を介して、水が移動する。以下の説明では、便宜上、この水の移動を図2に矢印f1で示すとともに、矢印f1に沿う水の移動量を、水移動量f1と称すこととする。   On the other hand, the same can be said for the outlet side of the anode gas channel 13 and the inlet side of the cathode gas channel 14. That is, the air at the inlet of the cathode gas channel 14 is relatively dry, whereas the outlet of the anode gas channel 13 is in a high humidity state. Accordingly, a humidity difference between the cathode and the anode is generated even at this position, and water moves from the outlet side of the anode gas flow path 13 to the inlet side of the cathode gas flow path 14 via the membrane electrode assembly 12. In the following description, for the sake of convenience, this movement of water is indicated by an arrow f1 in FIG. 2, and the movement amount of water along the arrow f1 is referred to as a water movement amount f1.

以上説明したように、本実施形態の単位燃料電池11では、カウンターフロー流路を用いることにより、アノードガス流路13とカソードガス流路14との間における、矢印f1、f2に示すような水の移動を促している。これにより、単位燃料電池11内部を循環するような水の流れを作り出すことができる。   As described above, in the unit fuel cell 11 of the present embodiment, water as indicated by the arrows f1 and f2 between the anode gas channel 13 and the cathode gas channel 14 is obtained by using the counterflow channel. Urged to move. Thereby, the flow of water that circulates inside the unit fuel cell 11 can be created.

次に、本実施形態における水移動量f1、f2の調整手法について述べる。水移動量f1、f2を決める要因には、アノードとカソードとの間の湿度差の大小に加え、膜電極接合体12の周囲の湿度が全体的に高いか低いかという事項も含まれる。膜電極接合体を形成する材料である電解質が、周囲の湿度の高低に応じて水の透過特性が変化するという性質を有しているからである。   Next, a method for adjusting the water movement amounts f1 and f2 in the present embodiment will be described. Factors that determine the amount of water movement f1 and f2 include whether the humidity around the membrane electrode assembly 12 is generally high or low, in addition to the magnitude of the humidity difference between the anode and the cathode. This is because the electrolyte, which is a material forming the membrane electrode assembly, has the property that the water permeation characteristics change according to the surrounding humidity.

電解質の水透過特性は、周囲の湿度が高くなるほど水を透過し易く、逆に、周囲の湿度が低いほど水を透過し難くなるように変化する。そこで実施の形態1では、この特性を利用して、以下のように水移動量f1、f2の調整を行う。   The water permeation characteristic of the electrolyte changes so that the higher the ambient humidity is, the easier it is to permeate water, and conversely, the lower the ambient humidity is, the more difficult it is to permeate water. Therefore, in the first embodiment, the water movement amounts f1 and f2 are adjusted as follows using this characteristic.

システム構成の説明で述べたとおり、実施の形態1のシステムでは、単位燃料電池11が3つの冷却液通路(冷却液通路15a、15b、15c)を備えている。そして、熱交換器53、54やポンプ52を制御することにより、これら3つの冷却液通路内の冷却液を、それぞれ所望の温度に調整することができる。   As described in the description of the system configuration, in the system according to the first embodiment, the unit fuel cell 11 includes three coolant passages (coolant passages 15a, 15b, and 15c). Then, by controlling the heat exchangers 53 and 54 and the pump 52, the coolants in these three coolant passages can be adjusted to desired temperatures, respectively.

水移動量f1を増加させたい場合には、熱交換器53を操作して冷却液通路50aを流れる冷却液の温度を低下させる。その結果、個々の単位燃料電池11の冷却液通路15aを流れる冷却液の温度が低下し、単位燃料電池11のA領域、すなわち、アノードガス流路13の出口側とカソードガス流路14の入口側とが対向している領域の温度が低下する。   In order to increase the water movement amount f1, the heat exchanger 53 is operated to lower the temperature of the coolant flowing through the coolant passage 50a. As a result, the temperature of the coolant flowing through the coolant passage 15a of each unit fuel cell 11 decreases, and the region A of the unit fuel cell 11, that is, the outlet side of the anode gas channel 13 and the inlet of the cathode gas channel 14 The temperature of the region facing the side decreases.

A領域上を流れる冷却液の温度を低下させると、これに応じて、アノードガス流路13の出口側とカソードガス流路14の入口側のガスの相対湿度が上昇する。膜電極接合体12のA領域部分の周囲の湿度が上昇すれば、当該部分の水透過特性が変化してより水を透過し易くなる。その結果、アノードガス流路13の出口側からカソードガス流路14の入口側へと向かう水の移動量(つまり水移動量f1)を増加させることができる。   When the temperature of the coolant flowing on the region A is lowered, the relative humidity of the gas on the outlet side of the anode gas channel 13 and the inlet side of the cathode gas channel 14 increases accordingly. If the humidity around the region A of the membrane electrode assembly 12 increases, the water permeation characteristics of the portion change and the water is more easily transmitted. As a result, the amount of water moving from the outlet side of the anode gas channel 13 to the inlet side of the cathode gas channel 14 (that is, the water moving amount f1) can be increased.

水移動量f2の調整についても、同様に、熱交換器54を操作することによりC領域上の冷却液の温度を変化させて行うことができる。なお、熱交換器53を操作して冷却液通路50aを流れる冷却液の温度を上昇させれば、上記の水移動量増加とは逆に、水移動量f1を低減することもできる。水移動量f2の低減についても同様に行うことが可能である。   Similarly, the water movement amount f2 can be adjusted by operating the heat exchanger 54 to change the temperature of the coolant on the region C. If the temperature of the coolant flowing through the coolant passage 50a is increased by operating the heat exchanger 53, the water transfer amount f1 can be reduced contrary to the increase in the water transfer amount. The water movement amount f2 can be similarly reduced.

以上説明したように、実施の形態1によれば、冷却液通路15a、15cの冷却液の温度を調整することにより、ガス流路13、14の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域(A、C領域)のガスの湿度を、所望の値に変化させることができる。その結果、必要に応じて、A、C領域における膜電極接合体の水透過特性を変化させ、水移動量f1、f2を調整することができる。   As described above, according to the first embodiment, by adjusting the temperature of the coolant in the coolant passages 15a and 15c, the inlet side portion and the outlet side portion of the gas flow passages 13 and 14 are opposed to each other. The humidity of the gas in the areas (A and C areas) to be changed can be changed to a desired value. As a result, the water transfer amounts f1 and f2 can be adjusted by changing the water permeation characteristics of the membrane electrode assembly in the A and C regions as necessary.

なお、本実施形態では、水移動量f1、f2に係る、単位燃料電池11のA、C領域側部分のみについて、局所的に温度制御を行うこととしている。このような技術によれば、次のような効果も得られる。   In the present embodiment, temperature control is locally performed only on the A and C region side portions of the unit fuel cell 11 related to the water movement amounts f1 and f2. According to such a technique, the following effects can also be obtained.

燃料電池の発電性能に影響を及ぼす要素の一つに、発電時における燃料電池内部の温度がある。燃料電池内の温度が低下すると、電極触媒層中の触媒の活性が低くなるからである。この点、実施の形態1によれば、A、C領域の温度調整を、中央側のB領域とは独立に行うことができる。従って、B領域では通常の温度状態で発電を行い、A、C領域では水移動量f1、f2の調整のために低温状態或いは高温状態で発電を行うということが可能になる。その結果、単位燃料電池11の通常時の発電性能をできるだけ維持しつつ、水移動量f1、f2を調整することができる。   One factor affecting the power generation performance of a fuel cell is the temperature inside the fuel cell during power generation. This is because when the temperature in the fuel cell decreases, the activity of the catalyst in the electrode catalyst layer decreases. In this regard, according to the first embodiment, the temperature adjustment of the A and C regions can be performed independently of the central B region. Therefore, it is possible to perform power generation in a normal temperature state in the B region and to generate power in a low temperature state or a high temperature state in the A and C regions in order to adjust the water movement amounts f1 and f2. As a result, the water movement amounts f1 and f2 can be adjusted while maintaining the normal power generation performance of the unit fuel cell 11 as much as possible.

[実施の形態1のシステムの動作]
以下、実施の形態1のシステムの動作について説明する。本実施形態のシステムの動作は、水移動量の不足を判定し、この判定結果に応じて上述した水移動量調整機能を活用する点に特徴を有している。
[Operation of System of First Embodiment]
The operation of the system according to the first embodiment will be described below. The operation of the system according to the present embodiment is characterized in that the lack of water movement amount is determined and the above-described water movement amount adjustment function is utilized according to the determination result.

実施の形態1では、アノードガス流路13の入口側の湿度、および、カソードガス流路14の入口側の湿度に着目して、水移動量の不足の判定を行う。実施の形態1のシステムは、ECU58が記憶する推定ルーチンにより、図4に示すような、単位燃料電池11内の各ガス流路の湿度分布を推定することができる。この湿度分布を参照すれば、アノードガス流路13の入口または出口の付近の湿度の値や、カソードガス流路14の入口または出口の付近の湿度の推定値を取得できる。実施の形態1では、これらの推定値を利用する。   In Embodiment 1, paying attention to the humidity on the inlet side of the anode gas flow path 13 and the humidity on the inlet side of the cathode gas flow path 14, it is determined whether the amount of water movement is insufficient. The system of Embodiment 1 can estimate the humidity distribution of each gas flow path in the unit fuel cell 11 as shown in FIG. 4 by the estimation routine stored in the ECU 58. By referring to this humidity distribution, the humidity value near the inlet or outlet of the anode gas channel 13 and the estimated value of humidity near the inlet or outlet of the cathode gas channel 14 can be obtained. In the first embodiment, these estimated values are used.

また、本実施形態では、実験或いはシミュレーションなどを用いて、予め、アノードガス流路13の入口側の湿度の許容範囲を決定しておく。この許容範囲は、例えば、単位燃料電池11が良好な発電特性を示しうるようなアノードガス流路13の入口側の湿度範囲とすることができる。同様に、カソードガス流路14の入口側の湿度の許容範囲も決定しておく。なお、この湿度範囲は種々の観点から決定することができ、例えば、膜電極接合体12が良好な湿潤状態にあると判断できる湿度範囲や、膜電極接合体12の電気的特性)が許容可能な範囲にあると判断できる湿度範囲などとしても良い。   In the present embodiment, the allowable range of the humidity on the inlet side of the anode gas flow path 13 is determined in advance using experiments or simulations. This permissible range can be, for example, a humidity range on the inlet side of the anode gas passage 13 such that the unit fuel cell 11 can exhibit good power generation characteristics. Similarly, the allowable humidity range on the inlet side of the cathode gas channel 14 is also determined. The humidity range can be determined from various points of view. For example, the humidity range in which the membrane / electrode assembly 12 can be determined to be in a good wet state and the electrical characteristics of the membrane / electrode assembly 12 are acceptable. It is good also as a humidity range etc. which can be judged that it exists in a range.

「アノードガス流路13の入口側の湿度が湿度許容範囲の下限(以下、単に下限値とも称す)より低くなっている状況」は、言い換えれば、「アノードガス流路13の入口側の湿度を所望の湿潤状態に保つには水移動量f2が十分でない状況」ということができる。矢印f2に沿って水が潤沢に供給されていれば(つまり、水移動量f2が十分であれば)、アノードガス流路13の入口側の湿度が過度に低くなるのを防止できる筈だからである。よって、本実施形態では、アノードガス流路13の入口側の湿度が下限値を下回ったら、水移動量f2が不足していると考えることにする。同様に、カソードガス流路14の入口側の湿度の推定値が下限値を下回れば、水移動量f1が不足していると考えることにする。   In other words, “the situation where the humidity on the inlet side of the anode gas flow path 13 is lower than the lower limit of the allowable humidity range (hereinafter also referred to simply as the lower limit value)” means that the humidity on the inlet side of the anode gas flow path 13 is It can be said that “the amount of water movement f2 is not sufficient to maintain the desired wet state”. If the water is sufficiently supplied along the arrow f2 (that is, if the water movement amount f2 is sufficient), it is possible to prevent the humidity on the inlet side of the anode gas flow path 13 from becoming excessively low. is there. Therefore, in the present embodiment, when the humidity on the inlet side of the anode gas flow path 13 falls below the lower limit value, the water movement amount f2 is considered to be insufficient. Similarly, if the estimated value of the humidity on the inlet side of the cathode gas channel 14 is below the lower limit value, the water movement amount f1 is considered to be insufficient.

本実施形態では、先ず、上記の水移動量不足を検出すべく、燃料電池スタック10の発電中に、随時、推定ルーチンに基づいて取得した推定値と、許容湿度範囲の下限値とを比較する。アノードガス流路13入口側の湿度の推定値が下限値を下回った場合には、熱交換器53の冷却能力を上昇させる。同様に、カソードガス流路14入口側の湿度の推定値が下限値を下回った場合には、熱交換器54の冷却能力を上昇させる。その結果、必要なとき速やかに、冷却液通路15aや15cの温度を低下させ、水移動量f1やf2を増加することが出来る。   In the present embodiment, first, in order to detect the above shortage of water movement, the estimated value acquired based on the estimation routine is compared with the lower limit value of the allowable humidity range at any time during power generation of the fuel cell stack 10. . When the estimated value of the humidity on the inlet side of the anode gas flow path 13 falls below the lower limit value, the cooling capacity of the heat exchanger 53 is increased. Similarly, when the estimated value of the humidity on the inlet side of the cathode gas channel 14 is below the lower limit value, the cooling capacity of the heat exchanger 54 is increased. As a result, when necessary, the temperature of the coolant passages 15a and 15c can be quickly reduced, and the water movement amounts f1 and f2 can be increased.

以上説明したように、実施の形態1によれば、水移動量f1、f2が不足していると予想されるとき、これに速やかに対処して、水移動量f1、f2を好適な量に調整することができる。これにより、単位燃料電池11内を良好な湿潤環境に保ちながら発電を行うことができる。   As described above, according to the first embodiment, when it is predicted that the water movement amounts f1 and f2 are insufficient, the water movement amounts f1 and f2 are set to suitable amounts by quickly dealing with this. Can be adjusted. As a result, power generation can be performed while keeping the inside of the unit fuel cell 11 in a favorable wet environment.

なお、水移動量を増加すべく冷却液通路15a、15cの冷却液温度を低下させる際、当該冷却液温度を各ガス流路中のガスの水分が凝縮する程度まで低下させた場合には、これにより生じた水で当該C領域部分を潤すこともできる。   When reducing the coolant temperature of the coolant passages 15a and 15c to increase the amount of water movement, if the coolant temperature is lowered to such an extent that the moisture of the gas in each gas channel is condensed, The C region portion can be moistened with the water generated thereby.

[実施の形態1のシステムでECUが実行する具体的処理]
以下、図5および6を用いて、実施の形態1のシステムが行う具体的処理を説明する。図5は、実施の形態1においてECU58が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、実施の形態1のシステムの発電中に実行される。
[Specific Processing Performed by ECU in System of Embodiment 1]
Hereinafter, specific processing performed by the system according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a flowchart of a routine executed by ECU 58 in the first embodiment. This routine is executed during the power generation of the system according to the first embodiment.

図6は、出力電流値Iaと冷却液目標温度との関係を規定したマップである。図6(a)、(b)のそれぞれのマップは、燃料電池スタック10の出力電流値Iaの値が大いほど、目標温度T1、T2の値が高くなるように決定しておく。但し、本実施形態では、冷却液温度ta、tcと、冷却液温度tbの温度差が、所定の範囲内(本実施形態では10℃とする)に収まるようにしておく。   FIG. 6 is a map that defines the relationship between the output current value Ia and the coolant target temperature. Each map in FIGS. 6A and 6B is determined so that the values of the target temperatures T1 and T2 increase as the output current value Ia of the fuel cell stack 10 increases. However, in this embodiment, the temperature difference between the coolant temperatures ta and tc and the coolant temperature tb is set within a predetermined range (10 ° C. in this embodiment).

本実施形態では、図6のマップにおいて、最低目標温度T1_minと最高目標温度T1_maxの差、および、最低目標温度T2_minと最高目標温度T2_maxの差を10℃とする。T1_maxおよびT2_maxを、燃料電池スタック10の通常発電時の冷却液温度(つまり、通常発電時における冷却液温度tbの値)に一致させる。これらのマップは、事前に作成してECU58に記憶させておく。   In the present embodiment, the difference between the lowest target temperature T1_min and the highest target temperature T1_max and the difference between the lowest target temperature T2_min and the highest target temperature T2_max in the map of FIG. T1_max and T2_max are made to coincide with the coolant temperature during normal power generation of the fuel cell stack 10 (that is, the value of the coolant temperature tb during normal power generation). These maps are created in advance and stored in the ECU 58.

図5に示すルーチンでは、先ず、推定ルーチンによる湿度分布の推定が実行される(ステップS100)。このステップでは、ECU58が、システムの各種計器の出力値を用いて、内部に記憶している推定ルーチンを実行する。これにより、図4に示すような推定湿度分布を得る。   In the routine shown in FIG. 5, first, estimation of the humidity distribution by the estimation routine is executed (step S100). In this step, the ECU 58 executes an estimation routine stored therein using output values of various instruments of the system. Thereby, an estimated humidity distribution as shown in FIG. 4 is obtained.

本実施形態では、説明の簡略化のため、燃料電池スタック10の中から1つの単位燃料電池11を代表として選び、この代表の単位燃料電池11についての推定湿度分布を用いて処理を進めることとする。但し、本実施形態の動作に用いる推定湿度分布を得る方法は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池スタック10内の全ての単位燃料電池11について推定湿度分布をそれぞれ算出して、これらの複数の推定湿度分布を平均した結果を用いるなどしても良い。   In this embodiment, for simplification of description, one unit fuel cell 11 is selected as a representative from the fuel cell stack 10, and the process proceeds using the estimated humidity distribution for the representative unit fuel cell 11. To do. However, the method of obtaining the estimated humidity distribution used for the operation of the present embodiment is not limited to this. For example, the estimated humidity distribution may be calculated for all the unit fuel cells 11 in the fuel cell stack 10 and the average of these estimated humidity distributions may be used.

続いて、ステップS102の処理が実行される。ステップS102では、上記ステップS100で求めた推定湿度分布を用いて、アノードガス流路13における、入口側部分の湿度の代表値haiおよび出口側部分の湿度の代表値haoが算出される。また、同じく、推定湿度分布を用いて、カソードガス流路14における、入口側部分の湿度の代表値hciおよび出口側部分の湿度の代表値hcoが算出される(以下、単に、「湿度hai、hao、hci、hco」とも呼称する)。   Subsequently, the process of step S102 is executed. In step S102, the representative humidity hai of the inlet side portion and the representative value hao of the outlet side portion of the anode gas flow path 13 are calculated using the estimated humidity distribution obtained in step S100. Similarly, using the estimated humidity distribution, the representative value hci of the humidity at the inlet side and the representative value hco of the humidity at the outlet side in the cathode gas flow path 14 are calculated (hereinafter simply referred to as “humidity hai, Also called “hao, hci, hco”).

本実施形態では、湿度haiおよび湿度haoは、図4に示すように、アノードの推定湿度分布におけるA、C領域それぞれの中央位置の湿度の値とする。湿度hciおよび湿度hcoも同様に、カソードの推定湿度分布におけるA、C領域それぞれの中央位置の湿度の値とする。なお、これ以外の他の手法で湿度hai、hao、hci、hcoを決定しても良い。例えば、推定湿度分布のA、C領域内の部分を用いて、アノードとカソードそれぞれのA、C領域内の推定湿度の平均値を求める。そして、アノードのA領域内の推定湿度の平均値を湿度haiとして用い、アノードのC領域内の推定湿度の平均値を湿度haoとして用いてもよい。湿度hci、hcoも、同様に、カソードのA、C領域内それぞれの推定湿度の平均値を用いることができる。   In the present embodiment, the humidity hai and the humidity hao are the humidity values at the center positions of the A and C regions in the estimated humidity distribution of the anode, as shown in FIG. Similarly, the humidity hci and the humidity hco are set to the humidity values at the center positions of the A and C regions in the estimated humidity distribution of the cathode. The humidity hai, hao, hci, and hco may be determined by other methods. For example, the average values of the estimated humidity in the A and C regions of the anode and the cathode are obtained using the portions in the A and C regions of the estimated humidity distribution. Then, the average value of the estimated humidity in the A region of the anode may be used as the humidity hai, and the average value of the estimated humidity in the C region of the anode may be used as the humidity hao. Similarly, the average values of the estimated humidity in the A and C regions of the cathode can also be used for the humidity hci and hco.

続いて、ステップS102で算出された湿度を用いて、カソードガス流路14入口側の湿度環境の評価が行われる(ステップS104)。具体的には、先ず、ステップS104では、湿度hciが、下限値H1を下回っているか否かが判定される。つまり、下記の(1)式の成立の有無が判定される。
hci<H1 ・・・(1)
下限値H1は、前述したように、予め実験などにより決定しておく。この判定により、現時点でカソードガス流路14の入口側が乾燥して水移動量の増加が必要な状況にあるか否かを、判定することができる。
Subsequently, the humidity environment at the inlet side of the cathode gas channel 14 is evaluated using the humidity calculated in step S102 (step S104). Specifically, first, in step S104, it is determined whether or not the humidity hci is below the lower limit value H1. That is, it is determined whether or not the following expression (1) is established.
hci <H1 (1)
As described above, the lower limit value H1 is determined in advance by experiments or the like. This determination makes it possible to determine whether or not the inlet side of the cathode gas flow path 14 is currently dried and it is necessary to increase the amount of water movement.

また、ステップS104では、湿度haoから湿度hciを減じた値が、所定の湿度差ΔH1よりも大きいか否かも判定される。前述したように、水の移動量を決定する要因には、膜電極接合体(或いは電解質膜)の二面間の湿度の差の大小(つまり、アノード側の湿度とカソード側の湿度の差の大小)がある。この湿度差が小さすぎると、膜電極接合体12の周囲の湿度を上げて水の透過特性を向上させようとしても、水移動量増加の効果を期待する程度には得られないおそれがある。   In step S104, it is also determined whether or not the value obtained by subtracting the humidity hci from the humidity hao is greater than a predetermined humidity difference ΔH1. As described above, the factors that determine the amount of water movement include the difference in humidity between the two surfaces of the membrane electrode assembly (or electrolyte membrane) (that is, the difference between the humidity on the anode side and the humidity on the cathode side). Large and small). If the humidity difference is too small, there is a possibility that even if the humidity around the membrane electrode assembly 12 is increased to improve the water permeation characteristics, the effect of increasing the amount of water movement cannot be expected.

そこで、本実施形態では、水移動の促進が可能な状況にあることを確実に把握した上で水移動量の増加のための処理を行うために、次のような処理をECU58に実行させる。先ず、湿度haoから湿度hciを減じることにより、アノードガス流路13の出口側の湿度がカソードガス流路14の入口側の湿度に対してどの程度大きいかを示す値を求める。そして、haoからhciを減じて得た値が、予め決定しておいた基準の湿度差ΔH1と比較される。つまり、下記の(2)式の成立の有無が判定される。
hao−hci>ΔH1 ・・・(2)
Therefore, in the present embodiment, the ECU 58 is caused to execute the following processing in order to perform processing for increasing the amount of water movement after reliably grasping that the water movement can be promoted. First, a value indicating how much the humidity on the outlet side of the anode gas flow path 13 is higher than the humidity on the inlet side of the cathode gas flow path 14 is obtained by subtracting the humidity hci from the humidity hao. Then, the value obtained by subtracting hci from hao is compared with a predetermined reference humidity difference ΔH1. That is, it is determined whether or not the following expression (2) is established.
hao−hci> ΔH1 (2)

そして、本実施形態では、ステップS104における2つの判定条件、つまり(1)式および(2)式の双方が成立した場合に、水移動量の増加のための処理(次のステップS106)が実行される。これにより、本実施形態では、水移動量f1の増加が必要であり、かつ、所望の水移動促進効果を得ることが可能であることを確実に把握した上で、水移動量f1の増加の処理へと移行することができる。   In this embodiment, when the two determination conditions in step S104, that is, both the expressions (1) and (2) are satisfied, the process for increasing the amount of water movement (next step S106) is executed. Is done. As a result, in this embodiment, it is necessary to increase the water movement amount f1, and after confirming that it is possible to obtain a desired water movement promotion effect, the increase in the water movement amount f1 is increased. You can move on to processing.

湿度差ΔH1は、予め実験などにより適当な大きさに決定しておくことができる。なお、2つの極の間の水移動を確実に促進するには、少なくとも、水の移動元にしたい極の湿度が、水の移動先にしたい極の湿度よりも高いことが求められる。このため、水移動量f1を確実に増加するには、上記判定式においては、ΔH1を少なくとも零より大きな値にしておくことが必要である。   The humidity difference ΔH1 can be determined in advance by an experiment or the like. In order to reliably promote water movement between the two poles, at least the humidity of the pole that is desired to be the source of water is required to be higher than the humidity of the pole that is desired to be the destination of water. For this reason, in order to increase the water movement amount f1 with certainty, it is necessary to set ΔH1 to a value at least larger than zero in the above-described determination formula.

ステップS104の判定条件(hci<H1、hao−hci>ΔH1)の少なくとも一方が成立しなかった場合には、現時点では水移動量f1の増加の処理を実行すべきではないと判断される。その後、ステップS100に戻る。   If at least one of the determination conditions (hci <H1, hao−hci> ΔH1) in step S104 is not satisfied, it is determined that the process of increasing the water movement amount f1 should not be executed at the present time. Then, it returns to step S100.

ステップS104の判定条件の成立が認められた場合には、冷却液通路15aに流れ込む冷却液の温度を低下させる処理が実行される(ステップS106)。具体的には、温度計55の計測する冷却液温度taが目標温度T1に一致するように、ECU58が、熱交換器53を操作して冷却液通路50aの冷却液の温度を調整する。これにより、個々の単位燃料電池11の冷却液通路15aに流れ込む冷却液の温度が低下し、個々の単位燃料電池11における水移動量f1を増加することができる。   When the determination condition in step S104 is established, a process for reducing the temperature of the coolant flowing into the coolant passage 15a is executed (step S106). Specifically, the ECU 58 operates the heat exchanger 53 to adjust the temperature of the coolant in the coolant passage 50a so that the coolant temperature ta measured by the thermometer 55 matches the target temperature T1. Thereby, the temperature of the coolant flowing into the coolant passage 15a of each unit fuel cell 11 is lowered, and the amount of water movement f1 in each unit fuel cell 11 can be increased.

既述したように、本実施形態では、ECU58が、図6(a)に示す目標温度T1を取得するためのマップを記憶している。図6(a)のマップは、燃料電池スタック10の出力電流値Iaの値が大いほど、目標温度T1も高くなるように決定されている。出力電流値Iaが大きい場合、発電反応に伴う生成水量が多くなる等の理由から、単位燃料電池11内部の水量が比較的多いと予想される。本実施形態では、これを考慮して、出力電流値Iaが相対的に大きい場合には冷却液の目標温度を高めに、出力電流値Iaが相対的に小さい場合には冷却液の目標温度を低めに設定している。   As described above, in the present embodiment, the ECU 58 stores a map for acquiring the target temperature T1 shown in FIG. The map in FIG. 6A is determined so that the target temperature T1 increases as the output current value Ia of the fuel cell stack 10 increases. When the output current value Ia is large, the amount of water in the unit fuel cell 11 is expected to be relatively large because the amount of water produced due to the power generation reaction increases. In the present embodiment, in consideration of this, the target temperature of the coolant is increased when the output current value Ia is relatively large, and the target temperature of the coolant is increased when the output current value Ia is relatively small. The setting is low.

図5のフローチャートによれば、ステップS104、S106側の処理と並行して、ステップS108、S110も実行される。ステップS108、S110では、下記のように、ステップS104、S106と同様の処理が湿度hai、hcoを用いて行われる。   According to the flowchart of FIG. 5, steps S108 and S110 are also executed in parallel with the processing on the side of steps S104 and S106. In steps S108 and S110, processing similar to that in steps S104 and S106 is performed using humidity hai and hco as described below.

先ず、ステップS108では、湿度hai、hcoを用いて、アノードガス流路13入口側の湿度環境の評価が行われる。具体的には、下記(3)式の成立の有無が判定され、湿度haiが、下限値H2を下回っているか否かが判定される。下限値H2は、前述した下限値H1と同様に、予め実験などにより決定しておく。また、ステップS108では、下記(4)式の成立の有無も判定される。
hai<H2 ・・・(3)
hco−hai>ΔH2 ・・・(4)
First, in step S108, the humidity environment on the inlet side of the anode gas flow path 13 is evaluated using the humidity hai and hco. Specifically, it is determined whether or not the following expression (3) is established, and it is determined whether or not the humidity hai is below the lower limit value H2. The lower limit value H2 is determined in advance by experiments or the like, similarly to the lower limit value H1 described above. In step S108, it is also determined whether or not the following expression (4) is established.
hai <H2 (3)
hco-hai> ΔH2 (4)

これらの判定により、上述したステップS104と同様に、水移動量f2の増加が必要であり、かつ、所望の水移動促進効果を得ることが可能であることを確実に把握した上で、水移動量f2の増加の処理(ステップS110)へと移行することができる。ステップS108の判定条件(hai<H2、hco−hai>ΔH2)の少なくとも一方が成立しなかった場合には、現時点では水移動量f2の増加の処理を実行すべきではないと判断され、ステップS100に戻る。   Based on these determinations, as in step S104 described above, the water movement amount f2 needs to be increased, and it is possible to obtain the desired water movement promotion effect, and then the water movement The process can be shifted to the process of increasing the amount f2 (step S110). If at least one of the determination conditions (hai <H2, hco-hai> ΔH2) in step S108 is not satisfied, it is determined that the process of increasing the water movement amount f2 should not be executed at this time, and step S100 Return to.

ステップS108の判定条件の成立が認められた場合には、冷却液通路15cに流れ込む冷却液の温度を低下させる処理が実行される(ステップS110)。ステップS110では、具体的には、ステップS106の処理と同様に、温度計57の計測値である冷却液温度tcが目標温度T2に一致するように、ECU58が熱交換器54を操作する。これにより、個々の単位燃料電池11の冷却液通路15cに流れ込む冷却液の温度が低下し、個々の単位燃料電池11の水移動量f2を増加することができる。   When the determination condition in step S108 is satisfied, a process for reducing the temperature of the coolant flowing into the coolant passage 15c is executed (step S110). In step S110, specifically, as in the process of step S106, the ECU 58 operates the heat exchanger 54 so that the coolant temperature tc, which is the measurement value of the thermometer 57, matches the target temperature T2. As a result, the temperature of the coolant flowing into the coolant passage 15c of each unit fuel cell 11 decreases, and the amount of water movement f2 of each unit fuel cell 11 can be increased.

ECU58は、図6(b)に示すような目標温度T2を取得するためのマップも記憶している。図6(b)のマップも、図6(a)のマップと同様の理由から、燃料電池スタック10の出力電流値Iaの値が大きいほど、目標温度T2が高くなるように決定されている。   The ECU 58 also stores a map for acquiring the target temperature T2 as shown in FIG. The map in FIG. 6B is also determined so that the target temperature T2 increases as the output current value Ia of the fuel cell stack 10 increases for the same reason as the map in FIG.

ステップS106またはステップS110の処理が実行されたあとは、今回のルーチンが終了する。その後、本実施形態では、冷却液温度ta、tcをそれぞれT1、T2に設定したまま、システムの運転を継続する。   After the process of step S106 or step S110 is executed, the current routine ends. Thereafter, in the present embodiment, the system operation is continued while the coolant temperatures ta and tc are set to T1 and T2, respectively.

なお、実施の形態1では、ルーチン終了後は図5のルーチンを停止し、次の処理を行う。先ず、ステップS100で用いた推定ルーチンを繰り返し実行して、単位燃料電池11内の推定湿度分布を継続的に更新する。そして、湿度hai、hciの値を監視して、それらの値が十分に高く(例えば、hciがH1以上、haiがH2以上の値に)なったら、冷却液温度ta、tcを、冷却液温度tbと同じ温度に戻す。その後、図5のルーチンの実行を再開して、水移動量不足の判定を再開する。   In the first embodiment, after completion of the routine, the routine of FIG. 5 is stopped and the following processing is performed. First, the estimation routine used in step S100 is repeatedly executed to continuously update the estimated humidity distribution in the unit fuel cell 11. Then, the values of the humidity hai and hci are monitored, and when those values are sufficiently high (for example, hci is H1 or higher and hai is H2 or higher), the coolant temperatures ta and tc are changed to the coolant temperatures. Return to the same temperature as tb. Thereafter, the execution of the routine of FIG. 5 is resumed, and the determination of insufficient water movement is resumed.

以上説明したように、本実施形態の具体的処理によれば、水移動量f1、f2が不足していると考えられる場合に、ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域(A、C領域)を低温にすることができる。これにより、必要なとき速やかに水移動量を増加させ、アノードとカソードの間の水移動量f1、f2を好適な値に近づけることができる。   As described above, according to the specific processing of this embodiment, when it is considered that the water movement amounts f1 and f2 are insufficient, the inlet side portion and the outlet side portion of the gas flow path are opposed to each other. The area (A, C area) to be performed can be lowered. As a result, the amount of water movement can be quickly increased when necessary, and the amount of water movement f1, f2 between the anode and the cathode can be brought close to a suitable value.

特に、本実施形態によれば、各ガス流路の入口側部分の湿度の推定値(hai、hci)を所定の判定値(H1、H2)と比較している。各ガス流路の入口側部分は、単位燃料電池11内でも比較的乾燥しやすい部位である。よって、本実施形態によれば、単位燃料電池11内の潤いが不足して水移動量の増加が急務となった場合に、これに迅速に対応することができる。また、本実施形態によれば、A、C領域側それぞれについてのアノードとカソードの湿度差を、所定の判定値(ΔH1、ΔH2)と比較している。これにより、水移動の促進が可能な状況にあること(十分な効果が得られること)を確実に把握した上で水移動量の増加のための処理を行うことができる。   In particular, according to the present embodiment, the estimated value (hai, hci) of the humidity at the inlet side portion of each gas flow path is compared with predetermined determination values (H1, H2). The inlet side portion of each gas flow path is a portion that is relatively easily dried even in the unit fuel cell 11. Therefore, according to the present embodiment, when the moisture in the unit fuel cell 11 is insufficient and an increase in the amount of water movement becomes an urgent matter, it is possible to quickly cope with this. Further, according to the present embodiment, the humidity difference between the anode and the cathode for each of the A and C regions is compared with predetermined determination values (ΔH1, ΔH2). Thereby, it is possible to perform processing for increasing the amount of water movement after reliably grasping that the water movement can be promoted (a sufficient effect can be obtained).

なお、図5のルーチン終了後のシステムの制御は、上記の実施の形態1の態様に限られるものではない。例えば、単位燃料電池11内の湿潤環境が理想的な状態に落ち着く時期を見計らって、冷却液温度ta、tcをそれぞれ元の温度(例えば冷却液温度tbと同じ温度)に戻しても良い。湿潤環境が落ち着く時期は、例えばルーチン終了時刻からの経過時間など、種々の観点から決定すればよい。   Note that the control of the system after the end of the routine of FIG. 5 is not limited to the aspect of the first embodiment. For example, the coolant temperatures ta and tc may be returned to their original temperatures (for example, the same temperature as the coolant temperature tb) in anticipation of the time when the wet environment in the unit fuel cell 11 settles to an ideal state. The time when the wet environment settles may be determined from various viewpoints such as the elapsed time from the routine end time.

尚、上述した実施の形態1では、膜電極接合体12が前記第1の発明における「膜電極接合体」に、単位燃料電池11が前記第1の発明における「燃料電池」に、それぞれ相当している。そして、本実施形態では単位燃料電池11のガス流路がカウンターフロー流路の構造とされているので、アノードガス流路13とカソードガス流路14は、ともに、前記第1の発明における「第1ガス流路」と「第2ガス流路」に相当しうる。   In the first embodiment described above, the membrane electrode assembly 12 corresponds to the “membrane electrode assembly” in the first invention, and the unit fuel cell 11 corresponds to the “fuel cell” in the first invention. ing. In this embodiment, since the gas flow path of the unit fuel cell 11 has a counter flow flow path structure, the anode gas flow path 13 and the cathode gas flow path 14 are both “first” in the first invention. It can correspond to “one gas flow path” and “second gas flow path”.

つまり、実施の形態1では、カソードガス流路14が前記第1の発明における「第1ガス流路」に相当し、かつ、アノードガス流路13が前記第1の発明における「第2ガス流路」に相当すると考えた場合には、カソードガス流路14の入口側部分とアノードガス流路13の出口側部分が対向するA領域に備えられた冷却液通路15aが、前記第1の発明における「第1冷媒通路」に相当する。また、実施の形態1では、アノードガス流路13が前記第1の発明における「第1ガス流路」に相当し、かつ、カソードガス流路14が前記第1の発明における「第2ガス流路」に相当すると考えた場合には、アノードガス流路13の入口側部分とカソードガス流路14の出口側部分が対向するC領域に備えられた冷却液通路15cが、前記第1の発明における「第1冷媒通路」に相当する。   That is, in the first embodiment, the cathode gas passage 14 corresponds to the “first gas passage” in the first invention, and the anode gas passage 13 is the “second gas flow” in the first invention. When it is considered that it corresponds to a “channel”, the coolant passage 15a provided in the A region where the inlet side portion of the cathode gas channel 14 and the outlet side portion of the anode gas channel 13 face each other is the first invention. Corresponds to the “first refrigerant passage” in FIG. In the first embodiment, the anode gas passage 13 corresponds to the “first gas passage” in the first invention, and the cathode gas passage 14 is the “second gas flow” in the first invention. When it is considered that it corresponds to a “channel”, the coolant passage 15c provided in the C region where the inlet side portion of the anode gas passage 13 and the outlet side portion of the cathode gas passage 14 face each other is the first invention. Corresponds to the “first refrigerant passage” in FIG.

そして、実施の形態1では、冷却液通路15bが前記第1の発明における「第2冷媒通路」に相当している。また、実施の形態1では、冷却液通路50、ラジエータ51、ポンプ52が、前記第1の発明における「冷媒供給手段」に相当している。そして、熱交換器53、54が、前記第1の発明における「調整機構」に相当している。   In the first embodiment, the coolant passage 15b corresponds to the “second refrigerant passage” in the first invention. In the first embodiment, the coolant passage 50, the radiator 51, and the pump 52 correspond to the “refrigerant supply means” in the first invention. The heat exchangers 53 and 54 correspond to the “adjustment mechanism” in the first invention.

また、実施の形態1では、ECU58が、上記図5のルーチンにおけるステップS104または/およびS108の処理を実行することにより、前記第2の発明における「不足判定手段」が、ステップS106または/およびS110の処理を実行することにより、前記第2の発明における「冷却制御手段」が実現されている。   Further, in the first embodiment, the ECU 58 executes the process of step S104 or / and S108 in the routine of FIG. 5 so that the “insufficient determination means” in the second aspect of the invention is step S106 or / and S110. By executing the process, the “cooling control means” in the second aspect of the present invention is realized.

また、実施の形態1では、ECU58が、図5のルーチンにおけるステップS100およびS102を実行することにより、前記第3の発明における「入口側湿度取得手段」が実現されている。そして、実施の形態1では、湿度hciまたはhaiが、前記第3の発明における「第1ガス流路入口湿度」に相当し、下限値H1またはH2が前記第3の発明における「下限値」に相当している。   In the first embodiment, the ECU 58 executes steps S100 and S102 in the routine of FIG. 5, thereby realizing the “inlet-side humidity acquisition means” in the third aspect of the invention. In the first embodiment, the humidity hci or hai corresponds to the “first gas flow path inlet humidity” in the third invention, and the lower limit value H1 or H2 is the “lower limit value” in the third invention. It corresponds.

また、実施の形態1では、ECU58が、図5のルーチンにおけるステップS100およびS102を実行することにより、前記第6の発明における「出口側湿度取得手段」が実現されている。また、実施の形態1では、湿度hcoまたはhaoが、前記第6の発明における「第2ガス流路入口湿度」に相当している。また、ECU58が、図5のルーチンにおけるステップS104または/およびS108を実行することにより、前記第6の発明における「環境判定手段」が実現されている。また、実施の形態1では、湿度差ΔH1またはΔH2が、前記第6の発明における「判定値」に相当している。   In the first embodiment, the ECU 58 executes steps S100 and S102 in the routine of FIG. 5, thereby realizing the “exit-side humidity acquisition means” in the sixth aspect of the invention. In the first embodiment, the humidity hco or hao corresponds to the “second gas flow path inlet humidity” in the sixth aspect of the invention. Further, the ECU 58 executes step S104 and / or S108 in the routine of FIG. 5, thereby realizing the “environment determining means” in the sixth aspect of the invention. In the first embodiment, the humidity difference ΔH1 or ΔH2 corresponds to the “determination value” in the sixth aspect of the invention.

[実施の形態1の変形例]
(第1変形例)
実施の形態1では、冷却液通路50a、50cに熱交換器53、54をそれぞれ設け、これらを適宜操作することにより単位燃料電池11の面内の温度を部分的に相違させている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、他の態様によって単位燃料電池11の面内の温度を部分的に相違させてもよい。
[Modification of Embodiment 1]
(First modification)
In the first embodiment, heat exchangers 53 and 54 are provided in the coolant passages 50a and 50c, respectively, and the temperatures in the surface of the unit fuel cell 11 are partially varied by appropriately operating these. However, the present invention is not limited to this, and the in-plane temperature of the unit fuel cell 11 may be partially varied according to other modes.

図7は、実施の形態1の変形例を示している。図7のシステムは、冷却系の構成以外のシステム構成は、図1のシステムと同じ構成のため図示を省略している。図7のシステムは、図1のシステムにおける熱交換器53、54の代わりに、バルブ253、254を備えている。バルブ253、254によれば、冷却液通路50a、50cにおける冷却液の流量を調整することができる。   FIG. 7 shows a modification of the first embodiment. The system shown in FIG. 7 is omitted because the system configuration other than the configuration of the cooling system is the same as that of the system shown in FIG. The system in FIG. 7 includes valves 253 and 254 instead of the heat exchangers 53 and 54 in the system in FIG. According to the valves 253 and 254, the flow rate of the coolant in the coolant passages 50a and 50c can be adjusted.

冷却液通路50aや50cにおける冷却液の流量が多ければ、これに応じて個々の単位燃料電池11の冷却液通路15aや15c内の冷却液の流量も増加し、結果的に膜電極接合体12のA領域やC領域の温度が低下する。このようにして、単位燃料電池11内の冷却液温度を部分的に相違させてもよい。   If the flow rate of the coolant in the coolant channels 50a and 50c is large, the flow rate of the coolant in the coolant channels 15a and 15c of the individual unit fuel cells 11 is increased accordingly, and as a result, the membrane electrode assembly 12 is increased. The temperature of the A region and the C region of the film decreases. In this way, the coolant temperature in the unit fuel cell 11 may be partially different.

上述した実施の形態1の変形例では、バルブ253、254が、前記第1の発明の「調整機構」に相当している。なお、図7の第1変形例によれば、バルブ253、254の調整に応じて冷却液通路50a、50c内の冷却液流量が変化すると、冷却液通路50b内の冷却液の流量も影響を受ける。例えば、第1変形例の場合に、冷却液通路50a、50cの冷却液流量を増加して個々の単位燃料電池11内のA、C領域の冷却温度を低下させた場合、これに応じて、冷却液通路50bの冷却液流量が減少して、個々の単位燃料電池11内のB領域の温度が上昇することも予想される。   In the modification of the first embodiment described above, the valves 253 and 254 correspond to the “adjustment mechanism” of the first invention. Note that, according to the first modification of FIG. 7, when the coolant flow rate in the coolant passages 50a and 50c changes according to the adjustment of the valves 253 and 254, the coolant flow rate in the coolant passage 50b also has an effect. receive. For example, in the case of the first modification, when the cooling liquid flow rate in the cooling liquid passages 50a and 50c is increased and the cooling temperature of the A and C regions in the individual unit fuel cells 11 is decreased, according to this, It is also anticipated that the coolant flow rate in the coolant passage 50b decreases and the temperature of the B region in each unit fuel cell 11 rises.

この場合には、例えば、このようなB領域の温度上昇分を相殺するように、ポンプ52の流量増加やラジエータ51の冷却温度を低下させることができる。このようにして、個々の単位燃料電池11に対し、B領域の温度を通常発電時の状態に維持しながら、A、C領域の温度を低下させることができる。このように、冷却液通路50a、50b、50cの冷却液流量変化が互いに影響を受けるものの、図7の変形例の態様によっても、それらの冷却液通路内の冷却液温度を互いに独立に変化させることができる。   In this case, for example, the flow rate of the pump 52 can be increased and the cooling temperature of the radiator 51 can be decreased so as to cancel out such a temperature increase in the region B. In this way, the temperatures of the A and C regions can be lowered while maintaining the temperature of the B region in the state during normal power generation for each unit fuel cell 11. In this way, although the coolant flow rate changes in the coolant passages 50a, 50b, and 50c are affected by each other, the coolant temperature in these coolant passages is changed independently of each other also by the embodiment of the modified example of FIG. be able to.

なお、実施の形態1では、冷却液通路50を冷却液通路50a、50b、50cに分岐させることにより、1つの共通の冷却系で、単位燃料電池11内の各冷却液通路への冷却液の温度を独立に調整可能としている。しかしながら、互いに独立した3つの冷却系を構成して、冷却液通路50a、50b、50cの代わりに、それぞれの冷却系を燃料電池スタック10に接続しても良い。   In the first embodiment, the coolant passage 50 is branched into the coolant passages 50a, 50b, and 50c, so that the coolant is supplied to each coolant passage in the unit fuel cell 11 with one common cooling system. The temperature can be adjusted independently. However, three cooling systems independent of each other may be configured, and the respective cooling systems may be connected to the fuel cell stack 10 instead of the coolant passages 50a, 50b, and 50c.

また、実施の形態1では、独立した冷却液通路を並列接続の関係に構成することにより、単位燃料電池11のA、C領域の温度を部分的に低下させることを可能としている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、単位燃料電池11のA、C領域の温度調整を、先行技術文献として挙げた特許文献2(特開2001−43871号公報)にあるような、冷却液通路を熱交換器を介して直列的に接続するシステム構成を利用して実現してもよい。   In the first embodiment, the temperature of the A and C regions of the unit fuel cell 11 can be partially reduced by configuring the independent coolant passages in a parallel connection relationship. However, the present invention is not limited to this. For example, the temperature adjustment of the A and C regions of the unit fuel cell 11 is performed by connecting the coolant passages in series via a heat exchanger as described in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-43871) cited as a prior art document. It may be realized by using a system configuration that is connected to each other.

(第2変形例)
実施の形態1では、単位燃料電池11内のアノードとカソードのそれぞれにおける湿度分布を推定し、この推定値を利用して、水移動量が水不足しているか否かを判定した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。各ガス流路の入口側部分および出口側部分のそれぞれに湿度センサを取り付けて、各位置の湿度を計測してもよい。
(Second modification)
In the first embodiment, the humidity distribution in each of the anode and the cathode in the unit fuel cell 11 is estimated, and using this estimated value, it is determined whether or not the amount of water movement is insufficient. However, the present invention is not limited to this. A humidity sensor may be attached to each of the inlet side portion and the outlet side portion of each gas flow path to measure the humidity at each position.

なお、湿度センサによる直接計測と、単位燃料電池11内部の湿度を推定により求める手法とを比較した場合、推定を用いる手法には次のような利点がある。   When direct measurement using a humidity sensor is compared with a method for estimating the humidity inside the unit fuel cell 11 by estimation, the method using estimation has the following advantages.

水移動量の調整を的確に行うには、単位燃料電池11内部における、冷却液通路15aや15cの中央位置の湿度(A、C領域中央側におけるガス流路の湿度)を把握できることが好ましい。従って、センサを用いて湿度の直接計測を行う場合には、単位燃料電池11のガス流路内側にセンサを配置して、計測を行うことが好ましい。具体的には、ガス流路の端(入口または出口)から少し奥側の位置(A領域やC領域の中央に対応する位置)の湿度を、センサにて直接計測できることが好ましい。しかしながら、そのような場所をセンサにて直接計測することが困難あるいは煩雑な場合もある。   In order to accurately adjust the amount of water movement, it is preferable that the humidity at the center position of the coolant passages 15a and 15c (the humidity of the gas flow path at the center of the A and C regions) inside the unit fuel cell 11 can be grasped. Therefore, when the humidity is directly measured using the sensor, it is preferable to perform the measurement by arranging the sensor inside the gas flow path of the unit fuel cell 11. Specifically, it is preferable that the humidity at a position slightly behind the end (inlet or outlet) of the gas flow path (a position corresponding to the center of the A region or the C region) can be directly measured by a sensor. However, it may be difficult or complicated to directly measure such a place with a sensor.

この点、実施の形態1によれば、システム構成図(図1)にあるように、酸化ガス供給通路17や酸化ガス排出通路16、あるいは燃料ガス供給通路24や燃料ガス排出通路26にセンサを配置して、単位燃料電池11のガス流路の内部の環境を推定により把握している。従って、上記のような煩雑さを回避しつつ、水移動量f1やf2の調整を的確に行うことができる。   In this regard, according to the first embodiment, as shown in the system configuration diagram (FIG. 1), sensors are provided in the oxidizing gas supply passage 17, the oxidizing gas discharge passage 16, the fuel gas supply passage 24, and the fuel gas discharge passage 26. It arrange | positions and grasps | ascertains the environment inside the gas flow path of the unit fuel cell 11 by estimation. Therefore, it is possible to accurately adjust the water movement amounts f1 and f2 while avoiding the complexity described above.

また、実施の形態1のように単位燃料電池11の面内の全域にわたって発電環境を推定するのではなく、ガス流路の入口や出口の湿度を局所的に推定するような推定手法を用いても良い。   In addition, instead of estimating the power generation environment over the entire area of the unit fuel cell 11 as in the first embodiment, an estimation method is used to locally estimate the humidity at the inlet and outlet of the gas flow path. Also good.

なお、実施の形態1の単位燃料電池11は、カウンターフロー流路の構造、つまり、膜電極接合体を挟んだ2つのガス流路の流れが反対方向に向く構造を備えている。しかしながら、本発明は、2つのガス流路の流れが完全に反対向きになっていなくとも、膜電極接合体を挟んだ一方のガス流路の出口側部分と他方のガス流路の入口側部分とが対向している燃料電池であれば適用することができる。   The unit fuel cell 11 of Embodiment 1 has a structure of a counter flow channel, that is, a structure in which the flow of two gas channels sandwiching a membrane electrode assembly is directed in opposite directions. However, the present invention provides an outlet side portion of one gas flow channel and an inlet side portion of the other gas flow channel sandwiching the membrane electrode assembly, even if the flows of the two gas flow channels are not completely opposite to each other. It is possible to apply to any fuel cell that is facing each other.

例えば、膜電極接合体を介してカソードガス流路出口側部分とアノードガス流路入口側部分のみが対向している燃料電池に、本発明を適用することができる。この場合には、燃料電池面内の領域を、カソードガス流路出口側部分とアノードガス流路入口側部分が対向している領域と、それ以外の他の領域とに区分する。   For example, the present invention can be applied to a fuel cell in which only a cathode gas channel outlet side portion and an anode gas channel inlet side portion face each other through a membrane electrode assembly. In this case, the region in the fuel cell surface is divided into a region where the cathode gas flow channel outlet side portion and the anode gas flow channel inlet side portion face each other, and other regions.

そして、区分したそれぞれの領域に冷却液通路を個別に設け、冷却液の温度または流量を、個々の冷却液通路の間で互いに独立に調整できるようにすればよい。   Then, it is only necessary to provide a coolant passage individually in each of the divided regions so that the temperature or flow rate of the coolant can be adjusted independently between the coolant passages.

なお、酸化ガス排出通路16から排出されるガスには、水分が含まれている。実施の形態1のシステムでは用いていないが、加湿器をシステムに加え、酸化ガス排出通路16に含まれる水分を利用して、酸化ガス供給通路17側の空気を加湿してもよい。   The gas discharged from the oxidizing gas discharge passage 16 contains moisture. Although not used in the system of the first embodiment, a humidifier may be added to the system to humidify the air on the oxidizing gas supply passage 17 side using moisture contained in the oxidizing gas discharge passage 16.

実施の形態2.
実施の形態2のシステム構成は、図1に示した実施の形態1のシステムと同様である。従って、実施の形態2のシステム構成の説明は省略する。
Embodiment 2. FIG.
The system configuration of the second embodiment is the same as the system of the first embodiment shown in FIG. Therefore, the description of the system configuration of the second embodiment is omitted.

[実施の形態2のシステムの動作]
実施の形態1では、ガス流路の入口側の湿度に基づいて、水移動量が不足しているか否かを判定した。これに対し、実施の形態2は、水移動量そのもの(つまり、水移動量の絶対値)が大きいか小さいかに着目して、水移動量が不足しているか否かを判定する。
[Operation of System of Embodiment 2]
In the first embodiment, it is determined whether the amount of water movement is insufficient based on the humidity on the inlet side of the gas flow path. On the other hand, in the second embodiment, whether or not the water movement amount is insufficient is determined by paying attention to whether the water movement amount itself (that is, the absolute value of the water movement amount) is large or small.

具体的には、実施の形態2では、湿度および他の各種物理量を用いて水移動量の推定値を求め、この推定値の大小に基づいて水移動量が不足しているか否かを判定する。これにより、水移動量の不足をより直接的に検出することができ、より高精度に水移動量を調節、管理することができる。   Specifically, in the second embodiment, an estimated value of the amount of water movement is obtained using humidity and other various physical quantities, and it is determined whether or not the amount of water movement is insufficient based on the magnitude of this estimated value. . Thereby, the shortage of the amount of water movement can be detected more directly, and the amount of water movement can be adjusted and managed with higher accuracy.

また、実施の形態2では、水移動量の不足の判定に加え、水移動量が過剰であるか否かの判定も行う。水移動量が過剰であると推定される状況下では、膜電極接合体12が水分含有量が過剰になり、種々の不具合が生じるおそれがある(例えば、発電性能の低下、フラッディング等)。実施の形態2では、この点も考慮して、水移動量が過剰となっているかの判定も行い、単位燃料電池11内の湿潤環境をより適切な状態に維持する。   In the second embodiment, in addition to the determination of the shortage of the water movement amount, it is also determined whether or not the water movement amount is excessive. Under the situation where the amount of water movement is estimated to be excessive, the membrane electrode assembly 12 may have an excessive water content, which may cause various problems (for example, reduction in power generation performance, flooding, etc.). In the second embodiment, considering this point, it is also determined whether the amount of water movement is excessive, and the wet environment in the unit fuel cell 11 is maintained in a more appropriate state.

[実施の形態2のシステムでECUが実行する具体的処理]
以下、図8乃至24を用いて、実施の形態2のシステムが行う具体的処理を説明する。図8は、実施の形態2においてECU58が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、実施の形態2のシステムの発電中に実行される。
[Specific processing executed by ECU in system of embodiment 2]
Hereinafter, specific processing performed by the system according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a flowchart of a routine executed by the ECU 58 in the second embodiment. This routine is executed during power generation of the system according to the second embodiment.

図9は、膜電極接合体12の水透過係数を、膜電極接合体12の周囲の環境(湿度平均値と温度)との関係で規定したマップである。具体的には、図9(a)は、膜電極接合体12のA領域側における水透過係数K1を、アノード側の湿度とカソード側の湿度の平均値(ここでは、(hao+hci)/2、すなわち、湿度haoとhciの和の平均)と、A領域側における周囲温度(本実施形態では冷却液温度ta)との関係で規定した2次元マップである。   FIG. 9 is a map that defines the water permeability coefficient of the membrane electrode assembly 12 in relation to the environment (humidity average value and temperature) around the membrane electrode assembly 12. Specifically, FIG. 9A shows the water permeability coefficient K1 on the A region side of the membrane electrode assembly 12 as an average value of the humidity on the anode side and the humidity on the cathode side (here, (hao + hci) / 2, That is, it is a two-dimensional map defined by the relationship between the humidity hao and the sum of hci) and the ambient temperature on the A region side (in this embodiment, the coolant temperature ta).

図9(b)は、膜電極接合体12のC領域側における水透過係数K2を、同じく湿度の平均値(ここでは、(hai+hco)/2、すなわち、湿度haiとhcoの和の平均)と、A領域側における周囲温度(本実施形態では冷却液温度tc)との関係で規定した2次元マップである。これらのマップを用いて、温度ta、tcおよび湿度hao、hci、hai、hcoに応じて、膜電極接合体12のA、C領域それぞれにおける水透過係数K1、K2を特定できるようにしておく。   FIG. 9B shows the water permeability coefficient K2 on the C region side of the membrane electrode assembly 12 as well as the average value of humidity (here, (hai + hco) / 2, that is, the average of the sum of the humidity hai and hco). , A two-dimensional map defined by the relationship with the ambient temperature on the A region side (in this embodiment, the coolant temperature tc). Using these maps, the water permeability coefficients K1 and K2 in the A and C regions of the membrane electrode assembly 12 can be specified in accordance with the temperatures ta and tc and the humidity hao, hci, hai and hco.

図9のマップは、例えば、実験、シミュレーションあるいは理論式等に基づいて事前に作成し、ECU58に記憶させておく。   The map of FIG. 9 is created in advance based on, for example, experiments, simulations, theoretical equations, or the like, and stored in the ECU 58.

また、図10(a)および(b)は、水移動量の調整を行う際に水移動量f1、f2の目標値として用いる目標水移動量F1、F2を、燃料電池スタック10の出力電流値Iaおよび運転温度(本実施形態では、冷却液温度tbとする)に応じて定めた2次元マップである。   10A and 10B show the target water movement amounts F1 and F2 used as the target values of the water movement amounts f1 and f2 when adjusting the water movement amount, and the output current values of the fuel cell stack 10. It is a two-dimensional map determined according to Ia and operating temperature (in this embodiment, it is set as the coolant temperature tb).

出力電流値Iaが大きい場合、発電反応に伴う生成水量が多くなる等の理由から、単位燃料電池11内部の水量が比較的多いと予想される。実施の形態2では、これを考慮して、出力電流値Iaが大きいほど、目標水移動量F1、F2を小さく規定する。また、燃料電池スタック10の運転温度が高い場合には、燃料電池スタック10内部の環境(個々の単位燃料電池11の内部の環境)が、比較的乾燥しやすい状況にあると考えることが出来る。本実施形態では、これを考慮して、冷却液温度tbが高いほど目標水移動量F1、F2が大きくなるように、マップの数値を規定する。   When the output current value Ia is large, the amount of water in the unit fuel cell 11 is expected to be relatively large because the amount of water produced due to the power generation reaction increases. In the second embodiment, in consideration of this, the target water movement amounts F1 and F2 are specified to be smaller as the output current value Ia is larger. Further, when the operating temperature of the fuel cell stack 10 is high, it can be considered that the environment inside the fuel cell stack 10 (the environment inside each unit fuel cell 11) is relatively easy to dry. In the present embodiment, in consideration of this, the numerical value of the map is defined so that the target water movement amounts F1 and F2 increase as the coolant temperature tb increases.

図8のルーチンでは、先ず、実施の形態1の図5のルーチンと同様に、ステップS100の処理が実行され、状態推定モデルによる湿度分布の推定が行われる。   In the routine of FIG. 8, first, similarly to the routine of FIG. 5 of the first embodiment, the process of step S100 is executed, and the humidity distribution is estimated by the state estimation model.

続いて、カソードガス流路14とアノードガス流路13のそれぞれについて、ガス流路の入口、出口の湿度および圧力を求める処理が実行される(ステップS302)。このステップでは、具体的には、先ず、実施の形態1のステップS102と同様の処理により、湿度hao、hci、hai、およびhcoが算出される。   Subsequently, for each of the cathode gas channel 14 and the anode gas channel 13, a process for obtaining the humidity and pressure of the inlet and outlet of the gas channel is executed (step S302). Specifically, in this step, first, the humidity hao, hci, hai, and hco are calculated by the same processing as in step S102 of the first embodiment.

また、圧力計42、46、36、40の測定値に基づく比例計算により、アノードガス流路13の入口側圧力paiおよび出口側圧力paoや、カソードガス流路14の入口側圧力pciおよび出口側圧力pcoが、それぞれ算出される。なお、これらの圧力値は、例えば、単位燃料電池11のガス流路の入口及び出口における圧力計の測定値に基づいて比例計算により求めることができる。なお、図2の単位燃料電池11の断面図に、対応する位置がわかるようにpai、pao、pci、pcoをそれぞれ図示する。   Further, by proportional calculation based on the measured values of the pressure gauges 42, 46, 36, 40, the inlet side pressure pai and the outlet side pressure pao of the anode gas flow path 13, the inlet side pressure pci of the cathode gas flow path 14 and the outlet side The pressure pco is calculated respectively. Note that these pressure values can be obtained by proportional calculation based on, for example, pressure gauge measurement values at the inlet and outlet of the gas flow path of the unit fuel cell 11. In the cross-sectional view of the unit fuel cell 11 in FIG. 2, pai, pao, pci, and pco are shown so that the corresponding positions can be seen.

次に、実施の形態2では、水移動量f1の推定値f1_aと、水移動量f2の推定値f2_aをそれぞれ算出する処理が実行される(ステップS304)。具体的には、先ず、ECU58が、ステップS302で求めた各種の物理量の推定値および冷却液温度ta、tcに応じたK1、K2の値を、図9のマップから取得する。続いて、下記の式(5)および(6)に従って、水移動量推定値f1_aと、水移動量推定値f2_aとが算出される。
f1_a = K1 × (pao×hao − pci×hci) ・・・(5)
f2_a = K2 × (pai×hai − pco×hco) ・・・(6)
Next, in the second embodiment, a process of calculating the estimated value f1_a of the water movement amount f1 and the estimated value f2_a of the water movement amount f2 is executed (step S304). Specifically, first, the ECU 58 acquires the estimated values of various physical quantities obtained in step S302 and the values of K1 and K2 corresponding to the coolant temperatures ta and tc from the map of FIG. Subsequently, the estimated water movement amount f1_a and the estimated water movement amount f2_a are calculated according to the following equations (5) and (6).
f1_a = K1 × (pao × hao−pci × hci) (5)
f2_a = K2 × (pai × hai−pco × hco) (6)

上記式(5)および(6)において、それぞれ右辺括弧内に示した式は、膜電極接合体12を挟んだアノードとカソードの水蒸気分圧差を算出する式に相当している。このように、実施の形態2では、水透過係数と水蒸気分圧差の積に基づいて水移動量を推定している。   In the above formulas (5) and (6), the formulas shown in the right parenthesis respectively correspond to formulas for calculating the water vapor partial pressure difference between the anode and the cathode across the membrane electrode assembly 12. Thus, in Embodiment 2, the amount of water movement is estimated based on the product of a water permeability coefficient and a water vapor partial pressure difference.

続いて、図8のルーチンでは、水移動量f1に関する処理(ステップS306、S308、S310、S312)、および、水移動量f2に関する処理(ステップS314、S316、S318、S320)が実行される。以下、それぞれ説明する。   Subsequently, in the routine of FIG. 8, processing relating to the water movement amount f1 (steps S306, S308, S310, S312) and processing relating to the water movement amount f2 (steps S314, S316, S318, S320) are executed. Each will be described below.

(水移動量f1に関する処理)
ステップS306では、ステップS304にて算出された水移動量推定値f1_aが、所定の上限値F1+αよりも大きいか否かが判定される。ここでは、先ず、ECU58が、図10(a)のマップを参照し、現在の出力電流値Iaおよび冷却液温度tbに応じた目標水移動量F1を取得する。そして、目標水移動量F1に所定値αを加えた値を上限値F1+αとし、f1_aがこの上限値F1+αを上回っているかの判定を行う。
(Processing on the amount of water movement f1)
In step S306, it is determined whether or not the estimated water movement amount f1_a calculated in step S304 is larger than a predetermined upper limit value F1 + α. Here, first, the ECU 58 refers to the map of FIG. 10A to acquire the target water movement amount F1 according to the current output current value Ia and the coolant temperature tb. A value obtained by adding the predetermined value α to the target water movement amount F1 is set as an upper limit value F1 + α, and it is determined whether f1_a exceeds the upper limit value F1 + α.

ステップS306の条件の成立が認められた場合には、水移動量f1が過剰であるとの判断が下され、冷却液温度taを上昇させる処理が実行される(ステップS308)。ここでは、冷却液温度taが現在の温度から所定温度だけ上昇するように、ECU58が熱交換器53を操作する。これにより、個々の単位燃料電池11の冷却液通路15aに流れ込む冷却液の温度が上昇し、これに応じて、アノードガス流路13の出口側とカソードガス流路14の入口側の湿度が低下する(つまり、hao、hciが低下する)。その結果、個々の単位燃料電池11の水移動量f1を低減することができる。   When the establishment of the condition in step S306 is confirmed, it is determined that the water movement amount f1 is excessive, and a process for increasing the coolant temperature ta is performed (step S308). Here, the ECU 58 operates the heat exchanger 53 so that the coolant temperature ta rises from the current temperature by a predetermined temperature. As a result, the temperature of the coolant flowing into the coolant passage 15a of each unit fuel cell 11 rises, and the humidity on the outlet side of the anode gas passage 13 and the inlet side of the cathode gas passage 14 decreases accordingly. (That is, hao, hci decrease). As a result, the water movement amount f1 of each unit fuel cell 11 can be reduced.

なお、ステップS308における冷却液温度制御の際、冷却液温度taは、例えば、現在の冷却液温度tbに対して10℃程度高い温度となるように上昇させることができる。但し、冷却液温度taの温度には上限を設けることが好ましい。本実施形態では、ステップS308実行時の冷却液温度tbに対する温度差が10℃を超えない範囲内で、冷却液温度taを上昇させるようにする。ステップS308の処理が終了したら、今度は水移動量f2の調整に関する処理を行うべく、ステップS314へと移行する。   Note that, during the coolant temperature control in step S308, the coolant temperature ta can be raised, for example, to be about 10 ° C. higher than the current coolant temperature tb. However, it is preferable to provide an upper limit for the temperature of the coolant temperature ta. In the present embodiment, the coolant temperature ta is raised within a range where the temperature difference with respect to the coolant temperature tb at the time of execution of step S308 does not exceed 10 ° C. When the process of step S308 ends, the process proceeds to step S314 to perform a process related to the adjustment of the water movement amount f2.

ステップS306の条件の成立が認められない場合には、水移動量推定値f1_aが、所定の下限値F1−αよりも小さいか否かが判定される(ステップS310)。下限値としたF1−αは、上記ステップS306とは逆に、目標水移動量F1の値から所定値αを減じた値である。   When the establishment of the condition in step S306 is not recognized, it is determined whether or not the estimated water movement amount f1_a is smaller than a predetermined lower limit value F1-α (step S310). F1-α, which is the lower limit, is a value obtained by subtracting the predetermined value α from the value of the target water movement amount F1, contrary to step S306.

ステップS310の条件の成立が認められた場合には、水移動量f1が不足しているとの判断が下され、冷却液温度taを低下させる処理が実行される(ステップS312)。ここでは、ステップS308の処理とは逆に、冷却液温度taが現在の温度から所定温度だけ低下するように、ECU58が熱交換器53を操作する。これにより、個々の単位燃料電池11の水移動量f1を増加することができる。   When the establishment of the condition of step S310 is recognized, it is determined that the water movement amount f1 is insufficient, and a process of reducing the coolant temperature ta is executed (step S312). Here, contrary to the process of step S308, the ECU 58 operates the heat exchanger 53 so that the coolant temperature ta decreases by a predetermined temperature from the current temperature. Thereby, the water movement amount f1 of each unit fuel cell 11 can be increased.

なお、ステップS312における冷却液温度制御の際、冷却液温度taは、例えば、現在の冷却液温度tbに対して10℃程度低い温度となるように低下させることができる。但し、ステップS308と同様に、冷却液温度taの温度には下限を設ける。本実施形態では、ステップS312実行時の冷却液温度tbに対する温度差が10℃を超えない範囲内で、冷却液温度taを低下させるようにする。なお、実施の形態1の図6のマップを流用することもできる。ステップS312の処理が終了したら、今度は水移動量f2の調整に関する処理を行うべく、ステップS314へと移行する。   In the cooling liquid temperature control in step S312, the cooling liquid temperature ta can be lowered, for example, to be about 10 ° C. lower than the current cooling liquid temperature tb. However, as in step S308, a lower limit is set for the temperature of the coolant temperature ta. In the present embodiment, the coolant temperature ta is decreased within a range where the temperature difference with respect to the coolant temperature tb at the time of execution of step S312 does not exceed 10 ° C. In addition, the map of FIG. 6 of Embodiment 1 can also be diverted. When the process of step S312 is completed, the process proceeds to step S314 to perform a process related to the adjustment of the water movement amount f2.

ステップS306の条件の成立が認められず、かつ、ステップS310の条件の成立も認められなかった場合には、水移動量f1の調整に関する処理を行うことなく、水移動量f2の調整に関する処理(ステップS314)へと移行する。ここで、ステップS306、S310の条件が共に不成立の場合には、F1−α≦f1_a≦F1+αの条件が成立していることを意味する。   If the establishment of the condition in step S306 is not recognized and the establishment of the condition in step S310 is not recognized, the process related to the adjustment of the water movement amount f2 without performing the process related to the adjustment of the water movement amount f1 ( The process proceeds to step S314). Here, when the conditions of steps S306 and S310 are not satisfied, it means that the condition of F1-α ≦ f1_a ≦ F1 + α is satisfied.

つまり、ステップS306、S308、S310、S312の一連の処理が繰り返し実行されることにより、推定値f1_aが特定の範囲内(F1−α≦f1_a≦F1+α)に収まるように、冷却液温度taが調節されることになる。これに応じて、推定の対象である水移動量fが特定の範囲内に維持される。   That is, the coolant temperature ta is adjusted so that the estimated value f1_a is within a specific range (F1−α ≦ f1_a ≦ F1 + α) by repeatedly executing a series of steps S306, S308, S310, and S312. Will be. In response to this, the water movement amount f to be estimated is maintained within a specific range.

(水移動量f2に関する処理)
次に、水移動量f2の調整に関する処理を行うべく、ステップS314の処理が実行される。このステップでは、上記のステップS306と同様の処理を、水移動量推定値f2_aを対象として行う。先ず、ECU58が、図10(b)のマップから、現在の出力電流値Iaと冷却液温度tbに応じた目標水移動量F2を取得する。続いて、目標水移動量F2の値と所定値βとの和で上限値F2+βが決定され、水移動量推定値f2_aがこの上限値F2+βを上回っているか否かが判定される。
(Processing on water movement amount f2)
Next, the process of step S314 is performed in order to perform the process regarding adjustment of the water movement amount f2. In this step, the same process as in step S306 is performed on the estimated water movement amount f2_a. First, the ECU 58 acquires the target water movement amount F2 corresponding to the current output current value Ia and the coolant temperature tb from the map of FIG. Subsequently, the upper limit value F2 + β is determined by the sum of the target water movement amount F2 and the predetermined value β, and it is determined whether or not the estimated water movement amount f2_a exceeds the upper limit value F2 + β.

ステップS314の条件の成立が認められた場合には、水移動量f2が過剰であるとの判断が下され、冷却液温度tcを上昇させる処理が実行される(ステップS316)。ステップS316の処理は、冷却液温度tcを対象にして、上記のステップS308と同様の処理を行うことにより実現できる。このため、説明は省略する。ステップS316の処理が完了したら、今回のルーチンが終了する。   If the establishment of the condition in step S314 is confirmed, it is determined that the water movement amount f2 is excessive, and a process of increasing the coolant temperature tc is executed (step S316). The process of step S316 can be realized by performing the same process as step S308 described above for the coolant temperature tc. Therefore, the description is omitted. When the process of step S316 is completed, the current routine ends.

ステップS314の条件の成立が認められない場合には、水移動量推定値f2_aが、所定の下限値F2−βよりも小さいか否かが判定される(ステップS318)。このステップでは、水移動量推定値f2_aが、下限値F2−βを下回っているか否かが判定される。   If the establishment of the condition in step S314 is not confirmed, it is determined whether or not the estimated water movement amount f2_a is smaller than a predetermined lower limit value F2-β (step S318). In this step, it is determined whether or not the estimated water movement amount f2_a is below the lower limit value F2-β.

ステップS314の条件の成立が認められた場合には、水移動量f2が過剰であるとの判断が下され、冷却液温度tcを上昇させる処理が実行される(ステップS316)。ステップS320の処理は、冷却液温度tcを対象にして、上記のステップS312と同様の処理を行うことにより実現できる。このため、説明は省略する。ステップS320の処理が完了したら、今回のルーチンが終了する。   If the establishment of the condition in step S314 is confirmed, it is determined that the water movement amount f2 is excessive, and a process of increasing the coolant temperature tc is executed (step S316). The process of step S320 can be realized by performing the same process as step S312 described above for the coolant temperature tc. Therefore, the description is omitted. When the process of step S320 is completed, the current routine ends.

ステップS314の条件の成立が認められず、かつ、ステップS318の条件の成立も認められなかった場合には、水移動量f2の調整に関する処理を行うことなく、今回のルーチンが終了する。ステップS314、S318の条件が共に不成立の場合には、F2−β≦f2_a≦F2+βの条件が成立していることを意味する。よって、水移動量f1に関する処理で述べたのと同様に、本ルーチンが繰り返し実行されることにより、推定値f2_aが特定の範囲内(F2−β≦f2_a≦F2+β)に収まるように、冷却液温度tcが調節されることになる。これに応じて、推定の対象である水移動量f2が特定の範囲内に維持される。   If the establishment of the condition in step S314 is not recognized and the establishment of the condition in step S318 is not recognized, the current routine is terminated without performing the process related to the adjustment of the water movement amount f2. If the conditions of steps S314 and S318 are not satisfied, it means that the condition of F2-β ≦ f2_a ≦ F2 + β is satisfied. Therefore, in the same manner as described in the processing relating to the water movement amount f1, the coolant is repeatedly executed so that the estimated value f2_a falls within a specific range (F2-β ≦ f2_a ≦ F2 + β). The temperature tc will be adjusted. In response to this, the amount of water movement f2 to be estimated is maintained within a specific range.

以上説明したように、実施の形態2の具体的処理によれば、水移動量f1、f2が不足していると考えられる場合に、ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域(A、C領域)を低温にすることができる。これにより、必要なとき速やかに水移動量を増加させ、水移動量f1、f2を、なるべく過不足のない好適な値に近づけることができる。   As described above, according to the specific processing of the second embodiment, when it is considered that the water movement amounts f1 and f2 are insufficient, the inlet side portion and the outlet side portion of the gas flow channel face each other. The located region (A, C region) can be lowered in temperature. As a result, the amount of water movement can be quickly increased when necessary, and the amount of water movement f1, f2 can be as close to a suitable value as possible.

特に、実施の形態2によれば、水移動量f1、f2を推定演算して推定値f1_a、f2_aを求め、推定値f1_a、f2_aの大小に応じてシステムの制御を行っている。このように、実施の形態2では、単位燃料電池11内の湿度環境の変化(例えば各ガス流路の入口の湿度の変化)ではなく、水移動量f1、f2そのものに着目して水移動量の不足の判定を行っている。これにより、水移動量の調整を、水移動量f1、f2の絶対的な量の変化に応じて的確に行うことができる。   In particular, according to the second embodiment, the estimated values f1_a and f2_a are obtained by estimating and calculating the water movement amounts f1 and f2, and the system is controlled according to the magnitudes of the estimated values f1_a and f2_a. As described above, in the second embodiment, the amount of water movement is not the change of the humidity environment in the unit fuel cell 11 (for example, the change of the humidity at the inlet of each gas flow path) but the water movement amount f1, f2 itself. Judgment of lack of. Thereby, adjustment of the amount of water movement can be accurately performed according to a change in the absolute amount of the amount of water movement f1, f2.

そして、実施の形態1によれば、現実に計測、計量することは困難であると考えられる水移動量f1、f2を、各ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域(A、C領域)の環境に関する情報(具体的には、湿度、温度、圧力)に基づいて、推定により把握することができる。   According to the first embodiment, the water movement amounts f1 and f2 considered to be difficult to actually measure and measure are positioned so that the inlet side portion and the outlet side portion of each gas flow channel face each other. Based on information (specifically, humidity, temperature, pressure) regarding the environment in the areas (A and C areas), it can be grasped by estimation.

また、実施の形態2では、水移動量f1、f2が過剰であるか否かの判定も行い、その判定結果に応じて、水移動量f1、f2の抑制も行っている。これにより、水移動量f1、f2が過剰であると考えられる場合に速やかに水移動量f1、f2を低減することができる。   In the second embodiment, it is also determined whether or not the water movement amounts f1 and f2 are excessive, and the water movement amounts f1 and f2 are also suppressed according to the determination result. Thereby, when it is considered that the water movement amounts f1 and f2 are excessive, the water movement amounts f1 and f2 can be quickly reduced.

尚、上記説明した実施の形態2では、ECU58が、上記図8のルーチンにおけるステップS310または/およびS318の処理を実行することにより、前記第2の発明における「不足判定手段」が実現されている。また、ステップS308または/およびS312の処理を実行することにより、前記第2の発明における「冷却制御手段」が実現されている。   In the second embodiment described above, the “insufficient determination means” in the second aspect of the present invention is realized by the ECU 58 executing the processing of step S310 or / and S318 in the routine of FIG. . Further, the “cooling control means” according to the second aspect of the present invention is implemented by executing the processing of step S308 or / and S312.

また、実施の形態2では、ECU58が、上記図8のルーチンにおけるステップS304の処理を実行することにより、前記第4の発明における「水移動量取得手段」が実現されている。また、ステップS310または/およびS318の処理を実行することにより、前記第4の発明において「不足判定手段」が実現する機能が実現されている。そして、実施の形態2では、下限値F1−αと下限値F2−βが、前記第4の発明における「下限値」に相当している。   Further, in the second embodiment, the “water movement amount acquisition means” in the fourth aspect of the present invention is realized by the ECU 58 executing the process of step S304 in the routine of FIG. Further, by executing the processing of step S310 or / and S318, the function realized by the “insufficient determination means” in the fourth invention is realized. In the second embodiment, the lower limit value F1-α and the lower limit value F2-β correspond to the “lower limit value” in the fourth invention.

また、実施の形態1では、ECU58が、図8のルーチンにおけるステップS100およびS302を実行することにより、前記第5の発明における「ガス流路環境取得手段」が、ステップS304の処理を実行することにより、前記第5の発明における「推定演算手段」が、それぞれ実現されている。またECU58が上述した式(5)および(6)を記憶していることにより、前記第5の発明における「水移動特性記憶手段」が実現されている。   In the first embodiment, the ECU 58 executes steps S100 and S302 in the routine of FIG. 8, so that the “gas flow path environment obtaining unit” in the fifth aspect executes the process of step S304. Thus, the “estimation calculation means” in the fifth aspect of the invention is realized. In addition, since the ECU 58 stores the above-described equations (5) and (6), the “water movement characteristic storage means” in the fifth aspect of the present invention is realized.

また、上記説明した実施の形態2では、ECU58が、上記図8のルーチンにおけるステップS306または/およびS314の処理を実行することにより、前記第7の発明における「過剰判定手段」が、ステップS308または/およびS316の処理が実行されることにより、前記第7の発明における「昇温制御手段」が、それぞれ実現されている。   In the second embodiment described above, the ECU 58 executes the process of step S306 or / and S314 in the routine of FIG. 8 so that the “excess determination means” in the seventh aspect of the invention is step S308 or By executing the process of / and S316, the “temperature increase control means” in the seventh aspect of the present invention is realized.

[実施の形態2の変形例]
実施の形態2では、図8に示すルーチンのステップS304の処理を実行することにより、水移動量の推定値f1_a、f2_aを取得した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、特願2007−138333号に記載の推定方法の中で、膜電極接合体12を介した水移動量H2O_mを小領域ごとに算出するステップがある。本実施形態では特願2007−138333号に記載の推定方法に基づく推定ルーチンを実行するので、本実施形態においても、この水移動量H20_mの計算を行うステップが存在する。この情報を利用して、例えば、膜電極接合体12上の複数の小領域のうち、A領域に属する複数の小領域における水移動量H2O_mの総和を求め、この総和の値を用いて水移動量f1を推定してもよい。
[Modification of Embodiment 2]
In the second embodiment, the estimated values f1_a and f2_a of the water movement amount are obtained by executing the process of step S304 of the routine shown in FIG. However, the present invention is not limited to this. For example, in the estimation method described in Japanese Patent Application No. 2007-138333, there is a step of calculating the amount of water movement H2O_m through the membrane electrode assembly 12 for each small region. In this embodiment, since an estimation routine based on the estimation method described in Japanese Patent Application No. 2007-138333 is executed, there is a step of calculating this water movement amount H20_m also in this embodiment. Using this information, for example, the sum of the water movement amounts H2O_m in the plurality of small regions belonging to the region A among the plurality of small regions on the membrane electrode assembly 12 is obtained, and the water movement is performed using the value of this sum. The quantity f1 may be estimated.

また、実施の形態2では、水移動量の不足判定および過剰判定の両方を行っている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。不足判定と過剰判定のどちらか一方のみを単独で用いてもよい。つまり、不足判定による水移動量不足対策の思想と、過剰判定による水移動量過剰対策の思想は、それぞれ個別に利用されることが可能である。   Moreover, in Embodiment 2, both the deficiency determination and excess determination of water movement amount are performed. However, the present invention is not limited to this. Only one of the deficiency determination and the excess determination may be used alone. That is, the idea of countermeasures for insufficient water movement by insufficient determination and the idea of countermeasures for excessive water movement by excessive determination can be used individually.

実施の形態3.
上述した実施の形態2の制御は、燃料電池システムの通常運転時を含めて、種々の状況において実行することが出来る。しかしながら、例えばシステム起動時やシステム終了時の状況は、通常運転時の状況とは異なる。そこで、実施の形態3では、燃料電池システムの運転状態に応じて、適切な水移動量の調整を行う。
Embodiment 3 FIG.
The control of the second embodiment described above can be executed in various situations including the normal operation of the fuel cell system. However, for example, the situation at the time of system startup or system termination is different from the situation at the time of normal operation. Therefore, in the third embodiment, an appropriate amount of water movement is adjusted according to the operating state of the fuel cell system.

本発明の実施の形態3は、燃料電池システムの起動時(始動中)に関して好適な水移動量の調整を提供する。本発明にかかる実施の形態3の燃料電池システムは、実施の形態2と同様の構成において同様の動作を行うことができるシステムとする。以下の説明では、図8のルーチンが、便宜上、システムの通常運転時に実行されるものとして説明を行う。   The third embodiment of the present invention provides suitable adjustment of the amount of water movement when the fuel cell system is started (during startup). The fuel cell system according to the third embodiment of the present invention is a system that can perform the same operation in the same configuration as that of the second embodiment. In the following description, the routine of FIG. 8 will be described as being executed during normal operation of the system for convenience.

システムの起動時には、燃料電池スタック10は低温状態にある。起動時の低温状況下においては、膜電極接合体12が過度に乾燥するという状況は、比較的発生しにくいと考えられる。従って、起動時においては、膜電極接合体12の乾燥を防止すべく単位燃料電池11内のアノードの水量を増加させる必要性は、それほど高くないと考えられる。また、単位燃料電池11内のアノード側に存在する水の量が過度に多くなると、アノードにおいて所謂フラッディングなどの弊害を招くおそれもある。   When the system is started, the fuel cell stack 10 is in a low temperature state. It is considered that the situation where the membrane electrode assembly 12 is excessively dried is relatively unlikely to occur under a low temperature condition at the time of startup. Therefore, at the time of start-up, the necessity for increasing the amount of water in the anode in the unit fuel cell 11 to prevent the membrane electrode assembly 12 from being dried is considered not so high. In addition, if the amount of water present on the anode side in the unit fuel cell 11 is excessively large, there is a possibility of causing adverse effects such as so-called flooding in the anode.

そこで、実施の形態3では、システム起動時においては、通常運転時に比して、アノード側からカソード側へ向かう水移動を促進し(水移動量f1を増加し)、逆に、カソード側からアノード側へ向かう水移動を抑制する(水移動量f2を低減する)こととする。このようにすることで、単位燃料電池11内のアノード側の水量が不必要に増加することを避けることができる。   Therefore, in the third embodiment, when the system is started, water movement from the anode side to the cathode side is promoted (increase the water movement amount f1) compared to during normal operation, and conversely, from the cathode side to the anode The water movement toward the side is suppressed (the water movement amount f2 is reduced). By doing so, it is possible to avoid an unnecessary increase in the amount of water on the anode side in the unit fuel cell 11.

具体的には、実施の形態3では、実施の形態2で述べた目標水移動量F1、F2の値を通常運転時と異なる値に変更して、システム起動時に図8のルーチンを実行する。本実施形態では、図8(a)のマップの各値に所定の増量係数を乗じることにより、目標水移動量F1の値を全体的に増加させ、図8(b)のマップの各値に所定の減量係数を乗ずることにより、目標水移動量F2の値を全体的に減少させる。   Specifically, in the third embodiment, the values of the target water movement amounts F1 and F2 described in the second embodiment are changed to values different from those during normal operation, and the routine of FIG. 8 is executed when the system is activated. In this embodiment, by multiplying each value of the map of FIG. 8A by a predetermined increase coefficient, the value of the target water movement amount F1 is increased as a whole, and each value of the map of FIG. By multiplying by a predetermined weight loss coefficient, the value of the target water movement amount F2 is reduced as a whole.

目標水移動量F1の値が全体的に増加すれば、図8のルーチン中ステップS306の判定条件およびS310の判定条件が、ともに、水移動量f1を増量する側にシフトする。逆に、目標水移動量F2の値が全体的に減少すれば、図8のルーチン中ステップS314の判定条件およびS318の判定条件が、ともに、水移動量f2を減量する側にシフトする。その結果、水移動量f1を相対的に多めに調整し、かつ、水移動量f2を相対的に少なめに調整することが可能となる。   If the value of the target water movement amount F1 increases as a whole, both the determination condition of step S306 and the determination condition of S310 in the routine of FIG. 8 are shifted to the side of increasing the water movement amount f1. Conversely, if the value of the target water movement amount F2 decreases as a whole, both the determination condition in step S314 and the determination condition in S318 in the routine of FIG. 8 are shifted to the side where the water movement amount f2 is decreased. As a result, the water movement amount f1 can be adjusted to be relatively large, and the water movement amount f2 can be adjusted to be relatively small.

システムの起動後、通常運転状態への移行が完了したら、適宜のタイミングで、目標水移動量F1、F2のマップを通常運転時の値に戻せばよい。   When the transition to the normal operation state is completed after the system is activated, the target water movement amounts F1 and F2 may be returned to the values during the normal operation at an appropriate timing.

以上説明したように、実施の形態3によれば、水移動量の調整を、燃料電池システムの起動時の状況に合わせて行うことができる。   As described above, according to the third embodiment, the water movement amount can be adjusted in accordance with the situation when the fuel cell system is activated.

なお、実施の形態3では、図8(a)(b)のマップの値に、増量係数または減量係数を乗じて、目標水移動量F1、F2の値を変更した。しかしながら、例えば、目標水移動量F1、F2の値を変更した起動時用マップを個別に作成しておいて、システム起動時に当該起動時用マップに切り換えても良い。   In the third embodiment, the values of the target water movement amounts F1 and F2 are changed by multiplying the map values in FIGS. 8A and 8B by the increase coefficient or the decrease coefficient. However, for example, a startup map in which the values of the target water movement amounts F1 and F2 are changed may be individually created and switched to the startup map when the system is started.

実施の形態4.
本発明にかかる実施の形態4は、システムの暖機運転の制御に特徴を有している点で、実施の形態3に相違する。なお、実施の形態4のシステムは、実施の形態3と同様の構成を備え、同様の動作を行うことができるものとする。
Embodiment 4 FIG.
The fourth embodiment according to the present invention is different from the third embodiment in that it has a feature in controlling the warm-up operation of the system. The system of the fourth embodiment has the same configuration as that of the third embodiment and can perform the same operation.

実施の形態3では、システム起動時には、単位燃料電池11のアノード側の水量が比較的少なくなるように、水移動量の調整を行っている。一方、システムを起動した後、システムの暖機運転を行う際には、できるだけ早く燃料電池スタック10の温度を上昇させたいという要求がある。このような観点からは、単位燃料電池11のアノード側の水量を十分に多くし、単位燃料電池11の出力を早急に確保することが好ましい。膜電極接合体12が乾いていると、出力を確保できないからである。   In Embodiment 3, when the system is started, the amount of water movement is adjusted so that the amount of water on the anode side of the unit fuel cell 11 is relatively small. On the other hand, when the system is warmed up after the system is started, there is a demand for raising the temperature of the fuel cell stack 10 as soon as possible. From such a viewpoint, it is preferable that the amount of water on the anode side of the unit fuel cell 11 is sufficiently increased and the output of the unit fuel cell 11 is secured immediately. This is because the output cannot be secured when the membrane electrode assembly 12 is dry.

そこで、実施の形態4では、先ず、システムの起動時に実施の形態3にかかる制御を実行する。その後、システムの暖機運転中には、実施の形態3とは逆に、通常運転時に比して、アノード側からカソード側へ向かう水移動を抑制し、逆に、カソード側からアノード側へ向かう水移動を促進することとする。このようにすることで、システムの暖機運転中に、単位燃料電池11内のアノード側の水量を増加させることができる。   Therefore, in the fourth embodiment, first, the control according to the third embodiment is executed when the system is started. Thereafter, during the warm-up operation of the system, contrary to the third embodiment, water movement from the anode side to the cathode side is suppressed and, conversely, from the cathode side to the anode side, as compared with the normal operation. Promote water movement. By doing so, the amount of water on the anode side in the unit fuel cell 11 can be increased during the warm-up operation of the system.

具体的には、実施の形態4では、実施の形態3と逆に、図8(a)のマップの各値に減量係数を乗じて、目標水移動量F1の値を全体的に減少させ、図8(b)のマップの各値に増量係数を乗じて、目標水移動量F2の値を全体的に増加させる。これにより、実施の形態3とは反対に、水移動量f1を相対的に少なめに調整し、かつ、水移動量f2を相対的に多めに調整することが可能となる。なお、ここで述べた減量係数や増量係数は、実施の形態3で述べた係数と同じ値にしなくともよい。   Specifically, in the fourth embodiment, contrary to the third embodiment, the value of the target water movement amount F1 is reduced as a whole by multiplying each value of the map of FIG. The value of the target water movement amount F2 is increased as a whole by multiplying each value in the map of FIG. As a result, contrary to the third embodiment, the water movement amount f1 can be adjusted relatively small, and the water movement amount f2 can be adjusted relatively large. Note that the reduction coefficient and the increase coefficient described here do not have to be the same values as the coefficients described in the third embodiment.

システム起動時とシステムの暖機運転時との間での目標水移動量F1、F2の値の切換は、例えば、システムの各種機器の状態や、システム起動時からの経過時間など、適宜のタイミングで行えばよい。その後、システムの暖機運転が完了し、通常運転状態への移行が完了したら、適宜のタイミングで、目標水移動量F1、F2のマップを通常運転時の値に戻せばよい。   Switching of the target water movement amounts F1 and F2 between the system startup and the system warm-up operation is performed at an appropriate timing such as the state of various system devices and the elapsed time since the system startup. Just do it. After that, when the warm-up operation of the system is completed and the transition to the normal operation state is completed, the target water movement amounts F1 and F2 may be returned to the values during the normal operation at an appropriate timing.

以上説明したように、実施の形態4によれば、燃料電池システムの起動後、暖機運転を行う状況に合わせて、水移動量の調整を行うことができる。なお、実施の形態4においても、実施の形態3で述べたように、暖機運転時用マップを個別に準備して切り換えても良い。   As described above, according to the fourth embodiment, the amount of water movement can be adjusted in accordance with the situation in which the warm-up operation is performed after the start of the fuel cell system. In the fourth embodiment, as described in the third embodiment, the warm-up operation map may be prepared and switched individually.

実施の形態5.
上述したように、実施の形態3はシステム起動時に好適な制御を、実施の形態4はシステムの暖機運転時に好適な制御を、それぞれ提供している。これに対し、本発明にかかる実施の形態5は、システムの終了時(停止時)の状況に対して好適である。なお、実施の形態5の燃料電池システムは、実施の形態2と同様の構成において同様の動作を行うことができるものとする。
Embodiment 5 FIG.
As described above, the third embodiment provides a suitable control at the time of starting the system, and the fourth embodiment provides a suitable control at the time of warming up the system. On the other hand, the fifth embodiment according to the present invention is suitable for the situation at the time of termination (stopping) of the system. It is assumed that the fuel cell system of Embodiment 5 can perform the same operation in the same configuration as that of Embodiment 2.

単位燃料電池11内(又は燃料電池スタック10内)に残存する水をできるだけ少なくした状態で、システムを停止したいという要求がある。さらには、残存水量をより一層減らし、膜電極接合体12のアノードとカソード両面を十分に乾かした状態で、システムを停止したい場合もある。例えば、システムが寒冷地に置かれうる状況下では、凍結により、膜電極接合体12やシステムの各種機器に悪影響が生じることが懸念されるからである。   There is a demand to stop the system in a state where water remaining in the unit fuel cell 11 (or the fuel cell stack 10) is as small as possible. Furthermore, there is a case where it is desired to stop the system while the remaining water amount is further reduced and both the anode and the cathode of the membrane electrode assembly 12 are sufficiently dried. For example, in a situation where the system can be placed in a cold region, there is a concern that the membrane electrode assembly 12 and various devices of the system may be adversely affected by freezing.

そこで、実施の形態5では、上記のような残存水量低減の要求を満足すべく、システム終了時に、次のような手法を用いて、単位燃料電池11内の水量を減少させる。   Therefore, in the fifth embodiment, at the end of the system, the amount of water in the unit fuel cell 11 is reduced by using the following method at the end of the system in order to satisfy the request for reducing the amount of remaining water.

既述したように、実施の形態5のシステムは、実施の形態1乃至4と同様に、図1に示す構成を有している。図1のシステムでは、コンプレッサ20が作動することにより、燃料電池スタック10内の個々の単位燃料電池11のカソードガス流路14を通って空気が流通する。この空気の流通の過程で、カソードガス流路14内の水分および膜電極接合体12のカソード側の面の水分が、酸化ガス排出通路16へと持ち去られる。   As described above, the system of the fifth embodiment has the configuration shown in FIG. 1 as in the first to fourth embodiments. In the system of FIG. 1, when the compressor 20 operates, air flows through the cathode gas flow paths 14 of the individual unit fuel cells 11 in the fuel cell stack 10. In the course of this air flow, the moisture in the cathode gas channel 14 and the moisture on the cathode side of the membrane electrode assembly 12 are taken away to the oxidizing gas discharge passage 16.

そこで、実施の形態5では、この点を利用して、システム終了時には、単位燃料電池11内におけるアノード側からカソード側に向かう水移動を促進し、カソード側からアノード側に向かう水移動を抑制する。これにより、単位燃料電池11内の水をカソード側へと集め、この水を酸化ガス排出通路16へと排出することができる。   Therefore, in the fifth embodiment, by utilizing this point, when the system is terminated, water movement from the anode side to the cathode side in the unit fuel cell 11 is promoted, and water movement from the cathode side to the anode side is suppressed. . Thereby, the water in the unit fuel cell 11 can be collected to the cathode side, and this water can be discharged to the oxidizing gas discharge passage 16.

具体的には、本実施形態では、システムの終了時に、目標水移動量F1、F2の値を実施の形態3と同様に変更(F1の値を増量、F2の値を減量)して、図8のルーチンを実行する。但し、目標水移動量F1、F2の変更に用いる減量係数や増量係数は、実施の形態3で述べた係数と同じ値にしなくともよい。   Specifically, in the present embodiment, at the end of the system, the values of the target water movement amounts F1 and F2 are changed in the same manner as in the third embodiment (the value of F1 is increased and the value of F2 is decreased). 8 routine is executed. However, the reduction coefficient and the increase coefficient used for changing the target water movement amounts F1 and F2 need not be the same values as the coefficients described in the third embodiment.

以上説明したように、実施の形態5によれば、燃料電池システムの終了時に、単位燃料電池11内の残存水量を低減するように、水移動量の調整を行うことができる。なお、実施の形態5においても、実施の形態3および4で述べたのと同様に、システム終了時用マップを個別に準備しても良い。なお、燃料電池システムの運転終了時にカソード側の系についていわゆる掃気運転を実行する場合に、実施の形態5を組み合わせることも有効である。   As described above, according to the fifth embodiment, the amount of water movement can be adjusted so as to reduce the amount of remaining water in the unit fuel cell 11 at the end of the fuel cell system. In the fifth embodiment, the system end time map may be prepared separately as described in the third and fourth embodiments. Note that it is also effective to combine the fifth embodiment when a so-called scavenging operation is performed on the cathode side system at the end of the operation of the fuel cell system.

尚、上述の実施の形態3乃至5では、目標水移動量F1、F2の両方を変更したが、F1、F2のうち片方のみの値を変更してもよい。例えば、目標水移動量F1を増加すれば、これに応じてアノード側からカソード側へ向かう水移動量f1を増加することができる。その結果、目標水移動量F2を変更しなくとも、全体的に見れば、通常運転時に比して、アノード側からカソード側へ向かう水移動を増加させることができる。   In the third to fifth embodiments described above, both the target water movement amounts F1 and F2 are changed. However, only one of the values F1 and F2 may be changed. For example, if the target water movement amount F1 is increased, the water movement amount f1 from the anode side toward the cathode side can be increased accordingly. As a result, even if the target water movement amount F2 is not changed, the water movement from the anode side to the cathode side can be increased as compared with the normal operation as a whole.

実施の形態6.
本発明にかかる実施の形態6の燃料電池システムは、実施の形態1乃至5と同じシステム構成を有するものの、膜電極接合体12の構成が実施の形態1乃至5と相違する。
Embodiment 6 FIG.
Although the fuel cell system according to the sixth embodiment of the present invention has the same system configuration as that of the first to fifth embodiments, the configuration of the membrane electrode assembly 12 is different from that of the first to fifth embodiments.

既述したように、相対的に湿度が高いガス流路出口と相対的に湿度が低いガス流路入口とを膜電極接合体12を介して対向させることにより、図2の矢印f1、f2のように、ガス流路出口からガス流路入口に向かって水を移動させることができる。実施の形態6では、膜電極接合体12のうち、このような水移動に関与する部位(つまり、A、C領域)を、中央側の部位(B領域)とは異なる構成にする。   As described above, the gas channel outlet having a relatively high humidity and the gas channel inlet having a relatively low humidity are opposed to each other through the membrane electrode assembly 12, so that the arrows f 1 and f 2 in FIG. In this way, water can be moved from the gas channel outlet toward the gas channel inlet. In Embodiment 6, the part (namely, A area | region and C area | region) which concerns in such a water movement among the membrane electrode assemblies 12 is set as the structure different from the site | part (B area | region) of the center side.

具体的には、実施の形態6では、膜電極接合体12のA、C領域部分を形成する材料を、B領域部分を形成する材料とは異なる組成にし、A、C領域部分の材料をより水が移動しやすい組成の材料にする。例えば、A、C領域部分は、B領域部分に比べて、水透過係数がより高い電解質材料を用いる。これにより、水移動量f1、f2を、増加させることができる。   Specifically, in the sixth embodiment, the material for forming the A and C region portions of the membrane electrode assembly 12 has a composition different from that of the material for forming the B region portion, and the material for the A and C region portions is more Use a material with a composition that allows water to move easily. For example, the A and C region portions use an electrolyte material having a higher water permeability coefficient than the B region portion. Thereby, water movement amount f1, f2 can be increased.

なお、材料を変更する代わりに、または、材料の変更とともに、膜電極接合体12のA、C領域部分の厚さを、B領域部分に比して薄くしてもよい。膜電極接合体12を薄くすれば、その分だけ水が透過しやすくなり、水移動量を増やすことができるからである。   Instead of changing the material, or together with changing the material, the thickness of the A and C region portions of the membrane electrode assembly 12 may be made thinner than the B region portion. This is because if the membrane / electrode assembly 12 is made thinner, water can easily pass therethrough and the amount of water movement can be increased.

なお、材料や厚みの変更は、膜電極接合体12のうち電解質膜12a、触媒層12b、12cのいずれかを対象にして、またはそれらの中から2以上を対象にして、行うことができる。膜電極接合体が上記の電解質膜、電極触媒層以外の層をも含む3層以上の多層構造である場合にも、それらの層のうち1層以上を対象にして、同層内でA、C領域に相当する部位の材料や厚みを変更すればよい。なお、「相対的に水が移動しやすい構成」とは、「アノード側とカソード側との間で水交換しやすい構成」とも言い換えることができる。   The material and the thickness can be changed with respect to any one of the electrolyte membrane 12a and the catalyst layers 12b and 12c in the membrane electrode assembly 12, or two or more of them. Even when the membrane / electrode assembly has a multilayer structure of three or more layers including layers other than the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer, one or more of those layers are targeted and A, What is necessary is just to change the material and thickness of the site | part corresponded to C area | region. Note that “a structure in which water is relatively easy to move” can be rephrased as “a structure in which water is easily exchanged between the anode side and the cathode side”.

なお、実施の形態1乃至5おシステムとの組み合わせではなく、実施の形態6の思想のみを単独で用いてもよい。   It should be noted that only the idea of the sixth embodiment may be used alone, not the combination with the first to fifth embodiments.

実施の形態7.
既述したように、電解質は、周囲の湿度の高低に応じて水透過特性が変化するという特性を有している。電解質の材料の組成が異なれば、周囲の湿度の上昇量に対する水透過特性の増加量も異なってくる。
Embodiment 7 FIG.
As described above, the electrolyte has a characteristic that the water permeation characteristic changes according to the surrounding humidity. If the composition of the electrolyte material is different, the amount of increase in water permeation characteristics with respect to the amount of increase in ambient humidity is also different.

そこで、実施の形態7では、膜電極接合体12のA、C領域部分を、湿度の変化に対して水透過係数がより敏感に(大きく)変化するような電解質材料を用いて形成する。その結果、周囲の湿度の上昇量が同じである場合には、A、C領域部分の電解質材料は水透過係数の増大が相対的に大きく、B領域部分の電解質材料は水透過係数の増大が相対的に小さくなる。周囲の湿度の上昇量に対する水透過特性の増加量が大きければ、冷却液の温度を大きく低下させなくとも、大きな水移動促進効果を得ることができる。   Therefore, in the seventh embodiment, the A and C region portions of the membrane electrode assembly 12 are formed using an electrolyte material whose water permeability coefficient changes more sensitively (largely) with respect to changes in humidity. As a result, when the amount of increase in ambient humidity is the same, the electrolyte material in the A and C region portions has a relatively large increase in water permeability coefficient, and the electrolyte material in the B region portion has an increase in water permeability coefficient. Relatively small. If the amount of increase in water permeation characteristics with respect to the amount of increase in ambient humidity is large, a large effect of promoting water movement can be obtained without greatly reducing the temperature of the coolant.

このような構成により、冷却液温度ta、tcを大きく低下させなくとも、水移動量f1、f2を十分に増加させることができる。   With such a configuration, the water movement amounts f1 and f2 can be sufficiently increased without greatly reducing the coolant temperatures ta and tc.

なお、実施の形態7の構成によれば、少なくとも、次のような効果が得られる。実施の形態1で述べたように、発電時における燃料電池内部の(特に触媒層)の温度は、発電性能に影響を及ぼす要因の一つである。水移動量f1、f2を増加させるためではあっても、A、C領域部分の温度が過度に低下することは、発電性能への影響を考えるとなるべく避けたい。この点、実施の形態7によれば、小さな温度低下幅や温度上昇幅で、水移動量f1、f2を大きく増加あるいは低減することができる。よって、発電性能への影響を小さくしつつ水移動量の調整を行うことができる。   According to the configuration of the seventh embodiment, at least the following effects can be obtained. As described in the first embodiment, the temperature inside the fuel cell (especially the catalyst layer) during power generation is one of the factors affecting the power generation performance. Even in order to increase the water movement amounts f1 and f2, it is desirable to avoid the temperature of the A and C region portions from being excessively lowered in consideration of the influence on the power generation performance. In this regard, according to the seventh embodiment, it is possible to greatly increase or decrease the water movement amounts f1 and f2 with a small temperature decrease width and temperature increase width. Therefore, the amount of water movement can be adjusted while reducing the influence on the power generation performance.

また、実施の形態7の思想のみを個別に利用することができる。   Moreover, only the idea of Embodiment 7 can be used individually.

特願2007−138333号にかかる燃料電池面内状態推定方法.
以下、特願2007−138333号に記載の推定方法の内容について記載する。但し、図面や符号の番号については、既述した本発明の内容と混同を避けるため、特願2007−138333号の図面や符号の番号から適宜変更している。
Fuel cell in-plane state estimation method according to Japanese Patent Application No. 2007-138333.
The contents of the estimation method described in Japanese Patent Application No. 2007-138333 will be described below. However, the drawings and reference numerals are appropriately changed from the drawings and reference numerals of Japanese Patent Application No. 2007-138333 in order to avoid confusion with the contents of the present invention described above.

特願2007−138333号の実施の形態1.
[特願2007−138333号の実施の形態1のシステム構成]
図11は、特願2007−138333号の実施の形態1のシステムの構成を説明するための図である。図11に示すシステムは、燃料電池1010を備えている。燃料電池1010は、積層された複数の膜電極接合体1012を備えている。膜電極接合体1012は、図11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。
Embodiment 1 of Japanese Patent Application No. 2007-138333
[System configuration of the first embodiment of Japanese Patent Application No. 2007-138333]
FIG. 11 is a diagram for explaining the system configuration of the first embodiment of Japanese Patent Application No. 2007-138333. The system shown in FIG. 11 includes a fuel cell 1010. The fuel cell 1010 includes a plurality of laminated membrane electrode assemblies 1012. The membrane electrode assembly 1012 is a plate-like structure having a spread in the depth direction on the paper surface of FIG.

膜電極接合体1012の内部には、電解質膜を挟んでアノードとカソードが形成されている。アノード側には、水素を含む燃料ガス(本実施形態では水素ガスとする)を面内に流通させるためのガス流路が形成されている。また、カソード側には、酸素を含む酸化ガス(本実施形態では空気とする)を面内に流通させるためのガス流路が形成されている。更に、個々の膜電極接合体の境界には、冷却水を流通させるための冷却水通路が形成されている。燃料電池1010及び膜電極接合体1012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。   An anode and a cathode are formed inside the membrane electrode assembly 1012 with an 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, a cooling water passage for circulating the cooling water is formed at the boundary between the individual membrane electrode assemblies. Since the configurations of the fuel cell 1010 and the membrane electrode assembly 1012 are known, further description is omitted here.

燃料電池1010には、酸化ガス供給通路1014と酸化ガス排出通路1016が連通している。酸化ガス供給通路1014は、加湿器1018を介してコンプレッサ1020に連通している。コンプレッサ1020は、エアフィルタ1022を通して吸入した空気を、酸化ガス供給通路1014を介して燃料電池1010に供給することができる。   The fuel cell 1010 communicates with an oxidizing gas supply passage 1014 and an oxidizing gas discharge passage 1016. The oxidizing gas supply passage 1014 communicates with the compressor 1020 via the humidifier 1018. The compressor 1020 can supply air sucked through the air filter 1022 to the fuel cell 1010 via the oxidizing gas supply passage 1014.

酸化ガス供給通路1014から燃料電池1010に供給された空気は、積層された複数の膜電極接合体1012のそれぞれが備えるカソード側のガス流路に分配される。このようにして分配された空気は、それぞれの膜電極接合体のカソード側の面内を伝って流れた後、酸化ガス排出通路1016から排出される。   The air supplied from the oxidizing gas supply passage 1014 to the fuel cell 1010 is distributed to the cathode-side gas flow path provided in each of the plurality of laminated membrane electrode assemblies 1012. The air distributed in this way flows through the inside of the cathode side of each membrane electrode assembly, and is then discharged from the oxidizing gas discharge passage 1016.

燃料電池1010は、酸素と水素を反応させて発電を行うにあたり、カソード側において水を生成する。このため、酸化ガス排出通路1016から排出されるガスには、水分が含まれている。加湿器1018は、酸化ガス排出通路1016に含まれる水分を利用して、酸化ガス供給通路1014側の空気を加湿する機能を有している。このため、図11に示すシステムによれば、燃料電池1010のカソード側に、加湿空気を供給することができる。   The fuel cell 1010 generates water on the cathode side when generating electricity by reacting oxygen and hydrogen. For this reason, the gas discharged from the oxidizing gas discharge passage 1016 contains moisture. The humidifier 1018 has a function of humidifying the air on the oxidizing gas supply passage 1014 side using moisture contained in the oxidizing gas discharge passage 1016. Therefore, according to the system shown in FIG. 11, humidified air can be supplied to the cathode side of the fuel cell 1010.

燃料電池1010には、燃料ガス供給通路1024及び燃料ガス排出通路1026が連通している。燃料ガス供給通路1024には、調整バルブ1028を介して水素タンク1030が連通している。この構成によれば、調整バルブ1028の開度を調整することで、所望の圧力の水素ガスを燃料電池1010に供給することができる。   A fuel gas supply passage 1024 and a fuel gas discharge passage 1026 communicate with the fuel cell 1010. A hydrogen tank 1030 communicates with the fuel gas supply passage 1024 through an adjustment valve 1028. According to this configuration, it is possible to supply hydrogen gas having a desired pressure to the fuel cell 1010 by adjusting the opening of the adjustment valve 1028.

燃料電池1010に供給された水素ガスは、積層された複数の膜電極接合体1012のそれぞれが備えるアノード側のガス流路に分配される。アノード側に供給された水素ガスは、それぞれの膜電極接合体の面内を伝って流れた後、燃料ガス排出通路1026から排出される。   The hydrogen gas supplied to the fuel cell 1010 is distributed to the anode-side gas flow path provided in each of the laminated membrane electrode assemblies 1012. The hydrogen gas supplied to the anode side flows through the surface of each membrane electrode assembly and is then discharged from the fuel gas discharge passage 1026.

本実施形態において、膜電極接合体1012は、コフロー流路を有している。すなわち、膜電極接合体1012のカソード側ガス流路と、アノード側ガス流路は、それぞれ、同じ方向に反応ガスを流通させるように設けられている。より具体的には、本実施形態の膜電極接合体1012は、図11に示す状態において、アノード側の燃料ガス、及びカソード側の酸化ガスを、何れも紙面の上方から下方に向けて流通させるように構成されている。   In the present embodiment, the membrane electrode assembly 1012 has a coflow channel. That is, the cathode-side gas passage and the anode-side gas passage of the membrane electrode assembly 1012 are provided so that the reaction gas flows in the same direction. More specifically, in the state shown in FIG. 11, the membrane electrode assembly 1012 of the present embodiment distributes the fuel gas on the anode side and the oxidizing gas on the cathode side from the top to the bottom of the page. It is configured as follows.

燃料電池1010には、更に、冷却水供給通路1032と、冷却水排出通路1034とが連通している。冷却水供給通路1032から流入した冷却水は、個々の膜電極接合体1012の境界を流れた後、冷却水排出通路1034から排出される。燃料電池1010の温度は、この冷却水により、例えば80℃程度に制御される。   The fuel cell 1010 further communicates with a cooling water supply passage 1032 and a cooling water discharge passage 1034. The cooling water flowing in from the cooling water supply passage 1032 flows through the boundary of each membrane electrode assembly 1012 and is then discharged from the cooling water discharge passage 1034. The temperature of the fuel cell 1010 is controlled to about 80 ° C., for example, by this cooling water.

本実施形態のシステムは、図11に示すように、酸化ガス供給通路1014に、圧力計1036及び露点計1038を備えている。また、酸化ガス排出通路1016には、圧力計1040が配置されている。前者の圧力計1036及び露点計1038によれば、膜電極接合体1012のカソード側入口における圧力及び湿度を検知することができる。後者の圧力計1040によれば、膜電極接合体1012のカソード側出口における圧力を検知することができる。   As shown in FIG. 11, the system of this embodiment includes a pressure gauge 1036 and a dew point gauge 1038 in the oxidizing gas supply passage 1014. A pressure gauge 1040 is disposed in the oxidizing gas discharge passage 1016. According to the former pressure gauge 1036 and dew point meter 1038, the pressure and humidity at the cathode side inlet of the membrane electrode assembly 1012 can be detected. According to the latter pressure gauge 1040, the pressure at the cathode side outlet of the membrane electrode assembly 1012 can be detected.

本実施形態のシステムは、更に、燃料ガス供給通路1024に配置された圧力計1042及び露点計1044、燃料ガス排出通路1026に配置された圧力計1046、及び、冷却水排出通路1034に配置された温度計1048を備えている。これらの計器によれば、膜電極接合体1012のアノード側入口における圧力及び湿度、アノード側出口における圧力、及び、膜電極接合体1012の温度を検知することができる。   The system of the present embodiment is further arranged in a pressure gauge 1042 and a dew point meter 1044 arranged in the fuel gas supply passage 1024, a pressure gauge 1046 arranged in the fuel gas discharge passage 1026, and a cooling water discharge passage 1034. A thermometer 1048 is provided. According to these instruments, the pressure and humidity at the anode side inlet of the membrane electrode assembly 1012, the pressure at the anode side outlet, and the temperature of the membrane electrode assembly 1012 can be detected.

圧力計1036,1040,1042,1046、露点計1038,1044、及び温度計1048の出力は、ECU(Electronic Control Unit)1050に供給されている。ECU1050は、それらの計器の出力により、膜電極接合体1012の圧力及び温度に関する環境を検知することができる。   Outputs of the pressure gauges 1036, 1040, 1042, 1046, dew point gauges 1038, 1044, and thermometer 1048 are supplied to an ECU (Electronic Control Unit) 1050. The ECU 1050 can detect the environment related to the pressure and temperature of the membrane electrode assembly 1012 based on the outputs of these instruments.

[ECU内のマップ]
本実施形態のシステムは、燃料電池1010が備える個々の膜電極接合体1012の発電分布を正確に予測する点に特徴を有している。ECU1050は、この機能を実現するために、図12乃至図14に示す複数のマップを記憶している。
[Map in ECU]
The system of the present embodiment is characterized in that the power generation distribution of each membrane electrode assembly 1012 provided in the fuel cell 1010 is accurately predicted. The ECU 1050 stores a plurality of maps shown in FIGS. 12 to 14 in order to realize this function.

図12は、電流密度Iのマップを示す。膜電極接合体1012は、その面内において、発電環境に応じた電流密度Iで発電を行う。図12は、膜電極接合体1012を取りまく発電環境と、膜電極接合体1012が発生する電流密度Iとの関係を定義したマップを示す。   FIG. 12 shows a map of current density I. The membrane electrode assembly 1012 generates power at a current density I corresponding to the power generation environment in the plane. FIG. 12 shows a map defining the relationship between the power generation environment surrounding the membrane electrode assembly 1012 and the current density I generated by the membrane electrode assembly 1012.

膜電極接合体1012の発電状態は、以下に説明する複数のパラメータにより決定される。ここでは、それらのパラメータを総称して「発電環境」と称することとする。
1.アノードを流れる燃料ガスの相対湿度An_RH
2.カソードを流れる酸化ガスの相対湿度Ca_RH
3.アノードの圧力P_An
4.カソードの圧力P_Ca
5.アノードを流れる燃料ガス中の水素濃度
6.カソードを流れる酸化ガス中の酸素濃度
7.膜電極接合体1012の温度
但し、「相対湿度」は、(蒸気圧)/(飽和蒸気圧)×100である。
The power generation state of the membrane electrode assembly 1012 is determined by a plurality of parameters described below. Here, these parameters are collectively referred to as “power generation environment”.
1. Relative humidity of fuel gas flowing through the anode An_RH
2. Relative humidity of oxidizing gas flowing through the cathode Ca_RH
3. Anode pressure P_An
4). Cathode pressure P_Ca
5. 5. Hydrogen concentration in the fuel gas flowing through the anode 6. Oxygen concentration in the oxidizing gas flowing through the cathode Temperature of Membrane / Electrode Assembly 1012 However, “relative humidity” is (vapor pressure) / (saturated vapor pressure) × 100.

上記7つのパラメータのうち、3のアノードの圧力P_Anと、4のカソードの圧力P_Caとは、ほぼ同じ圧力である。加えて、前者が発電状態に与える影響は、後者による影響に比して十分に小さい。このため、本実施形態では、3のアノード圧力P_Anの影響は無視することとする。また、上記のパラメータのうち、5の水素濃度は、位置によらずほぼ100%であり、7の温度は、位置によらずほぼ冷却水温と同じである。このため、本実施形態では、5の水素濃度と7の温度も一定値として取り扱うこととする。   Of the above seven parameters, the pressure P_An of 3 anodes and the pressure P_Ca of 4 cathodes are substantially 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 the present embodiment, the influence of the anode pressure P_An of 3 is ignored. Of the above parameters, the hydrogen concentration of 5 is almost 100% regardless of the position, and the temperature of 7 is almost the same as the cooling water temperature regardless of the position. For this reason, in this embodiment, the hydrogen concentration of 5 and the temperature of 7 are also handled as constant values.

図12は、残る4つのパラメータで決まる発電環境と、電流密度Iとの関係を定義している。より具体的には、図12(A)は、カソード圧力P_Caが140Kpaである場合に発生する電流密度Iを、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、及び酸素濃度との関係で定義したマップである。また、図12(B)は、カソード圧力P_Caが200Kpaである場合に発生する電流密度Iを、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、及び酸素濃度との関係で定義したマップである。   FIG. 12 defines the relationship between the power generation environment determined by the remaining four parameters and the current density I. More specifically, FIG. 12A is a map that defines the current density I generated when the cathode pressure P_Ca is 140 Kpa in relation to the anode relative humidity An_RH, the cathode relative humidity Ca_RH, and the oxygen concentration. is there. FIG. 12B is a map in which the current density I generated when the cathode pressure P_Ca is 200 Kpa is defined in relation to the anode relative humidity An_RH, the cathode relative humidity Ca_RH, and the oxygen concentration.

図13は、図12の場合と同様の規則に従って、膜電極接合体1012の抵抗値Rと発電環境との関係を定義したマップである。また、図14は、同様の規則に従って、膜電極接合体1012のカソードからアノードへの水移動量H2O_mと発電環境との関係を定義したマップである。ECU1050は、膜電極接合体1012の発電環境が特定されると、これらのマップを参照することにより、その発電環境下で発生する電流密度I、抵抗値R、及び水移動量H2O_mを予測することができる。   FIG. 13 is a map in which the relationship between the resistance value R of the membrane electrode assembly 1012 and the power generation environment is defined according to the same rules as in FIG. FIG. 14 is a map that defines the relationship between the amount of water transfer H2O_m from the cathode to the anode of the membrane electrode assembly 1012 and the power generation environment according to the same rule. When the power generation environment of the membrane electrode assembly 1012 is specified, the ECU 1050 predicts the current density I, the resistance value R, and the water transfer amount H2O_m generated in the power generation environment by referring to these maps. Can do.

[マップの作成方法]
次に、図15を参照して、図12乃至図14に示すマップの作成方法について説明する。図11に示す膜電極接合体1012は、酸化ガスが流入してくる箇所と流出する箇所との間に十分に長い距離を有している。燃料ガスの流入経路についても同様である。このため、酸化ガスの圧力、及び燃料ガスの圧力は、膜電極接合体1012の面内において一定にはならない。
[How to create a map]
Next, with reference to FIG. 15, a method for creating the maps shown in FIGS. 12 to 14 will be described. The membrane / electrode assembly 1012 shown in FIG. 11 has a sufficiently long distance between a portion where the oxidizing gas flows in and a portion where the oxidizing gas flows out. The same applies to the inflow path of the fuel gas. For this reason, the pressure of the oxidizing gas and the pressure of the fuel gas are not constant in the plane of the membrane electrode assembly 1012.

また、膜電極接合体1012は、発電に伴い、カソード側において水を生成する。生成された水は、酸化ガスの流れに伴って下流側に流される。このため、カソード側の水量は、膜電極接合体1012の面内において均一にはならない。その結果、カソード側の相対湿度Ca_RHには、ガスの流れに沿った分布が生ずる。   Further, the membrane electrode assembly 1012 generates water on the cathode side with power generation. The produced water is caused to flow downstream with the flow of the oxidizing gas. For this reason, the amount of water on the cathode side is not uniform within the surface of the membrane electrode assembly 1012. As a result, a distribution along the gas flow occurs in the cathode-side relative humidity Ca_RH.

膜電極接合体1012のアノード側には、上述した通り、カソード側から水が移動してくる。このようにして移動してきた水は、燃料ガスの流れにより、その下流側に流される。このため、アノード側においても、水の量は面内で均一にはならない。その結果、アノード側の相対湿度An_RHにも、ガスの流れに沿った分布が生ずる。   As described above, water moves from the cathode side to the anode side of the membrane electrode assembly 1012. The water thus moved is caused to flow downstream by the flow of the fuel gas. For this reason, even on the anode side, the amount of water is not uniform in the plane. As a result, the anode side relative humidity An_RH also has a distribution along the gas flow.

更に、膜電極接合体1012は、カソードに供給される空気中の酸素を消費することで発電を行う。このため、カソードの面内における酸素濃度は、空気の入口に近いほど高くなり、空気の出口に近づくに連れて低くなる。このように、膜電極接合体1012においては、カソード側の酸素濃度にも、面内に分布が発生する。   Further, the membrane electrode assembly 1012 generates power by consuming oxygen in the air supplied to the cathode. For this reason, the oxygen concentration in the surface of the cathode increases as it approaches the air inlet, and decreases as it approaches the air outlet. As described above, in the membrane electrode assembly 1012, the oxygen concentration on the cathode side is also distributed in the plane.

図12乃至図14に示すマップを作成するにあたっては、発電環境を特定して、その結果生ずる結果を測定することが必要である。これらのマップを作成するにあたって特定するべき発電環境のうち、温度T及び圧力P_Caは、膜電極接合体1012の全面において比較的容易に均一化することができる。しかしながら、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、及び酸素濃度は、上述したように、膜電極接合体1012の全面において均一にすることは難しい。このため、フルサイズの膜電極接合体1012を用いた場合、発電環境を特定することが困難となる。そこで、本実施形態では、サイズを除いて膜電極接合体1012と同じ構造を有する膜電極接合体小片を作成し、この小片を用いて上記マップを作成することとした。   In creating the maps shown in FIGS. 12 to 14, it is necessary to specify the power generation environment and measure the results. Among the power generation environments to be specified when creating these maps, the temperature T and the pressure P_Ca can be made relatively easily uniform over the entire surface of the membrane electrode assembly 1012. However, it is difficult to make the anode relative humidity An_RH, the cathode relative humidity Ca_RH, and the oxygen concentration uniform over the entire surface of the membrane electrode assembly 1012 as described above. For this reason, when the full-size membrane electrode assembly 1012 is used, it is difficult to specify the power generation environment. Therefore, in this embodiment, a membrane electrode assembly piece having the same structure as the membrane electrode assembly 1012 except for the size is created, and the map is created using this piece.

図15は、膜電極接合体小片1060を用いて、特定の発電環境下での発電状態を測定するためのシステムの図である。膜電極接合体小片1060は、電解質膜の両側に、カソード側のガス流路と、アノード側のガス流路とを、コフロー流路の関係で備えている。膜電極接合体小片1060は、それらのガス流路の入口から出口までの発電環境、具体的には、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、酸素濃度、及び圧力が均一であるとみなせる程度の大きさを有している。ここでは、上記の観点から、膜電極接合体1060のサイズを1cm×1cmとしている。   FIG. 15 is a diagram of a system for measuring the power generation state under a specific power generation environment using the membrane electrode assembly piece 1060. The membrane electrode assembly piece 1060 includes a cathode-side gas channel and an anode-side gas channel on both sides of the electrolyte membrane in a co-flow channel relationship. The membrane electrode assembly piece 1060 has a power generation environment from the inlet to the outlet of these gas flow paths, specifically, anode relative humidity An_RH, cathode relative humidity Ca_RH, oxygen concentration, and pressure that can be regarded as uniform. It has a size. Here, from the above viewpoint, the size of the membrane electrode assembly 1060 is 1 cm × 1 cm.

図15に示すシステムは、膜電極接合体小片1060のカソード側に連通する酸化ガス供給通路1062及び酸化ガス排出通路1064を備えている。酸化ガス供給通路1062には、コンプレッサ1066が連通している。コンプレッサ1066は、エアフィルタ1068を介して吸入した空気を膜電極接合体小片1060に向けて供給することができる。   The system shown in FIG. 15 includes an oxidizing gas supply passage 1062 and an oxidizing gas discharge passage 1064 that communicate with the cathode side of the membrane electrode assembly piece 1060. A compressor 1066 communicates with the oxidizing gas supply passage 1062. The compressor 1066 can supply the air sucked through the air filter 1068 toward the membrane electrode assembly piece 1060.

酸化ガス供給通路1062には、調整バルブ1072を介して窒素タンク1072が連通している。窒素タンク1072は、調整バルブ1072の開度に応じた量の窒素を酸化ガス供給通路1062に供給することができる。   A nitrogen tank 1072 communicates with the oxidizing gas supply passage 1062 through an adjustment valve 1072. The nitrogen tank 1072 can supply an amount of nitrogen corresponding to the opening of the adjustment valve 1072 to the oxidizing gas supply passage 1062.

酸化ガス供給通路1062は、バブラー1074を備えている。バブラー1074は、ヒータ1076と温度計1078とを内蔵した加湿器である。バブラー1074によれば、設定温度における水蒸気の飽和状態を作り出すことができる。例えば、設定温度が40℃であれば、膜電極接合体小片1060に流れ込む酸化ガスを40℃における飽和状態になるように加湿することができる。   The oxidizing gas supply passage 1062 includes a bubbler 1074. The bubbler 1074 is a humidifier incorporating a heater 1076 and a thermometer 1078. According to the bubbler 1074, it is possible to create a saturated state of water vapor at a set temperature. For example, if the set temperature is 40 ° C., the oxidizing gas flowing into the membrane electrode assembly piece 1060 can be humidified so as to be saturated at 40 ° C.

バブラー1074の下流には、圧力計1080と、ヒータ1082が配置されている。膜電極接合体小片1060は、上述した通り、その内部における圧力の分布が無視できる大きさとされている。このため、圧力計1080の計測値は、膜電極接合体小片1060のカソードにおける圧力P_Ca(均一値)として取り扱うことができる。   A pressure gauge 1080 and a heater 1082 are disposed downstream of the bubbler 1074. As described above, the membrane electrode assembly piece 1060 has such a size that the pressure distribution inside thereof can be ignored. For this reason, the measured value of the pressure gauge 1080 can be handled as the pressure P_Ca (uniform value) at the cathode of the membrane electrode assembly piece 1060.

ヒータ1082は、膜電極接合体小片1060の前段での結露を防止するために設けられている。このような構成によれば、バブラー1074で加湿された酸化ガスを、そのままの湿度で膜電極接合体小片1060に供給することができる。従って、図15に示すシステムによれば、膜電極接合体小片1060に供給する酸化ガスの湿度を、極めて精度良く制御することができる。   The heater 1082 is provided in order to prevent condensation at the front stage of the membrane electrode assembly piece 1060. According to such a configuration, the oxidizing gas humidified by the bubbler 1074 can be supplied to the membrane electrode assembly piece 1060 at the same humidity. Therefore, according to the system shown in FIG. 15, the humidity of the oxidizing gas supplied to the membrane electrode assembly piece 1060 can be controlled with extremely high accuracy.

膜電極接合体小片1060のカソードに供給された酸化ガスは、酸化ガス排出通路1064から流出する。酸化ガス排出通路1064には、露点計1084が設けられている。露点計1084によれば、膜電極接合体小片1060から流出してくる酸化ガスの湿度を正確に測定することができる。   The oxidizing gas supplied to the cathode of the membrane electrode assembly piece 1060 flows out from the oxidizing gas discharge passage 1064. A dew point meter 1084 is provided in the oxidizing gas discharge passage 1064. According to the dew point meter 1084, the humidity of the oxidizing gas flowing out from the membrane electrode assembly piece 1060 can be accurately measured.

図15に示すシステムは、膜電極接合体小片1060のアノード側に連通する燃料ガス供給通路1086及び燃料ガス排出通路1088を備えている。燃料ガス供給通路1086には、調整バルブ1090を介して水素タンク1092が連通している。この構成によれば、調整バルブ1090の開度を制御することで、所望の圧力で水素ガスを膜電極接合体小片1060に供給することができる。   The system shown in FIG. 15 includes a fuel gas supply passage 1086 and a fuel gas discharge passage 1088 that communicate with the anode side of the membrane electrode assembly piece 1060. A hydrogen tank 1092 communicates with the fuel gas supply passage 1086 through an adjustment valve 1090. According to this configuration, by controlling the opening degree of the adjustment valve 1090, hydrogen gas can be supplied to the membrane electrode assembly piece 1060 at a desired pressure.

燃料ガス供給通路1086は、調整バルブ1090の下流に、バブラー1094を備えている。バブラー1094は、カソード側のバブラー1074と同様に、ヒータ1096及び温度計1098を備えており、設定温度下での飽和状態が形成されるように燃料ガスを加湿することができる。   The fuel gas supply passage 1086 includes a bubbler 1094 downstream of the adjustment valve 1090. Like the cathode-side bubbler 1074, the bubbler 1094 includes a heater 1096 and a thermometer 1098, and can humidify the fuel gas so as to form a saturated state at a set temperature.

バブラー1094の下流には、圧力計1100と、ヒータ1102が配置されている。圧力計1100の計測値は、膜電極接合体小片1060のアノードにおける圧力P_An(均一値)として取り扱うことができる。また、ヒータ1102によれば、膜電極接合体小片1060の前段での結露を防止することができる。このような構成によれば、膜電極接合体小片1060のアノードに流入する燃料ガスの湿度を、極めて精度良く制御することができる。   A pressure gauge 1100 and a heater 1102 are disposed downstream of the bubbler 1094. The measurement value of the pressure gauge 1100 can be handled as the pressure P_An (uniform value) at the anode of the membrane electrode assembly piece 1060. In addition, according to the heater 1102, it is possible to prevent dew condensation at the front stage of the membrane electrode assembly piece 1060. According to such a configuration, the humidity of the fuel gas flowing into the anode of the membrane electrode assembly piece 1060 can be controlled with extremely high accuracy.

膜電極接合体小片1060のアノードに供給された燃料ガスは、燃料ガス排出通路1088から流出する。燃料ガス排出通路1088には、露点計1104が設けられている。露点計1104によれば、膜電極接合体小片1060から流出してくる燃料ガスの湿度を正確に測定することができる。   The fuel gas supplied to the anode of the membrane electrode assembly piece 1060 flows out from the fuel gas discharge passage 1088. A dew point meter 1104 is provided in the fuel gas discharge passage 1088. According to the dew point meter 1104, the humidity of the fuel gas flowing out from the membrane electrode assembly piece 1060 can be accurately measured.

膜電極接合体小片1060には、冷却水供給通路1106及び冷却水排出通路1108が連通している。冷却水排出通路1108には、温度計1110が設けられている。図15に示すシステムは、温度計1110の計測値をフィードバックすることにより、膜電極接合体小片1060を流れる冷却水の温度を正確に制御することができる。また、このシステムにおいては、その冷却水の温度を、膜電極接合体小片1060の温度として取り扱うことができる。   A cooling water supply passage 1106 and a cooling water discharge passage 1108 communicate with the membrane electrode assembly piece 1060. A thermometer 1110 is provided in the cooling water discharge passage 1108. The system shown in FIG. 15 can accurately control the temperature of the cooling water flowing through the membrane electrode assembly piece 1060 by feeding back the measurement value of the thermometer 1110. In this system, the temperature of the cooling water can be handled as the temperature of the membrane electrode assembly piece 1060.

図15に示すシステムは、更に、膜電極接合体小片1060のアノード側電極とカソード側電極とを結ぶ測定回路1112を備えている。測定回路1112には、電流計1114と可変抵抗1116を備えている。この構成によれば、可変抵抗1116を調整することで、アノード電極とカソード電極との間に生ずる電位差を所望の値(例えば0.6V、或いは0.8V)に制御した状態で、膜電極接合体小片1060が発する電流量(電流密度I)を計測することができる。   The system shown in FIG. 15 further includes a measurement circuit 1112 that connects the anode side electrode and the cathode side electrode of the membrane electrode assembly piece 1060. The measurement circuit 1112 includes an ammeter 1114 and a variable resistor 1116. According to this configuration, by adjusting the variable resistor 1116, the potential difference generated between the anode electrode and the cathode electrode is controlled to a desired value (for example, 0.6V or 0.8V), and the membrane electrode bonding is performed. The amount of current (current density I) generated by the small body piece 1060 can be measured.

上述した通り、図12乃至図14に示すマップを作成するためには、膜電極接合体を取りまく発電環境を特定することが必要である。具体的には、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、カソード圧力P_Ca、水素濃度、酸素濃度、及び温度Tを特定することが必要である。   As described above, in order to create the maps shown in FIGS. 12 to 14, it is necessary to specify the power generation environment surrounding the membrane electrode assembly. Specifically, it is necessary to specify the anode relative humidity An_RH, the cathode relative humidity Ca_RH, the cathode pressure P_Ca, the hydrogen concentration, the oxygen concentration, and the temperature T.

アノード相対湿度An_RH、及びカソード相対湿度Ca_RHは、それぞれ下記の演算式により求めることができる。
An_RH=(燃料ガスの蒸気圧)/(温度Tにおける飽和水蒸気圧)×100
・・・(7)
Ca_RH=(酸化ガスの蒸気圧)/(温度Tにおける飽和水蒸気圧)×100
・・・(8)
The anode relative humidity An_RH and the cathode relative humidity Ca_RH can be obtained by the following arithmetic expressions, respectively.
An_RH = (vapor pressure of fuel gas) / (saturated water vapor pressure at temperature T) × 100
... (7)
Ca_RH = (vapor pressure of oxidizing gas) / (saturated water vapor pressure at temperature T) × 100
... (8)

図15に示すシステムによれば、冷却水温が「温度T」であるから、その温度を決めることで、右辺第2項における「飽和水蒸気圧」を決めることができる。そして、このシステムによれば、バブラー1074,1094の温度を変化させることにより、(7)式の「燃料ガスの湿度」、並びに(8)式の「酸化ガスの湿度」を任意に変化させることができる。従って、図15に示すシステムによれば、膜電極接合体1060のアノード相対湿度An_RH及びカソード相対湿度Ca_RHを、正確かつ簡単に、任意の値に制御することができる。   According to the system shown in FIG. 15, since the cooling water temperature is “temperature T”, the “saturated water vapor pressure” in the second term on the right side can be determined by determining the temperature. According to this system, by changing the temperature of the bubblers 1074 and 1094, the “humidity of fuel gas” in the equation (7) and the “humidity of oxidizing gas” in the equation (8) can be arbitrarily changed. Can do. Therefore, according to the system shown in FIG. 15, the anode relative humidity An_RH and the cathode relative humidity Ca_RH of the membrane electrode assembly 1060 can be accurately and easily controlled to arbitrary values.

また、図15に示すシステムによれば、コンプレッサ1066の運転状態を制御することで、カソード圧力P_Caを任意の値に制御することができる。更に、調整バルブ1070によって、酸化ガス供給通路1062に流れ込む窒素の量を調整することにより、膜電極接合体小片1060に流れ込む酸化ガス中の酸素濃度も正確に制御することができる。このように、図15に示すシステムによれば、図12乃至図14に示すマップを設定するにあたって特定するべき全てのパラメータを、容易かつ正確に設定することが可能である。   Further, according to the system shown in FIG. 15, the cathode pressure P_Ca can be controlled to an arbitrary value by controlling the operation state of the compressor 1066. Furthermore, by adjusting the amount of nitrogen flowing into the oxidizing gas supply passage 1062 by the adjusting valve 1070, the oxygen concentration in the oxidizing gas flowing into the membrane electrode assembly piece 1060 can be accurately controlled. As described above, according to the system shown in FIG. 15, it is possible to easily and accurately set all the parameters to be specified when setting the maps shown in FIGS.

図11に示す膜電極接合体1012には、それぞれが目標(0.6V程度)の起電力を発生することが求められる。このため、図12乃至図14に示すマップは、膜電極接合体1012が目標の起電力を発生している状況下での「電流密度I」、「抵抗値R」、及び「水移動量H2O_m」を定義している必要がある。   Each membrane electrode assembly 1012 shown in FIG. 11 is required to generate a target (about 0.6 V) electromotive force. For this reason, the maps shown in FIGS. 12 to 14 show the “current density I”, “resistance value R”, and “water transfer amount H 2 O_m” under the situation where the membrane electrode assembly 1012 generates the target electromotive force. "Must be defined.

図15に示すシステムでは、可変抵抗1116を調整することにより、膜電極接合体小片1060の起電力を調整しながら、電流計1114により電流密度Iを計測することができる。また、その際の電流と電圧との関係から、膜電極接合体小片1060の抵抗値Rを計算することができる。更に、カソードで生成される水量は、電流密度Iに比例するため、電流密度Iが判れば水生成量が計算できる。そして、カソードに流入する酸化ガスの湿度(つまり水量)と、カソードにおける生成水量と、カソードから流出する酸化ガスの湿度(つまり水量)とが判れば、膜電極接合体小片1060の内部でカソードからアノードに移動する水量H2O_mは計算することができる。   In the system shown in FIG. 15, the current density I can be measured by the ammeter 1114 while adjusting the electromotive force of the membrane electrode assembly piece 1060 by adjusting the variable resistor 1116. Further, the resistance value R of the membrane electrode assembly piece 1060 can be calculated from the relationship between the current and the voltage at that time. Furthermore, since the amount of water produced at the cathode is proportional to the current density I, the amount of water produced can be calculated if the current density I is known. Then, if the humidity of the oxidizing gas flowing into the cathode (that is, the amount of water), the amount of generated water at the cathode, and the humidity of the oxidizing gas flowing out from the cathode (that is, the amount of water) are known, the membrane electrode assembly piece 1060 is exposed from the cathode. The amount of water H2O_m transferred to the anode can be calculated.

つまり、図15に示すシステムによれば、膜電極接合体小片1060を取りまく発電環境を適宜変更しながら、電流密度I及び抵抗値Rを計測し、また、水移動量H2O_mを算出することができる。このため、このシステムを用いれば、図12乃至図14に示すマップを、簡単な処理により、極めて正確に設定することが可能である。   That is, according to the system shown in FIG. 15, the current density I and the resistance value R can be measured while appropriately changing the power generation environment surrounding the membrane electrode assembly piece 1060, and the water movement amount H 2 O_m can be calculated. . For this reason, if this system is used, the maps shown in FIGS. 12 to 14 can be set very accurately by a simple process.

[膜電極接合体の面内状態の予測]
図16は、図11に示す燃料電池1010が備える膜電極接合体1012の仮想的な分割方法を説明するための図である。より具体的には、図16(A)は、膜電極接合体1012のアノード面を示す斜視図である。膜電極接合体1012の内部には、上述した通り、アノード側及びカソード側の双方に、燃料ガス又は酸化ガスを流通させるためのガス流路が形成されている。本実施形態では、それらのガス流路が、コフロー流路を形成するように、つまり、アノード側の燃料ガスと、カソード側の酸化ガスとが、膜電極接合体1012の一端から他端へ、同じ方向(図16(A)中に矢印で示す方向)に進むように構成されている。
[Prediction of in-plane state of membrane electrode assembly]
FIG. 16 is a diagram for explaining a virtual dividing method of the membrane electrode assembly 1012 included in the fuel cell 1010 shown in FIG. 11. More specifically, FIG. 16A is a perspective view showing the anode surface of the membrane electrode assembly 1012. Inside the membrane electrode assembly 1012, as described above, a gas flow path for flowing fuel gas or oxidizing gas is formed on both the anode side and the cathode side. In the present embodiment, the gas flow paths form a co-flow flow path, that is, the fuel gas on the anode side and the oxidation gas on the cathode side are transferred from one end of the membrane electrode assembly 1012 to the other end. It is configured to proceed in the same direction (the direction indicated by the arrow in FIG. 16A).

図16(B)は、膜電極接合体1012の一部を帯状に切り出した部分(以下、「帯状部分1120」と称す)を示す。膜電極接合体1012は、仮想的には、この帯状部分1120が縦方向に複数連なって構成されたものとみなすことができる。帯状部分1120において、カソード側の酸化ガス、及びアノード側の燃料ガスは、図16(B)中に矢印で示すように、長手方向に向かって互いに平行に流通する。   FIG. 16B shows a part of the membrane electrode assembly 1012 cut out in a band shape (hereinafter referred to as “band-like part 1120”). The membrane electrode assembly 1012 can be virtually regarded as a configuration in which a plurality of the band-like portions 1120 are connected in the vertical direction. In the belt-like portion 1120, the cathode-side oxidizing gas and the anode-side fuel gas flow in parallel with each other in the longitudinal direction as indicated by arrows in FIG.

帯状部分1120は、図16(B)に示すように、反応ガスの流れ方向に並んだs個の小領域で構成されているとみなすことができる。本実施形態では、これらの小領域は、図15に示す膜電極接合体小片1060と同様に、1cm×1cmの大きさを有しているものとする。   As shown in FIG. 16B, the belt-like portion 1120 can be considered to be composed of s small regions arranged in the flow direction of the reaction gas. In the present embodiment, these small regions are assumed to have a size of 1 cm × 1 cm, like the membrane electrode assembly piece 1060 shown in FIG.

膜電極接合体1012を、図16(B)に示す小領域に分解して考えた場合、個々の小領域においては、発電環境が均一であるとみなすことができる。また、この場合、n-1番目の小領域(以下、「n-1領域」と称す)における発電環境が判れば、その領域における発電状態を予測することができる。そして、n-1領域における発電環境と発電状態が判れば、n領域における発電環境が予測できる。このため、膜電極接合体1012を図16(B)に示すような小領域に区分して考えると、1番目の小領域における発電環境が判れば、以後、順番に、s領域に至るまで、個々の小領域における発電環境と発電状態とを予測することが可能である。   When the membrane electrode assembly 1012 is decomposed into small regions shown in FIG. 16B, the power generation environment can be considered to be uniform in each small region. In this case, if the power generation environment in the n-1th small region (hereinafter referred to as “n-1 region”) is known, the power generation state in that region can be predicted. If the power generation environment and power generation state in the n-1 region are known, the power generation environment in the n region can be predicted. For this reason, considering the membrane electrode assembly 1012 divided into small regions as shown in FIG. 16 (B), if the power generation environment in the first small region is known, then the s region is reached in turn. It is possible to predict the power generation environment and the power generation state in each small area.

図17は、n-1領域における発電環境を基礎として、n領域における発電環境を予測する手順を説明するための図である。n-1領域のカソードには、n-2領域のカソードから酸化ガスが流入し、また、n-2領域のカソードに存在する水が流入する。ここでは、n-2領域から流入する酸素量O2(n-1)及び水量H2O_Ca(n-1)が既知であるものとする(符号1122参照)。   FIG. 17 is a diagram for describing a procedure for predicting the power generation environment in the n region on the basis of the power generation environment in the n−1 region. The oxidizing gas flows into the cathode of the n-1 region from the cathode of the n-2 region, and the water present at the cathode of the n-2 region flows. Here, it is assumed that the oxygen amount O2 (n-1) and the water amount H2O_Ca (n-1) flowing from the n-2 region are known (see reference numeral 1122).

カソード相対湿度Ca_RHは、カソード圧力P_Ca、カソード水量H2O_Ca、酸化ガス量(窒素量N2+酸素量O2)から次式によって算出することができる。
Ca_RH=[P_Ca×H2O_Ca/{(N2+O2)+H2O_Ca}]/(飽和水蒸気圧)×100
・・・(9)
The cathode relative humidity Ca_RH can be calculated from the cathode pressure P_Ca, the cathode water amount H2O_Ca, and the oxidizing gas amount (nitrogen amount N2 + oxygen amount O2) by the following equation.
Ca_RH = [P_Ca × H2O_Ca / {(N2 + O2) + H2O_Ca}] / (saturated water vapor pressure) × 100
... (9)

上記(9)式右辺に含まれる全てのパラメータは、下記の通り、n-1領域において特定することが可能である。従って、n-1領域のカソード相対湿度Ca_RHは、上記(9)式を用いることにより算出することができる(符号1124参照)。
・カソード圧力P_Ca(n-1)は、膜電極接合体1012のカソード側入口及び出口における圧力計1036,1040の測定値から比例計算による求めることができる(符号1125参照)。
・水量H2O_Ca(n-1)は、上記の通り既知である。
・N2は、流通過程で一定とみなせるため膜電極接合体1012に流入する空気流量から算出することができる。
・酸素量O2(n-1)は、上記の通り既知である。
・飽和水蒸気圧は、温度計1048により検知される温度Tから特定することができる。
All parameters included in the right side of the equation (9) can be specified in the n-1 region as follows. Therefore, the cathode relative humidity Ca_RH in the n-1 region can be calculated by using the above equation (9) (see reference numeral 1124).
The cathode pressure P_Ca (n-1) can be obtained by proportional calculation from the measured values of the pressure gauges 1036 and 1040 at the cathode side inlet and outlet of the membrane electrode assembly 1012 (see reference numeral 1125).
-The amount of water H2O_Ca (n-1) is known as described above.
N2 can be calculated from the flow rate of air flowing into the membrane electrode assembly 1012 since it can be regarded as constant in the flow process.
The oxygen amount O2 (n-1) is known as described above.
The saturated water vapor pressure can be specified from the temperature T detected by the thermometer 1048.

酸化ガス中の酸素濃度は、窒素量N2及び酸素量O2から、次式に従って算出することができる。
酸素濃度=O2/(N2+O2) ・・・(10)
従って、n-1領域における酸素濃度(O2濃度(n-1))は、膜電極接合体1012に流入する窒素量N2と、n-2領域から流入してくる酸素量O2(n-1)から算出することができる(符号1126参照)。
The oxygen concentration in the oxidizing gas can be calculated from the nitrogen amount N2 and the oxygen amount O2 according to the following equation.
Oxygen concentration = O2 / (N2 + O2) (10)
Therefore, the oxygen concentration (O2 concentration (n-1)) in the n-1 region is determined by the amount of nitrogen N2 flowing into the membrane electrode assembly 1012 and the amount of oxygen O2 (n-1) flowing in from the n-2 region. (See reference numeral 1126).

n-1領域のアノードには、n-2領域のアノードから燃料ガスが流入し、また、n-2領域のアノードに存在する水が流入する。ここでは、n-2領域から流入してくる水素量H2(n-1)及び水量H2O_An(n-1)が既知であるものとする(符号1128参照)。   Fuel gas flows into the anode in the n-1 region from the anode in the n-2 region, and water present in the anode in the n-2 region flows into the anode in the n-1 region. Here, it is assumed that the hydrogen amount H2 (n-1) and the water amount H2O_An (n-1) flowing from the n-2 region are known (see reference numeral 1128).

アノード相対湿度An_RHは、アノード圧力P_An、アノード水量H2O_An、水素量H2から次式によって算出することができる。
An_RH={P_An×H2O_An/(H2+H2O_An)}/(飽和水蒸気圧)×100
・・・(11)
The anode relative humidity An_RH can be calculated from the anode pressure P_An, the anode water amount H2O_An, and the hydrogen amount H2 by the following equation.
An_RH = {P_An × H2O_An / (H2 + H2O_An)} / (saturated water vapor pressure) × 100
(11)

上記(11)式右辺に含まれる全てのパラメータは、下記の通り、n-1領域において特定することが可能である。従って、n-1領域のアノード相対湿度Ca_Anは、上記(11)式を用いることにより算出することができる(符号1130参照)。
・アノード圧力P_An(n-1)は、膜電極接合体1012のアノード側入口及び出口における圧力計1042,1046の測定値から比例計算により求めることができる(符号1131参照)。
・水量H2O_An(n-1)、及び水素量H2(n-1)は、上記の通り既知である。
・飽和水蒸気圧は、温度計1048により検知される温度Tから特定することができる。
All the parameters included in the right side of the equation (11) can be specified in the n-1 region as follows. Therefore, the anode relative humidity Ca_An in the n-1 region can be calculated by using the above equation (11) (see reference numeral 1130).
The anode pressure P_An (n-1) can be obtained by proportional calculation from the measured values of the pressure gauges 1042 and 1046 at the anode side inlet and outlet of the membrane electrode assembly 1012 (see reference numeral 1131).
The amount of water H2O_An (n-1) and the amount of hydrogen H2 (n-1) are known as described above.
The saturated water vapor pressure can be specified from the temperature T detected by the thermometer 1048.

アノード相対湿度An_RH(n-1)(1130)、カソード相対湿度Ca_RH(n-1)(1124)、及びO2濃度(n-1)(1126)が判ると、図12(A)に示すマップから、カソード圧力P_Ca=140kPaの下での電流密度Iを読み出すことができる。また、図12(B)に示すマップから、カソード圧力P_Ca=200kPaの下での電流密度Iを読み出すことができる。   When the anode relative humidity An_RH (n-1) (1130), the cathode relative humidity Ca_RH (n-1) (1124), and the O2 concentration (n-1) (1126) are known, the map shown in FIG. The current density I under the cathode pressure P_Ca = 140 kPa can be read out. Further, the current density I under the cathode pressure P_Ca = 200 kPa can be read from the map shown in FIG.

他方、n-1領域におけるカソード圧力P_Ca(n-1)は、上述した通り、圧力計1036,1040の計測値を用いた比例計算により求めることができる。電流密度Iは、カソード圧力P_Caに対して比例的な関係を示すため、n-1領域の電流密度I(n-1)は、図12(A)及び図12(B)に示すマップからそれぞれ読み出した電流密度Iに基づいて、比例計算により算出することができる(符号1132参照)。   On the other hand, the cathode pressure P_Ca (n-1) in the n-1 region can be obtained by proportional calculation using the measured values of the pressure gauges 1036 and 1040 as described above. Since the current density I shows a proportional relationship with the cathode pressure P_Ca, the current density I (n-1) in the n-1 region is respectively determined from the maps shown in FIGS. 12 (A) and 12 (B). Based on the read current density I, it can be calculated by proportional calculation (see reference numeral 1132).

同様に、図13(A)及び図13(B)に示すマップを参照することで、n-1領域における抵抗値Rを算出することができる(符号1134参照)。更に、図14(A)及び図14(B)に示すマップを参照することで、n-1領域における水移動量H2O_mを算出することができる(符号1136参照)。   Similarly, the resistance value R in the n−1 region can be calculated by referring to the maps shown in FIGS. 13A and 13B (see reference numeral 1134). Furthermore, by referring to the maps shown in FIGS. 14A and 14B, the water movement amount H2O_m in the n-1 region can be calculated (see reference numeral 1136).

膜電極接合体1012のカソード側では、電流密度Iに応じた量の酸素が消費される。この酸素消費量O2_offは、次式により算出することができる。但し、次式におけるFはファラデー定数である。
O2_off=I/4/F×22.4×60 ・・・(12)
On the cathode side of the membrane electrode assembly 1012, an amount of oxygen corresponding to the current density I is consumed. This oxygen consumption amount O2_off can be calculated by the following equation. However, F in the following equation is a Faraday constant.
O2_off = I / 4 / F × 22.4 × 60 (12)

従って、n-1領域の電流密度I(n-1)が判れば、その領域におけるカソード側の酸素消費量O2_0ff(n-1)を求めることができる(符号1138参照)。そして、n-1領域から流出してn領域に流入する酸素量O2(n)は、n-1領域に流入してくる酸素量O2(n-1)から、n-1領域で消費される酸素量O2_off(n-1)を減じた量となるから、次式により求めることができる(符号1140参照)。
O2(n)=O2(n-1)−O2_off(n-1) ・・・(13)
Accordingly, if the current density I (n-1) in the n-1 region is known, the oxygen consumption O2_0ff (n-1) on the cathode side in that region can be obtained (see reference numeral 1138). The oxygen amount O2 (n) flowing out from the n-1 region and flowing into the n region is consumed in the n-1 region from the oxygen amount O2 (n-1) flowing into the n-1 region. Since the amount is obtained by subtracting the oxygen amount O2_off (n-1), it can be obtained by the following equation (see reference numeral 1140).
O2 (n) = O2 (n-1) -O2_off (n-1) (13)

また、膜電極接合体1012のカソード側では、電流密度Iに応じた量の水が生成される。この生成水量H2Oは、次式により算出することができる。
H2O=I/2/F×22.4×60 ・・・(14)
Further, an amount of water corresponding to the current density I is generated on the cathode side of the membrane electrode assembly 1012. This generated water amount H2O can be calculated by the following equation.
H2O = I / 2 / F × 22.4 × 60 (14)

従って、n-1領域の電流密度I(n-1)が判れば、その領域のカソードで生成される水量H2O (n-1)を求めることができる(符号1142参照)。そして、n-1領域から流出してn領域のカソードに流入する水の量H2O_Ca(n)は、n-1領域に流入してくる水量H2O_Ca(n-1)とn-1領域で生成される水量H2O(n-1)との和から、n-1領域においてカソードからアノードに移動する水量H2O_m(n-1)を減じた量であるから、次式により求めることができる(符号1144参照)。
H2O_Ca(n)=H2O_Ca(n-1)+H2O(n-1)−H2O_m(n-1) ・・・(15)
Therefore, if the current density I (n-1) in the n-1 region is known, the amount of water H2O (n-1) generated at the cathode in that region can be obtained (see reference numeral 1142). The amount of water H2O_Ca (n) flowing out of the n-1 region and flowing into the cathode of the n region is generated in the amount of water H2O_Ca (n-1) flowing into the n-1 region and the n-1 region. This is the amount obtained by subtracting the amount of water H2O_m (n-1) moving from the cathode to the anode in the n-1 region from the sum of the amount of water H2O (n-1) to be obtained, and can be obtained by the following equation (see reference numeral 1144). ).
H2O_Ca (n) = H2O_Ca (n-1) + H2O (n-1) -H2O_m (n-1) (15)

次に、アノード側の発電状態の予測について説明する。すなわち、膜電極接合体1012のアノード側では、電流密度Iに応じた量の水素が消費される。この水素消費量H2_offは、次式により算出することができる。
H2_off=I/2/F×22.4×60 ・・・(16)
Next, prediction of the power generation state on the anode side will be described. That is, an amount of hydrogen corresponding to the current density I is consumed on the anode side of the membrane electrode assembly 1012. This hydrogen consumption H2_off can be calculated by the following equation.
H2_off = I / 2 / F × 22.4 × 60 (16)

従って、n-1領域の電流密度I(n-1)が判れば、その領域におけるアノード側の水素消費量H2_0ff(n-1)を求めることができる(符号1146参照)。そして、n-1領域から流出してn領域に流入する水素量H2(n)は、n-1領域に流入してくる水素量H2(n-1)から、n-1領域で消費される水素量H2_off(n-1)を減じた量となるから、次式により求めることができる(符号1148参照)。
H2(n)=H2(n-1)−H2_off(n-1) ・・・(17)
Therefore, if the current density I (n-1) in the n-1 region is known, the hydrogen consumption H2_0ff (n-1) on the anode side in that region can be obtained (see reference numeral 1146). The hydrogen amount H2 (n) flowing out from the n-1 region and flowing into the n region is consumed in the n-1 region from the hydrogen amount H2 (n-1) flowing into the n-1 region. Since the amount is obtained by subtracting the hydrogen amount H2_off (n-1), it can be obtained by the following equation (see reference numeral 1148).
H2 (n) = H2 (n-1) -H2_off (n-1) (17)

アノードの水量は、カソード側から移動してくる水量だけ増加する。このため、n-1領域から流出してn領域のアノードに流入する水の量H2O_An(n)は、n-1領域に流入してくる水量H2O_An(n-1)に、n-1領域における水移動H2O_m(n-1)を加えた量となる。この水量H2O_An(n)は、次式により求めることができる(符号1150参照)。
H2O_An(n)=H2O_An(n-1)+H2O_m(n-1) ・・・(18)
The amount of water in the anode increases by the amount of water moving from the cathode side. For this reason, the amount of water H2O_An (n) flowing out of the n-1 region and flowing into the anode of the n region becomes the amount of water H2O_An (n-1) flowing into the n-1 region in the n-1 region. It is the amount of water movement H2O_m (n-1) added. This amount of water H2O_An (n) can be obtained by the following equation (see reference numeral 1150).
H2O_An (n) = H2O_An (n-1) + H2O_m (n-1) (18)

以上説明した通り、上記の処理によれば、n-1領域の発電環境が判れば、この領域における発電状態を予測することができる。より具体的には、以下の値が判ればn-1領域における電流密度I(n-1)、抵抗値R(n-1)、及び水移動量H20_mを算出することができる。
・n-1領域のカソードに流入する酸素量O2(n-1)、水量H20_Ca(n-1)
・n-1領域のアノードに流入する水素量H2(n-1)、水量H2O_An(n-1)
・n-1領域のカソード圧力P_Ca、アノード圧P_An
As described above, according to the above processing, if the power generation environment in the n-1 region is known, the power generation state in this region can be predicted. More specifically, if the following values are known, the current density I (n-1), the resistance value R (n-1), and the water movement amount H20_m in the n-1 region can be calculated.
・ Oxygen amount O2 (n-1) and water amount H20_Ca (n-1) flowing into the n-1 cathode
-Hydrogen amount H2 (n-1) and water amount H2O_An (n-1) flowing into the anode in the n-1 region
・ Cathode pressure P_Ca, anode pressure P_An in n-1 region

また、n-1領域の発電環境に、上記の処理により予測される発電状態を反映させると、次段のn領域における発電環境を特定することができる。このため、以上の処理によれば、1番目の小領域における発電環境さえ特定できれば、s領域に至るまで、個々の小領域における発電環境及び発電状態を、順次演算により求めることができる。   Further, when the power generation state predicted by the above processing is reflected in the power generation environment in the n-1 region, the power generation environment in the next n region can be specified. Therefore, according to the above processing, if only the power generation environment in the first small region can be specified, the power generation environment and the power generation state in each small region can be obtained by sequential calculation up to the s region.

図11に示すシステムにおいて、1番目の領域のカソードに流入する酸素量O2(1)は、コンプレッサ1020によって圧送される空気の量に、空気中の酸素濃度(既知)を掛け合わせることで求めることができる。1番目の領域のカソードに流れ込む水量H20_Ca(1)は、カソード側の露点計1038の出力に基づいて算出することができる。   In the system shown in FIG. 11, the oxygen amount O2 (1) flowing into the cathode of the first region is obtained by multiplying the amount of air pumped by the compressor 1020 and the oxygen concentration (known) in the air. Can do. The amount of water H20_Ca (1) flowing into the cathode of the first region can be calculated based on the output of the dew point meter 1038 on the cathode side.

また、1番目の領域のアノードに流入する水素量H2(1)は、調整バルブ1028の開度等に基づいて検知することができる。1番目の領域のアノードに流れ込む水量H2O_An(1)は、アノード側の露点計1044の出力に基づいて算出することができる。   Further, the hydrogen amount H2 (1) flowing into the anode in the first region can be detected based on the opening degree of the adjustment valve 1028 or the like. The amount of water H2O_An (1) flowing into the anode in the first region can be calculated based on the output of the dew point meter 1044 on the anode side.

更に、1番目の領域のカソード圧力P_Caは、カソード入口の圧力計1036の出力と、カソード出口の圧力計1040の出力とを基礎として比例計算を行うことで算出することができる。同様に、1番目の領域のアノード圧力P_Anは、アノード入口の圧力計1042の出力と、アノード出口の圧力計1046の出力とを基礎として比例計算を行うことで算出することができる。   Further, the cathode pressure P_Ca in the first region can be calculated by performing proportional calculation based on the output of the pressure gauge 1036 at the cathode inlet and the output of the pressure gauge 1040 at the cathode outlet. Similarly, the anode pressure P_An in the first region can be calculated by performing proportional calculation based on the output of the pressure gauge 1042 at the anode inlet and the output of the pressure gauge 1046 at the anode outlet.

このように、図11に示すシステムによれば、1番目の領域における発電状態を予測するために必要な全ての数値を取得することが可能である。従って,本実施形態のシステムでは、膜電極接合体1012の1領域からs領域のそれぞれが、どのような発電環境の下で、どのような発電状態にあるのかを、演算により予測することができる。   Thus, according to the system shown in FIG. 11, it is possible to obtain all the numerical values necessary for predicting the power generation state in the first region. Therefore, in the system according to the present embodiment, it is possible to predict by calculation what kind of power generation state, under what kind of power generation environment, each region 1 to s of the membrane electrode assembly 1012 is. .

[特願2007−138333号の実施の形態1における具体的処理]
図18は、上記の処理を実現するためにECU1050が実行するルーチンのフローチャートである。図18に示すルーチンでは、先ず、領域番号nに1がセットされる(ステップ1160)。
[Specific Processing in Embodiment 1 of Japanese Patent Application No. 2007-138333]
FIG. 18 is a flowchart of a routine that the ECU 1050 executes in order to implement the above processing. In the routine shown in FIG. 18, first, 1 is set in the region number n (step 1160).

次に、領域nのカソード状態量が算出される(ステップ1162)。具体的には、n=1の領域を対象として、カソードに流入する酸素量O2(n)及び水量H20_Ca(n)が算出される(図17中、符号1122参照)。次いで、圧力計1036,1040の出力を基礎とする比例計算によりカソード圧力P_Ca(n)が算出される(図17中、符号1125参照)。更に、上記(9)式に従ってカソード相対湿度Ca_RH(n)が、また、上記(10)式に従ってカソードの酸素濃度O2濃度(n)が、それぞれ算出される(図17中、符号1124,1126参照)。   Next, the cathode state quantity of region n is calculated (step 1162). Specifically, the oxygen amount O2 (n) and the water amount H20_Ca (n) flowing into the cathode are calculated for the region where n = 1 (see reference numeral 1122 in FIG. 17). Next, the cathode pressure P_Ca (n) is calculated by proportional calculation based on the outputs of the pressure gauges 1036 and 1040 (see reference numeral 1125 in FIG. 17). Further, the cathode relative humidity Ca_RH (n) is calculated according to the above equation (9), and the oxygen concentration O2 concentration (n) of the cathode is calculated according to the above equation (10) (see reference numerals 1124 and 1126 in FIG. 17). ).

図18に示すルーチンでは、次に、領域nのアノード状態量が算出される(ステップ1164)。具体的には、n=1の領域を対象として、アノードに流入する水素H2(n)及び水量H20_An(n)が算出される(図17中、符号1128参照)。次いで、圧力計1042,1046の出力を基礎とする比例計算によりアノード圧力P_An(n)が算出される(図17中、符号1131参照)。更に、上記(11)式に従ってアノード相対湿度An_RH(n)が算出される(図17中、符号1130参照)。   In the routine shown in FIG. 18, next, the anode state quantity of the region n is calculated (step 1164). Specifically, hydrogen H2 (n) and water amount H20_An (n) flowing into the anode are calculated for the region where n = 1 (see reference numeral 1128 in FIG. 17). Next, the anode pressure P_An (n) is calculated by proportional calculation based on the outputs of the pressure gauges 1042 and 1046 (see reference numeral 1131 in FIG. 17). Further, the anode relative humidity An_RH (n) is calculated according to the above equation (11) (see reference numeral 1130 in FIG. 17).

次に、n領域における発電状態が算出される(ステップ1166)。具体的には、先ず、図12(A)に示すマップ、及び図12(B)に示すマップから、それぞれ、電流密度Iが読み出される。次に、図12(A)に示すマップからは、カソード圧力P_Caが140kPaである場合の電流密度Iが読み出される。また、図12(B)に示すマップからは、カソード圧力P_Caが200kPaである場合の電流密度Iが読み出される。本ステップでは、それらのマップ値に比例計算を施すことで、カソード圧P_Ca(n)に対応する電流密度Iが算出される(図17中、符号1132参照)。   Next, the power generation state in the n region is calculated (step 1166). Specifically, first, the current density I is read from the map shown in FIG. 12A and the map shown in FIG. Next, from the map shown in FIG. 12A, the current density I when the cathode pressure P_Ca is 140 kPa is read. In addition, the current density I when the cathode pressure P_Ca is 200 kPa is read from the map shown in FIG. In this step, the current density I corresponding to the cathode pressure P_Ca (n) is calculated by performing proportional calculation on these map values (see reference numeral 1132 in FIG. 17).

上記ステップ1166では、また、図13(A)に示すマップ、及び図13(B)に示すマップを参照して、抵抗値R(n)が算出される(図17中、符号1134参照)。更に、ここでは、図14(A)に示すマップ、及び図14(B)に示すマップを参照して、水移動量H2O_m(n)が算出される(図17中、符号1136参照)。2つのマップ値からカソード圧P_Ca(n)に応じた抵抗値R(n)及び水移動量H2O_m(n)を算出する手法は、電流密度Iの場合と同様であるため、ここではその詳細は省略する。   In step 1166, the resistance value R (n) is calculated with reference to the map shown in FIG. 13A and the map shown in FIG. 13B (see reference numeral 1134 in FIG. 17). Furthermore, here, the water movement amount H2O_m (n) is calculated with reference to the map shown in FIG. 14A and the map shown in FIG. 14B (see reference numeral 1136 in FIG. 17). Since the method of calculating the resistance value R (n) and the water movement amount H2O_m (n) according to the cathode pressure P_Ca (n) from the two map values is the same as that in the case of the current density I, the details are described here. Omitted.

次に、n領域における生成・消費量が算出される(ステップ1168)。具体的には、カソード側で消費される酸素量O2_off(n)が上記(12)式に従って、また、生成される水の量H2O(n)が上記(14)式に従って、それぞれ算出される(図17中、符号1138、1142参照)。更に、アノード側で消費される水素量H2_off(n)が、上記(1010)式に従って算出される(図17中、符号1146参照)。   Next, the generation / consumption amount in the n region is calculated (step 1168). Specifically, the amount of oxygen O2_off (n) consumed on the cathode side is calculated according to the above equation (12), and the amount of generated water H2O (n) is calculated according to the above equation (14) ( In FIG. 17, reference numerals 1138 and 1142). Further, the amount of hydrogen H2_off (n) consumed on the anode side is calculated according to the above equation (1010) (see reference numeral 1146 in FIG. 17).

以上の処理が終わると、領域番号nが、最終値sに達しているかが判別される(ステップ1170)。その結果、nがsに達していないと判断された場合は、nがインクリメントされた後(ステップ1172)、再び、上記ステップ1162以降の処理が実行される。   When the above processing is completed, it is determined whether the region number n has reached the final value s (step 1170). As a result, when it is determined that n has not reached s, after n is incremented (step 1172), the processing after step 1162 is executed again.

nが2以上である場合、ステップ1162では、カソードの酸素量O2(n)及び水量H2O_Caが、それぞれ上記(13)式又は(15)式に従って算出される(図17中、符号1140,1144参照)。また、この場合は、ステップ1164において、アノードの水素量H2(n)及び水量H2O_Anが、それぞれ上記(17)式又は(18)式に従って算出される。   When n is 2 or more, in step 1162, the oxygen amount O2 (n) and the water amount H2O_Ca of the cathode are calculated according to the above equation (13) or (15), respectively (see reference numerals 1140 and 1144 in FIG. 17). ). In this case, in step 1164, the hydrogen amount H2 (n) and the water amount H2O_An of the anode are calculated according to the above equation (17) or (18), respectively.

以後、ステップ1170において、n=sの成立が判定されるまで、上記の処理が繰り返し実行される。その結果、1番目の領域からs領域まで、全ての領域において、発電環境と、発電状態とが算出される。つまり、以上の処理によれば、上記の小領域をメッシュの単位として、膜電極接合体1012の発電環境及び発電状態の分布を予測することができる。   Thereafter, the above process is repeatedly executed until it is determined in step 1170 that n = s is established. As a result, the power generation environment and the power generation state are calculated in all regions from the first region to the s region. That is, according to the above processing, the power generation environment and the power generation state distribution of the membrane electrode assembly 1012 can be predicted using the small region as a mesh unit.

ところで、上述した特願2007−138333号の実施の形態1においては、膜電極接合体1012の温度が、全面において均一であることとしているが、特願2007−138333号に記載の発明は、これに限定されるものではない。すなわち、膜電極接合体1012の温度が面内で分布を持つ場合には、その分布を考慮して発電状態の分布を予測することとしてもよい。温度分布を考慮した予測は、例えば、以下のような手法により実現することができる。   By the way, in Embodiment 1 of the above-mentioned Japanese Patent Application No. 2007-138333, the temperature of the membrane electrode assembly 1012 is assumed to be uniform over the entire surface, but the invention described in the Japanese Patent Application No. 2007-138333 is not limited to this. It is not limited to. That is, when the temperature of the membrane electrode assembly 1012 has a distribution in the plane, the distribution of the power generation state may be predicted in consideration of the distribution. The prediction considering the temperature distribution can be realized by the following method, for example.

電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_mに関するマップを、複数の温度についてそれぞれ準備する。それぞれのマップは、膜電極接合体小片1060の温度を変えて(図15参照)電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_mを測定することで設定する。膜電極接合体1012の個々の小領域における温度は、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域の温度に、当該領域の発熱量を反映させることにより予測する。発熱量は、当該領域の電流密度Iに基づいて算出する。当該領域の温度が判ったら、温度別に準備された複数のマップから読み出したマップ値を基礎として、比例計算により、当該領域の温度に対応する電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_mを算出する。   A map relating to the current density I, the resistance value R, and the water movement amount H2O_m is prepared for each of a plurality of temperatures. Each map is set by changing the temperature of the membrane electrode assembly piece 1060 (see FIG. 15) and measuring the current density I, the resistance value R, and the water movement amount H2O_m. The temperature in each small region of the membrane electrode assembly 1012 is predicted by reflecting the amount of heat generated in the region in the temperature of the small region located upstream of the flow of the reaction gas. The calorific value is calculated based on the current density I in the region. Once the temperature of the area is known, the current density I, resistance value R, and water transfer amount H2O_m corresponding to the temperature of the area are calculated by proportional calculation based on the map values read from multiple maps prepared for each temperature. To do.

また、上述した特願2007−138333号の実施の形態1では、膜電極接合体1012の抵抗値Rの分布をも予測することとしているが、抵抗値Rの予測は、必要がなければ省略してもよい。   Further, in the first embodiment of the above-mentioned Japanese Patent Application No. 2007-138333, the distribution of the resistance value R of the membrane electrode assembly 1012 is also predicted. However, the prediction of the resistance value R is omitted if not necessary. May be.

また、上述した特願2007−138333号の実施の形態1では、マップ設定の作業を簡単化するために膜電極接合体小片1012を用いた測定(図15参照)を行うこととしているが、図12乃至図14に示すマップを設定する手法は、これに限定されるものではない。例えば、膜電極接合体1012を計測の対象としてマップ設定の作業を行うこととしてもよい。   In the first embodiment of the above-mentioned Japanese Patent Application No. 2007-138333, the measurement using the membrane electrode assembly piece 1012 (see FIG. 15) is performed in order to simplify the map setting operation. The method for setting the maps shown in FIGS. 12 to 14 is not limited to this. For example, the map setting operation may be performed using the membrane electrode assembly 1012 as a measurement target.

また、上述した特願2007−138333号の実施の形態1では、燃料電池1010のアノードに加湿された水素ガスが供給される場合に備えて、アノード側の入口にも露点計1044を配置することとしているが、この発明はこれに限定されるものではない。すなわち、アノードに供給する燃料ガスが加湿されない場合には、上記の露点計1044は省略することとしてもよい。   In the first embodiment of the above-mentioned Japanese Patent Application No. 2007-138333, a dew point meter 1044 is also arranged at the inlet on the anode side in preparation for supplying humidified hydrogen gas to the anode of the fuel cell 1010. However, the present invention is not limited to this. That is, when the fuel gas supplied to the anode is not humidified, the dew point meter 1044 may be omitted.

また、上述した特願2007−138333号の実施の形態1では、アノード圧P_Anを予測するために、入口と出口の2カ所に圧力計1042,1046を配置することとしているが、特願2007−138333号に記載の発明はこれに限定されるものではない。すなわち、膜電極接合体1012内部での圧力分布は、入口及び出口の一方で圧力が判れば推定することが可能である。このため、アノード側の圧力計は、入口側及び出口側の何れか一方にのみ配置することとしてもよい。この点は、カソード側の圧力計についても同様である。   In the first embodiment of Japanese Patent Application No. 2007-138333 described above, in order to predict the anode pressure P_An, the pressure gauges 1042 and 1046 are arranged at two locations of the inlet and the outlet. The invention described in No. 138333 is not limited to this. That is, the pressure distribution inside the membrane electrode assembly 1012 can be estimated if the pressure is known on one of the inlet and the outlet. For this reason, the pressure gauge on the anode side may be disposed only on either the inlet side or the outlet side. The same applies to the pressure gauge on the cathode side.

特願2007−138333号の実施の形態2.
次に、図19乃至図22を参照して、特願2007−138333号の実施の形態2について説明する。本実施形態のハードウェア構成は、膜電極接合体1012の酸化ガス流路と燃料ガス流路がカウンター流路を形成するように構成されている点を除いて、図11に示す構成と同様である。本実施形態のシステムは、このようなハードウェア構成において、ECU1050に、後述する図21に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
Embodiment 2 of Japanese Patent Application No. 2007-138333
Next, a second embodiment of Japanese Patent Application No. 2007-138333 will be described with reference to FIGS. The hardware configuration of this embodiment is the same as the configuration shown in FIG. 11 except that the oxidizing gas channel and the fuel gas channel of the membrane electrode assembly 1012 are configured to form a counter channel. is there. The system of the present embodiment can be realized by causing the ECU 1050 to execute a routine shown in FIG. 21 described later in such a hardware configuration.

上述した通り、特願2007−138333号の実施の形態1のシステムでは、膜電極接合体1012の酸化ガス流路と燃料ガス流路がコフロー流路を形成している。つまり、特願2007−138333号の実施の形態1では、カソード側の酸化ガスと、アノード側の燃料ガスが、同じ方向に向かって流通する。この場合、アノード側でもカソード側でも、n-1領域の発電環境及び発電状態が、n領域の発電環境を決めることになる。このため、特願2007−138333号の実施の形態1のシステムでは、アノード入口の状態と、カソード入口の状態とに基づいて、1番目の領域における発電環境及び発電状態を予測することが可能であり、以後、s領域に至るまで、小領域毎に発電環境と発電状態を、順次予測することが可能である。   As described above, in the system of Embodiment 1 of Japanese Patent Application No. 2007-138333, the oxidizing gas flow path and the fuel gas flow path of the membrane electrode assembly 1012 form a co-flow flow path. That is, in Embodiment 1 of Japanese Patent Application No. 2007-138333, the cathode side oxidizing gas and the anode side fuel gas flow in the same direction. In this case, the power generation environment and power generation state in the n-1 region determine the power generation environment in the n region on both the anode side and the cathode side. Therefore, in the system of the first embodiment of Japanese Patent Application No. 2007-138333, it is possible to predict the power generation environment and the power generation state in the first region based on the state of the anode inlet and the state of the cathode inlet. After that, it is possible to sequentially predict the power generation environment and the power generation state for each small region until reaching the s region.

しかしながら、カソード側の燃料通路とアノード側の燃料通路がカウンター流路を形成する場合は、カソードの入口が1番目の領域につながっているとすれば、アノードの入口はs領域につながることになる。この場合、カソード側では、n-1領域の状態がn領域の状態を決めることとなり、他方、アノード側では、n+1領域の状態がn領域の状態を決めることになる。   However, when the cathode-side fuel passage and the anode-side fuel passage form a counter passage, if the cathode inlet is connected to the first region, the anode inlet is connected to the s region. . In this case, on the cathode side, the state of the n-1 region determines the state of the n region, and on the anode side, the state of the n + 1 region determines the state of the n region.

例えば、カソード及びアノードの双方において、入口に隣接する小領域から予測を始めるとすれば、カソード側では、先ず、カソード入口の状態に基づいて1番目の小領域の発電状態が予測される。他方、アノード側では、そのタイミングにおいて、アノード入口の状態に基づいて、s領域の発電状態が予測される。つまり、このタイミングにおいて、1番目の領域については、カソード側の発電環境は予測できるが、アノード側の発電環境が予測できないという事態が生ずる。s領域においては、その逆の状況が生ずる。   For example, if prediction is started from a small region adjacent to the inlet in both the cathode and the anode, the power generation state of the first small region is first predicted on the cathode side based on the state of the cathode inlet. On the other hand, on the anode side, at the timing, the power generation state of the s region is predicted based on the state of the anode inlet. That is, at this timing, for the first region, the cathode-side power generation environment can be predicted, but the anode-side power generation environment cannot be predicted. The opposite situation occurs in the s region.

図17を参照して説明した通り、ある小領域((n-1)領域とする)における電流密度I(n-1)、抵抗値R(n-1)、水移動量H2O_m(n-1)は、その領域におけるカソード側の環境と、アノード側の環境が共に特定されていない限りは予測することができない。また、電流密度I(n-1)及び水移動量H2O_m(n-1)が定まらなければ、(n-1)領域における酸素消費量O2_off(n-1)、水素消費量H2_off(n-1)、並びに生成水量H2O(n-1)は予測することができない。このため、酸化ガス通路と燃料ガス通路がカウンター流路を形成する場合は、特願2007−138333号の実施の形態1と同じ手法によっては、複数の小領域の全てについて、発電環境と発電状態を順次予測することはできない。   As described with reference to FIG. 17, the current density I (n−1), the resistance value R (n−1), the water transfer amount H 2 O_m (n−1) in a certain small region (referred to as the (n−1) region). ) Cannot be predicted unless both the cathode-side environment and the anode-side environment in that region are specified. If the current density I (n-1) and the water transfer amount H2O_m (n-1) are not determined, the oxygen consumption amount O2_off (n-1) and the hydrogen consumption amount H2_off (n-1) in the (n-1) region ), And the amount of water produced H2O (n-1) cannot be predicted. For this reason, when the oxidizing gas passage and the fuel gas passage form a counter passage, the power generation environment and the power generation state are determined for all of the plurality of small regions according to the same technique as in the first embodiment of Japanese Patent Application No. 2007-138333. Cannot be predicted sequentially.

図19及び図20は、酸化ガス通路と燃料ガス通路がカウンター流路を形成する場合に、個々の小領域の発電環境及び発電状態を予測するための手法を説明するための図である。より具体的には、図19は、カソード側の発電環境と発電状態を順次予測するための手法を説明するための図である。また、図20は、アノード側の発電環境と発電状態を順次予測するための手法を説明するための図である。   19 and 20 are diagrams for explaining a method for predicting the power generation environment and the power generation state of each small area when the oxidizing gas passage and the fuel gas passage form a counter flow path. More specifically, FIG. 19 is a diagram for explaining a technique for sequentially predicting the power generation environment and the power generation state on the cathode side. FIG. 20 is a diagram for explaining a method for sequentially predicting the power generation environment and the power generation state on the anode side.

本実施形態において、ECU1050は、カソードメモリ領域(図19(A)、図20(C)参照)と、アノードメモリ領域(図19(C)及び図20(A)参照)を有している。カソードメモリ領域は、個々の小領域におけるカソード相対湿度Ca_RHとO2濃度を記憶するための領域である。他方、アノードメモリ領域は、個々の小領域におけるアノード相対湿度An_RHを記憶するための領域である。   In the present embodiment, the ECU 1050 has a cathode memory region (see FIGS. 19A and 20C) and an anode memory region (see FIGS. 19C and 20A). The cathode memory area is an area for storing the cathode relative humidity Ca_RH and the O2 concentration in each small area. On the other hand, the anode memory area is an area for storing the anode relative humidity An_RH in each small area.

図19に示すように、ECU1050は、アノードメモリ領域に、個々の小領域に対応するアノード相対湿度An_RHを記憶している。図17を参照して説明した通り、ある小領域(i領域とする)の電流密度I(i)、抵抗値R(i)及び水移動量H2O_m(i)は、カソード側の発電環境に加えて、アノード相対湿度An_RH(i)が特定できれば算出することができる。このため、i領域におけるカソード側の発電環境が特定できれば、アノードメモリ領域からアノード相対湿度An_RH(i)を読み出してくることで、i領域の発電状態を予測し、更に、次段に位置する(i+1)領域の発電環境を予測することが可能である。そして、この処理を繰り返すことにより、1番目の小領域からs領域に至るまで、全ての小領域における発電環境と発電状態を順次予測することができる。   As shown in FIG. 19, the ECU 1050 stores anode relative humidity An_RH corresponding to each small area in the anode memory area. As described with reference to FIG. 17, the current density I (i), resistance value R (i), and water transfer amount H 2 O_m (i) of a small region (referred to as i region) are added to the power generation environment on the cathode side. Thus, if the anode relative humidity An_RH (i) can be specified, it can be calculated. Therefore, if the power generation environment on the cathode side in the i region can be identified, the anode relative humidity An_RH (i) is read from the anode memory region, thereby predicting the power generation state in the i region and further positioned in the next stage ( It is possible to predict the power generation environment in the i + 1) region. By repeating this process, the power generation environment and the power generation state in all the small areas can be sequentially predicted from the first small area to the s area.

本実施形態において、ECU1050は、上述した手法によって、カソード側の酸化ガスの流れに沿う順番で、個々の小領域におけるカソード側の発電環境と、個々の小領域における発電状態とを演算する。この演算の過程では、それぞれの小領域(i)において、カソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)が算出される。ECU1050は、図19に示すように、このようにして算出されたカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を、次段のデータとして、つまり、i+1領域のデータとしてカソードメモリ領域に記憶する。   In the present embodiment, the ECU 1050 calculates the power generation environment on the cathode side in each small region and the power generation state in each small region in the order along the flow of the oxidizing gas on the cathode side by the method described above. In the process of this calculation, the cathode relative humidity Ca_RH (i) and the O2 concentration (i) are calculated in each small region (i). As shown in FIG. 19, the ECU 1050 uses the cathode relative humidity Ca_RH (i) and the O2 concentration (i) calculated in this way as the next stage data, that is, as the data of the i + 1 area, the cathode memory area. To remember.

図20は、ECU1050が、カソードメモリ領域に記憶されているカソード相対湿度Ca_RH及びO2濃度を用いて、アノード側の状態を順次計算する手順を示している。すなわち、ECU1050は、i領域において、アノード側の発電環境と共に、カソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)が特定できれば、電流密度I(i)、抵抗値R(i)及び水移動量H2O_m(i)算出することができる。このため、i領域におけるアノード側の発電環境が特定できれば、カソードメモリ領域からカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を読み出してくることで、i領域の発電状態を予測し、更に、その前段に位置する (i-1) 領域の発電環境を予測することが可能である。そして、この処理を繰り返すことで、s領域から1番目の領域に至るまで、全ての小領域における発電環境と発電状態を順次予測することができる。   FIG. 20 shows a procedure in which the ECU 1050 sequentially calculates the anode-side state using the cathode relative humidity Ca_RH and the O2 concentration stored in the cathode memory area. In other words, ECU 1050 can determine current density I (i), resistance value R (i), and water transfer amount if the cathode relative humidity Ca_RH (i) and O2 concentration (i) can be specified together with the power generation environment on the anode side in the i region. H2O_m (i) can be calculated. For this reason, if the power generation environment on the anode side in the i region can be specified, the cathode relative humidity Ca_RH (i) and the O2 concentration (i) are read from the cathode memory region, thereby predicting the power generation state in the i region, It is possible to predict the power generation environment in the (i-1) region located in the preceding stage. Then, by repeating this process, it is possible to sequentially predict the power generation environment and the power generation state in all the small regions from the s region to the first region.

本実施形態において、ECU1050は、上述した手法によって、アノード側の燃料ガスの流れに沿う順番で、個々の小領域におけるアノード側の発電環境と、個々の小領域における発電状態とを演算する。この演算の過程では、それぞれの小領域(i)において、アノード相対湿度An_RH(i)が算出される。ECU1050は、図20に示すように、このようにして算出されたアノード相対湿度An_RH(i)を、前段のデータとして、つまり、i-1領域のデータとしてアノードメモリ領域に記憶する。   In the present embodiment, the ECU 1050 calculates the power generation environment on the anode side in each small region and the power generation state in each small region in the order along the flow of the fuel gas on the anode side by the method described above. In the process of this calculation, the anode relative humidity An_RH (i) is calculated in each small region (i). As shown in FIG. 20, the ECU 1050 stores the anode relative humidity An_RH (i) thus calculated in the anode memory area as the previous stage data, that is, as the data of the i-1 area.

上述した通り、本実施形態において、ECU1050は、発電環境と発電状態を順次予測する処理を、カソード側とアノード側の双方で並行して実行する。そして、カソード側の処理は、1サイクル前にアノードメモリ領域に記憶されたアノード相対湿度An_RHを用いて実行される。他方、アノード側の処理は、1サイクル前にカソードメモリ領域に記憶されたカソード相対湿度Ca_RH及びO2濃度を用いて行われる。   As described above, in the present embodiment, the ECU 1050 executes the process of sequentially predicting the power generation environment and the power generation state on both the cathode side and the anode side in parallel. Then, the processing on the cathode side is executed using the anode relative humidity An_RH stored in the anode memory area one cycle before. On the other hand, the processing on the anode side is performed using the cathode relative humidity Ca_RH and the O2 concentration stored in the cathode memory area one cycle before.

従って、時刻t1において、カソード側では、時刻t1におけるカソード側の発電環境と、時刻t1から1サイクル分だけ遡った時刻t0におけるアノード相対湿度An_RHとを用いた予測処理が実行される。同様に、アノード側では、時刻t1におけるアノード側の発電環境と、時刻t0におけるカソード相対湿度Ca_RH及びO2濃度による予測処理が実行される。   Therefore, at time t1, on the cathode side, prediction processing using the cathode-side power generation environment at time t1 and the anode relative humidity An_RH at time t0 that is one cycle back from time t1 is executed. Similarly, on the anode side, prediction processing based on the power generation environment on the anode side at time t1 and the cathode relative humidity Ca_RH and O2 concentration at time t0 is executed.

本実施形態では、上述した時間差の影響を排除するため、i領域で得られたカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を(i+1)領域のデータとしてカソードメモリ領域に記憶する。カソード側では、酸化ガスの流れに伴い、i領域の状態が時間の経過によって後段側に移行する事態が生ずる。このため、i領域で得られたデータをi+1領域のデータとして記憶すると、上述した1サイクル分の時間差の影響を抑制することができる。同様の理由により、本実施形態の手法によれば、アノード側においても、1サイクル分の時間差の影響を十分に抑えることができる。従って、本実施形態のシステムによれば、カソード側の処理、及びアノード側の処理のそれぞれにより、精度良く発電環境及び発電状態を予測することができる。   In this embodiment, in order to eliminate the influence of the time difference described above, the cathode relative humidity Ca_RH (i) and the O2 concentration (i) obtained in the i region are stored in the cathode memory region as data in the (i + 1) region. . On the cathode side, with the flow of the oxidizing gas, there occurs a situation in which the state of the i region shifts to the subsequent stage side as time passes. For this reason, if the data obtained in the i area is stored as the data in the i + 1 area, the influence of the time difference of one cycle described above can be suppressed. For the same reason, according to the method of this embodiment, the influence of the time difference for one cycle can be sufficiently suppressed even on the anode side. Therefore, according to the system of the present embodiment, the power generation environment and the power generation state can be predicted with high accuracy by the cathode-side process and the anode-side process, respectively.

図21は、本実施形態において、ECU1050が実行するルーチンのフローチャートである。図21に示すルーチンでは、先ず、領域番号の初期化が行われる(ステップ1180)。具体的には、カソード側の処理対象を示す領域番号nに1がセットされる。また、アノード側の処理対象を示す領域番号Nにsがセットされる。   FIG. 21 is a flowchart of a routine executed by the ECU 1050 in the present embodiment. In the routine shown in FIG. 21, first, an area number is initialized (step 1180). Specifically, 1 is set in the region number n indicating the processing target on the cathode side. Further, s is set in the region number N indicating the processing object on the anode side.

次に、n領域(1番目の領域)のカソード状態量が算出される(ステップ1182)。本ステップ1182では、図18に示すステップ1162と同様の処理により、カソードにおける酸素量O2(n)、水量H2O_Ca(n)、カソード相対湿度Ca_RH(n)、O2濃度(n)及びカソード圧力P_Ca(n)が算出される(図17中、符号1122、1124,1125、1126参照)。   Next, the cathode state quantity of the n region (first region) is calculated (step 1182). In step 1182, the oxygen amount O2 (n), water amount H2O_Ca (n), cathode relative humidity Ca_RH (n), O2 concentration (n), and cathode pressure P_Ca (at the cathode) are the same as those in step 1162 shown in FIG. n) is calculated (see reference numerals 1122, 1124, 1125, 1126 in FIG. 17).

次に、アノードメモリ領域から、n領域に対応するアノード相対湿度An_RH(n)が読み出される(ステップ1184)。   Next, the anode relative humidity An_RH (n) corresponding to the n region is read from the anode memory region (step 1184).

次いで、n領域における発電状態が算出される(ステップ1186)。図17を参照して説明した通り、カソード側の発電環境に加えて、アノード相対湿度An_RH(n) (図17中、符号1130参照)が決まれば、図12乃至図14に示すマップから、電流密度I(n)、抵抗値R(n)、及び水移動量H2O_m(n)を読み出すことができる。ここでは、上記ステップ1182及び1184の処理により特定されたパラメータに基づいて、マップからそれらの値が読み出される。   Next, the power generation state in the n region is calculated (step 1186). As described with reference to FIG. 17, when the anode relative humidity An_RH (n) (see reference numeral 1130 in FIG. 17) is determined in addition to the power generation environment on the cathode side, the current shown in FIG. 12 to FIG. The density I (n), the resistance value R (n), and the water movement amount H2O_m (n) can be read out. Here, those values are read from the map based on the parameters specified by the processing of steps 1182 and 1184.

次に、カソード側で消費される酸素量O2_off(n)、及びカソード側で生成される水量H2O(n)が算出される(ステップ1188)。酸素消費量O2_off(n)は、上記(12)式に従って算出される。また、水生成量H2O(n)は上記(14)式に従って算出される(図17中、符号1138、1142参照)。   Next, the amount of oxygen O2_off (n) consumed on the cathode side and the amount of water H2O (n) produced on the cathode side are calculated (step 1188). The oxygen consumption amount O2_off (n) is calculated according to the above equation (12). Further, the water generation amount H2O (n) is calculated according to the above equation (14) (see reference numerals 1138 and 1142 in FIG. 17).

次に、N領域(s領域)のアノード状態量が算出される(ステップ1190)。本ステップ1190では、図18に示すステップ1164と同様の処理により、アノードにおける水素量H2(N)、水量H2O_An(N)、アノード相対湿度An_RH(N)、及びアノード圧力P_Ca(N)が算出される(図17中、符号1128、1130,1131参照)。   Next, the anode state quantity of the N region (s region) is calculated (step 1190). In this step 1190, the hydrogen amount H2 (N), the water amount H2O_An (N), the anode relative humidity An_RH (N), and the anode pressure P_Ca (N) at the anode are calculated by the same processing as step 1164 shown in FIG. (Refer to reference numerals 1128, 1130, and 1131 in FIG. 17).

次に、カソードメモリ領域から、N領域に対応するカソード相対湿度Ca_RH(N)が読み出される(ステップ1192)。更に、カソード側の圧力計1036,1040の出力に基づいてカソード圧力P_Ca(N)が算出される(ステップ1193)。   Next, the cathode relative humidity Ca_RH (N) corresponding to the N region is read from the cathode memory region (step 1192). Further, the cathode pressure P_Ca (N) is calculated based on the outputs of the pressure gauges 1036 and 1040 on the cathode side (step 1193).

続いて、N領域における発電状態が算出される(ステップ1194)。図17を参照して説明した通り、アノード側の発電環境に加えて、カソード相対湿度Ca_RH(N)、カソード圧力P_Ca(N)及びO2濃度(N)が決まれば(図17中、符号1124、1125、1126参照)、図12乃至図14に示すマップから、電流密度I(N)、抵抗値R(N)、及び水移動量H2O_m(N)を読み出すことができる。ここでは、上記ステップ1190〜1193の処理により特定されたパラメータに基づいて、マップからそれらの値が読み出される。   Subsequently, the power generation state in the N region is calculated (step 1194). As described with reference to FIG. 17, in addition to the power generation environment on the anode side, if the cathode relative humidity Ca_RH (N), the cathode pressure P_Ca (N), and the O2 concentration (N) are determined (reference numeral 1124 in FIG. 17). 1125 and 1126), the current density I (N), the resistance value R (N), and the water movement amount H2O_m (N) can be read from the maps shown in FIGS. Here, those values are read from the map based on the parameters specified by the processing of steps 1190 to 1193.

次に、アノード側で消費される水素量H2_off(N)が算出される(ステップ1196)。水素消費量H2_off(N)は、上記(16)式に従って算出される(図17中、符号1146参照)。   Next, the amount of hydrogen H2_off (N) consumed on the anode side is calculated (step 1196). The hydrogen consumption amount H2_off (N) is calculated according to the above equation (16) (see reference numeral 1146 in FIG. 17).

以上の処理が終わると、カソード側の領域番号nがsに達しているか、及びアノード側の領域番号Nが1に達しているかが判別される(ステップ1198)。その結果、この判定が否定された場合は、nがインクリメントされ、かつ、Nがデクリメントされた後(ステップ1200)、再び、上記ステップ1182以降の処理が実行される。   When the above processing is completed, it is determined whether the cathode-side region number n has reached s and the anode-side region number N has reached 1 (step 1198). As a result, if this determination is negative, after n is incremented and N is decremented (step 1200), the processing from step 1182 onward is executed again.

nが2以上である場合、ステップ1182では、カソードの酸素量O2(n)及び水量H2O_Caが、それぞれ上記(13)式又は(15)式に従って算出される(図17中、符号1140,1144参照)。また、この場合は、ステップ1190において、アノードの水素量H2(n)及び水量H2O_Anが、それぞれ上記(17)式又は(18)式に従って算出される。   When n is 2 or more, in step 1182, the oxygen amount O 2 (n) and water amount H 2 O_Ca of the cathode are calculated according to the above equation (13) or (15), respectively (see reference numerals 1140 and 1144 in FIG. 17). ). In this case, in Step 1190, the hydrogen amount H2 (n) and the water amount H2O_An of the anode are calculated according to the above equation (17) or (18), respectively.

以後、ステップ1198において、n=s、N=1の成立が判定されるまで、上記の処理が繰り返し実行される。その結果、1番目の領域からs領域まで、全ての領域において、発電環境と、発電状態とが算出される。   Thereafter, in step 1198, the above processing is repeatedly executed until it is determined that n = s and N = 1. As a result, the power generation environment and the power generation state are calculated in all regions from the first region to the s region.

上記の処理が繰り返され、カソード側及びアノード側の双方で1サイクルの処理が終わると、ステップ1198の条件が成立する。この場合、ECU1050は、次に、i領域(i=1〜s)のカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を、(i+1)領域のデータとしてカソードメモリ領域に記憶する(ステップ1202)。   When the above processing is repeated and one cycle of processing is completed on both the cathode side and the anode side, the condition of step 1198 is satisfied. In this case, the ECU 1050 next stores the cathode relative humidity Ca_RH (i) and the O2 concentration (i) of the i region (i = 1 to s) in the cathode memory region as data of the (i + 1) region ( Step 1202).

更に、ECU1050は、i領域(i=1〜s)のアノード相対湿度An_RH(i)を、(i-1)領域のデータとしてアノードメモリ領域に記憶する(ステップ1204)。以上の処理により、図19を参照して説明した処理が実現される。その結果、次回の処理サイクル時に、カソード側及びアノード側の双方で、精度良く発電環境及び発電状態を予測するための準備が整えられる。   Further, the ECU 1050 stores the anode relative humidity An_RH (i) of the i area (i = 1 to s) in the anode memory area as data of the (i-1) area (step 1204). With the above process, the process described with reference to FIG. 19 is realized. As a result, preparations for accurately predicting the power generation environment and the power generation state are prepared on both the cathode side and the anode side during the next processing cycle.

図21に示すルーチンによると、ステップ1186では、カソード側の発電環境がリアルタイムに反映された発電状態が算出される。また、上記ステップ1194では、アノード側の発電環境がリアルタイムに反映された発電状態が算出される。これら2つの発電状態は、予測演算が繰り返されることにより、やがては実質的に同じ値に収束する。そして、両者が同じ値に収束した時点での発電環境及び発電状態の分布は、定常状態における分布として認識することができる。このため、本実施形態のシステムを用いる場合は、ステップ1186で得られる発電状態と、ステップ1194で得られる発電状態とが同等となった時点で予測演算を終了することとしてもよい。   According to the routine shown in FIG. 21, in step 1186, a power generation state in which the power generation environment on the cathode side is reflected in real time is calculated. In Step 1194, the power generation state in which the anode-side power generation environment is reflected in real time is calculated. These two power generation states eventually converge to substantially the same value as the prediction calculation is repeated. The distribution of the power generation environment and the power generation state at the time when both converge to the same value can be recognized as a distribution in the steady state. For this reason, when using the system of the present embodiment, the prediction calculation may be terminated when the power generation state obtained in step 1186 and the power generation state obtained in step 1194 become equal.

図22は、本実施形態のシステムが実行した分布予測の結果である。図22において、例えば、O2濃度は、カソード入口から遠ざかるに連れて、ほぼ比例的に低下している。また、電流密度Iは、カソード入口から遠ざかるに従って、一端増加した後減少する傾向を示している。これらは、膜電極接合体1012において、現実に生ずる傾向と精度良く一致している。図22に示す他の値(抵抗値R、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH)についても同様である。これらの予測結果が示すように、本実施形態のシステムは、膜電極接合体1012の面内に生ずる分布を正確に予測することができる。   FIG. 22 shows the result of distribution prediction executed by the system of this embodiment. In FIG. 22, for example, the O2 concentration decreases almost proportionally as the distance from the cathode entrance increases. In addition, the current density I tends to increase and then decrease as the distance from the cathode entrance increases. These coincide with the tendency that actually occurs in the membrane electrode assembly 1012 with high accuracy. The same applies to other values shown in FIG. 22 (resistance value R, anode relative humidity An_RH, cathode relative humidity Ca_RH). As these prediction results indicate, the system of the present embodiment can accurately predict the distribution generated in the plane of the membrane electrode assembly 1012.

本発明の実施の形態1のシステムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the system of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1の単位燃料電池11の断面図である。It is sectional drawing of the unit fuel cell 11 of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1の単位燃料電池11の平面図である。It is a top view of the unit fuel cell 11 of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1においてECU58が燃料電池面内状態推定のルーチンを実行した結果として得られる、推定湿度分布のイメージである。3 is an image of an estimated humidity distribution obtained as a result of the ECU 58 executing a routine for estimating the in-plane state of the fuel cell in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1において実行されるルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1のシステムで用いられるマップである。It is a map used with the system of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1のシステムの変形例である。It is a modification of the system of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine performed in the system of Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2のシステムで用いられるマップである。It is a map used with the system of Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2のシステムで用いられるマップである。It is a map used with the system of Embodiment 2 of this invention. 特願2007−138333号の実施の形態1のシステムの構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the system of Embodiment 1 of Japanese Patent Application No. 2007-138333. 特願2007−138333号の実施の形態1のシステムが用いる電流密度Iのマップを示す。The map of the current density I which the system of Embodiment 1 of Japanese Patent Application No. 2007-138333 uses is shown. 特願2007−138333号の実施の形態1のシステムが用いる抵抗値Rのマップを示す。The map of resistance value R which the system of Embodiment 1 of Japanese Patent Application No. 2007-138333 uses is shown. 特願2007−138333号の実施の形態1のシステムが用いる水移動量H2O_mのマップを示す。The map of water movement amount H2O_m which the system of Embodiment 1 of Japanese Patent Application No. 2007-138333 uses is shown. 膜電極接合体小片を用いて、特定の発電環境下での発電状態を測定するためのシステムの図である。It is a figure of the system for measuring the electric power generation state in a specific electric power generation environment using a membrane electrode assembly piece. 図11に示す燃料電池が備える膜電極接合体の仮想的な分割方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the virtual division | segmentation method of the membrane electrode assembly with which the fuel cell shown in FIG. 11 is provided. 特願2007−138333号の実施の形態1のシステムが、n-1領域における発電環境を基礎として、n領域における発電環境を予測する手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the procedure in which the system of Embodiment 1 of Japanese Patent Application No. 2007-138333 estimates the power generation environment in n area | region based on the power generation environment in n-1 area | region. 特願2007−138333号の実施の形態1のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine performed in the system of Embodiment 1 of Japanese Patent Application No. 2007-138333. 特願2007−138333号の実施の形態2においてカソード側で実行される処理の内容を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the content of the process performed by the cathode side in Embodiment 2 of Japanese Patent Application No. 2007-138333. 特願2007−138333号の実施の形態2においてアノード側で実行される処理の内容を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the content of the process performed by the anode side in Embodiment 2 of Japanese Patent Application No. 2007-138333. 特願2007−138333号の実施の形態2のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine performed in the system of Embodiment 2 of Japanese Patent Application No. 2007-138333. 特願2007−138333号の実施の形態2のシステムによる分布予測の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the distribution prediction by the system of Embodiment 2 of Japanese Patent Application No. 2007-138333.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池スタック
11 単位燃料電池
12 膜電極接合体
12a 固体高分子電解質膜 12b 電極触媒層 12c 電極触媒層
13 ガス流路(アノードガス流路)
13a アノードガス流路入口 13b アノードガス流路出口
14 ガス流路(カソードガス流路)
14a カソードガス流路入口 14b カソードガス流路出口
15a、15b、15c 冷却液通路
16 酸化ガス排出通路 17 酸化ガス供給通路
18 冷却液マニホールド
20 コンプレッサ
22 エアフィルタ
24 燃料ガス供給通路 26 燃料ガス排出通路
28 調整バルブ
30 水素タンク
36,40,42,46 圧力計
38,44 露点計
48 温度計
50 冷却系
50a、50b、50c 冷却液通路
51 ラジエータ
52 ポンプ
53、54 熱交換器
55、56、57 温度計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell stack 11 Unit fuel cell 12 Membrane electrode assembly 12a Solid polymer electrolyte membrane 12b Electrode catalyst layer 12c Electrode catalyst layer 13 Gas flow path (anode gas flow path)
13a Anode gas channel inlet 13b Anode gas channel outlet 14 Gas channel (cathode gas channel)
14a Cathode gas passage inlet 14b Cathode gas passage outlets 15a, 15b, 15c Coolant passage 16 Oxidizing gas discharge passage 17 Oxidizing gas supply passage 18 Coolant manifold 20 Compressor 22 Air filter 24 Fuel gas supply passage 26 Fuel gas discharge passage 28 Adjustment valve 30 Hydrogen tank 36, 40, 42, 46 Pressure gauge 38, 44 Dew point meter 48 Thermometer 50 Cooling system 50a, 50b, 50c Cooling fluid passage 51 Radiator 52 Pump 53, 54 Heat exchanger 55, 56, 57 Thermometer

Claims (9)

電解質膜の両側に触媒層を備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面に接して設けられた第1ガス流路と、前記膜電極接合体の他方の面に接して設けられた第2ガス流路とを有し、前記第1ガス流路の入口側部分と前記第2ガス流路の出口側部分とが前記膜電極接合体を挟んで対向している燃料電池と、
前記燃料電池の前記第1ガス流路側の面における該第1ガス流路の入口側の領域と、該燃料電池の前記第2ガス流路側の面における該第2ガス流路の出口側の領域とのうち少なくとも一方の領域に設けられ、入口を有し該燃料電池の発電中にその内部に冷媒が流れる第1冷媒通路と、
前記燃料電池における前記第1ガス流路側の面と前記第2ガス流路側の面とのうち少なくとも一方の面の中央領域に設けられ、前記第1冷媒通路の入口とは異なる入口を備えて該燃料電池の発電中にその内部に冷媒が流れる第2冷媒通路と、
前記第1、2冷媒通路のそれぞれの入口に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記第1冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度または流量を、前記第2冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度または流量とは独立に調整することができる調整機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A membrane electrode assembly having a catalyst layer on both sides of the electrolyte membrane, a first gas channel provided in contact with one surface of the membrane electrode assembly, and in contact with the other surface of the membrane electrode assembly A fuel cell, wherein an inlet side portion of the first gas channel and an outlet side portion of the second gas channel are opposed to each other with the membrane electrode assembly interposed therebetween, ,
An area on the inlet side of the first gas flow path on the surface on the first gas flow path side of the fuel cell, and an area on the outlet side of the second gas flow path on the surface on the second gas flow path side of the fuel cell. A first refrigerant passage having an inlet and having a refrigerant flowing therein during power generation of the fuel cell;
The fuel cell is provided in a central region of at least one of the first gas flow path side surface and the second gas flow path side surface, and includes an inlet different from the inlet of the first refrigerant passage. A second refrigerant passage through which refrigerant flows during power generation of the fuel cell;
Refrigerant supply means for supplying refrigerant to the respective inlets of the first and second refrigerant passages;
An adjustment mechanism capable of adjusting the temperature or flow rate of the refrigerant flowing into the inlet of the first refrigerant passage independently of the temperature or flow rate of the refrigerant flowing into the inlet of the second refrigerant passage;
A fuel cell system comprising:
前記第1ガス流路の前記入口側部分への水移動量が不足しているか否かを判定する不足判定手段と、
前記不足判定手段により前記水移動量が不足していると判定されたら、前記第1冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度が低下し、または/および、該冷媒の流量が増加するように、前記調整機構を制御する冷却制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Shortage determination means for determining whether or not the amount of water movement to the inlet side portion of the first gas flow path is insufficient;
If it is determined by the shortage determining means that the amount of water movement is insufficient, the temperature of the refrigerant flowing into the inlet of the first refrigerant passage is decreased, and / or the flow rate of the refrigerant is increased. Cooling control means for controlling the adjusting mechanism;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
前記第1ガス流路の入口側部分の湿度を表す第1ガス流路入口湿度を、計測または推定により取得する入口側湿度取得手段を備え、
前記不足判定手段は、前記第1ガス流路入口湿度が所定の下限値を下回ったら、前記第1ガス流路の前記入口側部分への水移動量が不足していると判定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
An inlet-side humidity acquisition means for acquiring, by measurement or estimation, a first gas channel inlet humidity that represents the humidity of the inlet side portion of the first gas channel;
The deficiency determining means determines that the amount of water movement to the inlet side portion of the first gas channel is insufficient when the humidity at the inlet of the first gas channel is below a predetermined lower limit value. The fuel cell system according to claim 2.
前記電解質膜を介して前記第2ガス流路の出口側部分から前記第1ガス流路の入口側部分へと向かう水移動量を取得する水移動量取得手段を備え、
前記不足判定手段は、前記水移動量取得手段が取得した水移動量が所定の下限値を下回ったら、前記第1ガス流路の前記入口側部分への水移動量が不足していると判定することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
Water movement amount acquisition means for acquiring a water movement amount from the outlet side portion of the second gas flow path toward the inlet side portion of the first gas flow path through the electrolyte membrane;
The shortage determination means determines that the amount of water movement to the inlet side portion of the first gas channel is insufficient when the water movement amount acquired by the water movement amount acquisition means falls below a predetermined lower limit value. The fuel cell system according to claim 2, wherein:
前記水移動量取得手段は、
前記第1ガス流路の入口側部分の湿度、温度および圧力と、前記第2ガス流路の出口側部分の湿度、温度および圧力とを計測または推定により取得するガス流路環境取得手段と、
前記電解質膜の周囲の環境と、該電解質膜の前記第2ガス流路側の面から前記第1ガス流路側の面への水移動量との関係を定めた水移動特性を記憶した水移動特性記憶手段と、
前記ガス流路環境取得手段が取得した取得値を用いて、前記水移動特性に従って、水移動量を推定演算する推定演算手段と、
を含むことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。
The water movement amount acquisition means is
A gas flow path environment acquisition means for measuring or estimating the humidity, temperature and pressure of the inlet side portion of the first gas flow path and the humidity, temperature and pressure of the outlet side portion of the second gas flow path;
Water movement characteristics storing water movement characteristics that define the relationship between the environment around the electrolyte membrane and the amount of water movement from the second gas flow path side surface of the electrolyte membrane to the first gas flow path side surface Storage means;
Using the acquired value acquired by the gas flow path environment acquiring unit, according to the water transfer characteristic, an estimation calculation unit that estimates and calculates a water movement amount;
The fuel cell system according to claim 4, comprising:
前記第1ガス流路の入口側部分の湿度を表す第1ガス流路入口湿度を、計測または推定により取得する入口側湿度取得手段と、
前記第2ガス流路の出口側部分の湿度を表す第2ガス流路出口湿度を、計測または推定により取得する出口側湿度取得手段と、
前記第1ガス流路入口湿度と前記第2ガス流路出口湿度の差が、所定の判定値よりも大きいか否かを判定する環境判定手段と、を備え、
前記冷却制御手段は、前記不足判定手段により前記水移動量が不足していると判定され、かつ、前記環境判定手段により前記差が前記判定値よりも大きいと判定されたら、前記調整機構を制御することを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
Inlet-side humidity acquisition means for acquiring, by measurement or estimation, a first gas-channel inlet humidity representing the humidity of the inlet-side portion of the first gas channel;
Outlet side humidity obtaining means for obtaining, by measurement or estimation, a second gas passage outlet humidity representing the humidity of the outlet side portion of the second gas passage;
Environmental determination means for determining whether a difference between the first gas flow path inlet humidity and the second gas flow path outlet humidity is greater than a predetermined determination value;
The cooling control means controls the adjustment mechanism when it is determined that the amount of water movement is insufficient by the shortage determination means and the difference is determined to be larger than the determination value by the environment determination means. The fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel cell system is a fuel cell system.
前記第1ガス流路の前記入口側部分への水移動量が過剰であるか否かを判定する過剰判定手段と、
前記不足判定手段により前記水移動量が過剰であると判定されたら、前記第1冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度が上昇し、または/および、該冷媒の流量が減少するように、前記調整機構を制御する昇温制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
Excess determination means for determining whether the amount of water movement to the inlet side portion of the first gas flow path is excessive;
If it is determined by the shortage determining means that the amount of water movement is excessive, the temperature of the refrigerant flowing into the inlet of the first refrigerant passage rises and / or the flow rate of the refrigerant decreases. A temperature rise control means for controlling the adjustment mechanism;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, further comprising:
前記膜電極接合体は、面内における前記第1ガス流路の入口側部分と前記第2ガス流路の出口側部分とによって挟まれる特定部位が、面内における中央側の部位に比して、厚み方向に水が透過し易いことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   The membrane electrode assembly has a specific portion sandwiched between an inlet side portion of the first gas flow channel and an outlet side portion of the second gas flow channel in a plane as compared to a central portion in the plane. The fuel cell system according to claim 1, wherein water easily permeates in a thickness direction. 前記膜電極接合体の面内における前記第1ガス流路の入口側部分と前記第2ガス流路の出口側部分とによって挟まれる特定部位は、該膜電極接合体の面内における中央側の部位に比して、単位面積あたりの、周囲湿度の上昇量に対する水透過量の増加量が大きいことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   The specific portion sandwiched between the inlet side portion of the first gas flow path and the outlet side portion of the second gas flow path in the plane of the membrane electrode assembly is a central side in the plane of the membrane electrode assembly. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein an increase amount of water permeation with respect to an increase amount of ambient humidity per unit area is larger than a region.
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