JP5287557B2

JP5287557B2 - 燃料電池シミュレーションモデル作成装置

Info

Publication number: JP5287557B2
Application number: JP2009162417A
Authority: JP
Inventors: 岳原田; 毅竹本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-07-09
Also published as: JP2010153354A

Description

本発明は、燃料電池のシミュレーション用のモデルを作成する燃料電池シミュレーションモデル作成装置に関する。

複数の気孔（細孔とも称する）が形成された多孔構造を有する多孔体が、例えば、フィルタや電気二重層キャパシタ、燃料電池の触媒層や拡散層など、種々の分野で利用されている。

多孔体は一般に、その気孔の大きさ（気孔径または気孔サイズとも称する。例えば触媒層に適用する場合には、気孔径が概ね０．０１〜１０００μｍ程度である）、気孔サイズ（径）に対する気孔の占める体積割合の連続的な分布（気孔サイズ（径）分布）、気孔サイズ（径）ごとの気孔の占める体積割合の頻度（気孔サイズ（径）頻度）、気孔部分を含む多孔体全体の体積に対する気孔の占める体積の割合（気孔率）などの諸条件により、流体の流通性や吸着性などに異なる特性を有することが知られており、所望する特性に応じた多孔体を作製するためのさまざまな手法について開示されている。

特許文献１には、触媒の幾何形状モデルに変形解析を行う燃料電池用触媒層の解析装置について記載されている。

特許文献２には、セパレータの構造情報に基づいて水素流路の挙動や燃料電池の挙動を解析することについて記載されている。

特許文献３には、パラメータに基づいて燃料電池単セルの有限要素モデルを生成し、単セルの耐久性を評価することについて記載されている。

特許文献４には、電子顕微鏡により撮影した燃料電池用触媒層の画像から細孔を抽出し、触媒構造を解析することについて記載されている。

特許文献５には、２次元メッシュデータと法線方向データに基づいてモデル化した３次元メッシュを生成し、燃料電池を解析することについて記載されている。

燃料電池は一般に、電解質膜の一方の面に燃料極触媒層と、もう一方の面に酸化剤極触媒層とを電解質膜を挟んで対向するように設け、電解質膜を挟持した各触媒層の外側に対応する拡散層をさらに設けた、膜−電極接合体（ＭＥＡ）を、原料供給用の流路を設けたセパレータで挟んだ構造を１単位とするいわゆる単セルを有している。通常の燃料電池システムにおいては、この単セルを複数積層させて所望の電力が得られるようにしたセルスタックを使用し、各触媒層に水素、酸素等の原料を供給して発電する。

燃料電池の発電時には、燃料極に供給する燃料ガスを水素、酸化剤極に供給する酸化剤ガスを空気とした場合、燃料極において、水素から水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて酸化剤極に到達する。酸化剤極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて酸化剤極に到達した電子により、水が生成する。このように燃料極及び酸化剤極において電気化学反応が起こり、電池として機能する。

燃料電池または単セルのシミュレーションモデルを作成し、所望の電池性能を有する燃料電池または単セルの設計に活用するために、作成したシミュレーションモデルの特性を構造解析等により評価するさまざまな手法について開示されている（例えば、特許文献６〜９）。

特開２００７−３２３８５２号公報特開２００７−０９５６２０号公報特開２００８−０９１３２９号公報特開２００４−１０２４６７号公報特開２００５−２５９０４３号公報特開２００４−００６０８７号公報特開２００７−３０５４１９号公報特開２００５−２５０８９５号公報特許第３９９５９２６号公報

本発明は、構成する材料ごとの個別の情報に基づいて３次元の燃料電池シミュレーションモデルを作成することを目的とする。

本発明に係る燃料電池シミュレーションモデル作成装置は、基材層と撥水層とを積層させた拡散層と、触媒層とを含む電極を有する燃料電池のシミュレーション用のモデルを作成する装置であって、前記基材層に関する情報を読み込む基材層情報読込手段と、読み込んだ基材層情報のうち、特定の基材層部位に関するデータを取得する基材層部位データ取得手段と、前記撥水層に関する情報を読み込む撥水層情報読込手段と、読み込んだ撥水層情報のうち、特定の撥水層部位に関するデータを取得する撥水層部位データ取得手段と、前記触媒層に関する情報を読み込む触媒層情報読込手段と、読み込んだ触媒層情報のうち、特定の触媒層部位に関するデータを取得する触媒層部位データ取得手段と、取得した基材層部位データ、撥水層部位データおよび触媒層部位データを積層する、部位データ積層手段と、積層した部位データに基づいてシミュレーション用の電極モデルを作成するシミュレーションモデル作成手段と、を備え、基材層情報読込手段と撥水層情報読込手段と触媒層情報読込手段は、それぞれの層について複数の気孔を有する多孔体モデルを作成するために、気孔率および気孔サイズ分布を含む多孔体情報を取得する多孔体情報取得手段と、取得した前記多孔体情報に基づいて、気孔サイズごとの気孔の割り当て数を算出する算出手段と、算出した気孔の割り当て数に基づいて、前記気孔の配置を、より大きな気孔サイズを有する気孔から順に決定する気孔配置決定手段と、を含み、作成されたそれぞれの層の多孔体モデルをそれぞれの層に関する情報として読み込むことを特徴とする。
また、本発明に係る燃料電池シミュレーションモデル作成装置において、気孔配置決定手段は、任意の気孔径に対応する容積体を予め定めた配置方法で３次元座標上に配置する手段と、配置された複数の気孔が隣り合う気孔同士で重複するか否かを判定する手段と、判定の結果、重複しないときはその配置箇所で配置を決定し、重複する場合には再配置を行い、再配置しても重複するときは重複を許容して各気孔の配置を決定する手段と、を有することが好ましい。

構成する材料ごとの個別の情報に基づいて３次元の燃料電池シミュレーションモデルを作成することができる。

本発明の実施の形態における燃料電池シミュレーションモデル作成装置の構成の概略について例示した図である。多孔体モデル作成装置および多孔体モデル作成システムの構成の概略について例示した図である。多孔体モデル作成方法について例示したフローチャートである。図３に示すステップＳ１０４で実施される各工程について説明するための詳細なフローチャートである。

以下、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池シミュレーションモデル作成装置の構成の概略について例示した図である。

図１に示す燃料電池シミュレーションモデル作成装置１００は、基材層情報読込部１０と、撥水層情報読込部１４と、触媒層情報読込部１８と、をそれぞれ備える。基材層情報読込部１０、撥水層情報読込部１４および触媒層情報読込部１８はそれぞれ、予め作成された基材層モデル３０、撥水層モデル４０および触媒層モデル５０から基材層、撥水層、触媒層に関する情報を読み込む。

図１において、いずれも多孔体構造を有する基材層モデル３０、撥水層モデル４０、触媒層モデル５０はそれぞれ、例えば予め図２に示すような多孔体モデル作成装置７０または多孔体モデル作成システム８０を用いて作成することができる。

図２に示す多孔体モデル作成装置７０は、多孔体情報取得部６０と、算出部６２と、気孔配置決定部６４と、をそれぞれ備える。多孔体モデル作成システム８０は、多孔体モデル作成装置７０に加え、多孔体モデル作成装置７０で用いられるデータを入力するための入力部６６と、作成された多孔体モデルを出力するための出力部６８と、をさらに備える。本実施の形態では、入力部６６および出力部６８は、多孔体モデル作成装置７０とは別の構成として示しているが、他の実施の形態として、入力部６６および出力部６８の一方または両方が多孔体モデル作成装置７０内部に組み込まれた構成とすることも可能である。以下、図２に示す多孔体モデル作成装置７０を用いた、複数の気孔を有する多孔体モデルの作成方法の一例について、図３を用いてさらに説明する。

図３は、本発明の実施の形態における多孔体モデル作成方法について例示したフローチャートである。

ステップＳ１００では、図２に示す多孔体情報取得部６０において、多孔体に関する情報（多孔体情報）を取得する。多孔体情報には例えば、気孔率および気孔サイズ分布などの気孔に関する情報が含まれるが、これらに限定されるものではなく、例えば多孔体の形状および／または寸法に関する情報が含まれ得る。また、他の実施の形態として、例えば球状、柱状、錘状、粒状などの気孔の形状に関する情報を含んでも良い。本実施の形態において、多孔体情報は、例えば図２に示す入力部６６からのデータ入力により取得することが可能であるが、これに限定されるものではなく、例えばテキスト形式やｃｓｖ形式その他の適切なファイル形式に加工した、１または複数の多孔体情報データを読み込むことにより必要な気孔情報を取得することもできる。

ステップＳ１０２では、図２に示す算出部６２において、気孔サイズごとの気孔の割り当て数を算出する。より具体的には、例えば図２に示す多孔体情報取得部６０で取得した多孔体情報（気孔サイズ分布または気孔サイズ頻度、気孔を含む多孔体の全体積、気孔率）に基づいて気孔体積分布を算出することができ、さらにこの気孔体積分布と気孔サイズ分布または気孔サイズ頻度に基づいて、気孔サイズごとに気孔の割り当て数を演算し、算出することができる。ただし、算出の手法についてはこれに限定されるものではなく、ステップＳ１００で取得した情報およびファイルの形式に応じていかなる手法を用いても良い。

ステップＳ１０４では、図２に示す気孔配置決定部６４において、気孔の配置を決定する。より具体的には、例えば図２に示す算出部６２で算出した、気孔サイズごとの気孔の割り当て数に基づき、予め設定しておいた所定の手順にしたがって気孔の配置を決定する。以下、気孔の配置を決定する手順の一例について、図４を用いてさらに説明する。

図４は、図３に示す気孔の配置を決定するステップＳ１０４についてより詳細に説明するためのフローチャートである。図４に示すように、ステップＳ１０４は、ステップＳ１０４ａ，Ｓ１０４ｂ，Ｓ１０４ｃ，Ｓ１０４ｄを含む複数のステップから構成されており、各ステップにおいてそれぞれ、気孔サイズごとに気孔の配置を決定していく。

図４に示すステップＳ１０４ａにおける各工程について説明する。ここでは、ステップＳ１０４にて配置させる各気孔を、所定の気孔径を有する球状として設定した場合を例に挙げてその一例につき説明する。

ステップＳ１０４０では、気孔径ａを有する気孔を配置する。このとき、気孔の配置は乱数で任意に指定することができる。より具体的には、３次元座標上に気孔の中心点をランダムに配置し、その周囲に所定の直径ａの球を描くことで気孔が配置される。

ステップＳ１０４２では、ステップＳ１０４０で配置させた複数の気孔が、隣り合う気孔同士で重複するか否かを判定する。隣り合う気孔が重複しない場合には、ステップＳ１０４０にて配置させた箇所にて気孔の配置が決定し（ステップＳ１０４４）、隣り合う気孔が重複する場合には、ステップＳ１０４０に戻り、気孔を再配置させる。

図４に示す本実施の形態において、気孔が「重複する」とは、気孔の中心点が一致して「完全に」重複する場合に限らず、例えば隣り合う気孔同士が少しでも重なり合った、つまり「一部が」重複する場合を含めることも可能であり、また他の実施の形態では、予め設定しておいた所定の体積以上が重なり合った場合に「重複する」と規定することも可能である。さらに、別の実施の形態として、気孔の重複に伴って気孔を再配置する反復回数を例えば数千回、一万回など所定の回数を上限として制限し、最終的に重複が解消しない場合には、その重複を許容して、気孔の配置を決定するように設定しても良い。かかる実施の形態は、例えば気孔率が８０％以上など、多孔体全体に対する気孔部分の体積が大きな多孔体モデルの作成時に特に有用である。

ステップＳ１０４ａにおいて、気孔径ａを有する気孔の配置を決定すると、ステップＳ１０４ｂに進み、気孔径ｂを有する気孔の配置を決定する。ステップＳ１０４ｂにおける気孔の配置を決定する手法については、ステップＳ１０４ａとほぼ同様であり、その説明を省略する。さらに、作成対象となる多孔体モデルにおける気孔径分布または気孔径ごとの頻度に応じて、ステップＳ１０４ｃ、Ｓ１０４ｄのように気孔の配置がすべて決定するまでさらに繰り返される。本実施の形態において、隣り合う複数の気孔が互いに重複しないように配置させるためには、より大きな気孔径を有する気孔から順に、つまり気孔径ａ＞ｂ＞ｃ＞ｄとなるように配置を順に決定することがより適切である。このようにして、ステップＳ１０４における気孔の配置の決定が終了すると、ステップＳ１０６に進む。

図３に戻り、ステップＳ１０６では、図２に示す出力部６８において、多孔体モデルを出力する。より具体的には、図２に示す気孔配置決定部６４で決定した気孔の配置に基づいて、予め設定した寸法および／または材質の多孔体用基材に気孔を配置させた多孔体モデルを出力ファイルとして出力する。出力する方式に特に制限はなく、例えば公知のＣＡＤデータ（ファイル形式としては、「.step」、「.igs」、「.catpart」、その他いかなる形式のものであっても良い）として、例えば作成した多孔体モデルの応力、歪みなどの物理的／機械的な挙動、水分や水素、酸素などの流体の流通する挙動、さらに熱の伝達などの挙動、その他の解析またはシミュレーションしようとする用途や、その解析またはシミュレーションで使用されるシミュレーション用のソフトまたはプログラムに応じた適切な方式にて出力することができる。また、ディスプレイ上に表示画面として出力しても良く、紙面などの被印刷体上に印刷物として出力しても良い。また、さらに別の実施の形態として、図３に示すステップＳ１０２にて算出した、気孔径ごとの割り当て数に関する情報を含む多孔体モデル情報をデータファイルとして出力することも好適であり、例えばステップＳ１００における多孔体情報を修正し、別の多孔体情報を有する多孔体モデルを作成する際の参照データとすることもできる。

図２に例示する多孔体モデル作成装置７０または多孔体モデル作成システム８０によれば、複雑な気孔構造を有するために、例えば実際に多孔体を作製し、これをエックス線や電子線などを用いた撮像装置を用いて撮像し、この撮像データをさらに加工するという従来の手間をかけることなく、与えられた気孔情報に基づいて多孔体モデルを容易に作成することができる。このため、作成した多孔体モデルを用いて物性の解析またはシミュレーションができるだけでなく、さらには新たな多孔体の作製やこれを用いた製品の開発にも有用である。

このように、図２に示す多孔体モデル作成装置７０または多孔体モデル作成システム８０は、図１に示す撥水層モデル４０および触媒層モデル５０の作成に特に有用であるが、繊維状構造を有する骨格部分と、流体の流通する空間とを有する基材層モデル３０の作成に利用することも可能である。また、基材層モデル３０、撥水層モデル４０、触媒層モデル５０のうちいずれか１または複数を、従来行われている他の方法により作成することも可能である。

実施の形態において、図１に示す基材層モデル３０、撥水層モデル４０および触媒層モデル５０をデータ化するに際し、例えば次のように加工・処理することができる。まず、シミュレーションモデルが作成された各層の構造を、燃料電池の電極作製の際に積層される積層方向にスライスすると、多孔体構造の骨格が形成された箇所と、空間が形成された箇所に二分することができる。そして、この骨格の有無を２進法のデジタルデータとして切片ごとに加工する（例えば、骨格が形成されている箇所を１とし、骨格を有さず、空隙が形成されている箇所を０とすることができる）。この切片ごとに加工されたデジタルデータを、例えば３次元座標のｘ→ｙ→ｚ方向などの規則的な方向に並び替え、基材層情報読込部１０、撥水層情報読込部１４および触媒層情報読込部１８において読み込みが容易になるように処理しておくことにより、各層モデルデータの読込時間の短縮などに寄与しうる。

図１に示す燃料電池シミュレーションモデル作成装置１００はさらに、基材層部位データ取得部１２と、撥水層部位データ取得部１６と、触媒層部位データ取得部２０と、を備える。基材層部位データ取得部１２、撥水層部位データ取得部１６および触媒層部位データ取得部２０はそれぞれ、基材層情報読込部１０、撥水層情報読込部１４および触媒層情報読込部１８で読み込んだ各層情報のうち、特定の部位に関するデータを抜き出し、取得することができる。本実施の形態において、「特定の部位に関するデータを抜き出す」とは、例えば、作成しようとする燃料電池シミュレーションモデルにおける、基材層、撥水層、触媒層それぞれの寸法に応じて、層ごとに読み込んだ情報のうち、抜き出すデータ量を調整することを含むことができる。また、他の実施の形態として、例えば、基材層と撥水層、基材層と触媒層、撥水層と触媒層のように、一部の層のみのデータを抜き出すことを含むこともできる。

燃料電池シミュレーションモデル作成装置１００はさらに、部位データ積層部２２と、シミュレーションモデル作成部２４と、を備える。部位データ積層部２２では、基材層部位データ取得部１２で取得した基材層部位データ、撥水層部位データ取得部１６で取得した撥水層部位データおよび触媒層部位データ取得部２０で取得した触媒層部位データを積層する。シミュレーションモデル作成部２４では、積層した部位データに基づいてシミュレーション用の電極モデルを作成する。必要に応じて、図示しない出力部から作成したシミュレーション用モデルを出力することもできる。このときの出力方式その他は図２に示す出力部６８から出力される出力ファイルと同様であっても良く、また異なっていても良い。

本発明の実施の形態によれば、個別に作成した基材層モデル、撥水層モデルおよび触媒層モデルを用いて新たな燃料電池のシミュレーションモデルを容易に作成することができる。また、他の実施の形態では、個別に作成した基材層モデルおよび撥水層モデルを用いて新たな燃料電池用拡散層モデルを作成することもできる。

本発明は、少なくとも基材層と撥水層とを積層させた拡散層と、触媒層とを含む燃料電池のシミュレーションモデルの作成に利用することが可能である。

１０基材層情報読込部、１２基材層部位データ取得部、１４撥水層情報読込部、１６撥水層部位データ取得部、１８触媒層情報読込部、２０触媒層部位データ取得部、２２部位データ積層部、２４シミュレーションモデル作成部、３０基材層モデル、４０撥水層モデル、５０触媒層モデル、６０多孔体情報取得部、６２算出部、６４気孔配置決定部、６６入力部、６８出力部、７０多孔体モデル作成装置、８０多孔体モデル作成システム、１００燃料電池シミュレーションモデル作成装置。

Claims

基材層と撥水層とを積層させた拡散層と、触媒層とを含む電極を有する燃料電池のシミュレーション用のモデルを作成する装置であって、
前記基材層に関する情報を読み込む基材層情報読込手段と、
読み込んだ基材層情報のうち、特定の基材層部位に関するデータを取得する基材層部位データ取得手段と、
前記撥水層に関する情報を読み込む撥水層情報読込手段と、
読み込んだ撥水層情報のうち、特定の撥水層部位に関するデータを取得する撥水層部位データ取得手段と、
前記触媒層に関する情報を読み込む触媒層情報読込手段と、
読み込んだ触媒層情報のうち、特定の触媒層部位に関するデータを取得する触媒層部位データ取得手段と、
取得した基材層部位データ、撥水層部位データおよび触媒層部位データを積層する、部位データ積層手段と、
積層した部位データに基づいてシミュレーション用の電極モデルを作成するシミュレーションモデル作成手段と、
を備え、
基材層情報読込手段と撥水層情報読込手段と触媒層情報読込手段は、それぞれの層について複数の気孔を有する多孔体モデルを作成するために、
気孔率および気孔サイズ分布を含む多孔体情報を取得する多孔体情報取得手段と、
取得した前記多孔体情報に基づいて、気孔サイズごとの気孔の割り当て数を算出する算出手段と、
算出した気孔の割り当て数に基づいて、前記気孔の配置を、より大きな気孔サイズを有する気孔から順に決定する気孔配置決定手段と、
を含み、作成されたそれぞれの層の多孔体モデルをそれぞれの層に関する情報として読み込むことを特徴とする燃料電池シミュレーションモデル作成装置。
請求項１に記載の燃料電池シミュレーションモデル作成装置において、
気孔配置決定手段は、
任意の気孔径に対応する容積体を予め定めた配置方法で３次元座標上に配置する手段と、
配置された複数の気孔が隣り合う気孔同士で重複するか否かを判定する手段と、
判定の結果、重複しないときはその配置箇所で配置を決定し、重複する場合には再配置を行い、再配置しても重複するときは重複を許容して各気孔の配置を決定する手段と、
を有することを特徴とする燃料電池シミュレーションモデル作成装置。