JP6467628B2 - Method and apparatus for simulating fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタックのシミュレーション方法及びシミュレーション装置に関するものであり、燃料電池スタックの性能算出を効率的にシミュレーションする技術に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell stack simulation method and a simulation apparatus, and relates to a technique for efficiently simulating performance calculation of a fuel cell stack.
家庭用燃料電池コージェネレーションシステムであるエネファーム（登録商標）の市場拡大や、２０１５年に燃料電池自動車の実用化、普及が見込まれているなどの状況から、現在、セルを直列に積層して結合して成る燃料電池システムの心臓部である燃料電池スタックの性能向上に関係各社が力を注いでいる。 Due to the market expansion of ENE-FARM (registered trademark), a household fuel cell cogeneration system, and the expected commercialization and spread of fuel cell vehicles in 2015, cells are currently stacked in series. Companies involved are working to improve the performance of the fuel cell stack, which is the heart of the combined fuel cell system.
そのような状況の中にあって、燃料電池スタックの電池性能の算出をシミュレーションで行うことにより、効率的で高精度に電池性能の算出を行うことが期待されている。燃料電池スタックのシミュレーションの目的は、単セルや燃料電池スタックの構成、運転条件に基づき、燃料電池スタックの性能算出を行うことである。 Under such circumstances, it is expected that the battery performance is calculated efficiently and with high accuracy by calculating the battery performance of the fuel cell stack by simulation. The purpose of the simulation of the fuel cell stack is to calculate the performance of the fuel cell stack based on the configuration and operating conditions of the single cell or the fuel cell stack.
これは燃料電池に関連するシミュレーションとしては解析サイズが最大のものとなる。この他の解析スケールでは、触媒層の構造のシミュレーションや、その作成プロセスに関係するシミュレーション、さらに燃料電池単セルのシミュレーションなどが存在しているが、そのスケールにより種々のアプローチが知られている。 This is the largest analysis size for a simulation related to a fuel cell. Other analysis scales include a simulation of the structure of the catalyst layer, a simulation related to the production process, and a simulation of a single fuel cell. Various approaches are known depending on the scale.
上記の触媒層の構造のシミュレーションでは、実際の触媒層の構造をＳＥＭ（走査形電子顕微鏡）やＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観測した画像から、ボリュームレンダリングで構造を再現したり、触媒層の代表的なパラメータを抽出し、そこから仮想的な触媒構造を作成したりすることで、シミュレーションに必要な解析構造を決定し、物質輸送と電気化学反応を連立することで、触媒層の能力の算出が行われている。 In the simulation of the structure of the catalyst layer described above, the structure of the actual catalyst layer can be reproduced by volume rendering from an image obtained by observing the structure of the actual catalyst layer with a scanning electron microscope (SEM) or TEM (transmission electron microscope). By extracting representative parameters and creating a virtual catalyst structure from them, the analysis structure required for simulation is determined, and by combining mass transport and electrochemical reaction, the capacity of the catalyst layer can be improved. Calculations are being made.
また触媒層の作成プロセスに関係するシミュレーションにおいては、分子動力学、粗視化分子動力学、散逸粒子動力学などの適用により、材料及び作成プロセスと触媒層の構造との紐付けが報告され始めている。 In simulations related to the catalyst layer creation process, the application of molecular dynamics, coarse-grained molecular dynamics, dissipative particle dynamics, etc. has begun to report ties between the material and the creation process and the catalyst layer structure. Yes.
燃料電池単セルの性能算出に関しては、市販ツールのAnsys Fluent（登録商標）のプラットフォーム化と各種構成則モデルの作り込みにより、精度よくシミュレーションできるようになっており、それを多段に積層した燃料電池スタックにおいても、特許文献１にあるような発明手法を利用することで、大規模なシミュレーションが可能となり、スタックの中段に配置された代表セルの電池性能が算出可能となっている。
Fuel cell single cell performance calculations can be simulated with high accuracy by building a platform with the commercially available tool Ansys Fluent (registered trademark) and building various constitutive law models. Also in the stack, by using the inventive method as disclosed in
一般に燃料電池スタックのシミュレーションは、計算の規模が非常に大きくなるため、計算時間や収束性に難点を持つが、簡略化圧力損失体に代表される簡易燃料電池スタックモデルを用いて、燃料電池スタック内のガスの流れ解析計算を実施してから個別のセルのガスの流れ解析計算を行うことで、計算時間の短縮と収束性の確保を図るとしているものもある。 In general, the simulation of a fuel cell stack has a very large calculation scale, so it has difficulty in calculation time and convergence. However, a simple fuel cell stack model represented by a simplified pressure loss body is used. In some cases, the gas flow analysis calculation of individual cells is performed and then the gas flow analysis calculation of individual cells is performed, thereby reducing calculation time and ensuring convergence.
しかしながら、特許文献１で開示された技術は、燃料電池スタックのシミュレーションにおいて、中段に配置された代表セルの電池性能の算出に適用した場合、単セルを多数積層した構造で全セルの電池性能を算出した上で、中段に配置されたセルの電池性能を代表セルの電池性能とすることで当該セルの電池性能を算出するため、単セルの計算に比べて計算時間がかかり、且つ計算能力の高い解析装置が必要になるという課題を有していた。
However, when the technique disclosed in
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、単セルの場合とほぼ同じ計算規模と計算時間で、燃料電池スタックの代表セルの電池性能の算出を可能とすることを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and to enable calculation of battery performance of a representative cell of a fuel cell stack with substantially the same calculation scale and calculation time as in the case of a single cell.
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法は、電解質膜及び電極を有する燃料電池セルが複数の積層された燃料電池スタックの電池性能を計算する燃料電池スタックのシミュレーション方法であって、複数の燃料電池セルのうちの第１電解質膜を有する第１セル及び第２電解質膜を有する第２セルが隣接して位置し、第１電解質膜内に位置する任意の面を第１基準面とし、第１基準面の電位又は電流密度である第１既定値を設定する第１設定ステップと、第２電解質膜内に位置する任意の面を第２基準面とし、第２基準面の電位又は電流密度である第２既定値を設定する第２設定ステップと、第１既定値及び第２既定値を用いて、第１基準面及び第２基準面の間の電池性能を計算する第１算出ステップと、を備えている。 In order to solve the above-described conventional problems, the fuel cell stack simulation method of the present invention is a fuel cell stack simulation for calculating the battery performance of a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each having an electrolyte membrane and an electrode are stacked. An arbitrary surface in which a first cell having a first electrolyte membrane and a second cell having a second electrolyte membrane are located adjacent to each other and are located in the first electrolyte membrane among a plurality of fuel cells. Is a first reference plane, a first setting step for setting a first predetermined value that is a potential or current density of the first reference plane, an arbitrary plane located in the second electrolyte membrane as a second reference plane, Battery performance between the first reference plane and the second reference plane using a second setting step for setting a second predetermined value that is the potential or current density of the two reference planes, and the first predetermined value and the second predetermined value; The first calculation step for calculating Includes a flop, the.
これによって、燃料電池スタックの中段に配置され、隣接セルと周期的な境界で繋がる代表セルの境界条件を設定できるようになり、単セルの場合とほぼ同じ計算規模と計算時間で、燃料電池スタックの代表セルの電池性能の算出が可能となる。 As a result, the boundary condition of the representative cell that is arranged in the middle stage of the fuel cell stack and is connected to the adjacent cell at a periodic boundary can be set, and the fuel cell stack has almost the same calculation scale and calculation time as the single cell. The battery performance of the representative cell can be calculated.
本発明は、電解質膜内の第１基準面と第２基準面に電位又は電流密度を設定することで、燃料電池スタックの中段に配置され、隣接セルと周期的な境界で繋がる代表セルの境界条件を設定できるようになり、単セルの場合とほぼ同じ計算規模と計算時間で、燃料電池スタックの代表セルの電池性能の算出を可能にすることができる。 The present invention sets the potential or current density on the first reference surface and the second reference surface in the electrolyte membrane, and is arranged in the middle stage of the fuel cell stack, and the boundary of the representative cell connected to the adjacent cell at a periodic boundary. The conditions can be set, and the battery performance of the representative cell of the fuel cell stack can be calculated with almost the same calculation scale and calculation time as in the case of a single cell.
はじめに、発明を実施するための形態に至った発見的事実について述べる。本発明者は燃料電池スタックのシミュレーション結果に対し、鋭意検討を重ねた結果、次の二つの事実に着眼するに至った。 First, heuristic facts that have led to a mode for carrying out the invention will be described. As a result of intensive studies on the simulation results of the fuel cell stack, the present inventor has come to focus on the following two facts.
一つ目は、燃料電池スタック内のあるセルのセパレータ端面内で５０ミリボルト程度の電位差が生じているような場合であっても、そのセルの電解質膜中心の積層面の電位分布はほぼフラットで一定値になっていることである。 First, even when a potential difference of about 50 millivolts is generated within the separator end face of a cell in the fuel cell stack, the potential distribution on the laminated surface at the center of the electrolyte membrane of the cell is almost flat. That is a constant value.
二つ目は、燃料電池スタック内のあるセルのセパレータの端面内で大きな電位差が同様に生じている場合には、アノード側で生じる面内電流を正確に打ち消す方向に、カソード側で電位が分布していること、言い換えれば、あるセルのセパレータ端面におけるアノード側の電位分布とカソード側の電位分布は電解質膜面の電位分布に対して鏡面対称の関係になっていることである。 Secondly, when a large potential difference is generated in the end face of the separator of a cell in the fuel cell stack, the potential is distributed on the cathode side in the direction to accurately cancel the in-plane current generated on the anode side. In other words, the potential distribution on the anode side and the potential distribution on the cathode side at the separator end face of a certain cell are mirror-symmetrical with respect to the potential distribution on the electrolyte membrane surface.
当然、これらの電位分布に関する境界条件は、セパレータ端面内で電位差が生じないケースも包含しており、広く適用可能な条件となっている。 Naturally, these boundary conditions regarding the potential distribution include a case in which no potential difference occurs in the end face of the separator, and are widely applicable conditions.
ここで、アノード側とカソード側で面内電流を打ち消すように各々の電位分布が決定される理由を簡単に考察する。燃料電池スタックはセルを多数積層したものであるから、両端部のセルを除き、端部以外に位置するセルは、セルごとにおおよそ周期的な物理量の分布（例えば温度や電流密度）を持っていることが予測される。 Here, the reason why each potential distribution is determined so as to cancel the in-plane current on the anode side and the cathode side will be briefly considered. A fuel cell stack is a stack of many cells. Except for cells at both ends, the cells located outside the ends have a roughly periodic physical quantity distribution (for example, temperature and current density) for each cell. It is predicted that
しかしながら、仮にアノード側の面内電流とカソード側の面内電流が打ち消しあわなければ、そのセルで正味の面内電流が形成されることになり、積層方向に面内電流が蓄積されることになり、その周期性が崩れる。よって、端部以外に位置するセルが周期的な物理量の分布を持つためには両端面で面内電流が相殺される必要がある。 However, if the in-plane current on the anode side and the in-plane current on the cathode side do not cancel each other, a net in-plane current is formed in the cell, and the in-plane current is accumulated in the stacking direction. And its periodicity is broken. Therefore, in-plane current needs to be canceled at both end surfaces in order for cells located at other than the end portions to have a periodic physical quantity distribution.
また、アノード側とカソード側の面内電流が打ち消しあうとき、アノード側の電位分布とカソード側の電位分布は電解質膜面の電位分布に対して鏡面対称の関係になっていることが予測されるので、燃料電池セルの構成上、電解質膜の積層面中心の電位分布はほぼフラットで一定値になることも容易に説明できる。 In addition, when the in-plane currents on the anode side and the cathode side cancel each other, it is predicted that the potential distribution on the anode side and the potential distribution on the cathode side are mirror-symmetrical with respect to the potential distribution on the electrolyte membrane surface. Therefore, it can be easily explained that the potential distribution at the center of the laminated surface of the electrolyte membrane is substantially flat and constant due to the configuration of the fuel cell.
次に、この発見的事実に基づき、燃料電池スタックのシミュレーションを効率的に行う本発明について述べる。ここでは、各算出ステップの手順に沿って本発明の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Next, the present invention for efficiently simulating the fuel cell stack based on this heuristic fact will be described. Here, an embodiment of the present invention will be described along the procedure of each calculation step. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
第１の発明は、電解質膜及び電極を有する燃料電池セルが複数の積層された燃料電池スタックの電池性能を計算する燃料電池スタックのシミュレーション方法であって、複数の燃料電池セルのうちの第１電解質膜を有する第１セル及び第２電解質膜を有する第２セルが隣接して位置し、第１電解質膜内に位置する任意の面を第１基準面とし、第１基準面の電位又は電流密度である第１既定値を設定する第１設定ステップと、第２電解質膜内に位置する任意の面を第２基準面とし、第２基準面の電位又は電流密度である第２既定値を設定する第２設定ステップと、第１既定値及び第２既定値を用いて、第１基準面及び第２基準面の間の電池性能を計算する第１算出ステップと、を備えた、燃料電池スタックのシミュレーション方法である。 A first invention is a fuel cell stack simulation method for calculating the battery performance of a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each having an electrolyte membrane and an electrode are stacked, and the first of the plurality of fuel cells. A first cell having an electrolyte membrane and a second cell having a second electrolyte membrane are located adjacent to each other, and an arbitrary plane located in the first electrolyte membrane is defined as a first reference plane, and the potential or current of the first reference plane A first setting step for setting a first predetermined value, which is a density, and an arbitrary surface located in the second electrolyte membrane as a second reference surface, and a second predetermined value, which is a potential or current density of the second reference surface, A fuel cell comprising: a second setting step for setting; and a first calculation step for calculating cell performance between the first reference surface and the second reference surface using the first predetermined value and the second predetermined value. This is a stack simulation method.
これにより、電解質膜内の第１基準面と第２基準面に電位又は電流密度を設定することで、燃料電池スタックを構成するセルの平均的な電池性能の算出が可能になり、単セルの計算規模で燃料電池スタックの電池性能を算出することが可能となる。 Thereby, by setting the potential or current density on the first reference surface and the second reference surface in the electrolyte membrane, it becomes possible to calculate the average battery performance of the cells constituting the fuel cell stack. It is possible to calculate the battery performance of the fuel cell stack on a calculation scale.
第２の発明は、特に、第１の発明における第１基準面が、燃料電池スタックの積層方向と直交するものであり、これにより、第１基準面の幾何形状として、積層方向と直行する平面を利用できるようになり、第１基準面内の物理量を容易に設定することができる。 In the second invention, in particular, the first reference plane in the first invention is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, and as a result, a plane perpendicular to the stacking direction as the geometric shape of the first reference plane. Can be used, and the physical quantity in the first reference plane can be easily set.
第３の発明は、特に、第１の発明における第１基準面には、第１既定値に一定の電位値を設定するものであり、これにより、一定の既定電位を利用できるようになり、第１基準面が等電位面になる場合に適した境界条件を設定することができる。 In the third aspect of the invention, in particular, the first reference plane in the first aspect of the invention is to set a constant potential value to the first predetermined value, thereby making it possible to use the constant predetermined potential, A boundary condition suitable for the case where the first reference surface is an equipotential surface can be set.
第４の発明は、特に、第１の発明における第１基準面には、第１既定値に一定の電流密度値を設定するものであり、これにより、一定の既定電流密度を利用できるようになり、第１基準面の電流密度を簡便に設定することができる。 In the fourth aspect of the invention, in particular, a constant current density value is set to the first predetermined value on the first reference plane in the first aspect of the invention, so that a constant predetermined current density can be used. Thus, the current density of the first reference surface can be set easily.
第５の発明は、特に、第１の発明における第２基準面が、燃料電池スタックの積層方向と直交するものであり、これにより、第２基準面の幾何形状として、積層方向と直行する平面を利用できるようになり、第２基準面内の物理量を容易に設定することができる。 In the fifth invention, in particular, the second reference plane in the first invention is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, and as a result, a plane orthogonal to the stacking direction as the geometric shape of the second reference plane. Can be used, and the physical quantity in the second reference plane can be easily set.
第６の発明は、特に、第１の発明における第２基準面には、第２既定値に一定の電位値を設定するものであり、これにより、一定の既定電位を利用できるようになり、第２基準面が等電位面になる場合に適した境界条件を設定することができる。 In the sixth aspect of the invention, in particular, a constant potential value is set as the second predetermined value on the second reference surface in the first aspect of the invention, whereby a constant predetermined potential can be used. A boundary condition suitable for the case where the second reference plane is an equipotential plane can be set.
第７の発明は、特に、第１の発明における第２基準面には、第２既定値に一定の電流密度値を設定するものであり、これにより、一定の既定電流密度を利用できるようになり、第２基準面の電流密度を簡便に設定することができる。 In the seventh invention, in particular, a constant current density value is set to the second predetermined value on the second reference plane in the first invention, so that a constant predetermined current density can be used. Thus, the current density of the second reference plane can be set easily.
第８の発明は、特に、第１の発明における、電池性能には、電位、電流密度、圧力、温度、濃度の物理量を含むものであり、これにより、実測では検知不可能又は困難な燃料電池スタック内部の物理量を計算できるようになり、転極対策や発電バランスの最適化などの燃料電池スタックの設計に有益な情報を提供することができる。 In the eighth invention, in particular, the battery performance in the first invention includes physical quantities such as potential, current density, pressure, temperature, and concentration, so that it is impossible to detect or difficult to measure by actual measurement. The physical quantity inside the stack can be calculated, which can provide useful information for the design of the fuel cell stack, such as countermeasures for reversal and optimization of power generation balance.
第９の発明は、電解質膜及び電極を有する燃料電池セルが複数の積層された燃料電池スタックの電池性能を計算する燃料電池スタックのシミュレーション装置であって、複数の燃料電池セルのうちの第１電解質膜を有する第１セル及び第２電解質膜を有する第２セルが隣接して位置し、第１電解質膜内に位置する任意の面を第１基準面とし、第１基準面の電位又は電流密度である第１既定値を設定する第１設定器と、第２電解質膜内に位置する任意の面を第２基準面とし、第２基準面の電位又は電流密度である第２既定値を設定する第２設定器と、第１既定値及び第２既定値を用いて、第１基準面及び第２基準面の間の電池性能を計算する第１算出器と、を備えた燃料電池スタックのシミュレーション装置である。 A ninth invention is a fuel cell stack simulation apparatus for calculating the battery performance of a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each having an electrolyte membrane and an electrode are stacked, and the first of the plurality of fuel cells. A first cell having an electrolyte membrane and a second cell having a second electrolyte membrane are located adjacent to each other, and an arbitrary plane located in the first electrolyte membrane is defined as a first reference plane, and the potential or current of the first reference plane A first setter for setting a first predetermined value that is a density, and an arbitrary surface located in the second electrolyte membrane as a second reference surface, and a second predetermined value that is a potential or current density of the second reference surface A fuel cell stack comprising: a second setter for setting; and a first calculator for calculating cell performance between the first reference plane and the second reference plane using the first predetermined value and the second predetermined value This is a simulation apparatus.
これにより、電解質膜内の第１基準面と第２基準面に電位又は電流密度を設定することで、燃料電池スタックを構成するセルの平均的な電池性能の算出が可能になり、単セルの計算規模で燃料電池スタックの電池性能を算出することが可能となる。 Thereby, by setting the potential or current density on the first reference surface and the second reference surface in the electrolyte membrane, it becomes possible to calculate the average battery performance of the cells constituting the fuel cell stack. It is possible to calculate the battery performance of the fuel cell stack on a calculation scale.
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池スタックのシミュレーション方法における境界の設定方法の概念図である。図２は、本発明の実施の形態１の燃料電池スタックのシミュレーション方法のフローチャートである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a conceptual diagram of a boundary setting method in a fuel cell stack simulation method according to
図１に示すように、実施の形態１の燃料電池スタック５は、第１端部セル１、中段に配置された第１セル２、中段に配置された第２セル３、第２端部セル４、アノード側の集電板６及びカソード側の集電板７、第１基準面８、第２基準面９から構成されている。
As shown in FIG. 1, the
第１算出ステップは、燃料電池スタック５の中段に配置された第１セル２に対して、電解質膜内に位置する第１基準面８に対して一定の電位を設定する。第１基準面８に一定の値を設定できる理由は、燃料電池スタック内のあるセルのセパレータ端面内で５０ミリボルト程度の電位差が生じているような場合であっても、そのセルの電解質膜中心の積層面の電位分布はほぼフラットになるという発見的事実に基づくものである。
In the first calculation step, a constant potential is set with respect to the
さらに第１セル２に隣接する燃料電池スタック５の中段に配置された第２セル３に対して、電解質膜内に位置する第２基準面９に対して一定の電位を設定する。第２基準面９に一定の値を設定できる理由は、燃料電池スタック内のあるセルのセパレータ端面内で５０ミリボルト程度の電位差が生じているような場合であっても、そのセルの電解質膜中心の積層面の電位分布はほぼフラットになるという発見的事実に基づくものである。
Furthermore, a constant potential is set with respect to the
次に第１算出ステップでは、電位の境界条件を第１基準面８と第２基準面９に設定した上で、第１基準面８と第２基準面９に挟まれた領域の電池性能算出をシミュレーションで行う。ここで言及する電池性能の算出とは、電位、電流、圧力、温度、濃度を含む電池の内部物理量を算出することを示すものとする。
Next, in the first calculation step, the boundary condition of the potential is set to the
第１算出ステップで最も注意しなければならないことは、第１基準面８と第２基準面９が電解質膜内に位置することから、電位の境界条件は電子の電位ではなく、水素イオンの電位で設定することである。
The most important thing to note in the first calculation step is that the
本実施の形態のフローは、図２に示すように、Ｓ００１でスタートし、Ｓ００２で第１基準面８に一定の電位を設定し、Ｓ００３で第２基準面９に一定の電位を設定し、Ｓ００４で第１基準面８と第２基準面９に挟まれた領域の電池性能算出を行う。
As shown in FIG. 2, the flow of the present embodiment starts in S001, sets a constant potential on the
ここで算出した第１基準面８と第２基準面９に挟まれた領域の電池性能は、燃料電池スタックの中段に配置される電解質膜間の電池性能であり、燃料電池スタックを構成する一組のセルの電池性能とは異なるものである。
The cell performance of the region sandwiched between the
しかしながら、電解質膜中心の積層面の電位分布が、ほぼフラットになることを考えれば、端部セルを除けば、電解質膜間の電位差を燃料電池スタックの中段に配置される代表セルの電池性能と定義することが妥当であることが説明できる。 However, considering that the potential distribution of the laminated surface at the center of the electrolyte membrane becomes almost flat, the battery cell performance of the representative cell arranged in the middle stage of the fuel cell stack can be calculated by dividing the potential difference between the electrolyte membranes except for the end cells. Explain that it is reasonable to define.
また、燃料電池スタックの中段に配置される代表セルの電池性能は、隣接するセルの電池性能と似通った特性を持つことが推測されることから、本実施の形態により得られた電池性能を基に、一組のセルの電池性能も容易に推測することが可能である。 In addition, since the battery performance of the representative cell arranged in the middle stage of the fuel cell stack is assumed to have characteristics similar to the battery performance of the adjacent cells, it is based on the battery performance obtained by this embodiment. In addition, the battery performance of a set of cells can be easily estimated.
例えば、中央部に配置されるセパレータに切断面を設け、片側の計算領域を平行に移動させて電解質膜が接するような解析領域を新たに構成することで、当該セルの電池性能を求めることができる。 For example, it is possible to obtain the battery performance of the cell by providing a cut surface in the separator disposed in the center and newly constructing an analysis region in which the electrolyte membrane is in contact by moving the calculation region on one side in parallel. it can.
さらに、電解質膜間で計算を行う本実施の形態の計算量は、メッシュ数では単セルの場合と正確に等価である上、解くべき物理方程式系も同一であることから、単セルの計算量とほぼ等価であることも説明できる。 Furthermore, since the calculation amount of the present embodiment for calculating between the electrolyte membranes is exactly equivalent to the case of the single cell in terms of the number of meshes, and the physical equation system to be solved is the same, the calculation amount of the single cell It can also be explained that it is almost equivalent to
以上、本実施の形態により、燃料電池スタックの中段に配置され、隣接セルと周期的な境界で繋がる中段のセル、つまりは燃料電池スタックの代表セルの電池性能が、単セルの場合の計算規模と計算時間が、ほぼ同一でありながら、算出することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, the calculation performance in the case where the cell performance of the middle cell arranged in the middle stage of the fuel cell stack and connected to the adjacent cells at a periodic boundary, that is, the representative cell of the fuel cell stack, is a single cell. And the calculation time can be calculated while being substantially the same.
（実施の形態２）
図１は、本発明の実施の形態２における燃料電池スタックのシミュレーション方法における境界の設定方法の概念図である。図３は、本発明の実施の形態２の燃料電池スタックのシミュレーション方法のフローチャートである。
(Embodiment 2)
FIG. 1 is a conceptual diagram of a boundary setting method in a fuel cell stack simulation method according to
第１算出ステップは、燃料電池スタック５の中段に配置された第１セル２に対して、電
解質膜内に位置する第１基準面８に対して一定の電流密度を仮定し設定する。
In the first calculation step, a constant current density is assumed for the
さらに第１セル２に隣接する燃料電池スタック５の中段に配置された第２セル３に対して、電解質膜内に位置する第２基準面９に対して一定の電位を設定する。第２基準面９に一定の値を設定できる理由は、燃料電池スタック内のあるセルのセパレータ端面内で５０ミリボルト程度の電位差が生じているような場合であっても、そのセルの電解質膜中心の積層面の電位分布はほぼフラットになるという発見的事実に基づくものである。
Furthermore, a constant potential is set with respect to the
次に第１算出ステップでは、電位の境界条件を第１基準面８と第２基準面９に設定した上で、第１基準面８と第２基準面９に挟まれた領域の電池性能算出をシミュレーションで行う。ここで言及する電池性能の算出とは、電位、電流、圧力、温度、濃度を含む電池の内部物理量を算出することを示すものとする。
Next, in the first calculation step, the boundary condition of the potential is set to the
第１算出ステップで最も注意しなければならないことは、第１基準面８と第２基準面９が電解質膜内に位置することから、電位または電流密度の境界条件は、電子の電位ではなく、水素イオンの電位または電位勾配で設定することである。
The most important thing to note in the first calculation step is that the
本実施の形態のフローは、図３に示すように、Ｓ１０１でスタートし、Ｓ１０２で第１基準面８に一定の電流密度を設定し、Ｓ１０３で第２基準面９に一定の電位を設定し、Ｓ１０４で第１基準面８と第２基準面９に挟まれた領域の電池性能算出を行う。
As shown in FIG. 3, the flow of the present embodiment starts in S101, sets a constant current density on the
ここで算出した第１基準面８と第２基準面９に挟まれた領域の電池性能は、半セル分ずらした燃料電池スタックの中段に配置される電解質膜間の電池性能であり、燃料電池スタックを構成する一組のセルの電池性能とは異なるものである。
The battery performance of the region sandwiched between the
しなしながら、電解質膜中心の積層面の電位分布が、ほぼフラットになることを考えれば、端部セルを除けば、電解質膜間の電位差を燃料電池スタックの中段に配置される代表セルの電池性能と定義することが妥当であることが説明できる。 However, considering that the potential distribution of the laminated surface at the center of the electrolyte membrane is almost flat, the battery of the representative cell arranged in the middle stage of the fuel cell stack is the potential difference between the electrolyte membranes except for the end cells. It can be explained that the definition of performance is appropriate.
また、燃料電池スタックの中段に配置される代表セルの電池性能は、隣接するセルの電池性能と似通った特性を持つことが推測されることから、本実施の形態により得られた電池性能を基に、一組のセルの電池性能も容易に推測することが可能である。 In addition, since the battery performance of the representative cell arranged in the middle stage of the fuel cell stack is assumed to have characteristics similar to the battery performance of the adjacent cells, it is based on the battery performance obtained by this embodiment. In addition, the battery performance of a set of cells can be easily estimated.
例えば、中央部に配置されるセパレータに切断面を設け、片側の計算領域を平行に移動させて電解質膜が接するような解析領域を新たに構成することで、当該セルの電池性能を求めることができる。 For example, it is possible to obtain the battery performance of the cell by providing a cut surface in the separator disposed in the center and newly constructing an analysis region in which the electrolyte membrane is in contact by moving the calculation region on one side in parallel. it can.
さらに、電解質膜間で計算を行う本実施の形態の計算量は、メッシュ数では単セルの場合と正確に等価である上、解くべき物理方程式系も同一であることから、単セルの計算量とほぼ等価であることも説明できる。 Furthermore, since the calculation amount of the present embodiment for calculating between the electrolyte membranes is exactly equivalent to the case of the single cell in terms of the number of meshes, and the physical equation system to be solved is the same, the calculation amount of the single cell It can also be explained that it is almost equivalent to
以上、本実施の形態により、燃料電池スタックの中段に配置され、隣接セルと周期的な境界で繋がる中段のセル、つまりは燃料電池スタックの代表セルの電池性能が、単セルの場合の計算規模と計算時間がほぼ同一でありながら、算出することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, the calculation performance in the case where the cell performance of the middle cell arranged in the middle stage of the fuel cell stack and connected to the adjacent cells at a periodic boundary, that is, the representative cell of the fuel cell stack, is a single cell. And the calculation time can be calculated with substantially the same time.
（実施の形態３）
図１は、本発明の実施の形態３における燃料電池スタックのシミュレーション方法における境界の設定方法の概念図である。図４は、本発明の実施の形態３の燃料電池スタックのシミュレーション方法のフローチャートである。
(Embodiment 3)
FIG. 1 is a conceptual diagram of a boundary setting method in a fuel cell stack simulation method according to
第１算出ステップは、燃料電池スタック５の中段に配置された第１セル２に対して、電解質膜内に位置する第１基準面８に対して一定の電位を設定する。第１基準面８に一定の値を設定できる理由は、燃料電池スタック内のあるセルのセパレータ端面内で５０ミリボルト程度の電位差が生じているような場合であっても、そのセルの電解質膜中心の積層面の電位分布はほぼフラットになるという発見的事実に基づくものである。
In the first calculation step, a constant potential is set with respect to the
さらに第１セル２に隣接する燃料電池スタック５の中段に配置された第２セル３に対して、電解質膜内に位置する第２基準面９に対して一定の電流密度を仮定し設定する。
Furthermore, a constant current density is assumed and set for the
次に第１算出ステップでは、電位の境界条件を第１基準面８と第２基準面９に設定した上で、第１基準面８と第２基準面９に挟まれた領域の電池性能算出をシミュレーションで行う。ここで言及する電池性能の算出とは、電位、電流、圧力、温度、濃度を含む電池の内部物理量を算出することを示すものとする。
Next, in the first calculation step, the boundary condition of the potential is set to the
第１算出ステップで最も注意しなければならないことは、第１基準面８と第２基準面９が電解質膜内に位置することから、電位または電流密度の境界条件は電子の電位でなく、水素イオンの電位または電位勾配で設定することである。
The most important thing to note in the first calculation step is that the
本実施の形態のフローは、図４に示すように、Ｓ２０１でスタートし、Ｓ２０２で第１基準面８に一定の電位を設定し、Ｓ２０３で第２基準面９に一定の電位を設定し、Ｓ２０４で第１基準面８と第２基準面９に挟まれた領域の電池性能算出を行う。
As shown in FIG. 4, the flow of the present embodiment starts in S201, sets a constant potential on the
ここで算出した第１基準面８と第２基準面９に挟まれた領域の電池性能は、半セル分ずらした燃料電池スタックの中段に配置される電解質膜間の電池性能であり、燃料電池スタックを構成する一組のセルの電池性能とは異なるものである。
The battery performance of the region sandwiched between the
しかしながら、電解質膜中心の積層面の電位分布が、ほぼフラットになることを考えれば、端部セルを除けば、電解質膜間の電位差を燃料電池スタックの中段に配置される代表セルの電池性能と定義することが妥当であることが説明できる。 However, considering that the potential distribution of the laminated surface at the center of the electrolyte membrane becomes almost flat, the battery cell performance of the representative cell arranged in the middle stage of the fuel cell stack can be calculated by dividing the potential difference between the electrolyte membranes except for the end cells. Explain that it is reasonable to define.
また、燃料電池スタックの中段に配置される代表セルの電池性能は、隣接するセルの電池性能と似通った特性を持つことが推測されることから、本実施の形態により得られた電池性能を基に、一組のセルの電池性能も容易に推測することが可能である。 In addition, since the battery performance of the representative cell arranged in the middle stage of the fuel cell stack is assumed to have characteristics similar to the battery performance of the adjacent cells, it is based on the battery performance obtained by this embodiment. In addition, the battery performance of a set of cells can be easily estimated.
例えば、中央部に配置されるセパレータに切断面を設け、片側の計算領域を平行に移動させて電解質膜が接するような解析領域を新たに構成することで、当該セルの電池性能を求めることができる。 For example, it is possible to obtain the battery performance of the cell by providing a cut surface in the separator disposed in the center and newly constructing an analysis region in which the electrolyte membrane is in contact by moving the calculation region on one side in parallel. it can.
さらに、電解質膜間で計算を行う本実施の形態の計算量は、メッシュ数では単セルの場合と正確に等価である上、解くべき物理方程式系も同一であることから、単セルの計算量とほぼ等価であることも説明できる。 Furthermore, since the calculation amount of the present embodiment for calculating between the electrolyte membranes is exactly equivalent to the case of the single cell in terms of the number of meshes, and the physical equation system to be solved is the same, the calculation amount of the single cell It can also be explained that it is almost equivalent to
以上、本実施の形態により、燃料電池スタックの中段に配置され、隣接セルと周期的な境界で繋がる中段のセル、つまりは燃料電池スタックの代表セルの電池性能が、単セルの場合の計算規模と計算時間がほぼ同一でありながら、算出することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, the calculation performance in the case where the cell performance of the middle cell arranged in the middle stage of the fuel cell stack and connected to the adjacent cells at a periodic boundary, that is, the representative cell of the fuel cell stack, is a single cell. And the calculation time can be calculated with substantially the same time.
以上のように、本発明にかかる燃料電池スタックのシミュレーション方法及びシミュレーション装置は、電解質膜内の第１基準面と第２基準面に電位又は電流密度を設定することで、燃料電池スタックの中段に配置され、隣接セルと周期的な境界で繋がる代表セルの
境界条件を設定できるようになり、単セルの場合の計算規模と計算時間がほぼ同一でありながら、燃料電池スタックの代表セルの電池性能の算出が可能となるので、燃料電池スタック開発の、コスト削減、開発期間の削減を図ることが可能となる。
As described above, the fuel cell stack simulation method and simulation apparatus according to the present invention set the potential or current density on the first reference surface and the second reference surface in the electrolyte membrane, so that the fuel cell stack has a middle stage. It is possible to set boundary conditions for representative cells that are arranged and connected to adjacent cells at periodic boundaries. Therefore, it is possible to reduce the cost and the development period of fuel cell stack development.
１ 端部セル
２ 第１セル
３ 第２セル
４ 端部セル
５ 燃料電池スタック
６ アノード側の集電板
７ カソード側の集電板
８ 第１基準面
９ 第２基準面
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記複数の燃料電池セルのうちの第１電解質膜を有する第１セル及び第２電解質膜を有する第２セルが隣接して位置し、
前記第１電解質膜内に位置する任意の面を第１基準面とし、前記第１基準面の電位又は電流密度である第１既定値を設定する第１設定ステップと、
前記第２電解質膜内に位置する任意の面を第２基準面とし、前記第２基準面の電位又は電流密度である第２既定値を設定する第２設定ステップと、
前記第１既定値及び前記第２既定値を用いて、前記第１基準面及び前記第２基準面の間の電池性能を計算する第１算出ステップと、
を備えた、
燃料電池スタックのシミュレーション方法。 A fuel cell stack simulation method for calculating a battery performance of a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells having an electrolyte membrane and an electrode are stacked,
A first cell having a first electrolyte membrane and a second cell having a second electrolyte membrane among the plurality of fuel cells are located adjacent to each other,
A first setting step of setting a first predetermined value, which is a potential or current density of the first reference surface, using an arbitrary surface located in the first electrolyte membrane as a first reference surface;
A second setting step of setting a second predetermined value, which is a potential or current density of the second reference surface, with an arbitrary surface located in the second electrolyte membrane as a second reference surface;
A first calculation step of calculating battery performance between the first reference surface and the second reference surface using the first predetermined value and the second predetermined value;
With
A fuel cell stack simulation method.
前記複数の燃料電池セルのうちの第１電解質膜を有する第１セル及び第２電解質膜を有する第２セルが隣接して位置し、
前記第１電解質膜内に位置する任意の面を第１基準面とし、前記第１基準面の電位又は電流密度である第１既定値を設定する第１設定器と、
前記第２電解質膜内に位置する任意の面を第２基準面とし、前記第２基準面の電位又は電流密度である第２既定値を設定する第２設定器と、
前記第１既定値及び前記第２既定値を用いて、前記第１基準面及び前記第２基準面の間の電池性能を計算する第１算出器と、
を備えた、
燃料電池スタックのシミュレーション装置。 A fuel cell stack simulation device for calculating a battery performance of a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each having an electrolyte membrane and an electrode are stacked,
A first cell having a first electrolyte membrane and a second cell having a second electrolyte membrane among the plurality of fuel cells are located adjacent to each other,
A first setting device for setting a first predetermined value, which is a potential or current density of the first reference surface, with an arbitrary surface located in the first electrolyte membrane as a first reference surface;
A second setting device for setting a second predetermined value, which is a potential or current density of the second reference surface, using an arbitrary surface located in the second electrolyte membrane as a second reference surface;
A first calculator for calculating battery performance between the first reference surface and the second reference surface using the first predetermined value and the second predetermined value;
With
Fuel cell stack simulation device.
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