JP6515326B2

JP6515326B2 - 燃料電池のシミュレーション方法及びシミュレーション装置

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Publication number: JP6515326B2
Application number: JP2015046583A
Authority: JP
Inventors: 山本　恵一; 恵一山本; 史弥松下
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2019-05-22
Anticipated expiration: 2035-03-10
Also published as: JP2016167391A

Description

本発明は、燃料電池のシミュレーション及び解析手法に関するものであり、燃料電池単セルの電池性能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。

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上市・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。

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、燃料電池の性能算出を行うことである。

燃料電池に関係するシミュレーションとしては、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知られているが、そのスケールにより種々のアプローチが知られている。

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。

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。

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っている。

実際の燃料電池の設計開発にシミュレーションを適用する場合には、燃料電池スタックのシミュレーションは計算規模が大きくなることから、単セルのシミュレーションが良く用いられており、その関係で単セルのシミュレーションを高精度に効率的に解くことが求められている。

このような技術的な背景の中、特許文献１で提案されたものは、燃料電池単セルもしくはスタックを対象に、簡略化圧力損失体に代表される簡易燃料電池モデルを用いて、燃料電池スタック内のガスの流れ解析シミュレーションを実施してから個別のセルのガスの流れ解析シミュレーションを行うことで、シミュレーション時間の短縮と収束性の確保を図っている。

特開２００７−３０５４１９号公報

しかしながら、特許文献１で提案されたものを、燃料電池単セルのシミュレーションに適用した場合においては、簡略化圧力損失体に代表される簡易燃料電池モデルを用いて、燃料電池スタック内のガスの流れ解析シミュレーションを実施してから電池性能のシミュレーションに適用することから、簡易燃料電池モデルの模擬の度合いにより計算精度と計算時間の間でトレードオフが存在するという問題を有していた。

それゆえ、特許文献１で提案されたものを、単セルのシミュレーションに適用したとしても、単セルの構造をある程度正確に模擬した場合においては、計算の規模自体は小さくはならず、結果としてシミュレーションの効率化には本質的に繋がらないという問題を有していた。

そこで、本発明は、燃料電池単セルのシミュレーションにおいて、計算規模を小さくして計算時間を短くすることと、計算精度を維持することを両立させることを目的としている。

上記従来の課題を解決するために本発明の燃料電池のシミュレーション方法は、アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記アノード側半電池に対し前記燃料流路の流路形状に応じた前記アノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記アノード側半電池における分断面に一定の電位を設定すると共に、前記アノード側半電池における前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面に一定の電位を設定して、前記アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出工程を含むのである。

電解質膜の部分で燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、アノード側半電池に対し燃料流路の流路形状に応じたアノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、アノード側半電池における分断面に一定の電位を設定すると共に、アノード側半電池における分断面とは反対側のアノード側セパレータの端面に一定の電位を設定するので、アノード側セパレータに燃料流路が形成され、セパレータ端面内で電位差が生じているような場合であっても、計算時間の短縮と、計算精度維持とを両立させて、アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を効率的に算出することができる。

また、別の本発明の燃料電池のシミュレーション方法は、アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記カソード側半電池に対し前記酸化剤流路の流路形状に応じた前記カソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記カソード側半電池における分断面に一定の電位を設定すると共に、前記カソード側半電池における前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面に一定の電位を設定して、前記カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出工程を含むのである。

電解質膜の部分で燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、カソード側半電池に対し酸化剤流路の流路形状に応じたカソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、カソード側半電池における分断面に一定の電位を設定すると共に、カソード側半電池における分断面とは反対側のカソード側セパレータの端面に一定の電位を設定するので、カソード側セパレータに酸化剤流路が形成され、セパレータ
端面内で電位差が生じているような場合であっても、計算時間の短縮と、計算精度維持とを両立させて、カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を効率的に算出することができる。

また、さらに別の本発明の燃料電池のシミュレーション方法は、アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記アノード側半電池に対し前記燃料流路の流路形状に応じた前記アノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記アノード側半電池における分断面と前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面のうちの一方の面に一定の電流密度を設定すると共に、前記分断面と前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面のうちの他方の面に一定の電位を設定して、前記アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出工程を含むのである。

電解質膜の部分で燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、アノード側半電池に対し燃料流路の流路形状に応じたアノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、アノード側半電池における分断面に一定の電流密度を設定すると共に、アノード側半電池における分断面とは反対側のアノード側セパレータの端面に一定の電位を設定するので、アノード側セパレータに燃料流路が形成され、セパレータ端面内で電位差が生じているような場合であっても、計算時間の短縮と、計算精度維持とを両立させて、アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を効率的に算出することができる。

また、さらに別の本発明の燃料電池のシミュレーション方法は、アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記カソード側半電池に対し前記酸化剤流路の流路形状に応じた前記カソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記カソード側半電池における分断面と前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面のうちの一方の面に一定の電流密度を設定すると共に、前記分断面と前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面のうちの他方の面に一定の電位を設定して、前記カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出工程を含むのである。

電解質膜の部分で燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、カソード側半電池に対し酸化剤流路の流路形状に応じたカソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、カソード側半電池における分断面に一定の電流密度を設定すると共に、カソード側半電池における分断面とは反対側のカソード側セパレータの端面に一定の電位を設定するので、カソード側セパレータに酸化剤流路が形成され、セパレータ端面内で電位差が生じているような場合であっても、計算時間の短縮と、計算精度維持とを両立させて、カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を効率的に算出することができる。

本発明によれば、半電池の構成でアノード側とカソード側を個別に電池性能の算出することで、半電池のモデルを用いない場合（単セルの場合）に比べて、ほぼ半分のシミュレーション規模で効率的に電池性能を算出でき、またアノードおよびカソード側の半電池に適したメッシュの作成が独立に可能となり、アノード側セパレータに燃料流路が形成され、カソード側セパレータに酸化剤流路が形成され、セパレータ端面内で電位差が生じているような場合であっても、結果としてシミュレーションの収束性が大幅に改善されることで、効率的な燃料電池の電池性能の算出が可能となる。

本発明の燃料電池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を説明するための説明図本発明の燃料電池のシミュレーション方法の実施の形態１の概念を示すフローチャート本発明の燃料電池のシミュレーション方法の実施の形態２の概念を示すフローチャート

まず、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、燃料電池単セルの構成上、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。

次に、この発見的事実に基づき、燃料電池単セル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、各シミュレーション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。

第１の発明は、アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記アノード側半電池に対し前記燃料流路の流路形状に応じた前記アノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記アノード側半電池における分断面に一定の電位を設定すると共に、前記アノード側半電池における前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面に一定の電位を設定して、前記アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出工程を含む、燃料電池のシミュレーション方法である。

第２の発明は、アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記カソード側半電池に対し前記酸化剤流路の流路形状に応じた前記カソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記カソード側半電池における分断面に一定の電位を設定すると共に、前記カソード側半電池における前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面に一定の電位を設定して、前記カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出工程を含む、燃料電池のシミュレーション方法である。

電解質膜の部分で燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、カソード側半電池に対し酸化剤流路の流路形状に応じたカソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、カソード側半電池における分断面に一定の電位を設定すると共に、カソード側半電池における分断面とは反対側のカソード側セパレータの端面に一定の電位を設定するので、カソード側セパレータに酸化剤流路が形成され、セパレータ端面内で電位差が生じているような場合であっても、計算時間の短縮と、計算精度維持とを両立させて、カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を効率的に算出することができる。

第３の発明は、アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された
電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記アノード側半電池に対し前記燃料流路の流路形状に応じた前記アノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記アノード側半電池における分断面と前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面のうちの一方の面に一定の電流密度を設定すると共に、前記分断面と前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面のうちの他方の面に一定の電位を設定して、前記アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出工程を含む、燃料電池のシミュレーション方法である。

第４の発明は、アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記カソード側半電池に対し前記酸化剤流路の流路形状に応じた前記カソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記カソード側半電池における分断面と前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面のうちの一方の面に一定の電流密度を設定すると共に、前記分断面と前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面のうちの他方の面に一定の電位を設定して、前記カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出工程を含む、燃料電池のシミュレーション方法である。

第５の発明は、特に第１〜第４のいずれか一つの発明における、半電池性能算出工程でが、半電池の過電圧を分離して電池性能を算出する、過電圧分離工程を含むものであり、反応抵抗、拡散抵抗、電気抵抗などによる電圧の損失量を定量的に算出することが可能となり、電圧降下要因の推定が可能となる。

第６の発明は、アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層お
よびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション装置であって、まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記アノード側半電池に対し前記燃料流路の流路形状に応じた前記アノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記アノード側半電池における分断面に一定の電位を設定すると共に、前記アノード側半電池における前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面に一定の電位を設定して、前記アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、電池性能算出手段を備えた、燃料電池のシミュレーション装置である。

第７の発明は、アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション装置であって、まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記カソード側半電池に対し前記酸化剤流路の流路形状に応じた前記カソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記カソード側半電池における分断面に一定の電位を設定すると共に、前記カソード側半電池における前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面に一定の電位を設定して、前記カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出手段を備えた、燃料電池のシミュレーション装置である。

第８の発明は、アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション装置であって、まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記アノード側半電池に対し前記燃料流路の流路形状に応じた
前記アノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記アノード側半電池における分断面と前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面のうちの一方の面に一定の電流密度を設定すると共に、前記分断面と前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面のうちの他方の面に一定の電位を設定して、前記アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出手段を備えた、燃料電池のシミュレーション装置である。

第９の発明は、アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション装置であって、まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記カソード側半電池に対し前記酸化剤流路の流路形状に応じた前記カソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記カソード側半電池における分断面と前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面のうちの一方の面に一定の電流密度を設定すると共に、前記分断面と前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面のうちの他方の面に一定の電位を設定して、前記カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出手段を備えた、燃料電池のシミュレーション装置である。

第１０の発明は、特に、第６〜第９のいずれか一つの発明における、半電池性能算出手段が、半電池の過電圧を分離して電池性能を算出する、過電圧分離工程を含むものであり、反応抵抗、拡散抵抗、電気抵抗などによる電圧の損失量を定量的に算出することが可能となり、電圧降下要因の推定が可能となる。

（実施の形態１）
図１は本発明の燃料電池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を説明するための説明図である。

図１に示すように、燃料電池単セル１は、アノード側の集電板２、アノード側のセパレータ４、アノード側の電極層５、電解質膜６、カソード側の集電板３、カソード側の電極
層７、カソード側のセパレータ８を備える。

また、燃料電池単セル１は、アノード側半電池とカソード側半電池を分割する分断面１３、アノード側の半電池構成におけるアノード側の集電板２の基準面９、アノード側の分断面１３における基準面１０、カソード側の半電池構成におけるカソード側の分断面１３における基準面１１、カソード側の集電板３の基準面１２を有する。

本実施の形態においては、まず、燃料電池単セル１の電解質膜６内に位置するアノード側の分断面１３における基準面１０と、カソード側の分断面１３における基準面１１とに対して、一定の電位を設定する。

電解質膜６内に位置する、アノード側の分断面１３における基準面１０と、カソード側の分断面１３における基準面１１とに、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６の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。

次に、本実施の形態においては、燃料電池単セル１の分断面１３により分割されたアノード側半電池に対し、アノード側の集電板２の基準面９に一定の電位を設定し、アノード側の半電池の構成で電池性能のシミュレーション（算出）を行う。

ここで言及する電池性能のシミュレーションとは、電位、電流、圧力、温度、濃度を含む電池の内部物理量をシミュレーションすることを示すものとする。

本シミュレーションステップで最も注意しなければならないことは、アノード側の分断面１３における基準面１０が電解質膜６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。

次に、燃料電池単セル１を分断面１３により分割されたカソード側半電池に対し、カソード側の集電板３の基準面１２に一定の電位を設定し、カソード側の半電池の構成で電池性能のシミュレーション（算出）を行う。

本シミュレーションステップで最も注意しなければならないことは、カソード側の分断面１３における基準面１１が電解質膜６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。

図２は本発明の燃料電池のシミュレーション方法の実施の形態１の概念を示すフローチャートである。

図２に示すフローチャートにおいて、Ｓ００１でスタートし、Ｓ００２で分断面１３により燃料電池単セル１を分断し、Ｓ００３でアノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、Ｓ００４でアノード側の分断面１３における基準面１０に一定の電位を設定し、Ｓ００５でアノード側の集電板２の基準面９に一定の電位を設定し、Ｓ００６でアノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出し、Ｓ００７でアノード側半電池の過電圧を分離し、Ｓ００８でカソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、Ｓ００９でカソード側の分断面１３における基準面１１に一定の電位を設定し、Ｓ０１０でカソード側の集電板３の基準面１２に一定の電位を
設定し、Ｓ０１１でカソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出し、Ｓ０１２でカソード側半電池の過電圧を分離し、Ｓ０１３で両半電池の結果を組み合わせて、単セル性能を算出し、Ｓ０１４でエンドとなる。

なお、図２のＳ００５において、アノード側の分断面１３における基準面１０には水素イオンの電位を設定するため、そこで電位の基準が設けられることから、アノード側の集電板２の基準面９には電流密度を設定することも可能である。

同様に、図２のＳ０１０において、カソード側の分断面１３における基準面１１には水素イオンの電位を設定するため、そこで電位の基準が設けられることから、カソード側の集電板３の基準面１２には電流密度を設定することも可能である。

本実施の形態では、アノード側の半電池の電池性能をシミュレーションした後に、カソード側の電池性能をシミュレーションしているが、アノード側の結果がカソード側のシミュレーションに必要ということはなく、カソード側から先にシミュレーションを行うことも可能である。

また、シミュレーションの目的によっては、一方の半電池の電池性能だけをシミュレーションすることも可能である。また、マシン環境によっては、アノード側とカソード側のシミュレーションを並行して行うことも可能である。

以上のように、本実施の形態では、燃料電池単セル１のシミュレーションにおいて、まず、電解質膜６内に位置する分断面１３で燃料電池端セル１をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、アノード側半電池に対し燃料流路の流路形状に応じたアノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、アノード側半電池の分断面である基準面１０に一定の電位を設定すると共に、アノード側半電池における基準面１０とは反対側のアノード側セパレータの端面であるアノード側の集電板２の基準面９に一定の電位を設定して、アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出し、次に、カソード側半電池に対し酸化剤流路の流路形状に応じたカソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、カソード側半電池における分断面である基準面１１に一定の電位を設定すると共に、カソード側半電池における基準面１１とは反対側のカソード側セパレータの端面であるカソード側集電板３の基準面１２に一定の電位を設定して、カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出することにより、アノード側セパレータに燃料流路が形成され、カソード側セパレータに酸化剤流路が形成され、セパレータ端面内で電位差が生じているような場合であっても、計算時間の短縮と、計算精度維持とを両立させて、アノード側半電池とカソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を効率的に算出することができるので、結果として非常に効率的な燃料電池単セル１の電池性能のシミュレーションが可能となる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における燃料電池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の説明には、実施の形態１と同様に図１を用いる。

本実施の形態においては、まず燃料電池単セル１の電解質膜６内に位置するアノード側の分断面１３における基準面１０と、カソード側の分断面１３における基準面１１とに対して、一定の電流密度を設定する。

電解質膜６内に位置する、アノード側の分断面１３における基準面１０と、カソード側の分断面１３における基準面１１とに、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６の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り、そこから予測され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６の中心の積層面に対して鏡面対称の関係になっていることに基づくものである。

次に、本実施の形態においては、燃料電池単セル１の分断面１３により分割されたアノード側半電池に対し、アノード側の集電板２の基準面９に一定の電位を設定し、アノード側の半電池の構成で電池性能のシミュレーションを行う。

本シミュレーションステップで最も注意しなければならないことは、アノード側の分断面１３における基準面１０が電解質膜６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。

次に、燃料電池単セル１を分断面１３により分割されたカソード側半電池に対し、カソード側の集電板３の基準面１２に一定の電位を設定し、カソード側の半電池の構成で電池性能のシミュレーションを行う。

本シミュレーションステップで最も注意しなければならないことは、カソード側の分断面１３における基準面１１が電解質膜６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。

図３は、本発明の燃料電池のシミュレーション方法の実施の形態２の概念を示すフローチャートである。

図３に示すフローチャートにおいて、Ｓ１０１でスタートし、Ｓ１０２で分断面１３により燃料電池単セル１を分断し、Ｓ１０３でアノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、Ｓ１０４でアノード側の分断面１３における基準面１０に一定の電流密度を設定し、Ｓ１０５でアノード側の集電板２の基準面９に一定の電位を設定し、Ｓ１０６でアノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出し、Ｓ１０７でアノード側半電池の過電圧を分離し、Ｓ１０８でカソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、Ｓ１０９でカソード側の分断面１３における基準面１１に一定の電流密度を設定し、Ｓ１１０でカソード側の集電板３の基準面１２に一定の電位を設定し、Ｓ１１１でカソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出し、Ｓ１１２でカソード側半電池の過電圧を分離し、Ｓ１１３で両半電池の結果を組み合わせて、単セル性能を算出し、Ｓ１１４でエンドとなる。

なお、本実施の形態のフローチャートにおいては、アノード側の分断面１３における基準面１０およびカソード側の分断面１３における基準面１１に、電流密度つまりは水素イオンの電位勾配を設定するため、アノード側の集電板２の基準面９およびカソード側の集電板３の基準面１２には共に電位を設定する必要がある。

以上、本実施の形態においては、アノード側の半電池の電池性能をシミュレーションした後にカソード側の電池性能をシミュレーションしているが、アノード側の結果がカソード側のシミュレーションに必要ということはなく、カソード側から先にシミュレーション
を行うことも可能である。

以上のように、本実施の形態では、燃料電池単セル１のシミュレーションにおいて、まず、電解質膜６内に位置する分断面１３で燃料電池端セル１をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、アノード側半電池に対し燃料流路の流路形状に応じたアノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、アノード側半電池の分断面である基準面１０に一定の電流密度を設定すると共に、アノード側半電池における基準面１０とは反対側のアノード側セパレータの端面であるアノード側の集電板２の基準面９に一定の電位を設定して、アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出し、次に、カソード側半電池に対し酸化剤流路の流路形状に応じたカソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、カソード側半電池における分断面である基準面１１に一定の電流密度を設定すると共に、カソード側半電池における基準面１１とは反対側のカソード側セパレータの端面であるカソード側集電板３の基準面１２に一定の電位を設定して、カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出することにより、アノード側セパレータに燃料流路が形成され、カソード側セパレータに酸化剤流路が形成され、セパレータ端面内で電位差が生じているような場合であっても、計算時間の短縮と、計算精度維持とを両立させて、アノード側半電池とカソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を効率的に算出することができるので、結果として非常に効率的な燃料電池単セル１の電池性能のシミュレーションが可能となる。

本発明の燃料電池のシミュレーション方法は、効率的な燃料電池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、開発期間の削減の用途に好適である。

１燃料電池単セル
２アノード側の集電板
３カソード側の集電板
４アノード側のセパレータ
５アノード側の電極層
６電解質膜
７カソード側の電極層
８カソード側のセパレータ
９アノード側の集電板２の基準面
１０アノード側の分断面１３における基準面
１１カソード側の分断面１３における基準面
１２カソード側の集電板３の基準面
１３分断面

Claims

アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、
まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記アノード側半電池に対し前記燃料流路の流路形状に応じた前記アノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記アノード側半電池における分断面に一定の電位を設定すると共に、前記アノード側半電池における前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面に一定の電位を設定して、前記アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出工程を含む、燃料電池のシミュレーション方法。
アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、
まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記カソード側半電池に対し前記酸化剤流路の流路形状に応じた前記カソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記カソード側半電池における分断面に一定の電位を設定すると共に、前記カソード側半電池における前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面に一定の電位を設定して、前記カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出工程を含む、燃料電池のシミュレーション方法。
アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、
前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、
まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記アノード側半電池に対し前記燃料流路の流路形状に応じた前記アノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記アノード側半電池における分断面と前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面のうちの一方の面に一定の電流密度を設定すると共に、前記分断面と前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面のうちの他方の面に一定の電位を設定して、前記アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出工程を含む、燃料電池のシミュレーション方法。
アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、
まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記カソード側半電池に対し前記酸化剤流路の流路形状に応じた前記カソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記カソード側半電池における分断面と前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面のうちの一方の面に一定の電流密度を設定すると共に、前記分断面と前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面のうちの他方の面に一定の電位を設定して、前記カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出工程を含む、燃料電池のシミュレーション方法。
前記半電池性能算出工程は、前記半電池の過電圧を分離して電池性能を算出する、過電圧分離工程を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池のシミュレーション方法。
アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション装置であって、
まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記アノード側半電池に対し前記燃料流路の流路形状に応じた前記アノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記アノード側半電池における分断面に一定の電位を設定すると共に、前記アノード側半電池における前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面に一定の電位を設定して、前記アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出手段を備えた、燃料電池のシミュレーション装置。
アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション装置であって、
まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記カソード側半電池に対し前記酸化剤流路の流路形状に応じた前記カソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記カソード側半電
池における分断面に一定の電位を設定すると共に、前記カソード側半電池における前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面に一定の電位を設定して、前記カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出手段を備えた、燃料電池のシミュレーション装置。
アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション装置であって、
まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記アノード側半電池に対し前記燃料流路の流路形状に応じた前記アノード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記アノード側半電池における分断面と前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面のうちの一方の面に一定の電流密度を設定すると共に、前記分断面と前記分断面とは反対側の前記アノード側セパレータの端面のうちの他方の面に一定の電位を設定して、前記アノード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出手段を備えた、燃料電池のシミュレーション装置。
アノード側触媒層およびアノード側ガス拡散層と、カソード側触媒層およびカソード側ガス拡散層と、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置された電解質膜と、前記アノード側ガス拡散層と接触する面に燃料流路が形成されたアノード側セパレータと、前記カソード側ガス拡散層と接触する面に酸化剤流路が形成されたカソード側セパレータとを備えた燃料電池の電池性能を算出する燃料電池のシミュレーション装置であって、
まず、前記電解質膜の部分で前記燃料電池をアノード側半電池とカソード側半電池とに分断し、次に、前記カソード側半電池に対し前記酸化剤流路の流路形状に応じた前記カソード側半電池の構成に適したシミュレーションのメッシュを作成し、前記カソード側半電池における分断面と前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面のうちの一方の面に一定の電流密度を設定すると共に、前記分断面と前記分断面とは反対側の前記カソード側セパレータの端面のうちの他方の面に一定の電位を設定して、前記カソード側半電池の電位、電流、圧力、濃度を含む物理量を算出する、半電池性能算出手段を備えた、燃料電池のシミュレーション装置。
前記半電池性能算出手段は、前記半電池の過電圧を分離して電池性能を算出する、請求項６から９のいずれか１項に記載の燃料電池のシミュレーション装置。