JP2005083452A - Evaluation device for hydrogen supply system, and its evaluation method and evaluation program - Google Patents

Evaluation device for hydrogen supply system, and its evaluation method and evaluation program Download PDF

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正光 村井
Yasufumi Kunimoto
康文 国本
Harunobu Takeda
晴信 竹田
Yasushi Yoshinaga
泰 吉永
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an evaluation device for a hydrogen supply system using a highly reliable MH alloy. <P>SOLUTION: The evaluation device comprises a time step setting part 27 for dividing an operation time for a container filled with a hydrogen storage alloy into small time intervals for analysis, a heat analysis part 23 for performing heat conduction analysis in each time step divided by the time step setting part assuming zero hydrogen migration and calculating parameters regarding the temperatures of inner portions of the MH container, a hydrogen relative parameter calculation part 24 for calculating parameters regarding hydrogen migration in each time step identical with that of the heat conduction analysis by a heat conduction analysis means assuming the zero hydrogen migration and calculating hydrogen reaction heat, a temperature parameter correction part 25 for correcting the parameters regarding the temperatures using the reaction heat, and a hydrogen parameter correction part 26 for correcting the parameters regarding the hydrogen migration using the parameters regarding the corrected temperatures. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池に水素を供給するための水素吸蔵合金(以下MH合金という)を用いた水素供給システムについて、その評価を行うための評価装置及び評価方法並びに評価プログラムに関するものである。   The present invention relates to an evaluation apparatus, an evaluation method, and an evaluation program for evaluating a hydrogen supply system using a hydrogen storage alloy (hereinafter referred to as MH alloy) for supplying hydrogen to a fuel cell.

従来、MH合金を用いた水素供給システムにおける水素吸収放出の性能を評価する場合は、合金層における伝熱計算を行い、その結果として得られた熱量と温度を基に水素の放出、吸収量を伝熱による律速として算定している。このときの合金物性値は、別途合金に対する実験的に得られた結果を定数として採用することが行われていた。   Conventionally, when evaluating the performance of hydrogen absorption / release in a hydrogen supply system using an MH alloy, heat transfer calculation in the alloy layer is performed, and the release / absorption amount of hydrogen is calculated based on the heat and temperature obtained as a result. Calculated as rate limiting by heat transfer. For the alloy physical property values at this time, results obtained separately for the alloy were employed as constants.

しかしながら、MH合金の熱伝導/水素移動では、水素の移動と熱の移動が同時に発生し、しかも相互に影響し合うため、従来のように、水素移動の影響を無視して熱伝導のみを解析し、その解析結果に基づいて水素移動量を求めることは本来的に好ましくなく、精度の高い性能評価はできなかった。   However, in the heat transfer / hydrogen transfer of MH alloy, hydrogen transfer and heat transfer occur at the same time and affect each other. Therefore, as in the past, the effect of hydrogen transfer is ignored and only the heat transfer is analyzed. However, it is inherently undesirable to obtain the amount of hydrogen transfer based on the analysis result, and a highly accurate performance evaluation cannot be performed.

即ち、従来より、水素と熱の移動が同時に生じる他の例としては、鋼材を溶接する場合等に鋼材中に吸収された水素の濃度変化等を鋼材中の水素の拡散問題として求める例が知られているが、この場合の水素の移動は、熱の移動の影響を受けるものの、熱の移動は水素の移動の影響を受けないものとして扱うことができる。従ってこの場合は、まず熱伝導の解析を行い、温度変化の影響を考慮した水素拡散問題を解くことで解析が可能である。更に水素の拡散は基礎方程式が熱伝導に近似しているので、熱伝導プログラムを少し修正することで対応も可能である。   That is, as another example where hydrogen and heat transfer occur at the same time, there is known an example in which a change in the concentration of hydrogen absorbed in a steel material is obtained as a problem of hydrogen diffusion in the steel material when welding the steel material. However, in this case, the movement of hydrogen is affected by the movement of heat, but the movement of heat can be treated as not affected by the movement of hydrogen. Therefore, in this case, it is possible to analyze the heat conduction first and solve the hydrogen diffusion problem considering the influence of temperature change. Furthermore, since the basic equation approximates heat conduction, hydrogen diffusion can be handled by slightly modifying the heat conduction program.

これに対して、MH合金中の水素の場合は、上述したように、水素の移動と熱の移動が同時に発生し、しかも相互に影響しあうため、熱伝導のみを解析してその熱移動量から水素移動量を解析することは、特にMH合金容器のように、MH容器内の部位による水素の圧力に大きな圧力差が生じるような容器の水素の吸放出性能については正確に求めることができず、このような解析方法を評価装置等に適用しても、信頼性のある評価結果を得ることはできない。   On the other hand, in the case of hydrogen in the MH alloy, as described above, the movement of hydrogen and the movement of heat occur at the same time and affect each other. Analyzing the amount of hydrogen transferred from the vessel can accurately determine the hydrogen absorption / release performance of a vessel in which a large pressure difference occurs in the hydrogen pressure due to the site in the MH vessel, particularly in an MH alloy vessel. Even if such an analysis method is applied to an evaluation device or the like, a reliable evaluation result cannot be obtained.

本発明は、このような問題点を解決するために成されたものであり、信頼性の高いMH合金を用いた水素供給システムの評価装置、評価方法及び評価プログラムを提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide an evaluation apparatus, an evaluation method, and an evaluation program for a hydrogen supply system using a highly reliable MH alloy. .

上述した課題を解決するため、本発明は、水素吸蔵合金を用いた水素供給システムの評価装置であって、水素吸蔵合金を充填した容器の運転シミュレーションを行うために、運転時間に対応する時間を解析を行うための微少な時間間隔に分ける時間ステップ分割手段と、前記時間ステップ分割手段により分割された時間ステップ毎に、水素移動ゼロと仮定して熱伝導解析を行い、MH容器内の各部の温度に関するパラメータを算出する熱伝導解析手段と、前記熱伝導解析手段により熱伝導解析を行う同じ時間ステップ毎に、熱伝導ゼロと仮定して水素移動に関するパラメータを算出する水素移動量解析手段と、前記水素移動量解析手段により解析された水素移動に関するパラメータに基づいて水素反応熱を算出する反応熱算出手段と、前記反応熱算出手段により算出された反応熱を用いて前記熱伝導解析手段により解析された温度に関するパラメータを修正する温度パラメータ修正手段と、前記温度修正手段により修正された温度に関するパラメータを用いて、前記水素移動量解析手段により得られた水素移動に関するパラメータを修正する水素パラメータ修正手段とを備えてなるものである。   In order to solve the above-described problems, the present invention is an evaluation apparatus for a hydrogen supply system using a hydrogen storage alloy, and in order to perform an operation simulation of a container filled with the hydrogen storage alloy, a time corresponding to the operation time is set. A time step dividing unit that divides into minute time intervals for performing analysis, and for each time step divided by the time step dividing unit, a heat transfer analysis is performed assuming that hydrogen transfer is zero, and each part in the MH container is analyzed. A heat conduction analysis means for calculating a parameter relating to temperature, and a hydrogen transfer amount analysis means for calculating a parameter relating to hydrogen transfer assuming that heat conduction is zero at every same time step in which heat conduction analysis is performed by the heat conduction analysis means, Reaction heat calculation means for calculating heat of hydrogen reaction based on parameters relating to hydrogen movement analyzed by the hydrogen movement amount analysis means; The temperature parameter correcting means for correcting the temperature-related parameter analyzed by the heat conduction analyzing means using the heat of reaction calculated by the heat calculating means, and the temperature-related parameter corrected by the temperature correcting means, Hydrogen parameter correcting means for correcting a parameter relating to hydrogen movement obtained by the movement amount analyzing means.

また、本発明の水素供給システムの評価装置において、前記水素移動量解析手段により解析された水素移動に関するパラメータには、水素圧力と水素移動量が含まれ、前記水素パラメータ修正手段により修正される水素移動に関するパラメータには、水素圧力が含まれることを特徴とする。ここで、前記水素圧力と水素移動量との関係に圧力損失係数が導入することができる。   In the hydrogen supply system evaluation apparatus according to the present invention, the hydrogen transfer parameters analyzed by the hydrogen transfer amount analysis means include a hydrogen pressure and a hydrogen transfer amount, and are corrected by the hydrogen parameter correction means. The parameter relating to movement includes hydrogen pressure. Here, a pressure loss coefficient can be introduced into the relationship between the hydrogen pressure and the amount of hydrogen transfer.

また、本発明は、水素吸蔵合金を用いた水素供給システムの評価方法であって、水素吸蔵合金を充填した容器の運転シミュレーションを行うために、運転時間に対応する時間を解析を行うための微少な時間間隔に分ける時間ステップ分割ステップと、前記時間ステップ分割ステップにより分割された時間ステップ毎に、水素移動ゼロと仮定して熱伝導解析を行い、MH容器内の各部の温度に関するパラメータを算出する熱伝導解析ステップと、前記熱伝導解析ステップにより熱伝導解析を行う同じ時間ステップ毎に、熱伝導ゼロと仮定して水素移動に関するパラメータを算出する水素移動量解析ステップと、前記水素移動量解析ステップにより解析された水素移動に関するパラメータに基づいて水素反応熱を算出する反応熱算出ステップと、前記反応熱算出ステップにより算出された反応熱を用いて前記熱伝導解析ステップにより解析された温度に関するパラメータを修正する温度パラメータ修正ステップと、前記温度修正ステップにより修正された温度に関するパラメータを用いて、前記水素移動量解析ステップにより得られた水素移動に関するパラメータを修正する水素パラメータ修正ステップとを備えてなるものである。   Further, the present invention is a method for evaluating a hydrogen supply system using a hydrogen storage alloy, and is a micro method for analyzing a time corresponding to an operation time in order to perform an operation simulation of a container filled with the hydrogen storage alloy. A time step dividing step divided into various time intervals, and for each time step divided by the time step dividing step, a heat conduction analysis is performed on the assumption that hydrogen transfer is zero, and a parameter relating to the temperature of each part in the MH container is calculated. A heat transfer analysis step, a hydrogen transfer amount analysis step for calculating a parameter related to hydrogen transfer on the assumption that heat transfer is zero at every same time step in which heat transfer analysis is performed by the heat transfer analysis step, and the hydrogen transfer amount analysis step A reaction heat calculation step for calculating the heat of hydrogen reaction based on the parameters relating to hydrogen movement analyzed by The temperature parameter correction step of correcting the temperature-related parameter analyzed by the heat conduction analysis step using the reaction heat calculated by the reaction heat calculation step, and the temperature-related parameter corrected by the temperature correction step, A hydrogen parameter correcting step for correcting a parameter relating to hydrogen transfer obtained by the hydrogen transfer amount analyzing step.

また、本発明は、水素吸蔵合金を用いた水素供給システムの評価方法をコンピュータに実行させる水素供給システムの評価プログラムであって、水素吸蔵合金を充填した容器の運転シミュレーションを行うために、運転時間に対応する時間を解析を行うための微少な時間間隔に分ける時間ステップ分割ステップと、前記時間ステップ分割ステップにより分割された時間ステップ毎に、水素移動ゼロと仮定して熱伝導解析を行い、MH容器内の各部の温度に関するパラメータを算出する熱伝導解析ステップと、前記熱伝導解析ステップにより熱伝導解析を行う同じ時間ステップ毎に、熱伝導ゼロと仮定して水素移動に関するパラメータを算出する水素移動量解析ステップと、前記水素移動量解析ステップにより解析された水素移動に関するパラメータに基づいて水素反応熱を算出する反応熱算出ステップと、前記反応熱算出ステップにより算出された反応熱を用いて前記熱伝導解析ステップにより解析された温度に関するパラメータを修正する温度パラメータ修正ステップと、前記温度修正ステップにより修正された温度に関するパラメータを用いて、前記水素移動量解析ステップにより得られた水素移動に関するパラメータを修正する水素パラメータ修正ステップとをコンピュータに実行させるものである。   Further, the present invention is a hydrogen supply system evaluation program for causing a computer to execute a hydrogen supply system evaluation method using a hydrogen storage alloy, and for operating simulation of a container filled with the hydrogen storage alloy. A time step division step that divides the time corresponding to the time into minute time intervals for analysis, and for each time step divided by the time step division step, heat conduction analysis is performed assuming that hydrogen transfer is zero, and MH A heat transfer analysis step for calculating a parameter related to the temperature of each part in the container, and a hydrogen transfer for calculating a parameter for hydrogen transfer assuming that heat transfer is zero at each same time step in which heat transfer analysis is performed by the heat transfer analysis step. And a parameter relating to hydrogen transfer analyzed in the hydrogen transfer amount analysis step. A reaction heat calculation step for calculating the heat of hydrogen reaction based on the data, and a temperature parameter correction step for correcting the parameter relating to the temperature analyzed by the heat conduction analysis step using the reaction heat calculated by the reaction heat calculation step And a hydrogen parameter correcting step of correcting a parameter relating to hydrogen movement obtained in the hydrogen movement amount analyzing step using a parameter relating to the temperature corrected in the temperature correcting step.

以上に説明したように、本発明によれば、信頼性の高いMH合金を用いた水素供給システムの評価装置、評価方法及び評価プログラムを得ることができるという効果を奏する。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an evaluation apparatus, an evaluation method, and an evaluation program for a hydrogen supply system using a highly reliable MH alloy.

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の実施の形態における水素供給システムを示すブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram showing a hydrogen supply system according to an embodiment of the present invention.

この水素供給システムは、MH合金を充填し評価の対象となるMH合金容器1と、MH合金容器1に充填されたMH合金を加熱する温水供給装置2と、MH合金を冷却する冷却水供給装置3と、MH合金容器1から放出される水素ガスが供給される燃料電池4と、MH合金に水素を供給し吸蔵させるための水素供給装置5とを備え、水素ガス配管の適所には、ガス流量等を計測し制御するための調節計6A、6Bが備えられている。   This hydrogen supply system includes an MH alloy container 1 that is filled with an MH alloy and is an object of evaluation, a hot water supply device 2 that heats the MH alloy that is filled in the MH alloy container 1, and a cooling water supply device that cools the MH alloy. 3, a fuel cell 4 to which hydrogen gas released from the MH alloy container 1 is supplied, and a hydrogen supply device 5 for supplying and occluding hydrogen to the MH alloy. Controllers 6A and 6B for measuring and controlling the flow rate and the like are provided.

MH合金容器1は、図2,図3に示すように、複数の円筒状カプセル容器11を多段に継ぎ合わせた円筒形状をなし、各カプセル容器11は複数の円板状フィン12で区画され、これらフィン間にMH合金13を充填している。また、各円板状フィン12の中心部を挿通するように通気材14が設けられている。この通気材14は、各カプセル容器において隣接するカプセル容器のフィンに沿ってカプセル容器11の外表面まで延設されている。カプセル容器11の外表面には、温水供給装置2又は冷却水供給装置3に接続される熱交換ユニット15が設けられている。   2 and 3, the MH alloy container 1 has a cylindrical shape in which a plurality of cylindrical capsule containers 11 are joined in multiple stages, and each capsule container 11 is partitioned by a plurality of disc-shaped fins 12, MH alloy 13 is filled between these fins. In addition, a ventilation member 14 is provided so as to pass through the center of each disk-like fin 12. The ventilation material 14 extends to the outer surface of the capsule container 11 along the fins of the adjacent capsule containers in each capsule container. A heat exchange unit 15 connected to the hot water supply device 2 or the cooling water supply device 3 is provided on the outer surface of the capsule container 11.

このような構成において、MH合金の冷却時には、水素供給装置5から供給された水素は、通気材14を通ってMH合金に吸蔵される。一方、MH合金の加熱時には、MH合金に吸蔵されていた水素が放出され、通気材14を通って燃料電池4に供給される。   In such a configuration, when the MH alloy is cooled, the hydrogen supplied from the hydrogen supply device 5 is stored in the MH alloy through the ventilation member 14. On the other hand, when the MH alloy is heated, hydrogen stored in the MH alloy is released and supplied to the fuel cell 4 through the ventilation member 14.

本発明は、このMH合金容器における水素の吸蔵、放出についての評価を行うためのシミュレーションを行うものであり、MH容器の仮想運転時間を細かく時間ステップに分け、各時間で(1)水素移動ゼロと仮定し、通常の熱伝導問題として解析すると共に、(2)熱伝導ゼロと仮定し、水素移動のみを解析し、実際の現象は、上記(1)(2)の解の和として解析する(この方法は、物理問題では重ね合わせの原理として知られている方法であり、時間ステップを細かくすることで、実際の現象に限りなく近づくものと考えられている)。   The present invention performs a simulation for evaluating the storage and release of hydrogen in the MH alloy container. The virtual operation time of the MH container is finely divided into time steps, and (1) Zero hydrogen transfer at each time. (2) Assuming zero heat conduction and analyzing only hydrogen transfer, the actual phenomenon is analyzed as the sum of the solutions of (1) and (2) above. (This method is known as the superposition principle in the physical problem, and is considered to approach the actual phenomenon as much as possible by making the time step finer).

熱伝導問題の数値解析法としては、有限要素法、有限階差法(差分法)、境界要素法等が知られている。これらの方法は、それぞれ特徴があるが、複雑な物理現象を解析する方法としては、物理モデルに近い差分法を応用するのが容易である。   Known numerical analysis methods for heat conduction problems include the finite element method, the finite difference method (difference method), the boundary element method, and the like. Each of these methods has characteristics, but as a method of analyzing a complex physical phenomenon, it is easy to apply a difference method close to a physical model.

図4は実施の形態における水素吸蔵合金を用いた水素供給システムの評価装置を示すブロック図、図5は本装置の動作を示すフローチャートである。   FIG. 4 is a block diagram showing an evaluation apparatus for a hydrogen supply system using a hydrogen storage alloy in the embodiment, and FIG. 5 is a flowchart showing the operation of this apparatus.

図4に示すMH合金を用いた水素供給システムの評価装置は、所定の解析モデルや解析条件等のデータや各種初期値を入力するデータ入力部21と、入力された初期値等に基づいて、初期水素量を算出する初期水素量算出部22と、水素移動に関するパラメータを無視して熱伝導解析を行い各部の温度を算出する熱解析部23と、熱伝導に関するパラメータを無視して水素移動に関するパラメータとして、各部の水素圧力及び移動量を解析すると共に、この解析結果に基づいて水素の反応熱を算出する水素関連パラメータ解析部24と、この反応熱を用いて熱解析部により算出された各部温度を修正する温度修正部25と、この修正された各部の温度を用いて各部の水素圧力を修正する水素圧力修正部26と、各部23〜26の動作時間ステップを設定する時間ステップ設定部27とを備えている。   The evaluation apparatus for the hydrogen supply system using the MH alloy shown in FIG. 4 is based on a data input unit 21 for inputting data such as a predetermined analysis model and analysis conditions and various initial values, and an input initial value and the like. An initial hydrogen amount calculation unit 22 that calculates an initial hydrogen amount, a thermal analysis unit 23 that calculates a temperature of each part by ignoring parameters related to hydrogen transfer, and a hydrogen transfer parameter that ignores parameters related to heat transfer As parameters, the hydrogen pressure and the amount of movement of each part are analyzed, and the hydrogen-related parameter analysis part 24 for calculating the reaction heat of hydrogen based on the analysis result, and each part calculated by the thermal analysis part using this reaction heat A temperature correction unit 25 that corrects the temperature, a hydrogen pressure correction unit 26 that corrects the hydrogen pressure of each part using the corrected temperature of each part, and an operation time step of each part 23 to 26. And a time step setting unit 27 for setting up.

熱解析部23〜水素圧力修正部26の演算は、時間ステップ設定部27により、水素供給システム(MH合金容器)の運転時間を微少時間に分割してなる各時間ステップ毎に行われ、その解析結果が評価値として出力される。   The calculation of the thermal analysis unit 23 to the hydrogen pressure correction unit 26 is performed by the time step setting unit 27 for each time step obtained by dividing the operation time of the hydrogen supply system (MH alloy container) into minute times. The result is output as an evaluation value.

図5のフローチャートによれば、まず、データ入力部21により、解析モデルの指定を行い(S1)、形状寸法データの入力(S2)、PCT(水素圧力P、水素濃度C、温度T)カーブデータ(MH合金の水素吸蔵特性)の入力(S3)、解析条件の入力(S4)、初期値(MH合金温度Ti,水素圧力Pi)の入力(S5)を行う。   According to the flowchart of FIG. 5, first, an analysis model is designated by the data input unit 21 (S1), shape dimension data is input (S2), and PCT (hydrogen pressure P, hydrogen concentration C, temperature T) curve data. Input (S3) of (MH storage characteristics of MH alloy), input of analysis conditions (S4), and input of initial values (MH alloy temperature Ti, hydrogen pressure Pi) (S5).

次いで、初期水素量の計算を行う(S6)。この初期水素量の計算は、図10に示すPCT線図を用いて圧力から水素量を計算するためのサブルーチン(1)を用いて行われ、MH合金温度、水素圧力PiからPCTカーブを用いて水素量を求める。   Next, the initial hydrogen amount is calculated (S6). This initial hydrogen amount is calculated using the subroutine (1) for calculating the hydrogen amount from the pressure using the PCT diagram shown in FIG. 10, and using the PCT curve from the MH alloy temperature and the hydrogen pressure Pi. Determine the amount of hydrogen.

次に、ステップS7により時間ステップが設定され、ステップS8〜S11までが、微少時間間隔毎に処理され、水素移動に関するパラメータ及び温度パラメータが求められる。   Next, a time step is set in step S7, and steps S8 to S11 are processed at every minute time interval to obtain parameters relating to hydrogen transfer and temperature parameters.

まず、ステップS8において、熱解析部による熱解析が行われ、伝熱量、各部温度が温度に関するパラメータとして求められる。この熱解析は、図8に示す実験値を用いて、水素圧力PiからMH合金の熱伝導率を求めるサブルーチン(2)により行われる。   First, in step S8, thermal analysis is performed by the thermal analysis unit, and the amount of heat transfer and the temperature of each unit are obtained as parameters relating to temperature. This thermal analysis is performed by a subroutine (2) for obtaining the thermal conductivity of the MH alloy from the hydrogen pressure Pi using the experimental values shown in FIG.

ステップS8において熱解析が行われると、次に水素移動に関するパラメータとして、各部水素圧力及び移動量が解析されると共に水素反応熱が算出される(S9)。この解析に際しては、後述するサブルーチン(3)が用いられ、各部の水素圧力から水素流速が求められる。   Once the thermal analysis is performed in step S8, the hydrogen pressure and transfer amount of each part are analyzed as parameters relating to hydrogen transfer, and the heat of hydrogen reaction is calculated (S9). In this analysis, a subroutine (3) described later is used, and the hydrogen flow velocity is obtained from the hydrogen pressure of each part.

ステップS9において水素反応熱が算出されると、次にその水素反応熱をステップS8における熱解析で得られた各部の熱量変動に加減算することによりステップS8において得られた各部の温度を修正する。こうして各部の温度が修正されると、次にその温度とステップS6において得られた各部の水素量、及びPCTカーブを用いて各部の水素圧力が修正され(S11)、水素発生量が得られる。以上のステップS1〜ステップS11の動作をコンピュータに実行させるようにすることで、本発明に係る水素供給システムの評価プログラムを提供することができる。
(熱解析:ステップS8)
本実施の形態におけるMH合金容器のモデルを図6(図3に対応)に示している。実施の形態のMH合金容器1は、円筒状のカプセル容器11の内部をその長手方向に対して多段にフィン12で区画すると共に、円筒軸の中央部からカプセル外表面まで各フィンの面に沿って通気材14を設け、この通気材14とフィン12で囲まれた領域にMH合金13が充填されている。
When the hydrogen reaction heat is calculated in step S9, the temperature of each part obtained in step S8 is corrected by adding / subtracting the hydrogen reaction heat to the heat amount fluctuation of each part obtained by the thermal analysis in step S8. When the temperature of each part is corrected in this way, the hydrogen pressure of each part is corrected using the temperature, the hydrogen amount of each part obtained in step S6, and the PCT curve (S11), and the hydrogen generation amount is obtained. By causing the computer to execute the operations in steps S1 to S11 described above, the evaluation program for the hydrogen supply system according to the present invention can be provided.
(Thermal analysis: Step S8)
A model of the MH alloy container in the present embodiment is shown in FIG. 6 (corresponding to FIG. 3). The MH alloy container 1 according to the embodiment divides the inside of a cylindrical capsule container 11 with fins 12 in multiple stages with respect to the longitudinal direction, and follows the surface of each fin from the center of the cylindrical axis to the outer surface of the capsule. A ventilation member 14 is provided, and a region surrounded by the ventilation member 14 and the fins 12 is filled with the MH alloy 13.

実施の形態では、このMH合金が充填された部分を容器の半径方向に例えば5分割(パラメータm)し、その厚さ方向(層方向)を例えば4分割(パラメータn)して各部のパラメータを求めるようにしている。図6において、PH(M,N),C(M,N)はそれぞれ(M,N)点の水素圧力及び水素吸蔵量を示し、Tm、T(M,N)は各部の温度を示し、h1〜h3はそれぞれ各部の熱伝導率を示している。   In the embodiment, the portion filled with the MH alloy is divided into, for example, five parts (parameter m) in the radial direction of the container, and the thickness direction (layer direction) is divided into four parts (parameter n), for example. I want to ask. In FIG. 6, PH (M, N) and C (M, N) indicate the hydrogen pressure and hydrogen storage amount at the (M, N) point, respectively, Tm and T (M, N) indicate the temperature of each part, h1 to h3 indicate the thermal conductivity of each part.

差分法においては、各点の値の差が順次求められる。この差分法において、各部の温度差分が伝熱計算に使用され、圧力差分が水素流速の計算に用いられ、圧力差分により求められた水素流速から水素吸蔵量の変化が計算される。   In the difference method, the difference between the values of each point is obtained sequentially. In this difference method, the temperature difference of each part is used for heat transfer calculation, the pressure difference is used for calculation of the hydrogen flow rate, and the change in the hydrogen storage amount is calculated from the hydrogen flow rate obtained from the pressure difference.

解析の理解の容易性のため、図6のようにMH合金中の熱伝導、水素移動が一次元流れに近いモデルを考える。   In order to facilitate the understanding of the analysis, consider a model in which heat conduction and hydrogen transfer in an MH alloy are close to a one-dimensional flow as shown in FIG.

一般に、熱伝導の式はTを温度、tを時間、yを座標軸とし、
∂T/∂t=a・∂2T/∂x2
a=λ/cγ
ここで、λは熱伝導率、cは比熱、γは比重である。
この場合の差分の式は、
T(x,t+Δt)=T(x,t)+a/Δt2[T(x+Δx,t)−2T(x,t)+T(x−Δx,t)]
従って、一次元問題で物性値の変化が少ない場合は、この式を用いて解析することができる。しかしより複雑な形状、物性値の変化のある場合は、図7に示すように、より原始的モデルに置き換える方が容易である。
In general, the equation for heat conduction is as follows: T is temperature, t is time, y is a coordinate axis,
∂T / ∂t = a · ∂ 2 T / ∂x 2
a = λ / cγ
Here, λ is thermal conductivity, c is specific heat, and γ is specific gravity.
The difference formula in this case is
T (x, t + Δt) = T (x, t) + a / Δt 2 [T (x + Δx, t) −2T (x, t) + T (x−Δx, t)]
Therefore, when there is little change in the physical property value due to the one-dimensional problem, it can be analyzed using this equation. However, when there are more complicated shapes and changes in physical property values, it is easier to replace them with more primitive models as shown in FIG.

図7に基づいて、各構成要素における熱移動の関係(非定常変化)を熱交換ユニット材料内の熱伝導による温度変化として示すと以下のように示される。   Based on FIG. 7, the relationship (unsteady change) of heat transfer in each component is shown as a temperature change due to heat conduction in the heat exchange unit material as follows.

要素でΔtの間にx面を通過する熱流束、Qin
ΔQin=λh×(Δθ/Δxhx×A×Δt
要素でΔtの間にx+Δx面を通過する熱流束、Qout
ΔQout=λh×(Δθ/Δxhx+Δx×A×Δt
両者の差が要素の温度上昇に必要な熱量に等しい
ρhph×A×(Δx)×Δθ=(ΔQin−ΔQout
=λh×((Δθ/Δxhx−(Δθ/Δxhx+Δx)x×A×Δt
単位時間当たりの熱量変化
ρhph(Δθ/Δt)=(ΔQin−ΔQout
=λh×((Δθ/Δxhx−(Δθ/Δxhx+Δx)/Δx[kW]
ここで、ρは比熱、λは熱伝導率、λhは熱交換ユニット材の熱伝導率、(Δθ/Δxhxはxにおける温度勾配、(Δθ/Δxhx+Δxはx+Δxにおける温度勾配、Δxは要素のx方向単位長さである。
Qin, the heat flux passing through the x-plane for Δt
ΔQ in = λ h × (Δθ / Δx h ) x × A × Δt
Qout, the heat flux passing through the x + Δx plane during Δt
ΔQ out = λ h × (Δθ / Δx h ) x + Δ x × A × Δt
The difference between the two is equal to the amount of heat required for the temperature rise of the element. Ρ h C ph × A × (Δx) × Δθ = (ΔQ in −ΔQ out )
= Λ h × ((Δθ / Δx h ) x − (Δθ / Δx h ) x + Δ x ) x × A × Δt
Change in heat per unit time ρ h C ph (Δθ / Δt) = (ΔQ in −ΔQ out )
= Λ h × ((Δθ / Δx h ) x − (Δθ / Δx h ) x + Δ x ) / Δx [kW]
Where ρ is the specific heat, λ is the thermal conductivity, λ h is the thermal conductivity of the heat exchange unit material, (Δθ / Δx h ) x is the temperature gradient at x, and (Δθ / Δx h ) x + Δ x is at x + Δx. The temperature gradient, Δx, is the unit length in the x direction of the element.

MH合金の熱伝導率解析の留意点は、MH合金熱伝導率が水素の圧力等によって大きく変化する点にある。   A point to be noted in the thermal conductivity analysis of the MH alloy is that the thermal conductivity of the MH alloy changes greatly depending on the pressure of hydrogen and the like.

水素圧力は、水素の吸放出で大きく変動する。そこで、MH合金の熱伝導率計算サブルーチンを用意し、各時間ステップ毎に熱伝導率を計算し、得られた熱伝導率を用いて各部の温度を計算するようにする。   The hydrogen pressure varies greatly with the absorption and release of hydrogen. Therefore, a thermal conductivity calculation subroutine for the MH alloy is prepared, the thermal conductivity is calculated at each time step, and the temperature of each part is calculated using the obtained thermal conductivity.

図8は、熱伝導率測定例を示すが、この測定結果を用いれば、各時間毎の圧力から熱伝導率を設定することができる。MH合金の熱伝導率は、合金充填密度によっても異なる。図は理論的計算結果例を示すが、熱伝導率算定プログラムは、この影響も反映することが可能である。熱解析(ステップS8)で示したサブルーチン(2)はこの図8の水素圧力からMH合金の熱伝導率を単位時間毎に計算するようにする。なお、この熱伝導率の計算について、初期計算ステップにおいて、圧力は入力された初期値を用い、その後のステップにおいては、ステップ毎に修正された圧力を用いる。
(水素移動解析:ステップS9)
水素移動解析は、熱伝導解析に用いた分割要素を用いて解析する。図9はこの水素移動解析を行うための基本モデルを示す説明図である。この解析にはサブルーチン(3)を用いる。具体的には1)熱解析した各点の温度及び水素量からPCT線図に基づいて水素圧力を算出する。そして2)各点の水素圧力から要素間の圧力差及び平均圧力を求め、この値から要素内に流入する水素流速を求める。なお、計算の初期ステップにおいては、初期水素量を初期値として入力することができるが、サブルーチン(1)を用いて計算された初期水素量を用いるようにすると、入力する手間が省けて便利である。
FIG. 8 shows an example of measurement of thermal conductivity. If this measurement result is used, the thermal conductivity can be set from the pressure for each time. The thermal conductivity of the MH alloy varies depending on the alloy packing density. The figure shows an example of theoretical calculation results, but the thermal conductivity calculation program can also reflect this effect. In subroutine (2) shown in the thermal analysis (step S8), the thermal conductivity of the MH alloy is calculated for each unit time from the hydrogen pressure in FIG. Regarding the calculation of the thermal conductivity, in the initial calculation step, the input initial value is used as the pressure, and in the subsequent steps, the pressure corrected for each step is used.
(Hydrogen transfer analysis: Step S9)
The hydrogen transfer analysis is performed using the segmentation elements used in the heat conduction analysis. FIG. 9 is an explanatory diagram showing a basic model for performing this hydrogen transfer analysis. Subroutine (3) is used for this analysis. Specifically, 1) The hydrogen pressure is calculated based on the PCT diagram from the temperature and the hydrogen amount at each point subjected to the thermal analysis. 2) The pressure difference between the elements and the average pressure are obtained from the hydrogen pressure at each point, and the hydrogen flow velocity flowing into the element is obtained from these values. In the initial step of the calculation, the initial hydrogen amount can be input as an initial value. However, using the initial hydrogen amount calculated using the subroutine (1) is convenient because it saves input. is there.

なお、圧損と水素流速の関係は実験的に求め数式化することによりサブルーチン化することができる。一般的に圧損は流速の2乗に比例するものとして近似することが多いが、MH合金層のような粒子充填層の場合には、層流となるので流速に比例するものと考えられる。   The relationship between the pressure loss and the hydrogen flow rate can be experimentally obtained and converted into a subroutine by formulating it. In general, the pressure loss is often approximated as being proportional to the square of the flow velocity, but in the case of a particle-packed layer such as an MH alloy layer, the pressure loss is considered to be proportional to the flow velocity because it is a laminar flow.

各要素の水素量の増減は、図9(a)に示す各要素について、Fi−Fcを解くことによって得られる。即ち、各点に対する圧力についての差分方程式(図9(c)(d))を解き、各点の圧力差に基づいて水素の流量(Fi:要素への導入水素ガス量、Fc:要素外への放出水素ガス量)を求め、各点間の流量差から増減を算出することができる。なお、各点の圧力については、計算ステップ初期においては、入力された初期値を用い、以降のステップにおいては、直前ステップで求められた値についての差分方程式を解いて求められる。また、水素量は、得られた水素量の増減を初期値に加減算して次ステップの水素量とする。更に、本実施の形態では、各要素への水素導入(放出)量と合金層内圧損との関係を示す圧力損失係数(図9(b))を取り入れ、評価精度をより高めるようにしている。   The increase / decrease in the hydrogen amount of each element is obtained by solving Fi-Fc for each element shown in FIG. That is, the differential equation (FIGS. 9C and 9D) for the pressure at each point is solved, and based on the pressure difference at each point, the hydrogen flow rate (Fi: amount of hydrogen gas introduced into the element, Fc: out of the element). The amount of released hydrogen gas) can be obtained, and the increase or decrease can be calculated from the flow rate difference between the points. Note that the pressure at each point is obtained by using the input initial value in the initial stage of the calculation step and solving the difference equation for the value obtained in the immediately preceding step in the subsequent steps. Further, the amount of hydrogen is obtained by adding or subtracting the obtained increase or decrease of the amount of hydrogen to the initial value to obtain the amount of hydrogen in the next step. Furthermore, in this embodiment, a pressure loss coefficient (FIG. 9B) indicating the relationship between the amount of hydrogen introduced (released) into each element and the pressure loss in the alloy layer is incorporated to further improve the evaluation accuracy. .

こうして、各要素に流入する水素量VH2MHが求まると、その水素量を用いて次式により従って反応熱QMHを求め、その反応熱QMHによる温度変化を求めることができる。 Thus, when the hydrogen amount V H2MH flowing into each element is obtained, the reaction heat Q MH is obtained according to the following equation using the hydrogen amount, and the temperature change due to the reaction heat Q MH can be obtained.

MH=VH2MH/22.42×(±ΔH*
ここで、ΔH*は実験により求められる値であり、+は吸蔵時、−は放出時を示す。
(温度及び水素圧力の修正)
以上のように、反応熱が求まると、それを用いて熱解析で得られた各部の温度を修正すると共に、その修正された温度を用いて、図11に示すPCT線図より水素圧力を求めて、これまでに使用された水素圧力を修正する。なお、図11に示すPCT線図から水素圧力を求めるプログラムはサブルーチン(4)として用いられる。
Q MH = V H2MH /22.42×(±ΔH *)
Here, ΔH * is a value obtained by experiment, + indicates occlusion, and − indicates release.
(Temperature and hydrogen pressure correction)
As described above, when the heat of reaction is obtained, the temperature of each part obtained by the thermal analysis is corrected using the heat, and the hydrogen pressure is obtained from the PCT diagram shown in FIG. 11 using the corrected temperature. To correct the hydrogen pressure used so far. The program for obtaining the hydrogen pressure from the PCT diagram shown in FIG. 11 is used as subroutine (4).

そして、この修正された水素圧力、各部の温度を用いて次の時間ステップにおける計算に進む。   And it progresses to the calculation in the next time step using this corrected hydrogen pressure and the temperature of each part.

なお、本発明による解析は、基本的には、差分法が用いられるが、差分法はその性質上、各点分割が不適当だと発散し易いので、できる限り均等に分割することが重要である。   For the analysis according to the present invention, the difference method is basically used. However, the difference method is likely to diverge if each point division is inappropriate due to its nature. is there.

もし、熱容量の小さい要素が接続される場合には、その部分は定常熱伝導として計算し、不安定要素を取り除く等の工夫が必要である。   If an element with a small heat capacity is connected, the part is calculated as steady heat conduction, and it is necessary to devise measures such as removing unstable elements.

また、解析値に誤差が含まれる可能性があるため、ステップ毎に精度を検証し、誤差が大きくなるようであれば、時間ステップを細かくすることが必要である。   Further, since there is a possibility that an error is included in the analysis value, it is necessary to verify the accuracy for each step, and to make the time step finer if the error becomes large.

本発明の実施の形態における水素供給システムを示す図である。It is a figure which shows the hydrogen supply system in embodiment of this invention. MH合金容器を示す断面図である。It is sectional drawing which shows MH alloy container. MH合金容器における計算モデルを示す図である。It is a figure which shows the calculation model in MH alloy container. 実施の形態における評価装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the evaluation apparatus in embodiment. 実施の形態の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of embodiment. 差分法を適用するためのMH合金容器内の分割の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the division | segmentation in MH alloy container for applying the difference method. 熱伝導解析の基本モデルを示す図である。It is a figure which shows the basic model of heat conduction analysis. 水素圧力とMH合金の熱伝導率を示す図である。It is a figure which shows hydrogen pressure and the heat conductivity of MH alloy. 水素移動を示すための基本モデルを示す図である。It is a figure which shows the basic model for showing hydrogen movement. PCT線図を用いたサブルーチン(1)の計算例を示す図である。It is a figure which shows the example of a calculation of the subroutine (1) using a PCT diagram. PCT線図を用いたサブルーチン(4)の計算例を示す図である。It is a figure which shows the example of a calculation of the subroutine (4) using a PCT diagram.

符号の説明Explanation of symbols

1 MH合金容器、2 温水供給装置、3 冷却水供給装置、4 燃料電池、5 水素供給装置、6A,6B 調節計、11 カプセル容器、12 フィン、13 MH合金、14 通気材、15 熱交換ユニット、21 データ入力部、22 初期水素量算出部、23 熱解析部、24 水素関連パラメータ解析部、25 温度修正部、26 水素圧力修正部、27 時間ステップ設定部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 MH alloy container, 2 Hot water supply apparatus, 3 Cooling water supply apparatus, 4 Fuel cell, 5 Hydrogen supply apparatus, 6A, 6B Controller, 11 Capsule container, 12 Fin, 13 MH alloy, 14 Ventilation material, 15 Heat exchange unit , 21 Data input unit, 22 Initial hydrogen amount calculation unit, 23 Thermal analysis unit, 24 Hydrogen related parameter analysis unit, 25 Temperature correction unit, 26 Hydrogen pressure correction unit, 27 Time step setting unit.

Claims (5)

水素吸蔵合金を用いた水素供給システムの評価装置であって、
水素吸蔵合金を充填した容器の運転シミュレーションを行うために、運転時間に対応する時間を解析を行うための微少な時間間隔に分ける時間ステップ分割手段と、
前記時間ステップ分割手段により分割された時間ステップ毎に、水素移動ゼロと仮定して熱伝導解析を行い、MH容器内の各部の温度に関するパラメータを算出する熱伝導解析手段と、
前記熱伝導解析手段により熱伝導解析を行う同じ時間ステップ毎に、熱伝導ゼロと仮定して水素移動に関するパラメータを算出する水素移動量解析手段と、
前記水素移動量解析手段により解析された水素移動に関するパラメータに基づいて水素反応熱を算出する反応熱算出手段と、
前記反応熱算出手段により算出された反応熱を用いて前記熱伝導解析手段により解析された温度に関するパラメータを修正する温度パラメータ修正手段と、
前記温度修正手段により修正された温度に関するパラメータを用いて、前記水素移動量解析手段により得られた水素移動に関するパラメータを修正する水素パラメータ修正手段と
を備えてなる水素供給システムの評価装置。
An apparatus for evaluating a hydrogen supply system using a hydrogen storage alloy,
In order to perform an operation simulation of the container filled with the hydrogen storage alloy, a time step dividing means for dividing the time corresponding to the operation time into minute time intervals for analyzing,
For each time step divided by the time step dividing means, heat conduction analysis is performed assuming that hydrogen transfer is zero, and heat conduction analysis means for calculating parameters relating to the temperature of each part in the MH container;
For each same time step in which heat conduction analysis is performed by the heat conduction analysis means, a hydrogen transfer amount analysis means for calculating a parameter relating to hydrogen transfer assuming that heat conduction is zero, and
Reaction heat calculation means for calculating the heat of hydrogen reaction based on the parameters relating to hydrogen movement analyzed by the hydrogen movement amount analysis means;
A temperature parameter correcting means for correcting a parameter relating to the temperature analyzed by the heat conduction analyzing means using the reaction heat calculated by the reaction heat calculating means;
An evaluation apparatus for a hydrogen supply system, comprising: a hydrogen parameter correcting unit that corrects a parameter related to hydrogen transfer obtained by the hydrogen transfer amount analyzing unit using a parameter related to the temperature corrected by the temperature correcting unit.
請求項1に記載の水素供給システムの評価装置において、
前記水素移動量解析手段により解析された水素移動に関するパラメータには、水素圧力と水素移動量が含まれ、
前記水素パラメータ修正手段により修正される水素移動に関するパラメータには、水素圧力が含まれることを特徴とする水素供給システムの評価装置。
In the hydrogen supply system evaluation apparatus according to claim 1,
The hydrogen transfer parameters analyzed by the hydrogen transfer amount analysis means include hydrogen pressure and hydrogen transfer amount,
The hydrogen supply system evaluation apparatus, wherein the hydrogen parameter is corrected by the hydrogen parameter correcting means, and the hydrogen pressure is included in the parameter.
請求項2に記載の水素供給システムの評価装置において、
前記水素圧力と水素移動量との関係に圧力損失係数が導入されることを特徴とする水素供給システムの評価装置。
The evaluation apparatus for a hydrogen supply system according to claim 2,
An apparatus for evaluating a hydrogen supply system, wherein a pressure loss coefficient is introduced into a relationship between the hydrogen pressure and a hydrogen transfer amount.
水素吸蔵合金を用いた水素供給システムの評価方法であって、
水素吸蔵合金を充填した容器の運転シミュレーションを行うために、運転時間に対応する時間を解析を行うための微少な時間間隔に分ける時間ステップ分割ステップと、
前記時間ステップ分割ステップにより分割された時間ステップ毎に、水素移動ゼロと仮定して熱伝導解析を行い、MH容器内の各部の温度に関するパラメータを算出する熱伝導解析ステップと、
前記熱伝導解析ステップにより熱伝導解析を行う同じ時間ステップ毎に、熱伝導ゼロと仮定して水素移動に関するパラメータを算出する水素移動量解析ステップと、
前記水素移動量解析ステップにより解析された水素移動に関するパラメータに基づいて水素反応熱を算出する反応熱算出ステップと、
前記反応熱算出ステップにより算出された反応熱を用いて前記熱伝導解析ステップにより解析された温度に関するパラメータを修正する温度パラメータ修正ステップと、
前記温度修正ステップにより修正された温度に関するパラメータを用いて、前記水素移動量解析ステップにより得られた水素移動に関するパラメータを修正する水素パラメータ修正ステップと
を備えてなる水素供給システムの評価方法。
A method for evaluating a hydrogen supply system using a hydrogen storage alloy,
In order to perform an operation simulation of the container filled with the hydrogen storage alloy, a time step dividing step for dividing the time corresponding to the operation time into minute time intervals for analyzing,
For each time step divided by the time step dividing step, a heat conduction analysis is performed assuming that hydrogen transfer is zero, and a parameter relating to the temperature of each part in the MH container is calculated.
For each same time step in which heat conduction analysis is performed by the heat conduction analysis step, a hydrogen transfer amount analysis step for calculating a parameter relating to hydrogen transfer on the assumption that heat conduction is zero, and
A reaction heat calculation step for calculating a heat of hydrogen reaction based on a parameter relating to hydrogen transfer analyzed in the hydrogen transfer amount analysis step;
A temperature parameter correction step of correcting a parameter relating to the temperature analyzed by the heat conduction analysis step using the reaction heat calculated by the reaction heat calculation step;
A hydrogen parameter correcting step for correcting a parameter relating to hydrogen transfer obtained by the hydrogen transfer amount analyzing step using a parameter related to temperature corrected by the temperature correcting step.
水素吸蔵合金を用いた水素供給システムの評価方法をコンピュータに実行させる水素供給システムの評価プログラムであって、
水素吸蔵合金を充填した容器の運転シミュレーションを行うために、運転時間に対応する時間を解析を行うための微少な時間間隔に分ける時間ステップ分割ステップと、
前記時間ステップ分割ステップにより分割された時間ステップ毎に、水素移動ゼロと仮定して熱伝導解析を行い、MH容器内の各部の温度に関するパラメータを算出する熱伝導解析ステップと、
前記熱伝導解析ステップにより熱伝導解析を行う同じ時間ステップ毎に、熱伝導ゼロと仮定して水素移動に関するパラメータを算出する水素移動量解析ステップと、
前記水素移動量解析ステップにより解析された水素移動に関するパラメータに基づいて水素反応熱を算出する反応熱算出ステップと、
前記反応熱算出ステップにより算出された反応熱を用いて前記熱伝導解析ステップにより解析された温度に関するパラメータを修正する温度パラメータ修正ステップと、
前記温度修正ステップにより修正された温度に関するパラメータを用いて、前記水素移動量解析ステップにより得られた水素移動に関するパラメータを修正する水素パラメータ修正ステップと
をコンピュータに実行させる水素供給システムの評価プログラム。
A hydrogen supply system evaluation program for causing a computer to execute a hydrogen supply system evaluation method using a hydrogen storage alloy,
In order to perform an operation simulation of the container filled with the hydrogen storage alloy, a time step dividing step for dividing the time corresponding to the operation time into minute time intervals for analyzing,
For each time step divided by the time step dividing step, a heat conduction analysis is performed assuming that hydrogen transfer is zero, and a parameter relating to the temperature of each part in the MH container is calculated.
For each same time step in which heat conduction analysis is performed by the heat conduction analysis step, a hydrogen transfer amount analysis step for calculating a parameter relating to hydrogen transfer on the assumption that heat conduction is zero, and
A reaction heat calculation step for calculating a heat of hydrogen reaction based on a parameter relating to hydrogen transfer analyzed in the hydrogen transfer amount analysis step;
A temperature parameter correction step of correcting a parameter relating to the temperature analyzed by the heat conduction analysis step using the reaction heat calculated by the reaction heat calculation step;
A hydrogen supply system evaluation program that causes a computer to execute a hydrogen parameter correction step of correcting a parameter related to hydrogen transfer obtained by the hydrogen transfer amount analysis step using a parameter related to temperature corrected by the temperature correction step.
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