JP2008091329A - Method for evaluating durability of unit cell, device for evaluating durability, program for evaluating durability, and unit cell of fuel cell - Google Patents
Method for evaluating durability of unit cell, device for evaluating durability, program for evaluating durability, and unit cell of fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008091329A JP2008091329A JP2007228183A JP2007228183A JP2008091329A JP 2008091329 A JP2008091329 A JP 2008091329A JP 2007228183 A JP2007228183 A JP 2007228183A JP 2007228183 A JP2007228183 A JP 2007228183A JP 2008091329 A JP2008091329 A JP 2008091329A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- single cell
- durability
- evaluation value
- polymer electrolyte
- electrolyte membrane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、燃料電池の単セルの耐久性を評価する単セルの耐久性評価方法、耐久性評価装置及び耐久性評価プログラム並びに燃料電池の単セルに関する。 The present invention relates to a single cell durability evaluation method, a durability evaluation apparatus, a durability evaluation program, and a fuel cell single cell for evaluating the durability of a single cell of a fuel cell.
固体高分子型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気等の酸素を含有する酸化剤ガスとが電気化学反応することで、水のみを副生物とするクリーンな次世代発電用燃料電池として活発に研究開発が行われているものである。この固体高分子型燃料電池は、円筒型、モノリス型及び平板型の3種の構造が提案されている。これらの構造のうち、低温作動型の固体高分子型燃料電池には平板型が多く採用されている。 The polymer electrolyte fuel cell is a clean next-generation fuel cell that uses only water as a by-product by electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. As a result, research and development is actively underway. For this polymer electrolyte fuel cell, three types of structures of a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type have been proposed. Among these structures, a flat plate type is often adopted for a low temperature operation type polymer electrolyte fuel cell.
ここで、図1に一般的な平板型固体高分子型燃料電池の単セルの構成を示す。高分子型燃料電池の単セル1は、プロトン伝導性の高分子電解質膜10を備え、当該高分子電解質膜10の両側にこれを挟むように板状の電極11a,11bと、板状の導電性セパレータ12a,12bと、環状ガスシール材13a,13bとが設けられて構成される。
Here, FIG. 1 shows a configuration of a single cell of a general flat-type solid polymer fuel cell. A
このような固体高分子型燃料電池では、電池動作時に、特に長時間にわたり作動・停止を繰り返して動作させる時に、高分子電解質膜10が燃料電池の作動時には副生する水を吸水して膨張し、停止時には乾燥して収縮するといった膨張・収縮に伴い、応力(以下、吸水応力と呼ぶ)が発生する。この応力は、電極11a,11bと高分子電解質膜10との接合部分に作用する。当該応力より起こる機械的劣化が、高分子電解質膜10の損傷を引き起こすと推測されている(例えば、下記特許文献1参照)。
In such a polymer electrolyte fuel cell, when the battery is operated, particularly when it is repeatedly operated and stopped for a long time, the
上記の推定機械的劣化を回避するため、例えば下記特許文献2では、高分子電解質膜を中心部と外周部とで異なる性質をもつように加工する方法が提案されている。また、下記特許文献3では、ガス流路のリブ形状を変更する方法が提案されている。更には、下記特許文献4では、弾性をもつ補強材を電極外周部に設置する方法が提案されている。
しかしながら、上記の従来技術はいずれも製造工数、又は部品点数の増加による製造費用の増加につながるという問題点がある。更に、このように燃料電池を構成する部材の改良を燃料電池の耐久性につなげる手法は、実際に燃料電池の単セルを試作し、更に長期の試験を経て耐久性を判定するものであり、多大な試行錯誤を必要とする。そのため、燃料電池の構成に関して、耐久性を評価する方法が望まれていた。しかしながら、上述したような燃料電池の稼動・停止に伴う高分子電解質膜が受ける応力、とりわけ吸水応力を推定して、耐久性を評価する方法はほとんど検討されていなかった。 However, each of the above-described conventional techniques has a problem in that the manufacturing cost increases due to an increase in the number of manufacturing steps or the number of parts. Furthermore, the method of connecting the improvement of the members constituting the fuel cell to the durability of the fuel cell in this way is to actually manufacture a single cell of the fuel cell and determine the durability through a long-term test, It requires a lot of trial and error. Therefore, a method for evaluating the durability of the fuel cell configuration has been desired. However, a method for evaluating durability by estimating the stress received by the polymer electrolyte membrane accompanying the operation / stop of the fuel cell as described above, in particular, the water absorption stress, has hardly been studied.
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池の単セルの耐久性を簡易に評価することができる単セルの耐久性評価方法、耐久性評価装置及び耐久性評価プログラムを提供することを目的とする。更には、当該耐久性評価方法で求められる評価値を特定の範囲にすることにより、高耐久性を有する燃料電池の単セルを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a single cell durability evaluation method, a durability evaluation apparatus, and durability that can easily evaluate the durability of a single cell of a fuel cell. The purpose is to provide an evaluation program. Furthermore, it aims at providing the single cell of the fuel cell which has high durability by making the evaluation value calculated | required with the said durability evaluation method into a specific range.
上記目的を達成するために、本発明に係る単セルの耐久性評価方法は、情報処理装置において、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両側に設けられる2つの板状の電極と、電極にガスを供給するための溝状のガス流路が形成された2つの板状のセパレータと、電極の側面をシールするシール材とを含んで構成される燃料電池の単セルの耐久性を評価する単セルの耐久性評価方法であって、単セルに係るパラメータの入力を受け付ける受付ステップと、受付ステップにおいて受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成ステップと、受付ステップにおいて受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、モデル生成ステップにおいて生成された有限要素モデルにおける高分子電解質膜の水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算ステップと、水分分布計算ステップにおいて計算された水分分布と、受付ステップにおいて受け付けられたパラメータに含まれる高分子電解質膜の吸水線膨張係数及び弾性率とから、高分子電解質膜の各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算ステップと、歪・応力計算ステップにおいて計算された各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算ステップと、相当応力計算ステップにおいて計算された各要素それぞれにおける相当応力から、単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出ステップと、評価値導出ステップにおいて導出された評価値を出力する出力ステップと、を含むことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a durability evaluation method for a single cell according to the present invention includes a polymer electrolyte membrane and two plate-like electrodes provided on both sides of the polymer electrolyte membrane in an information processing device, The durability of a single cell of a fuel cell comprising two plate-like separators each having a groove-like gas flow path for supplying gas to the electrode and a sealing material for sealing the side surface of the electrode. A method for evaluating the durability of a single cell to be evaluated, comprising a reception step for receiving input of parameters relating to the single cell, and a single cell finite element model divided into a plurality of elements based on the parameters received in the reception step The model generation step for generating the finite number generated in the model generation step based on the boundary condition of the moisture distribution included in the parameter received in the reception step Moisture distribution calculation step for calculating the moisture distribution of the polymer electrolyte membrane in the elementary model by the finite element method, the moisture distribution calculated in the moisture distribution calculation step, and the polymer electrolyte membrane included in the parameters accepted in the acceptance step The strain / stress calculation step of calculating the strain and stress of each element of the polymer electrolyte membrane by the finite element method from the water absorption linear expansion coefficient and the elastic modulus of each, and each element calculated in the strain / stress calculation step From the stress at, the equivalent stress calculation step for calculating the equivalent stress at each element concerned, and the evaluation value for evaluating the durability of the single cell from the equivalent stress at each element calculated at the equivalent stress calculation step And the evaluation value derived in the evaluation value deriving step Characterized by comprising an output step of, a.
本発明に係る単セルの耐久性評価方法は、入力された情報から評価対象の単セルに係る有限要素モデルを生成する。耐久性評価方法は、生成された有限要素モデルにおける水分分布を計算して、当該水分分布に基づいて高分子電解質膜に発生する相当応力を計算する。耐久性評価方法は、計算された相当応力から評価値を導出する。即ち、本発明に係る単セルの耐久性評価方法によれば、単セルの水分分布に応じた応力、即ち吸水応力を考慮して燃料電池の単セルの耐久性を評価することができる。また、本発明に係る単セルの耐久性評価方法によれば、情報処理装置において評価を行うことができ、実際に単セルを作成して評価を行う必要がないので、簡易に単セルの耐久性を評価することができる。 The single cell durability evaluation method according to the present invention generates a finite element model related to an evaluation target single cell from input information. In the durability evaluation method, the moisture distribution in the generated finite element model is calculated, and the equivalent stress generated in the polymer electrolyte membrane is calculated based on the moisture distribution. In the durability evaluation method, an evaluation value is derived from the calculated equivalent stress. That is, according to the durability evaluation method for a single cell according to the present invention, the durability of the single cell of the fuel cell can be evaluated in consideration of the stress corresponding to the moisture distribution of the single cell, that is, the water absorption stress. Further, according to the method for evaluating durability of a single cell according to the present invention, evaluation can be performed in an information processing apparatus, and it is not necessary to actually create and evaluate a single cell. Sex can be evaluated.
また、本願発明者は、鋭意研究の末、非有効発電領域における、一定以上の応力が発生する範囲により単セルの耐久性を評価できることを見出し、上記の評価方法において、適切に単セルの耐久性を評価しうる評価値を創出した。即ち、評価値導出ステップにおいて、相当応力計算ステップにおいて相当応力が計算された要素のうち高分子電解質膜における電気反応に係る有効発電領域の要素の相当応力の平均値Savを導出して、設定される1以上の係数cに対して、相当応力がc×Sav以上となる高分子電解質膜における有効発電領域以外の非有効発電領域の要素を抽出して、当該抽出された要素の合計体積Vzの値から予め設定された計算式により評価値を導出することが望ましい。より具体的には、評価値導出ステップにおいて、合計体積Vz、高分子電解質膜の体積V0、高分子電解質膜における有効発電領域の体積Vy及び高分子電解質膜の厚さdの値から、式1により導出されるα及び式2により導出されるβを評価値とすることを特徴とする請求項2に記載の単セルの耐久性評価方法。
係数cは、1.2であることが望ましい。この構成によれば、より適切な耐久性の評価が可能になる。なお、上記の数値は、本願発明者により経験的に得られた値である。 The coefficient c is preferably 1.2. According to this configuration, more appropriate durability can be evaluated. In addition, said numerical value is a value obtained empirically by this inventor.
モデル生成ステップにおいて、セパレータに形成されたガス流路に節点を有する有限要素モデルを生成することが望ましい。この構成によれば、溝に接する高分子電解質膜の要素の歪を高精度に計算できるので、より高精度な耐久性の評価が可能になる。 In the model generation step, it is desirable to generate a finite element model having a node in the gas flow path formed in the separator. According to this configuration, since the strain of the element of the polymer electrolyte membrane in contact with the groove can be calculated with high accuracy, it is possible to evaluate durability with higher accuracy.
相当応力計算ステップにおいて、ミゼスの相当応力の式を用いて、相当応力を計算することが望ましい。この構成によれば、簡便に耐久性を評価することができる。 In the equivalent stress calculation step, it is desirable to calculate the equivalent stress using the Mises equivalent stress formula. According to this configuration, durability can be easily evaluated.
単セルの耐久性評価方法は、評価値導出ステップにおいて導出された評価値が収束しているか否か判断して、収束していると判断されたら当該評価値を出力ステップにおいて出力させ、収束してないと判断されたら、単セルの有限要素モデルの要素の節点数を変更して再度、当該有限要素モデルを生成させて、評価値を導出させる収束判断ステップを更に含むことが望ましい。この構成によれば、単セルの有限要素モデルの節点数が適切な値で、評価のための計算が行われるので、更に適切な耐久性の評価が可能になる。 The single-cell durability evaluation method determines whether or not the evaluation value derived in the evaluation value deriving step has converged. If it is determined that the evaluation value has converged, the evaluation value is output in the output step and converged. If it is determined that there is not, it is preferable to further include a convergence determining step of changing the number of nodes of the element of the single cell finite element model, generating the finite element model again, and deriving an evaluation value. According to this configuration, the number of nodes of the single-cell finite element model is an appropriate value, and the calculation for evaluation is performed. Therefore, it is possible to further evaluate durability.
単セルの耐久性評価方法は、評価値導出ステップにおいて導出された評価値が予め設定した終了条件を満足するか否かを判断して、満足していると判断されたら当該評価値を出力ステップにおいて出力させ、満足してないと判断されたら、当該評価値導出に係るパラメータとは異なるパラメータに基づいて再度、当該有限要素モデルを生成させて、評価値を導出させる条件判断ステップを更に含むことが望ましい。この構成によれば、所定の耐久性を有する単セルのパラメータを知ることができるので、単セルの設計により役立てることができる。 The single cell durability evaluation method determines whether or not the evaluation value derived in the evaluation value deriving step satisfies a preset end condition, and outputs the evaluation value when it is determined that the evaluation value is satisfied. A condition determination step of generating the finite element model again based on a parameter different from the parameter for deriving the evaluation value and deriving the evaluation value if it is determined that the evaluation value is not satisfied. Is desirable. According to this configuration, since the parameters of a single cell having a predetermined durability can be known, it can be used for the design of the single cell.
ところで、本発明は、上記のように単セルの耐久性評価方法の発明として記述できる他に、以下のように単セルの耐久性評価装置及び耐久性評価プログラムの発明としても記述することができる。これはカテゴリ等が異なるだけで、実質的に同一の発明であり、同様の作用及び効果を奏する。 By the way, the present invention can be described as an invention of a single cell durability evaluation method as described above, and can also be described as an invention of a single cell durability evaluation apparatus and a durability evaluation program as follows. . This is substantially the same invention only in different categories and the like, and has the same operations and effects.
即ち、本発明に係る単セルの耐久性評価装置は、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両側に設けられる2つの板状の電極と、電極にガスを供給するための溝状のガス流路が形成された2つの板状のセパレータと、電極の側面をシールするシール材とを含んで構成される燃料電池の単セルの耐久性を評価する単セルの耐久性評価装置であって、単セルに係るパラメータの入力を受け付ける受付手段と、受付手段により受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成手段と、受付手段により受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、モデル生成手段により生成された有限要素モデルにおける高分子電解質膜の水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算手段と、水分分布計算手段により計算された水分分布と、受付手段により受け付けられたパラメータに含まれる高分子電解質膜の吸水線膨張係数及び弾性率とから、高分子電解質膜の各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算手段と、歪・応力計算手段により計算された各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算手段と、相当応力計算手段により計算された各要素それぞれにおける相当応力から、単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出手段と、評価値導出手段により導出された評価値を出力する出力手段と、を備えることを特徴とする。 That is, the single-cell durability evaluation apparatus according to the present invention includes a polymer electrolyte membrane, two plate-like electrodes provided on both sides of the polymer electrolyte membrane, and a groove-like shape for supplying gas to the electrodes. A single cell durability evaluation apparatus for evaluating the durability of a single cell of a fuel cell including two plate-like separators in which gas flow paths are formed and a sealing material for sealing a side surface of an electrode. A receiving unit that receives input of parameters relating to the single cell, a model generating unit that generates a finite element model of a single cell divided into a plurality of elements based on the parameters received by the receiving unit, and a receiving unit Based on the boundary condition of the moisture distribution included in the accepted parameters, the moisture distribution of the polymer electrolyte membrane in the finite element model generated by the model generating means is calculated by the finite element method. Each element of the polymer electrolyte membrane is calculated from the moisture distribution calculating means, the moisture distribution calculated by the moisture distribution calculating means, and the water absorption linear expansion coefficient and elastic modulus of the polymer electrolyte membrane included in the parameters accepted by the accepting means. Strain / stress calculation means for calculating each strain and stress by the finite element method, and equivalent stress calculation means for calculating the equivalent stress in each element from the stress in each element calculated by the strain / stress calculation means And an evaluation value deriving means for deriving an evaluation value for evaluating the durability of the single cell from the equivalent stress in each element calculated by the equivalent stress calculating means, and an evaluation value derived by the evaluation value deriving means. Output means for outputting.
また、情報処理装置に、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両側に設けられる2つの板状の電極と、電極にガスを供給するための溝状のガス流路が形成された2つの板状のセパレータと、電極の側面をシールするシール材とを含んで構成される燃料電池の単セルの耐久性を評価する処理をさせる単セルの耐久性評価プログラムであって、情報処理装置に、単セルに係るパラメータの入力を受け付ける受付処理と、受付処理により受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成処理と、受付処理により受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、モデル生成処理により生成された有限要素モデルにおける高分子電解質膜の水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算処理と、水分分布計算処理により計算された水分分布と、受付処理により受け付けられたパラメータに含まれる高分子電解質膜の吸水線膨張係数及び弾性率とから、高分子電解質膜の各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算処理と、歪・応力計算処理により計算された各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算処理と、相当応力計算処理により計算された各要素それぞれにおける相当応力から、単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出処理と、評価値導出処理により導出された評価値を出力する出力処理と、を実行させることを特徴とする。 Further, the information processing apparatus is provided with a polymer electrolyte membrane, two plate-like electrodes provided on both sides of the polymer electrolyte membrane, and a groove-like gas flow path for supplying gas to the electrodes 2 A single cell durability evaluation program for performing a process for evaluating the durability of a single cell of a fuel cell comprising two plate-like separators and a sealing material that seals the side surfaces of an electrode, and an information processing apparatus A reception process that receives input of parameters relating to a single cell, a model generation process that generates a finite element model of a single cell divided into a plurality of elements based on the parameters received by the reception process, and a reception process Based on the boundary condition of the moisture distribution included in the accepted parameters, the moisture distribution of the polymer electrolyte membrane in the finite element model generated by the model generation process is calculated using the finite element method. From the moisture distribution calculation process calculated by the calculation, the moisture distribution calculated by the moisture distribution calculation process, and the water absorption linear expansion coefficient and elastic modulus of the polymer electrolyte membrane included in the parameters received by the receiving process, the polymer electrolyte membrane The equivalent stress of each element is calculated from the strain / stress calculation process that calculates the strain and stress of each element of the above by the finite element method and the stress of each element calculated by the strain / stress calculation process. Derived by the stress calculation process, the evaluation value deriving process for deriving the evaluation value for evaluating the durability of the single cell from the equivalent stress in each element calculated by the equivalent stress calculating process, and the evaluation value deriving process And an output process for outputting an evaluation value.
本発明に係る燃料電池の単セルは、高分子電解質膜と、当該高分子電解質膜の両側に設けられる2つの板状の電極と、電極にガスを供給するための溝状のガス流路が形成された2つの板状のセパレータと、電極の側面をシールするシール材とを含んで構成される燃料電池の単セルであって、係数cを、1.2とした上記の単セルの耐久性評価方法による評価値として、αが0[mm2]以上で50.0[mm2]以下の範囲にあり、かつβが0以上で0.01以下の範囲にあることを特徴とする。上記の単セルは吸水応力に伴う機械劣化を著しく抑制することを可能とできるため、高耐久性の単セルとなり得る。 A single cell of a fuel cell according to the present invention includes a polymer electrolyte membrane, two plate-like electrodes provided on both sides of the polymer electrolyte membrane, and a groove-like gas flow path for supplying gas to the electrodes. A single cell of a fuel cell including two formed plate-shaped separators and a sealing material for sealing the side surface of the electrode, and the durability of the single cell having a coefficient c of 1.2 The evaluation value according to the property evaluation method is characterized in that α is in the range of 0 [mm 2 ] to 50.0 [mm 2 ] and β is in the range of 0 to 0.01. Since the above single cell can remarkably suppress the mechanical deterioration due to water absorption stress, it can be a highly durable single cell.
本発明によれば、高分子電解質膜の水分分布に応じた応力、即ち吸水応力を考慮して燃料電池の単セルの耐久性を評価することができる。また、本発明によれば、情報処理装置において評価を行うことができ、実際に単セルを作成して評価を行う必要がないので、簡易に単セルの耐久性を評価することができる。更には、本発明によれば、高耐久性を有する燃料電池の単セルを提供することができる。 According to the present invention, the durability of a single cell of a fuel cell can be evaluated in consideration of a stress corresponding to the moisture distribution of the polymer electrolyte membrane, that is, a water absorption stress. Further, according to the present invention, the evaluation can be performed in the information processing apparatus, and it is not necessary to actually create and evaluate the single cell, so that the durability of the single cell can be easily evaluated. Furthermore, according to the present invention, a single cell of a fuel cell having high durability can be provided.
以下、図面とともに本発明に係る単セルの耐久性評価方法、耐久性評価システム及び耐久性評価プログラムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of a single cell durability evaluation method, a durability evaluation system, and a durability evaluation program according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
まず、本実施形態に係る耐久性評価方法の評価対象となる単セルについて説明する。なお、本実施形態に係る耐久性評価方法は、情報処理装置における方法であるので、実際に単セルを用いる必要はない。図1に本実施形態に係る評価方法の対象となる、平板型固体高分子型燃料電池の単セル1の構成を示す。上述したように、単セル1は、高分子電解質膜10と、電極11a,11bと、導電性セパレータ12a,12bと、環状ガスシール材13a,13bとを含んで構成されている。
First, a single cell to be evaluated by the durability evaluation method according to the present embodiment will be described. In addition, since the durability evaluation method according to the present embodiment is a method in an information processing apparatus, it is not necessary to actually use a single cell. FIG. 1 shows a configuration of a
高分子電解質膜10は、イオン交換基を有する高分子を主成分として有するものである。このようなイオン交換基を有する高分子としては、ナフィオン(登録商標、デュポン製)に例示されるスルホン酸基を有するフルオロカーボンポリマー、あるいは耐熱性に優れる芳香族ポリマーにスルホン酸基を導入したポリマー等がある。このような高分子は、通常、イオン交換容量は、0.2〜4meq/gである。
The
電極11a,11bの一方は燃料極(アノード)であり、もう一方は空気極(カソード)である。電極11a,11bは、通常、ガス拡散層と触媒反応層とが積層するように構成される。触媒反応層は、高分子電解質膜10の主面に密着するように形成されている。ガス拡散層としては、多孔性のカーボン不織布やカーボンペーパー等が用いられる。触媒反応層は通常、白金微粒子等の触媒成分が活性炭や黒鉛等の粒子状又は繊維状のカーボンに担持されたものと、高分子電解質とを主成分とする層である。
One of the
高分子電解質膜10とそれを挟んだ一対の電極11a,11bとを予め一体化させたものは、通常、MEGAと呼ばれる。環状ガスシール材13a,13bは、電池組立後に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスが外部に漏れ出したり、2種類のガスが互いに混合したりしないように、MEGAの周囲に配設されMEGAをシールする。環状ガスシール材13a,13bは、通常、ゴム弾性体からなり、シリコンゴムやフッ素樹脂ゴム等が使用される。
An assembly in which the
また、MEGAの両面には、MEGAを機械的に固定すると共に隣接したMEGA同士を互いに電気的に直列接続するための、導電性を有するセパレータ12a,12bが配置される。導電性セパレータ12a,12bのMEGAと接触する部分には、電極面に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るための溝状のガス流路が形成されている。ガス流路は導電性セパレータ12a,12bとは別部品として設けることもできるが、導電性セパレータ12a,12bの材料に応じて表面を切削、あるいはプレス加工する等して、当該導電性セパレータ12a,12bの表面に溝やリブを設けてガス流路とする方法が一般的である。セパレータ12a,12bには、それぞれに形成された溝にガスを供給して排気するためにマニホールド14a,14bが設けられている。また、セパレータ12a,12b及びガスシール材13a,13bには、MEGAを挟持するために、ボルトで締結できるような貫通口が設けられることもある。セパレータ12a,12bは、カーボン材料又は金属材料等、導電性材料を形成して得られる。
On both sides of the MEGA,
図2にセパレータ12a,12bの電極11a,11bに接する面を示す。図2(A)は、ガス流路21が蛇行しているタイプ、図2(B)は、ガス流路21が並行に延びているタイプである。図2においてガス流路21の外周縁22に囲まれた部分は、電極11a,11bに接しており、この部分において燃料ガス又は酸化剤ガスが提供される。また、外周縁22に囲まれた部分のガス流路21には、ガスを提供するためにマニホールド14から溝23が設けられている。
FIG. 2 shows surfaces of the
本発明では、平面型燃料電池の単セル1の構成要素の中で主に吸水応力が発生する高分子電解質膜10において、電気反応に係る有効発電領域と、有効発電領域以外の非有効発電領域とを設定する。図3に、高分子電解質膜10の主面を示す。高分子電解質膜10において、外周縁24で囲まれた部分は、電極11に接する領域である。この領域を有効発電領域とする。また、高分子電解質膜10において、外周縁24で囲まれた部分の外側の部分は、電極11に接していない領域であり、この領域を非有効発電領域とする。通常の平面型燃料電池では、高分子電解質膜10の面において、2つの電極11a,11bが接する領域は、それぞれ同様の領域となる。しかし、同様の領域とならない場合は、空気極が接する領域を優先させて用いる。なお、有効発電領域の内側の外周縁25で囲まれた部分は、上述したガス流路21に囲まれた部分を投影した領域である。
In the present invention, in the
引き続いて本実施形態に係る単セル1の耐久性評価装置について説明する。図4に本実施形態に係る単セル1の耐久性評価装置30を示す。単セル1の耐久性の評価は、耐久性評価装置30において、単セル1の耐久性評価方法が実行されることにより行われる。耐久性評価装置30たる情報処理装置は、具体的には、ワークステーションやPC(Personal Computer)等が相当する。耐久性評価装置30は、例えばCPU(Central Processing Unit)やメモリ等のハードウェアにより構成されており、これらの構成要素がプログラム等により動作することにより後述する耐久性評価装置30としての機能が発揮される。
Subsequently, the durability evaluation apparatus for the
本発明では、単セル1の有限要素モデルの生成と、有限要素法による計算とを行う必要があるが、本実施形態においてこれらは既存の方法及びプログラムを用いることができる。例えば、有限要素モデルの生成には、汎用有限要素作成ソフトであるSDRC/FEMAPを用いることができる。また、有限要素法による計算は、有限要素法プログラムであるNE/Nastran Version7.0(Noran Engineering Inc.製)を用いることができる。
In the present invention, it is necessary to generate a finite element model of the
図4に示すように、単セル1の耐久性評価装置30は、受付部31と、モデル生成部32と、水分分布計算部33と、歪・応力計算部34と、相当応力計算部35と、評価値導出部36と、出力部37と、判断部38とを備えて構成される。また、耐久性評価装置30は、入力装置40と接続されており、入力装置40から情報が入力される。
As shown in FIG. 4, the
受付部31は、単セル1に係るパラメータの入力を受け付ける受付手段である。パラメータの入力は入力装置40から行われる。但し、パラメータの入力は外部の装置から行われる必要はなく、耐久性評価装置30が予め記憶している情報を入力とすることとしてもよい。単セル1に係るパラメータは、単セル1を構成する部材のサイズ及び形状の情報、高分子電解質膜10の吸水線膨張係数及び弾性率等の部材の材料に係る情報、並びに各部材が結合(ねじ止め)される荷重を含む。また、パラメータは、水分分布の境界条件を含む。境界条件は、例えば、吸水率に対する水分濃度が高分子電解質膜10の端部で0.0、高分子電解質膜10のガス流路21を投影した部分で1.0とするものである。なお、ここでの吸水率は、飽和吸水状態、即ち、高分子電解質膜10を水に含浸させて吸水させた状態でのものを指す。また、パラメータは、単セル1の有限要素モデルを生成するために必要な情報、例えば、節点の数や要素の辺の長さの情報を含む。受付部31により受け付けられた各パラメータは、モデル生成部32等に送られ必要に応じて用いられる。
The accepting
モデル生成部32は、受付部31において受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された単セル1の有限要素モデルを生成するモデル生成手段である。モデルの生成は、上述したように既存の方法で行うこととしてよい。
The
この有限要素モデルは、セパレータ12a,12bに形成されたガス流路21に節点を有することが望ましい。ガス流路21は空隙になるのでガス流路21の部分とそれ以外の部分とで圧力差が生じ、電極11a,11bには、型押しされたような力がかかる。従って、有限要素モデルにおいて、図5(A)に示すように、ガス流路21を含む要素の一辺が大きく、流路部分に節点26を持たなければ、流路部分で歪む効果をモデル上表現できないことになるので、高精度な応力の計算ができない。
This finite element model desirably has a node in the
よって例えば、図5(B)に示すように、要素の一辺を流路の幅の少なくとも1/2になるようにし、ガス流路21の部分に節点26を持たせるようにするのが好ましい。また、図5(C)に示したように、要素の一辺は大きいが中間節点26をガス流路21の部分に持たせるようにしてもよい。但し、ガス流路21が十分に細かく大きな影響がない場合は、必ずしも節点26をガス流路21の部分に設けなくてもよい。
Therefore, for example, as shown in FIG. 5B, it is preferable that one side of the element is at least 1/2 of the width of the flow path, and a
有限要素モデルの節点及び要素については、例えば、高分子電解質膜10の部分は領域を区切り、電極11a,11bのガス流路21に接する部分は上記の条件で設定するのがよい。生成された有限要素モデルは、下記の各構成要素による計算に用いられる。
For the nodes and elements of the finite element model, for example, the portion of the
水分分布計算部33は、受付部31により受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、モデル生成部32において生成された有限要素モデルにおける水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算手段である。計算についてより具体的には後述する。計算された水分分布の情報は歪・応力計算部34に送信される。
The moisture
歪・応力計算部34は、水分分布計算部33により計算された水分分布と、受付部31により受け付けられたパラメータに含まれる高分子電解質膜10の吸水線膨張係数及び弾性率とから、高分子電解質膜10の各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算手段である。計算についてより具体的には後述する。計算された各要素それぞれの応力は相当応力計算部35に送信される。
The strain /
相当応力計算部35は、歪・応力計算部34により計算された各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算手段である。相当応力とは、テンソル量である応力から計算される方向性をもたないスカラー量を指す。相当応力の計算は、歪・応力計算部34により計算された応力が通常、テンソル量であることから、後段の応力の値を用いる評価値の導出のための計算を容易にするためにするものである。計算された各要素それぞれの相当応力は評価値導出部36に送信される。
The equivalent
評価値導出部36は、相当応力計算部35により計算された各要素それぞれにおける相当応力から、単セル1の耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出手段である。評価値は、高分子電解質膜10の非有効発電領域における一定以上の応力が発生する範囲を示す値から予め設定された計算式により導出される。評価値及びその導出についてより具体的には後述する。導出された評価値は、出力部37又は判断部38に送信される。
The evaluation
出力部37は、評価値導出部36により導出された評価値を出力する出力手段である。出力は例えば、耐久性評価装置30が備える表示装置(図示せず)に対して行われる。この出力により、単セル1の耐久性の評価結果がユーザにより参照される。また、評価結果をより分かりやすく示すために、評価値と共に応力のグラフ等の出力を行ってもよい。また、出力は必ずしも表示装置に対して行われる必要は無く、別の装置に対して行われてもよい。
The
判断部38は、単セル1の耐久性の評価の一連の処理の繰り返しを行うか否かを判断する手段である。具体的には、判断部38は、評価値導出部36により導出された評価値が収束しているか否か判断して、収束してないと判断されたら有限要素モデルの要素の節点数を変更してモデル生成部32に対して再度、有限要素モデルを生成させて、評価値を導出させる収束判断手段である。判断部38は、収束していると判断している場合には、評価値を出力部37に出力させる。
The
また、判断部38は、評価値導出部36により導出された評価値が予め設定した終了条件を満足するか否かを判断して、満足してないと判断されたら、当該評価値導出に係るパラメータとは異なるパラメータに基づいてモデル生成部32に対して再度、有限要素モデルを生成させて、評価値を導出させる条件判断手段である。判断部38は、満足していると判断している場合には、評価値を出力部37に出力させる。判断部38の処理については、より詳細に後述する。
Further, the
入力装置40は、ユーザにより用いられる、耐久性評価装置30に情報を入力するための装置である。具体的には、キーボード等の装置が相当する。
The
引き続いて、図6〜図8のフローチャートを用いて、本実施形態に係る単セル1の耐久性評価方法(耐久性評価装置30において実行される処理)を説明する。まず、当該耐久性評価方法の基本的な処理を第1実施形態の処理として説明して、続いて図7及び図8を用いて、より実際的な処理について、第2及び第3実施形態の処理として説明する。
Subsequently, the durability evaluation method of the
[第1実施形態]
耐久性評価方法においてはまず、ユーザが入力装置40を用いて、耐久性評価装置30に対して評価対象の単セル1に係るパラメータの入力を行う。ここでは、パラメータがユーザにより直接入力されてもよいし、予めパラメータを耐久性評価装置30に格納しておきそれをユーザが指定することにより行われてもよい。入力がなされると、耐久性評価装置30では、受付部31によりパラメータが受け付けられる(S01、受付ステップ)。入力が受け付けられたパラメータは、モデル生成部32に送信される。
[First Embodiment]
In the durability evaluation method, first, the user uses the
続いて、モデル生成部32により、上記パラメータに基づいて、複数の要素に分割された単セル1の有限要素モデルが生成される。有限要素モデルの生成は以下のように行われる。まず、単セル1を構成する部材のサイズ及び形状の情報等に基づき、単セル1の構造が設定される(S02、モデル生成ステップ)。続いて、節点の数や要素の辺の長さの情報に基づき、上記設定された単セル1の構造が要素に分割される(S03、モデル生成ステップ)。また、有限要素モデルの設定においては、高分子電解質膜10において有効発電領域と非有効発電領域とが設定される。以降の処理では、このように生成された有限要素モデルを用いて計算が行われる。
Subsequently, the
続いて、水分分布計算部33により、上記パラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、生成された有限要素モデルにおける水分分布が計算される(S04、水分分布計算ステップ)。水分分布の計算は、具体的には以下のように行うことができる。有限要素モデルにおける、高分子電解質膜10の有効発電領域を飽和吸水状態とし、高分子電解質膜10の外縁部を絶乾状態と仮定する。続いて、非有効発電領域における水分分布を外力がない場合の拡散方程式であるFickの第2法則を用いて解く。水分分布の計算はモデル化した全ての領域(セパレータも含む)で行われている。従って、この計算は、系全体で行われている。Fickの第2法則を用いて解く場合には水の拡散係数を用いる。上記の内容は、「岩波理化学辞典第5版,1149ページ,岩波書店,1998年」により詳細に記載されている。この計算により得られる水分分布は、具体的には例えば、各要素における水分が含まれる量(含水量)の情報である。計算された水分分布を示す情報は、歪・応力計算部34に送信される。
Subsequently, the moisture
続いて、歪・応力計算部34により、計算された水分分布と、上記パラメータに含まれる高分子電解質膜10の吸水線膨張係数及び弾性率とから、高分子電解質膜10の各要素それぞれの歪及び応力が計算される(S05、歪・応力計算ステップ)。ここで、吸水線膨張係数は、高分子電解質膜10の主面に沿う方向と厚み方向とで同等であると仮定することとしてもよい。なお、入力ステップにおいて入力される(高分子電解質膜10の主面に沿う方向の)吸水線膨張係数は、予め以下のような実験的手法により求めておくのがよい。80℃の温水に高分子電解質膜10を1時間程度浸漬して吸水膨潤させた後における、当該高分子電解質膜10の一辺の長さLdを測定する。23℃、相対湿度50%において水の吸着が平衡に達したときの一辺の長さLwを測定する。それらの値から、100×(Lw−Ld)/Ldを求め、これを吸水線膨張係数とする。計算された各要素の歪の情報は、相当応力計算部35に送信される。
Subsequently, the strain of each element of the
なお、応力の計算に用いられる弾性率は、予め、高分子電解質膜を吸水膨潤させて引張試験等を行い実験的手法により求めておくのがよい。このとき、引張試験を行った高分子電解質膜10の含水率は、絶乾重量計によって求められる。
Note that the elastic modulus used for the stress calculation is preferably obtained in advance by an experimental method by performing a tensile test or the like after water absorption and swelling of the polymer electrolyte membrane. At this time, the moisture content of the
続いて、相当応力計算部35により、計算された各要素それぞれの応力から、高分子電解質膜10の各要素それぞれにおける相当応力が計算される(S06、応力計算ステップ)。ここで、相当応力の計算は、ミゼスの相当応力の式を用いて行われることが望ましい。応力は本来テンソル量であるので、以下のように9成分からなり、通常、有限要素法によりこれらの成分値として求められる。高分子電解質膜10の主面に沿って互いに直交するx方向、y方向を設定し、厚み方向にx方向、y方向に直交するようにz方向を設定する。各要素において有限要素法による計算により求められるのは、x方向、y方向、z方向それぞれの応力成分σx、σy、σz及びτxy、τyz、τzxである。本実施形態では、下記の(式3)で表されるミゼスの相当応力の式を用いて、スカラー量である相当応力τを求めて、当該相当応力を各要素における相当応力とする。
9成分それぞれを評価するよりも、スカラー量である応力τを用いて評価した方が、簡便かつ確実である。計算された各要素の相当応力の情報は、評価値導出部36に送信される。
Subsequently, the
Rather than evaluating each of the nine components, it is simpler and more reliable to evaluate using the stress τ, which is a scalar quantity. Information on the calculated equivalent stress of each element is transmitted to the evaluation
続いて、評価値導出部36により、計算された各要素それぞれにおける相当応力から、単セル1の耐久性を評価するための評価値が導出される。評価値の導出は、具体的には以下のように行われる。まず、応力が計算された要素のうち、有効発電領域の要素の応力の平均値Savが計算される。続いて、係数cに対して、c×Sav以上となる非有効発電領域の要素が抽出される(S07、評価値導出ステップ)。ここで係数cは、予め定められる1以上の値である。具体的には、係数cは1.2とされるのが望ましい。なお、この具体的数値は、本願発明者により経験的に得られた値であり、より適切な耐久性の評価を可能にする。
Subsequently, the evaluation
続いて、抽出された非有効発電領域の要素の体積の総和Vzが求められる。また、高分子電解質膜の体積V0、高分子電解質膜10における有効発電領域の体積Vy及び高分子電解質膜の厚さdの値が、単セルのパラメータ等から求められる。これらの値から、以下の(式1)及び(式2)により、評価としてα及びβが評価値として導出される(S08、評価値導出ステップ)。
導出された評価値であるα及びβは出力部37に送信される。
Subsequently, the total volume V z of the extracted elements of the ineffective power generation area is obtained. The volume V0 of the polymer electrolyte membrane, the value of the thickness d of the volume V y and the polymer electrolyte membrane of the effective power generation region of the
The derived evaluation values α and β are transmitted to the
続いて、出力部37により、単セル1の耐久性の評価値としてα及びβが出力される(S09、出力ステップ)。
Subsequently, α and β are output as durability evaluation values of the
なお、本願発明者は、α及びβで表される評価値において、αが0[mm2]以上で50.0[mm2]以下の範囲にあり、かつβが0以上で0.01以下の範囲にある単セルは吸水応力に伴う機械劣化を著しく抑制することを可能とできるため、高耐久性の単セルとなり得ることを見出した。なお、α、βを上記の範囲とするには、高分子電解質膜の吸水線膨張係数や弾性率に加え、高分子電解質膜と触媒層の接触面積(有効発電領域)の制御、セパレータのガス流路の形状を変更することでコントロールすることができ、本発明の評価方法によれば、実際に単セルを組み立てて耐久評価試験を行わなくとも、かかるパラメータを入力情報とすることで容易に高度の耐久性を有する単セルを設計できる。なお、α及びβはともに小さい値であるほど、耐久性に優れるため好ましく、特にαは40.0[mm2]以下であるとより好ましく、30.0[mm2]以下であるとさらに好ましく、20.0[mm2]以下であると特に好ましい。また、βは0.008以下であるとより好ましく、0.006以下であるとさらに好ましい。 In addition, in the evaluation value represented by α and β, the inventor of the present application has α in the range of 0 [mm 2 ] or more and 50.0 [mm 2 ] or less, and β is 0 or more and 0.01 or less. It has been found that a single cell in the range of can be a highly durable single cell because it is possible to remarkably suppress mechanical deterioration due to water absorption stress. In addition, in order to make α and β within the above ranges, in addition to the water absorption linear expansion coefficient and elastic modulus of the polymer electrolyte membrane, control of the contact area (effective power generation region) of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer, the gas of the separator It can be controlled by changing the shape of the flow path, and according to the evaluation method of the present invention, it is easy to use such parameters as input information without actually assembling a single cell and conducting a durability evaluation test. A single cell having high durability can be designed. In addition, both α and β are preferably smaller values because they are excellent in durability, and in particular, α is more preferably 40.0 [mm 2 ] or less, and further preferably 30.0 [mm 2 ] or less. 20.0 [mm 2 ] or less is particularly preferable. Further, β is more preferably 0.008 or less, and further preferably 0.006 or less.
なお、上記の評価値導出部36では、単セル1の耐久性の評価値だけでなく単セル1の発電機能の評価値を導出して、出力部37による出力において耐久性の評価値と併せて出力してもよい。例えば、発電機能の評価値は有効発電領域比率=(有効発電領域の面積)/(セパレータの主面の面積)により計算される。この評価値が高いほど、単セル1の発電性能が高いと評価される。
The evaluation
また、高分子電解質膜10は面方向の寸法に対して厚み方向の寸法は著しく小さいことから、要素分割(S03)の際に厚み方向は要素分割しないことで計算を簡便にすることもできる。即ち、高分子電解質膜10に関しては3次元要素分割から2次元要素分割することで計算を簡便にできる。
In addition, since the
上述したように、本実施形態によれば、高分子電解質膜10の水分分布に応じた応力、即ち吸水応力を考慮して燃料電池の単セル1の耐久性を評価することができる。また、本実施形態によれば、情報処理装置である耐久性評価装置30において評価を行うことができ、実際に単セル1を作成して評価を行う必要がないので、簡易に単セル1の耐久性を評価することができる。
As described above, according to the present embodiment, the durability of the
また、本実施形態のようにα及びβを用いることとすれば、上記の評価方法において、適切に単セル1の耐久性を評価することができる。但し、耐久性の評価において、必ずしも評価値としてα及びβを用いなくてもよい。
Further, if α and β are used as in the present embodiment, the durability of the
[第2実施形態]
本実施形態の処理は、評価値の信頼度を高めるための処理を加えたものである。図7に本実施形態の処理のフローチャートを示す。有限要素法の計算を用いて導出される評価値の値は、要素分割(S03)における節点数に応じて変化しうる。本実施形態では、ある一定の節点数を超えても、評価値が実質上変動しない値、即ち、評価値の収束値を求める。
[Second Embodiment]
The process of this embodiment is a process in which a process for increasing the reliability of the evaluation value is added. FIG. 7 shows a flowchart of processing of the present embodiment. The value of the evaluation value derived using the calculation of the finite element method can change according to the number of nodes in the element division (S03). In the present embodiment, even if a certain number of nodes is exceeded, a value that does not substantially change the evaluation value, that is, a convergence value of the evaluation value is obtained.
図7に示すように、パラメータの入力受付(S01)から、評価値の導出(S08)までは、第1実施形態の処理と同様である。評価値が導出されると、判断部38に当該評価値が送信される。判断部38において、評価値が収束しているか否かが判断される(S10、収束判断ステップ)。具体的には、導出された評価値と1つ前の繰り返しの処理で導出された評価値とを比較して、その差が所定の閾値内であれば収束しているとして判断される。
As shown in FIG. 7, the process from the parameter input reception (S01) to the evaluation value derivation (S08) is the same as the process of the first embodiment. When the evaluation value is derived, the evaluation value is transmitted to the
判断部38により、評価値が収束していると判断された場合は、評価値は出力部37に送信され、出力部37により出力される(S09、出力ステップ)。収束していないと判断された場合は、判断部38によりモデル生成部32に対して、単セル1の有限要素モデルの要素の節点数を増加させて(S11、収束判断ステップ)、再度、要素分割を行う(S03、モデル生成ステップ)ように制御がなされる。節点数の増加のさせ方は、例えば、要素の一辺の間隔を1/2にしていくように行われる。モデル生成部32により、要素分割が行われた後は、再度、評価値の導出の一連の処理(S04〜S08)が行われる。
If the
なお、上記の処理で用いられる閾値、節点数の増加のさせ方等の情報については、受付部31により受け付けられるパラメータに含めておいてもよいし、予め耐久性評価装置30により予め記憶されていてよい。上述したように本実施形態によれば、評価値の信頼度を高めることができる。
Information such as the threshold value used in the above processing and how to increase the number of nodes may be included in the parameters received by the receiving
[第3実施形態]
本実施形態の処理は、所定の耐久性を有する単セル1のパラメータを知るための処理である。図8に本実施形態の処理のフローチャートを示す。
[Third Embodiment]
The processing of this embodiment is processing for knowing the parameters of the
図7に示すように、パラメータの入力受付(S01)から、評価値の収束の判断(S10,S11)までは、第2実施形態の処理と同様である。上記の処理が終了すると、判断部38により評価値が予め設定された終了条件を満足しているか否かが判断される(S12、条件判断ステップ)。予め設定された終了条件とは、具体的には例えば、評価値が設定される閾値を下回っているか否か等である。閾値は、燃料電池の稼動寿命等を考慮して例えば、αについては50.0[mm2]、βについては0.01とするのがよい。この値は、本願発明者により経験的に得られたものである。
As shown in FIG. 7, the process from the parameter input reception (S01) to the evaluation value convergence determination (S10, S11) is the same as the process of the second embodiment. When the above process ends, the
判断部38により、終了条件を満足していると判断された場合は、評価値は出力部37に送信され、出力部37により出力される(S09、出力ステップ)。終了条件を満足していないと判断された場合は、判断部38によりモデル生成部32に対して、パラメータの値を変更させて(S12、収束判断ステップ)単セル1の有限要素モデルの構成を再度設定させる(S02、モデル生成ステップ)ように制御がなされる。この変更は、評価値を低減されるように行われることが好ましい。
If the
変更されるパラメータの値は、例えば、弾性率や吸水線膨張係数等の材料の種類を決める定数である。パラメータの変更は、それぞれ上限値、下限値、刻み幅を設定して変更する等により行われる。パラメータの変更は、それ以外でも、ガス流路21の形状を変化させたり、高分子電解質膜10のプロトン伝導に係る高分子電解質のイオン交換基の導入量を低減させたり、高分子電解質膜10を電子線架橋、熱架橋、過酸化物架橋等で架橋させたりするものに対応したものでもよい。また、単セル1を構成する部材の大きさ、形状を変更してもよい。モデル生成部32により、有限要素モデルの設定が行われた後は、再度、評価値の導出の一連の処理(S03〜S08,S10,S11)が行われる。
The parameter value to be changed is, for example, a constant that determines the type of material, such as an elastic modulus and a water absorption coefficient of linear expansion. The parameter is changed by setting and changing an upper limit value, a lower limit value, and a step size, respectively. Other than that, the parameter can be changed by changing the shape of the
なお、上記の処理で用いられる閾値、パラメータの変更のさせ方等の情報については、受付部31により受け付けられるパラメータに含めておいてもよいし、予め耐久性評価装置30により予め記憶されていてよい。
Note that the threshold value used in the above process, information on how to change parameters, and the like may be included in the parameters accepted by the accepting
また、上記の処理においては、上述した発電機能の評価値である有効発電領域比率=(有効発電領域の面積)/(セパレータの主面の面積)を所定値以上に保って行うことが好ましい。即ち、有効発電領域比率が所定値以上となる、パラメータを設定するのが好ましい。本実施形態によれば、所定の耐久性を有するパラメータを知ることができるので、単セル1の設計に役立てることができる。また、発電機能の評価値も考慮することとすれば、燃料電池の稼動寿命と発電効率とを、実用的に両立する単セル1を容易に設計することができる。
Further, in the above-described processing, it is preferable to perform the above-described evaluation value of the power generation function while maintaining the ratio of the effective power generation area = (the area of the effective power generation area) / (the area of the main surface of the separator) at a predetermined value or more. That is, it is preferable to set a parameter such that the effective power generation area ratio is a predetermined value or more. According to the present embodiment, a parameter having a predetermined durability can be known, which can be used for designing the
引き続いて、上述した一連の単セル1の耐久性を評価する処理を情報処理装置に実行させるための単セル1の耐久性評価プログラムを説明する。図8に示すように、単セル1の耐久性評価プログラム51は、情報処理装置が備える記録媒体50に形成されたプログラム格納領域50a内に格納されている。
Subsequently, a durability evaluation program for the
単セル1の耐久性評価プログラム51は、単セル1の耐久性の評価処理を統括的に制御するメインモジュール51aと、受付モジュール51bと、モデル生成モジュール51cと、水分分布計算モジュール51dと、歪・応力計算モジュール51eと、相当応力計算モジュール51fと、評価値導出モジュール51gと、出力モジュール51hとを備えて構成される。上記それぞれを実行させることにより実現される機能は、単セル1の耐久性評価装置30が備える、それぞれのモジュール51b〜51hに対応する各部31〜37の機能と同様である。
The
なお、単セル1の耐久性評価プログラム51は、その一部若しくは全部が、通信回線等の伝送媒体を介して伝送され、他の機器により受信されて記録(インストールを含む)される構成としてもよい。
The
次に本発明を実施例によって更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.
[耐久性評価方法における実施例1、単セルにおける実施例1]
本実施例では、実際に単セル1を作成して耐久性を測定して、本発明に係る耐久性評価方法による評価と比較する。単セル1の作成は、以下のように行った。
[Example 1 in durability evaluation method, Example 1 in single cell]
In this example, the
合成例1(高分子電解質の合成)
(A)ポリエーテルスルホン類の合成
窒素雰囲気下で水酸基末端のポリエーテルスルホン(住友化学工業社製スミカエクセルPES4003P)1000gをN,N−ジメチルアセトアミド(以下DMAcとよぶ)2500mlに溶解させた。更に炭酸カリウム11.0g、デカフルオロビフェニル53.6g、トルエン50mlを加えて80℃で2時間、100℃で1時間反応させた。その後、反応液をメタノールに投入して重合体を析出させて、ろ過、乾燥を行い、ポリエーテルスルホン類(d)を得た。このdは、末端にノナフルオロビフェニルオキシ基が置換したポリエーテルスルホンである。
Synthesis Example 1 (Synthesis of polymer electrolyte)
(A) Synthesis of Polyethersulfone 1000 g of a polyethersulfone having a hydroxyl group (Sumika Excel PES4003P manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) in a nitrogen atmosphere was dissolved in 2500 ml of N, N-dimethylacetamide (hereinafter referred to as DMAc). Further, 11.0 g of potassium carbonate, 53.6 g of decafluorobiphenyl, and 50 ml of toluene were added and reacted at 80 ° C. for 2 hours and at 100 ° C. for 1 hour. Thereafter, the reaction solution was added to methanol to precipitate a polymer, followed by filtration and drying to obtain polyethersulfones (d). This d is a polyethersulfone having a terminal substituted with a nonafluorobiphenyloxy group.
(B)ポリ(2,6−ジフェニルフェニレンエーテル)の合成
無水塩化第一銅2.94g(30.0mmol)とN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン3.51g(30.0mmol)とをクロロベンゼン1500ml中で大気下40℃で60分攪拌した。これに2,2’,6,6’−テトラメチルビスフェノールA17.1g(60.0mmol)と2,6−ジフェニルフェノール148g(600mmol)とを加え、大気下40℃で7時間攪拌した。反応終了後、塩酸を含むメタノール中に注いでポリマーを析出させ、ろ過、乾燥して両末端水酸基のポリ(2,6−ジフェニルフェニレンエーテル)(PE3)を得た。
(B) Synthesis of poly (2,6-diphenylphenylene ether) 2.94 g (30.0 mmol) of anhydrous cuprous chloride and 3.51 g (30.0 mmol) of N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine Were stirred in 1500 ml of chlorobenzene at 40 ° C. for 60 minutes in the atmosphere. To this, 17.1 g (60.0 mmol) of 2,2 ′, 6,6′-tetramethylbisphenol A and 148 g (600 mmol) of 2,6-diphenylphenol were added and stirred at 40 ° C. for 7 hours in the atmosphere. After the completion of the reaction, the polymer was precipitated by pouring into methanol containing hydrochloric acid, filtered and dried to obtain poly (2,6-diphenylphenylene ether) (PE3) having hydroxyl groups at both ends.
(C)ブロック共重合体の合成
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、PE3を160g、炭酸カリウム32g、DMAc3500ml及びトルエン200mlを加え、加熱攪拌してトルエンと水の共沸条件下にて脱水後、トルエンを蒸留除去した。ここに上記dを640g添加し、80℃で5時間、100℃で5時間、120℃で3時間加熱攪拌した。反応液を大量の塩酸酸性メタノールに滴下し、得られた沈殿物をろ過回収し、80℃にて減圧乾燥してブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体600gを98%硫酸6000mlと共に室温下にて攪拌し、均一溶液とした後、更に24時間攪拌を継続した。得られた溶液を大量の氷水中に滴下し、得られた沈殿物をろ過回収した。さらに洗液が中性になるまでイオン交換水によるミキサー洗浄を繰返した後、40℃で減圧乾燥してスルホン化したブロック共重合体を得た。
(C) Synthesis of block copolymer To a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, 160 g of PE3, 32 g of potassium carbonate, 3500 ml of DMAc, and 200 ml of toluene were added, and after stirring and dehydrating under azeotropic conditions of toluene and water Toluene was distilled off. 640g of said d was added here, and it heat-stirred at 80 degreeC for 5 hours, 100 degreeC for 5 hours, and 120 degreeC for 3 hours. The reaction solution was added dropwise to a large amount of hydrochloric acid methanol, and the resulting precipitate was collected by filtration and dried under reduced pressure at 80 ° C. to obtain a block copolymer. After stirring 600 g of the obtained block copolymer together with 6000 ml of 98% sulfuric acid at room temperature to obtain a uniform solution, stirring was further continued for 24 hours. The obtained solution was dropped into a large amount of ice water, and the resulting precipitate was collected by filtration. Further, the mixer washing with ion-exchanged water was repeated until the washing solution became neutral, and then dried at 40 ° C. under reduced pressure to obtain a sulfonated block copolymer.
合成例2(添加剤の合成)
特開2003−238678号公報の実施例に記載された方法により、ホスホン酸が芳香族系高分子に導入された高分子電解質を合成し、添加剤とした。
Synthesis Example 2 (Synthesis of additives)
A polymer electrolyte in which phosphonic acid was introduced into an aromatic polymer was synthesized by the method described in Examples of JP-A-2003-238678, and used as an additive.
電極の作成
Nafion溶液(5wt%、Aldrich社製)5mlに白金を30wt%担持した白金担持カーボン500mgを加え、よく攪拌して触媒層溶液を調整した。この触媒層溶液をスクリーン印刷にてカーボンクロス(E−TEK社製)上に、白金担持密度が0.6mg/cm2になるように塗布し、溶媒を除去してガス拡散層−触媒反応層接合体とした。
Preparation of electrode 500 mg of platinum-supporting carbon carrying 30 wt% of platinum was added to 5 ml of Nafion solution (5 wt%, manufactured by Aldrich), and stirred well to prepare a catalyst layer solution. This catalyst layer solution was applied on a carbon cloth (manufactured by E-TEK) by screen printing so that the platinum carrying density was 0.6 mg / cm 2 , the solvent was removed, and the gas diffusion layer-catalyst reaction layer A joined body was obtained.
高分子電解質膜の製膜
合成例1で得られたブロック共重合体と、合成例2で得られた添加剤とを95:5の量比になるように混合し、更にN−メチルピロリドンに固形分27重量%の濃度になるように溶解し、高分子電解質溶液を得た。ガラス板状に固定したポリエチレン製多孔質膜に、当該高分子電解質溶液を滴下した。ワイヤーコーターを用いて高分子電解溶液を多孔質膜上に均一に塗り広げ、0.3mmクリアランスのバーコーターを用いて塗工厚みをコントロールし、80℃で常圧乾燥した。その後1mol/lの塩酸に浸漬し、更にイオン交換水で洗浄することによってポリエチレン複合高分子電解質膜(高分子電解質膜10)を得た。
Formation of Polymer Electrolyte Membrane The block copolymer obtained in Synthesis Example 1 and the additive obtained in Synthesis Example 2 were mixed at a mass ratio of 95: 5, and further mixed with N-methylpyrrolidone. It melt | dissolved so that it might become a density | concentration of solid content 27 weight%, and obtained the polymer electrolyte solution. The polymer electrolyte solution was dropped onto a polyethylene porous membrane fixed in a glass plate shape. The polymer electrolyte solution was uniformly spread on the porous membrane using a wire coater, the coating thickness was controlled using a bar coater having a clearance of 0.3 mm, and dried at 80 ° C. under normal pressure. Thereafter, it was immersed in 1 mol / l hydrochloric acid and further washed with ion exchange water to obtain a polyethylene composite polymer electrolyte membrane (polymer electrolyte membrane 10).
得られた高分子電解質膜10を、80℃の温水に1時間浸漬して吸水膨潤させた後における吸水飽和膜の一辺の長さをLd1とし、23℃、相対湿度50%において水の吸着が平行に達したとき、上記一辺の長さLw1を測定し、100×(Lw1−Ld1)/Ld1という式から面方向の吸水線膨張係数を求めたところ、6.0%であった。
The obtained
また、当該高分子電解質膜10を上記と同様にして吸水飽和させ、JIS K7127(測定温度80℃、相対湿度50%、測定機;インストロン社製環境制御引張試験機)に基づく引張試験により、弾性率を求めたところ28.94MPaであった。更に、K.D.Kreuer,Journal of Membrane Science,185,p29-39,(2001)のスルホン化ポリエーテルケトン膜の拡散係数と、本実施例で用いた高分子電解質膜の拡散係数がほぼ同等であるとして、1.0×10−9/mm2・secを拡散係数とした。これらの値は、本発明に係る単セル1の耐久性評価方法における、入力のパラメータとして用いられる。
Further, the
平板型燃料電池の単セル1の作成
図9に本実施例で用いた単セル1の断面図を示す。市販のJARIセル(販売:英和株式会社、以下セル1と呼ぶ)を用いた。ここでセル1において、セパレータ12は、MEGAと接する面のサイズが80mm×80mm(図10におけるL1が80mm)で、蛇行状ガス流路21(流路溝1mm)を有するものである。ガス流路21の外縁がなす面積は、52mm×52mm(図10におけるL2が52mm)である。ガスシール材13はシリコーンゴム−ポリエチレンナフタレート−シリコーンゴムの積層体(厚み230μm、8.0cm×8.0cm)であり、中央の58mm×58mm(図10におけるL3が58mm)の領域が切り取られている。このセル1に70mm×70mm(図10におけるL4が70mm)に切り出した上記の固体高分子電解質膜10と、ガスシール材13の穴開き部と同一形状に切り出したガス拡散層−触媒反応層接合体である電極11(上述した高分子電解質膜10と同様の方法で求めた拡散係数は、1.0×10−7/mm2・secであった)を組み込んで単セル1とした(即ち、有効発電領域のサイズを58mm×58mmに設定した)。
9 is a cross-sectional view of the
耐久試験の実施
上記のように作成した単セル1に対して、耐久性の試験を行った。具体的には、一定電流を連続して発電する燃料電池連続発電を行った。試験条件は以下の通りである。セル温度:95℃。ハブラー温度:95℃(アノード)、95℃(カソード)。ガス流量:70ml/min(アノード)、160ml/min(カソード)。背圧:0.1MPaG(アノード)、0.1MPaG(カソード)。電流:2.5A。耐久試験の結果、電圧は試験開始から1000時間までほぼ一定値(0.8V)で推移し、低下は見られなかった。また、機械的劣化も発生していない。
Durability Test Durability test was performed on the
本発明による評価
上記の単セル1に対して、本発明に係る単セル1の耐久性評価方法により評価を行った。αは17.4[mm2]であり、βは0.0036であり、有効発電領域比率は0.53であった。αは50.0[mm2]以下、βは0.01以下であれば十分な耐久性を有していると判断することができるので、本発明に係る単セル1の耐久性評価方法により適切に耐久性の評価を行うことができている。また、有効発電領域比率は、概ね0.3以上であれば十分は発電機能を有していると判断することができるので、本方法においても上記の単セル1は十分な発電機能を有していると評価された。本発明に係る単セル1の耐久性評価方法により計算された、高分子電解質膜10の応力のグラフを図11に示す。図11のグラフにおいて、横軸は高分子電解質膜10の中心からの距離、縦軸は規格化した応力(有効発電領域の平均の応力を1とする)である。非有効発電領域において、有効発電領域の平均の応力の1.2倍の応力が発生している箇所は上記の非有効発電領域の要素の体積の総和Vzに応じた大きさになっている。
Evaluation according to the present invention The
[耐久性評価方法における実施例2、単セルにおける比較例1]
実施例1で用いた、セル1の有効発電領域を52mm×52mm(図10におけるL3が52mm)に変更した以外は、実施例1と同等のJARIセル2(販売:英和株式会社、以下セル2と呼ぶ)を用いた。高分子電解質膜10及びセパレータ12は、実施例1と同じものを使用した。ガスシール材13はシリコーンゴム−ポリエチレンナフタレート−シリコーンゴムの積層体(厚み230μm、80mm×80mm)であり、中央の52mm×52mm(図10におけるL3が52mm)の領域が切り取られている。このセル1に70mm×70mm(図10におけるL4が70mm)に切り出した上記の固体高分子電解質膜10と、ガスシール材13の穴開き部と同一形状に切り出したガス拡散層−触媒反応層接合体である電極11を組み込んで単セル1とした(即ち、有効発電領域のサイズを52mm×52mmに設定した)。耐久試験の結果、電圧は試験開始から約120時間まではほぼ一定値(0.78V)で推移したが、約120時間経過後、ガスリークが発生してしまい、継続して発電させることが不可能になった。
[Example 2 in durability evaluation method, Comparative example 1 in single cell]
The JARI cell 2 (sales: Eiwa Co., Ltd., hereinafter cell 2) equivalent to that of Example 1 except that the effective power generation area of the
上記の単セル1に対して、本発明に係る単セル1の耐久性評価方法により評価を行った。αは60.8[mm2]であり、βは0.012であり、有効発電領域比率は0.42であった。αは50.0[mm2]以下、βは0.01以下であれば十分な耐久性を有していると判断することができるので、本実施例においては十分な耐久性を有しているとはいえない。実験結果でも、単セルにおける実施例1と比較して耐久性が低いことを適切に示している。また、有効発電領域比率は、概ね0.3以上であれば十分は発電機能を有していると判断することができるので、本方法においても上記の単セル1は十分な発電機能を有していると評価された。本発明に係る単セル1の耐久性評価方法により計算された、高分子電解質膜10の応力のグラフを図11に示す。非有効発電領域において、有効発電領域の平均の応力の1.2倍の応力が発生している箇所は上記の非有効発電領域の要素の体積の総和Vzに応じた大きさになっている。
The
[耐久性評価方法における比較例1,2]
耐久性評価方法における実施例1及び実施例2における、本発明に係る単セル1の耐久性評価方法では、水分分布の境界条件に基づき、水分分布を計算して、その水分分布に基づいて耐久性の評価を行った。水分分布を適切に考慮しない場合の結果を耐久性評価方法における比較例1,2(それぞれ耐久性評価方法における実施例1,2に対応する)として示す。本比較例では、水分分布が高分子電解質膜全体において飽和吸水状態であると仮定して、評価値を導出した。比較例1,2における高分子電解質膜10の相当応力のグラフを図11に示す。このグラフから非有効発電領域の位置が相違する以外は、対応する耐久性試験の結果と相関が無いことが判明した。また、非有効発電領域において、有効発電領域の平均の応力の1.2倍の応力が発生している箇所は実施例1,2と比較して大きくなっている。さらに、比較例1、2において評価値を導出したところ、比較例1においてはαは131[mm2]であり、βは0.027であり、比較例2においてはαは308[mm2]であり、βは0.063であった。これらの結果は対応する実施例1、2における評価結果に比べて単セル構造による耐久性の差異が低く評価されていることを示し、このように、本発明のように水分分布を計算せずに評価を行った場合は、適切な評価が行えないことがわかった。
[Comparative Examples 1 and 2 in the durability evaluation method]
In the durability evaluation method of the
[耐久性評価方法における実施例3、単セルにおける比較例2]
一般的に燃料電池用セルに使用されている、ElectroChem社製セル(以下、セル3と呼ぶ)について、本発明に係る単セル1の耐久性評価方法により評価を行った。セパレータ12は、MEGAと接する面の大きさが95mm×95mm(図10におけるL1が95mm)で、蛇行状ガス流路21(流路幅1mm)を有するものであり、ガス流路21の外側がなす面積は、51mm×51mm(図10におけるL2が51mm)であった。有効発電領域を51mm×51mm(図10におけるL3が51mm)とし、固体高分子電解質膜10のサイズを87mm×87mm(図10におけるL4が87mm)とし、高分子電解質膜10の吸水線膨張係数、及び水分分布の境界条件は実施例1と同じとした。αは272[mm2]であり、βは0.036であり、有効発電領域比率は0.29であった。本発明に係る単セル1の耐久性評価方法によれば、この単セル1は、耐久性及び発電機能共に不十分である。本発明に係る単セル1の耐久性評価方法により計算された、高分子電解質膜10の応力のグラフを図12に示す。非有効発電領域において、有効発電領域の平均の応力の1.2倍の応力が発生している箇所は上記の非有効発電領域の要素の体積の総和Vzに応じた大きさになっている。
[Example 3 in durability evaluation method, Comparative example 2 in single cell]
A cell manufactured by ElectroChem (hereinafter referred to as cell 3) generally used for a fuel cell was evaluated by the durability evaluation method of the
[耐久性評価方法における実施例4、単セルにおける比較例3]
一般的に燃料電池用セルに使用されている、もう一つのElectroChem社製セル(以下、セル4と呼ぶ)について、本発明に係る単セル1の耐久性評価方法により評価を行った。セパレータ12は、MEGAと接する面の大きさが95mm×95mm(図10におけるL1が95mm)で、蛇行状ガス流路21(流路幅1mm)を有するものであり、ガス流路21の外側がなす面積は、22mm×22mm(図10におけるL2が22mm)であった。有効発電領域を22mm×22mm(図10におけるL3が22mm)とし、固体高分子電解質膜10のサイズを87mm×87mm(図10におけるL4が87mm)とし、高分子電解質膜10の吸水線膨張係数、及び水分分布の境界条件は実施例1と同じとした。αは662[mm2]であり、βは0.087であり、有効発電領域比率は0.054であった。本発明に係る単セル1の耐久性評価方法によれば、この単セル1は、耐久性及び発電機能共に不十分である。本発明に係る単セル1の耐久性評価方法により計算された、高分子電解質膜10の応力のグラフを図12に示す。非有効発電領域において、有効発電領域の平均の応力の1.2倍の応力が発生している箇所は上記の非有効発電領域の要素の体積の総和Vzに応じた大きさになっている。
[Example 4 in durability evaluation method, Comparative example 3 in single cell]
Another ElectroChem cell (hereinafter referred to as “cell 4”) generally used for a fuel cell was evaluated by the durability evaluation method of the
上記の単セルにおける実施例1及び比較例1〜3の評価結果を以下の表に示す。
1…単セル、10…高分子電解質膜、11…電極、12…セパレータ、13…ガスシール材、14…マニホールド、21…ガス流路、30…単セルの耐久性評価装置、31…受付部、32…モデル生成部、33…水分分布計算部、34…歪・応力計算部、35…相当応力計算部、36…評価値導出部、37…出力部、38…判断部、40…入力装置、50…記録媒体、50a…プログラム格納領域、51…耐久性評価プログラム、51a…メインモジュール、51b…受付モジュール、51c…モデル生成モジュール、51d…水分分布計算モジュール、51e…歪・応力計算モジュール、51f…相当応力計算モジュール、51g…評価値導出モジュール、51h…出力モジュール。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記単セルに係るパラメータの入力を受け付ける受付ステップと、
前記受付ステップにおいて受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された前記単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成ステップと、
前記受付ステップにおいて受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、前記モデル生成ステップにおいて生成された有限要素モデルにおける前記高分子電解質膜の水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算ステップと、
前記水分分布計算ステップにおいて計算された水分分布と、前記受付ステップにおいて受け付けられたパラメータに含まれる前記高分子電解質膜の吸水線膨張係数及び弾性率とから、前記高分子電解質膜の前記各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算ステップと、
前記歪・応力計算ステップにおいて計算された前記各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算ステップと、
前記相当応力計算ステップにおいて計算された前記各要素それぞれにおける相当応力から、前記単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出ステップと、
前記評価値導出ステップにおいて導出された評価値を出力する出力ステップと、
を含む耐久性評価方法。 In the information processing apparatus, two polymer electrolyte membranes, two plate-like electrodes provided on both sides of the polymer electrolyte membrane, and two groove-like gas flow paths for supplying gas to the electrodes are formed. A single cell durability evaluation method for evaluating the durability of a single cell of a fuel cell comprising a plate-shaped separator and a sealing material for sealing a side surface of the electrode,
An accepting step for accepting input of parameters relating to the single cell;
A model generation step for generating a finite element model of the single cell divided into a plurality of elements based on the parameters received in the reception step;
Moisture distribution that calculates the moisture distribution of the polymer electrolyte membrane in the finite element model generated in the model generation step based on the boundary condition of the moisture distribution included in the parameter received in the reception step by a finite element method A calculation step;
Each element of the polymer electrolyte membrane is calculated from the moisture distribution calculated in the moisture distribution calculation step and the water absorption linear expansion coefficient and elastic modulus of the polymer electrolyte membrane included in the parameters received in the receiving step. Strain / stress calculation step for calculating the strain and stress of the finite element method,
An equivalent stress calculation step for calculating an equivalent stress in each of the elements from the stress in each of the elements calculated in the strain / stress calculation step;
An evaluation value deriving step for deriving an evaluation value for evaluating the durability of the single cell from the equivalent stress in each of the elements calculated in the equivalent stress calculating step;
An output step of outputting the evaluation value derived in the evaluation value deriving step;
Durability evaluation method including
前記単セルに係るパラメータの入力を受け付ける受付手段と、
前記受付手段により受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された前記単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成手段と、
前記受付手段により受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、前記モデル生成手段により生成された有限要素モデルにおける前記高分子電解質膜の水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算手段と、
前記水分分布計算手段により計算された水分分布と、前記受付手段により受け付けられたパラメータに含まれる前記高分子電解質膜の吸水線膨張係数及び弾性率とから、前記高分子電解質膜の前記各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算手段と、
前記歪・応力計算手段により計算された前記各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算手段と、
前記相当応力計算手段により計算された前記各要素それぞれにおける相当応力から、前記単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出手段と、
前記評価値導出手段により導出された評価値を出力する出力手段と、
を備える耐久性評価装置。 A polymer electrolyte membrane, two plate-like electrodes provided on both sides of the polymer electrolyte membrane, and two plate-like separators each having a groove-like gas flow path for supplying gas to the electrodes A single cell durability evaluation device for evaluating the durability of a single cell of a fuel cell comprising a sealing material for sealing the side surface of the electrode,
Receiving means for receiving input of parameters relating to the single cell;
Model generating means for generating a finite element model of the single cell divided into a plurality of elements based on the parameters received by the receiving means;
Moisture distribution for calculating the moisture distribution of the polymer electrolyte membrane in the finite element model generated by the model generating unit based on the boundary condition of the moisture distribution included in the parameter received by the receiving unit by the finite element method Calculation means;
Each element of the polymer electrolyte membrane is calculated from the moisture distribution calculated by the moisture distribution calculating means and the water absorption linear expansion coefficient and elastic modulus of the polymer electrolyte membrane included in the parameters received by the receiving means. Strain and stress calculation means for calculating the strain and stress of the finite element method,
Equivalent stress calculating means for calculating equivalent stress in each of the elements from the stress in each of the elements calculated by the strain / stress calculating means;
Evaluation value deriving means for deriving an evaluation value for evaluating the durability of the single cell from the equivalent stress in each of the elements calculated by the equivalent stress calculating means;
Output means for outputting the evaluation value derived by the evaluation value deriving means;
A durability evaluation apparatus comprising:
前記情報処理装置に、
前記単セルに係るパラメータの入力を受け付ける受付処理と、
前記受付処理により受け付けられたパラメータに基づいて、複数の要素に分割された前記単セルの有限要素モデルを生成するモデル生成処理と、
前記受付処理により受け付けられたパラメータに含まれる水分分布の境界条件に基づいて、前記モデル生成処理により生成された有限要素モデルにおける前記高分子電解質膜の水分分布を、有限要素法により計算する水分分布計算処理と、
前記水分分布計算処理により計算された水分分布と、前記受付処理により受け付けられたパラメータに含まれる前記高分子電解質膜の吸水線膨張係数及び弾性率とから、前記高分子電解質膜の前記各要素それぞれの歪及び応力を、有限要素法により計算する歪・応力計算処理と、
前記歪・応力計算処理により計算された前記各要素それぞれにおける応力から、当該各要素それぞれにおける相当応力を計算する相当応力計算処理と、
前記相当応力計算処理により計算された前記各要素それぞれにおける相当応力から、前記単セルの耐久性を評価するための評価値を導出する評価値導出処理と、
前記評価値導出処理により導出された評価値を出力する出力処理と、
を実行させる耐久性評価プログラム。 Two information processing devices are provided with a polymer electrolyte membrane, two plate-like electrodes provided on both sides of the polymer electrolyte membrane, and two groove-like gas passages for supplying gas to the electrodes. A single cell durability evaluation program for performing a process for evaluating the durability of a single cell of a fuel cell including a plate-like separator and a sealing material for sealing the side surface of the electrode,
In the information processing apparatus,
An acceptance process for accepting input of parameters relating to the single cell;
A model generation process for generating a finite element model of the single cell divided into a plurality of elements based on the parameters received by the reception process;
Moisture distribution for calculating the moisture distribution of the polymer electrolyte membrane in the finite element model generated by the model generation process based on the boundary condition of the moisture distribution included in the parameter received by the reception process by the finite element method Calculation processing,
Each element of the polymer electrolyte membrane is calculated from the moisture distribution calculated by the moisture distribution calculation process and the water absorption linear expansion coefficient and elastic modulus of the polymer electrolyte membrane included in the parameters received by the receiving process. Strain and stress calculation processing for calculating strain and stress of the finite element method;
An equivalent stress calculation process for calculating an equivalent stress in each of the elements from the stress in each of the elements calculated by the strain / stress calculation process;
An evaluation value derivation process for deriving an evaluation value for evaluating the durability of the single cell from the equivalent stress in each of the elements calculated by the equivalent stress calculation process;
An output process for outputting the evaluation value derived by the evaluation value derivation process;
Durability evaluation program to execute.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007228183A JP2008091329A (en) | 2006-09-07 | 2007-09-03 | Method for evaluating durability of unit cell, device for evaluating durability, program for evaluating durability, and unit cell of fuel cell |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006243130 | 2006-09-07 | ||
JP2007228183A JP2008091329A (en) | 2006-09-07 | 2007-09-03 | Method for evaluating durability of unit cell, device for evaluating durability, program for evaluating durability, and unit cell of fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008091329A true JP2008091329A (en) | 2008-04-17 |
Family
ID=39375246
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007228183A Pending JP2008091329A (en) | 2006-09-07 | 2007-09-03 | Method for evaluating durability of unit cell, device for evaluating durability, program for evaluating durability, and unit cell of fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008091329A (en) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010073380A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | トヨタ自動車株式会社 | Device for estimating the water content of a fuel cell and fuel cell system |
WO2010073383A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
WO2010073386A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
WO2010073381A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
WO2010073385A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
JP2011159559A (en) * | 2010-02-03 | 2011-08-18 | Toyota Motor Corp | Method for predicting mechanical deterioration of polymer electrolyte membrane used for fuel cell, and deterioration prediction apparatus |
CN105677977A (en) * | 2016-01-07 | 2016-06-15 | 北京北交新能科技有限公司 | General power lithium-ion battery cell finite element simulation pretreatment method |
CN110854407A (en) * | 2018-08-20 | 2020-02-28 | 现代自动车株式会社 | Fuel cell with elastic member |
CN111144045A (en) * | 2019-12-18 | 2020-05-12 | 北斗航天汽车(北京)有限公司 | CAE (computer aided engineering) compression type assembled battery module structure stability evaluation method |
JP6980159B1 (en) * | 2021-02-08 | 2021-12-15 | 三菱電機株式会社 | Display device and control device connected to the display device |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001243963A (en) * | 2000-02-25 | 2001-09-07 | Sanyo Electric Co Ltd | Cell for fuel cell and fuel cell having the same |
JP2002252006A (en) * | 2001-02-22 | 2002-09-06 | Aisin Seiki Co Ltd | Manufacturing method of solid high polymer electrolyte film and fuel cell |
JP2003068318A (en) * | 2001-08-23 | 2003-03-07 | Osaka Gas Co Ltd | Cell of solid polymer fuel cell and solid polymer fuel cell |
JP2004327105A (en) * | 2003-04-22 | 2004-11-18 | Sony Corp | Fuel cell and method for designing same |
JP2005108777A (en) * | 2003-10-01 | 2005-04-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Separator for fuel cell and fuel cell using this |
-
2007
- 2007-09-03 JP JP2007228183A patent/JP2008091329A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001243963A (en) * | 2000-02-25 | 2001-09-07 | Sanyo Electric Co Ltd | Cell for fuel cell and fuel cell having the same |
JP2002252006A (en) * | 2001-02-22 | 2002-09-06 | Aisin Seiki Co Ltd | Manufacturing method of solid high polymer electrolyte film and fuel cell |
JP2003068318A (en) * | 2001-08-23 | 2003-03-07 | Osaka Gas Co Ltd | Cell of solid polymer fuel cell and solid polymer fuel cell |
JP2004327105A (en) * | 2003-04-22 | 2004-11-18 | Sony Corp | Fuel cell and method for designing same |
JP2005108777A (en) * | 2003-10-01 | 2005-04-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Separator for fuel cell and fuel cell using this |
Cited By (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8524403B2 (en) | 2008-12-26 | 2013-09-03 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Water content estimation apparatus for fuel cell and fuel cell system |
US8252474B2 (en) | 2008-12-26 | 2012-08-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
WO2010073386A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
WO2010073381A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
WO2010073380A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | トヨタ自動車株式会社 | Device for estimating the water content of a fuel cell and fuel cell system |
US8916303B2 (en) | 2008-12-26 | 2014-12-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
WO2010073383A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
US8293421B2 (en) | 2008-12-26 | 2012-10-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
WO2010073385A1 (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
US8691458B2 (en) | 2008-12-26 | 2014-04-08 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
JP2011159559A (en) * | 2010-02-03 | 2011-08-18 | Toyota Motor Corp | Method for predicting mechanical deterioration of polymer electrolyte membrane used for fuel cell, and deterioration prediction apparatus |
CN105677977A (en) * | 2016-01-07 | 2016-06-15 | 北京北交新能科技有限公司 | General power lithium-ion battery cell finite element simulation pretreatment method |
CN110854407A (en) * | 2018-08-20 | 2020-02-28 | 现代自动车株式会社 | Fuel cell with elastic member |
CN111144045A (en) * | 2019-12-18 | 2020-05-12 | 北斗航天汽车(北京)有限公司 | CAE (computer aided engineering) compression type assembled battery module structure stability evaluation method |
JP6980159B1 (en) * | 2021-02-08 | 2021-12-15 | 三菱電機株式会社 | Display device and control device connected to the display device |
WO2022168304A1 (en) * | 2021-02-08 | 2022-08-11 | 三菱電機株式会社 | Display device and control device connected to display device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2008091329A (en) | Method for evaluating durability of unit cell, device for evaluating durability, program for evaluating durability, and unit cell of fuel cell | |
Zhang et al. | PEM fuel cell relative humidity (RH) and its effect on performance at high temperatures | |
WO2008029954A1 (en) | Method for evaluating durability of unit cell, device for evaluating durability, program for evaluating durability, and unit cell of fuel cell | |
Mohsin et al. | Electrochemical characterization of polymer electrolyte membrane fuel cells and polarization curve analysis | |
Choi et al. | Current advances in polymer electrolyte fuel cells based on the promotional role of under‐rib convection | |
Chen et al. | Micro direct methanol fuel cell: functional components, supplies management, packaging technology and application | |
Espinoza-Andaluz et al. | Empirical correlations for the performance of a PEFC considering relative humidity of fuel and oxidant gases | |
Nishimura et al. | Impact of thickness of polymer electrolyte membrane on temperature distribution in single cell of polymer electrolyte fuel cell operated at high temperature | |
Kwon et al. | Effects of oversaturated cathode humidity conditions on the performance degradation of PEMFCs and diagnostic signals of Warburg impedance under low humidity conditions | |
JP2005149727A (en) | Membrane-electrode junction, manufacturing method of the same, and direct type fuel cell using the same | |
Üçtuğ et al. | Effect of polymer sulfonation on the proton conductivity and fuel cell performance of polyvinylalcohol‐mordenite direct methanol fuel cell membranes | |
JP5011724B2 (en) | Fuel cell | |
JP5029897B2 (en) | Fuel cell | |
JP2009187803A (en) | Membrane electrode composite and fuel cell | |
Jourdani et al. | Temperature distribution effect on the performance of PEM Fuel cell modeling and simulation using Ansys Fluent | |
Li et al. | Novel Fabrication Approach by Reversely Coating a Nafion Ionomer on Gas Diffusion Electrodes for High-Performance Membrane Electrode Assemblies | |
JP2009070584A (en) | Membrane electrode assembly and fuel cell | |
JP2005340158A (en) | Fuel cell module | |
Tao et al. | Effect of gas diffusion layer parameters on cold start of PEMFCs with metal foam flow field | |
Sreenivasulu et al. | A theoretical simulation of a PEM fuel cell with 4‐serpentine flow channel | |
Sadiq Al-Baghdadi | Prediction of deformation and hygro-thermal stresses distribution in ambient air-breathing PEM fuel cells using three-dimensional CFD model | |
Hasmady et al. | Treatment of heterogeneous electrocatalysis in modeling transport-reaction phenomena in PEFCs | |
Harvey | Development of a Stochastically-driven, Forward Predictive Performance Model for PEMFCs | |
Kim et al. | Electrochemical Promotional Role of Under-Rib Convection-Based Flow-Field in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells | |
Lu et al. | Theoretical and Experimental Study of a Fuel Cell Stack Based on Perfluoro-sulfonic Acid Membranes Facing High Temperature Application Environments |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100723 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120814 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20121211 |