JP2009193672A - 燃料電池シミュレーション装置及び燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、電解質膜と触媒層と拡散層とを有する膜−電極アッセンブリを備える燃料電池の発電性能を予測する燃料電池シミュレーション装置であって、前記触媒層の幾何形状及び特性データから触媒層のモデル化を行うモデル作成手段と、触媒層モデルを用いて、ガス輸送方程式、水生成・輸送相変化方程式、電気伝導方程式、熱伝導方程式及び触媒反応方程式を連立させて前記触媒層の発電状態分布又はマクロ物性値を算出する算出手段と、を備える。
【選択図】図1
Description
∇・(ρu)=0 (1)
ρ:ガス流体の密度、u:ガス流体の速度
1/ε2∇・(ρuu)=−∇P+∇τ+Su (2)
P:ガス流体の圧力分布、τ:ガスせん断力、Su:ガス流体素片にはたらく体積力
∇・(uCk)=∇・(Dk eff∇Ck)+Sk (3)
Ck:ガス流体濃度分布、Dk eff:実効拡散係数、Sk:化学反応によるガス生成・消費
∇・(κeff∇Φe)+SΦ=0 (4)
κeff:実効電子伝導度、Φe:電位、SΦ:発電電流
∇・(ρcpuT)=∇・(keff∇T)+ST
T:温度分布、cp:比熱、keff:実効熱伝導度、ST:発熱・吸熱
ΣskMk z=ne- (6)
Mk:化学式、sk:化学量論係数、n:電荷移動数
電気化学反応は、以下に示す式による。
アノード極:H2 → 2H+ + 2e-
カソード極:1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
∂(ερ)/∂t+∇・(ερu)=0 (7)
∂(ερu)/∂t+∇・(ερuu)=∂(εμ∇u)−ε∇P+ερkg−ε2・μ/K・u (8)
∂/∂t(ερC)+∇・(ενcρuC)=∇・(ερD∇C)+∇・{ε(ρlsDl∇Cl+ρg(1−s)Dg∇Cg−ρD∇C)}−∇・((Cl−Cg)jl) (9)
g:重力、K:透過係数、Cl:水濃度勾配、Cg:ガス濃度勾配、Dl:水拡散係数、Dg:ガス拡散係数、νc:動粘性係数
Claims (8)
- 電解質膜と触媒層と拡散層とを有する膜−電極アッセンブリを備える燃料電池の発電性能を予測する燃料電池シミュレーション装置であって、
前記触媒層の幾何形状及び特性データから触媒層のモデル化を行うモデル作成手段と、
触媒層モデルを用いて、ガス輸送方程式、水生成・輸送相変化方程式、電気伝導方程式、熱伝導方程式及び触媒反応方程式を連立させて前記触媒層の発電状態分布、マクロ物性値のうち少なくともいずれか1つを算出する算出手段と、を備えることを特徴とする燃料電池シミュレーション装置。 - 請求項1記載の燃料電池シミュレーション装置であって、前記モデル作成手段は、前記電解質膜及び前記拡散層の幾何形状及び特性データから電解質膜及び拡散層のモデル化を行い、前記算出手段は、電解質膜モデル及び拡散層モデルを用いて、ガス輸送方程式、水生成・輸送相変化方程式、電気伝導方程式、熱伝導方程式及び触媒反応方程式を連立させて前記電解質膜及び前記拡散層の発電状態分布、マクロ物性値のうち少なくともいずれか1つを算出することを特徴とする燃料電池シミュレーション装置。
- 請求項2記載の燃料電池シミュレーション装置であって、前記モデル作成手段は、前記触媒層、前記電解質膜、前記拡散層の幾何形状及び特性データに加え、材料構成割合、材料物性データからモデル化を行うことを特徴とする燃料電池シミュレーション装置。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池シミュレーション装置であって、前記ガス輸送方程式、前記水生成・輸送相変化方程式には、ミクロ2相流モデルを用いることを特徴とする燃料電池シミュレーション装置。
- 請求項3記載の燃料電池シミュレーション装置であって、前記材料物性データに替えて、量子分子動力学計算による分子モデルを用いることを特徴とする燃料電池シミュレーション装置。
- 請求項2記載の燃料電池シミュレーション装置であって、前記算出手段は、前記各方程式に時間パラメータを導入して、前記触媒層、前記電解質膜及び前記拡散層の発電状態分布の動的特性を算出することを特徴とする燃料電池シミュレーション装置。
- 請求項2記載の燃料電池シミュレーション装置であって、前記算出手段による算出結果と目標値との差が所定値以下となるように、前記幾何形状及び前記特性データを変化させ、モデル作成手段によるモデル化及び算出手段による算出を繰り返し行わせる繰り返し手段を備えることを特徴とする燃料電池シミュレーション装置。
- 電解質膜と前記電解質膜を挟持する一対の触媒層と前記一対の触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層とを有する膜−電極アッセンブリを備える燃料電池であって、
前記触媒層は、請求項1記載の燃料電池シミュレーション装置により算出された触媒層の発電状態分布の結果に基づいて決定される幾何形状及び物性データを有することを特徴とする燃料電池。
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