JP2009193672A - 燃料電池シミュレーション装置及び燃料電池 - Google Patents

燃料電池シミュレーション装置及び燃料電池 Download PDF

Info

Publication number
JP2009193672A
JP2009193672A JP2008029928A JP2008029928A JP2009193672A JP 2009193672 A JP2009193672 A JP 2009193672A JP 2008029928 A JP2008029928 A JP 2008029928A JP 2008029928 A JP2008029928 A JP 2008029928A JP 2009193672 A JP2009193672 A JP 2009193672A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
catalyst layer
equation
model
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.)
Granted
Application number
JP2008029928A
Other languages
English (en)
Other versions
JP4924460B2 (ja
Inventor
Makoto Tonai
誠 藤内
Atsumi Ida
敦巳 井田
Takeshi Harada
岳 原田
Tadashi Kawamoto
忠司 川本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2008029928A priority Critical patent/JP4924460B2/ja
Priority to US12/867,358 priority patent/US8620637B2/en
Priority to PCT/JP2009/052270 priority patent/WO2009101955A1/ja
Publication of JP2009193672A publication Critical patent/JP2009193672A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4924460B2 publication Critical patent/JP4924460B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04305Modeling, demonstration models of fuel cells, e.g. for training purposes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

【課題】本発明の目的は、触媒層の実際の構造(例えば、不均質多孔体)に基づいて燃料電池の発電性能を予測することができる燃料電池シミュレーション装置を提供することである。
【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

本発明は、燃料電池の発電性能を予測するための燃料電池シミュレーション装置、及び当該燃料電池シミュレーション装置の予測結果を利用して設計される燃料電池に関するものである。
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素に伴う地球温暖化に対する対策の一つとして、クリーンな排気及び高エネルギ効率運転を可能にする燃料電池技術が注目されている。燃料電池は、電解質膜と電解質膜を挟持する一対の触媒層と触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層とを有する膜−電極アッセンブリと、膜電極アッセンブリの両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータとにより構成されている。
燃料電池を構成する上記部材は高価であることから、燃料電池の設計、製造の際には、シミュレーション技術が広く活用されている(例えば、特許文献1,2参照)。
燃料電池を構成する部材のうち、特に触媒層は燃料電池の特性を左右する重要な要素であるため、シミュレーション技術を活用する意義は大きい。しかし、シミュレーション時の演算処理を簡略化するため等により、触媒層の構造を「均質多孔体」と仮定してシミュレーションを行うと、実際の触媒層の特性及び挙動を把握することができず、燃料電池の発電性能をシミュレーションにより精度良く予測することが困難となる。
特開2005−135814号公報 特開2007−95620号公報
本発明の目的は、触媒層の実際の構造(例えば、不均質多孔体)に基づいて燃料電池の発電性能を予測することができる燃料電池シミュレーション装置を提供することである。
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、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。
また、前記燃料電池シミュレーション装置において、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つを算出することが好ましい。
また、前記燃料電池シミュレーション装置において、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が好ましい。
また、前記燃料電池シミュレーション装置において、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が好ましい。
また、前記燃料電池シミュレーション装置において、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が好ましい。
また、前記燃料電池シミュレーション装置において、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が好ましい。
また、前記燃料電池シミュレーション装置において、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が好ましい。
また、本発明は、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が好ましい。
本発明によれば、触媒層の実際の物理的構造(例えば、不均質多孔体)に基づき、触媒層の解析を行い、燃料電池の発電性能を予測することができる燃料電池シミュレーション装置を提供することができる。
本発明の実施の形態について以下説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池シミュレーション装置の構成の一例を示す概略模式図である。図1に示すように燃料電池シミュレーション装置1は、触媒層、電解質膜及び拡散層(以下触媒層等と呼ぶ場合がある)の幾何形状及び特性値データ等を入力するキーボード等の入力手段10と、演算処理を実行するCPU12と、計算結果を出力するディスプレイ等の出力手段14とを備えるものである。
CPU12は、触媒層等の幾何形状及び特性データから触媒層等のモデル化を行うモデル作成モジュール16を有する。CPU12のモデル作成モジュール16は、CATIA等の3Dソリッドキャド又はボクセル法等を用いて、入力手段10により入力された触媒層等の幾何形状及び物性データから触媒層等のモデル化を行う。本実施形態では、触媒層の幾何形状及び物性データのみでも、燃料電池の発電性能を予測することは可能であるが、電解質膜及び拡散層の幾何形状及び物性データを加えることにより、膜−電極アッセンブリとしてのモデル化が可能となり、精度よく燃料電池の発電性能を予測することが可能となる。触媒層等の幾何形状データとは、モデル化又は下記方程式に必要な幾何形状データを含むものである。触媒層の幾何形状データは、例えば、触媒層を構成する白金等の触媒金属の粒径、担持密度、触媒層を構成するカーボンの粒径、アイオノマー比率(I/C)、触媒層厚さ、気孔径分布等である。また、電解質膜の幾何形状データとしては、例えば、電解質膜厚さ、表面性状(粗さ)等であり、拡散層の幾何形状データとしては、例えば、拡散層の厚さ、拡散層の親疎水率、気孔径分布等である。また、これらの幾何形状データとして、触媒層、電解質膜、拡散層のSEM画像、TEM画像データを用いることも可能であるが、モデル化の処理時間を短縮することができる点で、幾何形状データは画像データより数値データの方が好ましい。
触媒層等の特性データとは、モデル化又は下記方程式に必要な物理的特性データを含むものである。触媒層の特性データは、例えば、細孔径分布、親疎水孔分布、毛管圧特性等である。電解質膜及び拡散層の特性データも上記と同様である。
精度よく燃料電池の発電性能を予測することができる点で、上記幾何形状及び特性データの他に、触媒層等の材料構成割合、材料物性データを加えて、触媒層等のモデル化を行うことが好ましい。触媒層は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合して成膜することにより形成される。すなわち、触媒層等の材料構成割合データとは、触媒層を構成する材料の割合である。また、触媒層の材料物性データは、上記説明したような触媒層を構成する材料の物性であり、例えば、触媒活性(交換電流密度)、熱伝導率、電子伝導率、プロトン伝導率等である。拡散層は、カーボン繊維等の多孔質材料等が用いられるが、多孔質材料の表面に撥水剤等が塗布される場合には、多孔質材料と撥水剤との割合等が材料構成割合データとなる。また、拡散層の材料物性データは、上記説明した拡散層を構成する材料の物性であり、例えば、熱伝導率、電子伝導率等である。電解質膜は、プロトン伝導性を有する膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜等が用いられるが、パーフルオロスルホン酸系の樹脂の複合膜である場合には、使用される樹脂の割合等が材料構成割合データとなる。また、電解質膜の材料物性データは、使用する樹脂等の物性データであり、熱伝導率、プロトン伝導率等である。
モデル作成モジュール16により、触媒層等の幾何形状及び特性データ等からモデル化した触媒層、電解質膜、拡散層モデル(膜−電極アッセンブリモデルと呼ぶ場合がある)を図2に示す。通常、膜−電極アッセンブリは、電解質膜と電解質膜の両側を挟持する一対の触媒層と、触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層とを有するものである。本実施形態では、その後の演算処理の負担を回避するため、図2に示すように、電解質膜20と電解質膜20の一方の面に、白金等の触媒が担持されたカーボン等の担体22を有する触媒層24と拡散層26とを有するものを膜−電極アッセンブリモデル28として作成される。本実施形態のモデルは一例であって、これに制限されるものではなく、例えば、3次元の膜−電極アッセンブリモデル等であってもよい。
図1に示すようにCPU12は、モデル作成モジュール16により作成された膜−電極アッセンブリモデルを用いて、以下の各方程式を連立させて触媒層等の発電状態分布、マクロ物性を求める算出モジュール18を有する。ここで、発電状態分布とは、触媒層、拡散層、電解質膜において、燃料電池に供給されるガス、燃料電池の発電によって生成する水、熱(温度)、電気(電流)の分布であり、触媒層等における水、ガスの分布は下記に示すガス輸送方程式、水生成・輸送相変化方程式により、温度分布は下記に示す熱伝導方程式により、電流分布は下記に示す電気伝導方程式及び触媒反応方程式により求められる。また、マクロ物性とは、各方程式から求められるイオン伝導度(抵抗過電圧)、濃度過電圧、拡散係数(ガス、水)、透過係数(ガス、水)である。本実施形態では、算出モジュール18によって、触媒層等の発電状態分布、マクロ物性のうち少なくともいずれか1つが算出される。
CPU12の算出モジュール18は、モデル作成モジュール16により作成された膜−電極アッセンブリモデルと、算出モジュールに記憶された上記方程式に必要な燃料電池の運転条件(電流、温度、湿度、圧力等)とを用いて、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方程式により触媒層等の発電状態分布、マクロ物性を求める。
ガス輸送方程式とは、質量保存則、運動量保存則、物質量保存則であり、下式(1)〜(3)で表される。
∇・(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)
k: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
電気伝導方程式とは、電荷保存則であり、下式(4)で表される。
∇・(κeff∇Φe)+SΦ=0 (4)
κeff:実効電子伝導度、Φe:電位、SΦ:発電電流
熱伝導方程式とは、エネルギ保存則であり、下式(5)で表される。
∇・(ρcpuT)=∇・(keff∇T)+ST
T:温度分布、cp:比熱、keff:実効熱伝導度、ST:発熱・吸熱
触媒反応方程式は、電気化学反応であり、下式(6)で表される。
Σskk z=ne- (6)
k: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- → H2
水生成・輸送相変化方程式は、下式(7)〜(9)で表される。
∂(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
CPU12の算出モジュール18により求められた触媒層等の発電状態分布、マクロ物性は、出力手段14により、数値、グラフ、分布図で可視表示される。
本実施形態では、CPU12の算出モジュール18に格子ボルツマン法(LBM)、ラグランジュ法等によるミクロ2相流モデルを読み込ませ、該ミクロ2相流モデルを用いてガス輸送方程式、水生成・輸送相変化方程式により触媒層等における水、ガスの分布を求めることが好ましい。このような演算処理には、例えば、Fluent(登録商標)、STAR−CD等のソフトウェアを用いることが好ましい。これにより、演算処理速度及び精度を向上させることができる。
また、CPU12の算出モジュール18は、例えば、MOPAC2002(富士通社製)、Gaussian(登録商標)、Dmol3(登録商標)等のソフトウェアを読み込ませ、上記説明した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て、上記説明した各方程式を連立させて触媒層等の発電状態分布又はマクロ物性を算出することが好ましい。これにより、材料物性データを入力することなく、触媒層等の発電状態分布又はマクロ物性を高精度に算出することができる。
また、CPU12の算出モジュール18は、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方程式に時間パラメータを導入し、触媒層等の発電状態分布の動的特性を求めることが好ましい。これにより、触媒層等の劣化箇所等を予測することができる。時間パラメータは、算出モジュール18に読み込ませておいてもよいし、入力手段10から入力してもよい。
また、CPU12は、CPU12の算出モジュール18により求められた触媒層等の発電状態分布、マクロ物性と予め設定した目標値との差が所定値以下となるように、触媒層等の幾何形状データ、特性データ、触媒層等の材料構成割合データ、材料物性データを変化させ、モデル作成モジュールによるモデル化及び算出モジュールによる算出を繰り返し行わせる繰り返しモジュールを備えることが好ましい。図3は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池シミュレーション装置の構成の一例を示す概略模式図である。図3に示すように、燃料電池シミュレーション装置2は、CPU30に繰り返しモジュール32を備えている。図3に示すシミュレーション装置2において、図1に示すシミュレーション装置1と同様の構成については同一の符合を付している。
繰り返しモジュールを備えるCPU12の動作について、図3の燃料電池シミュレーション装置2を用いて説明する。まず、例えば、入力手段10により幾何形状データ等が入力され、幾何形状データ等からモデル作成モジュール16によりモデルが作成される。次に、算出モジュール18により当該モデルを用いて上記説明した各方程式により触媒層等の発電状態分布等が算出される。次に、算出された発電状態分布と繰り返しモジュール32に記録された目標値との差が所定値より大きいと繰り返しモジュール32により判定された場合には、繰り返しモジュール32により、予め設定した範囲で幾何形状データ等が変更され、モデル作成モジュール16にモデル作成指示がなされる。そして、モデル作成モジュール16により作成されたモデルを用いて、算出モジュール18により上記同様に発電状態分布等が算出される。そして、算出結果と目標値との差が所定値以下となるまで繰り返しモジュール32により、モデル作成モジュール16によるモデル化及び算出モジュール18による算出が繰り返し行われる。これにより、最適な触媒層等の幾何形状データ、特性データ、触媒層等の材料構成割合データ、材料物性データを得ることができる。
図4は、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。図4に示すように、燃料電池3は、電解質膜34と電解質膜34を挟持する一対の触媒層36(アノード極触媒層、カソード極触媒層)と触媒層36の両外側を挟持する一対の拡散層38とを有する膜−電極アッセンブリ40と、膜−電極アッセンブリ40の両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータ42とを有する。燃料電池用セパレータ42の空洞部は、燃料電池の発電に使用されるガス(アノードガス、カソードガス)の流路44となっている。また、燃料電池用セパレータ同士は、接着剤46によりシールされている。
本実施形態に用いられる電解質膜34、触媒層36、拡散層38は、上記説明した燃料電池シミュレーション装置により算出された電解質膜、触媒層、拡散層の発電状態分布又はマクロ物性の結果に基づいて決定された幾何形状及データ、特性データ、材料構成割合データ、材料物性データを有するものである。これにより、発電性能の高い燃料電池となる。
上記本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池シミュレーション装置の構成の一例を示す概略模式図である。 モデル作成モジュールによりモデル化した膜−電極アッセンブリモデルである。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池シミュレーション装置の構成の一例を示す概略模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。
符号の説明
1,2 燃料電池シミュレーション装置、3 燃料電池、10 入力手段、12,30CPU、14 出力手段、16 モデル作成モジュール、18算出モジュール、20 電解質膜、22 担体、24 触媒層、26 拡散層、28 膜−電極アッセンブリモデル、32 繰り返しモジュール、34 電解質膜、36 触媒層、38 拡散層、40 膜−電極アッセンブリ、42 燃料電池用セパレータ、44 流路、46 接着剤。

Claims (8)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
JP2008029928A 2008-02-12 2008-02-12 燃料電池シミュレーション装置及び燃料電池 Expired - Fee Related JP4924460B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008029928A JP4924460B2 (ja) 2008-02-12 2008-02-12 燃料電池シミュレーション装置及び燃料電池
US12/867,358 US8620637B2 (en) 2008-02-12 2009-02-12 Fuel cell simulator and fuel cell
PCT/JP2009/052270 WO2009101955A1 (ja) 2008-02-12 2009-02-12 燃料電池シミュレーション装置及び燃料電池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008029928A JP4924460B2 (ja) 2008-02-12 2008-02-12 燃料電池シミュレーション装置及び燃料電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009193672A true JP2009193672A (ja) 2009-08-27
JP4924460B2 JP4924460B2 (ja) 2012-04-25

Family

ID=40956985

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008029928A Expired - Fee Related JP4924460B2 (ja) 2008-02-12 2008-02-12 燃料電池シミュレーション装置及び燃料電池

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8620637B2 (ja)
JP (1) JP4924460B2 (ja)
WO (1) WO2009101955A1 (ja)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009245874A (ja) * 2008-03-31 2009-10-22 Mizuho Information & Research Institute Inc シミュレーション装置、シミュレーション方法及びシミュレーションプログラム
JP2012221826A (ja) * 2011-04-12 2012-11-12 Toyota Motor Corp シミュレーション装置
JP2015135790A (ja) * 2014-01-20 2015-07-27 パナソニックIpマネジメント株式会社 燃料電池のシミュレーション方法およびシミュレーション装置とこれを用いた製造方法
JP2016167391A (ja) * 2015-03-10 2016-09-15 パナソニックIpマネジメント株式会社 燃料電池のシミュレーション方法及びシミュレーション装置
JP2017130306A (ja) * 2016-01-19 2017-07-27 パナソニックIpマネジメント株式会社 燃料電池のシミュレーション方法
JP2017139158A (ja) * 2016-02-04 2017-08-10 パナソニックIpマネジメント株式会社 燃料電池のシミュレーション方法と、燃料電池のシミュレーショ装置
JP2019145473A (ja) * 2018-02-23 2019-08-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法
JP2019216085A (ja) * 2018-06-06 2019-12-19 パナソニックIpマネジメント株式会社 相変化を伴う現象のシミュレーション方法
JP2020136127A (ja) * 2019-02-21 2020-08-31 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法
JP2020136124A (ja) * 2019-02-21 2020-08-31 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法
CN114597458A (zh) * 2022-05-10 2022-06-07 中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司 一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及系统

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10234512B2 (en) 2011-06-11 2019-03-19 Sendyne Corporation Current-based cell modeling
WO2012173937A2 (en) * 2011-06-11 2012-12-20 Sendyne Corp. Cell modeling
JP2013061691A (ja) * 2011-09-10 2013-04-04 Hokkaido Univ 輸送方程式解析プログラムおよび輸送方程式解析方法
FI127810B (fi) * 2015-02-19 2019-03-15 Inray Oy Ohjausjärjestelmä ja -menetelmä kiinteän biopolttoaineen syötön ohjaamiseksi polttoprosessissa
FR3041480A1 (fr) 2015-09-21 2017-03-24 Commissariat Energie Atomique Determination d’une distribution spatiale de la resistance electrique de contact d’une cellule electrochimique
FR3041479A1 (fr) * 2015-09-21 2017-03-24 Commissariat Energie Atomique Determination d’une distribution spatiale de l’activite catalytique d’une electrode de cellule electrochimique
FR3041481B1 (fr) 2015-09-21 2017-10-20 Commissariat Energie Atomique Determination d’une distribution spatiale d’un parametre de production electrique d’une cellule electrochimique
FR3041478A1 (fr) * 2015-09-21 2017-03-24 Commissariat Energie Atomique Determination d’une distribution spatiale de la permeabilite d’une electrode de cellule electrochimique
CN106295082A (zh) * 2016-09-27 2017-01-04 华中科技大学 一种平板式固体氧化物燃料电池的数值模拟方法
US11667202B2 (en) 2017-03-08 2023-06-06 A3 Labs LLC Energy source supply systems, energy source supply devices, and related methods
US11894566B2 (en) 2020-05-12 2024-02-06 Robert Bosch Gmbh Catalyst materials for a fuel cell stack
CN113161583B (zh) * 2021-03-30 2022-06-10 中通客车股份有限公司 一种燃料电池汽水分离器性能评价方法及系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06188020A (ja) * 1992-12-21 1994-07-08 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池用シミュレーションモデル
JP2003166937A (ja) * 2001-12-04 2003-06-13 Toyota Motor Corp 燃料電池の内部解析装置及び燃料電池の内部解析方法
JP2005285353A (ja) * 2004-03-26 2005-10-13 Toyota Motor Corp 数値解析システム
JP2007323852A (ja) * 2006-05-30 2007-12-13 Toyota Motor Corp 燃料電池触媒層解析装置及び燃料電池触媒層解析用の触媒幾何形状モデル

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3125120B2 (ja) 1993-05-21 2001-01-15 株式会社日立製作所 電池特性評価装置および評価方法
US7494731B2 (en) * 2001-12-27 2009-02-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell power generation system
US7194367B2 (en) * 2002-05-17 2007-03-20 Greenlight Power Technologies, Inc. Method and system for verification, calibration and simulation of a fuel cell test station
JP2004014331A (ja) * 2002-06-07 2004-01-15 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体酸化物形燃料電池3次元応力評価法
JP4203806B2 (ja) * 2003-09-30 2009-01-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池シミュレータ
JP2005135814A (ja) 2003-10-31 2005-05-26 Toyota Motor Corp 燃料電池シミュレータ、シミュレーション方法、シミュレーションプログラム及び記録媒体
JP2006202735A (ja) 2004-12-20 2006-08-03 Toyota Motor Corp 燃料電池の電池特性評価
ITMI20050446A1 (it) * 2005-03-17 2006-09-18 Solvay Solexis Spa Composito ccm
JP2007095620A (ja) 2005-09-30 2007-04-12 Usc Corp 燃料電池シミュレーション装置及び燃料電池製造装置
US7844434B2 (en) * 2006-06-09 2010-11-30 Florida State University Research Foundation, Inc. System and methods for implementing a non-linear electrical circuit dynamic fuel cell model
US7698119B2 (en) * 2006-07-21 2010-04-13 Atomic Energy Council Simulator of fuel cell on gas phase reaction

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06188020A (ja) * 1992-12-21 1994-07-08 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池用シミュレーションモデル
JP2003166937A (ja) * 2001-12-04 2003-06-13 Toyota Motor Corp 燃料電池の内部解析装置及び燃料電池の内部解析方法
JP2005285353A (ja) * 2004-03-26 2005-10-13 Toyota Motor Corp 数値解析システム
JP2007323852A (ja) * 2006-05-30 2007-12-13 Toyota Motor Corp 燃料電池触媒層解析装置及び燃料電池触媒層解析用の触媒幾何形状モデル

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009245874A (ja) * 2008-03-31 2009-10-22 Mizuho Information & Research Institute Inc シミュレーション装置、シミュレーション方法及びシミュレーションプログラム
JP2012221826A (ja) * 2011-04-12 2012-11-12 Toyota Motor Corp シミュレーション装置
JP2015135790A (ja) * 2014-01-20 2015-07-27 パナソニックIpマネジメント株式会社 燃料電池のシミュレーション方法およびシミュレーション装置とこれを用いた製造方法
JP2016167391A (ja) * 2015-03-10 2016-09-15 パナソニックIpマネジメント株式会社 燃料電池のシミュレーション方法及びシミュレーション装置
JP2017130306A (ja) * 2016-01-19 2017-07-27 パナソニックIpマネジメント株式会社 燃料電池のシミュレーション方法
JP2017139158A (ja) * 2016-02-04 2017-08-10 パナソニックIpマネジメント株式会社 燃料電池のシミュレーション方法と、燃料電池のシミュレーショ装置
JP7092517B2 (ja) 2018-02-23 2022-06-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法
JP2019145473A (ja) * 2018-02-23 2019-08-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法
JP2019216085A (ja) * 2018-06-06 2019-12-19 パナソニックIpマネジメント株式会社 相変化を伴う現象のシミュレーション方法
JP7304537B2 (ja) 2018-06-06 2023-07-07 パナソニックIpマネジメント株式会社 相変化を伴う現象のシミュレーション方法及びシミュレーション装置
US11579101B2 (en) 2018-06-06 2023-02-14 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Method for simulating phenomenon involving phase change
JP2020136127A (ja) * 2019-02-21 2020-08-31 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法
JP7063830B2 (ja) 2019-02-21 2022-05-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法
JP7063831B2 (ja) 2019-02-21 2022-05-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法
JP2020136124A (ja) * 2019-02-21 2020-08-31 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法
CN114597458A (zh) * 2022-05-10 2022-06-07 中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司 一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009101955A1 (ja) 2009-08-20
JP4924460B2 (ja) 2012-04-25
US8620637B2 (en) 2013-12-31
US20100323279A1 (en) 2010-12-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4924460B2 (ja) 燃料電池シミュレーション装置及び燃料電池
Abdin et al. PEM fuel cell model and simulation in Matlab–Simulink based on physical parameters
Abdin et al. Modelling and simulation of a proton exchange membrane (PEM) electrolyser cell
Joshi et al. Lattice Boltzmann modeling of 2D gas transport in a solid oxide fuel cell anode
Ni Thermo-electrochemical modeling of ammonia-fueled solid oxide fuel cells considering ammonia thermal decomposition in the anode
Mukherjee et al. Pore-scale modeling of two-phase transport in polymer electrolyte fuel cells—progress and perspective
Fontana et al. Study of the effects of flow channel with non-uniform cross-sectional area on PEMFC species and heat transfer
Machado et al. Influences of flow direction, temperature and relative humidity on the performance of a representative anion exchange membrane fuel cell: A computational analysis
Ho et al. Effects of heat sources on the performance of a planar solid oxide fuel cell
Promislow et al. PEM fuel cells: a mathematical overview
Chaudhary et al. Reacting flow coupling with thermal impacts in a single solid oxide fuel cell
Fu et al. Pore-scale modeling of oxygen transport in the catalyst layer of air-breathing cathode in membraneless microfluidic fuel cells
Zhang et al. Multiscale modeling of proton exchange membrane fuel cells by coupling pore-scale models of the catalyst layers and cell-scale models
Joshi et al. Lattice Boltzmann modeling of three-dimensional, multicomponent mass diffusion in a solid oxide fuel cell anode
Djilali et al. Transport phenomena in fuel cells: from microscale to macroscale
Ouyang et al. Energy, exergy and anti-vibration assessment of microfluidic fuel cell with a novel two-phase flow model
Paradis et al. Modeling of mass and charge transport in a solid oxide fuel cell anode structure by a 3D lattice Boltzmann approach
Satjaritanun et al. Gas Diffusion Layers: Experimental and Modeling Approach for Morphological and Transport Properties
Sundén et al. Evaluation of models of the effective thermal conductivity of porous materials relevant to fuel cell electrodes
Naterer et al. Fuel cell entropy production with ohmic heating and diffusive polarization
Guo et al. Modeling of gas transport with electrochemical reaction in nickel-yttria-stabilized zirconia anode during thermal cycling by Lattice Boltzmann method
Steinkamp et al. A nonisothermal PEM fuel cell model including two water transport mechanisms in the membrane
DiGiuseppe et al. A two-dimensional modeling study of a planar SOFC using actual cell testing geometry and operating conditions
Xu et al. Lattice Boltzmann simulation on molten carbonate fuel cell performance
Satjaritanun et al. Numerical Study of Mass Transport and Electrochemical Kinetics inside Porous Structure Layers of PEMFC Using Direct Simulation Approach

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090716

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100713

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110816

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111007

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120110

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120123

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150217

Year of fee payment: 3

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 4924460

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150217

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees