JP2014206395A - Method of measuring deflection of diffusion layer and surface pressure value - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の拡散層に関する。 The present invention relates to a diffusion layer of a fuel cell.
燃料電池は、膜電極接合体とガスを拡散させるためのガス拡散層(単に「拡散層」とも呼ぶ。)とを備える。燃料電池は、複数積層されて積層方向両側から所定の圧縮荷重が加えられることで、燃料電池スタックを構成する。 The fuel cell includes a membrane electrode assembly and a gas diffusion layer (also simply referred to as “diffusion layer”) for diffusing gas. A plurality of fuel cells are stacked, and a predetermined compressive load is applied from both sides in the stacking direction to constitute a fuel cell stack.
ここで、燃料電池の性能や特性を評価するために、拡散層の撓み量等が用いられる場合がある(例えば、特許文献1)。 Here, in order to evaluate the performance and characteristics of the fuel cell, the amount of deflection of the diffusion layer may be used (for example, Patent Document 1).
特許文献1の技術では、燃料電池のガス拡散電極(本明細書では「拡散層」に相当)に用いられる炭素繊維シートの撓み量を、曲げ強度測定時の破断時の撓み量として求めている。
In the technique of
しかしながら、金属材などと異なり、拡散層は異方性を有し、かつ、多孔質部材(発泡材)であるため、曲げ強度を用いた撓み量の測定方法によっては撓み量を正確に算出できない場合がある。 However, unlike a metal material or the like, the diffusion layer has anisotropy and is a porous member (foaming material), so that the amount of deflection cannot be accurately calculated by a method of measuring the amount of deflection using bending strength. There is a case.
上記のごとく、拡散層の撓み量を精度良く算出できる技術が望まれている。また、燃料電池の性能や特性を評価するために、拡散層の撓み量に代えて、拡散層の種々の物性値や特性を表す指標値を精度良く算出できる技術が望まれている。種々の物性値や特性を表す指標値としては、例えば、拡散層を燃料電池スタックの一構成部材とした場合に、拡散層に加えられる面圧値が挙げられる。また、燃料電池においては、部品点数を抑制することや、製造工程を簡素化することや、製造コストを低減すること等が望まれていた。 As described above, a technique that can accurately calculate the amount of deflection of the diffusion layer is desired. In addition, in order to evaluate the performance and characteristics of the fuel cell, there is a demand for a technique that can accurately calculate index values representing various physical property values and characteristics of the diffusion layer instead of the deflection amount of the diffusion layer. Examples of index values representing various physical property values and characteristics include surface pressure values applied to the diffusion layer when the diffusion layer is a constituent member of the fuel cell stack. Further, in the fuel cell, it has been desired to suppress the number of parts, simplify the manufacturing process, reduce the manufacturing cost, and the like.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、拡散層の撓み量を測定する方法が提供される。この方法は、(a)前記拡散層の剛性マトリックスを設定する工程と、(b)工程(a)で設定した前記剛性マトリックスを用いて、前記拡散層に圧縮荷重を加えた際のひずみを計算する工程と、(c)工程(a)で設定した前記剛性マトリックスを用いて、前記拡散層に引張荷重を加えた際のひずみを計算する工程と、(d)工程(b)および工程(c)の計算結果と、前記拡散層の圧縮試験および引張試験の試験結果を比較して、前記剛性マトリックスを最適化する工程と、(e)予め定めた実験計画に従って、前記工程(d)によって最適化した前記剛性マトリックスを有限要素法に適用して前記撓み量を複数計算する工程と、(f)前記工程(e)によって計算された複数の前記撓み量に基づいて応答曲面を作成する工程と、(g)前記応答曲面に基づいて、前記撓み量を計算するための計算式を作成する工程とを備える。この形態の方法によれば、作成した計算式を用いて撓み量をより正確に算出できる。 (1) According to one aspect of the present invention, a method for measuring the amount of deflection of a diffusion layer is provided. In this method, (a) a step of setting a rigidity matrix of the diffusion layer, and (b) a strain when a compressive load is applied to the diffusion layer is calculated using the rigidity matrix set in step (a). (C) a step of calculating strain when a tensile load is applied to the diffusion layer using the rigidity matrix set in step (a), (d) step (b) and step (c) ) And the results of compression test and tensile test of the diffusion layer to optimize the stiffness matrix, and (e) optimized by the step (d) according to a predetermined experimental plan Applying a plurality of the deflection amounts by applying the converted stiffness matrix to the finite element method, and (f) creating a response surface based on the plurality of deflection amounts calculated in the step (e). , (G) Based on the serial response surface, and a step of creating a formula for calculating the deflection amount. According to the method of this embodiment, the amount of deflection can be calculated more accurately using the created calculation formula.
(2)本発明の他の一形態によれば、拡散層に加わる面圧値を測定する方法が提供される。この方法は、(a)前記拡散層の剛性マトリックスを設定する工程と、(b)工程(a)で設定した前記剛性マトリックスを用いて、前記拡散層に圧縮荷重を加えた際のひずみを計算する工程と、(c)工程(a)で設定した前記剛性マトリックスを用いて、前記拡散層に引張荷重を加えた際のひずみを計算する工程と、(d)工程(b)および工程(c)の計算結果と、前記拡散層の圧縮試験および引張試験の試験結果を比較して、前記剛性マトリックスを最適化する工程と、(e)予め定めた実験計画に従って、前記工程(d)によって最適化した前記剛性マトリックスを有限要素法に適用して前記面圧値を複数計算する工程と、(f)前記工程(e)によって計算された複数の前記面圧値に基づいて応答曲面を作成する工程と、(g)前記応答曲面に基づいて、前記面圧値を計算するための計算式を作成する工程と、を備える。この形態の方法によれば、作成した計算式を用いて面圧値をより正確に算出できる。 (2) According to another aspect of the present invention, a method for measuring a surface pressure value applied to a diffusion layer is provided. In this method, (a) a step of setting a rigidity matrix of the diffusion layer, and (b) a strain when a compressive load is applied to the diffusion layer is calculated using the rigidity matrix set in step (a). (C) a step of calculating strain when a tensile load is applied to the diffusion layer using the rigidity matrix set in step (a), (d) step (b) and step (c) ) And the results of compression test and tensile test of the diffusion layer to optimize the stiffness matrix, and (e) optimized by the step (d) according to a predetermined experimental plan A step of calculating a plurality of the surface pressure values by applying the converted stiffness matrix to a finite element method, and (f) generating a response surface based on the plurality of surface pressure values calculated in the step (e). Process (g) Based on the serial response surface, and a step of creating a formula for calculating the surface pressure value. According to the method of this embodiment, the surface pressure value can be calculated more accurately using the created calculation formula.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、拡散層の撓み量や拡散層に加わる面圧値などの拡散層に関する物性値や指標値を測定する方法、測定する方法を用いて設計された拡散層や燃料電池等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, for example, a method for measuring physical property values and index values related to the diffusion layer such as the amount of deflection of the diffusion layer and the surface pressure applied to the diffusion layer, and the like. It can be realized in the form of a diffusion layer or a fuel cell designed by using the method.
次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A.第1実施形態
B.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order.
A. First Embodiment B. Variations:
A.第1実施形態:
A−1.燃料電池の構成および撓み量について:
図1は、燃料電池10の撓み量Daについて説明するための図である。燃料電池10は、膜電極接合体16をガス拡散層14、15で挟持した上で、アノード側セパレーター12、および、カソード側セパレーター17で挟持することによって構成されている。
A. First embodiment:
A-1. Fuel cell configuration and deflection:
FIG. 1 is a diagram for explaining a deflection amount Da of the
膜電極接合体16は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、電極触媒層としてのアノードとカソードを接合することによって構成されている。アノードおよびカソードは、例えば白金、あるいは白金合金等の触媒を担持したカーボンをアイオノマー(電解質樹脂)で保持した構成である。
The
ガス拡散層14,15は、異方性を有すると共に、多孔質部材(発泡材)によって形成されている。ガス拡散層14,15は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、発泡金属によって形成され、対応する電極にガスを拡散透過する。
The
アノード側セパレーター12は、膜電極接合体16のアノード側に配置され、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路13を備える。カソード側セパレーター17は、膜電極接合体16のカソード側に配置され、酸素を含有する酸化ガス(本実施形態では、空気)を流すセル内酸化ガス流路18を備える。これらセパレーター12,17は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。
The anode-
燃料電池10は積層方向に複数積層され、積層方向の両側から所定の圧縮荷重F1が加えられることで燃料電池スタックが形成される。圧縮荷重F1が燃料電池10に加わると、ガス拡散層14,15がセパレーター12,17によって積層方向に圧縮される。これにより、セル内燃料ガス流路13内やセル内酸化ガス流路18内にガス拡散層14,15の一部が食い込み、ガス拡散層14,15が撓んだように変形する。この食い込み量を「撓み量Da」と呼ぶ。
A plurality of
A−2.関係式の作成フロー:
図2は、撓み量Daを算出する関係式(撓み関係式)の作成フローである。図3は、ガス拡散層14,15の引張計算及び引張試験の結果を示す図である。図4は、ガス拡散層14,15の圧縮計算及び圧縮試験の結果を示す図である。図5は、ガス拡散層14,15の材料特性を示す図である。図6は、ステップS8で用いる実験計画を示す図である。ここで、引張計算は、ガス拡散層14,15の厚み方向と直交する方向に応力をかけた際の拡散層14,15の伸度を計算する。また、圧縮計算は、拡散層14,15の厚み方向に圧縮荷重(面圧)を加えた際の拡散層14,15の厚さを計算する。図2〜図6を用いて、撓み量Daを精度良く算出するための関係式の作成方法について説明する。
A-2. Relational expression creation flow:
FIG. 2 is a flow of creating a relational expression (deflection relational expression) for calculating the deflection amount Da. FIG. 3 is a diagram showing the results of the tensile calculation and the tensile test of the
図2に示すように、ステップS2〜S6の工程を行うことで拡散層14,15の剛性マトリックスの最適化を行う。詳細には、ステップS2〜S5を行うことで、拡散層14,15の異方性弾性物性の9変数のうち、E11,E22,G12,ν13の4変数と、発泡弾性特性を3次関数で定義するための係数である3変数の合計7変数を最適化する。すなわち、ステップS2〜S6の工程を行うことで、拡散層14,15の特性を最も代表する上記7変数が特定される。 As shown in FIG. 2, the stiffness matrix of the diffusion layers 14 and 15 is optimized by performing the steps S2 to S6. Specifically, by performing steps S2 to S5, among the nine variables of the anisotropic elastic properties of the diffusion layers 14 and 15, the four variables E11, E22, G12, and ν13 and the foaming elastic characteristics are expressed by a cubic function. A total of seven variables of three variables, which are coefficients for definition, are optimized. That is, by performing the processes of steps S2 to S6, the above seven variables that best represent the characteristics of the diffusion layers 14 and 15 are specified.
・発泡弾性特性に関する3変数について:
発泡弾性特性の3次関数は、以下の式(1)によって表される。
(式1)
σ=X×(A1×ε3−A2×ε2+A3×ε) (1)
ここで、σは応力、Xは係数、A1〜A3は変数、εは歪である。
・ Three variables related to foam elastic properties:
The cubic function of the foam elastic property is represented by the following formula (1).
(Formula 1)
σ = X × (A1 × ε 3 −A2 × ε 2 + A3 × ε) (1)
Here, σ is stress, X is a coefficient, A1 to A3 are variables, and ε is strain.
上記式(1)において、X×A1と、X×A2と、X×A3とが3変数となる。ここで、上記式(1)において、Xは、基準となる標準的な発泡弾性特性を有する拡散層14,15を用いる場合は、1.0となる。すなわち、撓み量Daを算出するための関係式を作成するために用いた拡散層14,15の係数Xは1.0に設定される。なお、係数Xは、拡散層14,15の発泡弾性特性が異なることで異なる値となる。例えば、歪み易さの程度によって、1.0よりも小さい値や1.0よりも大きい値をとる。 In the above equation (1), X × A1, X × A2, and X × A3 are three variables. Here, in the above formula (1), X is 1.0 when the diffusion layers 14 and 15 having standard foaming elastic characteristics as a reference are used. That is, the coefficient X of the diffusion layers 14 and 15 used to create the relational expression for calculating the deflection amount Da is set to 1.0. The coefficient X has different values due to the different foaming elastic characteristics of the diffusion layers 14 and 15. For example, the value is smaller than 1.0 or larger than 1.0 depending on the degree of distortion.
まず、拡散層14,16の剛性マトリックスのうちの任意の上記7変数を設定する(ステップS2)。次に、引張計算と圧縮計算とを行う(ステップS3,4)。具体的には、ステップS3では、ステップS2において設定した剛性マトリックスを用いて、拡散層14,15に引張荷重を加えた際の拡散層14,15のひずみを計算する。また、ステップS4では、ステップS2において設定した剛性マトリックスを用いて、拡散層14,15に圧縮荷重を加えた際の拡散層14,15のひずみを計算する。 First, the above seven variables of the stiffness matrix of the diffusion layers 14 and 16 are set (step S2). Next, tensile calculation and compression calculation are performed (steps S3 and S4). Specifically, in step S3, the strain of the diffusion layers 14 and 15 when a tensile load is applied to the diffusion layers 14 and 15 is calculated using the stiffness matrix set in step S2. In step S4, the strain of the diffusion layers 14 and 15 when a compressive load is applied to the diffusion layers 14 and 15 is calculated using the stiffness matrix set in step S2.
次に、ステップS3,4で求めた計算結果と、拡散層14,15を用いて実際に引張試験と圧縮試験を行った試験結果とを比較し、試験結果と計算結果との差が十分小さいか否かを判定する(ステップS5)。例えば、引張計算の計算結果と、引張試験の試験結果との差が所定値(例えば5%)以下であるか否か、かつ、圧縮計算の計算結果と、圧縮試験の試験結果との差が所定値(例えば5%)以下であるか否かを判定する。例えば、図3に示すような引張計算と引張試験との結果をプロットしたグラフと、図4に示すような圧縮計算と圧縮試験の結果をプロットしたグラフとを作成し、計算結果と試験結果とを比較することで判定する。 Next, the calculation result obtained in steps S3 and S4 is compared with the test result obtained by actually performing the tensile test and the compression test using the diffusion layers 14 and 15, and the difference between the test result and the calculation result is sufficiently small. Is determined (step S5). For example, whether the difference between the calculation result of the tensile calculation and the test result of the tensile test is a predetermined value (for example, 5%) or less, and the difference between the calculation result of the compression calculation and the test result of the compression test is It is determined whether or not it is a predetermined value (for example, 5%) or less. For example, a graph plotting the results of the tensile calculation and the tensile test as shown in FIG. 3 and a graph plotting the compression calculation and the results of the compression test as shown in FIG. 4 are created. It is determined by comparing.
試験結果と計算結果との差が所定値より大きい場合は(ステップS5:NO)、再度ステップS2において剛性マトリックスの7変数を設定する。一方、試験結果と計算結果との差が所定値以下である場合は(ステップS5:YES)、ステップS5の条件を満たす7変数を、拡散層14,15の特性を最も代表する7変数として特定する(ステップS6)。 If the difference between the test result and the calculation result is larger than the predetermined value (step S5: NO), the seven variables of the stiffness matrix are set again in step S2. On the other hand, when the difference between the test result and the calculation result is equal to or less than the predetermined value (step S5: YES), the seven variables that satisfy the condition of step S5 are specified as the seven variables that most representatively represent the characteristics of the diffusion layers 14 and 15. (Step S6).
図5には、ステップS6によって特定された異方性弾性物性を示している。図5に示す異方性弾性物性のうち、E11,E22,E33は、互いに直交する3方向のヤング率を表している。E22は、拡散層14,15の厚み方向(Y軸方向)のヤング率である。また、異方性弾性物性のうち、ν12,ν13,ν23は、互いに直交する3方向のポアソン比を表している。ν13は、拡散層14,15の厚み方向のポアソン比である。また、異方性弾性物性のうち、G12,G13,G23は、互いに直交する3方向のせん断剛性(剛性率)を表している。G13は、拡散層14,15の厚み方向のポアソン比である。また、図5には、最適化された3変数を用いて表される式(1)を適用して計算した応力と歪の関係を示している。 FIG. 5 shows the anisotropic elastic properties specified in step S6. Of the anisotropic elastic properties shown in FIG. 5, E11, E22, and E33 represent Young's moduli in three directions orthogonal to each other. E22 is the Young's modulus in the thickness direction (Y-axis direction) of the diffusion layers 14 and 15. Of the anisotropic elastic properties, ν12, ν13, and ν23 represent Poisson's ratios in three directions orthogonal to each other. ν13 is the Poisson's ratio in the thickness direction of the diffusion layers 14 and 15. Of the anisotropic elastic properties, G12, G13, and G23 represent shear rigidity (rigidity) in three directions orthogonal to each other. G13 is the Poisson's ratio in the thickness direction of the diffusion layers 14 and 15. FIG. 5 shows the relationship between stress and strain calculated by applying Expression (1) expressed using optimized three variables.
図2に示すように、ステップS6の後に、予め定めた実験計画に従って、特定(最適化)した剛性マトリックスを用いて有限要素法(FEM:Finite Element Method)による撓み量Daを複数計算する(ステップS8)。具体的には、図6に示すように、ステップS6によって特定された異方性弾性物性の4変数と、発泡弾性特性を模擬した3次式(上記式(1))の係数Xを3水準以上振って、有限要素法による撓み量Daを計算する。例えば、本実施形態では、図6に示すように、それぞれの因子を5水準振った実験計画表が用いられる。図6に示す実験計画表において、E11(a)〜E11(e)にはそれぞれ異なる値が設定され、E22(a)〜E22(e)にはそれぞれ異なる値が設定され、G12(a)〜G12(e)にはそれぞれ異なる値が設定され、ν13(a)〜ν13(e)にはそれぞれ異なる値が設定され、X(a)〜X(e)にはそれぞれ異なる値が設定される。 As shown in FIG. 2, after step S6, a plurality of deflection amounts Da by a finite element method (FEM) are calculated using a specified (optimized) stiffness matrix according to a predetermined experimental plan (step S6). S8). Specifically, as shown in FIG. 6, the four variables of the anisotropic elastic properties specified in step S6 and the coefficient X of the cubic equation (the above equation (1)) simulating foaming elastic properties are set at three levels. By shaking as described above, the deflection amount Da by the finite element method is calculated. For example, in this embodiment, as shown in FIG. 6, an experimental design table in which each factor is shaken by five levels is used. In the experimental design table shown in FIG. 6, E11 (a) to E11 (e) are set to different values, E22 (a) to E22 (e) are set to different values, and G12 (a) to Different values are set for G12 (e), different values are set for ν13 (a) to ν13 (e), and different values are set for X (a) to X (e).
図2に示すように、次に実験計画表(図6)のNo.1〜No.43のそれぞれについて算出した撓み量Daに基づいて応答曲面を作成する(ステップS10)。具体的には、剛性マトリックスの要素に基づいて生成されたパレメータ(本実施形態では、E11,X,X2、Co)に対する撓み量Daを表す応答曲面を作成する。次に、以下の式(2)の撓み関係式が、ステップS10で作成した応答曲面を最も表すように式(2)における「a」,「b」,「c」,「Co」を決定する(ステップS12)。本実施形態では、撓み関係式は、4項の関数で近似されている。なお、実験計画法は、中心複合計画、D最適計画、直交表などのいずれかを用いることができる。本実施形態では、実験計画法として中心複合計画を用いた。 Next, as shown in FIG. 1-No. A response curved surface is created based on the deflection amount Da calculated for each of 43 (step S10). Specifically, a response surface representing a deflection amount Da with respect to a parameter (E11, X, X 2 , Co in this embodiment) generated based on the elements of the stiffness matrix is created. Next, “a”, “b”, “c”, and “Co” in Expression (2) are determined so that the deflection relational expression of Expression (2) below most represents the response surface created in Step S10. (Step S12). In the present embodiment, the deflection relational expression is approximated by a function of four terms. As the experimental design method, any one of a central composite design, a D optimal design, an orthogonal table, and the like can be used. In the present embodiment, the central composite design is used as the experiment design method.
(式2)
Da=a×E11+b×X+c×X2+Co (2)
ここで、Daは撓み量、a,b,cはそれぞれ係数、Coは定数項である。
(Formula 2)
Da = a × E11 + b × X + c × X 2 + Co (2)
Here, Da is the amount of deflection, a, b, and c are coefficients, respectively, and Co is a constant term.
上記ステップS12において、係数a,b,cおよび定数項Coが定められることで、撓み関係式が作成される。 In step S12, the coefficients a, b, c and the constant term Co are determined, so that a deflection relational expression is created.
A−3.効果:
上記実施形態では、異方性弾性物性の4変数と、発泡弾性特性を3次関数で定義するための係数としての3変数とを最適化し、最適化した変数を実験計画に従って3水準以上振って応答曲面を作成している(ステップS2〜S10)。そして、応答曲面に基づいて撓み関係式を作成している(ステップS12)。これにより、作成した撓み関係式を用いて、拡散層14,15の撓み量Daをより正確に算出することができる。
A-3. effect:
In the above embodiment, the four variables of anisotropic elastic properties and the three variables as coefficients for defining the foam elastic properties by a cubic function are optimized, and the optimized variables are shaken by three or more levels according to the experimental plan. A response curved surface is created (steps S2 to S10). Then, a bending relational expression is created based on the response curved surface (step S12). Thereby, the bending amount Da of the diffusion layers 14 and 15 can be calculated more accurately using the created bending relational expression.
A−4.撓み関係式を用いた応用例:
上記のステップS2〜S12のフローを得て作成した撓み関係式を用いた応用例について以下に説明する。以下に示すように、撓み関係式を用いることで、拡散層14,15の特性(発泡弾性特性の指標となる係数Xや、ヤング率)ごとの撓み量Daを算出することができる。これにより、撓み量Daを所定値以下に抑制した拡散層14,15を容易に設計できる。
A-4. Examples of applications using flexural relations:
An application example using the bending relational expression created by obtaining the flow of steps S2 to S12 will be described below. As shown below, by using a deflection relational expression, it is possible to calculate the deflection amount Da for each characteristic of the diffusion layers 14 and 15 (coefficient X serving as an index of foaming elastic characteristics and Young's modulus). Thereby, the diffusion layers 14 and 15 in which the deflection amount Da is suppressed to a predetermined value or less can be easily designed.
A−4−1.第1の応用例:
図7は、第1の応用例を説明するための図である。図8は、撓み関係式に利用する図である。ここで、図7に示す撓み関係式は、多項式の項数を4項とした場合の関係式である。すなわち、図7に示す撓み関係式は、上記式(2)と同様の式である。また、図7には、係数a,b,cと、定数項Coに代入される数値を記載した表も示している。
A-4-1. First application example:
FIG. 7 is a diagram for explaining the first application example. FIG. 8 is a diagram used for a bending relational expression. Here, the bending relational expression shown in FIG. 7 is a relational expression when the number of terms of the polynomial is four. That is, the bending relational expression shown in FIG. 7 is the same as the expression (2). FIG. 7 also shows a table in which the coefficients a, b, and c and the numerical values substituted into the constant term Co are described.
図8は、拡散層14,15の厚さ方向に対し所定の面圧を加えた際の厚さの変化を示している。図8に示す基準サンプルは、図2に示すフローを用いて撓み関係式を決定する際に用いた拡散層14,15である。また、実サンプルは、実際に撓み量Daを計算するサンプルである。基準サンプルと実サンプルにおいて、図8に示す面圧と厚さの関係を求め、実サンプルが基準サンプルの何倍(X倍)であるかを算出する。すなわち、上記式(1)で基準サンプルと実サンプルを表した際の、実サンプルにおける係数Xが、図7に示す関係式の係数Xとなる。 FIG. 8 shows a change in thickness when a predetermined surface pressure is applied to the thickness direction of the diffusion layers 14 and 15. The reference samples shown in FIG. 8 are the diffusion layers 14 and 15 used when determining the bending relational expression using the flow shown in FIG. The actual sample is a sample for actually calculating the deflection amount Da. The relationship between the surface pressure and the thickness shown in FIG. 8 is obtained for the reference sample and the actual sample, and how many times (X times) the actual sample is the reference sample is calculated. That is, when the reference sample and the actual sample are represented by the above equation (1), the coefficient X in the actual sample becomes the coefficient X of the relational expression shown in FIG.
図9は、図7に示す撓み関係式によって表される係数X及びヤング率E11と、撓み量Daとの関係を示す図である。ここで、図9において、撓み量Daがハッチングの種類によって表されている。具体的には、撓み量Daが変化するごとに異なるハッチングが施され、図9において左下の領域のハッチングから右上の領域のハッチングに移動するごとに撓み量Daが減少している。撓み関係式を求めることで、図9に示すように、係数X及びヤング率E11と撓み量Daの関係が容易に算出できる。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the coefficient X and Young's modulus E11 represented by the deflection relational expression shown in FIG. 7 and the deflection amount Da. Here, in FIG. 9, the deflection amount Da is represented by the type of hatching. Specifically, a different hatching is applied each time the deflection amount Da changes, and the deflection amount Da decreases each time it moves from the hatching in the lower left region to the hatching in the upper right region in FIG. By obtaining the deflection relational expression, as shown in FIG. 9, the relationship between the coefficient X, the Young's modulus E11, and the deflection amount Da can be easily calculated.
A−4−2.第2の応用例:
図10は、第2の応用例における撓み関係式を示した図である。ここで、図10は、撓み関係式の項数を8項とした場合の関係式を示している。また、図10には併せて各項の係数(a1〜g1)および定数項の値を示している。図10に示す撓み関係式は、応答曲面を8項の関数で近似することで作成される(図2のステップS12)。撓み関係式の項数を多くすることで、撓み量Daをより正確に算出するための撓み関係式を作成できる。なお、撓み関係式を項数としては5〜8項が好ましい。
A-4-2. Second application example:
FIG. 10 is a diagram showing a bending relational expression in the second application example. Here, FIG. 10 shows a relational expression when the number of terms of the bending relational expression is eight. FIG. 10 also shows the coefficients (a1 to g1) of each term and the values of constant terms. The deflection relational expression shown in FIG. 10 is created by approximating the response surface with a function of 8 terms (step S12 in FIG. 2). By increasing the number of terms in the bending relational expression, it is possible to create a bending relational expression for calculating the bending amount Da more accurately. It should be noted that the number of terms in the deflection relational expression is preferably 5-8 terms.
図11は、図10に示す撓み関係式によって表される係数X及びヤング率E11と、撓み量Daとの関係を示す図である。ここで、図11は、図9と同様に、撓み量Daがハッチングの種類によって表されている。具体的には、撓み量Daが変化するごとに異なるハッチングが施され、図11において左下の領域のハッチングから右上の領域のハッチングに移動するごとに撓み量Daが減少している。図11に示す図を用いることで、例えば、係数Xとヤング率E11がどの範囲の拡散層14,15であれば、撓み量Daを所定値以下にできるかを容易に判定できる。例えば、拡散層14,15の撓み量Daを70μm以下に抑えたい場合は、図11に示す境界線よりも矢印で示す側の係数Xとヤング率E11をとる拡散層14,15を採用すれば良い。 FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the coefficient X and Young's modulus E11 represented by the deflection relational expression shown in FIG. 10 and the deflection amount Da. Here, in FIG. 11, similarly to FIG. 9, the deflection amount Da is represented by the type of hatching. Specifically, a different hatching is applied every time the deflection amount Da changes, and the deflection amount Da decreases each time it moves from the hatching in the lower left region to the hatching in the upper right region in FIG. By using the diagram shown in FIG. 11, for example, in which range of diffusion layers 14 and 15 the coefficient X and the Young's modulus E11 can determine whether the deflection amount Da can be a predetermined value or less. For example, when it is desired to suppress the deflection amount Da of the diffusion layers 14 and 15 to 70 μm or less, the diffusion layers 14 and 15 that take the coefficient X and the Young's modulus E11 on the side indicated by the arrow from the boundary shown in FIG. good.
A−4−3.第3の応用例:
図12は、第3の応用例における撓み関係式を示した図である。ここで、図12は、図2に示す撓み関係式の項数を11項とした場合の関係式を示している。また、図12には併せて各項の係数(a2〜j2)および定数項の値を示している。図12に示す撓み関係式は、応答曲面を11項の関数で近似することで作成される(図2のステップS12)。
A-4-3. Third application example:
FIG. 12 is a diagram showing a bending relational expression in the third application example. Here, FIG. 12 shows a relational expression when the number of terms in the bending relational expression shown in FIG. FIG. 12 also shows the coefficients (a2 to j2) of each term and the values of constant terms. The bending relational expression shown in FIG. 12 is created by approximating the response curved surface with a function of 11 terms (step S12 in FIG. 2).
図13は、図12に示す撓み関係式によって表される係数X及びヤング率E11と、撓み量との関係を示す図である。ここで、図13は、図9と同様に、撓み量Daがハッチングの種類によって表されている。具体的には、撓み量Daが変化するごとに異なるハッチングが施され、図13において左下の領域のハッチングから右上の領域のハッチングに移動するごとに撓み量Daが減少している。図13に示す図を用いることで、例えば、係数Xとヤング率E11がどの範囲の拡散層14,15であれば、撓み量Daを所定値以下にできるかを容易に判定できる。例えば、拡散層14,15の撓み量Daを70μm以下に抑えたい場合は、図11に示す境界線よりも矢印で示す側の係数Xとヤング率E11をとる拡散層14,15を採用すれば良い。 FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the coefficient X and Young's modulus E11 represented by the deflection relational expression shown in FIG. 12, and the amount of deflection. Here, in FIG. 13, similarly to FIG. 9, the deflection amount Da is represented by the type of hatching. Specifically, a different hatching is applied every time the deflection amount Da changes, and the deflection amount Da decreases each time it moves from the hatching in the lower left region to the hatching in the upper right region in FIG. By using the diagram shown in FIG. 13, for example, in which range of diffusion layers 14 and 15 the coefficient X and the Young's modulus E11 can determine easily whether the deflection amount Da can be a predetermined value or less. For example, when it is desired to suppress the deflection amount Da of the diffusion layers 14 and 15 to 70 μm or less, the diffusion layers 14 and 15 that take the coefficient X and the Young's modulus E11 on the side indicated by the arrow from the boundary shown in FIG. good.
B.変形例:
B−1.第1変形例:
上記実施形態では、図2に示すフローを用いて撓み量Daを求める関係式を作成したが、図2に示すフローを用いて、拡散層14,15を燃料電池スタックに組み付けた際の面圧値を求める関係式を作成しても良い。面圧値を求める関係式を作成する場合は、図2に示すステップS8において、撓み量の計算に代えて面圧値を計算する。そして、ステップS10において作成した応答曲面に基づいて、ステップS12において面圧値の関係式を作成する。このように、図2のフローに従って、拡散層14,15に加えられる面圧値を計算するための関係式を作成することで、作成した計算式を用いて面圧値をより正確に算出できる。
B. Variations:
B-1. First modification:
In the above embodiment, the relational expression for obtaining the deflection amount Da was created using the flow shown in FIG. 2, but the surface pressure when the diffusion layers 14 and 15 are assembled to the fuel cell stack using the flow shown in FIG. You may create the relational expression which calculates | requires a value. When creating the relational expression for obtaining the surface pressure value, the surface pressure value is calculated instead of calculating the deflection amount in step S8 shown in FIG. Then, based on the response curved surface created in step S10, a relational expression of surface pressure values is created in step S12. In this manner, by creating a relational expression for calculating the surface pressure value applied to the diffusion layers 14 and 15 according to the flow of FIG. 2, the surface pressure value can be calculated more accurately using the created calculation formula. .
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
10…燃料電池
12…アノード側セパレーター
13…セル内燃料ガス流路
14,15…ガス拡散層
16…膜電極接合体
17…カソード側セパレーター
18…セル内酸化ガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (2)
(a)前記拡散層の剛性マトリックスを設定する工程と、
(b)工程(a)で設定した前記剛性マトリックスを用いて、前記拡散層に圧縮荷重を加えた際のひずみを計算する工程と、
(c)工程(a)で設定した前記剛性マトリックスを用いて、前記拡散層に引張荷重を加えた際のひずみを計算する工程と、
(d)工程(b)および工程(c)の計算結果と、前記拡散層の圧縮試験および引張試験の試験結果を比較して、前記剛性マトリックスを最適化する工程と、
(e)予め定めた実験計画に従って、前記工程(d)によって最適化した前記剛性マトリックスを用いて有限要素法による前記撓み量を複数計算する工程と、
(f)前記工程(e)によって計算された複数の前記撓み量に基づいて、前記剛性マトリックスの要素に基づいて生成されたパラメータに対する前記撓み量を表す応答曲面を作成する工程と、
(g)前記応答曲面に基づいて、前記撓み量を計算するための計算式を作成する工程と、を備える方法。 A method for measuring the amount of deflection of a diffusion layer of a fuel cell,
(A) setting a stiffness matrix of the diffusion layer;
(B) using the rigidity matrix set in step (a), calculating a strain when a compressive load is applied to the diffusion layer;
(C) using the rigidity matrix set in step (a), calculating a strain when a tensile load is applied to the diffusion layer;
(D) comparing the calculation results of step (b) and step (c) with the test results of the compression test and tensile test of the diffusion layer to optimize the stiffness matrix;
(E) calculating a plurality of deflection amounts by the finite element method using the stiffness matrix optimized in the step (d) according to a predetermined experimental plan;
(F) creating a response surface representing the amount of deflection for a parameter generated based on an element of the stiffness matrix based on the plurality of amounts of deflection calculated in step (e);
(G) A step of creating a calculation formula for calculating the deflection amount based on the response curved surface.
(a)前記拡散層の剛性マトリックスを設定する工程と、
(b)工程(a)で設定した前記剛性マトリックスを用いて、前記拡散層に圧縮荷重を加えた際のひずみを計算する工程と、
(c)工程(a)で設定した前記剛性マトリックスを用いて、前記拡散層に引張荷重を加えた際のひずみを計算する工程と、
(d)工程(b)および工程(c)の計算結果と、前記拡散層の圧縮試験および引張試験の試験結果を比較して、前記剛性マトリックスを最適化する工程と、
(e)予め定めた実験計画に従って、前記工程(d)によって最適化した前記剛性マトリックスを用いて有限要素法による前記面圧値を複数計算する工程と、
(f)前記工程(e)によって計算された複数の前記面圧値に基づいて、前記剛性マトリックスの要素に基づいて生成されたパラメータに対する前記撓み量を表す応答曲面を作成する工程と、
(g)前記応答曲面に基づいて、前記面圧値を計算するための計算式を作成する工程と、を備える方法。 A method for measuring a surface pressure value applied to a diffusion layer of a fuel cell,
(A) setting a stiffness matrix of the diffusion layer;
(B) using the rigidity matrix set in step (a), calculating a strain when a compressive load is applied to the diffusion layer;
(C) using the rigidity matrix set in step (a), calculating a strain when a tensile load is applied to the diffusion layer;
(D) comparing the calculation results of step (b) and step (c) with the test results of the compression test and tensile test of the diffusion layer to optimize the stiffness matrix;
(E) calculating a plurality of the surface pressure values by the finite element method using the stiffness matrix optimized in the step (d) according to a predetermined experimental plan;
(F) creating a response surface representing the amount of deflection with respect to a parameter generated based on an element of the stiffness matrix based on the plurality of surface pressure values calculated in the step (e);
(G) A step of creating a calculation formula for calculating the surface pressure value based on the response curved surface.
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