JP2015109165A

JP2015109165A - 燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法

Info

Publication number: JP2015109165A
Application number: JP2013250661A
Authority: JP
Inventors: 大甫林; Daisuke Hayashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-11

Abstract

【課題】十分な計算精度を確保しつつ計算速度を向上させて燃料電池スタックの３次元温度分布を予測することができる燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法を提供すること。【解決手段】この燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法は、燃料電池スタック１０の単位面積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量Ｅ１を、燃料電池スタックの幅方向、高さ方向、厚み方向の寸法を、それぞれＡ、Ｂ、Ｃとし、燃料電池スタック１０の上面及び下面からの熱伝達により放熱される熱量をそれぞれａ、燃料電池スタック１０の上面及び下面からの輻射により放熱される熱量をそれぞれｂとしたときに、２?（ａ＋ｂ）／（Ａ?Ｂ?Ｃ）の式によって計算される燃料電池スタック１０の単位体積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量Ｅ２に変換する工程を持つことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタック内の温度分布を２次元モデル化して予測する燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法に関する。

燃料電池は、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーへと変換する発電装置であり、環境に優しく、効率的な高発電力を有するために、新しい有望な電気エネルギー源として注目されている。

この燃料電池は、例えば、セル（単電池）が多数積層されている燃料電池本体及び燃料・空気通路、冷却管等より成る燃料電池スタックを備える。この燃料電池スタックでは、発電条件、環境温度、燃料電池スタックの部品構成等により、燃料電池スタック内に種々の温度分布が形成される。燃料電池スタック内の温度は、セルの発電性能、排水性能等に多大な影響を与えるため、燃料電池スタック内の温度分布を予測することが重要となる。

燃料電池スタック内の温度分布を予測する手法として、燃料電池スタックの温度分布を計算機シミュレーションで予測する方法が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。下記特許文献１に記載された計算機シミュレーションによれば、例えば有限要素法による３次元解析を行うことにより、燃料電池スタックの３次元温度分布を予測することができる。

特開２００４−０１４３３１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の３次元形状を模擬した計算機シミュレーションでは、メッシュの数が多くなってしまうため、計算速度が低くなってしまうおそれがあった。

一方、２次元形状の温度分布から、３次元形状の温度分布を予測するという考え方もある。しかしながら、２次元形状では、２次元化に伴い厚み方向の概念（上下面）がなくなるため、上下面からの輻射と熱伝達の影響を考慮することができない。このように、従来の燃料電池スタックの３次元温度分布を予測する手法では、十分な計算精度を確保しながら計算速度を向上させることが困難であった。

本発明の目的は、十分な計算精度を確保しながら計算速度を向上させて燃料電池スタックの３次元温度分布を予測することができる燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法は、燃料電池スタック内の温度分布を２次元モデル化して予測する燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法であって、前記燃料電池スタックの幅方向、高さ方向、厚み方向の寸法を、それぞれＡ、Ｂ、Ｃとし、前記燃料電池スタックを高さ方向の上方から見たときに見える面を上面とし、前記燃料電池スタックを高さ方向の下方から見たときに見える面を下面とし、前記上面及び前記下面から熱伝達により放熱される熱量をそれぞれａとし、前記上面及び前記下面から輻射により放熱される熱量をそれぞれｂとしたとき、前記燃料電池スタックの単位面積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量を、２×（ａ＋ｂ）／（Ａ×Ｂ×Ｃ）の式によって計算される前記燃料電池スタックの単位体積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量に変換する工程を持つことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法では、燃料電池スタックの単位面積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量を、燃料電池スタックの単位体積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量に変換する。このように、単位体積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量を２次元形状で考慮することにより、３次元形状の燃料電池スタックの上下面から熱伝達及び輻射により放熱される熱量と同等の現象を表現することができる。これにより、計算精度を確保しながら計算速度を向上させることができる。

本発明によれば、十分な計算精度を確保しながら計算速度を向上させて燃料電池スタックの３次元温度分布を予測することができる燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法を提供することができる。

燃料電池スタックの構成を説明するための図である。３次元形状の上面又は下面から放熱される熱量を、２次元形状で表現することを説明するための図である。３次元形状の燃料電池スタックを２次元モデル化した場合の、２次元モデル化精度について検証するための図である。実験結果とシミュレーション結果とを比較した図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施形態以外の他の実施形態を利用することができる。従って、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

図１は、燃料電池スタック１０の構成を説明するための図である。図１に示すように、燃料電池１は、燃料電池セル２を順次積層してセル積層体３等で構成される燃料電池スタック１０を備える。以下に示す実施形態においては、燃料電池スタック１０の幅方向がＡ方向に、燃料電池スタック１０の高さ方向がＢ方向に、燃料電池セル２の積層方向（厚み方向）がＣ方向に、それぞれ対応している。また、燃料電池スタック１０を図１の矢印P方向から見たときに見える面を燃料電池スタック１０の上面１０ａとし、図１の矢印Q方向から見たときに見える面を燃料電池スタック１０の下面１０ｂとする。

なお、このような燃料電池スタック１０等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。

続いて、図２を参照しながら本実施形態における燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法に用いられる計算方法について説明する。図２は、３次元形状の上面又は下面から熱伝達及び輻射により放熱される熱量を、２次元形状の平面に表現する方法について説明するための図である。なお、図２では説明の便宜のため、３次元形状を、幅Ａ×高さＢ×長さＣの直方体Ｓとし、２次元形状を、幅Ａ×長さＣの長方形Ｓ’として説明する。

本実施形態における燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法では、単位面積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量（単位面積当たりの熱逃げ量）Ｅ１と単位体積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量（単位体積当たりの熱逃げ量）Ｅ２とを算出する。以下では、これらの算出方法についての詳細を説明する。

（単位面積当たりの熱逃げ量Ｅ１）
図２の「３Ｄ形状」に表されるように、直方体Ｓの上面Ｓａ又は下面Ｓｂから熱伝達により放熱される熱量をそれぞれａ（Ｗ）、直方体Ｓの上面Ｓａ又は下面Ｓｂから輻射により放熱される熱量をそれぞれｂ（Ｗ）とすると、上面Ｓａから逃げる熱逃げ量（Ｗ）は、ａ＋ｂと表すことができる。したがって、単位面積当たりの熱逃げ量Ｅ１は、下記式（１）により算出することができる。
Ｅ１＝（ａ＋ｂ）／（Ａ×Ｃ）・・・（１）

（単位面積当たりの熱逃げ量Ｅ２）
上記ａ（Ｗ）及びｂ（Ｗ）を用いて、上面Ｓａ及び下面Ｓｂから逃げる熱逃げ量（Ｗ）は、２×（ａ＋ｂ）と表すことができるため、単位体積当たりの熱逃げ量Ｅ２は、下記式（２）により算出することができる。
Ｅ２＝２×（ａ＋ｂ）／（Ａ×Ｃ×Ｂ）・・・（２）

そして、図２の「２Ｄ形状」に表わされるように、上記式（２）により算出した単位体積当たりの熱逃げ量Ｅ２を、２次元形状の長方形Ｓ’で表現する。

以上のように、本実施形態によれば、単位体積当たりの熱逃げ量Ｅ２を２次元形状で考慮することにより、３次元形状における単位面積当たりの熱逃げ量Ｅ１と同等の現象を表現することができる。

図２を参照して説明した上記方法を利用し、他の熱逃げ（例えば、ＦＣＣ流れ（冷却液の流れ）によって放熱される熱量、燃料電池スタック１０の側面から放熱される熱量、セル発熱量等）についても考慮することにより、燃料電池スタック１０の３次元温度分布を、２次元平面の燃料電池スタック１０に表現することができる。以下では図３を参照しながら、燃料電池スタック１０の３次元温度分布を、２次元平面の燃料電池スタック１０に表現した場合の、２次元モデル化精度について検証する。

図３は、本実施形態における燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法を用いて、３次元形状の燃料電池スタック１０を２次元モデル化した場合の、２次元モデル化精度について検証するための図である。

２次元モデル化精度の検証では、所定値のＦＣＣ流量、ＦＣＣ入口温度、電流量、環境温度の条件下で、発電実験（以下、「実験」）と２次元モデル化した燃料電池スタック１０の計算機シミュレーション（以下、「計算」）とを行い、「実験」の温度分布と「計算」の温度分布とを比較する。「実験」の温度分布と「計算」の温度分布との比較は、図３に示される温度計測点６点（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点、Ｅ点、Ｆ点）で行う。なお、各温度計測点には、温度を計測するための図示しない温度センサが設けられる。

図３の温度計測点６点のうち、燃料電池スタック１０の略中央側にＡ点、Ｂ点、Ｃ点の３点が配置され、そのうちＡ点はＦＣＣ入口側、Ｂ点はＦＣＣ中央側、Ｃ点はＦＣＣ出口側の温度をそれぞれ計測するものである。一方、燃料電池スタック１０の端部側にＤ点、Ｅ点、Ｆ点の３点が配置され、そのうちＤ点はＦＣＣ入口側、Ｅ点はＦＣＣ中央側、Ｆ点はＦＣＣ出口側の温度をそれぞれ計測するものである。

続いて「実験」結果と「計算」結果の例を図４に示す。図４（Ａ）は、「実験」の結果と「計算」の結果とを比較したグラフである。図４（Ａ）のグラフの横軸は温度計測点を表し、図４（Ａ）のグラフの縦軸は燃料電池スタック１０内の温度（℃）を表している。

その結果、図４（Ａ）に表わされるように、「実験」結果と「計算」結果との最大誤差が約１℃であり、誤差の平均は約０．３℃以下であった。

計算機シミュレーションにおいては、誤差数℃以内であれば十分な計算精度であると認められるものであるため、以上の結果から、本実施形態における燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法は、十分な計算精度を確保して燃料電池スタック１０の温度分布を予測できることが確認された。

続いて図４（Ｂ）に、燃料電池スタック１０の温度分布を予測する場合に必要な計算時間として、３次元モデルによって計算した場合と、２次元モデルによって計算した場合とを比較した表を示す。

図４（Ｂ）に表わされるように、２次元モデル化して計算機シミュレーションを行う場合は、３次元モデルの計算機シミュレーションを行う場合よりも、メッシュ数を大幅に削減することができ、計算時間を短縮できることが確認された。

以上のように、本実施形態における燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法によれば、３次元形状の燃料電池スタック１０の温度分布を、２次元モデルの燃料電池スタック１０に表現することができる。このため、図４に表わされるように、十分な計算精度を確保しつつ計算速度を向上させて燃料電池スタック１０の３次元温度分布を予測することができる。その結果、燃料電池スタック１０内の数℃程度の温度分布に起因するトラブルの防止・対策が可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の実施形態でも実施することが可能である。

１：燃料電池
２：燃料電池セル
３：セル積層体
１０：燃料電池スタック
Ｅ１：単位面積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量（単位面積当たりの熱逃げ量）
Ｅ２：単位体積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量（単位体積当たりの熱逃げ量）

Claims

燃料電池スタック内の温度分布を２次元モデル化して予測する燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法であって、
前記燃料電池スタックの幅方向、高さ方向、厚み方向の寸法を、それぞれＡ、Ｂ、Ｃとし、
前記燃料電池スタックを高さ方向の上方から見たときに見える面を上面とし、
前記燃料電池スタックを高さ方向の下方から見たときに見える面を下面とし、
前記上面及び前記下面から熱伝達により放熱される熱量をそれぞれａとし、
前記上面及び前記下面から輻射により放熱される熱量をそれぞれｂとしたとき、
前記燃料電池スタックの単位面積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量を、２×（ａ＋ｂ）／（Ａ×Ｂ×Ｃ）の式によって計算される前記燃料電池スタックの単位体積当たりの熱伝達及び輻射により放熱される熱量に変換する工程を持つことを特徴とする燃料電池スタック熱分布シミュレーション方法。