JP5056731B2

JP5056731B2 - 多孔体モデル作成装置および多孔体モデル作成方法

Info

Publication number: JP5056731B2
Application number: JP2008302195A
Authority: JP
Inventors: 誠藤内; 忠司川本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: JP2010128746A

Description

本発明は、多孔体モデルを作成する多孔体モデル作成装置および多孔体モデル作成方法に関する。

複数の気孔（細孔とも称する）が形成された多孔構造を有する多孔体が、例えば、フィルタや電気二重層キャパシタ、燃料電池の触媒層や拡散層、撥水層など、種々の分野で利用されている。

多孔体は一般に、その気孔の大きさ（気孔径または気孔サイズとも称する。例えば触媒層に適用する場合には、気孔径が概ね０．０１〜１０００μｍ程度である）、気孔サイズ（径）に対する気孔の占める体積割合の連続的な分布（気孔サイズ（径）分布）、気孔サイズ（径）ごとの気孔の占める体積割合の頻度（気孔サイズ（径）頻度）、気孔部分を含む多孔体全体の体積に対する気孔の占める体積の割合（気孔率）などの諸条件により、流体の流通性や吸着性などに異なる特性を有することが知られており、所望する特性に応じた多孔体を作製するためのさまざまな手法および該多孔体の使用について開示されている。

特許文献１には、触媒の幾何形状モデルに変形解析を行う燃料電池用触媒層の解析装置について記載されている。

特許分献２には、セパレータの構造情報に基づいて水素流路の挙動や燃料電池の挙動を解析することについて記載されている。

特許文献３には、パラメータに基づいて燃料電池単セルの有限要素モデルを生成し、単セルの耐久性を評価することについて記載されている。

特許文献４には、電子顕微鏡により撮影した燃料電池用触媒層の画像から細孔を抽出し、触媒構造を解析することについて記載されている。

特許文献５には、２次元メッシュデータと法線方向データに基づいてモデル化した３次元メッシュを生成し、燃料電池を解析することについて記載されている。

特許文献６には、反応ガスの流通する上流部分と下流部分とで単セルに用いられる拡散層の平均気孔径を異ならせることについて記載されている。

特許文献７には、異なる２つのピークを有する気孔径分布を持つガス拡散層を備える燃料電池用電極について記載されている。

特開２００７−３２３８５２号公報特開２００７−０９５６２０号公報特開２００８−０９１３２９号公報特開２００４−１０２４６７号公報特開２００５−２５９０４３号公報特開２００７−０９５７１２号公報特開２０００−１８２６２６号公報

本発明は、気孔率および気孔サイズ分布などの気孔に関する情報に基づいて複数の粒状体からなる骨格を含む多孔体モデルを作成することを目的とする。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）複数の気孔と、前記気孔の外郭を構成する、複数の粒状体からなる骨格とを含む多孔体モデルを作成する装置であって、気孔率および気孔サイズ分布を含む多孔体情報を取得する多孔体情報取得手段と、取得した前記多孔体情報に基づいて、気孔サイズごとの気孔の割り当て数を算出する算出手段と、算出した気孔の割り当て数に基づいて、前記気孔の配置を、より大きな気孔サイズを有する気孔から順に決定する気孔配置決定手段と、配置させた前記気孔を除く箇所に前記複数の粒状体を配置する骨格配置手段と、を備える、多孔体モデル作成装置。

（２）上記（１）に記載の装置において、前記多孔体モデルが、粒状の炭素材料を含む燃料電池用触媒層モデルであり、割り当て数を算出した前記気孔の気孔サイズを、前記気孔と前記粒状体との界面に形成されるアイオノマの厚さに基づいて補正する気孔サイズ補正手段をさらに備える、多孔体モデル作成装置。

（３）上記（２）に記載の装置において、前記気孔の外側部分に、前記アイオノマの厚さに応じてアイオノマ層を配置するアイオノマ層配置手段をさらに備える、多孔体モデル作成装置。

（４）複数の気孔と、前記気孔の外郭を構成する、複数の粒状体からなる骨格とを含む多孔体モデルを作成する方法であって、気孔率および気孔サイズ分布を含む多孔体情報を取得する多孔体情報取得工程と、取得した多孔体情報に基づいて、気孔サイズごとの気孔の割り当て数を算出する算出工程と、算出した気孔の割り当て数に基づいて、前記気孔の配置を、より大きな気孔サイズを有する気孔から順に決定する気孔配置決定工程と、配置させた前記気孔を除く箇所に前記複数の粒状体を配置する骨格配置工程と、を含む、多孔体モデル作成方法。

（５）上記（４）に記載の方法において、前記多孔体モデルが、粒状の炭素材料を含む燃料電池用触媒層モデルであり、割り当て数を算出した前記気孔の気孔サイズを、前記気孔と前記粒状体との界面に形成されるアイオノマの厚さに基づいて補正する気孔サイズ補正工程をさらに含む、多孔体モデル作成方法。

（６）上記（５）に記載の方法において、前記気孔の外側部分に、前記アイオノマの厚さに応じてアイオノマ層を配置するアイオノマ層配置工程をさらに含む、多孔体モデル作成方法。

気孔に関する情報に応じた多孔体モデルを作成することができる。

以下、図面を用いて詳細に説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態における多孔体モデル作成装置および多孔体モデル作成システムの構成の概略について例示した図である。

図１に示す多孔体モデル作成装置５０は、多孔体情報取得部１０と、算出部１２と、気孔配置決定部１４と、骨格配置部１６と、をそれぞれ備える。多孔体モデル作成システム１００は、多孔体モデル作成装置５０に加え、多孔体モデル作成装置５０で用いられるデータを入力するための入力部１８と、作成された多孔体モデルを出力するための出力部２０と、を備える。本実施の形態では、入力部１８および出力部２０は、多孔体モデル作成装置５０とは別体の構成として示しているが、他の実施の形態として、入力部１８および出力部２０の一方または両方が多孔体モデル作成装置５０内部に組み込まれた構成とすることも可能である。以下、図１に示す多孔体モデル作成装置５０を用いた、複数の気孔を有する多孔体モデルの作成方法の一例について、図２を用いてさらに説明する。

図２は、本発明の実施の形態における多孔体モデル作成方法について例示したフローチャートである。

ステップＳ１００では、図１に示す多孔体情報取得部１０において、多孔体に関する情報（多孔体情報）を取得する。多孔体情報には例えば、気孔率および気孔サイズ分布などの気孔に関する情報が含まれるが、これらに限定されるものではなく、例えば多孔体の寸法に関する情報が含まれ得る。また、他の実施の形態として、例えば球状、柱状、錘状、粒状などの気孔の形状に関する情報を含んでも良い。本実施の形態において、多孔体情報は、例えば図１に示す入力部１８からのデータ入力により取得することが可能であるが、これに限定されるものではなく、例えばテキスト形式やｃｓｖ形式その他の適切なファイル形式に加工した、１または複数の多孔体情報データを読み込むことにより必要な気孔情報を取得することもできる。

ステップＳ１０２では、図１に示す算出部１２において、気孔サイズごとの気孔の割り当て数を算出する。より具体的には、例えば図１に示す多孔体情報取得部１０で取得した多孔体情報（気孔サイズ分布または気孔サイズ頻度、気孔を含む多孔体の全体積、気孔率）に基づいて気孔体積分布を算出することができ、さらにこの気孔体積分布と気孔サイズ分布または気孔サイズ頻度に基づいて、気孔サイズごとに気孔の割り当て数を演算し、算出することができる。ただし、算出の手法についてはこれに限定されるものではなく、ステップＳ１００で取得した情報およびファイルの形式に応じていかなる手法を用いても良い。

ステップＳ１０４では、図１に示す気孔配置決定部１４において、気孔の配置を決定する。より具体的には、例えば図１に示す算出部１２で算出した、気孔サイズごとの気孔の割り当て数に基づき、予め設定しておいた所定の手順にしたがって気孔の配置を決定する。以下、気孔の配置を決定する手順の一例について、図３を用いてさらに説明する。

図３は、図２に示す気孔の配置を決定するステップＳ１０４についてより詳細に説明するためのフローチャートである。図３に示すように、ステップＳ１０４は、ステップＳ１０４ａ，Ｓ１０４ｂ，Ｓ１０４ｃ，Ｓ１０４ｄを含む複数のステップから構成されており、各ステップにおいてそれぞれ、気孔サイズごとに気孔の配置を決定していく。

図３に示すステップＳ１０４ａにおける各工程について説明する。ここでは、ステップＳ１０４にて配置させる各気孔を、所定の気孔径を有する球状として設定した場合を例に挙げてその一例につき説明する。

ステップＳ１０４０では、気孔径ａを有する気孔を配置する。このとき、気孔の配置は乱数で任意に指定することができる。より具体的には、３次元座標上に気孔の中心点をランダムに配置し、その周囲に所定の直径ａの球を描くことで気孔が配置される。

ステップＳ１０４２では、ステップＳ１０４０で配置させた気孔が、隣り合う気孔と所定の間隔φ（図４参照）で配置されたか否かを判定する。このとき、図４に例示するように、隣り合う気孔との間隔Ｌが所定の値φに等しい場合には、そのままステップＳ１０４６にすすみ、ステップＳ１０４０にて配置させた箇所にて気孔の配置が決定する。一方、隣り合う気孔との間隔Ｌが所定の値φよりも小さい場合（図５ａ参照）や、大きい場合（図５ｂ参照）には、ステップＳ１０４０に戻り、気孔を再配置させる。これに対し、隣り合う気孔同士が重なり合う場合には、ステップＳ１０４４にすすむ。

ステップＳ１０４４では、重なり部分を大円または直径とする球または円を作成したとき、その直径ｄが、所定の値ｍ以上か否かを判定する。直径ｄが、ｍ以上であれば（図６参照）、ステップＳ１０４６にすすみ、気孔の配置が決定する。ただし、かかる場合には、隣り合う気孔との重なり部分を大円とする、直径ｄの球Ｓに相当する気孔径を有する気孔が配置されたものとみなし、図２に示すステップＳ１０２で算出した、気孔径ｄを有する気孔の割り当て数から１を減ずる。これに対し、重なり部分に作成される球の直径ｄが、ｍ未満である場合には、ステップＳ１０４０に戻り、気孔を再配置させる。

本実施の形態において、値ｍは、図２に示すステップＳ１００において取得した多孔体情報のうち、気孔径分布または気孔径頻度に示された気孔のうち、最小の直径とすることができ、例えば０．０１ｎｍ程度に設定することができる。また、値φは、多孔体を構成する、後述する粒状体の直径と同じか、やや大きい程度の値に設定することができ、例えば３０〜５０ｎｍ程度に設定することができる。このように、ｍ、φの値をそれぞれ上述のように規定し、所定の範囲に設定することにより、複数の粒状体が所定の空孔サイズ分布となるように分散された多孔体を精度よく再現することができる。

ステップＳ１０４ａにおいて、気孔径ａを有する気孔の配置を決定すると、ステップＳ１０４ｂに進み、気孔径ｂを有する気孔の配置を決定する。ステップＳ１０４ｂにおける気孔の配置を決定する手法については、ステップＳ１０４ａとほぼ同様であり、その説明を省略する。さらに、作成対象となる多孔体モデルにおける気孔径分布または気孔径ごとの頻度に応じて、ステップＳ１０４ｃ、Ｓ１０４ｄのように気孔の配置がすべて決定するまでさらに繰り返される。本実施の形態において、複数の気孔を適切に配置させるために、より大きな気孔径を有する気孔から順に、つまり気孔径ａ＞ｂ＞ｃ＞ｄとなるように配置を順に決定する。このようにして、ステップＳ１０４における気孔の配置の決定が終了すると、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０４終了時点での多孔体モデルの概念図を図７に示す。

図２に戻り、ステップＳ１０６では、図１に示す骨格配置部１６において、ステップＳ１０４で配置を決定した気孔の外郭を構成する骨格を、気孔を除く箇所に配置させる。より具体的には、所定の粒子直径を有する粒状体Ｂを、まず気孔との界面部分から、所定の重なり幅α（図８参照）を保持しつつ順に配置させる。本ステップにおいて配置させる骨格または粒状体Ｂは、触媒層を構成する、黒鉛やカーボンブラックなどの炭素材料であって、例えば平均粒子直径が２０〜３０μｍ程度のものを想定しているが、これに限定されるものではない。

ステップＳ１０８では、図１に示す出力部１８において、多孔体モデルを出力する。より具体的には、図１に示す気孔配置決定部１４で決定した気孔の配置および骨格配置部１６で配置した骨格に基づいて、予め設定した寸法および材質の多孔体モデルを出力ファイルとして出力する。出力する方式に特に制限はなく、例えば公知のＣＡＤデータ（ファイル形式としては、「.step」、「.igs」、「.catpart」、その他いかなる形式のものであっても良い）として、例えば作成した多孔体モデルの応力、歪みなどの物理的／機械的な挙動、水分や水素、酸素などの流体の流通する挙動、さらに熱や電荷の移動／伝達などの挙動、その他の解析またはシミュレーションしようとする用途や、その解析またはシミュレーションで使用されるシミュレーション用のソフトまたはプログラムに応じた適切な方式にて出力することができる。また、ディスプレイ上に表示画面として出力しても良く、紙面などの被印刷体上に印刷物として出力しても良い。また、さらに別の実施の形態として、図２に示すステップＳ１０２にて算出した、気孔径ごとの割り当て数に関する情報を含む多孔体モデル情報をデータファイルとして出力することも好適であり、例えばステップＳ１００における多孔体情報を修正し、別の多孔体情報を有する多孔体モデルを作成する際の参照データとすることもできる。

本実施の形態により完成した多孔体モデルの概念図を図９に示す。なお、図７，９では、多孔体モデルを２次元の平面形状として図示している。図２に示すステップＳ１０８で出力する多孔体モデルを３次元形状として作成するか、２次元形状として作成するかの判断は、後工程において必要とする多孔体モデルに依存してよく、これに応じて、例えば図１に示す出力部２０を含む各装置の規格またはスペックを適宜設定し、配置することができる。

本発明の実施の形態によれば、複数の粒状体が所定の空孔サイズ分布となるように分散された多孔体を精度よく再現した多孔体モデルを作成することができる。

［実施の形態２］
図１０は、本発明の他の実施の形態における多孔体モデル作成装置および多孔体モデル作成システムの構成の概略について例示した図である。

図１０に示す多孔体モデル作成装置１５０は、多孔体情報取得部３０と、算出部３２と、気孔サイズ補正部３４と、気孔配置決定部３６と、骨格配置部３８と、アイオノマ層配置決定部４０と、をそれぞれ備える。多孔体モデル作成システム２００は、多孔体モデル作成装置１５０に加え、多孔体モデル作成装置１５０で用いられるデータを入力するための入力部４２と、作成された多孔体モデルを出力するための出力部４４と、を備える。本実施の形態では、入力部４２および出力部４４は、多孔体モデル作成装置１５０とは別体の構成として示しているが、他の実施の形態として、入力部４２および出力部４４の一方または両方が多孔体モデル作成装置１５０内部に組み込まれた構成とすることも可能である。以下、図１０に示す多孔体モデル作成装置１５０を用いた、複数の気孔を有する多孔体モデルの作成方法の一例について、図１１を用いてさらに説明する。

図１１は、本発明の実施の形態における多孔体モデル作成方法について例示したフローチャートである。

ステップＳ２００では、図１０に示す多孔体情報取得部３０において、多孔体に関する情報（多孔体情報）を取得する。次に、ステップＳ２０２では、図１０に示す算出部３２において、気孔サイズごとの気孔の割り当て数を算出する。上記ステップはそれぞれ、図２に示すステップＳ１００，１０２とほぼ同様であるため、その説明を省略する。

ステップＳ２０６では、図１０に示す気孔配置決定部３６において、気孔の配置を決定する。より具体的には、例えば図１０に示す算出部３２で算出した、気孔サイズごとの気孔の割り当て数に基づき、予め設定しておいた所定の手順にしたがって気孔の配置を決定する。気孔の配置を決定する具体的な手順については、図２，３に示すステップＳ１０４とほぼ同様であるが、気孔サイズとして、ステップＳ２０４で補正した値を適用する点で相違する。なお、本ステップは、ステップＳ２０４と連動する場合も多く、場合によってはほぼ同時に実行される場合もあり得る。

ステップＳ２０４では、図１０に示す気孔サイズ補正部３４において、気孔サイズを補正する。より具体的には、例えばナフィオン（登録商標）などの電解質溶液を、触媒を担持させた粒形状の炭素材料と混合または懸濁し、所定の厚さに塗工し、乾燥させて得られる触媒層では一般に、骨格を形成する炭素材料と気孔との界面に、アイオノマ層とも称される電解質層が形成される。このアイオノマ層に相当する厚みを作成する多孔体モデルにおいて考慮し気孔の外周面に付加するために、本ステップにおいて予め気孔サイズを補正しておく。

ステップＳ２０８では、図１０に示す骨格配置部３８において、ステップＳ２０６で配置を決定した気孔の外郭を構成する骨格を、気孔およびアイオノマ層を除く箇所に配置させる。本ステップは図２に示すステップＳ１０６とほぼ同様であるため、その説明を省略する。ステップＳ２０８終了時点での多孔体モデルの概念図を、後述するアイオノマ層の配置の手法１および４（または５）を適用した場合を例としてそれぞれ図１２，１３に示す。

ステップＳ２１０では、図１０に示すアイオノマ層配置決定部４０において、アイオノマ層の配置を決定する。より具体的には、ステップＳ２０４で気孔サイズを補正し、ステップＳ２０６で気孔の周囲に配置したアイオノマ層に対応するように、ステップＳ２０８で配置した粒状体の外周部分にアイオノマ層を配置し、決定する。本ステップにおけるアイオノマ層の配置の手法は一つでなく、ステップＳ２０４における気孔サイズの補正からの一連のステップとして適宜好適な手法を適用することができる。以下、代表的なアイオノマ層の配置の手法について、ステップＳ２０４における気孔サイズの補正の手法とともに説明する。

［アイオノマ層の配置の手法１］
各気孔の外周部分に形成されるアイオノマ層が、所定の厚みδで均一に形成されたものとみなして補正し、配置する。より具体的には、（１）図１１に示すステップＳ２０２で算出した、気孔サイズと割り当て数との関係から、それぞれの気孔サイズにつき、所定の厚みδに相当する分だけ大きな気孔サイズを有するとして読み替える。（２）読み替えた気孔サイズに基づいて、図２に示すステップＳ１０４と同様の手法により、気孔の配置を決定するとともにアイオノマ層が配置される。本配置の手法１は、アイオノマ層を有する多孔体モデルをより簡便に作成する場合に好適な手法である。

［アイオノマ層の配置の手法２］
アイオノマ層を形成するアイオノマ物質の総量（体積）が、所定量（体積）であり、各気孔の外周部分に形成されるアイオノマ層が、このアイオノマ物質から均一に形成されたものとみなして補正し、配置する。より具体的には、（１）図１１に示すステップＳ２０２で算出した、気孔サイズと割り当て数から、アイオノマ層を配置する全気孔の表面積の総和（２次元モデルの場合には、全気孔の周長の総和）を算出する。（２）上記（１）で算出した値と、アイオノマ物質の総量（体積）に基づいてアイオノマ層の厚みδ’を算出し、各気孔の気孔サイズをこの厚みδ’に相当する分だけ大きな気孔サイズを有するとして読み替える。（３）読み替えた気孔サイズに基づいて、図２に示すステップＳ１０４と同様の手法により、気孔の配置を決定するとともにアイオノマ層が配置される。本配置の手法２は、多孔体が含有するアイオノマ物質の量に基づいて、多孔体モデルを簡便に作成する場合に好適な手法である。

［アイオノマ層の配置の手法３］
アイオノマ層を形成するアイオノマ物質の総量（体積）が、所定量（体積）であり、各気孔の外周部分に形成されるアイオノマ層が、所定の厚み分布関数に基づいて形成されたものとみなして補正し、配置する。より具体的には、（１）図１１に示すステップＳ２０２で算出した、気孔サイズと割り当て数から、アイオノマ層を配置する全気孔の表面積の総和（２次元モデルの場合には、全気孔の周長の総和）を算出する。（２）アイオノマ層の厚み分布を決定するために、所定の刻み幅Δδと、各気孔のうち最小の表面積ΔＳ（２次元モデルの場合には、各気孔の周長のうち、最小値ΔＬ）とを指定し、アイオノマ層の厚み分布を所定の刻み幅Δδごとの厚み分布領域数に変換する。（３）ステップＳ２０２で算出された気孔サイズ（径）ごとの気孔の割り当て数に基づいて各気孔の配置を決定する。（４）上記（１），（２）で算出したデータに基づいてアイオノマ層の厚みに相当する分だけ上記（３）で配置を決定した各気孔の周囲にアイオノマ層を配置し、気孔サイズを補正する。アイオノマ層の配置は、気孔の配置と同様、乱数で任意に指定することができるが、このとき、アイオノマ層の厚みが大きいものから順に配置する。本配置の手法３は、特にアイオノマ層を含めたより現実的な触媒層モデルを作成する場合に好適な手法である。

［アイオノマ層の配置の手法４］
アイオノマ層を形成するアイオノマ物質が、所定の分布条件に基づいて、各気孔の外周部分に形成されるアイオノマ層が、このアイオノマ物質から所定の厚み分布に基づいて形成されたものとみなして補正し、配置する。より具体的には、（１）膜厚分布に関する情報（例えば、アイオノマ層の厚みの最小値δｍｉｎ、最大値δｍａｘおよび平均値δａｖｅなど、もしくは平均の厚みδａｖｅおよびその標準偏差σなど）を指示し、これらの情報に基づいて該分布の頻度特性を作成する。（２）図１１に示すステップＳ２０２で算出した、気孔サイズと割り当て数から、アイオノマ層を配置する全気孔の表面積の総和（２次元モデルの場合には、全気孔の周長の総和）を算出する。（３）アイオノマ層の厚み分布を決定するために、所定の刻み幅Δδと、各気孔のうち最小の表面積ΔＳ（２次元モデルの場合には、各気孔の周長のうち、最小値ΔＬ）とを指定し、アイオノマ層の厚み分布を所定の刻み幅Δδごとの厚み分布領域数に変換する。（４）ステップＳ２０２で算出された気孔サイズ（径）ごとの気孔の割り当て数に基づいて各気孔の配置を決定する。（５）上記（１）〜（３）で算出したデータに基づいてアイオノマ層の厚みに相当する分だけ上記（４）で配置を決定した各気孔の周囲にアイオノマ層を配置し、気孔サイズを補正する。アイオノマ層の配置は、気孔の配置と同様、乱数で任意に指定することができるが、このとき、アイオノマ層の厚みが大きいものから順に配置する。本配置の手法４は、特にアイオノマ層を含めた現実的な触媒層モデルを比較的簡便に作成する場合に好適な手法である。

［アイオノマ層の配置の手法５］
アイオノマ層を形成するアイオノマ物質の総量（体積）が、所定量（体積）であり、各気孔の外周部分に形成されるアイオノマ層が、このアイオノマ物質から所定の厚み分布に基づいて形成されたものとみなして補正し、配置する。より具体的には、（１）図１１に示すステップＳ２０２で算出した、気孔サイズと割り当て数から、アイオノマ層を配置する全気孔の表面積の総和（２次元モデルの場合には、全気孔の周長の総和）を算出する。（２）上記（１）で算出した値と、アイオノマ物質の総量（体積）に基づいてアイオノマ層の平均の厚みを算出する。（３）膜厚分布に関する情報（例えば、アイオノマ層の厚みの最小値、最大値および平均値など、もしくは平均の厚みおよびその標準偏差など）を指示し、これらの情報に基づいて該分布の頻度特性を作成する。（４）アイオノマ層の厚み分布を決定するために、所定の刻み幅Δδと、各気孔のうち最小の表面積ΔＳ（２次元モデルの場合には、各気孔の周長のうち、最小値ΔＬ）とを指定し、アイオノマ層の厚み分布を所定の刻み幅Δδごとの厚み分布領域数に変換する。（５）ステップＳ２０２で算出された気孔サイズ（径）ごとの気孔の割り当て数に基づいて各気孔の配置を決定する。（６）上記（１）〜（４）で算出したデータに基づいてアイオノマ層の厚みに相当する分だけ上記（５）で配置を決定した各気孔の周囲にアイオノマ層を配置し、気孔サイズを補正する。アイオノマ層の配置は、気孔の配置と同様、乱数で任意に指定することができるが、このとき、アイオノマ層の厚みが大きいものから順に配置する。本配置の手法５は、特にアイオノマ物質の量（体積）が既知な場合の触媒層モデルを比較的簡便に作成する場合に好適な手法である。

図１１に戻り、ステップＳ２１２では、図１０に示す出力部４４において、多孔体モデルを出力する。より具体的には、図１０に示す気孔配置決定部３６で決定した気孔の配置、骨格配置部３８で配置した骨格、ならびにアイオノマ層配置決定部４０で決定したアイオノマ層の配置に基づいて、予め設定した寸法および材質の多孔体モデルを出力ファイルとして出力する。本ステップは図２に示すステップＳ１０８とほぼ同様であるため、その説明を省略する。

また、本発明の実施の形態によれば、複数の粒状体からなる骨格と複数の気孔との間にアイオノマ層を配置した多孔体モデルを作成することにより、電気的な物性にも考慮した多孔体および多孔体モデルのシミュレーションにも有用である。

本発明は、あらゆる材質の粒状体を骨格とする多孔体モデルの作成に利用することが可能であるが、特に燃料電池に用いられる触媒層モデルの作成に有用である。

本発明の実施の形態における多孔体モデル作成装置および多孔体モデル作成システムの構成の概略について例示した図である。本発明の実施の形態における多孔体モデル作成方法について例示したフローチャートである。図２に示すステップＳ１０４で実施される各工程について説明するための詳細なフローチャートである。隣り合う気孔同士の配置を例示した概念図である。隣り合う気孔同士の配置を例示した概念図である。隣り合う気孔同士の配置を例示した概念図である。重なり合う気孔同士の配置を例示した概念図である。図２に示すステップＳ１０４終了時点での多孔体モデルを例示する２次元の概念図である。重なり合う粒状体同士の配置を例示した概念図である。作成された多孔体モデルを例示する２次元の概念図である。本発明の別の実施の形態における多孔体モデル作成装置および多孔体モデル作成システムの構成の概略について例示した図である。本発明の別の実施の形態における多孔体モデル作成方法について例示したフローチャートである。図１１に示すステップＳ２０８終了時点での多孔体モデルを例示する２次元の概念図である。図１１に示すステップＳ２０８終了時点での多孔体モデルを例示する２次元の概念図である。

符号の説明

１０，３０多孔体情報取得部、１２，３２算出部、１４，３６気孔配置決定部、１６，３８骨格配置部、１８，４２入力部、２０，４４出力部、３４気孔サイズ補正部、４０アイオノマ層配置決定部、５０，１５０多孔体モデル作成装置、１００，２００多孔体モデル作成システム。

Claims

複数の気孔と、前記気孔の外郭を構成する、複数の粒状体からなる骨格とを含む多孔体モデルを作成する装置であって、
気孔率および気孔サイズ分布を含む多孔体情報を取得する多孔体情報取得手段と、
取得した前記多孔体情報に基づいて、気孔サイズごとの気孔の割り当て数を算出する算出手段と、
算出した気孔の割り当て数に基づいて、前記気孔の配置を、より大きな気孔サイズを有する気孔から順に決定する気孔配置決定手段と、
配置させた前記気孔を除く箇所に前記複数の粒状体を配置する骨格配置手段と、
を備えることを特徴とする多孔体モデル作成装置。
請求項１に記載の装置において、
前記多孔体モデルが、粒状の炭素材料を含む燃料電池用触媒層モデルであり、
割り当て数を算出した前記気孔の気孔サイズを、前記気孔と前記粒状体との界面に形成されるアイオノマの厚さに基づいて補正する気孔サイズ補正手段をさらに備えることを特徴とする多孔体モデル作成装置。
請求項２に記載の装置において、
前記気孔の外側部分に、前記アイオノマの厚さに応じてアイオノマ層を配置するアイオノマ層配置手段をさらに備えることを特徴とする多孔体モデル作成装置。
複数の気孔と、前記気孔の外郭を構成する、複数の粒状体からなる骨格とを含む多孔体モデルを作成する方法であって、
気孔率および気孔サイズ分布を含む多孔体情報を取得する多孔体情報取得工程と、
取得した多孔体情報に基づいて、気孔サイズごとの気孔の割り当て数を算出する算出工程と、
算出した気孔の割り当て数に基づいて、前記気孔の配置を、より大きな気孔サイズを有する気孔から順に決定する気孔配置決定工程と、
配置させた前記気孔を除く箇所に前記複数の粒状体を配置する骨格配置工程と、
を含むことを特徴とする多孔体モデル作成方法。
請求項４に記載の方法において、
前記多孔体モデルが、粒状の炭素材料を含む燃料電池用触媒層モデルであり、
割り当て数を算出した前記気孔の気孔サイズを、前記気孔と前記粒状体との界面に形成されるアイオノマの厚さに基づいて補正する気孔サイズ補正工程をさらに含むことを特徴とする多孔体モデル作成方法。
請求項５に記載の方法において、
前記気孔の外側部分に、前記アイオノマの厚さに応じてアイオノマ層を配置するアイオノマ層配置工程をさらに含むことを特徴とする多孔体モデル作成方法。