JP5253865B2 - 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 - Google Patents
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Description
特許文献2に記載された技術では、燃料電池のガスチャンネルを流れる反応ガスの流れをシミュレーションする。更に、発電解析を行なうことにより、反応ガスの消費をシミュレーションする。収束解を得た場合、反応ガスを気液二相流と看做して水滴の挙動を解析し、発電解析結果を修正する。
特許文献4に記載された技術では、ガス拡散層電極基材において、一方の面から他方の面にわたる貫通孔を複数有し、且つ貫通孔の密度および/または孔径が面方向に異なるように構成することにより、毛管作用によって水の排水性を高めている。
及び前記移動速度を適用したダルシー則を用いて液水流動速度を算出する水流動速度演算手段を更に備え、前記液水量演算手段は、前記液水流動速度及び前記凝縮量を水の質量保存式に代入して、液水量の3次元分布を算出することを要旨とする。
請求項1、6又は7に記載の発明によれば、制御手段が、空孔径分布情報記憶手段に記録された空孔径の統計値に対応させて、飽和水蒸気圧の3次元分布を算出する。そして、タイムステップ毎に、触媒層から連続的に供給される水蒸気が電極層内に拡散した場合の
水蒸気圧の3次元分布を取得し、水蒸気圧及び飽和水蒸気圧の3次元分布を用いて、ケルビン効果の発現を考慮した水の凝縮量の3次元分布を算出する。そして、タイムステップ毎に、凝縮量の3次元分布を用いて、水の質量保存式から電極層内の液水量の3次元分布を算出する。これにより、ケルビン効果を考慮して、生成された液水の分布を計算し、この分布を用いて燃料電池の動作状態を解析することができる。
シミュレーション装置20は、制御部21、パラメータ記憶部22、3次元構造データ記憶部23、境界条件データ記憶部24、飽和水蒸気圧データ記憶部25、計算結果データ記憶部26を備える。更に、シミュレーション装置20は、キーボードやポインティングデバイス等から構成された入力部11や、ディスプレイ等から構成された出力部12を備える。
表面張力[N/m]、「θ」は材料表面との接触角[rad ]、「R」はガス定数[J/mol /K]、「rk 」は空孔径[m]を示す。また、バルクの飽和水蒸気圧Psat0は温度T[K]で決まる値である。
る処理を実行する。具体的には、凝縮量演算手段212は、式(2)を用いて演算処理を実行する。ここで、「pv 」は水蒸気分圧[Pa]、「k0 」は凝縮速度[1/s](=蒸発速度)である。
/m2/s]、「Di 」はガスの拡散係数[m2 /s]である。更に、「1−s」は、水
体積率に対応する残余体積率である。そして、各成分の圧力と全圧pとの間には「Σpi
=p」の関係が成り立つ。なお、水蒸気量演算手段213、反応ガス演算手段としての酸素量演算手段214は、触媒層との境界に接する計算格子においては、質量フラックスとして、境界条件データ記憶部24に記録されたそれぞれの境界条件(水蒸気の生成量と酸素の消費量)を用いる。
、ガス流動速度演算手段216は、空孔径に対応して浸透係数を算出するための関数を備えている。
「pc 」は毛管圧力[Pa]である。そして、水流動速度演算手段218は、水体積率sに対応して毛管圧力を算出するための関数を備えている。
空孔径データ領域には、各計算格子座標における空孔の大きさを表す代表値に関するデータが記録される。粒子を充填してMPLを構成する場合には、粒子間の空隙に対応した空孔の大きさを用いる。
を用いて構成する。そして、このMPL50においては、空孔径が異なる2つの領域を想定し、空孔径が小さい密領域51と、空孔径が大きい疎領域52とを設ける。この場合、3次元モデルデータには、各領域の計算格子毎に空孔径に関するデータが記録される。
ガス消費量データ領域には、触媒層において、電気化学反応によって消費される酸素(反応ガス)の量に関するデータが記録される。
飽和水蒸気圧データ領域には、各計算格子座標における飽和水蒸気圧に関するデータが記録される。
計算格子座標データ領域には、シミュレーションに用いた各計算格子の座標を特定するためのデータが記録される。
水蒸気分圧データ領域には、各タイムステップにおいて、この計算格子における水蒸気の分圧に関するデータが記録される。
窒素分圧データ領域には、各タイムステップにおいて、この計算格子における窒素の分圧に関するデータが記録される。
水体積率データ領域には、各タイムステップにおいて、この計算格子における水が占める割合(体積率)に関するデータが記録される。
まず、図5を用いて計算処理の全体像を説明する。
シミュレーション装置20の制御部21は、空孔の疎密領域の3次元配置の設定処理を実行する(ステップS1−1)。具体的には、利用者は入力部11を用いて、燃料電池のMPLの構造(3次元モデル)を設定し、このMPLを充填する粒子の粒径に対応する空孔の疎密領域の3次元配置を設定する。そして、入力部11において設定完了を指示した場合、制御部21の演算管理手段210は、計算格子毎に設定された疎密領域の空孔径を3次元構造データ記憶部23に記録する。
及びガス圧力分布を、出力部12に表示する。
次に水体積率とガス圧力分布の算出処理について、図6を用いて説明する。本実施形態では、シミュレーション装置20の制御部21は、数値解析を用いて収束解を算出する。このため、制御部21は、演算の繰り返し毎に演算回数を計数する。
そして、シミュレーション装置20の制御部21は、毛管作用とガス流動による水輸送量の収支の算出処理を実行する(ステップS2−3)。具体的には、制御部21の水流動速度演算手段218は、パラメータ記憶部22に記録されたパラメータを式(8)にセットし、計算結果データ記憶部26に記録されたガスの圧力勾配によるガス流動及び毛管作用による水分の移動速度を用いて水の流動速度uL を算出する。これにより、制御部21の演算管理手段210は、液水量演算手段217における式(7)の左辺第2項の水の輸送量の収支を取得する。
次に、ガス分圧分布の算出処理について、図7を用いて説明する。
ここでは、シミュレーション装置20の制御部21は、ガス流動と拡散による水蒸気輸送量の収支の算出処理を実行する(ステップS3−1)。具体的には、制御部21のガス流動速度演算手段216は、パラメータ記憶部22に記録された水蒸気圧に関するパラメータを式(6)にセットする。そして、ガス流動速度演算手段216は、計算結果データ記憶部26に記録された全ガス圧の圧力勾配を式(6)に代入して、計算更新座標毎に、ガスの流動速度を算出する。次に、計算結果データ記憶部26に記録された水蒸気圧の圧力勾配を用いて拡散による輸送量を算出する。そして、制御部21の水蒸気量演算手段213は、パラメータ記憶部22に記録されたパラメータを式(3)にセットし、ガス流動速度及び拡散による輸送量を用いて、式(3)の左辺第2項における水蒸気の質量フラックスの総和を算出する。
速度を算出する。そして、計算結果データ記憶部26に記録された窒素の圧力勾配を用いて拡散による輸送量を算出する。次に、制御部21の窒素量演算手段215は、パラメータ記憶部22に記録されたパラメータを式(5)にセットし、ガス流動速度及び拡散による輸送量を用いて、式(5)の左辺第2項における窒素の質量フラックスの総和を算出する。
・ 上記実施形態では、飽和水蒸気圧演算手段211は、3次元モデルにおいて設定された空孔の大きさを表す代表値(空孔径)を用いて、各計算格子における飽和水蒸気圧を算出する。そして、凝縮量演算手段212は、各計算格子において、水の凝縮・蒸発量qLを算出する処理を実行する。そして、液水量演算手段217は、この凝縮量を用いて、
水の質量保存則についての演算を行なう。そして、水分の分布を考慮して、各計算格子における水体積率を算出する。これにより、Kelvin効果を考慮して、燃料電池内の液水や反応ガスの分布を算出することができる。
○ 上記実施形態では、シミュレーション方法をMPLに適用したが、シミュレーションの適用範囲はMPLに限定されるものではなく、GDLを含めた領域のシミュレーションにも適用することが可能である。
Claims (7)
- 燃料電池において、ガスを透過する電極層の空孔径の統計値について3次元分布を記録した空孔径分布情報記憶手段と、
燃料電池の触媒層に接する電極層内の水分の分布を算出する制御手段とを備えた燃料電池の動作状態のシミュレーション装置であって、
前記制御手段が、
前記空孔径分布情報記憶手段に記録された空孔径の統計値に対応させて、飽和水蒸気圧の3次元分布を算出する飽和水蒸気圧演算手段、
タイムステップ毎に、前記触媒層から連続的に供給される水蒸気が前記電極層内に拡散した場合の水蒸気圧の3次元分布を取得し、前記水蒸気圧及び前記飽和水蒸気圧の3次元分布を用いて、ケルビン効果の発現を考慮した水の凝縮量の3次元分布を算出する凝縮量演算手段、
タイムステップ毎に、前記凝縮量の3次元分布を用いて、水の質量保存式から電極層内の液水量の3次元分布を算出する液水量演算手段
を備えたことを特徴とするシミュレーション装置。 - タイムステップ毎に、前記電極層内のガスの圧力勾配によるガス流動と、前記空孔径分布情報記憶手段に記録された空孔径に対応した毛管作用による水の移動速度を算出し、前記ガス流動及び前記移動速度を適用したダルシー則を用いて液水流動速度を算出する水流動速度演算手段を更に備え、
前記液水量演算手段は、
前記液水流動速度及び前記凝縮量を水の質量保存式に代入して、液水量の3次元分布を算出することを特徴とする請求項1に記載のシミュレーション装置。 - 前記液水量演算手段は、前記液水量の3次元分布に対応して、前記電極層内の空孔における水体積率を算出することを特徴とする請求項2に記載のシミュレーション装置。
- タイムステップ毎に、前記電極層内のガスの圧力勾配によるガス流動を適用したダルシー則を用いてガス流動速度を算出するガス流動速度演算手段、
前記触媒層から連続的に供給される水蒸気供給量を取得し、
タイムステップ毎に、前記水蒸気供給量を前記触媒層及び電極層の境界条件として、前記水体積率に対する残余体積率、前記ガス流動速度、前記凝縮量を、水蒸気の質量保存式に代入して、水蒸気圧力の3次元分布を算出する水蒸気量演算手段を更に備えたことを特徴とする請求項3に記載のシミュレーション装置。 - 前記触媒層において連続的に消費される反応ガスのガス消費量を取得し、
タイムステップ毎に、前記ガス消費量を前記触媒層及び電極層の境界条件として、前記ガス流動速度及び前記残余体積率を前記反応ガスの質量保存式に代入して、前記反応ガスのガス圧力の3次元分布を算出する反応ガス演算手段を更に備えた請求項4に記載のシミュレーション装置。 - 燃料電池において、ガスを透過する電極層の空孔径の統計値について3次元分布を記録した空孔径分布情報記憶手段と、
燃料電池の触媒層に接する電極層内の水分の分布を算出する制御手段とを備えた燃料電池の動作状態のシミュレーション装置を用いて、燃料電池の動作状態のシミュレーションを行なう方法であって、
前記制御手段が、
前記空孔径分布情報記憶手段に記録された空孔径の統計値に対応させて、飽和水蒸気圧の3次元分布を算出する飽和水蒸気圧演算段階、
タイムステップ毎に、前記触媒層から連続的に供給される水蒸気が前記電極層内に拡散した場合の水蒸気圧の3次元分布を取得し、前記水蒸気圧及び前記飽和水蒸気圧の3次元分布を用いて、ケルビン効果の発現を考慮した水の凝縮量の3次元分布を算出する凝縮量演算段階、
タイムステップ毎に、前記凝縮量の3次元分布を用いて、水の質量保存式から電極層内の液水量の3次元分布を算出する液水量演算段階
を実行することを特徴とするシミュレーション方法。 - 燃料電池において、ガスを透過する電極層の空孔径の統計値について3次元分布を記録した空孔径分布情報記憶手段と、
燃料電池の触媒層に接する電極層内の水分の分布を算出する制御手段とを備えた燃料電池の動作状態のシミュレーション装置を用いて燃料電池の動作状態のシミュレーションを行なうプログラムであって、
前記制御手段を、
前記空孔径分布情報記憶手段に記録された空孔径の統計値に対応させて、飽和水蒸気圧の3次元分布を算出する飽和水蒸気圧演算手段、
タイムステップ毎に、前記触媒層から連続的に供給される水蒸気が前記電極層内に拡散した場合の水蒸気圧の3次元分布を取得し、前記水蒸気圧及び前記飽和水蒸気圧の3次元分布を用いて、ケルビン効果の発現を考慮した水の凝縮量の3次元分布を算出する凝縮量演算手段、
タイムステップ毎に、前記凝縮量の3次元分布を用いて、水の質量保存式から電極層内の液水量の3次元分布を算出する液水量演算手段
として機能させることを特徴とするシミュレーションプログラム。
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