JP6528115B2 - Fuel cell stack simulation method and simulation apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタックの性能算出を効率的にシミュレーションする燃料電池スタックのシミュレーション方法及びシミュレーション装置に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell stack simulation method and simulation apparatus for efficiently simulating performance calculation of a fuel cell stack.

家庭用燃料電池コージェネレーションシステムであるエネファーム(登録商標)の市場拡大や、2015年に燃料電池自動車の上市・普及が見込まれているなどの状況から、現在、セルを直列に積層して結合して成る燃料電池システムの心臓部である燃料電池スタックの性能向上に関係各社が力を注いでいる。   Currently, cells are stacked and connected in series due to the market expansion of Enefarm (registered trademark), a fuel cell cogeneration system for home use, and the market launch and spread of fuel cell vehicles in 2015. Related companies are focusing on the performance improvement of the fuel cell stack, which is the heart of the fuel cell system.

そのような状況の中にあって、燃料電池スタックの電池性能の算出をシミュレーションで行うことにより、効率的で高精度に電池性能の算出を行うことが期待されている。   Under such circumstances, it is expected that the battery performance can be efficiently and accurately calculated by calculating the battery performance of the fuel cell stack by simulation.

燃料電池スタックシミュレーションの目的は、単セルや燃料電池スタックの構成、運転条件に基づき、燃料電池スタックの性能算出を行うことである。これは燃料電池に関連するシミュレーションとしては、解析サイズが最大のものとなる。   The purpose of the fuel cell stack simulation is to calculate the performance of the fuel cell stack based on the unit cell and the configuration of the fuel cell stack and the operating conditions. This is the largest analysis size for fuel cell related simulations.

この他の解析スケールでは、触媒層の構造のシミュレーションやその作成プロセスに関係するシミュレーション、さらには燃料電池単セルのシミュレーションなどが存在しているが、そのスケールにより種々のアプローチが知られている。   In this other analysis scale, there are simulation of the structure of the catalyst layer, simulation related to the preparation process thereof, and simulation of a single fuel cell, etc., but various approaches are known according to the scale.

上記の触媒層の構造のシミュレーションでは、実際の触媒層の構造をSEM(走査形電子顕微鏡)やTEM(透過型電子顕微鏡)で観測した画像からボリュームレンダリングで構造を再現したり、触媒層の代表的なパラメータを抽出し、そこから仮想的な触媒構造を作成したりすることでシミュレーションに必要な解析構造を決定し、物質輸送と電気化学反応を連立することで触媒層の能力の算出が行われている。   In the above simulation of the structure of the catalyst layer, the structure of the actual catalyst layer is reproduced by volume rendering from an image observed by SEM (scanning electron microscope) or TEM (transmission electron microscope), or the catalyst layer is represented The analytical structure necessary for simulation is determined by extracting dynamic parameters and creating a virtual catalyst structure from that, and the capacity of the catalyst layer is calculated by combining mass transport and electrochemical reaction. It is

また触媒層の作成プロセスに関係するシミュレーションにおいては、分子動力学、粗視化分子動力学、散逸粒子動力学などの適用により、材料及び作成プロセスと触媒層の構造との紐付けが報告され始めている。   In addition, in the simulation related to the process of creating the catalyst layer, the application of molecular dynamics, coarse-grained molecular dynamics, dissipative particle dynamics etc. has begun to report the link between the material and the creation process and the structure of the catalyst layer. There is.

燃料電池単セルの性能算出に関しては、市販ツールのAnsys Fluent(登録商標)のプラットフォーム化と各種構成則モデルの作り込みにより、精度よくシミュレーションできるようになっており、それを多段に積層した燃料電池スタックにおいても、特許文献1にあるような発明手法を利用することで、大規模なシミュレーションが可能となっている。   With regard to the calculation of the performance of a single fuel cell, it is possible to simulate accurately with the platformization of the commercial tool Ansys Fluent (registered trademark) and the creation of various constitutive law models. Also in the stack, a large-scale simulation is possible by using the inventive method as described in Patent Document 1.

一般に燃料電池スタックのシミュレーションは、計算の規模が非常に大きくなるため、計算時間や収束性に難点を持つが、特許文献1で提案されたものは、簡略化圧力損失体に代表される簡易燃料電池スタックモデルを用いて、燃料電池スタック内のガスの流れ解析計算を実施してから個別のセルのガスの流れ解析計算を行うことで、計算時間の短縮と収束性の確保を図っている。   Generally, the simulation of a fuel cell stack has problems in calculation time and convergence because the scale of calculation becomes very large, but the one proposed in Patent Document 1 is a simplified fuel represented by a simplified pressure loss body The calculation of the flow of gas in the fuel cell stack is performed using the cell stack model, and then the calculation of the flow of gas in the individual cells is performed to reduce the calculation time and ensure the convergence.

特開2007−305419号公報JP 2007-305419 A

しかしながら、特許文献1で提案されたものは、燃料電池スタックの計算に簡易燃料電池スタックモデルを用いているため、その簡易化の程度により、計算精度と計算時間が大幅に変わることが予測される。   However, since what was proposed by patent document 1 uses the simple fuel cell stack model for calculation of a fuel cell stack, it is predicted that the calculation accuracy and the calculation time will largely change depending on the degree of the simplification. .

これは、計算精度を求め、簡易化のレベルを下げた場合、つまりはモデルが詳細な燃料電池スタックモデルに近い場合には、単セルを多数積層した構造に近い規模の計算を実施する必要があるため、計算時間の増大が見込まれ、一方、計算速度を求め、簡易化のレベルを上げた場合、つまりはモデルが簡略化され過ぎた場合には、計算精度の劣化が懸念されるという課題を有していた。   It is necessary to carry out calculations on a scale close to a structure in which a large number of single cells are stacked if calculation accuracy is determined and the level of simplification is lowered, that is, if the model is close to a detailed fuel cell stack model. Because there is an increase in calculation time, there is a concern that the calculation accuracy may be degraded if the calculation speed is obtained and the level of simplification is increased, that is, if the model is simplified too much. Had.

そこで、本発明は、計算精度と計算時間の短縮を両立させつつ、燃料電池スタックにおける各積層位置における各セルの電池性能を算出できる燃料電池スタックのシミュレーション方法を提供することを目的としている。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack simulation method capable of calculating the cell performance of each cell at each stack position in the fuel cell stack while achieving both calculation accuracy and reduction of calculation time.

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法は、Nを2以上の整数とした場合に、電解質膜及び電極を有する燃料電池セルがN段積層された燃料電池スタックの電池性能を算出する燃料電池スタックのシミュレーション方法であって、燃料電池スタックの一方の端部に位置する第1段目のセルを第1端部セル、燃料電池スタックの他方の端部に位置する第N段目のセルを第2端部セルとし、燃料電池スタックの積層方向の両側に位置し、積層方向と直交する燃料電池スタックの両端面のうち、第1端部セル側の端面を第1端面とし、第2端部セル側の端面を第2端面とし、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面、又は、第1端面を第1基準面とし、第1基準面の電位又は電流密度である第1既定値を設定し、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面で、第1基準面より第2端面側に位置する面を第2基準面とし、第2基準面の電位である第2既定値を設定し、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面で、第2基準面より第2端面側に位置する面を第3基準面とし、第1既定値及び第2既定値を用いて、第3基準面の電位及び電流密度を算出する第1算出ステップを備えたのである。   In order to solve the above-mentioned conventional problems, in the fuel cell stack simulation method of the present invention, when N is an integer of 2 or more, a fuel cell stack in which N stages of fuel cells having electrolyte membranes and electrodes are stacked A fuel cell stack simulation method for calculating the cell performance of a fuel cell stack, comprising: a first end cell located at one end of the fuel cell stack; a first end cell located at the other end of the fuel cell stack The second end cell is a second end cell, which is located on both sides in the stacking direction of the fuel cell stack, and of the two end faces of the fuel cell stack orthogonal to the stacking direction, the end face on the first end cell side The first end surface is an end surface on the second end cell side, the second end surface is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, and any surface or first end surface located in the first end cell is a first end surface. Of the first reference surface The first predetermined value, which is the current density or the current density, is set, and it is located on the second end face side from the first reference face on an arbitrary plane which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and located in the first end cell. The second reference plane is a second reference plane, and a second predetermined value which is the potential of the second reference plane is set. The second reference plane is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, and the second plane is the second plane. A first calculation step of calculating the potential and current density of the third reference surface using the first predetermined value and the second predetermined value with the surface located on the second end face side from the reference surface as the third reference surface It is

これにより、端部セルの境界条件を合理的に設定できるようになり、計算精度と計算時間の短縮を両立させつつ、燃料電池スタックの性能算出を効率的にシミュレーションすることができる。   As a result, the boundary conditions of the end cells can be rationally set, and the calculation of the performance of the fuel cell stack can be efficiently simulated while achieving both the calculation accuracy and the shortening of the calculation time.

本発明によれば、端部セルの境界条件を合理的に設定できるようになるため、単セルの計算規模を正確に維持しながら、燃料電池スタックの各積層位置における各セルの電池性能の算出が可能となる。これにより、計算精度と計算時間の短縮を両立させつつ、燃料電池スタックの端セルや端部以外のセルの電池性能を効率的に算出することが可能となる。   According to the present invention, since the boundary conditions of the end cells can be rationally set, calculation of the cell performance of each cell at each stacking position of the fuel cell stack while accurately maintaining the calculation scale of the single cell Is possible. As a result, it is possible to efficiently calculate the cell performances of the end cells of the fuel cell stack and cells other than the end portions while making the calculation accuracy and the reduction of the calculation time compatible with each other.

本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法の第1または第2算出ステップと第(2K−1)算出ステップにおける境界の設定方法の概念を説明するための説明図Explanatory drawing for demonstrating the concept of the setting method of the boundary in the 1st or 2nd calculation step of the fuel cell stack simulation method of this invention, and the (2K-1) calculation step. 本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法の実施の形態1の概念を示すフローチャートFlow chart showing the concept of the first embodiment of the fuel cell stack simulation method of the present invention 本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法の第1または第2算出ステップと第2K算出ステップにおける境界の設定方法の概念を説明するための説明図Explanatory drawing for demonstrating the concept of the setting method of the boundary in the 1st or 2nd calculation step of the simulation method of the fuel cell stack of this invention and 2nd K calculation step. 本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法の実施の形態2の概念を示すフローチャートFlow chart showing the concept of the second embodiment of the fuel cell stack simulation method of the present invention 本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法の実施の形態3の概念を示すフローチャートFlow chart showing the concept of the third embodiment of the fuel cell stack simulation method of the present invention 本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法の実施の形態4の概念を示すフローチャートA flowchart showing the concept of Embodiment 4 of the fuel cell stack simulation method of the present invention

まず、発明を実施するための形態に至った発見的事実について述べる。本発明者は、燃料電池スタックのシミュレーション結果に対し、鋭意検討を重ねた結果、次の二つの事実に着眼するに至った。   First, we will describe the discovery facts that led to the form for carrying out the invention. As a result of intensive studies on the simulation results of the fuel cell stack, the present inventor has focused on the following two facts.

一つ目は、燃料電池スタック内のあるセルのセパレータ端面内で50ミリボルト程度の電位差が生じているような場合であっても、そのセルの電解質膜中心の積層面の電位分布は、ほぼフラットで一定値になっていることである。   First, even in the case where a potential difference of about 50 millivolts is generated in the separator end face of a cell in a fuel cell stack, the potential distribution on the laminated surface of the center of the electrolyte membrane of that cell is substantially flat Is a constant value.

二つ目は、燃料電池スタック内のあるセルのセパレータの端面内で大きな電位差が同様に生じている場合には、アノード側で生じる面内電流を正確に打ち消す方向に、カソード側で電位が分布していること、言い換えれば、あるセルのセパレータ端面におけるアノード側の電位分布とカソード側の電位分布は、電解質膜面の電位分布に対して鏡面対称の関係になっていることである。   Second, when a large potential difference similarly occurs in the end face of the separator of a cell in the fuel cell stack, the potential is distributed on the cathode side in the direction to exactly cancel the in-plane current generated on the anode side. What is done, in other words, the potential distribution on the anode side and the potential distribution on the cathode side at the separator end face of a certain cell are in mirror symmetry with respect to the potential distribution on the electrolyte membrane surface.

当然、これらの電位分布に関する境界条件は、セパレータ端面内で電位差が生じないケースも包含しており、広く適用可能な条件となっている。   Naturally, the boundary conditions related to the potential distribution include cases where no potential difference occurs in the separator end face, and are widely applicable conditions.

ここで、アノード側とカソード側で面内電流を打ち消すように各々の電位分布が決定される理由を簡単に考察する。燃料電池スタックは、セルを多数積層したものであるから、両端部のセルを除き、端部以外に位置するセルは、セルごとにおおよそ周期的な物理量の分布(例えば温度や電流密度)を持っていることが予測される。   Here, the reason why each potential distribution is determined so as to cancel the in-plane current on the anode side and the cathode side will be briefly considered. Since the fuel cell stack is formed by stacking a large number of cells, the cells located at other than the ends except for the cells at both ends have approximately periodic physical quantity distributions (eg, temperature and current density) for each cell. It is predicted that

しかしながら、仮にアノード側の面内電流とカソード側の面内電流が打ち消しあわなければ、そのセルで正味の面内電流が形成されることになり、積層方向に面内電流が蓄積されることになり、その周期性が崩れる。よって、端部以外に位置するセルが周期的な物理量の分布を持つためには、両端面で面内電流が相殺される必要がある。   However, if the in-plane current on the anode side and the in-plane current on the cathode side do not cancel each other, a net in-plane current is formed in the cell, and the in-plane current is accumulated in the stacking direction. And its periodicity breaks down. Therefore, in order for the cells located other than the end to have a periodic distribution of physical quantities, in-plane currents need to be offset at both end faces.

また、アノード側とカソード側の面内電流が打ち消しあうとき、アノード側の電位分布とカソード側の電位分布は、電解質膜面の電位分布に対して鏡面対称の関係になっていることが予測されるので、燃料電池セルの構成上、セルの中心に位置する電解質膜の積層面中心の電位分布は、ほぼフラットで一定値になることも容易に説明できる。   In addition, when the in-plane currents on the anode side and the cathode side cancel each other, it is predicted that the potential distribution on the anode side and the potential distribution on the cathode side have mirror symmetry with respect to the potential distribution on the electrolyte membrane surface. Therefore, due to the configuration of the fuel cell, the potential distribution at the center of the laminated surface of the electrolyte membrane located at the center of the cell can be easily explained as being almost flat and having a constant value.

次に、この発見的事実に基づき、燃料電池スタックのシミュレーションを効率的に行う本発明について述べる。ここでは、各算出ステップの手順に沿って、本発明の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。   Next, on the basis of this heuristic fact, the present invention will be described which efficiently simulates a fuel cell stack. Here, the embodiment of the present invention will be described along the procedure of each calculation step. The present invention is not limited by this embodiment.

第1の発明は、Nを2以上の整数とした場合に、電解質膜及び電極を有する燃料電池セルがN段積層された燃料電池スタックの電池性能を算出する燃料電池スタックのシミュレーション方法であって、燃料電池スタックの一方の端部に位置する第1段目のセルを第1端部セル、燃料電池スタックの他方の端部に位置する第N段目のセルを第2端部セルとし、燃料電池スタックの積層方向の両側に位置し、積層方向と直交する燃料電池スタックの両端面のうち、第1端部セル側の端面を第1端面とし、第2端部セル側の端面を第2端面とし、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面、又は
、第1端面を第1基準面とし、第1基準面の電位又は電流密度である第1既定値を設定し、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面で、第1基準面より第2端面側に位置する面を第2基準面とし、第2基準面の電位である第2既定値を設定し、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面で、第2基準面より第2端面側に位置する面を第3基準面とし、第1既定値及び第2既定値を用いて、第3基準面の電位及び電流密度を算出する第1算出ステップを備えた、燃料電池スタックのシミュレーション方法である。
A first invention is a fuel cell stack simulation method for calculating the cell performance of a fuel cell stack in which N fuel cell cells having an electrolyte membrane and electrodes are stacked in N stages, where N is an integer of 2 or more. A first end cell located at one end of the fuel cell stack is referred to as a first end cell, and an Nth stage cell located at the other end of the fuel cell stack is referred to as a second end cell. Among the both end faces of the fuel cell stack located on both sides in the stacking direction of the fuel cell stack and orthogonal to the stacking direction, the end face on the first end cell side is the first end face, and the end face on the second end cell side is the first An arbitrary surface or a first end surface located in the first end cell, which has two end surfaces and is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, is a potential or current density of the first reference surface. Set the first default value, stack direction of fuel cell stack A second predetermined value, which is an electric potential of the second reference surface, is a surface which is orthogonal to the first end surface and which is located on the second end surface side with respect to the first reference surface. A third reference plane is set as a third reference plane, which is an arbitrary plane that is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and located in the first end cell, and is located on the second end face side from the second reference plane. A fuel cell stack simulation method, comprising: a first calculation step of calculating a potential and a current density of a third reference surface using a value and a second predetermined value.

この燃料電池スタックのシミュレーション方法により、先に述べた本発明における発見的事実に基づき、第2基準面の電位を設定することで、端部セルの境界条件を合理的に設定できるようになり、計算精度と計算時間の短縮を両立させつつ、燃料電池スタックの性能算出を効率的にシミュレーションすることができる。   By this fuel cell stack simulation method, it becomes possible to rationally set the boundary condition of the end cell by setting the potential of the second reference surface based on the above-described heuristic fact in the present invention, It is possible to efficiently simulate the performance calculation of the fuel cell stack while achieving both the calculation accuracy and the reduction of the calculation time.

第2の発明は、Nを2以上の整数とした場合に、電解質膜及び電極を有する燃料電池セルがN段積層された燃料電池スタックの電池性能を算出する燃料電池スタックのシミュレーション方法であって、燃料電池スタックの一方の端部に位置する第1段目のセルを第1端部セル、燃料電池スタックの他方の端部に位置する第N段目のセルを第2端部セルとし、燃料電池スタックの積層方向の両側に位置し、積層方向と直交する燃料電池スタックの両端面のうち、第1端部セル側の端面を第1端面とし、第2端部セル側の端面を第2端面とし、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面、又は、第1端面を第1基準面とし、第1基準面の電位である第1既定値を設定し、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面で、第1基準面より第2端面側に位置する面を第2基準面とし、第2基準面の電流密度である第2既定値を設定し、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面で、第2基準面より第2端面側に位置する面を第3基準面とし、第1既定値及び第2既定値を用いて、第3基準面の電位及び電流密度を算出する第2算出ステップを備えた、燃料電池スタックのシミュレーション方法である。   A second invention is a fuel cell stack simulation method for calculating the cell performance of a fuel cell stack in which N fuel cell cells having an electrolyte membrane and electrodes are stacked in N stages, where N is an integer of 2 or more. A first end cell located at one end of the fuel cell stack is referred to as a first end cell, and an Nth stage cell located at the other end of the fuel cell stack is referred to as a second end cell. Among the both end faces of the fuel cell stack located on both sides in the stacking direction of the fuel cell stack and orthogonal to the stacking direction, the end face on the first end cell side is the first end face, and the end face on the second end cell side is the first Two end faces, an arbitrary face which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, and is located in the first end cell, or a first end face is a first reference face, and a first predetermined potential which is a potential of the first reference face Setting the value, and orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, With any surface located in the end cell, a surface located on the second end surface side from the first reference surface is set as a second reference surface, and a second predetermined value which is the current density of the second reference surface is set. The third reference plane is a plane which is orthogonal to the stacking direction of the battery stack and which is located in the first end cell and which is located on the second end face side with respect to the second reference plane. It is a simulation method of a fuel cell stack provided with the 2nd calculation step which calculates potential and current density of the 3rd reference level using default value.

この燃料電池スタックのシミュレーション方法により、第2基準面の電流密度を既定するため、電流量に対する端部セルの境界条件を合理的に設定できるようになり、計算精度と計算時間の短縮を両立させつつ、燃料電池スタックの性能算出を効率的にシミュレーションすることができる。   With this fuel cell stack simulation method, the current density of the second reference surface can be determined, so that the boundary conditions of the end cells can be rationally set with respect to the amount of current, which achieves both calculation accuracy and reduction of calculation time. At the same time, it is possible to efficiently simulate the performance calculation of the fuel cell stack.

第3の発明は、特に第1又は第2の発明における第1基準面を、第1端面とするものである。   In the third invention, in particular, the first reference surface in the first or second invention is a first end surface.

このシミュレーション方法により、第1基準面を第1端部セルの端面に設定できるようになり、容易に境界条件を設定することができる。   By this simulation method, the first reference plane can be set to the end face of the first end cell, and boundary conditions can be easily set.

第4の発明は、特に第1〜第3の何れか一つの発明における第2基準面を、第1端部セルの電解質膜内に位置する面とするものである。   In the fourth invention, in particular, the second reference plane in any one of the first to third inventions is a plane located in the electrolyte membrane of the first end cell.

このシミュレーション方法により、電解質膜の内部に境界を設定できるようになり、容易に境界条件を設定することができる。   With this simulation method, boundaries can be set inside the electrolyte membrane, and boundary conditions can be easily set.

第5の発明は、特に第1〜第4の何れか一つの発明における第3基準面を、第1端部セルの第2端面側の端面とするものである。   In the fifth invention, in particular, the third reference surface in any one of the first to fourth inventions is an end face on the second end face side of the first end cell.

このシミュレーション方法により、第3基準面を第1端部セルと第2段目セルの境界に設定できるようになり、容易に境界条件を設定することができる。   By this simulation method, the third reference plane can be set at the boundary between the first end cell and the second stage cell, and boundary conditions can be easily set.

第6の発明は、特に第1〜第5の何れか一つの発明における第1基準面には、一定の既定電位を設定するものである。   According to a sixth aspect of the invention, in particular, the first reference surface according to any one of the first to fifth aspects of the invention sets a constant predetermined potential.

このシミュレーション方法により、一定の既定電位を利用できるようになり、第1基準面が等電位面になる場合に適した境界条件を設定することができる。   This simulation method makes it possible to use a constant predetermined potential, and to set boundary conditions suitable for the case where the first reference surface is an equipotential surface.

第7の発明は、特に第1、第3〜第5の何れか一つの発明における第1基準面には、一定の既定電流密度を設定するものである。   In a seventh aspect of the invention, in particular, a predetermined current density is set on the first reference surface in any one of the first, third, and fifth aspects of the invention.

このシミュレーション方法により、一定の既定電流密度を利用できるようになり、第1基準面の電流密度を簡便に設定することができる。   This simulation method makes it possible to use a constant predetermined current density, and can easily set the current density of the first reference surface.

第8の発明は、特に第1、第3〜第7の何れか一つの発明における第2基準面には、一定の既定電位を設定するものである。   According to an eighth aspect of the invention, in particular, the second reference surface according to any one of the first and third to seventh aspects of the invention sets a constant predetermined potential.

このシミュレーション方法により、一定の既定電位を利用できるようになり、第2基準面が等電位面になる場合に適した境界条件を設定することができる。   This simulation method makes it possible to use a constant predetermined potential, and to set boundary conditions suitable for the case where the second reference surface becomes an equipotential surface.

第9の発明は、特に第2〜第7の何れか一つの発明における第2基準面には、一定の既定電流密度を設定するものである。   According to a ninth aspect of the invention, in particular, the second reference surface according to any one of the second to seventh aspects of the invention sets a predetermined current density.

このシミュレーション方法により、一定の既定電流密度を利用できるようになり、第2基準面の電流密度を簡便に設定することができる。   This simulation method makes it possible to use a constant predetermined current density, and the current density of the second reference surface can be easily set.

第10の発明は、特に第1〜第9の何れか一つの発明において、Kを2以上、N以下の整数とした場合に、燃料電池スタックの第(K−1)段目セルと隣接し、第2端部セルの側に位置する特定セルを第K段目セルとし、第K段目セル内に位置し、燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第(3K−2)基準面とし、第K段目セル内に位置し、第(3K−2)基準面より第2端面側に位置する、燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第(3K−1)基準面とし、第K段目セル内に位置し、第(3K−1)基準面より第2端面側に位置する、燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第3K基準面とし、第(2K−3)算出ステップ又は(2K−2)算出ステップの後、第(3K−3)基準面の電位を用いて設定された第(3K−2)基準面の値及び、第(3K−2)基準面の平均電流密度として設定された第(3K−1)基準面の値を用いて、第3K基準面の電位及び電流密度を算出する第(2K−1)算出ステップを備えたものである。 The tenth invention is adjacent to the (K-1) th cell of the fuel cell stack, in particular when K is an integer of 2 or more and N or less in any of the first to ninth inventions. A specific cell located on the side of the second end cell is referred to as the K-th cell, and an arbitrary surface located in the K-th cell and orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack is the (3K-2) An arbitrary plane orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, which serves as a reference plane, is located in the K-th cell, and is located on the second end face side from the (3K-2) reference plane, is the (3K-1) An arbitrary plane orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, which is a reference plane, located in the Kth cell and located on the second end face side from the (3K-1) reference plane, is a 3K reference plane, After the (2K-3) calculation step or (2K-2) calculation step, the potential of the (3K-3) reference plane is used to set Value of the (3K-2) reference plane and, second (3K-2) No. (3K-1) is set as the average current density of the reference plane with the value of the reference surface, the potential of the 3K reference plane And a second (2K-1) calculation step of calculating the current density.

このシミュレーション方法により、第1端部セル以外のセルの第(3K−1)基準面の境界条件を簡便に設定できるようになり、計算精度と計算時間の短縮を両立させつつ、燃料電池スタックの性能算出を効率的にシミュレーションすることができる。   By this simulation method, the boundary conditions of the (3K-1) reference plane of cells other than the first end cell can be easily set, and the calculation accuracy and the reduction of the calculation time can be achieved at the same time. Performance calculation can be efficiently simulated.

第11の発明は、特に第1〜第9の何れか一つの発明において、Kを2以上、N以下の整数とした場合に、燃料電池スタックの第K−1段目セルと隣接し、第2端部セルの側に位置する特定セルを第K段目セルとし、第K段目セル内に位置し、燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第(3K−2)基準面とし、第K段目セル内に位置し、第(3K−2)基準面より第2端面側に位置する、燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第3K基準面とし、第(2K−3)算出ステップ又は(2K−2)算出ステップの後、第(3K−3)基準面の電位を用いて設定された第(3K−2)基準面の値及び、第(3K−3)基準面の電流密度を用いて設定された第3K基準面の電流密度を用いて、第3K基準面の電位を算出する第2K算出ステップを備えたものである。   According to an eleventh aspect of the invention, in particular, in any one of the first to ninth aspects, when K is an integer of 2 or more and N or less, it is adjacent to the K-1st cell of the fuel cell stack, The specific cell located on the side of the two-end cell is the K-th cell, and an arbitrary surface located in the K-th cell and orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack is the (3K-2) reference plane And an arbitrary plane orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, located in the K-th cell and located on the second end face side from the (3K-2) reference plane, is taken as the 3K-th reference plane. 2K-3) Calculation step or (2K-2) After the calculation step, the value of the (3K-2) reference surface set using the potential of the (3K-3) reference surface, and (3K-3) ) Calculate the potential of the third K reference surface using the current density of the third K reference surface set using the current density of the reference surface Those having a 2K calculation step.

このシミュレーション方法によって、第1端部セル以外のセルの第(3K−2)基準面と第3K基準面の境界条件を合理的に設定できるようになり、計算精度と計算時間の短縮を両立させつつ、燃料電池スタックの性能算出を効率的にシミュレーションすることができる。   With this simulation method, it becomes possible to rationally set the boundary conditions of the (3K−2) reference plane and the 3rd reference plane of cells other than the first end cell, making it possible to balance calculation accuracy and calculation time. At the same time, it is possible to efficiently simulate the performance calculation of the fuel cell stack.

第12の発明は、特に第10又は第11の発明における第(3K−2)基準面を、第1端部セル側に位置する第K段目セルの端面とするものである。   In a twelfth aspect of the present invention, in particular, the (3K-2) reference plane in the tenth or eleventh aspect is used as an end face of a K-th stage cell located on the first end cell side.

このシミュレーション方法により、第(3K−2)基準面を第(K−1)段目セルと第K段目セルの境界に設定できるようになり、容易に境界条件を設定することができる。   By this simulation method, the (3K-2) reference plane can be set at the boundary between the (K-1) th cell and the Kth cell, and boundary conditions can be easily set.

第13の発明は、特に第10の発明における第(3K−1)基準面を、第K段目セルの電解質膜内に位置する面とするものである。 In a thirteenth aspect of the present invention, in particular, the (3K-1) reference plane in the tenth aspect is a surface located in the electrolyte membrane of the K-th cell.

このシミュレーション方法により、電解質膜の内部に境界を設定できるようになり、容易に境界条件を設定することができる。   With this simulation method, boundaries can be set inside the electrolyte membrane, and boundary conditions can be easily set.

第14の発明は、特に第10又は第11の発明における第3K基準面を、第2端部セル側に位置する第K段目セルの端面とするものである。   In a fourteenth aspect of the present invention, in particular, the third K reference surface in the tenth or eleventh aspect is used as an end face of a K-th cell located on the second end cell side.

このシミュレーション方法により、第3K基準面を第K段目セルと第(K+1)段目セルの境界に設定できるようになり、容易に境界条件を設定することができる。   By this simulation method, the 3rd K reference plane can be set at the boundary between the Kth cell and the (K + 1) th cell, and boundary conditions can be easily set.

第15の発明は、Nを2以上の整数とした場合に、電解質膜及び電極を有する燃料電池セルがN段積層された燃料電池スタックの電池性能を算出する燃料電池スタックのシミュレーション装置であって、燃料電池スタックの一方の端部に位置する第1段目のセルを第1端部セル、燃料電池スタックの他方の端部に位置する第N段目のセルを第2端部セルとし、燃料電池スタックの積層方向の両側に位置し、積層方向と直交する燃料電池スタックの両端面のうち、第1端部セル側の端面を第1端面とし、第2端部セル側の端面を第2端面とし、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面、又は、第1端面を第1基準面とし、第1基準面の電位又は電流密度である第1既定値を設定し、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面で、第1基準面より第2端面側に位置する面を第2基準面とし、第2基準面の電位である第2既定値を設定し、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面で、第2基準面より第2端面側に位置する面を第3基準面とし、第1既定値及び第2既定値を用いて、第3基準面の電位及び電流密度を算出する第1算出ステップを備えた、燃料電池スタックのシミュレーション装置である。   A fifteenth invention is a fuel cell stack simulation apparatus for calculating the cell performance of a fuel cell stack in which N fuel cell cells having an electrolyte membrane and electrodes are stacked in N stages, where N is an integer of 2 or more. A first end cell located at one end of the fuel cell stack is referred to as a first end cell, and an Nth stage cell located at the other end of the fuel cell stack is referred to as a second end cell. Among the both end faces of the fuel cell stack located on both sides in the stacking direction of the fuel cell stack and orthogonal to the stacking direction, the end face on the first end cell side is the first end face, and the end face on the second end cell side is the first An arbitrary surface or a first end surface located in the first end cell, which has two end surfaces and is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, is a potential or current density of the first reference surface. Set the first default value and stack the fuel cell stack A second predetermined value which is an electric potential of the second reference surface, wherein a surface located on the second end surface side with respect to the first reference surface is an arbitrary surface which is orthogonal to the first end surface and which is located in the first end cell. The second reference surface is an arbitrary surface which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and is located in the first end cell, and the surface located on the second end surface side with respect to the second reference surface is the third reference surface. A fuel cell stack simulation apparatus, comprising: a first calculation step of calculating a potential and a current density of a third reference surface using a default value and a second default value.

上記構成とすることにより、先に述べた本発明における発見的事実に基づき、第2基準面の電位を設定することで、端部セルの境界条件を合理的に設定できるようになり、燃料電池スタックの性能算出を効率的にシミュレーション可能な装置とすることができる。   With the above configuration, the boundary condition of the end cell can be rationally set by setting the potential of the second reference surface based on the above-described heuristic facts of the present invention, and thus the fuel cell The calculation of stack performance can be efficiently simulated.

第16の発明は、Nを2以上の整数とした場合に、電解質膜及び電極を有する燃料電池セルがN段積層された燃料電池スタックの電池性能を算出する燃料電池スタックのシミュレーション装置であって、燃料電池スタックの一方の端部に位置する第1段目のセルを第1端部セル、燃料電池スタックの他方の端部に位置する第N段目のセルを第2端部セルとし、燃料電池スタックの積層方向の両側に位置し、積層方向と直交する燃料電池スタックの両端面のうち、第1端部セル側の端面を第1端面とし、第2端部セル側の端面を第2端面とし、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面、又
は、第1端面を第1基準面とし、第1基準面の電位である第1既定値を設定し、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面で、第1基準面より第2端面側に位置する面を第2基準面とし、第2基準面の電流密度である第2既定値を設定し、燃料電池スタックの積層方向と直交し、第1端部セル内に位置する任意の面で、第2基準面より第2端面側に位置する面を第3基準面とし、第1既定値及び第2既定値を用いて、第3基準面の電位及び電流密度を算出する第2算出ステップを備えた、燃料電池スタックのシミュレーション装置である。
A sixteenth invention relates to a fuel cell stack simulation apparatus for calculating the cell performance of a fuel cell stack in which fuel cell cells having an electrolyte membrane and electrodes are stacked in N stages when N is an integer of 2 or more. A first end cell located at one end of the fuel cell stack is referred to as a first end cell, and an Nth stage cell located at the other end of the fuel cell stack is referred to as a second end cell. Among the both end faces of the fuel cell stack located on both sides in the stacking direction of the fuel cell stack and orthogonal to the stacking direction, the end face on the first end cell side is the first end face, and the end face on the second end cell side is the first Two end faces, an arbitrary face which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, and is located in the first end cell, or a first end face is a first reference face, and a first predetermined potential which is a potential of the first reference face Set the value, orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, With an arbitrary surface located in one end cell, a surface located on the second end surface side from the first reference surface is set as a second reference surface, and a second predetermined value which is a current density of the second reference surface is set. The third reference plane is a plane which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and which is located in the first end cell and which is located on the second end face side with respect to the second reference plane. A fuel cell stack simulation apparatus comprising a second calculation step of calculating the potential and current density of the third reference surface using the predetermined value.

上記構成とすることにより、第2基準面の電流密度を既定するため、電流量に対する端部セルの境界条件を合理的に設定できるようになり、燃料電池スタックの性能算出を効率的にシミュレーション可能な装置とすることができる。   With the above configuration, since the current density of the second reference surface is defined, the boundary condition of the end cell with respect to the amount of current can be rationally set, and simulation of performance calculation of the fuel cell stack can be efficiently simulated. Device can be used.

第17の発明は、特に第15又は第16の発明において、Kを2以上、N以下の整数とした場合に、燃料電池スタックの第K−1段目セルと隣接し、第2端部セルの側に位置する特定セルを第K段目セルとし、第K段目セル内に位置し、燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第(3K−2)基準面とし、第K段目セル内に位置し、第(3K−2)基準面より第2端面側に位置する、燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第(3K−1)基準面とし、第K段目セル内に位置し、第(3K−1)基準面より第2端面側に位置する、燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第3K基準面とし、第(2K−3)算出ステップ又は(2K−2)算出ステップの後、第(3K−3)基準面の電位を用いて設定された第(3K−2)基準面の値及び、第(3K−2)基準面の平均電流密度として設定された第(3K−1)基準面の値を用いて、第3K基準面の電位及び電流密度を算出する第(2K−1)算出ステップを備えたものである。 The seventeenth invention is the second end cell adjacent to the K-1st cell of the fuel cell stack, where K is an integer not less than 2 and not more than N, particularly in the fifteenth or sixteenth invention. A specific cell located on the side of the fuel cell is referred to as a K-th cell, an arbitrary surface located in the K-th cell and orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack is referred to as a (3K-2) reference plane, An arbitrary surface orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, located in the step cell and located on the second end face side from the (3K-2) reference surface, is taken as the (3K-1) reference surface, the Kth surface An arbitrary surface orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, located in the step cell and located on the second end face side from the (3K-1) reference surface, is taken as the 3rd K reference surface, the (2K-3) After the calculation step or (2K-2) calculation step, the third set using the potential of the (3K-3) reference plane 3K-2) the value of the reference plane and, using the value of the (3K-1) reference surface set as an average current density of the (3K-2) a reference plane, the potential and current density of the 3K reference plane A second (2K-1) calculation step of calculating is provided.

上記構成とすることにより、第1端部セル以外のセルの第(3K−1)基準面の境界条件を簡便に合理的に設定できるようになり、燃料電池スタックの性能算出を効率的にシミュレーション可能な装置とすることができる。   With the above configuration, the boundary conditions of the (3K-1) reference plane of cells other than the first end cell can be set simply and rationally, and simulation of fuel cell stack performance calculation can be efficiently performed. It can be a possible device.

第18の発明は、特に第15又は第16の発明において、Kを2以上、N以下の整数とした場合に、燃料電池スタックの第K−1段目セルと隣接し、第2端部セルの側に位置する特定セルを第K段目セルとし、第K段目セル内に位置し、燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第(3K−2)基準面とし、第K段目セル内に位置し、第(3K−2)基準面より第2端面側に位置する、燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第3K基準面とし、第(2K−3)算出ステップ又は(2K−2)算出ステップの後、第(3K−3)基準面の電位を用いて設定された第(3K−2)基準面の値及び、第(3K−3)基準面の電流密度を用いて設定された第3K基準面の電流密度を用いて、第3K基準面の電位を算出する第2K算出ステップを備えたものである。   According to an eighteenth invention, in particular, in the fifteenth or sixteenth invention, when K is an integer of 2 or more and N or less, the second end cell is adjacent to the K-1st cell of the fuel cell stack. A specific cell located on the side of the fuel cell is referred to as a K-th cell, an arbitrary surface located in the K-th cell and orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack is referred to as a (3K-2) reference plane, An arbitrary surface orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, located in the step cell and located on the second end face side from the (3K-2) reference surface, is taken as the 3rd K reference surface, the (2K-3) After the calculation step or (2K-2) calculation step, the value of the (3K-2) reference plane set using the potential of the (3K-3) reference plane and the value of the (3K-3) reference plane A second K for calculating the potential of the third K reference plane using the current density of the third K reference plane set using the current density Out are those provided with a step.

上記構成とすることにより、第1端部セル以外のセルの第(3K−2)基準面と第3K基準面の境界条件を合理的に設定できるようになり、燃料電池スタックの性能算出を効率的にシミュレーション可能な装置とすることができる。   With the above configuration, it is possible to rationally set the boundary conditions of the (3K−2) reference plane and the 3rd reference plane of cells other than the first end cell, and efficiency of fuel cell stack performance calculation can be achieved. Can be simulated.

以下、Nを2以上、Kを2以上N以下の整数とした場合に、本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法の実施の形態1〜4の説明を行う。   Hereinafter, when N is 2 or more and K is an integer of 2 or more and N or less, Embodiments 1 to 4 of the fuel cell stack simulation method of the present invention will be described.

(実施の形態1)
図1は本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法における第1算出ステップと第(2K−1)算出ステップにおける境界の設定方法の概念を説明するための説明図であり、図2は本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法の実施の形態1の概念を示すフローチャートである。
Embodiment 1
FIG. 1 is an explanatory view for explaining the concept of a method of setting boundaries in the first calculation step and the (2K-1) calculation step in the fuel cell stack simulation method of the present invention, and FIG. 2 is a fuel of the present invention It is a flowchart which shows the concept of Embodiment 1 of the simulation method of a battery stack.

まず、実施の形態1で用いる、第1端部セルにおける第1算出ステップ及び第K段目のセルにおける第(2K−1)算出ステップの説明を行い、それらを組み合わせた燃料電池スタックのシミュレーションを行う方法を説明する。   First, the first calculation step in the first end cell and the (2K-1) calculation step in the K-th cell used in the first embodiment will be described, and a simulation of a fuel cell stack combining them will be described. Explain how to do it.

図1において、燃料電池スタック5は、第1端部セル1、第K段目のセル2、第K+1段目のセル3、第2端部セル4、アノード側の集電板6及びカソード側の集電板7、第1基準面8、第2基準面9、第3基準面10、第(3K−2)基準面11、第(3K−1)基準面12、第3K基準面13から構成されている。   In FIG. 1, the fuel cell stack 5 includes a first end cell 1, a K th cell 2, a (K + 1) th cell 3, a second end cell 4, an anode side collector plate 6 and a cathode side. Current collector plate 7, first reference surface 8, second reference surface 9, third reference surface 10, third (3K-2) reference surface 11, third (3K-1) reference surface 12, third K reference surface 13 It is configured.

第1算出ステップは、燃料電池スタック5の第1端部セル1に対して、それがアノード側の集電板6と接していることから、アノード側の集電板6と第1端部セル1が接する面を第1基準面8として、そこに一定の電位又は電流密度を設定する。次に電解質膜内に位置する第2基準面9に対して、第1算出ステップでは一定の電位を設定する。   In the first calculation step, since the first end cell 1 of the fuel cell stack 5 is in contact with the current collector plate 6 on the anode side, the current collector plate 6 on the anode side and the first end cell A surface in contact with 1 is set as a first reference surface 8, and a constant potential or current density is set there. Next, a constant potential is set in the first calculation step with respect to the second reference surface 9 located in the electrolyte membrane.

第2基準面9に一定の値を設定できる理由は、既に述べた通りである。さらに第1算出ステップでは、電位の境界条件を第1基準面8と第2基準面9に設定した上で、第1端部セル1の電池性能算出をシミュレーションで行う。   The reason why the constant value can be set to the second reference surface 9 is as described above. Furthermore, in the first calculation step, after the boundary conditions of the potentials are set to the first reference surface 8 and the second reference surface 9, calculation of the battery performance of the first end cell 1 is performed by simulation.

ここで言及する電池性能の算出とは、電位、電流、圧力、温度、濃度を含む電池の内部物理量を算出することを示すものとする。また、第2基準面9に境界条件を設定することから、本発明を実施するためには、内部境界を設定できるようなシミュレーション手法又は装置であることが必須である。   The calculation of the battery performance referred to here indicates that the internal physical quantities of the battery including the potential, the current, the pressure, the temperature, and the concentration are calculated. Further, since the boundary conditions are set to the second reference surface 9, in order to carry out the present invention, it is essential to be a simulation method or apparatus capable of setting the inner boundary.

次に、第1算出ステップでは、第1端部セル1の電池性能の算出をシミュレーションした後に、この結果を用いて第3基準面10に電位及び電流密度を設定する。これにより燃料電池スタックの第1端部セル1の電池性能の算出をシミュレーションで行うことが可能となる。   Next, in the first calculation step, after calculation of the battery performance of the first end cell 1 is simulated, the potential and the current density are set on the third reference surface 10 using this result. This makes it possible to calculate the cell performance of the first end cell 1 of the fuel cell stack by simulation.

次に第(2K−1)算出ステップとして、第K段目のセルの電池性能の算出をシミュレーションで行う方法について述べる。   Next, a method of performing calculation of the battery performance of the Kth cell as a second (2K-1) calculation step will be described.

第(2K−1)算出ステップは、燃料電池スタックの第K段目のセル2に対して、第(2K−3)算出ステップの第K−1段目のセルの電池性能の算出結果得られた値を基に、第(3K−2)基準面11に電位及び電流密度を設定し、電解質膜内に位置する第(3K−1)基準面12に第(3K−2)基準面11の平均電流密度の値を設定する。境界条件を第(3K−2)基準面11と第(3K−1)基準面12に設定した上で、第K段目のセル2の電池性能の算出をシミュレーションで行う。   In the (2K-1) calculation step, the calculation result of the cell performance of the (K-1) th cell in the (2K-3) calculation step is obtained for the Kth cell 2 of the fuel cell stack. The potential and the current density are set to the (3K-2) reference surface 11 based on the above values, and the (3K-2) reference surface 11 is formed on the (3K-1) reference surface 12 located in the electrolyte membrane. Set the average current density value. After setting the boundary conditions to the (3K-2) reference surface 11 and the (3K-1) reference surface 12, calculation of the battery performance of the cell 2 of the K-th stage is performed by simulation.

本算出ステップでは、第(3K−1)基準面12に境界条件を設定することから、本発明を実施するためには、内部境界を設定できるシミュレーション手法又は装置であることが必要である。第K段目のセル2のシミュレーションの結果から、第3K基準面13に電位と電流密度を設定する。これにより燃料電池スタックにおける第K段目のセル2の電池性能の算出をシミュレーションで行うことが可能となる。   In this calculation step, since the boundary conditions are set to the (3K-1) th reference surface 12, in order to carry out the present invention, it is necessary to be a simulation method or apparatus capable of setting an inner boundary. From the simulation result of the cell 2 of the K-th stage, the potential and the current density are set to the third K reference surface 13. This makes it possible to calculate the cell performance of the K-th cell 2 in the fuel cell stack by simulation.

第1算出ステップと第(2K−1)算出ステップを用いた本実施の形態のフローチャートを図2に示す。   A flowchart of this embodiment using the first calculation step and the (2K-1) calculation step is shown in FIG.

本フローチャートでは、S001でスタートし、S002で燃料電池スタックのセル段数を設定し、S003〜S006で第1算出ステップ14を用いて第1端部セルの電池性
能の算出を行う。
In this flowchart, the process starts at S001, sets the number of cell stages of the fuel cell stack at S002, and calculates the cell performance of the first end cell using the first calculation step 14 at S003 to S006.

次にS007でKに2を設定し、S008〜S012で第3算出ステップを用いて第2段目のセルの電池性能の算出を行い、S013でK=K+1を行ってセル番号Kに3を設定する。以降はKの値を増加させながら、第(2K−1)算出ステップ16を再起的に繰り返す。   Next, in S007, K is set to 2, and in S008 to S012, the cell performance of the second-stage cell is calculated using the third calculation step, K = K + 1 is performed in S013, and 3 is added to the cell number K Set After that, while increasing the value of K, the (2K-1) -th calculation step 16 is repeated repeatedly.

第2端部セルに対応する第N段目のセルに関しても、第2N−1算出ステップを用いて電池性能の算出をシミュレーションで行うことが可能である。最後にセル番号KにN+1が設定されると計算が終了し、燃料電池の全セルの電池性能の算出が完了となる。   Also for the Nth-stage cell corresponding to the second end cell, calculation of battery performance can be performed by simulation using the (2N-1) -th calculation step. Finally, when N + 1 is set to the cell number K, the calculation is completed, and the calculation of the cell performance of all the cells of the fuel cell is completed.

以上説明したように、本実施の形態では、第1端部セルの境界条件を正確に設定でき、さらに第1端部セル以外のセルの第(3K−1)基準面の境界条件を簡便に設定できるようになることで、計算精度と計算時間の短縮を両立させつつ、燃料電池スタックにおける各積層位置における各セルの電池性能の算出が可能となる。   As described above, in the present embodiment, the boundary conditions of the first end cell can be set accurately, and further, the boundary conditions of the (3K-1) reference plane of cells other than the first end cell can be simplified. By being able to set, it becomes possible to calculate the cell performance of each cell at each stacking position in the fuel cell stack while making the calculation accuracy and the reduction of the calculation time compatible.

(実施の形態2)
図3は本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法の第1または第2算出ステップと第2K算出ステップにおける境界の設定方法の概念を説明するための説明図であり、図4は本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法の実施の形態2の概念を示すフローチャートである。
Second Embodiment
FIG. 3 is an explanatory view for explaining the concept of a method of setting boundaries in the first or second calculation step and the second K calculation step of the fuel cell stack simulation method of the present invention, and FIG. 4 is a fuel cell of the present invention It is a flowchart which shows the concept of Embodiment 2 of the simulation method of a stack | stuck.

まず、実施の形態2で用いる、第1端部セルにおける第1算出ステップ及び第K段目のセルにおける第2K算出ステップの説明を行い、それらを組み合わせた燃料電池スタックのシミュレーションを行う方法を説明する。   First, the first calculation step in the first end cell and the second K calculation step in the Kth cell used in the second embodiment will be described, and a method of simulating a fuel cell stack combining them will be described. Do.

図3において、燃料電池スタック5は、第1端部セル1、第K段目のセル2、第K+1段目のセル3、第2端部セル4、アノード側の集電板6及びカソード側の集電板7、第1基準面8、第2基準面9、第3基準面10、第(3K−2)基準面11、第3K基準面13から構成されている。   In FIG. 3, the fuel cell stack 5 includes the first end cell 1, the Kth cell 2, the (K + 1) th cell 3, the second end cell 4, the anode side current collector plate 6 and the cathode side. The collector plate 7, the first reference surface 8, the second reference surface 9, the third reference surface 10, the third (3K-2) reference surface 11, and the third K reference surface 13 are provided.

第1算出ステップは、燃料電池スタック5の第1端部セル1に対して、それがアノード側の集電板6と接していることから、アノード側の集電板6と第1端部セル1が接する面を第1基準面8として、そこに一定の電位又は電流密度を設定する。次に電解質膜内に位置する第2基準面9に対して、第1算出ステップでは一定の電位を設定する。   In the first calculation step, since the first end cell 1 of the fuel cell stack 5 is in contact with the current collector plate 6 on the anode side, the current collector plate 6 on the anode side and the first end cell A surface in contact with 1 is set as a first reference surface 8, and a constant potential or current density is set there. Next, a constant potential is set in the first calculation step with respect to the second reference surface 9 located in the electrolyte membrane.

第2基準面9に一定の値を設定できる理由は既に述べた通りである。さらに第1算出ステップでは、電位の境界条件を第1基準面8と第2基準面9に設定した上で、第1端部セル1の電池性能算出をシミュレーションで行う。ここで言及する電池性能の算出とは、電位、電流、圧力、温度、濃度を含む電池の内部物理量を算出することを示すものとする。   The reason why the constant value can be set to the second reference surface 9 is as described above. Furthermore, in the first calculation step, after the boundary conditions of the potentials are set to the first reference surface 8 and the second reference surface 9, calculation of the battery performance of the first end cell 1 is performed by simulation. The calculation of the battery performance referred to here indicates that the internal physical quantities of the battery including the potential, the current, the pressure, the temperature, and the concentration are calculated.

また、第2基準面9に境界条件を設定することから、本発明を実施するためには内部境界を設定できるようなシミュレーション手法又は装置であることが必須である。   In addition, since the boundary conditions are set in the second reference surface 9, it is essential that the simulation method or apparatus be able to set the inner boundary in order to implement the present invention.

次に、第1算出ステップでは、第1端部セル1の電池性能の算出をシミュレーションした後に、この結果を用いて第3基準面10に電位及び電流密度を設定する。これにより燃料電池スタックの第1端部セル1の電池性能の算出をシミュレーションで行うことが可能となる。   Next, in the first calculation step, after calculation of the battery performance of the first end cell 1 is simulated, the potential and the current density are set on the third reference surface 10 using this result. This makes it possible to calculate the cell performance of the first end cell 1 of the fuel cell stack by simulation.

次に第2K算出ステップとして、第K段目のセルの電池性能の算出をシミュレーション
で行う方法について述べる。
Next, a method of performing a calculation of the battery performance of the Kth cell as a second K calculation step will be described.

第2K算出ステップは、燃料電池スタックの第K段目のセル2に対して、第(2K−3)算出ステップの第K−1段目のセルの電池性能の算出結果得られた値を基に第(3K−2)基準面11に電位及び電流密度を設定し、第(3K−2)基準面の電流密度の値を用いて、第3K基準面13の電流密度の値を設定する。   The 2nd K calculation step is based on the value obtained as a result of the calculation of the cell performance of the (K-1) th cell in the (2K-3) calculation step with respect to the 2nd cell of the fuel cell stack. The potential and the current density are set to the (3K-2) reference plane 11 and the current density value of the 3Kth reference plane 13 is set using the value of the current density of the (3K-2) reference plane.

ここで、前述したように端部以外のセルのセパレータ端面におけるアノード側の電流密度分布とカソード側の電流密度分布は電解質膜の中心面に対して鏡面対称の関係になっていることから、第(3K−2)基準面の電流密度を基に第3K基準面13の電流密度の値を設定する。   Here, as described above, the current density distribution on the anode side and the current density distribution on the cathode side of the separator end face of the cell other than the end are in mirror symmetry with respect to the center plane of the electrolyte membrane. (3K-2) Based on the current density of the reference plane, the value of the current density of the third K reference plane 13 is set.

境界条件を第(3K−2)基準面11と第3K基準面13に設定した上で、第K段目のセル2の電池性能の算出をシミュレーションで行う。第K段目のセル2のシミュレーションの結果から第3K基準面13に電位と電流密度を設定する。これにより燃料電池スタックにおける第K段目のセル2の電池性能の算出をシミュレーションで行うことが可能となる。   After the boundary conditions are set to the (3K-2) reference plane 11 and the 3K reference plane 13, calculation of the battery performance of the cell 2 of the K-th stage is performed by simulation. From the simulation result of the cell 2 of the K-th stage, the potential and the current density are set to the third K reference surface 13. This makes it possible to calculate the cell performance of the K-th cell 2 in the fuel cell stack by simulation.

第1算出ステップと第2K算出ステップを用いた本実施の形態のフローチャートを図4に示す。   A flowchart of the present embodiment using the first calculation step and the second K calculation step is shown in FIG.

本フローチャートでは、S101でスタートし、S102で燃料電池スタックのセル段数を設定し、S103〜S106で第1算出ステップ14を用いて第1端部セルの電池性能の算出を行う。   In this flowchart, the process starts in S101, sets the number of cell stages of the fuel cell stack in S102, and calculates the cell performance of the first end cell using the first calculation step 14 in S103 to S106.

次にS107でKに2を設定し、S108〜S112で第3算出ステップを用いて第2段目のセルの電池性能の算出を行い、S113でK=K+1を行ってセル番号Kに3を設定する。以降はKの値を増加させながら、第2K算出ステップ17を再起的に繰り返す。   Next, in step S107, K is set to 2, and in steps S108 to S112, the cell performance of the second stage cell is calculated using the third calculation step, and in step S113, K = K + 1 is performed. Set After that, the second K calculation step 17 is repeated repeatedly while increasing the value of K.

第2端部セルに対応する第N段目のセルに関しても、第2N算出ステップを用いて電池性能の算出をシミュレーションで行うことが可能である。最後にセル番号KにN+1が設定されると計算が終了し、燃料電池の全セルの電池性能の算出が完了となる。   Also with regard to the cell of the Nth stage corresponding to the second end cell, it is possible to perform calculation of battery performance by simulation using the second N calculation step. Finally, when N + 1 is set to the cell number K, the calculation is completed, and the calculation of the cell performance of all the cells of the fuel cell is completed.

以上、本実施の形態では、第1端部セルの境界条件を最も正確に設定でき、さらに第1端部セル以外のセルの第(3K−2)基準面と第3K基準面の境界条件を簡便に設定できるようになることで、計算精度と計算時間の短縮を両立させつつ、燃料電池スタックにおける各積層位置における各セルの電池性能の算出が可能となる。   As described above, in the present embodiment, the boundary condition of the first end cell can be set most accurately, and the boundary condition of the (3K-2) reference plane and the 3K reference plane of cells other than the first end cell is further set. By being able to set simply, it becomes possible to calculate the cell performance of each cell at each stacking position in the fuel cell stack while achieving both calculation accuracy and reduction of calculation time.

(実施の形態3)
ここでは実施の形態1における第1算出ステップの代わりに第2算出ステップを適用する場合について記載する。図5は本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法の実施の形態3の概念を示すフローチャートである。
Third Embodiment
Here, the case of applying the second calculation step instead of the first calculation step in the first embodiment will be described. FIG. 5 is a flowchart showing the concept of the third embodiment of the fuel cell stack simulation method of the present invention.

まず、実施の形態3で用いる、第1端部セルにおける第2算出ステップ及び第K段目のセルにおける第(2K−1)算出ステップの説明を行い、それらを組み合わせた燃料電池スタックのシミュレーションを行う方法を説明する。   First, the second calculation step in the first end cell and the (2K-1) calculation step in the Kth cell used in the third embodiment will be described, and a simulation of a fuel cell stack combining them will be described. Explain how to do it.

第2算出ステップは、燃料電池スタック5の第1端部セル1に対して、それがアノード側の集電板6と接していることから、アノード側の集電板6と第1端部セル1が接する面を第1基準面8として、そこに一定の電位又は電流密度を設定する。次に電解質膜内に位
置する第2基準面9に対して、第2算出ステップでは一定の電流密度を設定する。
In the second calculation step, since the first end cell 1 of the fuel cell stack 5 is in contact with the current collector plate 6 on the anode side, the current collector plate 6 on the anode side and the first end cell A surface in contact with 1 is set as a first reference surface 8, and a constant potential or current density is set there. Next, a constant current density is set in the second calculation step with respect to the second reference surface 9 located in the electrolyte membrane.

第2基準面9に一定の値を設定できる理由は既に述べた通りである。さらに、第2算出ステップでは、電位又は電流密度の境界条件を第1基準面8と第2基準面9に設定した上で、第1端部セル1の電池性能算出をシミュレーションで行う。   The reason why the constant value can be set to the second reference surface 9 is as described above. Furthermore, in the second calculation step, after the boundary conditions of the potential or the current density are set to the first reference surface 8 and the second reference surface 9, calculation of the battery performance of the first end cell 1 is performed by simulation.

ここで言及する電池性能の算出とは、電位、電流、圧力、温度、濃度を含む電池の内部物理量を算出することを示すものとする。また、第2基準面9に境界条件を設定することから、本発明を実施するためには内部境界を設定できるようなシミュレーション手法又は装置であることが必須である。   The calculation of the battery performance referred to here indicates that the internal physical quantities of the battery including the potential, the current, the pressure, the temperature, and the concentration are calculated. In addition, since the boundary conditions are set in the second reference surface 9, it is essential that the simulation method or apparatus be able to set the inner boundary in order to implement the present invention.

次に、第2算出ステップでは、第1端部セル1の電池性能の算出をシミュレーションした後に、この結果を用いて第3基準面10に電位及び電流密度を設定する。これにより燃料電池スタックの第1端部セル1の電池性能の算出をシミュレーションで行うことが可能となる。   Next, in a second calculation step, calculation of the battery performance of the first end cell 1 is simulated, and then the potential and current density are set on the third reference surface 10 using this result. This makes it possible to calculate the cell performance of the first end cell 1 of the fuel cell stack by simulation.

次に第(2K−1)算出ステップとして、第K段目のセルの電池性能の算出をシミュレーションで行う方法について述べる。   Next, a method of performing calculation of the battery performance of the Kth cell as a second (2K-1) calculation step will be described.

第(2K−1)算出ステップは、燃料電池スタックの第K段目のセル2に対して、第(2K−3)算出ステップの第K−1段目のセルの電池性能の算出結果得られた値を基に第(3K−2)基準面11に電位及び電流密度を設定し、電解質膜内に位置する第(3K−1)基準面12に第(3K−2)基準面11の平均電流密度の値を設定する。   In the (2K-1) calculation step, the calculation result of the cell performance of the (K-1) th cell in the (2K-3) calculation step is obtained for the Kth cell 2 of the fuel cell stack. The potential and the current density are set to the (3K-2) reference surface 11 based on the above values, and the (3K-2) reference surface 11 is averaged on the (3K-1) reference surface 12 located in the electrolyte membrane. Set the current density value.

境界条件を第(3K−2)基準面11と第(3K−1)基準面12に設定した上で、第K段目のセル2の電池性能の算出をシミュレーションで行う。   After setting the boundary conditions to the (3K-2) reference surface 11 and the (3K-1) reference surface 12, calculation of the battery performance of the cell 2 of the K-th stage is performed by simulation.

本算出ステップでは、第(3K−1)基準面12に境界条件を設定することから、本発明を実施するためには、内部境界を設定できるシミュレーション手法又は装置であることが必要である。第K段目のセル2のシミュレーションの結果から第3K基準面13に電位と電流密度を設定する。これにより燃料電池スタックにおける第K段目のセル2の電池性能の算出をシミュレーションで行うことが可能となる。   In this calculation step, since the boundary conditions are set to the (3K-1) th reference surface 12, in order to carry out the present invention, it is necessary to be a simulation method or apparatus capable of setting an inner boundary. From the simulation result of the cell 2 of the K-th stage, the potential and the current density are set to the third K reference surface 13. This makes it possible to calculate the cell performance of the K-th cell 2 in the fuel cell stack by simulation.

第2算出ステップと第(2K−1)算出ステップを用いた本実施の形態のフローチャートを図5に示す。   A flowchart of the present embodiment using the second calculation step and the (2K-1) calculation step is shown in FIG.

本フローチャートでは、S201でスタートし、S202で燃料電池スタックのセル段数を設定し、S203〜S206で第2算出ステップ15を用いて第1端部セルの電池性能の算出を行う。   In this flowchart, the process starts in S201, sets the number of cell stages of the fuel cell stack in S202, and calculates the cell performance of the first end cell using the second calculation step 15 in S203 to S206.

次にS207でKに2を設定し、S208〜S212で第3算出ステップを用いて第2段目のセルの電池性能の算出を行い、S213でK=K+1を行ってセル番号Kに3を設定する。以降はKの値を増加させながら、第(2K−1)算出ステップ16を再起的に繰り返す。   Next, 2 is set to K in S207, and the cell performance of the second-stage cell is calculated using the third calculation step in S208 to S212, K = K + 1 is performed in S213, and 3 is added to the cell number K Set After that, while increasing the value of K, the (2K-1) -th calculation step 16 is repeated repeatedly.

第2端部セルに対応する第N段目のセルに関しても、第2N−1算出ステップを用いて電池性能の算出をシミュレーションで行うことが可能である。最後にセル番号KにN+1が設定されると計算が終了し、燃料電池の全セルの電池性能の算出が完了となる。   Also for the Nth-stage cell corresponding to the second end cell, calculation of battery performance can be performed by simulation using the (2N-1) -th calculation step. Finally, when N + 1 is set to the cell number K, the calculation is completed, and the calculation of the cell performance of all the cells of the fuel cell is completed.

以上、本実施の形態では、第1端部セルの第2基準面の電流密度を既定することで、最
も知りたい電流量に対する端部セルの境界条件を合理的に設定でき、第1端部セル以外のセルの第(3K−1)基準面の境界条件を簡便に設定できるようになり、計算精度と計算時間の短縮を両立させつつ、燃料電池スタックにおける各積層位置における各セルの電池性能の算出が可能となる。
As described above, in the present embodiment, by defining the current density of the second reference surface of the first end cell, the boundary condition of the end cell can be rationally set with respect to the amount of current that is most desired to be known. The boundary conditions of the third (3K-1) reference plane of cells other than the cells can be easily set, and the cell performance of each cell at each stacking position in the fuel cell stack can be achieved while achieving both calculation accuracy and reduction of calculation time. It becomes possible to calculate

(実施の形態4)
ここでは実施の形態2における第1算出ステップの代わりに第2算出ステップを適用する場合について記載する。図6は本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法の実施の形態4の概念を示すフローチャートである。
Embodiment 4
Here, the case of applying the second calculation step instead of the first calculation step in the second embodiment will be described. FIG. 6 is a flow chart showing the concept of Embodiment 4 of the fuel cell stack simulation method of the present invention.

まず、実施の形態4で用いる、第1端部セルにおける第2算出ステップ及び第K段目のセルにおける第2K算出ステップの説明を行い、それらを組み合わせた燃料電池スタックのシミュレーションを行う方法を説明する。   First, the second calculation step in the first end cell and the second K calculation step in the K-th cell used in the fourth embodiment will be described, and a method of simulating a fuel cell stack combining them will be described. Do.

第2算出ステップは、燃料電池スタック5の第1端部セル1に対して、それがアノード側の集電板6と接していることから、アノード側の集電板6と第1端部セル1が接する面を第1基準面8として、そこに一定の電位又は電流密度を設定する。次に電解質膜内に位置する第2基準面9に対して、第2算出ステップでは一定の電流密度を設定する。   In the second calculation step, since the first end cell 1 of the fuel cell stack 5 is in contact with the current collector plate 6 on the anode side, the current collector plate 6 on the anode side and the first end cell A surface in contact with 1 is set as a first reference surface 8, and a constant potential or current density is set there. Next, a constant current density is set in the second calculation step with respect to the second reference surface 9 located in the electrolyte membrane.

第2基準面9に一定の値を設定できる理由は既に述べた通りである。さらに、第2算出ステップでは、電位又は電流密度の境界条件を第1基準面8と第2基準面9に設定した上で、第1端部セル1の電池性能算出をシミュレーションで行う。ここで言及する電池性能の算出とは、電位、電流、圧力、温度、濃度を含む電池の内部物理量を算出することを示すものとする。   The reason why the constant value can be set to the second reference surface 9 is as described above. Furthermore, in the second calculation step, after the boundary conditions of the potential or the current density are set to the first reference surface 8 and the second reference surface 9, calculation of the battery performance of the first end cell 1 is performed by simulation. The calculation of the battery performance referred to here indicates that the internal physical quantities of the battery including the potential, the current, the pressure, the temperature, and the concentration are calculated.

また、第2基準面9に境界条件を設定することから、本発明を実施するためには内部境界を設定できるようなシミュレーション手法又は装置であることが必須である。   In addition, since the boundary conditions are set in the second reference surface 9, it is essential that the simulation method or apparatus be able to set the inner boundary in order to implement the present invention.

次に、第2算出ステップでは、第1端部セル1の電池性能の算出をシミュレーションした後に、この結果を用いて第3基準面10に電位及び電流密度を設定する。これにより燃料電池スタックの第1端部セル1の電池性能の算出をシミュレーションで行うことが可能となる。   Next, in a second calculation step, calculation of the battery performance of the first end cell 1 is simulated, and then the potential and current density are set on the third reference surface 10 using this result. This makes it possible to calculate the cell performance of the first end cell 1 of the fuel cell stack by simulation.

次に第2K算出ステップとして、第K段目のセルの電池性能の算出をシミュレーションで行う方法について述べる。   Next, a method of performing a calculation of the battery performance of the Kth cell as a second K calculation step will be described.

第2K算出ステップは、燃料電池スタックの第K段目のセル2に対して、第(2K−3)算出ステップ又は第(2K−2)算出ステップの第K−1段目のセルの電池性能の算出結果得られた値を基に第(3K−2)基準面11に電位及び電流密度を設定し、第(3K−2)基準面の電流密度の値を用いて、第3K基準面13の電流密度の値を設定する。   The second K calculation step is the cell performance of the (K-1) th cell of the (2K-3) calculation step or the (2K-2) calculation step with respect to the Kth cell 2 of the fuel cell stack. The potential and the current density are set to the (3K-2) reference plane 11 based on the values obtained as a result of calculation of the 3rd K reference plane 13 using the value of the current density of the (3K-2) reference plane. Set the current density value of

ここで、前述したように端部以外のセルのセパレータ端面におけるアノード側の電流密度分布とカソード側の電流密度分布は電解質膜の中心面に対して鏡面対称の関係になっていることから、第(3K−2)基準面の電流密度を基に第3K基準面13の電流密度の値を設定する。境界条件を第(3K−2)基準面11と第3K基準面13に設定した上で、第K段目のセル2の電池性能の算出をシミュレーションで行う。   Here, as described above, the current density distribution on the anode side and the current density distribution on the cathode side of the separator end face of the cell other than the end are in mirror symmetry with respect to the center plane of the electrolyte membrane. (3K-2) Based on the current density of the reference plane, the value of the current density of the third K reference plane 13 is set. After the boundary conditions are set to the (3K-2) reference plane 11 and the 3K reference plane 13, calculation of the battery performance of the cell 2 of the K-th stage is performed by simulation.

第K段目のセル2のシミュレーションの結果から第3K基準面13に電位と電流密度を設定する。これにより燃料電池スタックにおける第K段目のセル2の電池性能の算出をシミュレーションで行うことが可能となる。   From the simulation result of the cell 2 of the K-th stage, the potential and the current density are set to the third K reference surface 13. This makes it possible to calculate the cell performance of the K-th cell 2 in the fuel cell stack by simulation.

第2算出ステップと第2K算出ステップを用いた本実施の形態のフローチャートを図6に示す。   A flowchart of the present embodiment using the second calculation step and the 2K calculation step is shown in FIG.

本フローチャートでは、S301でスタートし、S302で燃料電池スタックのセル段数を設定し、S303〜S306で第2算出ステップ15を用いて第1端部セルの電池性能の算出を行う。   In this flowchart, the process starts in S301, sets the number of cell stages of the fuel cell stack in S302, and calculates the cell performance of the first end cell using the second calculation step 15 in S303 to S306.

次にS307でKに2を設定し、S308〜S312で第3算出ステップを用いて第2段目のセルの電池性能の算出を行い、S313でK=K+1を行ってセル番号Kに3を設定する。以降はKの値を増加させながら、第2K算出ステップ17を再起的に繰り返す。   Next, 2 is set to K in S307, and the cell performance of the second stage cell is calculated using the third calculation step in S308 to S312, K = K + 1 is performed in S313, and 3 is added to the cell number K Set After that, the second K calculation step 17 is repeated repeatedly while increasing the value of K.

第2端部セルに対応する第N段目のセルに関しても、第2N算出ステップを用いて電池性能の算出をシミュレーションで行うことが可能である。最後にセル番号KにN+1が設定されると計算が終了し、燃料電池の全セルの電池性能の算出が完了となる。   Also with regard to the cell of the Nth stage corresponding to the second end cell, it is possible to perform calculation of battery performance by simulation using the second N calculation step. Finally, when N + 1 is set to the cell number K, the calculation is completed, and the calculation of the cell performance of all the cells of the fuel cell is completed.

以上、本実施の形態では、第1端部セルの第2基準面の電流密度を既定することで、最も知りたい電流量に対する端部セルの境界条件を合理的に設定でき、第1端部セル以外のセルの第(3K−2)基準面と第3K基準面の境界条件を簡便に設定できるようになり、計算精度と計算時間の短縮を両立させつつ、燃料電池スタックにおける各積層位置における各セルの電池性能の算出が可能となる。   As described above, in the present embodiment, by defining the current density of the second reference surface of the first end cell, the boundary condition of the end cell can be rationally set with respect to the amount of current that is most desired to be known. The boundary conditions of the third (3K-2) reference plane and the third K reference plane of cells other than the cells can be easily set, and both calculation accuracy and reduction of calculation time can be achieved at the same time at each stacking position in the fuel cell stack. It becomes possible to calculate the battery performance of each cell.

以上、実施の形態1〜4を示したが、第1算出ステップと第2算出ステップは、燃料電池スタックの第1端部セルの電池性能の算出をシミュレーションで行うステップであり、両者の目的は同一であるが方法が異なるものである。   As mentioned above, although Embodiment 1-4 was shown, a 1st calculation step and a 2nd calculation step are steps which perform calculation of the battery performance of the 1st end cell of a fuel cell stack by simulation, and the purpose of both is It is the same but the method is different.

しかしながら、我々の発見した事実から、第1端部セルでは電解質膜の中心面の電位がほぼ一定になっていることから、燃料電池スタックの電池性能の算出をシミュレーションで行う目的では、第1算出ステップがより適している。   However, since the potential of the center plane of the electrolyte membrane is substantially constant in the first end cell based on the facts found by us, the first calculation is for the purpose of carrying out the calculation of the cell performance of the fuel cell stack by simulation. Steps are more suitable.

また、第(2K−1)算出ステップと第2K算出ステップは、燃料電池スタックの第K段目のセルの電池性能の算出をシミュレーションで行うステップであり、両者の目的は同一であるが方法が異なるものである。   The (2K-1) calculation step and the 2nd K calculation step are steps for performing calculation of the cell performance of the Kth cell of the fuel cell stack by simulation, and the purpose of both is the same, but the method is It is different.

しかしながら、第K段目のセルでは電流密度が、ほぼ第(3K−2)基準面11と第3K基準面13で鏡面対称になっていることから、燃料電池スタックの電池性能の算出をシミュレーションで行う目的では、第2K算出ステップがより適している。   However, since the current density in the Kth cell is approximately mirror-symmetrical between the (3K-2) reference plane 11 and the 3Kth reference plane 13, the calculation of the cell performance of the fuel cell stack can be simulated by simulation. For the purpose of carrying out, the second K calculation step is more suitable.

これらの状況を鑑みて、実施の形態2に対応するものが燃料電池スタックの電池性能の算出を行う最良の形態である。   In view of these circumstances, the one corresponding to the second embodiment is the best mode for calculating the cell performance of the fuel cell stack.

本発明の燃料電池スタックのシミュレーション方法は、計算精度と計算時間の短縮を両立させつつ、燃料電池スタックの性能算出を効率的にシミュレーションすることができるので、燃料電池スタック開発の、コスト削減、開発期間の削減の用途に好適である。   The fuel cell stack simulation method of the present invention can efficiently simulate the performance calculation of the fuel cell stack while achieving both calculation accuracy and shortening of calculation time, so the cost reduction and development of the fuel cell stack development can be achieved. Suitable for time reduction applications.

1 第1端部セル(第1段目のセル)
2 第K段目のセル
3 第K+1段目のセル
4 第2端部セル(第N段目のセル)
5 燃料電池スタック
6 アノード側の集電板
7 カソード側の集電板
8 第1基準面
9 第2基準面
10 第3基準面
11 第(3K−2)基準面
12 第(3K−1)基準面
13 第3K基準面
14 第1算出ステップ
15 第2算出ステップ
16 第(2K−1)算出ステップ
17 第2K算出ステップ
1 1st end cell (1st cell)
2 cell of the K th stage 3 cell of the K th +1 stage 4 second end cell (cell of the N th stage)
Reference Signs List 5 fuel cell stack 6 anode side current collector plate 7 cathode side current collector plate 8 first reference surface 9 second reference surface 10 third reference surface 11 th (3K-2) reference surface 12 th (3K-1) reference Plane 13 3rd K reference plane 14 1st calculation step 15 2nd calculation step 16 2nd (2K-1) calculation step 17 2nd K calculation step

Claims (18)

Nを2以上の整数とした場合に、電解質膜及び電極を有する燃料電池セルがN段積層された燃料電池スタックの電池性能を算出する燃料電池スタックの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一方の端部に位置する第1段目のセルを第1端部セル、前記燃料電池スタックの他方の端部に位置する第N段目のセルを第2端部セルとし、
前記燃料電池スタックの積層方向の両側に位置し、積層方向と直交する前記燃料電池スタックの両端面のうち、前記第1端部セル側の端面を第1端面とし、前記第2端部セル側の端面を第2端面とし、
前記燃料電池スタックの積層方向と直交し、前記第1端部セル内に位置する任意の面、又は、前記第1端面を第1基準面とし、前記第1基準面の電位又は電流密度である第1既定値を設定し、
前記燃料電池スタックの積層方向と直交し、前記第1端部セル内に位置する任意の面で、前記第1基準面より前記第2端面側に位置する面を第2基準面とし、前記第2基準面の電位である第2既定値を設定し、
前記燃料電池スタックの積層方向と直交し、前記第1端部セル内に位置する任意の面で、前記第2基準面より前記第2端面側に位置する面を第3基準面とし、前記第1既定値及び前記第2既定値を用いて、第3基準面の電位及び電流密度を算出する第1算出ステップを備えた、
燃料電池スタックのシミュレーション方法。
A fuel cell stack simulation method for calculating the cell performance of a fuel cell stack in which fuel cell cells having an electrolyte membrane and electrodes are stacked in N stages, where N is an integer of 2 or more,
The first stage cell located at one end of the fuel cell stack is referred to as a first end cell, and the Nth stage cell located at the other end of the fuel cell stack is referred to as a second end cell. ,
Of the both end faces of the fuel cell stack located on both sides in the stacking direction of the fuel cell stack and orthogonal to the stacking direction, the end face on the first end cell side is the first end face, and the second end cell side The end face of the second end face,
The electric potential or the current density of the first reference surface is an arbitrary surface which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and located in the first end cell or the first end surface is a first reference surface. Set the first default value,
The second reference plane is a plane which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and which is located in the first end cell and which is located on the second end face side with respect to the first reference plane. 2 Set a second default value, which is the potential of the reference plane,
The third reference plane is a plane which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and which is located in the first end cell and which is located on the second end face side with respect to the second reference plane. The first calculation step of calculating the potential and the current density of the third reference surface using one predetermined value and the second predetermined value,
Fuel cell stack simulation method.
Nを2以上の整数とした場合に、電解質膜及び電極を有する燃料電池セルがN段積層された燃料電池スタックの電池性能を算出する燃料電池スタックの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一方の端部に位置する第1段目のセルを第1端部セル、前記燃料電池スタックの他方の端部に位置する第N段目のセルを第2端部セルとし、
前記燃料電池スタックの積層方向の両側に位置し、積層方向と直交する前記燃料電池スタックの両端面のうち、前記第1端部セル側の端面を第1端面とし、前記第2端部セル側の端面を第2端面とし、
前記燃料電池スタックの積層方向と直交し、前記第1端部セル内に位置する任意の面、又は、前記第1端面を第1基準面とし、前記第1基準面の電位である第1既定値を設定し、
前記燃料電池スタックの積層方向と直交し、前記第1端部セル内に位置する任意の面で、前記第1基準面より前記第2端面側に位置する面を第2基準面とし、前記第2基準面の電流密度である第2既定値を設定し、
前記燃料電池スタックの積層方向と直交し、前記第1端部セル内に位置する任意の面で、前記第2基準面より前記第2端面側に位置する面を第3基準面とし、前記第1既定値及び前記第2既定値を用いて、第3基準面の電位及び電流密度を算出する第2算出ステップを備えた、
燃料電池スタックのシミュレーション方法。
A fuel cell stack simulation method for calculating the cell performance of a fuel cell stack in which fuel cell cells having an electrolyte membrane and electrodes are stacked in N stages, where N is an integer of 2 or more,
The first stage cell located at one end of the fuel cell stack is referred to as a first end cell, and the Nth stage cell located at the other end of the fuel cell stack is referred to as a second end cell. ,
Of the both end faces of the fuel cell stack located on both sides in the stacking direction of the fuel cell stack and orthogonal to the stacking direction, the end face on the first end cell side is the first end face, and the second end cell side The end face of the second end face,
An arbitrary surface orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and located in the first end cell, or the first end surface as a first reference surface, and a first predetermined potential at the first reference surface Set the value,
The second reference plane is a plane which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and which is located in the first end cell and which is located on the second end face side with respect to the first reference plane. 2 Set a second default value, which is the current density of the reference plane,
The third reference plane is a plane which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and which is located in the first end cell and which is located on the second end face side with respect to the second reference plane. And a second calculation step of calculating the potential and the current density of the third reference surface using the one predetermined value and the second predetermined value.
Fuel cell stack simulation method.
前記第1基準面は、前記第1端面である、
請求項1又は2に記載の燃料電池スタックのシミュレーション方法。
The first reference surface is the first end surface,
A method of simulating a fuel cell stack according to claim 1 or 2.
前記第2基準面は、前記第1端部セルの前記電解質膜内に位置する面である、
請求項1〜3のいずれか1つに記載の燃料電池スタックのシミュレーション方法。
The second reference plane is a plane located in the electrolyte membrane of the first end cell,
The fuel cell stack simulation method according to any one of claims 1 to 3.
前記第3基準面は、前記第1端部セルの前記第2端面側の端面である、
請求項1〜4のいずれか1つに記載の燃料電池スタックのシミュレーション方法。
The third reference plane is an end face on the second end face side of the first end cell,
The fuel cell stack simulation method according to any one of claims 1 to 4.
前記第1基準面には、一定の既定電位を設定する、
請求項1〜5のいずれか1つに記載の燃料電池スタックのシミュレーション方法。
Setting a constant predetermined potential on the first reference surface;
The fuel cell stack simulation method according to any one of claims 1 to 5.
前記第1基準面には、一定の既定電流密度を設定する、
請求項1、3〜5のいずれか1つに記載の燃料電池スタックのシミュレーション方法。
Setting a predetermined current density on the first reference surface;
A method of simulating a fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5.
前記第2基準面には、一定の既定電位を設定する、
請求項1、3〜7のいずれか1つに記載の燃料電池スタックのシミュレーション方法。
Setting a constant predetermined potential on the second reference surface;
The fuel cell stack simulation method according to any one of claims 1 to 3.
前記第2基準面には、一定の既定電流密度を設定する、
請求項2〜7のいずれか1つに記載の燃料電池スタックのシミュレーション方法。
Setting a predetermined current density on the second reference surface;
The fuel cell stack simulation method according to any one of claims 2 to 7.
Kを2以上、N以下の整数とした場合に、前記燃料電池スタックの第K−1段目セルと隣接し、前記第2端部セルの側に位置する特定セルを第K段目セルとし、
前記第K段目セル内に位置し、前記燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第(3K−2)基準面とし、
前記第K段目セル内に位置し、前記第(3K−2)基準面より前記第2端面側に位置する、前記燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第(3K−1)基準面とし、
前記第K段目セル内に位置し、前記第(3K−1)基準面より前記第2端面側に位置する、前記燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第3K基準面とし、
第(2K−3)算出ステップ又は(2K−2)算出ステップの後、第(3K−3)基準面の電位を用いて設定された前記第(3K−2)基準面の値及び、前記第(3K−2)基準面の平均電流密度として設定された前記第(3K−1)基準面の値を用いて、前記第3K基準面の電位及び電流密度を算出する第(2K−1)算出ステップを備えた、
請求項1〜9のいずれか1つに記載の燃料電池スタックのシミュレーション方法。
When K is an integer greater than or equal to 2 and less than or equal to N, a specific cell located adjacent to the K-1st cell of the fuel cell stack and located on the second end cell side is the Kth cell. ,
An arbitrary surface located in the Kth cell and orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack is taken as a (3K-2) reference surface,
An arbitrary surface orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, which is located in the K-th cell and located on the second end face side with respect to the (3K-2) reference surface, is a (3K-1) As a reference plane,
An arbitrary surface orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, which is located in the Kth cell and located on the second end face side with respect to the (3K-1) reference surface, is taken as a 3K reference surface,
After the (2K-3) calculation step or the (2K-2) calculation step, the value of the (3K-2) reference surface set using the potential of the (3K-3) reference surface, and the (3K-2) A second (2K-1) calculation of calculating the potential and the current density of the third K reference surface using the value of the third (3K-1) reference surface set as the average current density of the reference surface With steps
The fuel cell stack simulation method according to any one of claims 1 to 9.
Kを2以上、N以下の整数とした場合に、前記燃料電池スタックの第K−1段目セルと隣接し、前記第2端部セルの側に位置する特定セルを第K段目セルとし、
前記第K段目セル内に位置し、前記燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第(3K−2)基準面とし、
前記第K段目セル内に位置し、前記第(3K−2)基準面より前記第2端面側に位置する、前記燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第3K基準面とし、
第(2K−3)算出ステップ又は(2K−2)算出ステップの後、第(3K−3)基準面の電位を用いて設定された前記第(3K−2)基準面の値及び、第(3K−3)基準面の電流密度を用いて設定された第3K基準面の電流密度を用いて、前記第3K基準面の電位を算出する第2K算出ステップを備えた、
請求項1〜9のいずれか1つに記載の燃料電池スタックのシミュレーション方法。
When K is an integer greater than or equal to 2 and less than or equal to N, a specific cell located adjacent to the K-1st cell of the fuel cell stack and located on the second end cell side is the Kth cell. ,
An arbitrary surface located in the Kth cell and orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack is taken as a (3K-2) reference surface,
An arbitrary surface orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, which is located in the K-th cell and is located on the second end face side with respect to the (3K-2) reference surface, is taken as a 3K reference surface;
After the (2K-3) calculation step or the (2K-2) calculation step, the value of the (3K-2) reference surface and the value of the (3K-2) reference surface set using the potential of the (3K-3) reference surface 3K-3) A second K calculation step of calculating the potential of the third K reference surface using the current density of the third K reference surface set using the current density of the reference surface,
The fuel cell stack simulation method according to any one of claims 1 to 9.
前記第(3K−2)基準面は、前記第1端部セル側に位置する第K段目セルの端面である、
請求項10又は11に記載の燃料電池スタックのシミュレーション方法。
The (3K-2) reference plane is an end face of a Kth cell located on the first end cell side,
A method of simulating a fuel cell stack according to claim 10 or 11.
前記第(3K−1)基準面は、前記第K段目セルの電解質膜内に位置する面である、
請求項10に記載の燃料電池スタックのシミュレーション方法。
The (3K-1) reference plane is a plane located in the electrolyte membrane of the K-th cell,
The fuel cell stack simulation method according to claim 10 .
前記第3K基準面は、前記第2端部セル側に位置する第K段目セルの端面である、
請求項10又は11に記載の燃料電池スタックのシミュレーション方法。
The third K reference plane is an end face of a K-th cell located on the second end cell side,
A method of simulating a fuel cell stack according to claim 10 or 11.
Nを2以上の整数とした場合に、電解質膜及び電極を有する燃料電池セルがN段積層さ
れた燃料電池スタックの電池性能を算出する燃料電池スタックのシミュレーション装置であって、
前記燃料電池スタックの一方の端部に位置する第1段目のセルを第1端部セル、前記燃料電池スタックの他方の端部に位置する第N段目のセルを第2端部セルとし、
前記燃料電池スタックの積層方向の両側に位置し、積層方向と直交する前記燃料電池スタックの両端面のうち、前記第1端部セル側の端面を第1端面とし、前記第2端部セル側の端面を第2端面とし、
前記燃料電池スタックの積層方向と直交し、前記第1端部セル内に位置する任意の面、又は、前記第1端面を第1基準面とし、前記第1基準面の電位又は電流密度である第1既定値を設定し、
前記燃料電池スタックの積層方向と直交し、前記第1端部セル内に位置する任意の面で、前記第1基準面より前記第2端面側に位置する面を第2基準面とし、前記第2基準面の電位である第2既定値を設定し、
前記燃料電池スタックの積層方向と直交し、前記第1端部セル内に位置する任意の面で、前記第2基準面より前記第2端面側に位置する面を第3基準面とし、前記第1既定値及び前記第2既定値を用いて、第3基準面の電位及び電流密度を算出する第1算出ステップを備えた、
燃料電池スタックのシミュレーション装置。
A fuel cell stack simulation apparatus that calculates the cell performance of a fuel cell stack in which fuel cell cells having an electrolyte membrane and electrodes are stacked in N stages, where N is an integer of 2 or more.
The first stage cell located at one end of the fuel cell stack is referred to as a first end cell, and the Nth stage cell located at the other end of the fuel cell stack is referred to as a second end cell. ,
Of the both end faces of the fuel cell stack located on both sides in the stacking direction of the fuel cell stack and orthogonal to the stacking direction, the end face on the first end cell side is the first end face, and the second end cell side The end face of the second end face,
The electric potential or the current density of the first reference surface is an arbitrary surface which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and located in the first end cell or the first end surface is a first reference surface. Set the first default value,
The second reference plane is a plane which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and which is located in the first end cell and which is located on the second end face side with respect to the first reference plane. 2 Set a second default value, which is the potential of the reference plane,
The third reference plane is a plane which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and which is located in the first end cell and which is located on the second end face side with respect to the second reference plane. The first calculation step of calculating the potential and the current density of the third reference surface using one predetermined value and the second predetermined value,
Simulation device for fuel cell stack.
Nを2以上の整数とした場合に、電解質膜及び電極を有する燃料電池セルがN段積層された燃料電池スタックの電池性能を算出する燃料電池スタックのシミュレーション装置であって、
前記燃料電池スタックの一方の端部に位置する第1段目のセルを第1端部セル、前記燃料電池スタックの他方の端部に位置する第N段目のセルを第2端部セルとし、
前記燃料電池スタックの積層方向の両側に位置し、積層方向と直交する前記燃料電池スタックの両端面のうち、前記第1端部セル側の端面を第1端面とし、前記第2端部セル側の端面を第2端面とし、
前記燃料電池スタックの積層方向と直交し、前記第1端部セル内に位置する任意の面、又は、前記第1端面を第1基準面とし、前記第1基準面の電位である第1既定値を設定し、
前記燃料電池スタックの積層方向と直交し、前記第1端部セル内に位置する任意の面で、前記第1基準面より前記第2端面側に位置する面を第2基準面とし、前記第2基準面の電流密度である第2既定値を設定し、
前記燃料電池スタックの積層方向と直交し、前記第1端部セル内に位置する任意の面で、前記第2基準面より前記第2端面側に位置する面を第3基準面とし、前記第1既定値及び前記第2既定値を用いて、第3基準面の電位及び電流密度を算出する第2算出ステップを備えた、
燃料電池スタックのシミュレーション装置。
A fuel cell stack simulation apparatus that calculates the cell performance of a fuel cell stack in which fuel cell cells having an electrolyte membrane and electrodes are stacked in N stages, where N is an integer of 2 or more.
The first stage cell located at one end of the fuel cell stack is referred to as a first end cell, and the Nth stage cell located at the other end of the fuel cell stack is referred to as a second end cell. ,
Of the both end faces of the fuel cell stack located on both sides in the stacking direction of the fuel cell stack and orthogonal to the stacking direction, the end face on the first end cell side is the first end face, and the second end cell side The end face of the second end face,
An arbitrary surface orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and located in the first end cell, or the first end surface as a first reference surface, and a first predetermined potential at the first reference surface Set the value,
The second reference plane is a plane which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and which is located in the first end cell and which is located on the second end face side with respect to the first reference plane. 2 Set a second default value, which is the current density of the reference plane,
The third reference plane is a plane which is orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack and which is located in the first end cell and which is located on the second end face side with respect to the second reference plane. And a second calculation step of calculating the potential and the current density of the third reference surface using the one predetermined value and the second predetermined value.
Simulation device for fuel cell stack.
Kを2以上、N以下の整数とした場合に、前記燃料電池スタックの第K−1段目セルと隣接し、前記第2端部セルの側に位置する特定セルを第K段目セルとし、
前記第K段目セル内に位置し、前記燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第(3K−2)基準面とし、
前記第K段目セル内に位置し、前記第(3K−2)基準面より前記第2端面側に位置する、前記燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第(3K−1)基準面とし、
前記第K段目セル内に位置し、前記第(3K−1)基準面より前記第2端面側に位置する、前記燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第3K基準面とし、
第(2K−3)算出ステップ又は(2K−2)算出ステップの後、第(3K−3)基準面の電位を用いて設定された前記第(3K−2)基準面の値及び、前記第(3K−2)基準面の平均電流密度として設定された前記第(3K−1)基準面の値を用いて、前記第3K基準面の電位及び電流密度を算出する第(2K−1)算出ステップを備えた、
請求項15又は16に記載の燃料電池スタックのシミュレーション装置。
When K is an integer greater than or equal to 2 and less than or equal to N, a specific cell located adjacent to the K-1st cell of the fuel cell stack and located on the second end cell side is the Kth cell. ,
An arbitrary surface located in the Kth cell and orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack is taken as a (3K-2) reference surface,
An arbitrary surface orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, which is located in the K-th cell and located on the second end face side with respect to the (3K-2) reference surface, is a (3K-1) As a reference plane,
An arbitrary surface orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, which is located in the Kth cell and located on the second end face side with respect to the (3K-1) reference surface, is taken as a 3K reference surface,
After the (2K-3) calculation step or the (2K-2) calculation step, the value of the (3K-2) reference surface set using the potential of the (3K-3) reference surface, and the (3K-2) A second (2K-1) calculation of calculating the potential and the current density of the third K reference surface using the value of the third (3K-1) reference surface set as the average current density of the reference surface With steps
The fuel cell stack simulation apparatus according to claim 15 or 16.
Kを2以上、N以下の整数とした場合に、前記燃料電池スタックの第K−1段目セルと隣接し、前記第2端部セルの側に位置する特定セルを第K段目セルとし、
前記第K段目セル内に位置し、前記燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第(3K−2)基準面とし、
前記第K段目セル内に位置し、前記第(3K−2)基準面より前記第2端面側に位置する、前記燃料電池スタックの積層方向と直交する任意の面を第3K基準面とし、
第(2K−3)算出ステップ又は(2K−2)算出ステップの後、第(3K−3)基準面の電位を用いて設定された前記第(3K−2)基準面の値及び、第(3K−3)基準面の電流密度を用いて設定された第3K基準面の電流密度を用いて、前記第3K基準面の電位を算出する第2K算出ステップを備えた、
請求項15又は16に記載の燃料電池スタックのシミュレーション装置。
When K is an integer greater than or equal to 2 and less than or equal to N, a specific cell located adjacent to the K-1st cell of the fuel cell stack and located on the second end cell side is the Kth cell. ,
An arbitrary surface located in the Kth cell and orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack is taken as a (3K-2) reference surface,
An arbitrary surface orthogonal to the stacking direction of the fuel cell stack, which is located in the K-th cell and is located on the second end face side with respect to the (3K-2) reference surface, is taken as a 3K reference surface;
After the (2K-3) calculation step or the (2K-2) calculation step, the value of the (3K-2) reference surface and the value of the (3K-2) reference surface set using the potential of the (3K-3) reference surface 3K-3) A second K calculation step of calculating the potential of the third K reference surface using the current density of the third K reference surface set using the current density of the reference surface,
The fuel cell stack simulation apparatus according to claim 15 or 16.
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