(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池において互いに隣接して配置される膜電極接合体と酸化極拡散層と燃料極拡散層との間の界面を互いに接合させた接合体モデルの作成方法であって、
膜電極接合体と酸化極拡散層にそれぞれ設けられた節点間での接合強度に応じて異なる伸縮性を有する弾性体を配置することで膜電極接合体と酸化極拡散層の間の接合を模擬し、膜電極接合体と燃料極拡散層にそれぞれ設けられた節点間での接合強度に応じて異なる伸縮性を有する弾性体を配置することにより膜電極接合体と燃料極拡散層の間の接合を模擬し、
膜電極接合体の水分量が増加し膜電極接合体が膨張することに伴い、膜電極接合体と酸化極拡散層の間の接合または膜電極接合体と燃料極拡散層の間の接合の少なくとも一方が剥離したことを、剥離箇所に対応する接合を模擬する弾性体の削除により模擬することを特徴とする接合体モデルの作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の部材間の界面を互いに接合させた接合体モデルの作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物を模擬したモデルを作成し、該構造物および／または該構造物を流通する流体の挙動等を、有限要素法を用いてコンピュータ解析する技術が知られている（例えば、特許文献１〜３）。
【０００３】
特許文献１には、有限要素法によって構造物を解析する構造解析システムおよび方法において、複数の部材の結合部をバネ要素で表した解析モデルについて記載されている。
【０００４】
特許文献２には、解析対象について有限要素モデルを形成し、全ての接合部位をバネ接合で近似処理し、バネ接合で近似した部分の歪の状態を解析し、ウェルドボンドを塗布する部分を決定することについて記載されている。
【０００５】
特許文献３には、構造物を発破により破壊する場合の倒壊過程を、隣接する個別要素の間を回転バネで接続して近似し、シミュレートすることについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０９−２１２６８３号公報
【特許文献２】特開２００７−２９９２０３号公報
【特許文献３】特開平０４−３６６９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
また、上述のような有限要素法を適用して、燃料電池の挙動を解析することが検討されている。
【０００８】
図９に例示するように、燃料電池セル５０は一般に、電解質膜１０と、電解質膜１０を挟んで互いに対向するように設けられた酸化極触媒層１２および燃料極触媒層１４とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）３０と、ＭＥＡ３０を挟んで互いに対向するように設けられた酸化極拡散層１６および燃料極拡散層１８を備える。また、酸化極拡散層１６の外側には、酸化ガス流路２０およびセル冷媒流路２２が形成された酸化極側セパレータ２６を、燃料極拡散層１８の外側には、燃料ガス流路２４およびセル冷媒流路２２が形成された燃料極側セパレータ２８を、それぞれ備える。これらの部材を接着や圧着などにより接合し、作製された燃料電池セル５０は、所望の電力が得られるように複数枚積層されて、燃料電池スタック（図示せず）が作製される。
【０００９】
一方、図７、図８は、酸化極拡散層１６、ＭＥＡ３０および燃料極拡散層１８を積層させ、接合した構成を模擬した接合体モデルを例示したものである。なお、ここでは、膜電極接合体３０は、酸化極触媒層１２、電解質膜１０および燃料極触媒層１４を一体化したものとして示している。
【００１０】
図７に示す接合体モデル２００Ａは、酸化極拡散層１６、ＭＥＡ３０および燃料極拡散層１８が互いに完全に接合した状態を示したものである。図７に示す領域Ａにおいて、有限要素法を適用するために、酸化極拡散層１６とＭＥＡ３０にはそれぞれ、各部材（酸化極拡散層１６、ＭＥＡ３０）を、微小な要素ごとに分割するためのメッシュと、その境界の節点が配置される。そして、酸化極拡散層１６とＭＥＡ３０との界面では、各部材の表面に配置したメッシュ１６ｍ，３０ｍの境界にそれぞれ配置された節点３２を共有させることにより、ＭＥＡ３０および酸化極拡散層１６の接合を模擬することができる（図７Ａ参照）。
【００１１】
一方、図８に示す接合体モデル２００Ｂは、例えばＭＥＡ３０が加湿により膨潤し、少なくともその一部が酸化極拡散層１６と完全に剥離された状態を示したものである。図８に示す領域Ｂにおいて、図８Ａに示すように、各部材の表面に配置された節点を共有せずに独立させることにより、ＭＥＡ３０および酸化極拡散層１６の剥離状態を模擬することができる。
【００１２】
このように、従来の接合体モデルでは、隣接する部材が完全に接合した状態（図７、図７Ａ参照）、あるいは、完全に剥離した状態（図８、図８Ａ参照）のどちらの態様を模擬することも可能である。しかしながら、例えばＭＥＡ３０の含水量や温度の変化等に応じて隣接する各部材間の接合強度の程度が変動するような構成を有する接合体の挙動について精度よくシミュレーションすることが困難な場合がありえた。
【００１３】
本発明は、再現精度がより向上した接合体モデルを作成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、燃料電池において互いに隣接して配置される膜電極接合体と酸化極拡散層と燃料極拡散層との間の界面を互いに接合させた接合体モデルの作成方法であって、膜電極接合体と酸化極拡散層にそれぞれ設けられた節点間での接合強度に応じて異なる伸縮性を有する弾性体を配置することで膜電極接合体と酸化極拡散層の間の接合を模擬し、膜電極接合体と燃料極拡散層にそれぞれ設けられた節点間での接合強度に応じて異なる伸縮性を有する弾性体を配置することにより膜電極接合体と燃料極拡散層の間の接合を模擬し、膜電極接合体の水分量が増加し膜電極接合体が膨張することに伴い、膜電極接合体と酸化極拡散層の間の接合または膜電極接合体と燃料極拡散層の間の接合の少なくとも一方が剥離したことを、剥離箇所に対応する接合を模擬する弾性体の削除により模擬することを特徴とする接合体モデルの作成方法である。
【発明の効果】
【００１５】
再現精度がより向上した接合体モデルを作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】接合強度の異なる接合体について例示した図である。
【図２】本発明の実施の形態における接合体モデルの構成の概略について例示した図である。
【図２Ａ】図２に示す接合体モデルの要部拡大図である。
【図３】図２（ａ）〜（ｃ）に示すバネ部材のバネ特性について説明するための図である。
【図４】ＭＥＡの折れ角度θについて説明するための図である。
【図５】接合強度とＭＥＡの折れ角度の関係について例示するグラフである。
【図６】接合強度の変化する接合体について例示した図である。
【図６Ａ】図６（ａ）に対応する接合体モデルの要部拡大図である。
【図６Ｂ】図６（ｂ）に対応する接合体モデルの要部拡大図である。
【図６Ｃ】図６（ｃ）に対応する接合体モデルの要部拡大図である。
【図７】酸化極拡散層、ＭＥＡおよび燃料極拡散層が互いに完全に接合した状態を示した接合体モデルである。
【図７Ａ】図７に示す接合体モデルの要部拡大図である。
【図８】酸化極拡散層、ＭＥＡおよび燃料極拡散層が互いに完全に剥離した状態を示した接合体モデルである。
【図８Ａ】図８に示す接合体モデルの要部拡大図である。
【図９】燃料電池セルの構成の概略を例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を用いて詳細に説明する。
【００１８】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態における接合体の構成の概略について例示する図である。図１（ａ）〜（ｄ）に示す接合体はいずれも、ＭＥＡ３０を挟んで、各電極拡散層１６，１８がそれぞれ接合した様子を示した点で共通しているが、各部材の接合強度が相違する。図１（ａ）は、酸化極拡散層１６、ＭＥＡ３０および燃料極拡散層１８の接合の程度が強固な状態を示したものである。また、図１（ｂ）は図１（ａ）の状態よりも接合強度が小さく、接合部の一部に剥離が認められるものである。図１（ｃ）は、図１（ｂ）の状態よりもさらに接合強度が小さく、ＭＥＡ３０の一部に湾曲および／または蛇行が認められるものである。さらに、図１（ｄ）は、酸化極拡散層１６、ＭＥＡ３０および燃料極拡散層１８が互いに完全に剥離した状態を示している。
【００１９】
図２は、図１（ａ）〜（ｄ）に例示する接合体を模擬し、その挙動を好適にシミュレーションするための接合体モデルを示したものである。図２（ａ）〜（ｄ）に示す接合体モデルは、図１（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ対応している。
【００２０】
図２（ａ）〜（ｃ）に示す接合体モデル１００ａ〜１００ｃは、酸化極拡散層１６とＭＥＡ３０とを繋ぐバネ部材（弾性体）３４ａ〜３４ｃがそれぞれ配置された構成を有している。より詳細には、図２Ａに示すように、酸化極拡散層１６側の節点３２ａと、ＭＥＡ３０側の対応する節点３２ｂとの間に、接合強度に応じた所定のバネ特性を有するバネ部材３４が配置されている。
【００２１】
なお、図２および図２Ａに示す実施の形態において、ＭＥＡ３０と酸化極拡散層１６との接合強度を模擬するためのバネ部材のみを示したが、ＭＥＡ３０と燃料極拡散層１８との接合強度を模擬するためのバネ部材についてもまた、同様に、本実施の形態の接合体モデルに配置させて、その挙動をシミュレーションすることができる。また、さらに別の実施の形態においては、拡散層と、隣接するセパレータとの間の接合強度を模擬することも可能である。以下、説明を簡単にするために、ＭＥＡ３０と酸化極拡散層１６との関係に特化して説明する。
【００２２】
図３は、図２（ａ）〜（ｃ）に示す接合体モデルにそれぞれ配置されるバネ部材３４のバネ特性について説明するための図である。図２（ａ）〜（ｃ）に示すバネ部材３４ａ，３４ｂ，３４ｃの有するバネ特性はそれぞれ、例えば図３に示す曲線ａ，ｂ，ｃのように相違している。つまり、接合強度が大きい接合体は、剛性の高いバネ部材を配置させることにより、接合強度が小さい接合体は、剛性の低いバネ部材を配置させることにより、それぞれの挙動をより好適に模擬することができる。
【００２３】
また、図２、図２Ａに示す接合体モデルを作成してその挙動をシミュレーションすると、酸化極拡散層１６とＭＥＡ３０との接合強度に応じてその一部が剥離し、湾曲または蛇行することによるＭＥＡ３０の折れ角度θ（図４参照）を算出することができる。図５に、算出したＭＥＡ３０の折れ角度θの一例を示す。図５中、点ａ，ｂ，ｃ，ｄは、図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す接合体モデルにおけるＭＥＡ３０の折れ角度の相違をそれぞれ例示したものである。図５に例示するように、酸化極拡散層１６とＭＥＡ３０との接合強度が低下するにつれて、ＭＥＡ３０の折れ角度が大きくなる。
【００２４】
このように、本実施の形態によれば、実機として作製する燃料電池の不具合の可能性を事前にシミュレーションする際に、接合部分の挙動をも好適に模擬することが可能となるため、再現精度が向上する。
【００２５】
［実施の形態２］
図６（ａ）〜（ｃ）は、接合状態および接合強度が変化する接合体の様子を例示したものである。隣接する各部材が強固に接合した初期状態（図６（ａ）参照）から、ＭＥＡ３０の水分量が増加し、ＭＥＡ３０が膨張することに伴い、ＭＥＡ３０と酸化極拡散層１６および／または燃料極拡散層１８との接合部分が非接合領域または剥離領域３８で剥離し、さらにＭＥＡ３０の一部が変形した状態（図６（ｂ）参照）、その後ＭＥＡ３０が乾燥により収縮することにより、見かけ上はＭＥＡ３０の変形が初期状態に近い状態まで回復した状態（図６（ｃ））をそれぞれ示している。
【００２６】
図６Ａ〜図６Ｃはそれぞれ、図６（ａ）〜（ｃ）に対応する接合体モデルを例示した要部拡大図である。図６Ａに示すバネ部材３４ｅ〜３４ｈのうち、バネ部材３４ｅ，３４ｆは、図６（ｂ）、（ｃ）に示す接合領域３６に属しており、バネ部材３４ｇ，３４ｈは図６（ｂ）、（ｃ）に示す非接合領域または剥離領域３８に属している。図６Ｂ、図６Ｃに示す接合体モデルで示されるように、図６Ａに示した全領域での接合時には存在していたバネ部材３４ｇ，３４ｈを削除することにより、ＭＥＡ３０と酸化極拡散層１６との接合が解除され、剥離したことを模擬することができる。本実施の形態によれば、一旦剥離した接合が再接合しないような態様の接合体における挙動を好適にシミュレーションすることができ、再現精度がさらに向上する。
【００２７】
本発明の実施の形態において、図示した接合体モデルはいずれも、二次元モデルとして可視化したものであるが、三次元モデルとして可視化することも可能である。また、必要とする解析データおよびその解析速度等に応じて、二次元モデルとして挙動解析することも可能であり、三次元モデルとして挙動解析することも可能である。なお、本発明の実施の形態において、接合体モデルの作成およびその解析には、市販されている汎用の有限要素法解析ソフトを使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、接合体モデルの作成に利用することが可能であるが、特に燃料電池のＭＥＡを含む接合体モデルの作成に有用である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  電解質膜、１２  酸化極触媒層、１４  燃料極触媒層、１６  酸化極拡散層、１８  燃料極拡散層、２０  酸化ガス流路、２２  セル冷媒流路、２４  燃料ガス流路、２６  酸化極側セパレータ、２８  燃料極側セパレータ、３０  ＭＥＡ（膜電極接合体）、３２，３２ａ，３２ｂ  節点、３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｅ，３４ｆ，３４ｇ，３４ｈ  バネ部材、３６  接合領域、３８  非接合領域または剥離領域、５０  燃料電池セル、１００ａ、１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，２００Ａ，２００Ｂ  接合体モデル。
【図１】
0005617404.tif 000002
【図２】
0005617404.tif 000003
【図２Ａ】
0005617404.tif 000004
【図３】
0005617404.tif 000005
【図４】
0005617404.tif 000006
【図５】
0005617404.tif 000007
【図６】
0005617404.tif 000008
【図６Ａ】
0005617404.tif 000009
【図６Ｂ】
0005617404.tif 000010
【図６Ｃ】
0005617404.tif 000011
【図７】
0005617404.tif 000012
【図７Ａ】
0005617404.tif 000013
【図８】
0005617404.tif 000014
【図８Ａ】
0005617404.tif 000015
【図９】
0005617404.tif 000016