(57)【要約】      （修正有）【課題】計算負荷の大きい燃料電池のセル性能のシミュレーションを行うことなく、流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る評価関数を用いて燃料電池の燃料ガス及び空気の供給・排出方式を設計する。【解決手段】燃料電池の空気の供給・排出方式を発案するステップと、前記発案した空気の供給・排出方式に対し、前記燃料電池の電解質に平行な空気の速度成分の平均で規格化した該空気の電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求めるステップとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の所定の燃料ガスの供給・排出方式に対し、前記燃料電池の電解質に平行な燃料ガスの速度成分の平均で規格化した該燃料ガスの電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求め、燃料電池性能を評価することを特徴とする燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式の設計方法。
【請求項２】
複数の燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式のそれぞれに対し、前記燃料電池の電解質に平行な燃料ガスの速度成分の平均で規格化した該燃料ガスの電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求めるステップと、前記評価関数が最も大きくなる燃料ガスの供給・排出方式を採用するステップをコンピュータに実行させる燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式の設計プログラム。
【請求項３】
複数の燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式のそれぞれに対し、前記燃料電池の電解質に平行な燃料ガスの速度成分の平均で規格化した該燃料ガスの電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求めるステップと、前記評価関数が最も大きくなる燃料ガスの供給・排出方式を採用するステップをコンピュータに実行させる燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式の設計プログラムが記録された記録媒体。
【請求項４】
燃料電池の所定の空気の供給・排出方式に対し、前記燃料電池の電解質に平行な空気の速度成分の平均で規格化した該空気の電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求め、燃料電池性能を評価することを特徴とする燃料電池の空気の供給・排出方式の設計方法。
【請求項５】
複数の燃料電池の空気の供給・排出方式のそれぞれに対し、前記燃料電池の電解質に平行な空気の速度成分の平均で規格化した該空気の電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求めるステップと、前記評価関数が最も大きくなる空気の供給・排出方式を採用するステップをコンピュータに実行させる燃料電池の空気の供給・排出方式の設計プログラム。
【請求項６】
複数の燃料電池の空気の供給・排出方式のそれぞれに対し、前記燃料電池の電解質に平行な空気の速度成分の平均で規格化した該空気の電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求めるステップと、前記評価関数が最も大きくなる空気の供給・排出方式を採用するステップをコンピュータに実行させる燃料電池の空気の供給・排出方式の設計プログラムが記録された記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の燃料ガスおよび空気の供給・排出方式の設計方法及び燃料ガスおよび空気の供給・排出方式の設計プログラム、ならびに前記プログラムが記録された記録媒体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来の燃料電池の燃料の供給・排出方式の設計方法を示すフロー線図である。このような従来の方法では、燃料電池の燃料の供給・排出方式の設計は燃料電池のシミュレーションによってのみ求めることが出来る燃料電池のセル性能そのものを評価関数として行っていた。すなわち、評価すべき複数の燃料電池の燃料ガス供給・排出方式を発案する（Ｆ’Ｓ１）。この発案に基づき燃料ガスの供給・排出方式を変更し(Ｆ’Ｓ２）、前記燃料電池の燃料ガス供給・排出方式に対して燃料電池のシミュレーションを行うことによりセルの性能を求め（Ｆ’Ｓ３）、このセルの性能に基づきセルを評価する(Ｆ’Ｓ４）。このセルの評価を発案された全ての前記燃料ガスの供給・排出方式について行い、検討した燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式のなかで、最も性能が高くなる燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式を採用する（Ｆ’Ｓ５）。
【０００３】
図１０は、従来の燃料電池の燃料の供給・排出方式の設計に用いる燃料電池のセル性能のシミュレーション方法(セルの性能評価方法）を示すブロック線図である。図１０において、１は流体ソルバー、２は燃料電池ソルバー、３は燃料極及び空気極の電解質に接する計算格子での化学種濃度及び温度の情報、４は電極における化学種と熱流束の情報、である。
【０００４】
以下、図１０を用いて、従来の燃料電池の燃料の供給・排出方式の設計に用いる燃料電池のセル性能のシミュレーション方法について説明する。
【０００５】
流体ソルバー１では、燃料流、空気流、燃料極内の流れ、及び空気極内の流れにおいて、各化学種の保存式、運動量の保存式、及びエネルギーの保存式を解くことにより、燃料極及び空気極の電解質に接する計算格子での化学種濃度及び温度を求める。燃料極及び空気極の電解質に接する計算格子での化学種濃度及び温度の情報３は、燃料電池ソルバー２に渡される。燃料電池ソルバー２では、燃料極及び空気極の電解質に接する計算格子での化学種濃度及び温度から、電池反応に基づく化学種の保存式、電池反応に基づくエネルギーの保存式、ネルンストの式、及び過電圧の式を用いて電流分布、電圧、及び電極における化学種と熱流束を求める。電極における化学種と熱流束の情報４は、流体ソルバー１にフィードバックさせ、流れの計算に反映させる。燃料電池の電流分布と電圧が収束するまで、以上の計算を繰り返す。この計算は、流れ場に加えて流れ場と相互作用を持つ各化学種濃度場を求める必要があるので、単なる流れ場の計算に比べて非常に計算負荷が大きい。
【非特許文献１】王暁：“燃料電池”、２００３Ｆｌｕｅｎｔグループユーザー会講演予稿集、ｐｐ．１７〜２２、２００３。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の燃料電池のシミュレーションによってのみ求めることが出来る燃料電池のセル性能そのものを評価関数とした燃料電池の燃料及び空気の供給・排出方式の設計方法では、燃料電池の性能のシミュレーションの計算負荷が大きいため、十分に多くの燃料電池の燃料及び空気の供給・排出方式を比較することができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明による燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式の設計方法は、燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式を発案するステップと、前記発案した燃料ガス供給・排出方式に対し、前記燃料電池の電解質に平行な燃料ガスの速度成分の平均で規格化した該燃料ガスの電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求めるステップとを含むことを特徴とする。
【０００８】
更に、本発明による燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式の設計プログラムは、複数の燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式のそれぞれに対し、前記燃料電池の電解質に平行な燃料ガスの速度成分の平均で規格化した該燃料ガスの電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求めるステップと、前記評価関数が最も大きくなる燃料ガスの供給・排出方式を採用するステップをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式の設計プログラムが記録された記録媒体は、複数の燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式のそれぞれに対し、前記燃料電池の電解質に平行な燃料ガスの速度成分の平均で規格化した該燃料ガスの電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求めるステップと、前記評価関数が最も大きくなる燃料ガスの供給・排出方式を採用するステップをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１０】
本発明は燃料電池の空気の供給・排出方式の設計方法も提供するものであり、燃料電池の空気の供給・排出方式を発案するステップと、前記発案した空気の供給・排出方式に対し、前記燃料電池の電解質に平行な空気の速度成分の平均で規格化した該空気の電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求めるステップとを含むことを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明による燃料電池の空気の供給・排出方式の設計プログラムは、複数の燃料電池の空気の供給・排出方式のそれぞれに対し、前記燃料電池の電解質に平行な空気の速度成分の平均で規格化した該空気の電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求めるステップと、前記評価関数が最も大きくなる空気の供給・排出方式を採用するステップをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による燃料電池の空気の供給・排出方式の設計プログラムが記録された記録媒体は、複数の燃料電池の空気の供給・排出方式のそれぞれに対し、前記燃料電池の電解質に平行な空気の速度成分の平均で規格化した該空気の電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数である評価関数１／Δμ２を求めるステップと、前記評価関数が最も大きくなる空気の供給・排出方式を採用するステップをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１３】
本来は燃料電池のシミュレーションを行わなくては求めることが出来ない燃料電池のセル性能と強い相関を持ち且つ流れ場のシミュレーションのみから求めることが出来る評価関数を発見したことに基づいて、請求項１から請求項３に記載のように、燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式の設計方法において、燃料ガスの流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る燃料ガスの電解質に平行な速度成分の平均で規格化した該燃料ガスの電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数１／Δμ２を評価関数とすることを特徴とする燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式の設計方法を構成する。
【００１４】
また、本発明においては、本来は燃料電池のシミュレーションを行わなくては求めることが出来ない燃料電池のセル性能と強い相関を持ち且つ流れ場のシミュレーションのみから求めることが出来る評価関数を発見したことに基づいて、請求項４から６に記載のように、燃料電池の空気の供給・排出方式の設計方法において、空気の流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る空気の電解質に平行な速度成分の平均で規格化した該空気の電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数１／Δμ２を評価関数とすることを特徴とする燃料電池の空気の供給・排出方式の設計方法を構築する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の設計法を用いれば、計算負荷の大きい燃料電池のセル性能のシミュレーションを行うことなく、流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る評価関数を用いて燃料電池の燃料ガス及び空気の供給・排出方式を設計することが可能となり、十分に多くの燃料電池の燃料ガス及び空気の供給・排出方式を比較することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明による燃料ガスの供給・排出方式の設計方法は、燃料ガスの電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数１／Δμ２を評価関数とする。
【００１７】
この評価関数は、後述の実施例より明らかなように、前記燃料ガスの流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る燃料ガスの評価関数１／Δμ２と燃料電池のある電流密度における電圧は強い相関があり、本発明の設計方法により選択される供給・排出方式と従来の設計法により選択される供給・排出方式は一致する。
【００１８】
このため、ある燃料ガスの供給・排出方式に対し、前記評価関数を求めることにより、前記燃料ガスの供給排出方式の評価を行うことができる。
【００１９】
また、本発明による空気の供給・排出方式の設計方法も、同様に、空気の電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数１／Δμ２を評価関数とする。  この評価関数は、後述の実施例より明らかなように、前記空気の流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る空気の評価関数１／Δμ２と燃料電池のある電流密度における電圧は強い相関があり、本発明の設計方法により選択される供給・排出方式と従来の設計法により選択される供給・排出方式は一致する。
【００２０】
本発明による燃料ガスの供給・排出方式の設計方法を具体的に実施するためには、図１に示すように、まず、複数の燃料電池の空気の供給・排出方式を発案し（ＦＳ１）、前記発案中の一つの燃料ガスの供給・排出方式に設定する（ＦＳ２）。
【００２１】
前記燃料ガス供給・排出方式に対して、燃料ガスの流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る燃料ガスの電解質に平行な速度成分の平均で規格化した該燃料ガスの電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数１／Δμ２(評価関数）を求める（ＦＳ３）。
【００２２】
このように、前記複数の発案について、順次燃料ガスの供給・排出方式に変更し（ＦＳ２）、順次評価関数を求める（ＦＳ３）。そして、全ての発案の燃料ガスの供給・排出方式の評価関数を求め終わったとき（ＦＳ４）、前記評価関数を評価し、評価関数が最も大きいものを選択する（ＦＳ５）。
【００２３】
図２に空気の供給・排出方式のフロー線図を示す。これは基本的に前述の燃料ガスの供給・排出方式の設計方法の実施方法と同様である。すなわち、まず、複数の燃料電池の空気の供給・排出方式を発案し（ＡＳ１）、前記発案中の一つの空気の供給・排出方式に設定する（ＡＳ２）。
【００２４】
前記空気供給・排出方式に対して、空気の流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る空気の電解質に平行な速度成分の平均で規格化した該空気の電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数１／Δμ２(評価関数）を求める（ＡＳ３）。
【００２５】
このように、前記複数の発案について、順次空気の供給・排出方式に変更し（ＡＳ２）、評価関数を求める（ＡＳ３）。そして、全ての発案の空気の供給・排出方式の評価関数を求め終わったとき（ＡＳ４）、前記評価関数を評価し、評価関数が最も大きいものを選択する（ＡＳ５）。
【００２６】
上述のような作業は、コンピュータでシステム化可能であり、コンピュータが実施可能にするプログラムあるいは前記プログラムを記録した記録媒体とすることも可能であることは明らかである。
【実施例】
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態を示すフロー線図である。すなわち、本発明では、燃料ガスの流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る燃料ガスの電解質に平行な速度成分の平均で規格化した該燃料ガスの電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数１／Δμ２を評価関数として燃料電池の燃料ガスの供給・排出方式の設計を行う。
【００２８】
例えば、本発明の設計法を用いて図３から図６に示す様々な供給・排出方式の固体酸化物形燃料電池の中から、一つの供給・排出方式を選択するとする。図３から図６において、５は燃料である水素、６は燃料供給管、７は燃料極排出ガス、８は燃料排出管、９は酸化剤である空気、１０は空気供給管、１１は空気極排出ガス、１２は空気排出管、１３は燃料極、１４は固体酸化物電解質、１５は空気極である。
【００２９】
図３における燃料電池は、円盤状の燃料極１３及び固体酸化物電解質１４及び空気極１５を順次積層した構造になっているとともに、燃料ガス５及び空気９は中央部の燃料供給管６及び空気供給管１０より導入され、それぞれ燃料極１３，空気極１５および固体酸化物電解質１４に平行に流れる。そして燃料極排出ガス７及び空気極排出ガス１１は、それぞれ円盤状の円周端部に設けられた燃料排出管８及び空気排出管１２より排出される構造になっている。
【００３０】
図４の燃料電池は、燃料ガス５及び空気９は中央部の燃料供給管６及び空気供給管１０より導入され、それぞれ燃料極１３，空気極１５および固体酸化物電解質１４に平行に流れ、燃料極排出ガス７及び空気極排出ガス１１は、それぞれ円盤状の円周端部に対向して設けられた２つの燃料排出管８及び空気排出管１２より排出される構造になっている。
【００３１】
図５の示される燃料電池は、燃料ガス５及び空気９は中央部の燃料供給管６及び空気供給管１０より導入され、それぞれ燃料極１３，空気極１５および固体酸化物電解質１４に平行に流れ、燃料極排出ガス７及び空気極排出ガス１１は、それぞれ円盤状の円周端部に対向してそれぞれ設けられた４つの燃料排出管８及び空気排出管１２より排出される構造になっている。
【００３２】
図６に示される燃料電池は、燃料ガス５及び空気９は円盤の円周端部に設けられた燃料供給管６及び空気供給管１０より導入され、それぞれ燃料極１３，空気極１５および固体酸化物電解質１４に平行に流れ、燃料極排出ガス７及び空気極排出ガス１１は、円盤状の円周端部に、前記燃料供給管６及び空気供給管１０に対向してそれぞれ設けられた燃料排出管８及び空気排出管１２より排出される構造になっている。
【００３３】
図３から図６に示す様々な供給・排出方式の燃料ガスの流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る燃料ガスの評価関数１／Δμ２と、図３から図６に示す様々な供給・排出方式の固体酸化物形燃料電池の、電流密度０．８４Ａ／ｃｍ２（燃料利用率８５％、酸素利用率２０％）の場合の電圧の関係を図７に示す。燃料ガスの流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る燃料ガスの評価関数１／Δμ２と燃料電池のある電流密度における電圧は強い相関があり、本発明の設計法により選択される供給・排出方式と従来の設計法により選択される供給・排出方式は一致することとなる。
【００３４】
本発明の設計で用いる燃料ガスの流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る燃料ガスの評価関数１／Δμ２は、燃料ガスの流れ場の解析のみから求めることが出来るので、本設計法では、従来の設計法のように、流れ場における各化学種の保存式、電池反応に基づく化学種の保存式、電池反応に基づくエネルギーの保存式、ネルンストの式、及び過電圧の式を解く必要がない。すなわち、本発明の設計法を用いれば大幅に計算負荷を低減することが可能となり、十分に多くの燃料電池の燃料及び空気の供給・排出方式を比較することが可能となる。
【００３５】
図２は、本発明の他の一実施形態を示すフロー線図である。すなわち、本発明では、空気の流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る空気の電解質に平行な速度成分の平均で規格化した該空気の電解質に平行な速度成分の分布の標準偏差Δμ２の逆数１／Δμ２を評価関数として燃料電池の空気の供給・排出方式の設計を行う。
【００３６】
前述した例と同様に、本発明の設計法を用いて図３から図６に示す様々な供給・排出方式の固体酸化物形燃料電池の中から、一つの供給・排出方式を選択するとする。
【００３７】
図３から図６に示す様々な供給・排出方式の空気の流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る空気の評価関数１／Δμ２と、図３から図６に示す様々な供給・排出方式の固体酸化物形燃料電池の、電流密度０．８４Ａ／ｃｍ２（燃料利用率８５％、酸素利用率２０％）の場合の電圧の関係を、図８に示す。空気の流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る空気の評価関数１／Δμ２と燃料電池のある電流密度における電圧は強い相関があり、本発明の設計法により選択される供給・排出方式と従来の設計法により選択される供給・排出方式は一致することとなる。
【００３８】
本発明の設計で用いる空気の流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る空気の評価関数１／Δμ２は、空気の流れ場の解析のみから求めることが出来るので、本設計法では、従来の設計法のように、流れ場における各化学種の保存式、電池反応に基づく化学種の保存式、電池反応に基づくエネルギーの保存式、ネルンストの式、及び過電圧の式を解く必要がない。すなわち、本発明の設計法を用いれば大幅に計算負荷を低減することが可能となり、十分に多くの燃料電池の燃料及び空気の供給・排出方式を比較することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
燃料電池の設計方法において、流れ場のシミュレーションのみから求めることができる電解質に平行な速度の標準偏差の逆（１／Δμ２）と、本来は燃料電池のシミュレーションを行わなくては求めることのできない電流密度に対するセル電圧とが相関関係にあることにより、燃料ガスと空気の流れ場の１／Δμ２を求め、その値から供給・排出方式を評価することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態を示すフロー線図。
【図２】本発明の他の一実施形態を示すフロー線図。
【図３】ある供給・排出方式の固体酸化物形燃料電池を示す図。
【図４】図３とは異なるある供給・排出方式の固体酸化物形燃料電池を示す図。
【図５】図３と図４とは異なるある供給・排出方式の固体酸化物形燃料電池を示す図。
【図６】図３、図４、及び図５とは異なるある供給・排出方式の固体酸化物形燃料電池を示す図。
【図７】図３から図６に示す様々な供給・排出方式の燃料ガスの流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る燃料ガスの評価関数１／Δμ２と、図３から図６に示す様々な供給・排出方式の固体酸化物形燃料電池の、電流密度０．８４Ａ／ｃｍ２（燃料利用率８５％、酸素利用率２０％）の場合の電圧の関係を示す図。
【図８】図３から図６に示す様々な供給・排出方式の空気の流れ場のシミュレーションのみから求めることの出来る空気の評価関数１／Δμ２と、図３から図６に示す様々な供給・排出方式の固体酸化物形燃料電池の、電流密度０．８４Ａ／ｃｍ２（燃料利用率８５％、酸素利用率２０％）の場合の電圧の関係を示す図。
【図９】従来の燃料電池の燃料の供給・排出方式の設計方法を示すフロー線図。
【図１０】従来の燃料電池の燃料の供給・排出方式の設計に用いる燃料電池性能のシミュレーション方法を示すブロック線図。
【符号の説明】
【００４１】
１      流体ソルバー
２      燃料電池ソルバー
３      燃料極及び空気極の電解質に接する計算
格子での化学種濃度及び温度の情報
４      電極における化学種と熱流束の情報
５      燃料である水素
６      燃料供給管
７      燃料極排出ガス
８      燃料排出管
９      酸化剤である空気
１０      空気供給管
１１      空気極排出ガス
１２      空気排出管
１３      燃料極
１４      固体酸化物電解質
１５      空気極
【図１】
2006127870.tif 000003
【図２】
2006127870.tif 000004
【図３】
2006127870.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006127870.tif 000009
【図８】
2006127870.tif 000010
【図９】
2006127870.tif 000011
【図１０】
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