(57)【要約】      （修正有）【課題】処理時間の短縮化を図りながら多様な形状の多孔体の熱物性を推算することができる多孔体の熱物性シミュレーションシステムを提供する。【解決手段】多孔体の熱物性シミュレーションシステムは、入力部からの多孔体に関する情報（多孔体情報）のデータを入力するステップＳ１１０、重なり情報を有する多孔体形状を生成するステップＳ１２０。構成物質同士の重なり有無情報に応じて熱物性を変えて入力するステップＳ１３０。設定した熱物性値に基づいて多孔体モデル全体の熱物性値を算出するステップＳ１４０を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる多孔体の熱物性シミュレーションシステムであって、
多孔体情報入力手段によって入力された多孔体情報に基づいて多孔体を構成する構成物質同士の重なりが閾値以下である形状を生成し、該形状を複数生成して前記重なり位置情報が記憶された多孔体モデルを生成する生成部と、
前記多孔体モデルに記憶された前記構成物質の存在の有無及び前記構成物質同士の重なり有無情報に基づいて、前記存在の有無及び前記重なり有無情報に応じた異なる熱物性値を設定し、該設定した熱物性値に基づいて多孔体全体の熱物性値を算出する算出部と、
を備えることを特徴とする多孔体の熱物性シミュレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔体の熱物性シミュレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の気孔が形成された多孔構造を有する多孔体が、例えば燃料電池の触媒層や拡散層等、種々の分野で利用されている。
【０００３】
燃料電池に用いられる触媒層や拡散層は、燃料電池の発電性能を左右する要素である。このため、現在では、触媒層や拡散層の幾何形状や特性データからモデルを作成し、このモデルを用いて発電状態分布等をシミュレーションによって予め算出することが行われている。このシミュレーションを利用して、種々の粉体材料（例えばセラミック材料の粉体や金属の微粒子からなる紛体等）によって構成される電極構造の電気伝導度を予め見積もり、優れた発電性能を有する電極構造を備えた燃料電池を見出すことができれば非常に有益である。このようなシミュレーションを利用した技術が例えば下記特許文献１で提案されている。下記特許文献１では、活物質材料の粒子によって構成される電極の微細構造をモデル化し、当該微細構造について粒子が互いに接触する接触界面を抽出してその界面抵抗を考慮した物性値（例えば電気伝導度）をシミュレーションで算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−０８０６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載されたシミュレーションでは、多孔体の物性値を算出する場合、多孔体を構成する物質同士の界面を認識する処理が必要となるが、この界面認識処理に時間がかかってしまう。特に、燃料電池に使用される多孔体は球状や繊維状等の多様な形状から構成されるため、多孔体を構成する物質同士の界面を認識する処理ではその処理に膨大な時間がかかってしまうという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、処理時間の短縮化を図りながら多様な形状の多孔体の熱物性を推算することができる多孔体の熱物性シミュレーションシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る多孔体の熱物性シミュレーションシステムは、燃料電池に用いられる多孔体の熱物性シミュレーションシステムであって、多孔体情報入力手段によって入力された多孔体情報に基づいて多孔体を構成する構成物質同士の重なりが閾値以下である形状を生成し、該形状を複数生成して重なり位置情報が記憶された多孔体モデルを生成する生成部と、多孔体モデルに記憶された構成物質の存在の有無及び構成物質同士の重なり有無情報に基づいて、存在の有無及び重なり有無情報に応じた異なる熱物性値をそれぞれ設定し、該設定した熱物性値に基づいて多孔体全体の熱物性値を算出する算出部とを備える。
【０００８】
かかるシミュレーションシステムによれば、構成物質同士の接触部（接触面積）に対応する、構成物質同士の重なりの位置を形状生成の段階で記憶し、当該重なり位置情報が記憶された多孔体モデルについて、構成物質の存在の有無（空隙率の有無）及び重なり有無情報（構成物質の重なり無し及び重なり有りを含む情報）に応じて異なる熱物性値を設定するので、接触面積すなわち構成物質同士の重なりを考慮した多孔体全体の熱物性値を推算することができる。このシミュレーションシステムでは、従来のような界面を認識する処理（すなわち、多孔体全体形状の界面部を探索しその界面抵抗を考慮した物性値を算出する処理）を必要としないので、界面認識処理を利用したシミュレーションと比較して計算処理に要する時間の短縮化を図ることができる。特に、多孔体は球状や繊維状等の多様な形状から構成されるため、多孔体を構成する構成物質同士の界面を認識する処理では、計算処理に膨大な時間がかかってしまうものであるが、このような界面認識処理と比べて処理時間の短縮化を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、処理時間の短縮化を図りながら多様な形状の多孔体の熱物性を推算することができる多孔体の熱物性シミュレーションシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】多孔体モデル作成システムの概略構成を例示した図である。
【図２】多孔体の熱物性シミュレーション方法について例示したフローチャートである。
【図３】多孔体形状作成方法について例示したフローチャートである。
【図４】多孔体形状作成方法について例示した説明図である。
【図５】重なり連続量について例示した説明図である。
【図６】接触抵抗を考慮した多孔体の熱伝導度を例示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１２】
図１は、多孔体モデル作成装置及び多孔体モデル作成システムの構成の概略について例示した図である。なお、多孔体モデル作成システムは、燃料電池の拡散層の設計を支援するものである。設計対象となる燃料電池は、電解質膜と、電解質膜を挟持する一対の触媒層と、触媒層の両外側を挟持する一対の拡散層と、を有する膜電極接合体を備えると共に、膜電極接合体の両外側を挟持する一対のセパレータを備えるものである。拡散層は、耐食性の導電材料から構成された部材であり、電気を通す機能と、外部から供給されたアノードガスやカソードガスを電解質膜に導く機能と、を有する。図１に示す多孔体モデル作成装置を用いて設計される拡散層、すなわち多孔体は、例えば、多孔質の基材と、微多孔質層（ＭＰＬ：Ｍｉｃｒｏ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ｌａｙｅｒ）とを有している。多孔質の基材は、クロス、ペーパー、フェルト等の形態をとり、黒鉛繊維等の繊維材料から構成されて燃料電池のセパレータ側に配置される。微多孔質層は、ＰＴＦＥ等の撥水性樹脂とカーボンブラック等の導電性材料とを主成分とするコーティング薄膜であり、燃料電池の電解質膜側に配置される。
【００１３】
図１に示す多孔体モデル作成装置５０は、多孔体形状生成部１０と、算出部１２と、を備える。多孔体モデル作成システム１００は、多孔体モデル作成装置５０に加え、多孔体モデル作成装置５０で用いられるデータを入力するための入力部１８と、作成された多孔体モデルを出力するための出力部２０とを備える。本実施形態では、入力部１８及び出力部２０は、多孔体モデル作成装置５０とは別体の構成として示しているが、入力部１８及び出力部２０の一方又は両方が多孔体モデル作成装置５０内部に組み込まれた構成とすることも可能である。以下、図１に示す多孔体モデル作成装置５０を用いた、複数の気孔を有する多孔体モデルの作成方法の一例について、図２を用いて更に説明する。
【００１４】
図２は、本実施形態における多孔体の熱物性シミュレーション方法について例示したフローチャートである。
【００１５】
ステップＳ１１０では、図１に示す入力部１８からの多孔体に関する情報（多孔体情報）のデータを入力する。多孔体情報には、例えば、気孔率及び気孔サイズ分布等の気孔に関する情報が含まれるが、これらに限定されるものではなく、例えば、球状（空隙率、サイズ、粒度分布、アグリゲート形状）、繊維状（空隙率、サイズ、平面方向配向度、高さ方向配向度）等の多孔体形状に関する情報も含まれる。
【００１６】
次いで、ステップＳ１２０では、重なり情報を有する多孔体形状を生成する。この重なり情報を有する多孔体形状生成手順について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、重なり情報を有する多孔体形状生成手順の一例を示すフローチャートであり、図４は、重なり情報を有する多孔体形状生成手順の説明図である。
【００１７】
まず、図３に示すステップＳ１２１では、入力された多孔体情報に基づき形状生成条件を設定し、この条件に従って以下に記す多孔体モデルを作成する。
【００１８】
ステップＳ１２２では、ステップＳ１２１で設定した条件に基づいて、既存形状に対して新たな形状を配置していく形式で形状を生成する。具体的には、まず、図４（Ａ）に示すように、既存形状（重なり無し位置、重なり有り位置を含む）を配置し、設定した条件に基づいて、図４（Ｂ）に示すように、新たに配置する形状を生成する。
【００１９】
ステップＳ１２３では、新たに配置した形状と、既存の形状の重なりが許容値以下か否かを判定する。図４（Ｂ）では、新たに配置した形状と、既存の形状の重なりが８である例を示している。この重なりが許容値より大きければ（ステップＳ１２３（ＮＯ））、ステップ１２２に戻り許容値以下となるまで繰り返す。一方で、重なりが許容値以下であれば（ステップＳ１２３（ＹＥＳ））、ステップＳ１２４に移行する。なお、この許容値（閾値）としては、任意の値に設定されるが、例えば新たに配置する形状の１０〜３０％の範囲に設定する（配置時のエラー回数の抑制を考慮し、配置形状が繊維のような単純な形状であれば低い値を、凝集体構造のような複雑な形状であれば高い値を設定する）。
【００２０】
ステップＳ１２４では、重なりが許容値以下の場合の重なり有りの位置と、重なり無しの位置を別々に記録する。そして、新たに配置する形状を生成していき、生成された構造が、目標値の空隙率（充填率）に到達しているか否かを判定する（ステップＳ１２５）。到達した場合には（ステップＳ１２５（ＹＥＳ））、ステップＳ１２６に移行して多孔体形状生成手順を完了し、到達していない場合には、ステップ１２２に戻り上述した工程を繰り返す。
【００２１】
以上のように、構成物質同士の重なり情報を有する多孔体形状を生成（すなわち、多孔体モデルを作成）した場合（図２に示すステップＳ１２０）、図２に示すステップＳ１３０に移行する。ステップＳ１３０では、以下の手順で構成物質同士の重なり有無情報に応じて熱物性を変えて入力する。
【００２２】
まず、構成物質同士の重なり有りの位置を探索する。次いで、構成物質同士の重なり有りの位置と隣接している位置が重なり有りであるかを判定する。この判定を、隣接している位置が重なり無しになるまで繰り返し、繰り返し数を「重なり連続量」として記録する。図５には、「重なり連続量＝２」、「重なり連続量＝８」が存在する例を示している。このように重なり有りの位置を探索して、重なり有りの領域に「重なり連続量」に対応する熱物性値を設定後、再度、構成物質同士の重なり有りの位置を探索し、図２のステップＳ１２０で生成した多孔体モデルの全領域を探索した場合に、重なり無しの領域と空隙部に熱物性値を設定する。これにより、多孔体モデル全体に、重なり有無情報（重なり無し、重なり有り、重なり連続量）を考慮した熱物性値が設定される。なお、空隙部の領域、重なり無しの領域、及び、重なり連続量を含む重なり有りの領域にそれぞれ異なる熱物性値を設定しても良く、重なり連続量に設定する熱物性値には、その連続量に応じて異なる熱物性値を設定しても良い。
【００２３】
以上のように設定した熱物性値に基づいて多孔体モデル全体の熱物性値を算出する。上記の手順では構成物質同士の接触部（接触面積）に対応する重なり有りの位置を、形状生成の段階で記録し、その後の熱物性値の設定に利用している。そのため本実施形態では、既存形状から界面部を探索して界面を認識する処理を必要としないため、このような界面を認識する処理を利用したシミュレーションと比較して処理時間を短縮することができる。また、構成物質同士の接触面積に対応する重なり連続量によって熱物性値を変えることにより、接触面積を考慮した熱物性値を推算することができる。図６に、構成物質同士が重なっている箇所の接触による抵抗の増加を考慮して熱物性値を推算した例を示す（図６（Ａ）は、繊維状の形状から構成される多孔体モデルにおいて、構成物質同士が重なっている箇所の接触による抵抗の増加を考慮した熱物性値の一例を示すグラフである。図６（Ｂ）は、球状の形状から構成される多孔体モデルにおいて、構成物質同士が重なっている箇所の接触による抵抗の増加を考慮した熱物性値の一例を示すグラフである）。このように、球状や繊維状など多様な形状から構成される多孔体において、重なり連続量に対応した熱物性値を設定することにより、多孔体を構成する構成物質同士が重なっている箇所の接触による抵抗の増加を考慮した熱伝導度を推定することができる。
【００２４】
以上説明した本実施形態におけるシミュレーションシステムは、多孔体情報入力手段によって入力された多孔体情報に基づいて多孔体を構成する構成物質同士の重なりが閾値以下である形状を生成し、当該形状を複数組み合わせて重なり位置情報が記憶された多孔体モデルを生成する多孔体形状生成部１０（図１）と、多孔体モデルに記憶された構成物質の存在の有無及び構成物質同士の重なり有無情報に基づいて、構成物質の存在の有無及び構成物質同士の重なり有無情報に応じて異なる熱物性値を設定し、該設定した熱物性値に基づいて多孔体全体の熱物性値を算出する算出部１２と、を備える。このように、構成物質同士の接触部（接触面積）に対応する重なり有りの位置を、形状生成の段階で記憶し、当該重なり有り位置情報が記憶された多孔体モデルについて、構成物質の重なり無し、重なり有りを含む情報に応じた異なる熱物性値をそれぞれ設定するので、接触面積を考慮した多孔体全体の熱物性値を算出することができる。これにより、多孔体全体形状の界面部を探索しその界面を認識する処理を必要とするシミュレーションと比較して、計算処理に要する時間の短縮化を図ることができる。特に、多孔体は球状や繊維状等の多様な形状から構成されるため、多孔体を構成する構成物質同士の界面を認識する処理では、計算処理に膨大な時間がかかってしまうものであるが、本実施形態ではこのような界面認識処理を必要としないので時間を短縮することが可能となる。
【００２５】
また以上説明したシミュレーションシステムを利用することで、接触部の抵抗を考慮した電子電導度の算出も可能である。更に、紛状粒子から成る触媒層に、繊維状粒子から成るＭＰＬ（Ｍｉｃｒｏ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ｌａｙｅｒ）、ＧＤＬ（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）を組み合わせた構造についても、本実施形態におけるシミュレーションシステムを利用することで熱電導度や電子伝導度を評価することができる。そのため、本実施形態におけるシミュレーションシステムは、触媒層、ＭＰＬ及びＧＤＬから構成された電極全体の熱特性、電子特性の評価に用いることができる。つまり、試作した電極構造の熱特性、電子特性を実験による評価なしで良否判断をすることができ、試作したい電極構造の性能の良否判断に適用することができる。更に、本実施形態では、形状生成段階で生じる重なり位置情報を記録してその後の熱物性値の設定に利用しているため、多孔体全体形状から界面部を探索して熱物性値を算出する方法と比較して計算にかかる処理時間を短縮でき、計算の試行回数の増加や評価対象のサイズを大きくすることが可能となる。
【００２６】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…多孔体形状生成部（生成部）
１２…算出部
１８…入力部（多孔体情報入力手段）
２０…出力部
５０…多孔体モデル作成装置
１００…多孔体モデル作成システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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