(57)【要約】【課題】短時間で発散することなく多孔体の液水分布を予測することができる燃料電池の状態判断方法を提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池の状態判断方法は、燃料電池に用いられる多孔体を３次元格子にモデル化した多孔体構造モデルＭを作成する第１ステップと、多孔体構造モデルＭの任意の空孔に液水Ｗを配置する第２ステップと、液水Ｗ周辺に配置された、閾値以上の径を有する空孔Ｈmに液水Ｗを膨張させる第３ステップと、液水Ｗが多孔体構造モデルＭの界面まで到達するまで第３ステップを繰り返す第４ステップと、第４ステップ後の多孔体構造モデルＭ´を用いて燃料電池の性能を判断する第５ステップとを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の状態判断方法であって、
燃料電池に用いられる多孔体を３次元格子にモデル化した多孔体構造モデルを作成する第１ステップと、
前記多孔体構造モデルの任意の空孔に液水を配置する第２ステップと、
前記液水周辺に配置された、閾値以上の空孔径に液水を膨張させる第３ステップと、
前記液水が前記多孔体構造モデルの界面まで到達するまで前記第３ステップを繰り返す第４ステップと、
前記第４ステップ後の多孔体構造モデルを用いて燃料電池の性能を判断する第５ステップと、
を有する燃料電池の状態判断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の状態判断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜の両面に配置された電極（アノード触媒層、カソード触媒層）と、該電極を挟持したセパレータと、を備える。このような燃料電池においては、カソード触媒層にカソードガスが供給され、アノード触媒層にアノードガスが供給される。それにより、発電が行われる。
【０００３】
固体高分子型燃料電池では、発電の過程で内部の電気化学反応によって水が生成される。生成された水は、セパレータのガス流路を流れているガスと共に燃料電池の外部に排出される。
【０００４】
ところで、固体高分子型燃料電池では、電解質膜が乾燥すると急激にプロトン伝導性が低下する。一方で、水が多量に存在するとフラッディングによる発電性能の低下を起こすことが知られている。このため、常に電解質膜を適当な含水状態に制御することが求められる。同様に触媒層も一定範囲の水分含有量を保持することが好ましい。
【０００５】
そこで従来では、触媒層とガス拡散層との間に、気孔を有するポーラスな物質である多孔体を配置し、均一にガス拡散を行わせることによって、セル全体の水分の均一化を図っている。
【０００６】
上記多孔体は気孔を有するものであるので、気体や液体がどのように透過するか、多孔体の特性を十分考慮する必要がある。このような多孔体内の水分の挙動を解析するためのシミュレーション方法が、下記特許文献１に開示されている。
【０００７】
下記特許文献１では、多孔体の空孔径の統計値に対応させて、飽和水蒸気圧の３次元分布を算出する。そして、触媒層から連続的に供給される水蒸気が電極層内に拡散した場合の水蒸気圧の３次元分布を取得し、水蒸気圧及び飽和蒸気圧の３次元分布を用いて、ケルビン効果の発現を考慮した水の凝縮量の３次元分布を算出する。そして、凝縮量の３次元分布を用いて、水の質量保存式から電極層内の液水量の３次元分布を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２４５８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、上記特許文献１では、多孔体内のガスと液水の気液２相流それぞれの輸送方程式を連成させて解析している（別々の方程式で表される物理現象が互いに関係をもつような複雑な現象を、それぞれの方程式を関連付けて解くことによって求める）ため、計算が収束しない可能性や、構造が大きい場合に計算時間が長くなることがある。
【００１０】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、短時間で発散することなく多孔体の液水分布を予測することができる燃料電池の状態判断方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池の状態判断方法は、燃料電池に用いられる多孔体を３次元格子にモデル化した多孔体構造モデルを作成する第１ステップと、前記多孔体構造モデルの任意の空孔に液水を配置する第２ステップと、前記液水周辺に配置された、閾値以上の空孔径に液水を膨張させる第３ステップと、前記液水が前記多孔体構造モデルの界面まで到達するまで前記第３ステップを繰り返す第４ステップと、前記第４ステップ後の多孔体構造モデルを用いて燃料電池の性能を判断する第５ステップと、を有する。
【００１２】
本発明によれば、多孔体構造モデルの任意の空孔に配置した液水を、閾値以上の径を有する空孔に膨張させ、これを液水が界面に到達するまで繰り返すという方法で、多孔体の液水分布を予測できる。つまり、液体輸送に関して独立して計算を実施して多孔体の液水分布を予測できるので、気液２相流それぞれの輸送方程式を連成させて解析する方法と比較して、単純なアルゴリズムにより簡易的に多孔体内の液水分布を予測することができる。また、予測した液水分布を反映させた多孔体構造モデルに基づいて燃料電池の性能を判断することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、短時間で発散することなく多孔体の液水分布を予測することができる燃料電池の状態判断方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の処理手順を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施形態の処理手順の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、本実施形態における燃料電池の状態判断方法の処理手順を示すフローチャートである。図２は、図１に示す処理手順の説明図である。
【００１７】
燃料電池は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、図示は省略するが、単位セルを複数重ね合わせたスタック構造を有する。単位セルは、電解質膜の両側を電極で狭持した後にさらに拡散層で狭持したＭＥＡの両側をセパレータで狭持した構造をもつ。電解質膜は、プロトン伝導性を有する電解質膜であり、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーのようなフッ素系電解質樹脂（イオン交換樹脂）が用いられる。電極は、触媒（例えば白金）を担持したカーボンを有している。セパレータには、反応ガスを供給するための流路が形成されている。
【００１８】
なお、本実施形態における燃料電池の状態判断方法は、シミュレーション解析を実行するためのコンピュータシステム（以下、シミュレーション装置（図示略））を用いて行われる。このシミュレーション装置は、シミュレーションプログラムを実行する制御手段や、解析途中のデータを一時記憶するためのメモリ等を備え、以下で説明する計算を実施し、また、計算により得られた結果を用いて含水時の多孔体の特性を算出し、この含水時の多孔体の特性に基づいて燃料電池の発電性能を判断することができる。本実施形態では、３次元解析空間に燃料電池の多孔体をモデル化した計算格子を用いて処理が行われる。
【００１９】
（ステップＳ１０）
まず、図１のステップＳ１０及び図２（Ａ）に示すように、シミュレーション装置は、燃料電池の多孔体の３次元モデルデータ（多孔体構造モデルＭ）を作成する。この３次元モデルデータは、多孔体の３次元モデルにおける座標（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）毎に算出した空孔径に関するデータを含む。
【００２０】
（ステップＳ２０）
次いで、図２（Ｂ）に示すように、作成された多孔体構造モデルＭの任意の空孔Ｈに、初期液水Ｗを配置する。図１のステップＳ２０では、液水Ｗの存在の有無が判定され、液水Ｗが存在していないと判定されると（ステップＳ２０（Ｎｏ））、ステップＳ４０に進む。一方で、液水Ｗの存在が判定されれば（ステップＳ２０（Ｙｅｓ））、ステップＳ３０に進む。
【００２１】
なお、図２（Ｂ）に示した液水Ｗは、ランダムに配置しても良く、また、実際の燃料電池の反応量による水蒸気濃度分布を予め計算しておき、当該水蒸気濃度分布に基づき、配置しても良い。
【００２２】
そして、図２（Ｂ）の点線（探索領域Ｓ）に示すように、液水Ｗを配置した空孔Ｈの周辺部において、閾値以上の径を有する空孔を探索する。この探索する際に設定されている閾値は任意の値に設定されるものであるが、この閾値を多孔体の最大空孔径に設定しても良い。
【００２３】
（ステップＳ３０）
ステップＳ２０（Ｙｅｓ）に続くステップ３０では、図２（Ｃ）の矢印に示すように、閾値以上の径を有する空孔Ｈmに、液水Ｗを膨張させる。なお、閾値以上の径の空孔Ｈmが複数あれば（若しくは、最大空孔径が複数あれば）、当該空孔の全てに液水Ｗを膨張させ（図２（Ｃ）では、閾値以上の径の空孔Ｈmが２つある例を示している）、ステップＳ４０に進む。
【００２４】
（ステップＳ４０）
ステップＳ４０では、ｘ、ｙ、ｚが格子数であるか否かが判定される。格子数は、ステップＳ１０で作成した３次元モデルデータ（多孔体構造モデルＭ）に基づき予め設定される値である。ｘ、ｙ、ｚが格子数でないと判定されると（ステップＳ４０（Ｎｏ））、ステップＳ１０に戻り、ｘ、ｙ、ｚが格子数に到達するまでステップＳ１０〜ステップＳ３０を繰り返す。初期値（ｘ＝１、ｙ＝１、ｚ＝１）から格子数に到達するまでステップＳ１０〜ステップＳ３０を繰り返し、ステップＳ１０においてｘ＝格子数、ｙ＝格子数、ｚ＝格子数であり、ステップＳ２０において液水Ｗが存在していないと判定されると、ステップＳ５０に進む（ステップＳ４０（Ｙｅｓ））。
【００２５】
（ステップＳ５０）
次いで、図１のステップＳ５０及び図２（Ｄ）に示すように、液水Ｗが界面部に到達しているか否かが判定される。液水Ｗが界面部に到達していなければ（ステップＳ５０（Ｎｏ））、ステップＳ１０に戻り、液水Ｗが界面部に到達するまで繰り返す。液水Ｗが界面部の空孔Ｈsに到達している場合には、このフローを終了する（燃料電池が、例えば、電解質膜（ＥＬ）、触媒層（ＣＬ）、マイクロポーラス層（ＭＰＬ）、ガス拡散電極層（ＧＤＬ）で挟まれた膜電極接合体を有する場合には、マイクロポーラス層界面に液水Ｗが到達すると終了とみなす）。本実施形態では、液水Ｗが界面部の空孔Ｈsに到達している場合の多孔体構造モデルＭ´（図２（Ｅ））を用いて、多孔体内の液水分布を算出することができる。そして、得られた液水分布から含水時の多孔体内の特性（ガス拡散、透気度など）を算出でき、算出された含水時の多孔体内の特性に基づいて燃料電池の発電性能の良否を判断することができる。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池の状態判断方法では、燃料電池の多孔体を３次元格子にモデル化した多孔体構造モデルＭを作成する第１ステップと、多孔体構造モデルＭの任意の空孔に液水Ｗを配置する第２ステップと、液水Ｗ周辺に配置された、閾値以上の径を有する空孔Ｈmに液水を膨張させる第３ステップと、液水Ｗが多孔体構造モデルＭの界面まで到達するまで第３ステップを繰り返す第４ステップと、第４ステップ後の多孔体構造モデルＭ´を用いて燃料電池の性能を判断する第５ステップとを有する。
【００２７】
なお、以上の処理手順は、一般的に燃料電池の多孔体材料が撥水性であることから閾値以上の径を有する空孔に液水を膨張させることとしているが、仮に、多孔体材料として親水性の材料を用いたときは、逆に閾値以下の径を有する空孔に液水を膨張させることで、同様に処理することができる。
【００２８】
また、本実施形態における燃料電池の状態判断方法では、液水の初期位置（液水Ｗを配置する位置）を多孔体の任意の位置に配置することができる利点がある。
【００２９】
更に、本実施形態における燃料電池の状態判断方法では、液水Ｗを配置した空孔の周囲の閾値以上の径を有する空孔に液水Ｗを膨張させ、これを液水Ｗが界面部に到達するまで繰り返す、という方法で液水分布を算出するので、単純なアルゴリズムにより簡易的に多孔体内の液水分布を予測することができる。
【００３０】
以上説明した本実施形態における燃料電池の状態判断方法によれば、試作した多孔体構造モデルを計算することで、実験による評価なしで、燃料電池の発電性能の良否を判断することができる。また、試作したい多孔体構造の性能を、実際に試作する前にその良否判断をすることができる。また、計算にかかる時間が短いため、計算の試行回数を増やすことができる。
【００３１】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、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。
【符号の説明】
【００３２】
Ｈ：空孔
Ｍ：多孔体構造モデル
Ｓ：探索領域
Ｗ：液水
【図１】
2018026312.tif 000003
【図２】
2018026312.tif 000004