(57)【要約】【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物性を精度良く算出することができる多孔体の物性シミュレーションシステムを提供する。【解決手段】各領域に対して、構成部材が無を示す情報と、構成部材が有を示し、かつ構成部材同士の重なり部分の有無を示す重なり情報と、を付与するモデル生成部１１と、重なり部分が有となる１つの領域において、１つの領域の周りに隣接する少なくとも１つの領域が、前記重なり部分が無となる領域である場合に、１つの領域が構成部材同士の接触部分であると判定し、重なり部分が有となる１つの領域において、１つの領域の周りに隣接するすべて領域が、前記重なり部分が有となる領域である場合に、１つの領域が構成部材の内側部分であると判定する判定部１２と、これらの領域とに合わせて、各領域に物性値を設定し、多孔体の物性値を算出する算出部１３と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の構成部材からなる多孔体の断面形状のデータから、前記多孔体の断面を複数の領域に切り分けたモデルを作成し、前記各領域に対して、前記構成部材が無を示す情報と、前記構成部材が有を示し、かつ前記構成部材同士の重なり部分の有無を示す重なり情報と、を付与するモデル生成部と、
前記重なり部分が有となる１つの領域において、当該１つの領域の周りに隣接する少なくとも１つの領域が、前記重なり部分が無となる領域である場合に、当該１つの領域が構成部材同士の接触部分であると判定し、前記重なり部分が有となる１つの領域において、当該１つの領域の周りに隣接するすべて領域が、前記重なり部分が有となる領域である場合に、当該１つの領域が前記構成部材の内側部分であると判定する判定部と、
前記構成部材が無となる領域と、前記構成部材が有となりかつ重なり部分が無となる領域と、前記接触部分となる領域と、前記内側部分となる領域とに合わせて、前記各領域に物性値を設定し、前記多孔体の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。
【０００４】
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。
【０００５】
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】
【０００６】
【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】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたシミュレーションシステムでは、多孔体の物性値を精度良く算出には、多孔体を構成する物質部材同士の界面である接触部分を正確に認識する処理が必要となるが、この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。
【０００８】
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物性を精度良く算出することができる多孔体の物性シミュレーションシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る多孔体の物性シミュレーションシステムは、複数の構成部材からなる多孔体の断面形状のデータから、前記多孔体の断面を複数の領域に切り分けたモデルを作成し、前記各領域に対して、前記構成部材が無を示す情報と、前記構成部材が有を示し、かつ前記構成部材同士の重なり部分の有無を示す重なり情報と、を付与するモデル生成部と、前記重なり部分が有となる１つの領域において、当該１つの領域の周りに隣接する少なくとも１つの領域が、前記重なり部分が無となる領域である場合に、当該１つの領域が構成部材同士の接触部分であると判定し、前記重なり部分が有となる１つの領域において、当該１つの領域の周りに隣接するすべて領域が、前記重なり部分が有となる領域である場合に、当該１つの領域が前記構成部材の内側部分であると判定する判定部と、前記構成部材が無となる領域と、前記構成部材が有となりかつ重なり部分が無となる領域と、前記接触部分となる領域と、前記内側部分となる領域とに合わせて、前記各領域に物性値を設定し、前記多孔体の物性値を算出する算出部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る物性シミュレーションシステムによれば、モデル生成部は、構成部材が無を示す情報と、構成部材が有を示し、かつ構成部材同士の重なり部分の有無を示す重なり情報とを、モデルの形状生成の段階で取得（記憶）する。
【００１１】
そして、モデル生成部で生成されたモデルに対して、判定部では、重なり部分が有となる領域に対して、その重なり部分が、構成部材の接触部分であるか、構成部材内にある内側部分であるかを判定する。この判定により、重なり部分のうち、構成部材が接触部分の領域を迅速に判定することができる。
【００１２】
算出部では、構成部材が無となる領域（すなわち空隙となる領域）と、構成部材が有となりかつ重なり部分が無となる領域（構成部材の領域）と、接触部分となる領域（接触領域）と、内側部分となる領域(接触領域近傍の内部領域）とに合わせて、各領域に物性値を設定し、多孔体の物性値を算出するので、多孔体に対して、より正確な物性値を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】多孔体のバーチャル構造を示した模式斜視図である。
【図２】本実施形態に係る多孔体の物性シミュレーションシステムの概略構成を例示した図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、物性シミュレーションシステムによるシミュレーションの詳細を説明するためのモデルを示す概念図である。
【図４】多孔体の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５】図４のステップＳ４３の詳細について例示したフローチャートである。
【図６】多孔体の電子伝導度を算出した結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、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。
【００１５】
図１は、多孔体１のバーチャル構造を示した模式斜視図であり、燃料電池の拡散層の設計を支援するものである。したがって、図１に示す多孔体１では、黒色部分が、炭素繊維であり、この炭素繊維が、本発明でいう構成部材である。
【００１６】
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。
【００１７】
図２は、本実施形態に係る多孔体１の物性シミュレーションシステム１００の概略構成を例示した図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、物性シミュレーションシステムによるシミュレーションの詳細を説明するためのモデルを示す概念図である。
【００１８】
物性シミュレーションシステム１００は、モデル作成の条件、各物性値等を解析装置１０に入力する入力部２０と、多孔体１のモデルを作成し、多孔体１の物性値を解析する解析装置１０と、解析装置１０で解析された多孔体１の物性値を出力する出力部３０と、を備えている。
【００１９】
解析装置１０は、モデル生成部１１と、判定部１２と、算出部１３とを備えている。モデル生成部１１は、複数の構成部材からなる多孔体１の断面形状のデータから、多孔体１の断面を複数の領域に切り分けたモデルを作成し、各領域に対して、炭素繊維（構成部材）が無を示す情報と、炭素繊維が有を示し、かつ炭素繊維同士の重なり部分の有無を示す重なり情報と、を付与する。
【００２０】
これにより、後述する図３（ａ）に示すように、多孔体１の断面が格子状に切り分けられた領域（格子）を有した多孔体１のモデルを得ることができる。具体的には、モデル生成部１１は、炭素繊維が無を示す領域を、空隙部分として設定し、炭素繊維が有を示し、重なり部分が無となるカーボン部分として設定し、炭素繊維が有を示し、重なり部分が有となる領域を、重なり部分として設定する。
【００２１】
判定部１２は、モデル生成部１１で生成されたモデルに対して、重なり部分が有とされた領域に対して、以下の判定を行う。具体的には、判定部１２が、各領域（格子）が重なり部分が有となる１つの領域において、この１つの領域の周りに隣接する領域（少なくとも１つ）が、重なり部分が無となる領域である場合に、１つの領域が炭素繊維同士の接触部分であると判定する（たとえば、図３（ｂ）参照）。
【００２２】
一方、判定部１２が、重なり部分が有となる１つの領域において、１つの領域の周りに隣接するすべて領域（具体的には上下左右の隣接領域）が、重なり部分が有となる領域である場合に、１つの領域が炭素繊維の内側部分であると判定する（たとえば、図３（ｂ）参照）。そして、判定部１２は、判定された結果に基づいて、重なり部分の領域を、接触部分または内側部分のいずれかに設定する。
【００２３】
算出部１３は、炭素繊維が無となる領域（空隙部分となる領域）と、炭素繊維が有となりかつ重なり部分が無となる領域（カーボン部分となる領域）と、接触部分となる領域と、内側部分となる領域とに合わせて、各領域に物性値を設定する。この物性値を設定した状態で、多孔体１の物性値を算出する（たとえば、図３（ｃ）参照）。
【００２４】
以下に、多孔体１の物性シミュレーション方法について説明する。図４は、多孔体１の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５は、図４のステップＳ４３の詳細について例示したフローチャートである。
【００２５】
ステップＳ４１では、各領域に対して、前記構成部材が無を示す情報と、前記構成部材が有を示し、かつ前記構成部材同士の重なり部分の有無を示す重なり情報と、を付与する図１に示す入力部２０からの多孔体１に関する情報（多孔体の形状情報）のデータを解析装置１０に入力する。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。これにより、モデル生成部１１が、図３（ａ）に示すように、多孔体１の断面形状のデータから、多孔体１の断面を複数の領域に切り分けたモデルを作成する。
【００２６】
次いで、ステップＳ４２では、モデル生成部１１が、各領域に対して、炭素繊維が無を示す情報と、炭素繊維が有を示し、かつ炭素繊維同士の重なり部分の有無を示す重なり情報とを、入力部２０から解析装置１０に入力し、モデル生成部１１が、各領域にこれらの情報を付与する。これにより、重なり情報を有した多孔体１のモデルを生成する。
【００２７】
ここでは、たとえば、炭素繊維の既存形状に対して新たな炭素繊維の形状を配置していく形式で形状を生成してもよい。具体的には、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、新たに配置する形状を生成する。このとき、既存の形状の炭素繊維と、新たに配置した炭素繊維とが重なった部分が、重なり部分となる。新たな炭素繊維の形状を配置する際には、重なり部分となる領域の個数を適正な個数となるようにする。
【００２８】
このようにすれば、短時間で、適正な個数かつ適正な領域に、重なり部分を設定することができる。すなわち、従来のような界面を認識する処理（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、これまでの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。
【００２９】
ステップＳ４３では、判定部１２が、重なり部分が、接触部分または内側部分のいずれの部分であるかの判定を行う。具体的には、図５に示すステップＳ５１で、複数の領域（図３（ａ）参照）の１つ１つに対して、この判定を行うための調査対象となる領域を設定する。設定される領域は、判定がまだされていない未調査の領域である。
【００３０】
次に、ステップＳ５２に進み、調査対象の領域が、重なり部分であるかを判定する。調査対象の領域が、重なり部分である場合には、ステップＳ５３に進む。ステップＳ５３では、重なり部分が有となる１つの領域において、１つの領域の周りに隣接する隣接領域に重なり部分以外があるかどうかを判定する。
【００３１】
重なり部分以外があると判定される場合、すなわち、調査対象となる１つの領域の周りに隣接する少なくとも１つの領域が、重なり部分が無となる領域であるので、ステップＳ５４に進む。ステップＳ５４では、調査対象となる１つの領域が炭素繊維同士の接触部分であると判定し、この領域を接触部分と設定する（図３（ｂ）参照）。
【００３２】
一方、ステップＳ５３で、重なり部分以外がないと判定される場合、すなわち、調査対象となる周りに隣接するすべて領域が、重なり部分が有となる領域であるので、ステップＳ５５に進む。ステップＳ５５では、調査対象となる１つの領域が炭素繊維同士の内側部分であると判定し、この領域を内側部分と設定する（図３（ｂ）参照）。
【００３３】
ステップＳ５２により、調査対象の領域が重なり部分でない場合、または、ステップＳ５５およびステップ５５による判定が完了した場合には、ステップＳ５６に進み、未調査の領域があるかを判定する。ステップＳ５６で、未調査の領域がある場合には、ステップＳ５１に戻り、一連のステップＳ５１〜Ｓ５５までを行い、未調査の領域がない場合には、図５に示す一連の処理を終了する。これにより、各領域にいずれかの部分が設定される（図３（ｃ）参照）。
【００３４】
図５に示す一連の処理の終了後、すなわち、ステップＳ４３の処理が完了すると、ステップＳ４４に進み、各領域に物性値を設定する。具体的には、炭素繊維が無となる領域（空隙部分）と、炭素繊維が有となりかつ重なり部分が無となる領域（カーボン部分）と、接触部分となる領域と、内側部分となる領域とに合わせて、各領域に物性値を設定する。
【００３５】
本実施形態では、多孔体１の電子伝導度を算出することから、各領域に、各部分に応じた、物性値として電気的物性値（具体的には電子伝導度）を設定する。例えば、カーボン部分および内側部分に、同等の電子伝導度を設定し、接触部分に、これよりも低い電子伝導度を設定する。空隙部分には、カーボン部分および内側部分よりも高い電子伝導度を設定する。なお、本実施形態では、カーボン部分および内側部分に同様の電子伝導度を設定したが、内側部分は接触部分に隣接することから、異なる電子伝導度を設定してもよい。なお、本実施形態では、構成部材を炭素繊維にした、これに限定されず、さらに、電子伝導度を物性のパラメータとしたが、例えば、熱伝導率、誘電率、抵抗値などの他のパラメータを物性値としてもよい。
【００３６】
次に、物性値が設定された各領域からなるモデルに対して、算出部１３が、多孔体１の物性値を算出する。算出部１３の算出は、汎用された材料解析ソフトウェアにより行うことができ、このソフトウェアは、一般的に知られたソフトウェアである。
【００３７】
本実施形態では、モデル生成部１１で生成されたモデルに対して、判定部１２では、重なり部分が有となる領域に対して、その重なり部分が、炭素繊維の接触部分であるか、炭素繊維内にある内側部分であるかを判定する。この判定により、重なり部分のうち、炭素繊維が接触部分の領域を迅速に判定することができる。
【００３８】
算出部１３では、炭素繊維が無となる領域（空隙領域）と、炭素繊維が有となりかつ重なり部分が無となる領域（カーボン領域）と、接触部分となる領域（接触領域）と、内側部分となる領域(内部領域）とに合わせて、各領域に物性値を設定することができる。これにより、多孔体１の物性値を算出するので、多孔体１に対して、より正確な物性値を得ることができる。
【００３９】
図６は、「重なり情報なし」、「重なり情報あり」、「接触／内側情報あり」の場合の多孔体１の電子伝導度の解析結果である。なお、図６では、「重なり情報なし」は、その情報を入力せずに、炭素繊維同士が接触している部分をモデルに反映せずに算出した多孔体１の電子伝導度の値を示している。また、「重なり情報あり」は、炭素繊維が接触している部分をモデルに反映したが、重なり部分をすべて接触部分として算出した多孔体１の電子伝導度の値を示している。また、「接触／内側情報あり」は、本実施形態の手法で、算出した多孔体１の電子伝導度の値を示している。
【００４０】
図６に示すように「重なり情報なし」では、電子伝導度が、他に比べて大きくなり、「重なり情報あり」では、電子伝導度が、他に比べて小さくなった。一方、「接触／内側情報あり」の場合の電子伝導度は、実際の電子伝導度に近い値となった。
【００４１】
「重なり情報なし」では、炭素繊維同士の接触を考慮していないため、電子伝導度は高くなり、一方、「重なり情報あり」では、重なり部分をすべて接触部分としたので、電子伝導度は低くなったと考えられる。
【００４２】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００４３】
１：多孔体、１０：解析装置、１１：モデル生成部、１２：判定部、１３：算出部、３０：出力部、１００：物性シミュレーションシステム
【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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