(57)【要約】【課題】燃料電池において反応ガスの配流性の解析を容易にする。【解決手段】電極層に面した反応ガスの流路を多孔体１８で構成した膜電極接合体において反応ガスの配流性を以下の工程によって解析する。多孔体１８における反応ガスの流れを解析する（ステップＳ３１０）。次に、解析結果から得られた多孔体１８に流入する反応ガスの流速分布を用いて、設定された一定区間ごとの反応ガスの流入量Ｑ１〜Ｑ７を算出する（ステップＳ３３０）。流れ解析の結果から前記区間の境界上を通る流線ＳＬ１〜ＳＬ６を抽出し（ステップＳ３４０）、電極層を前記流線ＳＬ１〜ＳＬ６によって流路領域Ｔ１〜Ｔ７に分割する。仮定した電流密度分布を用いて各流路領域Ｔ１〜Ｔ７ごとに電流量Ｉ１〜Ｉ７を求め（ステップＳ３６０）、前記流入量と前記電流量から算出した反応ガスの消費量からストイキ比を算出する（ステップＳ３７０）。【選択図】図３
2008016315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池内における反応ガスの配流性を解析する解析方法であって、
（ａ）電極層に面したガス流路における反応ガスの流れを解析することによって、前記ガス流路内の流線を推定する工程と、
（ｂ）前記電極層に面したガス流路を、前記解析で得られた流線を境界として複数の流路領域に分割する工程と、
（ｃ）前記電極層の位置に依存して変化する単位面積あたりの電流値を示す電流密度分布を仮定するとともに、前記電流密度分布に基づいて、前記複数の流路領域のそれぞれにおける電流量を算出する工程と、
を備える解析方法。
【請求項２】
請求項１に記載の解析方法であって、さらに、
（ｄ）前記流れの解析結果に基づいて、前記複数の流路領域のそれぞれにおける前記反応ガスの流量である推定流量を算出する工程と、
（ｅ）前記複数の流路領域における電流量から、前記複数の流路領域において消費される前記反応ガスの消費量を算出する工程と、
（ｆ）前記推定流量を前記消費量で除した値であるストイキ比を前記複数の流路領域のそれぞれについて算出する工程と、
を備える解析方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の解析方法であって、
前記電極層に面したガス流路は、多孔体で構成される、解析方法。
【請求項４】
燃料電池内における反応ガスの配流性を解析する解析装置であって、
電極層に面したガス流路における反応ガスの流れを解析することによって、前記ガス流路内の流線を推定する流れ解析部と、
前記電極層に面したガス流路を、前記解析で得られた流線を境界として複数の流路領域に分割し、前記電極層の位置に依存して変化する単位面積あたりの電流値を示す電流密度分布を仮定するとともに、前記電流密度分布に基づいて、前記複数の流路領域のそれぞれにおける電流量を含む発電特性を算出する発電特性計算部と、
を備える解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池内における反応ガスの配流性の解析に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料ガス（水素）及び酸化ガス（酸素）の電気化学反応を用いて発電するため、それらの反応ガスの配流性は燃料電池の発電性能を左右する重要な要素である。ここで、「反応ガスの配流性」とは、電極近傍における反応ガスの流れと発電密度（電流密度）との関係に関する特性を意味する。燃料電池内における反応ガスの配流性を解析する方法として数値流体力学の手法を取り入れて解析を行う方法がある（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６０８７
【０００４】
そうした解析においては、差分法、有限要素法、有限体積法といった方法が用いられることが多い。即ち、解析空間を正方形や三角形などの微小な領域（メッシュ）に区切り、そのメッシュ毎に繰り返し計算を行い収束解を求める方法である。燃料電池ではガスの流れや発電の計算を同時に行う場合もあり、計算に多くの負荷と時間がかかっていた。例えば、１つのケースについての計算に数日から数十日かかる場合もある。しかし、これまでそうした問題に対して充分な工夫がなされていないのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池において反応ガスの配流性の解析を容易にする技術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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池内における反応ガスの配流性を解析する解析方法であって、
（ａ）電極層に面したガス流路における反応ガスの流れを解析することによって、前記ガス流路内の流線を推定する工程と、
（ｂ）前記電極層に面したガス流路を、前記解析で得られた流線を境界として複数の流路領域に分割する工程と、
（ｃ）前記電極層の位置に依存して変化する単位面積あたりの電流値を示す電流密度分布を仮定するとともに、前記電流密度分布に基づいて、前記複数の流路領域のそれぞれにおける電流量を算出する工程とを備える。
【０００７】
この方法によれば、反応ガスの流れ解析の計算をした後に、その結果に基づいて分割した領域ごとの電流量（発電量）の計算を、電流密度分布を仮定することによって行っているため計算負荷が低減し、反応ガスの配流性の解析を容易に行うことができる。
【０００８】
上記解析方法は、さらに、
（ｄ）前記流れの解析結果に基づいて、前記複数の流路領域のそれぞれにおける前記反応ガスの流量である推定流量を算出する工程と、
（ｅ）前記複数の流路領域における電流量から、前記複数の流路領域において消費される前記反応ガスの消費量を算出する工程と、
（ｆ）前記推定流量を前記消費量で除した値であるストイキ比を前記複数の流路領域のそれぞれについて算出する工程と、
を備えるものとしても良い。
【０００９】
この方法によれば、流路領域ごとの局所的なストイキ比を算出することができる。
【００１０】
上記解析方法は、前記電極層に面したガス流路が多孔体で構成されるものとしても良い。
【００１１】
この方法によれば、電極層に面した反応ガスの流路を多孔体を用いて構成した場合でも、少ない計算で反応ガスの配流性を解析することができる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池内の反応ガスの配流性の解析方法および燃料電池内の反応ガスの配流性の解析装置、燃料電池内の反応ガスの配流性制御方法および燃料電池内の反応ガスの配流性制御装置、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．参考例：
Ｂ．実施例：
Ｃ．変形例：
【００１４】
Ａ．参考例：
まず参考例として、構成の異なる２種類の膜電極接合体のガスの配流性の解析についてそれぞれ説明する。
【００１５】
図１（Ａ）は膜電極接合体１０の構成を示す概略図である。図１（Ａ）は、膜電極接合体１０の酸化ガス（空気）の供給されるカソード電極層１１側を示しているが、燃料ガス（水素）の供給されるアノード電極層１２側も、空気を水素に置き換えたカソード電極層１１側とほぼ同様の構成となる。
【００１６】
膜電極接合体１０は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜（図示せず）を２つの電極層１１、１２によって挟持した構成であり、その外周縁にはシールガスケット１３が成形されている。シールガスケット１３によって囲まれた領域を「ガス被供給領域１４」と呼ぶ。
【００１７】
シールガスケット１３には貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられている。マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６は、それぞれ空気供給用マニホールド孔Ｍ１と、空気排出用マニホールド孔Ｍ２と、水素供給用マニホールド孔Ｍ３と、水素排出用マニホールド孔Ｍ４と、冷却水供給用マニホールド孔Ｍ５と、冷却水排出用マニホールド孔Ｍ６とで構成される。供給用マニホールド孔Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５と排出用マニホールド孔Ｍ２、Ｍ４、Ｍ６とは、ガス被供給領域１４を挟んで対向する部位に設けられている。
【００１８】
膜電極接合体１０は、セパレータ（図示せず）と呼ばれる１組の薄い金属板によって挟持されて発電モジュール（単セル）を構成する。なお通常は、この単セルを積層して燃料電池スタックが構成される。
【００１９】
セパレータには、貫通孔であるマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６が設けられており、それぞれが膜電極接合体１０のマニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６に連結する。またセパレータには膜電極接合体１０と接触する面に後述するガス流路ＧＰを形成するための溝が設けられている。また、セパレータには冷却水の流路も設けられている。即ち、セパレータはガス供給機能と冷却機能と集電機能とを実現している。
【００２０】
ガス被供給領域１４には、上述のセパレータに設けられた溝によって空気供給用マニホールド孔Ｍ１側から空気排出用マニホールド孔Ｍ２側へと空気を供給するための複数の直線状のガス流路ＧＰが並列に形成される。このガス流路ＧＰの形成されている領域が発電領域となる。全てのガス流路ＧＰは、その両端にガス集散領域１４ａ、１４ｂが設けられることによって連結している。
【００２１】
ガス被供給領域１４とマニホールド孔Ｍ１、Ｍ２とは、シールガスケット１３上に設けられたシールライン（図示せず）とセパレータによって流路が形成され連結する。空気は、マニホールド孔Ｍ１からガス被供給領域１４のガス流路ＧＰへ供給され、そのうちの酸素が電気化学反応に供される。反応に供されることのなかった残りの空気は反応によって生じた水とともに空気排出用マニホールド孔Ｍ２へと排出される。
【００２２】
燃料電池における水素及び空気（両者を併せて「反応ガス」と呼ぶ）の配流性の解析は、例えば、局所的なストイキ比を求めるために行われる。ストイキ比とは、燃料電池の発電量に対して最低限必要なガス量（即ち電気化学反応に供されるガス量）と実際に供給されたガス量との比である。局所的なストイキ比が１を下回る場合には、その位置で反応ガスの流量が過小であることを意味する。逆に、局所的なストイキ比が過度に大きな場合（例えば２を上回る場合）には、反応ガスの流量が過大であることを意味する。従って、局所的なストイキ比の分布は、所定の範囲（例えば１．２〜１．８）に収まることが好ましい。
【００２３】
膜電極接合体１０において、図１（Ａ）に示す破線領域Ｔ０におけるストイキ比の算出を考える。通常、燃料電池においては、電極層の位置によって単位面積あたりの電流値が異なる場合、即ち、電流密度分布（発電分布）が均一ではない場合がある。
【００２４】
しかし、膜電極接合体１０のような構成であれば、電流密度分布が均一であっても不均一であっても、図１（Ａ）における破線領域Ｔ０における発電面積は同じであり、ガスの消費量は同じであるから、ストイキ比の算出にあたり電流密度分布の影響は無い。即ち、局所的にストイキ比を算出することは容易である。
【００２５】
図１（Ｂ）は、他の膜電極接合体１０Ａの構成を示す概略図である。この膜電極接合体１０Ａは、マニホールド孔Ｍ１〜Ｍ６とガス集散領域１４ａ、１４ｂの位置が異なる点と、ガス被供給領域１４に直線状流路が形成されておらず多孔体１８が設けられている点以外は、図１（Ａ）とほぼ同じである。この多孔体１８は、内部に区切りのない１つの大きな流路（流路層）として機能する。また、アノード電極層１２側も空気を水素に置き換えたカソード電極層１１側とほぼ同様の構成となる。
【００２６】
この膜電極接合体１０Ａでは反応ガスの流れは、図に示すｙ方向への流れとなる。具体的には、空気供給用マニホールド孔Ｍ１の空気は流入口１７ｉからガス集散領域１４ａへと流入し、ガス集散領域１４ａと多孔体１８との境界１６全体から多孔体１８へと流入する。多孔体１８を通過した空気はガス集散領域１４ｂを経て流出口１７ｏから空気排出用マニホールド孔Ｍ２へと至る。
【００２７】
一般に膜電極接合体１０Ａのように多孔体１８を用いるなどして区切りのない流路を構成する場合は、反応ガスの流れを特定することが困難である。また、電流密度分布が不均一である場合、多孔体１８の位置によって反応ガスの消費される量は異なってくる。従って、上述の膜電極接合体１０とは異なり、膜電極接合体１０Ａにおいて局所的にストイキ比を算出することは一般に計算負荷が大きい。
【００２８】
以下の実施例は、図１（Ｂ）のような構成を有する膜電極接合体のガスの配流性の解析を容易に行うことができるように工夫されたものである。
【００２９】
Ｂ．実施例：
図２は、本発明の実施例としてのガス配流性解析装置１００の構成を示すブロック図である。ガス配流性解析装置１００は、入力部１０１と、主計算部１０２と、流れ解析部１０３と、出力部１０５とを備えている。
【００３０】
ガス配流性解析装置１００としては、パーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータを用いることができる。また、主計算部１０２及び流れ解析部１０３は、ハードディスク装置１１０に格納されたコンピュータプログラムによって実現することができる。入力部１０１は、キーボードやマウスなどの一般的な入力デバイスで構成することができる。出力部１０５は、ディスプレイモニタやプリンタなどで構成することができる。
【００３１】
図３は、ガス配流性解析装置１００の処理工程を示すフローチャートである。以下に、この工程の順序に従って本実施例を説明する。なお、以下に説明する解析処理は、燃料ガスと酸化ガスのいずれについてなされるものとしても良く、順次双方についてなされるものとしても良い。
【００３２】
まず、入力部１０１から初期条件を入力・設定する（ステップＳ３００）。初期条件としては、膜電極接合体１０Ａの形状（流入口１７ｉや流出口１７ｏの寸法など）や境界条件、ガスを膜電極接合体１０Ａに供給する際の反応ガスの流入速度・圧力などがある。また、多孔体１８の拡散抵抗値を考慮するものとしても良い。こうした初期条件の入力はＣＡＤプログラムなどを用いて形状を作画して行うものとしても良い。
【００３３】
流れ解析部１０３は、入力された初期条件から多孔体１８に流入する反応ガスの流れを解析する（ステップＳ３１０）。解析方法としては、数値流体力学の方法（差分法、有限体積法、有限要素法など）を採用することができる。例えば、反応ガスの流れる領域を解析空間として微小な格子点（メッシュ）に区分けし、格子点ごとに基礎方程式についての繰り返し計算を行い収束解を得る方法を採用可能である。この際にガスの消費量は考慮しなくとも良い。この流れ解析によって、各微小格子点における反応ガスの流速ベクトルを得ることができる。
【００３４】
次に、多孔体１８とガス集散領域１４ａとの境界１６を一定間隔で区分けする為の間隔を入力部１０１から設定する（ステップＳ３２０）。本実施例においては、例えば、境界１６（幅３５０ｍｍ）を５０ｍｍ間隔で７個の区間に区切るものとする。この設定はステップＳ３００の初期設定のときに行うものとしても良い。
【００３５】
図４（Ａ）は、多孔体１８のガス集散領域１４ａとの境界１６における反応ガスの流速分布の一例を示すグラフである。この流速分布は、ステップＳ３１０における反応ガスの流れ解析によって得ることができる。主計算部１０２は、上記区間ごとの反応ガスの流入量Ｑ１〜Ｑ７を算出する（ステップＳ３３０）。流入量Ｑ１〜Ｑ７は、この流速分布を上記７個の区間ごとに積分することによって計算できる。なお、流速分布のグラフや算出された流入量Ｑ１〜Ｑ７が出力部１０５に出力されるものとしても良い。
【００３６】
次に、ステップＳ３１０で得られた流れ解析の結果から、上記７個の区間の境界上を通る流線を抽出する（ステップＳ３４０）。図４（Ｂ）は、得られた流線ＳＬ１〜ＳＬ６を示す一例である。このように本実施例では、膜電極接合体１０Ａの電極層は流線ＳＬ１〜ＳＬ６によって７個の領域Ｔ１〜Ｔ７に区分される。この流線によって区切られた領域Ｔ１〜Ｔ７を「流路領域」又は「流管」と呼ぶ。反応ガスは、流体の性質上、それぞれ流入した流路領域からはみ出して移動することはない。
【００３７】
次に、主計算部１０２は、各流路領域ごとの面積Ｓ１〜Ｓ７を求める（ステップＳ３５０）。主計算部１０２は、この面積Ｓ１〜Ｓ７を用いて各流路領域ごとの発電量を計算する。この際、主計算部１０２は、以下に説明する電流密度分布を仮定して計算を行う。
【００３８】
図５（Ａ）は、流路方向（図５（Ｂ）に示すｙ方向）の電流密度分布の一例を示すグラフである。即ち、この電流密度分布は、ｙ方向に行くほど電流密度が減少する傾向にあり、ｘ方向には依存していない（つまりｘ方向についての電流密度は一様である）ことを仮定している。但し、電流密度分布としては、これ以外の任意の分布を採用することが可能である。
【００３９】
主計算部１０２は、この電流密度分布を各流路領域Ｔ１〜Ｔ７ごとに積分することによって電流量Ｉ１〜Ｉ７を計算する（ステップＳ３６０）（図４（Ｂ））。電流量Ｉ１〜Ｉ７より、各流路領域Ｔ１〜Ｔ７ごとのガスの消費量を求めることができる。また、この消費量と、ステップＳ３３０で求めた流入量Ｑ１〜Ｑ７との比から各流路領域ごとのストイキ比を求めることができる（ステップＳ３７０）。こうして得られたストイキ比が出力部１０５に出力される。
【００４０】
図５（Ｃ）は、計算によって得られたストイキ比の値の一例である。これらの値から、例えばストイキ比が１．０１の流路領域Ｔ３ではガス量が少なく、逆にストイキ比が１．８６の流路領域Ｔ７ではガス量が多いことが解る。なお、ガスの配流性の解析結果としては、ストイキ比以外の特性を出力するものとしても良く、例えば、局所的なガスの供給量と消費量とがグラフ化され比較可能な状態で出力部１０５に出力されるものとしても良い。
【００４１】
このガス配流性解析装置１００を用いれば、反応ガスが電極層に面したガス流路を有する膜電極接合体内での局所的なストイキ比を、従来より短時間で容易に算出することができる。従って算出されたストイキ比を参考にして、最適なガス配流性を実現できるよう設計変更を迅速にでき、燃料電池の設計工程にかかる時間及びコストを低減することができる。
【００４２】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、主計算部１０２の機能の一部を流れ解析部１０３が実行するようにすることもできる。
【００４３】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例において、反応ガスの流路層として多孔体１８が設けられていたが、それ以外の構成の流路層を設けても良い。例えば、流路層を反応ガスが拡散していく複数に区切られた空間として設けるものとしても良い。
【００４４】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例において、流れ解析部１０３は、反応ガスの流れ解析を、反応ガスの消費量を考慮して解析するものとしても良い。例えば、微小格子に区分けして行う格子点ごとの基礎方程式の繰り返し計算において、その格子点で電気化学反応によって消費される反応ガスの量を減じて繰り返し計算を行い収束解を求めるものとしても良い。なお、水素については、この消費量を考慮する方法が好ましく、酸素については消費量を考慮しない方法であっても影響は少ない。
【００４５】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例のガス配流性解析装置１００や、その機能を有したコンピュータ等によって得られた計算結果を用いて、ガス流量やガスの流入速度・圧力等を調整する制御部を備えた燃料電池システムを実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】参考例として膜電極接合体におけるガスの配流性を説明するための説明図。
【図２】ガス配流性解析装置の構成を示すブロック図。
【図３】ガス配流性解析装置の処理工程を示すフローチャート。
【図４】ガス配流性解析装置の処理工程を説明するための説明図１。
【図５】ガス配流性解析装置の処理工程を説明するための説明図２。
【符号の説明】
【００４７】
１０、１０Ａ…膜電極接合体
１１…カソード電極層
１２…アノード電極層
１３…シールガスケット
１４…ガス被供給領域
１４ａ…ガス集散領域
１４ｂ…ガス集散領域
１６…境界
１７ｉ…流入口
１７ｏ…流出口
１８…多孔体
１００…ガス配流性解析装置
１０１…入力部
１０２…主計算部
１０３…流れ解析部
１０５…出力部
１１０…ハードディスク装置
ＧＰ…ガス流路
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド孔
ＳＬ１〜ＳＬ６…流線
Ｔ０…破線領域  
Ｔ１〜Ｔ７…流路領域
【図１】
2008016315.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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