(57)【要約】【課題】  作業工数を低減しつつ高精度の数値解析モデルを自動生成できる数値解析モデル生成装置を提案する。【解決手段】  本発明の数値解析モデル生成装置（１０）は、解析対象に隣接する隣接部材の形状を解析対象に投影する投影手段（２１）と、投影手段（２１）によって解析対象に投影された投影線を境界線として解析対象を小領域に分割する分割手段（２２）と、分割手段（２２）によって分割された各々の小領域に数値解析用の物性値を設定する物性値設定手段（２４）を備える。隣接部材の形状に応じて解析対象を自動的に領域分割し、各々の小領域に数値解析用の物性値を自動的に定義できるため、手作業で物性値を定義する場合と比較して作業工数を低減しつつ、高精度の数値解析モデルを生成できる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
解析対象に隣接する隣接部材の形状を前記解析対象に投影する投影手段と、
前記投影手段によって前記解析対象に投影された投影線を境界線として前記解析対象を小領域に分割する分割手段と、
前記分割手段によって分割された各々の小領域に数値解析用の物性値を設定する物性値設定手段を備える、数値解析モデル生成装置。
【請求項２】
請求項１に記載の数値解析モデル生成装置であって、
前記解析対象に投影された前記隣接部材の投影形状に対応して数値解析用の物性値を記憶する記憶手段と、
前記分割手段によって分割された小領域の種別を認識する認識手段を更に備え、
前記物性値設定手段は前記認識手段が認識した小領域の種別に応じて、前記記憶手段に記憶された物性値を設定する、数値解析モデル生成装置。
【請求項３】
請求項２に記載の数値解析モデル生成装置であって、
前記記憶手段は前記解析対象の両側面のそれぞれに隣接する隣接部材の前記解析対象への投影形状に対応して数値解析用の物性値を記憶する、数値解析モデル生成装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の数値解析モデル生成装置であって、
各々の小領域に設定された物性的特性が連続的になるように物性値を補間する補間手段を更に備える、数値解析モデル生成装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の数値解析モデル生成装置であって、
前記物性値は前記解析対象と前記隣接部材との接触抵抗を含む、数値解析モデル生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は数値解析モデル生成装置に関し、特に、高精度な数値解析モデルを自動生成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を開発する上で発電特性等の動作メカニズムを解明することが重要な位置付けを占めており、例えば、特開平１１−１４４０９４号公報に開示されているような数値解析技術が利用されている。燃料電池の発電特性、反応ガスの流れ、熱分布、強度などを数値解析するには、解析対象となる膜電極接合体（ＭＥＡ）、拡散層、セパレータ等の形状や物性的特性を予めモデラー（プリプロセッサー又はメッシャー）にて定義しておく必要がある。
【特許文献１】特開平１１−１４４０９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、燃料電池セルのように複数の部材が相互に積層している構造体を高精度にモデル化するには、解析対象の物性値は均一ではないので、隣接部材に接触する部分と、接触しない部分とでそれぞれ異なる物性値を定義する必要がある。例えば、リブ付きセパレータと膜電極接合体との間に介挿される拡散層はセパレータのリブに接触する部分（リブ部）と、接触しない部分（溝部）とでそれぞれ異なる材料物性を定義する必要がある。このように解析対象を細かく領域分割すると、分割数は膨大になり、各々の領域に物性値を定義するには多くの手間を要していた。
【０００４】
そこで、本発明はこのような問題を解決し、高精度の数値解析モデルを自動生成できる数値解析モデル生成装置を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、本発明の数値解析モデル生成装置は、解析対象に隣接する隣接部材の形状を解析対象に投影する投影手段と、投影手段によって解析対象に投影された投影線を境界線として解析対象を小領域に分割する分割手段と、分割手段によって分割された各々の小領域に数値解析用の物性値を設定する物性値設定手段を備える。かかる構成によれば、隣接部材の形状に応じて解析対象を自動的に領域分割し、各々の小領域に数値解析用の物性値を自動的に定義できるため、手作業で物性値を定義する場合と比較して作業工数を低減しつつ、高精度の数値解析モデルを生成できる。
【０００６】
本発明の数値解析モデル生成装置は、上述の構成に加えて、解析対象に投影された隣接部材の投影形状に対応して数値解析用の物性値を記憶する記憶手段と、分割手段によって分割された小領域の種別を認識する認識手段を更に備え、物性値設定手段は認識手段が認識した小領域の種別に応じて、記憶手段に記憶された物性値を設定するように構成してもよい。小領域の種別を自動認識して物性値を設定することにより、作業工数を低減しつつ高精度の数値解析モデルを生成できる。
【０００７】
本発明の数値解析モデル生成装置において、記憶手段は解析対象の両側面（例えば、上面及び下面、右側面及び左側面、正面及び背面など）のそれぞれに隣接する隣接部材の解析対象への投影形状に対応して数値解析用の物性値を記憶するように構成してもよい。解析対象の両側面が隣接部材に隣接している場合、一方の側面に隣接している隣接部材の投影形状だけでなく、他方の側面に隣接している隣接部材の投影形状をも考慮することで、高精度な数値解析モデルを生成できる。
【０００８】
また、本発明の数値解析モデル生成装置は、各々の小領域に設定された物性的特性が連続的になるように物性値を補間する補間手段を更に備えてもよい。これにより実物の解析対象の物性的特性に近似した高精度な数値解析モデルを生成できる。
【０００９】
ここで、物性値としては、解析対象と隣接部材との接触抵抗を含むように設定してもよい。物性値として、材料物性だけでなく、隣接部材との接触抵抗をも考慮することで、高精度な数値解析モデルを生成できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、隣接部材の形状に応じて解析対象を自動的に領域分割し、各々の小領域に数値解析用の物性値を自動的に定義できるため、手作業で物性値を定義する場合と比較して作業工数を低減しつつ、高精度の数値解析モデルを生成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施形態では解析対象に隣接する隣接部材の形状を解析対象に投影し、解析対象に投影された投影線を境界線として解析対象を小領域に分割し、分割された各々の小領域に数値解析用の物性値を自動的に設定する。解析対象に接する隣接部材の接触面が凹凸状の起伏がある場合には、隣接部材の凹凸の輪郭形状が解析対象に投影されるように構成するのが望ましい。ここで、隣接部材とは、解析対象の物性的特性に影響を与える部材をいい、解析対象に接する部材又は僅かな距離をおいて近接する部材が含まれる。解析対象と隣接部材との間には、解析対象の物性的特性に余り影響を与えない部材が介在していてもよい。また、小領域の種別を自動認識して物性値を定義するように構成するのが望ましい。小領域の種別とは、物性的特性の観点から小領域を類別することをいう。例えば、隣接部材に接している小領域と、隣接部材に接してない小領域とでは物性的特性が異なるため、両者の種別は異なる。数値解析の対象となる構造体としては、特に限定されるものではないが、例えば、複数の部材が積層された構造体のモデル化に好適である。以下の説明においては、燃料電池セルをモデル化する場合を例示する。
【実施例１】
【００１２】
図３は本実施例における燃料電池セルの分解斜視図である。燃料電池セル４０は膜電極接合体４１の上面及び下面を拡散層４２，４３によって挟持し、更にその両側面をセパレータ４４，４５によって挟持した構造を備えている。セパレータ４４，４５はガス不透過の導電性部材から構成され、断面凹状のリブ４４ａ，４５ａが互いに平行な向きに形成されている。リブ４４ａ，４５ａはそれぞれ拡散層４２，４３に当接することで、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を流すためのガス流路４４ｂ，４５ｂを形成する。
【００１３】
図１は燃料電池の発電特性、反応ガス又は水滴等の流れ特性、強度特性等を数値解析するためのモデルを生成する数値解析モデル生成装置（モデラー装置）の機能ブロック図である。数値解析モデル生成装置１０は、モデル生成処理を行うプロセッサ２０と、モデルに物性的特性を定義するための物性値等を記憶する記憶装置３０を備えている。プロセッサ２０は解析対象に隣接する隣接部材の形状を解析対象に投影する投影手段２１、解析対象に投影された投影線を境界線として解析対象を小領域に分割する分割手段２２、小領域の種別を自動認識する認識手段２３、各々の小領域に数値解析用の物性値を設定する物性値設定手段２４、各々の小領域に設定された物性的特性が連続的になるように物性値を補間する補間手段２５として機能する。記憶装置３０は解析対象に投影された隣接部材の投影形状に対応して数値解析用の物性値３１を格納する記憶手段として機能する。物性値設定手段２４は認識手段２３が認識した小領域の種別に応じて小領域に物性値３１を定義する。
【００１４】
次に、図２と図４を参照して、上述した拡散層４２をモデル化する手順を説明する。図２は解析対象をモデル化する手順を記述した処理ルーチン、図４は燃料電池セル４０の分解斜視図である。説明の便宜上、膜電極接合体４１と拡散層４３の図示は省略する。数値解析モデル生成装置１０は、まず、拡散層（解析対象）４２に隣接するセパレータ（隣接部材）４４，４５の形状を拡散層４２に投影する（Ｓ１）。セパレータ４４，４５にはリブ４４ａ，４５ａが互いに平行な向きに形成されているため、拡散層４２の上面及び下面にはリブ４４ａ，４５ａの輪郭形状が投影される。次いで、拡散層４２に投影された投影線を境界線として拡散層４２を二種類の小領域４２ａ，４２ｂに分割する（Ｓ２）。ここで、小領域４２ａはリブ４４ａ，４５ａに当接する領域（リブ部）、小領域４２ｂはリブ４４ａ，４５ａに当接しない領域（溝部）である。実際には、拡散層４２とセパレータ４５との間には膜電極接合体４１と拡散層４３が介挿されているため、拡散層４２がセパレータ４５に物理的に当接することはないが、セパレータ４５と比較して膜電極接合体４１と拡散層４３が拡散層４２の物性的特性に与える影響は少ないため、膜電極接合体４１と拡散層４３を無視して上述のように考察しても問題ない。
【００１５】
次いで、数値解析モデル生成装置１０は小領域４２ａ，４２ｂの種別を自動認識し（Ｓ３）、各々の小領域４２ａ，４２ｂに数値解析用の物性値を設定する（Ｓ４）。数値解析用の物性値としては、拡散層４２の材料特性（膜厚、気孔率、ガス拡散係数など）だけでなく、例えば、拡散層４２とセパレータ４４との間の接触抵抗、又は拡散層４２と膜電極接合体４１との間の接触抵抗をも含めてもよい。記憶装置３０には小領域４２ａ，４２ｂの種別に応じた数値解析用の物性値が格納されている。次いで、小領域４２ａ，４２ｂに設定された物性的特性が連続的になるように物性値を補間する（Ｓ５）。物性値を補間するには、例えば、各々の小領域４２ａ，４２ｂの略中央部に物性値を設定し、小領域４２ａ，４２ｂの周辺部については所定の補間方法（例えば、線形補間、２次補間など）で補間する手法を挙げることができる。これにより、隣接する小領域４２ａ，４２ｂの物性値が不連続とならないように拡散層４２をモデル化できる。但し、物性値の補間処理は必ずしも必須ではない。以上の手順を繰り返し実行することにより、全ての小領域４２ａ，４２ｂに物性値を定義できたならば（Ｓ６；ＹＥＳ）、処理を終了する。
【実施例２】
【００１６】
図５は本実施例における燃料電池セルの分解斜視図である。本実施例ではガス流路４４ｂ，４５ｂはクロスフロー流路として構成され、セパレータ４４，４５に形成されたリブ４４ａ，４５ａは互いに直交する向きに配置されている。拡散層４２は、互いに直交するリブ４４ａ，４５ａの輪郭線によって、碁盤目状に領域分割される。拡散層４２に形成される小領域は、上下のリブ４４ａ及び４５ａに共に当接する小領域４２ｃと、一方のリブ４４ａ又は４５ａに当接する小領域４２ｄと、何れのリブ４４ａ又は４５ａにも当接しない小領域４２ｅに分割される。記憶装置３０には少領域４２ｃ〜４２ｅの物性値が予め格納されている。このように、拡散層４２の両側面（例えば、上面及び下面）に隣接するセパレータ４４，４５の凹凸の輪郭線が異なる場合は、セパレータ４４，４５の拡散層４２への投影形状に対応して数値解析用の物性値を記憶しておくのが望ましい。
【実施例３】
【００１７】
図６は本実施例における燃料電池セルの分解斜視図である。本実施例ではガス流路４６ｂ，４７ｂはサーペンタイン流路として構成され、セパレータ４６，４７に形成されたリブ４６ａ，４７ａはセル内を蛇行するように形成されている。拡散層４２は蛇行状に形成されたリブ４６ａ，４７ａの輪郭線によって、上下のリブ４６ａ及び４７ａに共に当接する小領域４２ｆと、何れのリブ４６ａ又は４７ａにも当接しない小領域４２ｇに分割される。記憶装置３０には少領域４２ｆ，４２ｇの物性値が予め格納されている。
【００１８】
尚、上述の各実施例では拡散層４２のみを領域分割して物性値を自動設定する場合を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、膜電極接合体４１の上下をサンドイッチする拡散層４２，４３を同時に領域分割して物性値を自動設定してもよく、更には、膜電極接合体４１を上述の手法で領域分割して物性値を自動設定してもよい。解析対象としては、燃料電池セルに限らず、あらゆる構造物に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態の数値解析モデル生成装置の機能ブロック図である。
【図２】解析対象をモデル化する手順を記述した処理ルーチンである。
【図３】燃料電池セルの分解斜視図である。
【図４】燃料電池セルの分解斜視図である（実施例１）。
【図５】燃料電池セルの分解斜視図である（実施例２）。
【図６】燃料電池セルの分解斜視図である（実施例３）。
【符号の説明】
【００２０】
１０…数値解析モデル生成装置  ２０…プロセッサ  ２１…投影手段  ２２…分割手段  ２３…認識手段  ２４…物性値設定手段  ２５…補間手段  ３０…記憶装置  ３１…物性値  ４０…燃料電池セル  ４１…膜電極接合体  ４２，４３…拡散層  ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇ…小領域  ４４，４５，４６，４７…セパレータ  ４４ａ，４５ａ，４６ａ，４７ａ…リブ  ４４ｂ，４５ｂ，４６ｂ，４７ｂ…ガス流路
【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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