(57)【要約】【課題】水素が水素極触媒層に吸収される場合における燃料電池の動作状態を正確に評価する。【解決手段】ＣＰＵ５が、入力部２から入力されたセパレータの構造情報に基づいて水素流路における水素分子の挙動を分子動力学法を用いて解析し、解析結果に基づいて水素極触媒層のノード毎に水素極触媒層に衝突する水素分子の数と運動量を算出し、算出結果に基づいて水素極触媒層のノード毎の発電量、発熱量、及び劣化量を予測する。すなわち、燃料電池シミュレーション装置１は、水素を流体ではなく分子として扱うことにより燃料電池中における水素分子の挙動を解析するので、水素が水素極触媒層に吸収される場合における燃料電池の動作状態を正確に評価することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極触媒層と空気極触媒層により電解質膜を挟持する膜電極接合体と、当該膜電極接合体の両面に配置され、水素及び空気の流路が形成されたセパレータとを有し、セパレータから水素極触媒層及び空気極触媒層にそれぞれ水素及び空気が供給されるのに応じて発電する燃料電池の動作状態を解析する燃料電池シミュレーション装置であって、
前記セパレータの構造情報を入力するための入力部と、
前記入力部から入力されたセパレータの構造情報に基づいて水素流路における水素分子の挙動を分子動力学法を用いて解析する解析部と、
前記解析部による解析結果に基づいて前記水素極触媒層のノード毎に水素極触媒層に衝突する水素分子の数と運動量を算出し、算出結果に基づいて水素極触媒層のノード毎の発電量、発熱量、及び劣化量のうちの少なくとも一つを予測する予測部と
を備えることを特徴とする燃料電池シミュレーション装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池シミュレーション装置によって予測された水素極触媒層のノード毎の発電量、発熱量、及び劣化量のうちの少なくとも一つに基づいて前記水素流路を設計し、設計結果に基づいて燃料電池を製造することを特徴とする燃料電池製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素の供給を受けて発電する燃料電池の挙動を解析するための燃料電池シミュレーション装置、及び燃料電池シミュレーション装置による解析結果を利用して燃料電池を製造する燃料電池製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素に伴う地球温暖化に対する対策の一つとして、クリーンな排気及び高エネルギー効率運転を可能にする燃料電池技術が注目されている。中でも、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易である上に高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用の駆動動力源としての用途が期待されている。
【０００３】
ところで、一般に、燃料電池を構成する電解質膜や電極用触媒は非常に高価であることから、燃料電池の設計，製造の際には、燃料電池シミュレーション技術が広く活用されている（例えば特許文献１を参照）。この燃料電池シミュレーション技術によれば、燃料電池を実際に製作しなくても、コンピュータシステム上で燃料電池を仮想的に製作し、燃料電池の動作状態を解析することができるので、燃料電池を安価に設計，製作することが可能となる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３５８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の燃料電池シミュレーション技術では、燃料電池に供給される水素を流体としてマクロに扱っているために、水素分子が水素極触媒層に衝突することにより吸収され、発電反応の前後で質量保存則が成り立たない場合における燃料電池の動作状態を正確に解析，予測することができない。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、水素が水素極触媒層に吸収される場合における燃料電池の動作状態を正確に解析することが可能な燃料電池シミュレーション装置及び燃料電池製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池シミュレーション装置は、水素極触媒層と空気極触媒層とにより電解質膜を挟持する膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に配置され、水素及び酸素の流路が形成されたセパレータとを有し、セパレータから水素極触媒層及び空気極触媒層にそれぞれ水素及び空気が供給されるのに応じて発電する燃料電池の動作状態を解析する燃料電池シミュレーション装置であって、分子動力学法を用いて燃料電池中における水素分子の挙動を解析する。なお、本発明において、分子動力学法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｄｙｎａｍｉｃｓｍｅｔｈｏｄ）とは、本発明の出願時点で既に公知であるので詳述しないが、複数の分子間ポテンシャルの下で古典力学におけるニュートン方程式を解くことにより、系の静的及び動的安定構造や動的過程を解析する手法を意味する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池シミュレーション装置及び燃料電池製造装置によれば、水素を流体ではなく分子として扱うことにより燃料電池中における水素分子の挙動を解析するので、水素が水素極触媒層に吸収される場合における燃料電池の動作状態を正確に評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池シミュレーション装置の構成と動作について説明する。
【００１０】
〔燃料電池シミュレーション装置の構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池シミュレーション装置１は、ワークステーション等の汎用のコンピュータシステムにより構成され、図１に示すように、キーボードやマウスポインタ等の公知の入力装置により構成される入力部２と、後述する各種処理を実現するための燃料電池シミュレーションプログラム３等のコンピュータプログラムや各種物理パラメータを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）４と、ＲＯＭ４内に記憶されたコンピュータプログラムに従って燃料電池シミュレーション装置１の動作を制御するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）５と、ＣＰＵ５のワーキングエリアとして機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）６と、ディスプレイ装置やプリンタ装置等の公知燃料電池シミュレーション装置１の出力装置により構成される出力部７とを備える。なお、本実施形態では、燃料電池シミュレーションプログラム３は、Ｃ＋＋言語により記述され、Ｃ＋＋コンパイラやＶｉｓｕａｌＣ＋＋により作成される。また、Ｃ＋＋の計算クラスは再利用可能なようにオブジェクト化されていることが望ましい。
【００１１】
上記燃料電池シミュレーション装置１は、水素極触媒層及び空気極触媒層にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池の動作状態を分子動力学法を利用して解析する。なお、図示しないが、この実施形態では、シミュレーションの対象となる燃料電池（単セル）は、電解質膜の両面に水素極触媒層及び空気極触媒層をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）と、膜電極接合体の両面に配置され、水素及び酸素を膜電極接合体に供給するためのガス流路が形成されたセパレータとを備える。また、水素極触媒層及び空気極触媒層における電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。
〔水素極〕    Ｈ２ →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−      …（１）
〔空気極〕    １／２Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ      …（２）
〔全体〕      Ｈ２  ＋  １／２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ      …（３）
【００１２】
〔燃料電池シミュレーション〕
上記燃料電池シミュレーション装置１は、以下に示す燃料電池シミュレーションを実行することにより、水素が水素極触媒層に吸収される際の燃料電池の動作状態を正確に評価する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、この燃料電池シミュレーションを実行する際の燃料電池シミュレーション装置１の動作の流れについて説明する。
【００１３】
図２に示すフローチャートは、入力部２を介してオペレータが燃料電池シミュレーションの実行指示を入力するのに応じて開始となり、燃料電池シミュレーションはステップＳ１の処理に進む。なお、以下に示すＣＰＵ５の動作は、ＣＰＵ５が、ＲＯＭ４内に記憶されている燃料電池シミュレーションプログラム３をＲＡＭ６にロードし、燃料電池シミュレーションプログラム３内に規定されているスクリプトを実行することにより実現される。
【００１４】
ステップＳ１の処理では、ＣＰＵ５が、シミュレーションの対象となる燃料電池のジオメトリデータ、より具体的には、図３（ａ），（ｂ）に示すようなセパレータの断面及び上面の寸法データ及び形状データの入力を促す。そして、入力部２を介して燃料電池のジオメトリデータが入力されるのに応じて、ＣＰＵ５は燃料電池シミュレーションをステップＳ２の処理に進める。なお、図３（ｂ）に示す上面図において、参照符号ＩＮ，ＯＵＴはそれぞれ水素注入口及び水素排出口を示す。
【００１５】
ステップＳ２の処理では、ＣＰＵ５が、ステップＳ１の処理により入力された燃料電池のジオメトリデータとＲＯＭ４内に記憶されている物理パラメータ（水素分子の直径，質量，初期速度等）に基づいて、分子動力学法を利用して水素極触媒層の地点（ノード）毎の水素分子の衝突数，運動量，速度を算出する。そして、ＣＰＵ５は、算出結果に基づいて水素極触媒層の地点毎の発電量，発熱量，及び劣化量を予測する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、燃料電池シミュレーションはステップＳ３の処理に進む。
【００１６】
ステップＳ３の処理では、ＣＰＵ５が、ステップＳ２の算出結果や予測結果をグラフ形式やアニメーション形式により出力部７に可視表示する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、一連の燃料電池シミュレーションは終了する。そして以後、オペレータは、出力部７に可視表示された算出結果や予測結果を参照して、燃料電池、より具体的にはセパレータの水素流路を実際に設計，製造する。
【００１７】
なお、セパレータの構成が図３（ａ），（ｂ）に示す構成である場合、セパレータに形成された水素流路の容積Ｖは以下の数式１により６．８６×１０−８［ｍ３］と算出される。また、気圧が１気圧である時、水素１［ｍｏｌ］の体積は２２．４×１０−３［ｍ３］であるので、上記水素流路の容積Ｖは１／３２６５３０．６１（＝２２．４×１０−３／６．８６×１０−８）モデルとなる。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
従って、上記水素流路内に含まれる水素の分子数Ｎは１．８４４×１０１８（＝６．０２２×１０２３／３．２６５３０．６１）［個］となり、これを１８４４［個］まで減らすと、水素流路の容積Ｖは１／１０１５モデル、換言すれば、一辺あたり１／１０５（１／１０万）モデルとなる。そこで、セパレータの構成が図３（ａ），（ｂ）に示す構成である場合には、１／１０万モデルを用いて燃料電池シミュレーションを行う。
【００２０】
また、常温３００［Ｋ］の際、水素の分子速度Ｖは以下の数式２により１９２４［ｍ／ｓ］となり、また、水素分子の自由度が単原子分子と同じ３であるとすると、ｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の水素の分子速度Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚは以下に示す数式３により共に１１１１．２３［ｍ／ｓ］となる。そこで、この実施形態では、水素分子は上記分子速度を平均値とした正規分布を有すると仮定し、σ＝４００［ｍ／ｓ］として乱数により水素分子の初期速度を設定する。
【００２１】
【数２】
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【００２２】
【数３】
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【００２３】
また、この実施形態では、水素は、水素注入口ＩＮから湧き出すと仮定し、水素の初期位置はｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の各３軸に対して一様乱数を発生させることにより設定した。また、水素分子は水素注入口ＩＮから５．０×１０−１２［ｓｅｃ］毎に１０［個］づつの割合で注入した。また、燃料電池シミュレーションの計算時間は７［ｎｓｅｃ］とした。
【００２４】
［燃料電池シミュレーション結果］
以下、燃料電池シミュレーションにより得られた解析結果の具体例について説明する。
【００２５】
図４（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図３（ａ），（ｂ）に示すセパレータ構成について燃料電池シミュレーションを行った結果得られた水素極触媒層への水素分子の衝突回数を示す分布図及びヒストグラム図である。また、図５（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図３（ａ），（ｂ）に示すセパレータ構成について燃料電池シミュレーションを行った結果得られた水素流路内に存在する水素分子数及び水素極触媒層に吸収された水素分子数の時間変化を示す。
【００２６】
図から明らかなように、水素注入口ＩＮから注入された水素分子は、水素極触媒層に均等に吸収（衝突）されるのではなく、水素注入口ＩＮ付近においてより多く吸収されていることがわかる。従って、水素注入口ＩＮ付近においては、水素分子が水素極触媒層により多く衝突することにより、最も発電が行われると共に、水素極触媒層の劣化量が大きいことが明らかになった。また、水素流路の曲がり角において多くの水素分子が水素極触媒層に衝突ので、この曲がり角においても発電量，発熱量，劣化量が大きいことが予測される。
【００２７】
このことから、セパレータを製造する際は、下流側に行くに従って水素流路の径を細くし、水素流路中における水素分子の密度を上げるようにすることにより、面内方向で発電量を均一にすることができる共に、燃料電池の面積を小さくできることが知見される。また、水素注入口の数を増やし、水素が均一に吸収されるようにすることにより、発電効率を上げると共に、水素極触媒層を均等に劣化させるようにできることが知見される。また、水素流路の曲がり角を丸くすることにより、水素が均等に吸収され、発電効率を向上できることが知見される。
【００２８】
なお、図３（ａ），（ｂ）に示すセパレータの構成において水素注入口ＩＮの位置を図６に示すように変化させた場合には、水素極触媒層への水素分子の吸収回数を示す分布図及びヒストグラム図や、時間変化に伴う水素流路内に存在する水素分子数及び水素極触媒層に吸収された水素分子数の変化は図７，図８に示すようになった。さらに、図３（ａ），（ｂ）に示すセパレータの構成において水素注入口ＩＮを図９や図１２に示すように２つに変化させた場合には、水素極触媒層への水素分子の吸収回数を示す分布図及びヒストグラム図や、時間変化に伴う水素流路内に存在する水素分子数及び水素極触媒層に吸収された水素分子数の変化は図１０，１１や図１３，１４に示すようになった。
【００２９】
以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる燃料電池シミュレーション装置１では、ＣＰＵ５が、入力部２から入力されたセパレータの構造情報に基づいて水素流路における水素分子の挙動を分子動力学法を用いて解析し、解析結果に基づいて水素極触媒層のノード毎に水素極触媒層に衝突する水素分子の数と運動量を算出し、算出結果に基づいて水素極触媒層のノード毎の発電量、発熱量、及び劣化量を予測する。
【００３０】
すなわち、本発明の実施形態となる燃料電池シミュレーション装置１は、水素を流体ではなく分子として扱うことにより燃料電池中における水素分子の挙動を解析する。従って、本発明の実施形態となる燃料電池シミュレーション装置１によれば、水素が水素極触媒層に吸収される場合における燃料電池の動作状態を正確に評価することができる。
【００３１】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態となる燃料電池シミュレーション装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態となる燃料電池シミュレーションの流れを示すフローチャート図である。
【図３】セパレータの構成の一例を示す図である。
【図４】図３に示すセパレータ構成について燃料電池シミュレーションを行った結果得られた水素極触媒層への水素分子の吸収回数を示す分布図及びヒストグラム図である。
【図５】図３に示すセパレータ構成について燃料電池シミュレーションを行った結果得られた時間変化に伴う水素流路内に存在する水素分子数及び水素極触媒層に吸収された水素分子数の変化を示す。
【図６】セパレータの構成の一例を示す図である。
【図７】図６に示すセパレータ構成について燃料電池シミュレーションを行った結果得られた水素極触媒層への水素分子の吸収回数を示す分布図及びヒストグラム図である。
【図８】図６に示すセパレータ構成について燃料電池シミュレーションを行った結果得られた時間変化に伴う水素流路内に存在する水素分子数及び水素極触媒層に吸収された水素分子数の変化を示す。
【図９】セパレータの構成の一例を示す図である。
【図１０】図９に示すセパレータ構成について燃料電池シミュレーションを行った結果得られた水素極触媒層への水素分子の吸収回数を示す分布図及びヒストグラム図である。
【図１１】図９に示すセパレータ構成について燃料電池シミュレーションを行った結果得られた時間変化に伴う水素流路内に存在する水素分子数及び水素極触媒層に吸収された水素分子数の変化を示す。
【図１２】セパレータの構成の一例を示す図である。
【図１３】図１２に示すセパレータ構成について燃料電池シミュレーションを行った結果得られた水素極触媒層への水素分子の吸収回数を示す分布図及びヒストグラム図である。
【図１４】図１２に示すセパレータ構成について燃料電池シミュレーションを行った結果得られた時間変化に伴う水素流路内に存在する水素分子数及び水素極触媒層に吸収された水素分子数の変化を示す。
【符号の説明】
【００３３】
１  燃料電池シミュレーション装置
２  入力部
３  燃料電池シミュレーションプログラム
４  ＲＯＭ
５  ＣＰＵ
６  ＲＡＭ
７  出力部
【図１】
2007095620.tif 000006
【図２】
2007095620.tif 000007
【図３】
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【図４】
2007095620.tif 000009
【図５】
2007095620.tif 000010
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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