(57)【要約】【課題】複数の燃料電池セルを含む燃料電池スタックの電池特性の計算において、計算時間を短縮し、収束性を確保する。【解決手段】各セルを簡略化圧損体とする、燃料電池スタックの簡易スタックモデルを用いて、燃料電池スタック内のガスの流れ解析を行う（Ｓ２）。Ｓ２で決定した、スタック内の各セルについてのガスの入出力条件を用いて、個別セルの流れ解析を行う（Ｓ３）。個別セルの計算結果を簡易スタックモデルに代入し（Ｓ５）、再び簡易スタックモデルを用いて、スタック内のガスの流れ解析を行う（Ｓ６）。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックの電池特性を予測計算する燃料電池スタック解析プログラムであって、
前記各燃料電池セルを、所定の圧力損失を有する簡略化圧損体とする、前記燃料電池スタックの簡易スタックモデルを用いて、前記燃料電池スタック内のガスの流れの解析計算を行うことで、前記各燃料電池セルについて、流入及び流出するガスの入出力条件を決定する第１のスタック解析手段、
前記第１のスタック解析手段における計算によって決定された前記入出力条件を用いて、個別の前記燃料電池セルについて、ガスの流れの解析計算を行い、その個別の燃料電池セルのガス流れ特性を計算する個別セル解析手段、
前記簡易スタックモデルにおける各燃料電池セルについて、前記個別セル解析手段における計算によって得られた、個別の前記燃料電池セルのガス流れ特性の値を代入して、前記燃料電池スタック内のガスの流れの解析計算を行い、前記燃料電池スタックのガス流れ特性を計算する第２のスタック解析手段、
としてコンピュータを機能させることを特徴とする燃料電池スタック解析プログラム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタック解析プログラムにおいて、
前記個別セル解析手段は、個別の前記燃料電池セルの発電性能をさらに計算し、
前記第２のスタック解析手段は、前記簡易スタックモデルにおける各燃料電池セルについて、前記個別セル解析手段における計算によって得られた、個別の前記燃料電池セルの発電性能の値をさらに代入し、前記燃料電池スタックの発電性能をさらに計算することを特徴とする燃料電池スタック解析プログラム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池スタック解析プログラムにおいて、
前記第２のスタック解析手段で、前記簡易スタックモデルに代入する値は、前記個別セル解析手段における計算によって得られた、個別の前記燃料電池セルのガス流れ特性の値に統計的なばらつきを与えた値であることを特徴とする燃料電池スタック解析プログラム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック解析プログラムにおいて、
前記個別セル解析手段で行われる、個別の前記燃料電池セルについてのガスの流れの解析計算は、その個別の燃料電池セルにおける発電反応によるガス消費量及び生成量の計算を含むことを特徴とする燃料電池スタック解析プログラム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池スタック解析プログラムにおいて、
前記個別セル解析手段で行われる、個別の前記燃料電池セルについてのガスの流れの解析計算は、その個別の燃料電池セル内のガスを気液二相流として行われることを特徴とする燃料電池スタック解析プログラム。
【請求項６】
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックの電池特性を予測計算する燃料電池スタック解析装置であって、
前記各燃料電池セルを、所定の圧力損失を有する簡略化圧損体とする、前記燃料電池スタックの簡易スタックモデルを用いて、前記燃料電池スタック内のガスの流れの解析計算を行うことで、前記各燃料電池セルについて、流入及び流出するガスの入出力条件を決定する第１のスタック解析手段と、
前記第１のスタック解析手段における計算によって決定された前記入出力条件を用いて、個別の前記燃料電池セルについて、ガスの流れの解析計算を行い、その個別の燃料電池セルのガス流れ特性を計算する個別セル解析手段と、
前記簡易スタックモデルにおける各燃料電池セルについて、前記個別セル解析手段における計算によって得られた、個別の前記燃料電池セルのガス流れ特性の値を代入して、前記燃料電池スタック内のガスの流れの解析計算を行い、前記燃料電池スタックのガス流れ特性を計算する第２のスタック解析手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック解析装置。
【請求項７】
複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックの電池特性を予測計算する燃料電池スタック解析方法であって、
前記各燃料電池セルを、所定の圧力損失を有する簡略化圧損体とする、前記燃料電池スタックの簡易スタックモデルを用いて、前記燃料電池スタック内のガスの流れの解析計算を行うことで、前記各燃料電池セルについて、流入及び流出するガスの入出力条件を決定する第１のスタック解析ステップと、
前記第１のスタック解析ステップにおける計算によって決定された前記入出力条件を用いて、個別の前記燃料電池セルについて、ガスの流れの解析計算を行い、その個別の燃料電池セルのガス流れ特性を計算する個別セル解析ステップと、
前記簡易スタックモデルにおける各燃料電池セルについて、前記個別セル解析ステップにおける計算によって得られた、個別の前記燃料電池セルのガス流れ特性の値を代入して、前記燃料電池スタック内のガスの流れの解析計算を行い、前記燃料電池スタックのガス流れ特性を計算する第２のスタック解析ステップと、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの電池特性を予測計算する解析技術に関し、特に、燃料電池スタック内でのガスの流れ特性及び燃料電池の発電性能の解析に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の開発では、燃料電池セル又はスタックの、圧力損失を含むガスの流れ特性や、発電性能などの、電池特性の解析が重要である。
【０００３】
燃料電池の電池特性を予測計算する際には、燃料電池セル内、又は複数のセルを含む燃料電池スタック内における、ガス、水、電子、プロトン、及び熱などの物質輸送現象をモデル化して解析を行う。例えば、特許文献１には、燃料電池セル内のガスについての、非線形の物質輸送方程式及び熱伝達方程式などを数値計算により解くことで、燃料電池セルの物理的及び化学的特性を解析するプログラムが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４４６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、燃料電池の電池特性の解析に用いられるモデルは、各種の化学反応、物質移動、熱移動、相変化などを含む分布定数系の複雑な反応系のダイナミクスが記述されるため、高次数の非線形モデルとなる。したがって、燃料電池の電池特性の解析は、計算に非常に時間がかかり、また、収束解が得られない場合もある。特に、多数の燃料電池セルを含む燃料電池スタックの電池特性を解析する場合、多数のセルについて一度に計算する必要があるため、計算時間の短縮及び収束性の確保が大きな課題となる。
【０００６】
本発明の目的は、複数の燃料電池セルを含む燃料電池スタックの電池特性の計算について、計算時間を短縮し、収束性を確保することのできる、解析プログラム、解析装置、及び解析方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池スタック解析プログラムは、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックの電池特性を予測計算する燃料電池スタック解析プログラムであって、前記各燃料電池セルを、所定の圧力損失を有する簡略化圧損体とする、前記燃料電池スタックの簡易スタックモデルを用いて、前記燃料電池スタック内のガスの流れの解析計算を行うことで、前記各燃料電池セルについて、流入及び流出するガスの入出力条件を決定する第１のスタック解析手段、前記第１のスタック解析手段における計算によって決定された前記入出力条件を用いて、個別の前記燃料電池セルについて、ガスの流れの解析計算を行い、その個別の燃料電池セルのガス流れ特性を計算する個別セル解析手段、前記簡易スタックモデルにおける各燃料電池セルについて、前記個別セル解析手段における計算によって得られた、個別の前記燃料電池セルのガス流れ特性の値を代入して、前記燃料電池スタック内のガスの流れの解析計算を行い、前記燃料電池スタックのガス流れ特性を計算する第２のスタック解析手段、としてコンピュータを機能させることを特徴とする。
【０００８】
また、前記個別セル解析手段は、個別の前記燃料電池セルの発電性能をさらに計算し、前記第２のスタック解析手段は、前記簡易スタックモデルにおける各燃料電池セルについて、前記個別セル解析手段における計算によって得られた、個別の前記燃料電池セルの発電性能の値をさらに代入し、前記燃料電池スタックの発電性能をさらに計算することが好ましい。また、本発明に係る燃料電池スタック解析プログラムにおいて、前記第２のスタック解析手段で、前記簡易スタックモデルに代入する値は、前記個別セル解析手段における計算によって得られた、個別の前記燃料電池セルのガス流れ特性の値に統計的なばらつきを与えた値であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池スタック解析プログラムにおいて、前記個別セル解析手段で行われる、個別の前記燃料電池セルについてのガスの流れの解析計算は、その個別の燃料電池セルにおける発電反応によるガス消費量及び生成量の計算を含むことが好ましい。また、前記個別セル解析手段で行われる、個別の前記燃料電池セルについてのガスの流れの解析計算は、その個別の燃料電池セル内のガスを気液二相流として行われることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る燃料電池スタック解析装置は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックの電池特性を予測計算する燃料電池スタック解析装置であって、前記各燃料電池セルを、所定の圧力損失を有する簡略化圧損体とする、前記燃料電池スタックの簡易スタックモデルを用いて、前記燃料電池スタック内のガスの流れの解析計算を行うことで、前記各燃料電池セルについて、流入及び流出するガスの入出力条件を決定する第１のスタック解析手段と、前記第１のスタック解析手段における計算によって決定された前記入出力条件を用いて、個別の前記燃料電池セルについて、ガスの流れの解析計算を行い、その個別の燃料電池セルのガス流れ特性を計算する個別セル解析手段と、前記簡易スタックモデルにおける各燃料電池セルについて、前記個別セル解析手段における計算によって得られた、個別の前記燃料電池セルのガス流れ特性の値を代入して、前記燃料電池スタック内のガスの流れの解析計算を行い、前記燃料電池スタックのガス流れ特性を計算する第２のスタック解析手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池スタック解析方法は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックの電池特性を予測計算する燃料電池スタック解析方法であって、前記各燃料電池セルを、所定の圧力損失を有する簡略化圧損体とする、前記燃料電池スタックの簡易スタックモデルを用いて、前記燃料電池スタック内のガスの流れの解析計算を行うことで、前記各燃料電池セルについて、流入及び流出するガスの入出力条件を決定する第１のスタック解析ステップと、前記第１のスタック解析ステップにおける計算によって決定された前記入出力条件を用いて、個別の前記燃料電池セルについて、ガスの流れの解析計算を行い、その個別の燃料電池セルのガス流れ特性を計算する個別セル解析ステップと、前記簡易スタックモデルにおける各燃料電池セルについて、前記個別セル解析ステップにおける計算によって得られた、個別の前記燃料電池セルのガス流れ特性の値を代入して、前記燃料電池スタック内のガスの流れの解析計算を行い、前記燃料電池スタックのガス流れ特性を計算する第２のスタック解析ステップと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数の燃料電池セルを含む燃料電池スタックの電池特性の計算について、計算時間を短縮し、収束性を確保することのできる、解析プログラム、解析装置、及び解析方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る燃料電池スタック解析プログラムによるスタック解析処理の流れの一例を示すフローチャートである。ここで、「簡易スタックモデル」とは、燃料電池スタックのモデルであって、燃料電池スタックに含まれる各セルを、所定の圧力損失を有する簡略化した圧損体としてモデル化し、この簡略化圧損体が複数積層された構造を有する燃料電池スタックのモデルを意味する。
【００１５】
以下、本実施形態におけるスタック解析処理の流れについて説明する。
【００１６】
まずＳ１で、簡易スタックモデルの初期値を設定する。簡易スタックモデルの初期値には、簡略化圧損体の圧力損失があり、この初期値は、任意の値に設定できる。例えば、簡易スタックモデル内の、すべての簡略化圧損体の圧力損失を同一の値に設定できる。また、各簡略化圧損体について、例えば収束性の観点などから、初期値として望ましい圧力損失の値が予めわかっている場合は、その値を初期値として設定しても良い。
【００１７】
また、燃料電池スタックは、燃料電池セルを多数積層して形成されるが、その周辺部分に４つの流路（マニホールド）が形成される。すなわち、アノードガスの供給用および排出用、カソードガスの供給用および排出用の４つである。これらマニホールドの形状や入り口、出口の形状などを考慮したガス流れ特性についても簡易スタックモデルの初期値として設定される。また、流入ガスの流量、温度、圧力、粘度などの特性も初期値として設定される。
【００１８】
次にＳ２で、簡易スタックモデルを用いて、スタック内のガスの流れ解析計算を行う。その結果、スタック内の、簡略化圧損体としてモデル化された各セルについて、流入及び流出するガスの、圧力、温度、及び流速などの入出力条件が決まる。セルのスタック内での位置が異なると、異なる入出力条件が得られる。
【００１９】
次にＳ３では、Ｓ２で求めた、スタック内の各セルのガスの圧力、温度、及び流速などの入出力条件を用いて、個別のセルについて、ガスの流れ解析を行う。個別のセルについて、ガスの流れ解析計算を行うことで、そのセルの圧力損失を含むガスの流れ特性を求めることができる。さらに、そのセルの発電性能及びその他の特性値を求めることにしても良い。Ｓ３で解析対象とする個別のセルのモデルは、簡略化圧損体ではなく、セル内部の形状などを考慮したモデルを用いる。
【００２０】
Ｓ３の解析計算では、セルにおける発電反応によるガスの消費量及び生成量や発熱量の計算を行う。こうすると、セル内の単なるガスの流れだけでなく、発電反応についても考慮した解析を行うことができる。発電反応についても考慮した解析を行う場合、発電反応による生成水をすべて気体として扱って計算しても良いし、セル内のガスを気液二相流として扱って計算しても良い。セル内のガスを気液二相流として扱って計算すると、セル内の水滴の挙動、及び生成液体水による水詰まりから生じるセルの圧力損失の上昇を考慮した計算を行うことができるため、より現実に近い解析結果が得られる。また、計算を簡略化するため、Ｓ３の解析計算で、セルにおける発電反応によるガスの消費量及び生成量や発熱量の計算を行わずに、セル内のガスの流れの計算だけを行うこともできる。
【００２１】
Ｓ３の解析計算は、スタックを構成するすべてのセルについて行っても良いし、一部のセルのみについて行っても良い。例えば、１００個のセルからなるスタックの解析を行う場合に、隣り合う１０個のセルを１つのグループとして、各グループについて１つの代表セルについてのみ、Ｓ３の計算を行うようにすることができる。
【００２２】
Ｓ３の解析計算の後、Ｓ４では、予め設定された数のセルについて、個別の解析を行ったかどうかを判定する。予め設定された数の個別セルの計算が終了していればＳ５に進み、終了していなければＳ３に戻って、まだ解析が行われていないセルについてＳ３の解析を行う。
【００２３】
Ｓ５では、Ｓ３の計算によって求められた個別のセルの特性値を、簡易スタックモデル内の、そのセルに対応する簡略化圧損体に代入する。代入する個別のセルの特性値は、圧力損失を含むガスの流れ特性、発電性能、及びその他の特性値のうち、Ｓ３の計算で求めた値である。スタックを構成するすべてのセルについてＳ３の計算を行った場合は、各セルについてのＳ３での計算結果を、各セルに対応する簡略化圧損体に代入する。前述の例のように、１００個のセルからなるスタックの解析を行う場合であって、隣り合う１０個のセルを１つのグループとして、各グループについて１つの代表セルについてのみ、Ｓ３の計算を行った場合は、各グループの１０個のセルのそれぞれに対応する１０個の簡略化圧損体に対して、そのグループの代表セルについてのＳ３の計算結果を代入する。
【００２４】
Ｓ５で、簡易スタックモデルの簡略化圧損体に代入する値は、Ｓ３の計算結果の値に統計的なばらつきを与えた値であっても良い。こうすることで、より現実に近い解析が可能となる。
【００２５】
次にＳ６では、各セルについて、個別の特性値が代入されたスタックモデルを用いて、スタック内のガスの流れ解析を行う。Ｓ６での、ガスの流れ解析によって、燃料電池スタック全体の圧力損失を含むガスの流れ特性を求めることができる。また、さらに、燃料電池スタックの発電性能を求めることにしても良い。Ｓ６では、Ｓ３の計算結果に基づいて簡略化圧損体の特性値が設定されているので、Ｓ２で行われる解析計算よりも高精度の解析計算を行うことができる。Ｓ６の解析計算では、スタック内のガスの流れだけでなく、生成水、電子、プロトン、及び熱の輸送現象について考慮した計算を行っても良い。Ｓ６の解析計算が終了すると、スタック解析処理は終了する。
【００２６】
本実施形態では、Ｓ１からＳ６の処理を一度だけ行うが、Ｓ６の後、再びＳ３に戻って、Ｓ６での計算の結果得られた個別セルのガスの入出力条件などを設定し、Ｓ３からＳ６の処理を行っても良い。こうすると、より高精度の解析を行うことができる。望ましい精度の計算結果が得られるまで、Ｓ３からＳ６の処理を繰り返すこともできる。
【００２７】
図２は、本発明に係る燃料電池スタック解析プログラムを実行させることができるコンピュータの構成の一例を示す概略図である。コンピュータ１０は、ＣＰＵ（中央演算装置：Central Processing Unit）１２、メモリ（主記憶装置）１４、及び入出力インターフェース１６などをバス２４で接続した構成をしている。また、入力装置１８、出力装置２０、及び外部記憶２２などの周辺装置が、入出力インターフェース１６を介してＣＰＵ１２及びメモリ１４と接続される。入力装置１８を用いて、解析計算の初期値などの、プログラムの実行条件を設定することができる。出力装置２０には、プログラムによる解析計算の結果を表示させることができる。外部記憶２２は、例えばハードディスクやＣＤ、ＤＶＤなどの記憶媒体である。外部記憶２２のうち、ハードディスクなどの固定記憶装置には、以上で説明した処理を実行する命令を記述したプログラムをインストールすることができる。外部記憶２２に記憶されたプログラムを、メモリ１４が読み出し、ＣＰＵ１２が実行することで、本発明に係る燃料電池スタック解析装置としてコンピュータ１０を機能させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る燃料電池スタック解析プログラムによるスタック解析処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図２】本発明に係る燃料電池スタック解析プログラムを実行させることができるコンピュータの構成の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  コンピュータ、１２  ＣＰＵ、１４  メモリ、１６  入出力インターフェース、１８  入力装置、２０  出力装置、２２  外部記憶、２４  バス。
【図１】
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【図２】
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