(57)【要約】【課題】現実により近い解析結果が得られる燃料電池の解析装置を提供する。【解決手段】解析装置は、まず、燃料電池内に存在する水成分を全て体積を有する蒸気とみなして燃料電池の反応特性を解析する予備解析を実行する（Ｓ１０〜Ｓ１８）。予備解析が終了すれば、続いて、全ての水成分を蒸気とみなすとともに当該蒸気のうち飽和蒸気量を超えて存在する蒸気（過飽和蒸気）の体積をゼロと仮定して、燃料電池の反応特性を解析する本解析を実行する（Ｓ２０〜Ｓ２６）。過飽和蒸気の体積をゼロとすることで、反応ガスの成分濃度をより現実に近づけることができ、より現実に近い解析結果を得ることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、燃料電池および当該燃料電池に供給されるガスの特性を示す特性データと、ガス流路形状を示す形状データと、物理法則と、に基づいて構築された燃料電池のモデルを用いて燃料電池の反応特性の解析する燃料電池の解析装置であって、
燃料電池内に存在する水成分を全て蒸気とみなすとともに当該蒸気のうち一定基準値を超えて存在する蒸気の体積をゼロとみなして、前記燃料電池の反応特性を解析する本解析演算を実行する制御手段を有することを特徴とする燃料電池の解析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の解析装置であって、
前記一定基準値は、過飽和蒸気量であることを特徴とする解析装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池の解析装置であって、
前記制御手段は、前記本解析演算の実行に先立って、燃料電池内に存在する水成分を全て体積を有する水蒸気とみなして、前記燃料電池の反応特性を解析する予備解析演算を実行することを特徴とする燃料電池の解析装置。
【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の解析装置であって、
前記制御手段は、各解析演算として、燃料電池内におけるガスの流動状態を算出する流動計算と、当該流動計算の結果に基づいて燃料電池での発電状態を算出する発電計算と、を当該発電計算の計算結果が収束するまで繰り返し実行することを特徴とする燃料電池の解析装置。
【請求項５】
少なくとも、燃料電池および当該燃料電池に供給されるガスの特性を示す特性データと、ガス流路形状を示す形状データと、物理法則と、に基づいて構築された燃料電池のモデルを用いて燃料電池の反応特性の解析する燃料電池の解析方法であって、
燃料電池内に存在する水成分を全て蒸気とみなすとともに当該蒸気のうち一定基準値を超えて存在する蒸気の体積をゼロとみなして、前記燃料電池の反応特性を解析する本解析演算を実行する工程を有することを特徴とする燃料電池の解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも、燃料電池および当該燃料電池に供給されるガスの特性を示す特性データと、物理法則と、に基づいて構築された燃料電池の数式モデルを用いて燃料電池の反応特性の解析する燃料電池の解析装置および解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池内でのガス濃度分布や電流密度分布などといった燃料電池の反応特性を適切に把握することが望まれている。かかる要望に応えるべく、下記特許文献１では、実際に燃料電池の電流値や温度変化などを計測する際に用いられる燃料電池内電流分布計測用スケール治具が開示されている。
【０００３】
また、実際に燃料電池を計測するのではなく、燃料電池を数式表現した数式モデルを用いて燃料電池内での物理現象を解析する解析装置も提案されている。通常、数式モデルは、燃料電池および当該燃料電池に供給されるガスの特性を示す特性データや、ガス流路形状を示す形状データ、物理法則などに基づいて構築される。そして、解析装置は、この数式モデルを用いて、燃料電池内での各種ガスの濃度分布や、電流密度分布などを算出していた。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−８０６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、周知のとおり、現実の燃料電池の内部には、電気化学反応の過程で生成された水（反応水）や、反応ガスの湿度を適度に保つために供給される水蒸気、低温環境下におけるガスの液化で生成された水などが存在する。これら水の多くは、水滴や液膜という液体状態で存在することが多い。解析装置において、こうした水を液体として取り扱うと、解析のための演算が極めて複雑になるという問題がある。そのため、従来では、こうした燃料電池内に存在する水分を全て、水蒸気（気体）とみなして解析演算を行っていた。
【０００６】
しかしながら、全ての水分を水蒸気と仮定して解析した場合、現実の燃料電池内に比して、過飽和蒸気の量が多くなることになる。ここで、過飽和蒸気が増加すると、相対的に、反応ガス（水素ガスなど）の成分濃度が低下し、結果的には、発電量が低下する。つまり、現実には液体として存在している水を、気体と仮定して解析演算すると、解析結果と現実との相違が大きくなることになる。
【０００７】
そこで、本発明では、より現実に近い解析結果が簡易に得られる燃料電池の解析装置および解析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】
【０００８】
本発明の解析装置は、少なくとも、燃料電池および当該燃料電池に供給されるガスの特性を示す特性データと、ガス流路形状を示す形状データと、物理法則と、に基づいて構築された燃料電池のモデルを用いて燃料電池の反応特性の解析する燃料電池の解析装置であって、燃料電池内に存在する水成分を全て蒸気とみなすとともに当該蒸気のうち一定基準値を超えて存在する蒸気の体積をゼロとみなして、前記燃料電池の反応特性を解析する本解析演算を実行する制御手段を有することを特徴とする。
【０００９】
好適な態様では、前記一定基準値は、過飽和蒸気量である。他の好適な態様では、前記制御手段は、前記本解析演算の実行に先立って、燃料電池内に存在する水成分を全て体積を有する水蒸気とみなして、前記燃料電池の反応特性を解析する予備解析演算を実行する。他の好適な態様では、前記制御手段は、各解析演算として、燃料電池内におけるガスの流動状態を算出する流動計算と、当該流動計算の結果に基づいて燃料電池での発電状態を算出する発電計算と、を当該発電計算の計算結果が収束するまで繰り返し実行する。
【００１０】
他の本発明である解析方法は、少なくとも、燃料電池および当該燃料電池に供給されるガスの特性を示す特性データと、ガス流路形状を示す形状データと、物理法則と、に基づいて構築された燃料電池のモデルを用いて燃料電池の反応特性の解析する燃料電池の解析方法であって、燃料電池内に存在する水成分を全て蒸気とみなすとともに当該蒸気のうち一定基準値を超えて存在する蒸気の体積をゼロとみなして、前記燃料電池の反応特性を解析する本解析演算を実行する工程を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、過飽和蒸気の体積をゼロとみなしているため、反応ガスの成分濃度をより現実に近づけることができる。その結果、より現実に近い解析結果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である燃料電池の解析装置１０の物理構成を示すブロック図である。この解析装置１０の物理構成は、図１からも明らかなとおり、一般的な計算機とほぼ同じである。
【００１３】
すなわち、解析装置１０は、ＣＰＵなどからなる制御部１２と、ハードディスクやメモリなどからなる記憶部１４、ＬＣＤなどからなる表示部１８、キーボードやマウスなどからなる入力部１６、ＬＡＮカードなどからなる通信インターフェース部（通信Ｉ／Ｆ）２０などを備えている。記憶部１４には、燃料電池の解析プログラム２２や、燃料電池の解析に必要な各種データファイル２４（例えば、燃料電池の材料およびガスの特性を示す特性データファイルや、燃料電池のガス流路形状を示すＣＡＤデータファイル、燃料電池の内外の環境条件を示す環境データファイル）などが記憶されている。そして、ユーザからの指示に応じて、計算機の制御部１２が、解析プログラムを起動することで、当該計算機が燃料電池の解析装置１０として機能する。記憶部１４に記憶されたデータに基づいて実行された解析の結果は、表示部１８に表示される。この表示態様としては様々な態様が考えられるが、本実施形態では、解析の結果得られる反応ガスの濃度分布や、電流密度分布などを色の濃淡で表現した画像を解析結果として表示部１８に表示する。
【００１４】
ここで、解析装置の具体的な処理内容を説明するまえに、解析対象である燃料電池の構成について簡単に説明する。燃料電池は、通常、セルと呼ばれる発電単位を１以上積層することで構成される。図２は、このセル３０の概略構成を示すイメージ図である。各セル３０は、ＭＥＡ３２（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を一対のセパレータ３４，３６で挟持することで構成されている。ＭＥＡ３２は、イオン交換膜である電解質膜４６、当該電解質膜の一面に配されたアノード電極４２、および、当該電解質膜の他面に配されたカソード電極４４を備えている。アノード電極４２およびカソード電極４４は、いずれも、拡散層４８，５４と、触媒層５０，５２を備える。拡散層４８，５４は、セパレータ３４，３６に形成されたガス流路３８，４０を通じて供給される燃料ガスまたは酸化ガスを拡散する層で、カーボンペーパなどの導電性を備えたシート状部材からなる。また、触媒層５０，５２は、白金等の触媒物質を担持したカーボン粉末を、拡散層４８，５４または電解質膜４６に塗布することで形成される。
【００１５】
セパレータ３４，３６は、金属等の導電性材料からなる板材で、各セル３０を仕切る隔壁として機能する。また、このセパレータ３４，３６は、セル積層時には、隣接するセルのセパレータと接触することで、隣接するセル同士を電気的に接続する導体としても機能する。このセパレータ３４，３６の表面には、ＭＥＡ３２に供給されるガスの流路として機能する多数の溝（ガス流路３８，４０）が形成されている。
【００１６】
このセル３０での電力生成の原理は次のとおりである。アノード側セパレータ３４に形成されたガス流路３８を通じてアノード電極４２に供給された燃料ガスの水素（Ｈ2）は、拡散層４８で拡散されたうえで、触媒層５０に到達する。触媒層５０に到達した燃料ガスは、触媒の作用により、水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ）とに分離される。水素イオンは、電解質膜４６を通じてカソード電極４４の触媒層５２へと移動する。また、電子は、外部回路を通じて、カソード電極４４の触媒層５２へと移動する。この電子の移動により電流が生じる。一方、カソード側セパレータ３６に形成されたガス流路４０を通じてカソード電極４４に供給された酸化ガスは、拡散層５４で拡散されたうえで触媒層５２に到達する。そして、触媒層５２に到達した酸化ガスの酸素（Ｏ2）は、触媒の作用により、電解質膜を通過した水素イオンおよび外部回路を通過した電子と結合し、反応水（Ｈ2Ｏ）となる。
【００１７】
ここで、これまでの説明から明らかなとおり、燃料電池では、その反応の過程で反応水が生成される。この反応水の多くは、液滴や液膜、すなわち、液体の状態で燃料電池内に存在する。また、燃料電池には、劣化防止のために加湿器から蒸気として供給された水分や、酸化ガス（空気）に含有されている水分も存在している。この加湿用蒸気や、酸化ガスに含有された水分も、温度低下に伴い気体から液体へと変化する場合がある。つまり、本来、燃料電池の内部には、液体水が存在している。
【００１８】
かかる液体水の存在は、燃料電池の反応特性に影響を与える。したがって、解析装置１０で、燃料電池の反応特性を解析する場合には、本当であれば、当該液体水の状態も考慮することが望ましい。しかし、気体である反応ガス（酸化ガスや水素ガス）の挙動と同時に、液体水という液体の挙動までも正確に解析することは困難であり、また、演算時間がかかるという問題があった。
【００１９】
そのため、従来から、燃料電池の反応特性を解析演算する際には、燃料電池内に存在する水成分を、全て蒸気（気体）とみなして解析演算していた。これにより、比較的、簡易に燃料電池の反応特性を解析演算することができる。しかし、水成分を全て蒸気と仮定した場合、過飽和蒸気量が現実より多くなる。そして、過飽和蒸気量が多くなると、相対的に、反応ガス（水素ガスなど）の成分濃度が現実より低くなる。その結果、解析結果と現実との間に相違が大きくなるという問題があった。
【００２０】
こうした問題を解決するために、本実施形態では、蒸気とみなされた水分のうち、飽和水蒸気量を超える水成分（過飽和蒸気）の体積をゼロとみなして解析演算を行う。これにより、反応ガスの成分濃度を現実に近づけることができ、より現実に近い解析結果を得ることができる。以下、この解析演算の流れについて詳説する。
【００２１】
図３は、本実施形態における燃料電池の解析演算の流れを示すフローチャートである。このフローチャートから明らかなように、また、後に詳説するように、本実施形態では、燃料電池の反応特性を大きく二段階に分けて解析する。すなわち、従前と同様に水成分を全て体積を有する蒸気と仮定して演算する予備解析を経た後、過飽和蒸気の体積をゼロとして解析演算する本解析を実行する。
【００２２】
より具体的に本実施形態の解析演算の流れを説明すると次の通りである。解析演算を実行する際には、予め、記憶部１４に特性データや環境データ、形状データなどを記憶しておく。なお、特性データには、燃料電池の材料の特性値（組成や電器抵抗値など）や、燃料電池に供給されるガスの特性値（粘性、流量など）が含まれる。また、環境データは、燃料電池の内外の環境条件、例えば、電池反応開始前の温度や圧力値などが含まれる。また、形状データは、燃料電池の構成部材、例えば、セパレータの形状（ひいてはガス流路形状など）を示すＣＡＤファイルである。
【００２３】
解析演算を行う場合、制御部は、まず、この記憶部１４に記憶された各種データに基づいて、ガスの流動状態を算出する流動計算を実行する（Ｓ１０）。このガス流動計算は、反応ガスの流れ方を算出する移流計算（Ｓ１２）と、反応ガスの拡散状態を算出する拡散計算（Ｓ１４）と、に大別される。この流動計算は、例えば、レイノズルの輸送定理や、運動方程式、エネルギー保存則などの各種物理法則から導かれる物理モデルにしたがって行われる。そして、この流動計算により、反応ガスの速度分布、温度分布、ガス濃度分布、渦度分布、ガス流向などの動特性が算出される。
【００２４】
流動計算が終了すれば、続いて、制御部１２は、燃料電池の発電状態を算出する発電計算を実行する（Ｓ１６）。この発電計算は、次の式１〜９に基づいて行われる。式１〜９は、燃料電池での電池反応の様子を示す式である。すなわち、燃料電池のアノード極では、式１の酸化反応が生じ、カソード極では式２の還元反応が生じる。その結果、電池全体では式３が成立することになる。また、燃料電池の運転電圧をＶ、電流密度をＩ、燃料ガスの消費速度をｄｆ／ｆｔとすれば、式４〜９が成立する。なお、Ｅは理論起電圧、ηは過電圧、ηaは活性化電圧、ηcは濃度過電圧、ηrは抵抗過電圧、ａ，ｂは定数、ＩLは限界電流密度、Ｒは抵抗値、Ｆはファラデー定数である。この発電計算により電流密度が算出される。なお、既述したとおり、この予備解析の段階では、反応水や、加湿用水蒸気、反応ガスに含まれる水分など、燃料電池内に存在する水分は、全て体積を有する蒸気（気体）と仮定して計算する。
【００２５】
Ｈ2→ ２Ｈ++２ｅ- …式１
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ++２ｅ- → Ｈ2Ｏ …式２
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→ Ｈ2Ｏ …式３
Ｖ＝Ｅ−η …式４
η＝ηa＋ηc＋ηr…式５
ηa＝ａ−ｂ×ｌｏｇＩ …式６
ηc＝ｂ×ｌｏｇ（１−Ｉ／ＩL） …式７
ηr＝ＩＲ …式８
Ｉ＝２Ｆ（ｄｆ／ｆｔ） …式９
【００２６】
発電計算が終了すれば、制御部１２は、得られた解析結果が収束しているか否かを判断する（Ｓ１８）。そして、収束していないと判断した場合は、再度、流動計算（正確には拡散計算のみ）および発電計算を実行する（Ｓ１４，Ｓ１６）。この流動計算および発電計算の再実行は、最終的に解析結果が収束するまで繰り返し行われる。ここで、解析結果が、収束とは、発電計算の結果、得られる電流密度分布などの計算結果の値変動が殆ど無くなった状態を意味している。例えば、Ｎ回目での計算結果値と、Ｎ−１回目での計算結果値と、の差分が一定範囲に収まった場合、制御部１２は、予備解析での解析結果が収束したと判断する。
【００２７】
ここで、既述したとおり、予備解析では、水成分を全て、体積を有する蒸気と仮定して計算している。その結果、現実に比べて、過飽和蒸気量が増加、ひいては、反応ガスの濃度が低下し、現実より早期に電池反応の収束が発生し、解析結果と現実との相違が大きくなっている。そこで、本実施形態では、予備解析が終了すれば、続いて、本解析を実行する。
【００２８】
本解析では、まず、予備解析で、水蒸気とみなされた水成分のうち、過飽和蒸気に相当する水成分の体積をゼロに変更する（Ｓ２０）。これにより、反応ガスの濃度が向上し、より現実に近づく。
【００２９】
過飽和蒸気の体積をゼロに変更すれば、制御部１２は、再度、拡散計算と発電計算とを実行する（Ｓ２２，Ｓ２４）。このとき、過飽和蒸気の体積はゼロであり、反応ガスの濃度は向上している。そのため、予備解析で収束した電流密度などの計算結果値が、再度、変動することになる。すなわち、現実と同様に、電池反応が収束することなく、継続しているようにシミュレートされることになる。制御部１２は、この計算結果値の変動が一定範囲内に収まるまで、拡散計算と発電計算を繰り返し実行する。そして、最終的に、計算結果値が、収束すれば、燃料電池の解析処理は終了となる。
【００３０】
最後に、本実施形態での解析結果と、従来の方法での解析結果と、の違いを説明する。図４，図５は、それぞれ、従来の解析方法および本実施形態での解析結果のイメージ図である。より具体的に説明すると、図４（ａ），図５（ａ）は、それぞれ、本実施形態および従来の解析方法で得られる水素濃度分布の計算結果を示している。また、図４（ｂ），図５（ｂ）は、それぞれ、本実施形態および従来の解析方法で得られる電流密度分布の計算結果を示している。この図４，図５では、水素濃度および電流密度の値の大小は、色の濃さで表現されており、色が濃いほど水素濃度および電流密度が高いことを意味している。
【００３１】
また、従来の解析方法とは、水成分を全て体積を有した蒸気と仮定して行う解析方法を意味している。別の言い方をすれば、図５は、本実施形態において、予備解析の終了時点で得られる計算結果を意味しているとも言える。
【００３２】
図５に図示するように、従来の解析方法では、全体的に水素濃度が低く（色が濃く）なりがちであった。また、電流密度は、一部高い部分もあるが、ほぼゼロ（黒色で表現）の部分もあり、全体的に、電流密度が、不均一となりがちであった。
【００３３】
一方、過飽和蒸気の体積をゼロとみなして解析する本実施形態の場合、図４に図示するように、従来の方法に比べて、水素濃度は、全体的に、高くなる。また、電流密度ゼロの部分は無く、全体的に平準化される。かかる反応結果は、現実の燃料電池での反応結果に近いといえる。
【００３４】
以上の説明から明らかなとおり、本実施形態のように、過飽和蒸気に相当する水成分の体積をゼロとして解析演算することにより、反応ガスの濃度をより現実に近づけることができる。その結果、より現実に近い解析結果を得ることができる。
【００３５】
なお、本実施形態では、まず、全ての水成分が体積を有していると仮定して解析（予備解析）を行った後に、過飽和蒸気の体積をゼロと仮定して再解析（本解析）している。しかし、図６に図示するフローチャートのように、予備解析を行うことなく本解析のみを実行するようにしてもよい。また、本実施形態では、飽和水蒸気量を基準値とし、この飽和水蒸気量を超えて存在する蒸気の体積をゼロとみなしている。しかし、体積ゼロとみなす蒸気量の基準値は、飽和水蒸気量以外の値でもよい。例えば、飽和水蒸気量の１２０％を超えて存在する蒸気のみを体積ゼロとみなすようにしてもよい。この場合であっても、水成分を全て体積を有する蒸気と仮定していた従来の方法に比べて、反応ガスの成分濃度を現実に近づけることができるため、従来より現実に近い解析結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態である燃料電池の解析装置の構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池の発電原理を示すイメージ図である。
【図３】本実施形態の解析演算の流れを示すフローチャートである。
【図４】本実施形態での解析結果を示すイメージ図である。
【図５】従来の解析方法での解析結果を示すイメージ図である。
【図６】他の解析演算の流れを示すイメージ図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  解析装置、１２  制御部、１４  記憶部、１６  入力部、１８  表示部、２０  通信Ｉ／Ｆ、２２  解析プログラム、２４  各種データファイル、３０  セル、３４，３６  セパレータ、３８，４０  ガス流路、４２  アノード電極、４４  カソード電極、４６  電解質膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図４】
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【図５】
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