特開 2022-72286 設計支援システム、設計支援方法及び設計支援プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022072286

(43)【公開日】2022-05-17

(54)【発明の名称】設計支援システム、設計支援方法及び設計支援プログラム

(51)【国際特許分類】

   G06F 30/18 20200101AFI20220510BHJP

   G06F 30/10 20200101ALI20220510BHJP

   H01M 8/0258 20160101ALI20220510BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20220510BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20220510BHJP

【ＦＩ】

G06F17/50 650C

G06F17/50 622C

H01M8/0258

H01M8/02

H01M8/10 101

【審査請求】有

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020181645

(22)【出願日】2020-10-29

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2021-09-29

(71)【出願人】

【識別番号】592131906

【氏名又は名称】みずほリサーチ＆テクノロジーズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】塚本 貴志

(72)【発明者】

【氏名】高山 務

【テーマコード（参考）】

5B046

5B146

5H126

【Ｆターム（参考）】

5B046AA05

5B046BA10

5B046DA08

5B046EA02

5B046FA16

5B046FA18

5B046GA01

5B046GA09

5B046HA05

5B146AA03

5B146DG02

5B146EA01

5B146EA17

5B146EA18

5H126AA08

5H126BB06

5H126DD05

5H126EE06

(57)【要約】

【課題】的確な流路を効率的に設計するための設計支援システム、設計支援方法及び設計支援プログラムを提供する。
【解決手段】設計支援システム２０は、入力部に接続された制御部を備える。そして、制御部２１は、入力部から、流路形状を模擬した流路ネットワークを取得し、流路ネットワークの流路幅及び流路深さを用いて、３次元化した３次元流路の設計データを生成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力部に接続された制御部を備えた設計支援システムであって、
前記制御部が、
前記入力部から、流路形状を模擬した流路ネットワークを取得し、
前記流路ネットワークの流路幅及び流路深さを用いて、３次元化した３次元流路の設計データを生成することを特徴とする設計支援システム。

【請求項2】

前記制御部が、前記流路ネットワークの流路幅を用いて、２次元の流路平面図を生成することを特徴とする請求項１に記載の設計支援システム。

【請求項3】

前記制御部が、
前記流路ネットワークの寸法を定義する変数の変数値を取得し、
前記変数値に応じて、前記流路ネットワークの寸法を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の設計支援システム。

【請求項4】

前記制御部が、加工方法の加工特性に応じて、前記３次元流路の設計データを生成することを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の設計支援システム。

【請求項5】

前記制御部が、前記加工方法としてプレス加工を特定した場合、前記プレス加工の工程における加工形状に応じて、前記３次元流路の設計データを生成することを特徴とする請求項４に記載の設計支援システム。

【請求項6】

前記制御部が、前記加工方法として切削加工を特定した場合、前記切削加工の加工形状に応じて、前記３次元流路の設計データを生成することを特徴とする請求項４に記載の設計支援システム。

【請求項7】

前記制御部が、先行して生成した流路形状の３次元流路の設計データに応じて、隣接する後続の流路形状の３次元流路の設計データを生成することを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の設計支援システム。

【請求項8】

前記制御部が、前記流路ネットワークの配置に基づいて、前記３次元流路のメッシュを生成することを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の設計支援システム。

【請求項9】

前記制御部が、前記３次元流路に流体を流した場合に、前記流体による現象の状態分布を予測して出力することを特徴とする請求項１～８の何れか一項に記載の設計支援システム。

【請求項10】

前記制御部が、前記予測した状態分布に応じて、前記流路ネットワークの寸法を調整することを特徴とする請求項９に記載の設計支援システム。

【請求項11】

入力部に接続された制御部を備えた設計支援システムを用いて、設計支援を行なう方法であって、
前記制御部が、
前記入力部から、流路形状を模擬した流路ネットワークを取得し、
前記流路ネットワークの流路幅及び流路深さを用いて、３次元化した３次元流路の設計データを生成することを特徴とする設計支援方法。

【請求項12】

入力部に接続された制御部を備えた設計支援システムを用いて、設計支援を行なうプログラムであって、
前記制御部を、
前記入力部から、流路形状を模擬した流路ネットワークを取得し、
前記流路ネットワークの流路幅及び流路深さを用いて、３次元化した３次元流路の設計データを生成する手段として機能させることを特徴とする設計支援プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流路を設計するための設計支援システム、設計支援方法及び設計支援プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

構造体の設計のために３次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）が利用されている。また、ＣＡＤ情報の生成の効率化のための技術も検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。特許文献１に記載された技術では、手書きの図面の間取りを認識するため、サーバは、受信した撮影データの調査用シートの縦線及び横線で区分されたマスを移動しながら画像認識処理を行なって、閉鎖された矩形を認識して間取りと判定する。そして、間取りとされた閉鎖された矩形内にある建具情報を読み取り、間取り種類を認識し、間取りに基づいてＣＡＤ情報を生成する。

【0003】

また、流路の構造体の設計にも３次元ＣＡＤが利用される。例えば、固体高分子形燃料電池は、水素ガスを流すアノード流路と空気を流すカソード流路、水素分子と酸素分子が電気化学反応する膜－電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）等から構成される。これらの構造体をシミュレーションにより性能を評価する技術も検討されている（例えば、特許文献２、非特許文献１を参照。）。特許文献２に記載された技術では、所定の流路形状を有する燃料電池について、流路形状と物理特性を関連付けて発電量を計算する。また、非特許文献１に記載された技術では、固体高分子形燃料電池の３次元ＣＡＤを読み込み、様々な運転条件下における発電特性を計算する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－３８５８２号公報

【特許文献2】特開２００５－３４７０１６号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】みずほ情報総研、２０１７年、「みずほ情報総研技報，Vol.8，No.1／固体高分子形燃料電池シミュレータP-Stack 4.0：フルスタック性能解析を実現する専用ソフトウェアの紹介」、［online］、みずほ情報総研サイト、［令和２年１０月５日検索］、インターネット＜https://www.mizuho-ir.co.jp/publication/giho/pdf/008_03.pdf＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

流路の良し悪しを評価するためには、流路形状について２次元の図面による構造ではなく、３次元構造を考慮する必要がある。ここで、２次元の図面の作成に比べ、３次元ＣＡＤを用いた図面の作成は作業負荷が大きい。また、適切な流路を設計するためには、流路形状の変更と評価を繰り返す試行錯誤が必要となり、３次元ＣＡＤを用いた図面の作成に多大な時間と人的コストがかかっている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決する設計支援システムは、入力部に接続された制御部を備える。そして、前記制御部が、前記入力部から、流路を点と線で表現した流路ネットワークのスケッチを取得し、２次元の流路図面を生成し、前記流路形状の流路幅と流路深さを用いて、３次元化した３次元流路の設計データを生成する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、適切な流路を効率的に設計することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態の設計支援システムの説明図。

【図2】実施形態のハードウェア構成の説明図。

【図3】実施形態の処理手順の説明図。

【図4】実施形態の設計入力画面の説明図。

【図5】実施形態の流路ネットワークの説明図。

【図6】実施形態の流路ネットワークの説明図。

【図7】実施形態の流路ネットワークの可変部の説明図。

【図8】実施形態の流路ネットワークの流体特性の説明図。

【図9】実施形態の流路平面図の作成手順の説明図。

【図10】実施形態の流路平面図の説明図。

【図11】実施形態の流路平面図の説明図。

【図12】実施形態の流路の２次元図面の説明図。

【図13】実施形態の流路の３次元形状の説明図。

【図14】実施形態の固体高分子形燃料電池のセル形状の説明図。

【図15】実施形態の固体高分子形燃料電池のセル形状の断面図。

【図16】実施形態の流路のメッシュの説明図。

【図17】従来の流路のメッシュの説明図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図１～図１７に従って、設計支援システム、設計支援方法及び設計支援プログラムを具体化した一実施形態を説明する。本実施形態では、流路を点と線で表現した流路ネットワークのスケッチを用いて、固体高分子形燃料電池の流路を設計する場合を説明する。本実施形態の固体高分子形燃料電池には、プレス加工で凹凸を付けた金属セパレータが用いられる。凹凸パターンの異なる２つ金属セパレータ（アノードセパレータ及びカソードセパレータ）でＭＥＡを挟み、燃料電池の基本単位であるセルとなる。セルは所定の出力を得られるよう何層にも積み重ねられスタックとなる。アノードセパレータとＭＥＡの間に生じる空間に水素ガスを流し、カソードセパレータとＭＥＡの間に生じる空間に空気を流す。ＭＥＡでは水素分子と酸素分子との電気化学反応により発電する。アノードセパレータとカソードセパレータの間に冷却水を流し、発電によって生じる熱を冷却する。
図１に示すように、本実施形態では、設計支援システム２０を用いる。

【0011】

（ハードウェア構成例）
図２は、設計支援システム２０等として機能する情報処理装置Ｈ１０のハードウェア構成例である。

【0012】

情報処理装置Ｈ１０は、通信装置Ｈ１１、入力装置Ｈ１２、表示装置Ｈ１３、記憶装置Ｈ１４、プロセッサＨ１５を有する。なお、このハードウェア構成は一例であり、他のハードウェアを有していてもよい。

【0013】

通信装置Ｈ１１は、他の装置との間で通信経路を確立して、データの送受信を実行するインタフェースであり、例えばネットワークインタフェースや無線インタフェース等である。

【0014】

入力装置Ｈ１２は、利用者等からの入力を受け付ける装置であり、例えばマウスやキーボード等である。表示装置Ｈ１３は、各種情報を表示するディスプレイやタッチパネル等である。

【0015】

記憶装置Ｈ１４は、設計支援システム２０の各種機能を実行するためのデータや各種プログラムを格納する記憶装置（例えば、後述する設計情報記憶部２２、３次元情報記憶部２３）である。記憶装置Ｈ１４の一例としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等がある。

【0016】

プロセッサＨ１５は、記憶装置Ｈ１４に記憶されるプログラムやデータを用いて、設計支援システム２０における各処理（例えば、後述する制御部２１における処理）を制御する。プロセッサＨ１５の一例としては、例えばＣＰＵやＭＰＵ等がある。このプロセッサＨ１５は、ＲＯＭ等に記憶されるプログラムをＲＡＭに展開して、各種処理に対応する各種プロセスを実行する。例えば、プロセッサＨ１５は、設計支援システム２０のアプリケーションプログラムが起動された場合、後述する各処理を実行するプロセスを動作させる。

【0017】

プロセッサＨ１５は、自身が実行するすべての処理についてソフトウェア処理を行なうものに限られない。例えば、プロセッサＨ１５は、自身が実行する処理の少なくとも一部についてハードウェア処理を行なう専用のハードウェア回路（例えば、特定用途向け集積回路：ＡＳＩＣ）を備えてもよい。すなわち、プロセッサＨ１５は、（１）コンピュータプログラム（ソフトウェア）に従って動作する１つ以上のプロセッサ、（２）各種処理のうち少なくとも一部の処理を実行する１つ以上の専用のハードウェア回路、或いは（３）それらの組み合わせ、を含む回路（circuitry）として構成し得る。プロセッサは、ＣＰＵ並びに、ＲＡＭ及びＲＯＭ等のメモリを含み、メモリは、処理をＣＰＵに実行させるように構成されたプログラムコード又は指令を格納している。メモリすなわちコンピュータ可読媒体は、汎用又は専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。

【0018】

（各情報処理装置の機能）
図１に示す設計支援システム２０は、燃料電池の設計を支援するためのコンピュータシステムである。この設計支援システム２０は、制御部２１、設計情報記憶部２２、３次元情報記憶部２３を備えている。

【0019】

制御部２１は、後述する処理（スケッチ、流体特性計算、流路平面図生成、３次元形状生成、発電特性計算等の各処理）を行なう。そのための設計支援プログラムを実行することにより、制御部２１は、スケッチ部２１１、流体特性計算部２１２、流路平面図生成部２１３、３次元形状生成部２１４、発電特性計算部２１５として機能する。

【0020】

スケッチ部２１１は、設計者によるスケッチの作成を支援する処理を実行する。本実施形態では、流路を点と線で表現した流路ネットワークのスケッチの作成を支援する。流路ネットワークは、例えば点（ノード）、線（リンク）、閉ループから構成される。

【0021】

流体特性計算部２１２は、流路に流体を流した場合の流体特性（例えば、圧力分布や流量分配等）について計算する処理を実行する。
流路平面図生成部２１３は、流路ネットワークのスケッチに基づいて、流路形状を２次元の多角形として表現した流路平面図を生成する処理を実行する。

【0022】

３次元形状生成部２１４は、流路平面図に厚みや角度を付け、流路の３次元形状を生成する処理を実行する。
発電特性計算部２１５は、上述した非特許文献１と同様に、発電特性を計算する処理を実行する。

【0023】

設計情報記憶部２２には、設計に用いる構造に関する設計管理データが記録される。設計管理データは、設計者によって設計が行なわれた場合に記録される。設計管理データは、レイヤ（レイヤ識別子）毎に、設計値データ、スケッチデータを含んで構成される。

【0024】

レイヤ識別子は、各レイヤを特定するための識別子である。本実施形態では、アノード流路、カソード流路、ＭＥＡ、外枠、冷却水シール、アノード入口・出口、カソード入口・出口、冷却水入口・出口の各レイヤを特定するための識別子である。

【0025】

設計値データには、レイヤ厚み、加工変数等に関する情報が記録される。加工変数は、加工種別（プレス加工または切削加工等）、プレス工程におけるプレス角度、曲がり角度（曲率半径）、切削加工における加工形状等、加工法により特定されて決まる変数値である。

【0026】

スケッチデータには、ＸＹ平面に配置されたノードのノード識別子及び座標に関するデータが記録される。
ノード識別子データ領域には、各ノードを特定するための識別子に関するデータが記録される。
座標データ領域には、このノードの位置に関するデータが記録される。なお、ノードの位置（座標）は数値ではなく、ノードが配置される領域の長さを変数として定義することも可能である。例えば、各ノードの座標を算出するために、ＭＥＡ幅と拡散部幅を変数とする関数を記録してもよい。

【0027】

更に、スケッチデータには、ノード間を接続するリンクに関するデータが記録される。
リンクデータ領域には、リンクされている２つのノードのノード識別子、リンクの太さ（流路幅に相当）、リンクの厚み（流路深さに相当）に関するデータが記録される。

【0028】

３次元情報記憶部２３には、設計者が作成したスケッチに基づいて生成された３次元ＣＡＤデータが記録される。この３次元ＣＡＤデータは、スケッチを３次元化した場合に記録される。

【0029】

（設計支援処理）
次に、図３を用いて、設計支援処理を説明する。
まず、設計支援システム２０の制御部２１は、流路ネットワークのスケッチ支援処理（ステップＳ１０１）を実行する。具体的には、制御部２１のスケッチ部２１１は、表示装置Ｈ１３に設計入力画面を出力する。

【0030】

図４に示すように、この設計入力画面５００には、スケッチ領域５１０、レイヤ指定欄５２０、レイヤ属性欄５３０、流路ネットワーク属性欄５４０、変数リスト欄５５０、操作ボタン欄５６０等が含まれる。

【0031】

スケッチ領域５１０は、流路を点と線で表現した流路ネットワークをスケッチするための領域である。このスケッチ領域には、筆記具アイコンや消去アイコン、選択アイコン、複製アイコンなどが表示される。

【0032】

レイヤ指定欄５２０は、スケッチ領域５１０に表示させるレイヤを選択するためのボタンが表示される。ここでは、１又は複数のレイヤを指定することができる。本実施形態の固体高分子形燃料電池の場合には、アノード流路、カソード流路、ＭＥＡ、外枠、冷却水シール、アノード入口・出口、カソード入口・出口、冷却水入口・出口に対応するレイヤが存在する。

【0033】

例えば、図５に示すように、筆記具アイコンを用いて、アノード流路及びアノード入口・出口の流路ネットワーク６００をスケッチする場合を想定する。また、図６に示すように、カソード流路及びカソード入口・出口の流路ネットワーク６０１をスケッチする場合を想定する。これらの流路ネットワーク６００及び６０１は、点で表示されるノード６０２及び線で表示されるリンク６０３から構成される。アノード入口６０４、アノード出口６０５、カソード入口６０６、カソード出口６０７はノードとリンクで構成される閉ループによって表される。

【0034】

図４に示すレイヤ属性欄５３０は、各レイヤの厚み、加工種別（プレス加工または切削加工等）、プレス角度、曲率半径などを設定するための領域である。
流路ネットワーク属性欄５４０では、選択したノードのＸＹ座標やリンクの流路幅や流路深さを設定するための領域である。

【0035】

変数リスト欄５５０は、ユーザが変数を定義するための領域である。スケッチ領域５１０で設定したノードのＸＹ座標やリンクの幅を、変数を用いて表現することができる。
例えば、図７に示すように、ＭＥＡ幅６１０と拡散部幅６１１の長さを表す２つの変数MEA_widthとdiff_widthを定義し、ノード６１２やノード６１３のＸ座標をこれらの変数の関数として与えることができる。これにより、これらの変数の値を変えることで、ＭＥＡ幅と拡散部幅の異なる流路ネットワーク６１４を得ることができる。その他、流路ネットワークの部分形状の繰り返し数やレイヤの厚みなど各種属性を、ユーザが定義した変数の関数として与えることができるものとする。

【0036】

図４に示す操作ボタン欄５６０には、流体特性計算、流路平面図生成、３次元形状生成、発電特性計算を実行するためのボタン等が含まれる。
そして、操作ボタン欄５６０においていずれかのボタンの押下を検知した場合、スケッチ部２１１は、設計入力画面において入力された設計値データ、スケッチデータを設計情報記憶部２２に記録する。

【0037】

次に、設計支援システム２０の制御部２１は、流体特性の計算処理（ステップＳ１０２）を実行する。具体的には、制御部２１の流体特性計算部２１２は、流路ネットワークの流体特性として、例えば圧力分布及び流量分配を計算する。ここで、本実施形態における固体高分子形燃料電池の流路幅はミリメータースケールであること等から、流路内の流れは層流であると仮定でき、（数１）に示す流量Ｆが圧力差∇ｐに線形に比例するダルシー則が適用できるものとする。

【0038】

【数1】

【0039】

ここで、ρは流体の密度、μは流体の粘性、ｄ_epは等価直径である。
等価直径は、例えば、（数２）に示すように、流路の断面積Ｓ、濡れぶち長さＬから近似的に求めるものとする。

【0040】

【数2】

【0041】

（数１）を流路ネットワークにおける各ノード間の圧力差に対する流量の関係式として整理し、流量保存則に基づく連立方程式を構成して解くことにより、流路ネットワークにおける各ノードの圧力や各リンクの流量を算出することができる。
そして、流体特性計算部２１２は、表示装置Ｈ１３に計算結果画面を出力する。
図８に示すように、計算結果画面において、流路ネットワーク６２０を表示させるようにしてもよい。この流路ネットワーク６２０では、圧力分布に応じて表示色を変更して表示する。また、流路ネットワーク６２０において、任意の切断線Ａ－Ａ’が指定された場合、この切断線と交差する各リンクの流量をグラフ６２１に表示してもよい。

【0042】

そして、設計者は、計算された流体特性を確認し、必要に応じてステップＳ１０１に戻り、流路ネットワークのスケッチを修正したり、変数の値を変えたりしてもよい。この場合、制御部２１の流体特性計算部２１２は、修正や変更に応じて、流体特性を再計算し、計算結果画面に出力する。

【0043】

次に、設計支援システム２０の制御部２１は、流路平面図の生成処理（ステップＳ１０３）を実行する。具体的には、制御部２１の流路平面図生成部２１３は、設計情報記憶部２２に記録された設計値データを用いて、流路ネットワークから流路平面図を生成する。

【0044】

例えば、図９に示す流路ネットワーク６５０は、各リンクの流路幅を用いて生成された矩形の集合体６５１に変換される。続いて、矩形の集合体６５１は、各矩形の辺同士の交点を用いて多角形の集合体６５２に変換され、最終的に流路平面図６５３に変換される。

【0045】

例えば、図１０に示すように、図５の流路ネットワーク６００から流路平面図７００が生成される。また、図１１に示すように、図６の流路ネットワーク６０１から流路平面図７０１が生成される。

【0046】

ここで、図１２に示すように、流路平面図生成部２１３は、流路形状の寸法を明記した２次元図面７０２を出力してもよい。また、流路形状の寸法とセパレータの厚みが決まれば、プレス加工のための金型の寸法を特定できるため、２次元図面として、プレス加工のための金型についての図面を出力してもよい。

【0047】

次に、設計支援システム２０の制御部２１は、３次元形状の生成処理（ステップＳ１０４）を実行する。具体的には、制御部２１の３次元形状生成部２１４は、設計情報記憶部２２に記録されたレイヤの厚み、加工種別、プレス角度などを用いて、流路平面図から流路の３次元形状を生成する。この場合、例えば、流路平面図を、指定したプレス角度で指定した流路深さまで持ち上げる。そして、３次元形状生成部２１４は、生成した３次元形状を、レイヤ識別子に関連付けて、３次元情報記憶部２３に３次元ＣＡＤデータとして記録する。

【0048】

例えば、図１３に示すように、図１１に示した流路平面図７０１から、３次元化した流路の３次元形状８００を生成する。
なお、プレス加工の特性を忠実に再現するために、３次元形状の角を指定した曲率半径を持つように丸めてもよい。ただし、一般的に曲面を持つ３次元ＣＡＤデータでは、後述するメッシュ生成の難易度が上がるため、本実施形態では角はあえて丸めないものとする。

【0049】

３次元形状生成部２１４は、各流路平面図の３次元化を完了すると、隣接する部品の３次元化を行なう。
この場合、図１４に示すように、高分子形燃料電池のセル全体の３次元形状８１０を生成する。なお、図１４では、３次元形状８１０ではＺ軸方向に積層した各レイヤを、Ｚ軸方向にばらして表示している。また、図１５は、３次元形状８１０を、セルの中心をＹＺ平面で切断した際の断面拡大図８１０ｂである。

【0050】

ここで、ＭＥＡ及びガスケット８１１は、ＭＥＡ及び外枠のレイヤで指定された閉ループで表される平面に、指定された厚みを付けて３次元化される。また、アノードセパレータ８１２及びカソードセパレータ８１３は、指定された肉厚で、アノード流路８１４及びカソード流路８１５の凹凸と反対の凹凸を持つ立体形状を、ブーリアン演算で抽出することで生成される。更に、冷却水流路８１６は、アノードセパレータ８１２及びカソードセパレータ８１３を互いに接するように合わせた際に生じる隙間をブーリアン演算で抽出することで生成される。

【0051】

次に、設計支援システム２０の制御部２１は、発電特性の計算処理（ステップＳ１０５）を実行する。具体的には、制御部２１の発電特性計算部２１５が、固体高分子形燃料電池のセル全体の３次元ＣＡＤデータを読み込み、様々な運転条件下における発電特性を計算する。この場合、非特許文献１に記載された方法を用いることができる。なお、発電特性計算では、固体部分の伝熱や電気伝導も考慮するため、流体部分に加え、セパレータやガスケットなどの固体部分の３次元ＣＡＤデータを与える必要がある。

【0052】

ここで、発電特性を計算するために、３次元ＣＡＤデータを任意の多面体から構成されるメッシュに分割する必要がある。
図１６に示すように、本実施形態では、流路ネットワークのリンクの法線ベクトルを用いることで、流路の流れ方向に対して垂直な線で流路９００を分割する。

【0053】

発電特性の計算が完了すると、発電特性計算部２１５は、表示装置Ｈ１３に、計算結果画面を出力する。この計算結果画面には、固体高分子形燃料電池の電圧電流特性曲線やＭＥＡにおける水素や酸素の濃度分布、電流密度分布、温度分布などが含まれる。

【0054】

設計者は、発電特性が目標の基準を満たしているかどうかを評価し、必要に応じて、流路ネットワークのスケッチ支援処理（ステップＳ１０１）に戻ることができる。例えば、発電時にＭＥＡの局所において許容範囲より高温になる領域があれば、この領域に冷却水が十分に行き渡るよう、流路形状を修正する。

【0055】

以上、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、設計支援システム２０の制御部２１は、流路ネットワークのスケッチ支援処理（ステップＳ１０１）を実行する。これにより、流路を点と線で表現した流路ネットワークにより、流路及び隣接する部品（プレス加工のための金型を含む）について、２次元図面及び３次元ＣＡＤデータを自動で生成することができる。従って、２次元図面及び３次元ＣＡＤデータの作成に要していた時間を大幅に短縮できる。例えば、従来の方法では、数週間かかる複雑な３次元ＣＡＤ作業を１日程度で作成することができる。また、３次元ＣＡＤソフトウェアの操作は複雑で時間がかかるため、開発現場では設計者とＣＡＤオペレータに担当者を分けている場合が多いが、本実施形態では、簡易なスケッチの操作で済むため設計者で作業を完結することが容易となる。また、２次元図面は、流路切削やプレス金型作成などの外注に用いることができる。

【0056】

（２）本実施形態では、流路ネットワークのスケッチを作成する段階で、流路を表す各線分の位置や繰り返し数、流路幅、流路深さなどを固定の値ではなく、変数または数式で与える。これにより、定義した変数の値を変えるだけで、例えば流路長さ違い、流路ピッチ違い、アスペクト比違い等、様々な流路形状に変形させ、それに応じた２次元図面及び３次元ＣＡＤデータを自動的に生成することができる。例えば、遺伝的アルゴリズムによる最適化と組み合わせてもよい。この場合、流体特性や発電特性が目的の値になるように、設計変数の変更と評価を繰り返し、自動で最適な流路形状を探索することができる。

【0057】

（３）本実施形態では、設計支援システム２０の制御部２１は、流体特性の計算処理（ステップＳ１０２）を実行する。ここで、流路ネットワークのスケッチを作成する段階で、流体の圧力分布や流量分配等の流体特性を、短時間（例えば数秒）で計算する。これにより、設計者は流体特性が適切になるように、スケッチを修正して良し悪しを評価するという試行錯誤を短時間の間に繰り返すことができる。従来、流体特性を計算するためには、３次元ＣＡＤデータの作成、メッシュの作成、流体シミュレーションを行なう必要があり、例えば数時間から数週間かかっていたが、本実施形態では、数秒で表示できる。

【0058】

（４）本実施形態では、メッシュを生成する際、流路ネットワークのリンクの法線ベクトルを用いることで、流路の流れ方向に対して垂直な線で流路９００を分割する。これにより、要素数が少なく、品質が良いメッシュを生成することができる。

【0059】

例えば、図１７に示すように、従来のメッシュ生成では、Ｘ軸とＹ軸に並行に線で分割したメッシュを生成する。この場合、Ｘ軸またはＹ軸に対して斜めとなる流路９０１において、微小要素が生じる等の課題があった。一方、本実施形態では、３次元ＣＡＤデータから流路形状を認識して自動で適切なメッシュを生成することができる。

【0060】

（５）本実施形態では、設計支援システム２０の制御部２１は、発電特性計算処理（ステップＳ１０５）を実行する。これにより、３次元ＣＡＤデータからメッシュを生成し、発電計算を行なうことができる。流路及び隣接する部品の３次元形状を考慮した発電特性を予測でき、設計者は目標の基準を満たすように流路形状を変更することができる。

【0061】

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、設計入力画面において、加工方法に応じたボス押し角度等を設定する。これに代えて、加工方法の指定に応じて、設計支援システム２０の制御部２１が、形状を決定するようにしてもよい。この場合、設計支援システム２０に、２次元形状を３次元化するための３次元化情報が記録された立体化情報記憶部を設ける。ここで、記録された３次元化情報には、製造方法識別子及び生成モデルに関するデータが含まれる。製造方法識別子データ領域には、流路を製造する場合の製造方法を特定するための識別子が記録される。製造方法としては、例えば、金型を用いたプレス加工、カーボンの切削加工等を用いることができる。生成モデルデータ領域には、入力された２次元形状を、３次元形状に変換するためのモデルが記録される。

【0062】

・上記実施形態では、スケッチの段階で流体特性を計算する。ここでは、ユーザが指定した流路幅や流路深さから求まる流路断面積や流路濡れ縁長さ、流路長さなどから流路各点における圧力損失係数を簡易に求め、流路全体の圧力分布や流量分配などを計算する。これに対して、３次元ＣＡＤを用いた流体シミュレーションでは、一般的な流体方程式を解くことで得られる流路各点における圧力差と流量などから、流路各点における圧力損失係数を高精度に計算できる。そこで、後者の方法で求まる圧力損失係数を教師データとし、機械学習を活用することで前者の方法で求まる圧力損失係数の予測精度を高めてもよい。具体的には、様々な流路形状のスケッチに対して３次元ＣＡＤを用いた流体シミュレーションを行ない、各流路形状の各点における圧力損失係数を求める。次に、各流路形状の各点の流路幅、流路深さ、流路の接続角度、接続本数などを特徴量とし、圧力損失係数を予測する機械学習モデルを生成する。この機械学習モデルを用いることで、スケッチの段階で求まる圧力損失係数の精度を上げることができ、スケッチの段階で高速かつ高精度な流体特性の計算を実現できる。

【0063】

・上記実施形態では、設計支援システム２０の制御部２１は、加工方法に応じて、３次元形状の生成処理（ステップＳ１０４）を実行する。プレス加工の場合は、例えば金属の薄板をプレス加工にて凹凸をつけ、その表裏それぞれを流路として用いることが多い。このため、上記実施形態では、アノードセパレータ８１２及びカソードセパレータ８１３を互いに接するように合わせた際に生じる隙間を、ブーリアン演算で抽出して冷却水流路８１６を生成する。ここで、隣接するレイヤの流路形状の生成方法は、隙間を用いる場合に限定されるものではない。例えば、切削加工の場合には、薄板の表裏をそれぞれ異なるパターンで切削し、流路として用いてもよい。この場合、設計支援システム２０の制御部２１は、各レイヤの流路形状を互いの流路形状に依存せずに生成することができる。

【0064】

・上記実施形態では、燃料電池の設計に用いたが、本発明の適用対象は燃料電池に限定されるものではない。水電解装置、合成液体燃料（eFuel）製造装置、マイクロリアクター、その他の流路を備えた構造体を設計する場合に用いることができる。

【符号の説明】

【0065】

２０…設計支援システム、２１…制御部、２１１…スケッチ部、２１２…流体特性計算部、２１３…流路平面図生成部、２１４…３次元形状生成部、２１５…発電特性計算部、２２…設計情報記憶部、２３…３次元情報記憶部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【手続補正書】

【提出日】2021-06-04

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力部に接続された制御部を備えた設計支援システムであって、
前記制御部が、
前記入力部から、流路形状を模擬した流路ネットワークを取得し、
前記流路ネットワークの流路幅及び流路深さを用いて、加工方法の加工特性に応じて、３次元化した３次元流路の設計データを生成することを特徴とする設計支援システム。

【請求項2】

前記制御部が、前記加工方法としてプレス加工を特定した場合、前記プレス加工の工程における加工形状に応じて、前記３次元流路の設計データを生成することを特徴とする請求項１に記載の設計支援システム。

【請求項3】

前記制御部が、前記加工方法として切削加工を特定した場合、前記切削加工の加工形状に応じて、前記３次元流路の設計データを生成することを特徴とする請求項１に記載の設計支援システム。

【請求項4】

前記制御部が、前記流路ネットワークの流路幅を用いて、２次元の流路平面図を生成することを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の設計支援システム。

【請求項5】

前記制御部が、
前記流路ネットワークの寸法を定義する変数の変数値を取得し、
前記変数値に応じて、前記流路ネットワークの寸法を算出することを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の設計支援システム。

【請求項6】

前記制御部が、先行して生成した流路形状の３次元流路の設計データに応じて、隣接する後続の流路形状の３次元流路の設計データを生成することを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の設計支援システム。

【請求項7】

前記制御部が、前記流路ネットワークの配置に基づいて、前記３次元流路のメッシュを生成することを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の設計支援システム。

【請求項8】

前記制御部が、前記３次元流路に流体を流した場合に、前記流体による現象の状態分布を予測して出力することを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の設計支援システム。

【請求項9】

前記制御部が、前記予測した状態分布に応じて、前記流路ネットワークの寸法を調整することを特徴とする請求項８に記載の設計支援システム。

【請求項10】

入力部に接続された制御部を備えた設計支援システムを用いて、設計支援を行なう方法であって、
前記制御部が、
前記入力部から、流路形状を模擬した流路ネットワークを取得し、
前記流路ネットワークの流路幅及び流路深さを用いて、加工方法の加工特性に応じて、３次元化した３次元流路の設計データを生成することを特徴とする設計支援方法。

【請求項11】

入力部に接続された制御部を備えた設計支援システムを用いて、設計支援を行なうプログラムであって、
前記制御部を、
前記入力部から、流路形状を模擬した流路ネットワークを取得し、
前記流路ネットワークの流路幅及び流路深さを用いて、加工方法の加工特性に応じて、３次元化した３次元流路の設計データを生成する手段として機能させることを特徴とする設計支援プログラム。