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特開2024-173713ＲＶＥ技法を用いた燃料電池スタックのシミュレーション手法
(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】P2024173713
(43)【公開日】2024-12-12
(54)【発明の名称】ＲＶＥ技法を用いた燃料電池スタックのシミュレーション手法
(51)【国際特許分類】
G06F 30/23 20200101AFI20241205BHJP
H01M 8/04992 20160101ALI20241205BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20241205BHJP
H01M 8/1004 20160101ALI20241205BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20241205BHJP
G06F 119/14 20200101ALN20241205BHJP
【ＦＩ】
G06F30/23
H01M8/04992
H01M8/04 Z
H01M8/1004
H01M8/10 101
G06F119:14
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024079044
(22)【出願日】2024-05-15
(31)【優先権主張番号】18/326,284
(32)【優先日】2023-05-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】514180812
【氏名又は名称】ダッソー システムズ アメリカス コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(72)【発明者】
【氏名】パタク，アナンド
(72)【発明者】
【氏名】ダヴァーレ，ニクヒル
(72)【発明者】
【氏名】チョイ，ジェファン
(72)【発明者】
【氏名】クルカルニ，ラシカ
(72)【発明者】
【氏名】ゴービンド，アサーヴ
(72)【発明者】
【氏名】ジェイン，アニトゥ
【テーマコード（参考）】
5B146
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5B146AA10
5B146AA21
5B146DJ02
5B146DJ07
5B146DJ08
5B146DJ11
5B146EA01
5H126AA02
5H126BB06
5H127AA06
5H127AC07
5H127BA02
5H127BB02
(57)【要約】
【課題】 ＲＶＥ技法を用いた燃料電池スタックのシミュレーション手法を提供する。
【解決手段】 コンピュータ実装方法は、代表体積要素（ＲＶＥ）ユニット燃料電池モデルの生成を自動化する。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のユニットセルの有限要素モデル（ＦＥＭ）が受信される。ＦＥユニットセルの離散化を有するユニット領域を識別する入力が受信される。ユニット領域に対応するメッシュルールが受信される。ＦＥユニット領域及びメッシュルールに基づいて、ＦＥユニット領域に対応するＲＶＥユニット領域が生成される。
【選択図】 図１１
【解決手段】 コンピュータ実装方法は、代表体積要素（ＲＶＥ）ユニット燃料電池モデルの生成を自動化する。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のユニットセルの有限要素モデル（ＦＥＭ）が受信される。ＦＥユニットセルの離散化を有するユニット領域を識別する入力が受信される。ユニット領域に対応するメッシュルールが受信される。ＦＥユニット領域及びメッシュルールに基づいて、ＦＥユニット領域に対応するＲＶＥユニット領域が生成される。
【選択図】 図１１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
代表体積要素（ＲＶＥ）ユニット燃料電池モデルの生成を自動化するためのコンピュータ実装方法であって、
プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のユニットセルの有限要素モデル（ＦＥＭ）を受信するステップであって、前記ユニットセルが、第１のバイポーラプレート及び第２のバイポーラプレートを備える、ステップと、
前記ユニットセルの前記第１のバイポーラプレート及び／又は前記第２のバイポーラプレートの幾何学的フィーチャ、前記幾何学的フィーチャにおける繰り返されるフィーチャ、並びに前記幾何学的フィーチャにおける対称領域から成る群のうちの少なくとも１つに基づいて、前記ＦＥユニットセルの離散化を含むユニット領域を識別する入力を受信するステップと、
前記ユニット領域に対応するメッシュルールを受信するステップと、
前記ＦＥユニット領域及び前記メッシュルールに基づいて、前記ＦＥユニット領域に対応するＲＶＥユニット領域を生成するステップと、
を含む、コンピュータ実装方法。
プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のユニットセルの有限要素モデル（ＦＥＭ）を受信するステップであって、前記ユニットセルが、第１のバイポーラプレート及び第２のバイポーラプレートを備える、ステップと、
前記ユニットセルの前記第１のバイポーラプレート及び／又は前記第２のバイポーラプレートの幾何学的フィーチャ、前記幾何学的フィーチャにおける繰り返されるフィーチャ、並びに前記幾何学的フィーチャにおける対称領域から成る群のうちの少なくとも１つに基づいて、前記ＦＥユニットセルの離散化を含むユニット領域を識別する入力を受信するステップと、
前記ユニット領域に対応するメッシュルールを受信するステップと、
前記ＦＥユニット領域及び前記メッシュルールに基づいて、前記ＦＥユニット領域に対応するＲＶＥユニット領域を生成するステップと、
を含む、コンピュータ実装方法。
【請求項2】
前記ＲＶＥユニット領域が、前記第１のバイポーラプレートと前記第２のバイポーラプレートとの間に配置されたガスケットの部分を含むＦＥユニット領域に対応する、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記ユニットセルが、高分子電解質膜、ガス拡散層、カソード、及びアノードをさらに備える、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記ＦＥユニットセルに適用されるクランプ力に関するシナリオ定義を受信するステップと、
前記シナリオ定義に基づいて、ＲＶＥユニット領域シナリオを生成するステップと、
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
前記シナリオ定義に基づいて、ＲＶＥユニット領域シナリオを生成するステップと、
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項5】
前記シナリオ定義が、前記第２のバイポーラプレートに対する前記第１のバイポーラプレートの平行移動をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記クランプ力の存在下で前記ＲＶＥユニット領域の前記ガスケットの挙動をシミュレートするステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項7】
前記クランプ力の存在下で前記ＲＶＥユニット領域の前記シミュレーションの結果を記録するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項8】
前記クランプ力の存在下での前記ＲＶＥユニット領域の前記ガスケット挙動の前記シミュレーションに基づいて、前記ＲＶＥユニット領域のコンポーネントの材料プロパティを決定するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項9】
代表体積要素（ＲＶＥ）燃料電池グローバルモデルの生成を自動化するためのコンピュータ実装方法であって、
ＲＶＥユニットセルモデルを受信するステップと、
前記ＲＶＥユニットセルモデルの圧力及びクロージャデータを受信するステップと、
前記ＲＶＥユニットセルモデルのサーフェスデータを受信するステップと、
前記ＲＶＥユニットセルモデルのＣＡＤ離散化を生じさせるステップと、
を含み、
前記ＲＶＥユニットセルが、バウンディングボックスを含む、コンピュータ実装方法。
ＲＶＥユニットセルモデルを受信するステップと、
前記ＲＶＥユニットセルモデルの圧力及びクロージャデータを受信するステップと、
前記ＲＶＥユニットセルモデルのサーフェスデータを受信するステップと、
前記ＲＶＥユニットセルモデルのＣＡＤ離散化を生じさせるステップと、
を含み、
前記ＲＶＥユニットセルが、バウンディングボックスを含む、コンピュータ実装方法。
【請求項10】
前記ＲＶＥユニットセルモデルの基準平面データを受信するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記基準平面データに対するサーフェス対称性を決定するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
前記サーフェスデータが、ＲＶＥユニットセル中間サーフェスを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項13】
前記ＲＶＥユニットセルモデルが、一意のバウンディングボックス及び繰り返しのバウンディングボックスから成る群のうちの１つであることを示すデータを受信するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項14】
前記ＲＶＥ燃料電池グローバルモデルのメッシュパラメータを受信するステップと、
前記ＲＶＥ燃料電池グローバルモデルの材料を決定するステップと、
前記ＲＶＥ燃料電池グローバルモデルを作るステップと、
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
前記ＲＶＥ燃料電池グローバルモデルの材料を決定するステップと、
前記ＲＶＥ燃料電池グローバルモデルを作るステップと、
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項15】
ＲＶＥユニット領域のコンポーネントの材料プロパティを受信するステップと、
前記ＲＶＥ燃料電池グローバルモデルの対応するコンポーネントに材料を割り当てるステップと、
をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
前記ＲＶＥ燃料電池グローバルモデルの対応するコンポーネントに材料を割り当てるステップと、
をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
発明の分野
本発明は、燃料電池技術に関し、特に、プロトン交換膜燃料電池の設計及び製造に関する。
本発明は、燃料電池技術に関し、特に、プロトン交換膜燃料電池の設計及び製造に関する。
【背景技術】
【0002】
発明の背景
プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）スタック２００を図２Ｂに示す。ＰＥＭＦＣスタック２００は、複数の実質的に同一の燃料電池ユニット１００（図１）から形成される。図１によって示されるように、各燃料電池ユニット（「ユニットセル」）は、２つのバイポーラプレート（ＢＰ）１１０の間に挟まれた膜／電極アセンブリ１３０を含む。膜／電極アセンブリ１３０のプロトン交換膜１３６は、アノード１３２とカソード１３４との間に配置される。水素は、アノード１３２における第１のバイポーラプレート１１０を介して供給され、酸素は、カソード１３４における第２のバイポーラプレート１１０を介して供給される。膜１３６は、正の水素原子のみが膜／電極アセンブリ１３０を通過して酸素と結合して水を形成することを可能にし、それによって、アノード１３２とカソード１３４との間の電圧がもたらされる。各燃料電池ユニット１００の層は、流体の漏れを防止するために、ガスケット１５０（図２Ａ）で封止され得る。単一の燃料電池ユニット１００の電圧は比較的小さく、したがって、ＰＥＭＦＣスタック２００において複数の燃料電池ユニット１００をスタックすることにより、より高い電圧が生じる。
プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）スタック２００を図２Ｂに示す。ＰＥＭＦＣスタック２００は、複数の実質的に同一の燃料電池ユニット１００（図１）から形成される。図１によって示されるように、各燃料電池ユニット（「ユニットセル」）は、２つのバイポーラプレート（ＢＰ）１１０の間に挟まれた膜／電極アセンブリ１３０を含む。膜／電極アセンブリ１３０のプロトン交換膜１３６は、アノード１３２とカソード１３４との間に配置される。水素は、アノード１３２における第１のバイポーラプレート１１０を介して供給され、酸素は、カソード１３４における第２のバイポーラプレート１１０を介して供給される。膜１３６は、正の水素原子のみが膜／電極アセンブリ１３０を通過して酸素と結合して水を形成することを可能にし、それによって、アノード１３２とカソード１３４との間の電圧がもたらされる。各燃料電池ユニット１００の層は、流体の漏れを防止するために、ガスケット１５０（図２Ａ）で封止され得る。単一の燃料電池ユニット１００の電圧は比較的小さく、したがって、ＰＥＭＦＣスタック２００において複数の燃料電池ユニット１００をスタックすることにより、より高い電圧が生じる。
【0003】
図２Ａに示されるように、バイポーラプレート１１０は、ユニット燃料電池アセンブリ１００を通るガス及び液体のフローを促進するために、格子状パターンのチャネル２２０を有する。
【0004】
論文「Mechanical simulation of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell stack using representative elementary volumes of stamped metallic bipolar plates」（Willy Charon, Marie-Christine Iltchev, Jean-Francois Blachot, International Journal of Hydrogen Energy no.39 (2014) 12195-13205）において述べられているように、燃料電池の性能の制御のためには、機械的応力の知識が必要とされ、スタックアーキテクチャの初期段階のモデリング及びシミュレーションは、スタックのコストを下げ、コンポーネントの寸法及び形の設計に寄与する。さらに、応答シミュレーションによって、電気的性能を計算するために解析及び手直しが可能な機械的応力を予測することが可能となる。しかしながら、燃料電池スタックの詳細な有限要素（ＦＥ）モデル（ＦＥＭ）は、計算的に解くのは非現実的となる、数十億もの自由度を持つ場合がある。一部の素体積（elementary volume）を代表体積要素（ＲＶＥ）に置き換えることによって、モデル化されたＢＰの自由度（ＤｏＦ）の数を減らすことができるが、そのようなシミュレーションのセットアップは、多大な時間及び労力を要し、所与の用途のために燃料電池を最適化するための後続のすべての反復も同様である。さらに、ＲＶＥ手法を用いて開発された材料モデルは、等方性、直交異方性、及び異方性（線形弾性モデル）であった。したがって、当業界では、これらの欠点に対処する必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0005】
発明の概要
本発明の実施形態は、ＲＶＥを使用した燃料電池スタックのシミュレーション手法を提供する。簡単に説明すると、本発明は、代表体積要素（ＲＶＥ）ユニット燃料電池モデルの生成を自動化するコンピュータ実装方法に向けられている。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のユニットセルの有限要素モデル（ＦＥＭ）が受信される。ＦＥユニットセルの離散化を有するユニット領域を識別する入力が受信される。ユニット領域に対応するメッシュルールが受信される。ＦＥユニット領域及びメッシュルールに基づいて、ＦＥユニット領域に対応するＲＶＥユニット領域が生成される。
本発明の実施形態は、ＲＶＥを使用した燃料電池スタックのシミュレーション手法を提供する。簡単に説明すると、本発明は、代表体積要素（ＲＶＥ）ユニット燃料電池モデルの生成を自動化するコンピュータ実装方法に向けられている。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のユニットセルの有限要素モデル（ＦＥＭ）が受信される。ＦＥユニットセルの離散化を有するユニット領域を識別する入力が受信される。ユニット領域に対応するメッシュルールが受信される。ＦＥユニット領域及びメッシュルールに基づいて、ＦＥユニット領域に対応するＲＶＥユニット領域が生成される。
【0006】
本発明の他のシステム、方法、及び特徴は、当業者には明らかであるか、又は以下の図面及び詳細な説明を考察することにより、当業者には明らかになるであろう。そのような追加のシステム、方法、及び特徴はすべて、本明細書の記載に含まれ、本発明の範囲内にあり、及び添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。
【0007】
図面の簡単な説明
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面中のコンポーネントは、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、本発明の原理を明確に図示することに重点が置かれている。図面は、本発明の実施形態を図示するものであり、明細書の記載と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面中のコンポーネントは、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、本発明の原理を明確に図示することに重点が置かれている。図面は、本発明の実施形態を図示するものであり、明細書の記載と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】例示的な燃料電池ユニットの概略図である。
【図3】ＦＥユニットセルの例示的な離散化パーティショニングを示す概略図である。
【図4】ユニット領域ＲＶＥを作るための自動化プロセスの第１の例示的な実施形態の第１のプラグインのユーザインタフェースを示す概略図である。
【図9】複数のユニット領域ＲＶＥからＲＶＥユニットセルを作るための自動化プロセスの第２の例示的な実施形態の第２のプラグインのユーザインタフェースを示す概略図である。
【図11】第１の実施形態及び第２の実施形態の処理フローを図示するフローチャートである。
【図12】本発明の機能性を実行するためのシステムの一例を図示する概略図である。
【図13】第２のプラグインが起動される前、第２のプラグインの第１の部分が起動された後、及び第２のプラグインの第３の部分が起動された後のデータセットを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下の定義は、本明細書に開示される実施形態の特徴に適用される用語の解釈に役立つものであり、本開示内の要素を定義することのみを意図したものである。
【0010】
本開示内では、「プロトン交換膜燃料電池」（ＰＥＭＦＣ）（高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池としても知られる）は、輸送用途のために、並びに定置型燃料電池用途及び携帯型燃料電池用途のために通常使用される燃料電池のタイプを指す。それらは、温度及び／又は圧力範囲（５０～１００℃）で動作することができ、プロトン伝導性高分子電解質膜を内包する。ＰＥＭＦＣは、電気を生成し、電気を消費するＰＥＭ電解とは逆の原理で動作する。ＰＥＭＦＣは、電極、触媒、及びガス拡散層（ＧＤＬ）を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）から形成され得る。セルは、電解質、触媒、及び反応体が混合する三相境界（ＴＰＢ）を有する。
【0011】
本開示内では、「膜－電極アセンブリ」（ＭＥＡ）は、ＰＥＭＦＣのＰＥＭ膜並びにカソード及びアノード触媒層を指す。
【0012】
本開示内では、「触媒層」（ＣＬ）は、ＰＥＭＦＣのナノメートルスケールの細孔構造を指す。ＣＬは、膜の両側（一方の側のアノード層、及び他方の側のカソード層）に加えられ、ＰＥＭを直接取り囲む。
【0013】
本開示内では、「バイポーラプレート」（ＢＰ）又はフローフィールドプレートは、ガス及び水のフローの入力及び出力を提供するためのＰＥＭＦＣの外面層を指す。ＢＰは、流体チャネルを形成するために打ち抜かれた金属プレートであってもよい。複雑で不規則なチャネルパターンは、モデリングに大きな課題を提示する。
【0014】
本開示内では、「トッププレート」は、一軸圧縮のための平行移動が適用されるＰＥＭＦＣの第１のプレートを指す。対応する固定プレートは、ボトムプレートと呼ばれる。ＣＡＤ環境においてユニット燃料電池をマニピュレートする際に、ユーザは、ユーザが平行移動を適用したい３Ｄパーツに対して「トップ」と記述に加え得る。同様に、ユーザは、それぞれの３Ｄパーツの記述に「ボトム」を加え得る。ＣＡＤ環境は、ｚ軸がトッププレートに対して法線であると定義されたローカル軸系を作成する。平行移動は、このｚ軸に対して適用される。
【0015】
本開示内では、「フィールド出力」とは、燃料電池モデル全体にわたって、又はモデルの一部にわたって空間的に分布するデータを指す。
【0016】
本開示内では、「履歴出力」は、燃料電池モデルの特定のポイントにおけるデータ、例えば、異なる荷重条件下でポイントにおいて記録されたデータを指す。
【0017】
本開示内では、「知識工学仕様（Knowledge Engineering Specification）」（Ｋ．Ｅ．Ｓ．）は、物理的アセンブリ（実際の製品）を指定するために使用されるデータ構造を指す。Ｋ．Ｅ．Ｓ．は、例えば、製品を複製するために使用されるエンジニアリングテンプレートを含み得る。エンジニアリングテンプレートは、物理的アセンブリの複数のコンポーネントを含む場合があり、コンポーネントの少なくともいくつかは、ＦＥＭによって表される。エンジニアリングテンプレートは、アセンブリ設計のためのリソーステーブルに包含される。Ｋ．Ｅ．Ｓ．について、エンジニアリングテンプレートをインスタンス化するために、反応が使用され、反応は、１つ又は複数のパラメータによってトリガされ得る。
【0018】
本開示内では、「変位」は、アセンブリの２つのコンポーネント間の距離、例えば、第２のバイポーラプレートと平行な第１のバイポーラプレートと、第２のバイポーラプレートとの間の分離を指す。
【0019】
本開示内では、「平行移動」は、例えばｍｍ単位で測定される、アセンブリコンポーネント間の変位の変化を指す。
【0020】
本開示内では、「ユニットセル」又は「ユニットセルアセンブリ」は、幾何学的形状及び機械的特性を有するソリッドから成るＰＥＭＦＣサブアセンブリを指す。例示的なユニットセルアセンブリは、セルの能動パーツを形成するコンポーネントのスタックを含み得る：
・膜／電極アセンブリ（ＭＥＡ）、すなわち、プロトン交換膜並びにアノード側及びカソード側の触媒、
・２つのガス拡散層（ＧＤＬ）、並びに
・ガス及び冷却液を分配する、ＭＥＡ／ＧＤＬを挟む２つの金属バイポーラプレート（ＢＰ）。
・膜／電極アセンブリ（ＭＥＡ）、すなわち、プロトン交換膜並びにアノード側及びカソード側の触媒、
・２つのガス拡散層（ＧＤＬ）、並びに
・ガス及び冷却液を分配する、ＭＥＡ／ＧＤＬを挟む２つの金属バイポーラプレート（ＢＰ）。
【0021】
ユニットセルは、能動エリア、並びに水素、空気、及び冷却回路を隔離するシーリングジョイント（ガスケット）も含み得る。
【0022】
本開示内では、「ＰＥＭＦＣスタック」は、複数の類似のユニットセルから形成されたアセンブリである。
【0023】
本開示内では、「ＦＥユニットセル」の「ＦＥセル」は、ユニットセルの有限要素モデルを指す。
【0024】
本開示内では、「素体積」とは、特定の形状を有するユニットセルの繰り返し３次元部分を指す。等価ドメインが各素体積に関連付けられる（例えば、素体積を取り囲む直平行六面体）。
【0025】
本開示内では、代表体積要素（ＲＶＥ）は、ＦＥセルパーツの素体積を、均質化された特性を有する複合有限要素に置き換えることによってモデルを簡略化する方法を指す。ここで、ユニットセルのサーフェスは、複数のより小さな領域（「ユニット領域」）に分けられる。ユニット領域は、不規則なサイズ及び形状を有していてもよい。同一のジオメトリ及び類似の特性を有するユニット領域は、ユニットノードとしてタグ付けされてもよく、いくつかのユニット領域（素体積）は、同じ体積を有するＲＶＥに置き換えられる。関心のある特性には、弾性率などの機械的特性及び熱的特性が含まれ、これは、物理系を記述するために使用される、どのような平均量であってもよい。
【0026】
本開示内では、「ＲＶＥセル」は、ＦＥセルユニット領域の少なくともいくつかが、同じ体積を有するＲＶＥユニット領域と置き換えられたＦＥセルを指す。
【0027】
ＲＶＥは、対応する構造の構成応答を表すユニット材料体積要素である。単一の燃料電池は、ユニット領域と呼ばれるより小さな要素体積に離散化される。ある特定のユニット領域は、線形弾性、超弾性、及び超発泡材料で構成される。これらのすべての材料の複合効果は、ユニット領域を素体積として表すために興味深いものである。したがって、ガスケット厚さ挙動（損傷のタイプ）材料モデルを有するガスケット要素を用いて、異なる燃料電池コンポーネントのジオメトリ及び材料の非線形性を考慮するためにユニット領域を定義する。ユニット領域の一軸圧縮によって生成される圧力対クロージャ荷重曲線（pressure versus closure loading curve）が、ガスケット厚さ挙動を定義するために使用される。
【0028】
本開示内では、「生成的ワイヤフレーム＆サーフェス」は、物理的ワイヤフレーム（「サーフェスベースのモデル」）に似たエッジを有する、複数のより小さな幾何学的サーフェスで物理的サーフェスをモデル化する方法を指す。これらのより小さな幾何学的サーフェスは、「メッシュ」と総称される。サーフェスモデルの粒度及び精度は、メッシュ要素の形状及びサイズを指定することによって制御され得る。「分割すること」は、フレームを失うことなく、サーフェスベースのモデルをより小さなセクション（分割）にカットすることを伴う。
【0029】
本開示内では、「分割」は、サーフェス又はソリッドをカットする操作を指し、これらは通常、２つの別々のコマンド、コンピュータ支援３次元インタラクティブアプリケーション（ＣＡＴＩＡ）として扱われる。例えば、バウンディングボックス内に含まれるジオメトリを再メッシュするためには、ユニット燃料電池のジオメトリが、バウンディングボックスによって分割（カット）される必要がある。ＢＰ、ＭＥＡ、トッププレート、及びボトムプレートの場合、メッシュはサーフェスジオメトリ上に作成されるため、サーフェスジオメトリ分割操作が使用される。ＧＤＬ、ガスケットの場合、メッシュは、ソリッドジオメトリ上に作成されるため、ソリッドジオメトリ分割操作が使用される。
【0030】
本開示内では、「反応」は一般に、イベントが発生したときに、１つ又は複数のフィーチャ属性を変更するやり方を指定するスクリプトをユーザが作成することを可能にする機能を指す。例えば、イベントは、作成、削除、更新、属性変更、及びパラメータ値変更などのＣＡＤオブジェクト上のどのような一般的イベントであってもよい。
【0031】
本開示内では、「エンジニアリングテンプレート」は、（通常）よく使用されるコンポーネントのデータ構造を指す。エンジニアリングテンプレートをインスタンス化することによって、既存のコンポーネントの再利用を、新たな目的のために使用することが可能となる。
【0032】
素体積の選択、及び素体積ごとの関連付けられたＲＶＥの決定のプロセスは、当業者にはよく知られていることに留意されたい。
【0033】
これより、例が添付の図面に図示される、本発明の実施形態について詳細に言及する。可能な限り、同じ参照番号が、同じパーツ又は似ているパーツを指すために図面及び明細書の記載において使用される。
【0034】
本開示は、燃料電池アセンブリのモデル次数削減を達成するために使用される代表体積要素（ＲＶＥ）手法の例示的な実施形態を提供する。ＲＶＥは、対応する構造の構成応答を表すユニット材料体積要素である。単一の燃料電池は、ユニット領域と呼ばれるより小さな要素体積に離散化される。ある特定のユニット領域は、線形弾性、超弾性、及び／又は超発泡材料を含み得る。これらのすべての材料の複合効果は、ユニット領域を素体積として表すために組み込まれる。したがって、例えば、ガスケット厚さ挙動（損傷のタイプ）材料モデルを有するガスケット要素を用いて、異なる燃料電池コンポーネントのジオメトリ及び材料の非線形性を考慮するためにユニット領域を定義し得る。ユニット領域の一軸圧縮によって生成される圧力対クロージャ荷重曲線が、ガスケット厚さ挙動を定義するために使用され得る。
【0035】
第１の実施形態の下で自動化のためにＰＥＭＦＣをシミュレートする戦略は、以下の概要によって要約され得る：
１．ＰＥＭＦＣの初期設計を受信する。
２．ＰＥＭＦＣのＦＥユニットセルの準備。これは、バイポーラプレートの幾何学的フィーチャを含む、シミュレーションで利用されるユニットセルの解析、例えば、繰り返されるフィーチャ及び対称領域を識別することを含む。
３．ＲＶＥの生成。これは、ＦＥユニットセルの離散化（複数のユニット領域へのＦＥユニットセルのパーティショニング）、繰り返されるユニット領域を識別すること、各繰り返されるユニット領域をモデル化すること、各ユニット領域のシミュレーションを行うことを含む。図３によって示される例示的な離散化戦略は、サーフェスジオメトリを作成するために、ユニットセルＦＥＭ３１０の矩形パターンを選択することを含む。デモンストレーション目的のためだけに、図３は、ユニットセルＦＥＭ３１０のジオメトリに対応しない、均一な大きさのユニット領域５１０を示していることに留意されたい。ガスケットの挙動に対処することもできる（例えば、初期条件として事前ロードされる体積要素としてガスケットを作成する）。
４．（ＲＶＥを有する）グローバルモデル。これは、クランプ力が存在する場合の（ガスケット挙動を有する）グローバルモデルを作成することと、グローバルモデルのシミュレーション結果を記録することとを含む。
５．サブモデル。ここで、サブモデルとは、フルモデルの局所的な一部であり、この場合、改良されたメッシュを有する詳細なＦＥモデル（ユニット領域に類似）である。サブモデルは、初期グローバルＲＶＥモデルからの解の補間によって駆動される。
１．ＰＥＭＦＣの初期設計を受信する。
２．ＰＥＭＦＣのＦＥユニットセルの準備。これは、バイポーラプレートの幾何学的フィーチャを含む、シミュレーションで利用されるユニットセルの解析、例えば、繰り返されるフィーチャ及び対称領域を識別することを含む。
３．ＲＶＥの生成。これは、ＦＥユニットセルの離散化（複数のユニット領域へのＦＥユニットセルのパーティショニング）、繰り返されるユニット領域を識別すること、各繰り返されるユニット領域をモデル化すること、各ユニット領域のシミュレーションを行うことを含む。図３によって示される例示的な離散化戦略は、サーフェスジオメトリを作成するために、ユニットセルＦＥＭ３１０の矩形パターンを選択することを含む。デモンストレーション目的のためだけに、図３は、ユニットセルＦＥＭ３１０のジオメトリに対応しない、均一な大きさのユニット領域５１０を示していることに留意されたい。ガスケットの挙動に対処することもできる（例えば、初期条件として事前ロードされる体積要素としてガスケットを作成する）。
４．（ＲＶＥを有する）グローバルモデル。これは、クランプ力が存在する場合の（ガスケット挙動を有する）グローバルモデルを作成することと、グローバルモデルのシミュレーション結果を記録することとを含む。
５．サブモデル。ここで、サブモデルとは、フルモデルの局所的な一部であり、この場合、改良されたメッシュを有する詳細なＦＥモデル（ユニット領域に類似）である。サブモデルは、初期グローバルＲＶＥモデルからの解の補間によって駆動される。
【0036】
このシミュレーションのさらに詳細な記述は、Charonの参考文献に見つけることができることに留意されたい。
【0037】
第１の例示的な実施形態の下では、第１のアプリケーション（「第１のプラグイン」）は、ＦＥユニットセルのセクションに関するパラメータを受け付け、対応するＲＶＥユニット領域を自動的に作る。図４は、第１のプラグイン４００のためのグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）の第１の例示的な実施形態を示す。インタフェースは、選択されたユニット領域（「ボックス」）５１０に関するユーザ入力を受信するための第１のユニット部分４１０（第１のステップに対応）と、モデルシナリオに関するユーザ入力を受信するための第２の部分４５０（第２のステップに対応）と、プラグインによって生成されたＲＶＥのパスを出力として受信するための第３の部分４６０（第３のステップに対応）と、プログレスステータスインジケータを表示する第４の部分４７０とを含む。
【0038】
第１の部分４１０は、ユニット領域モデルのカッティング及びユニット領域メッシュ接続作成の第１のステップに使用される。図５は、第１のプラグインユーザインタフェース４００の第１の部分４１０の集団（population）に対する入力及び出力の表現を描写している。ユーザは、ユニットセルＦＥＭ３１０からユニット領域５１０を選択する。例えば、ボックス４２２をクリックすることによって、ホストＣＡＤプログラムは、ユーザに対して、ユニットセルＦＥＭ３１０の複数のユニット領域をグラフィカルに表示することができる。ユーザは、ホストＣＡＤプログラムによって、例えば、プラグインが選択を受信するように、ユニットセルＦＥＭ３１０の特定のユニット領域を（例えば、マウス又はトラックパッドを用いて）クリックすることによって、ユニットセルＦＥＭ３１０のグラフィック表現内のユニット領域５１０を選択することができる。「ボックス番号」フィールド４１１は、選択されたユニット領域５１０の番号をユニット領域（「ボックス」）識別子フィールド４１１に表示し、ユニットセルＦＥＭ３１０の対応するＦＥＭ識別子を第１の部分４１０のＦＥＭ識別子フィールド４１２に表示する。ある代替実施形態では、ユーザは、ボックス番号をボックス識別子フィールド４１１に投入し、ＦＥＭ識別子をＦＥＭ識別子フィールド４１２に投入することによって、ユニット領域を選択することができる。
【0039】
次に、ユーザは、ユニット領域メッシュルールボックス４１３を使用して、識別されたユニット領域の異なる部分に関するルール、この例では、バイポーラプレート４１４、ガスケット４１５、プロトン交換膜（ＰＥＭ）４１６、及びガス拡散層（ＧＤＬ）４１７に関するユニット領域メッシュルールを指定することができる。
【0040】
ここで、ユーザは、例えば、図８Ｃを参照して、表１によって示されるように、ユニット領域のコンポーネントに応じて、要素８９０をユニット領域メッシュに割り当てる。
【0041】
【表1】
【0042】
代替実施形態は、他の要素タイプを同様に使用し得る。
【0043】
ＦＥＭボックス４２４は、ユニットセルのＦＥＭ表現がユニット領域モデルにおいて複製されているか否かを検証するために使用される。場合によっては、複製は失敗し得る。ＦＥＭ表現の複製がユニット領域において達成されていない、そのような失敗シナリオでは、プラグインは、それ以上ステップを実行せず、代わりに、エラーメッセージ、例えば、「ユーザが選んだＦＥＭは、製品にはありません」を表示する。
【0044】
第１のステップを完了するために、例えば「ステップ１」ボタン４１８を介してユーザによってトリガされると、第１のプラグインは、以下にさらに説明するように、受信したフィールドを使用して、ユニット領域モデル５００を生成する。図８Ａは、第１のプラグイン４００の第１のステップの入力及び出力を示す概略図である。第１のステップへの入力は、ユニット燃料電池モデル８１０であり、これは、例えばＫ．Ｅ．Ｓ．８１２、ＲＶＥバウンディングボックスを包含する３Ｄパーツ８１４、及び／又はユニット領域モデルを生成するために複製される３Ｄ製品８１６（ユニットセルＦＥＭを包含する）を含み得る。３Ｄ製品は、例えば、製品のＣＡＤ表現、又はＦＥＭ表現であってもよい。
【0045】
実行時に、第１のプラグインの第１のステップは、第１のＲＶＥ８２１を作る。第１のステップは、再度実行されてもよく、２回目の実行は、ユニット燃料電池ＦＥＭ８１０の第２のユニット領域８２２の定義を受信し、対応する第２のＲＶＥ８２２を作る。第１のプラグイン４００は、複数ｎ回、すなわち、ｎ個のユニット体積の各々に対して１回ずつ起動されてもよく、その結果、複数ｎ個のＲＶＥ８２１、８２２、…、８２ｎが得られる。
【0046】
第１のプラグイン４００が第１のステップにおいてユニット領域モデル５００を生成すると、第２のステップ（第２の部分４５０に対応）は、ユニット領域モデルに作用し得る力を定義するモデルシナリオ８４０に関するユーザ入力を受信する。
【0047】
第２のステップのシナリオ４５０の目的は、実行時に力対変位データを生成する一軸圧縮シミュレーション荷重ケースを設定することである。力対変位データは、以下にさらに説明するように、第３のステップ４６０において、圧力－クロージャデータにさらに変換される。
【0048】
例えば、ユーザは、トッププレートの平行移動値（例えば、ｍｍ単位の距離）をトッププレート平行移動フィールド４５２（図４）に投入することができる。この平行移動値は、シナリオ８４０を記述するために使用され、プラグインは、平行移動値をアプリケーション、例えば「Mechanical Scenario App」に渡して、外力の存在下でのユニット領域のダイナミクスを決定する。第１のプラグインの第２のステップ４５０は、シナリオ８４０に関するデータをユニット領域モデル５００に適用して、ユニット領域シナリオ６００を作る。
【0049】
ユーザがステップ２ボタン４５８をクリックすると、ユーザインタフェーススクリプトは、ユニット領域シナリオ６１０を作る第２のステップを実行するためのアプリケーションを呼び出し、例えば、Dassault Systemesの3DS Mechanical Scenario Creationアプリケーションは、瞬間的又は動的荷重イベントを組み込む解析を含む、機械的モデルに対する任意のタイプのシミュレーションを定義して行うためのツールを提供する。ここで、スクリプトは、ステップ１の結果に加えて、ユーザによって投入されたデータをアプリケーションに渡す。
【0050】
図８Ｂは、シナリオ８４０が複数のＲＶＥ８３１、８３２、…、８３ｎに適用される、第１のプラグイン４００の第２のステップ４５０の出力を図示する。各シナリオ８４０は、対応するＲＶＥ８３１、８３２、…、８３ｎに関する特定解析ケース８４１、８４２、…、８４ｎに対応し得る。ユーザは、特定解析ケース８４１、８４２、…、８４ｎを使用して、それぞれのシナリオ特定解析ケース８４１、８４２、…、８４ｎを組み込んだ対応する結果ＲＶＥ８６１、８６２、…、８６ｎを決定することができる。
【0051】
図８Ｃは、図８Ｂのシナリオ処理に対する追加の詳細を提供する。静的ステップ８７０が荷重ケースに対して定義されてもよく、静的ステップは、慣性効果が無視される安定問題の応力解析を行う。ここで、ユニット領域コンポーネント間の相互作用８７１、８７２は、摩擦係数を定義する接触プロパティを有する「一般接触」８７２であると仮定する。トッププレートは、第２のステップ４５０においてユーザによって手動で投入された値によってユニット領域の厚さ方向に平行移動される。ボトムプレートは、固定され、３軸すべてにおいて平行移動及び回転を持たない。ユニット領域の境界ノードには、対称境界条件８７３が割り当てられ得る。出力要求８７４は、変位Ｕ、反力ＲＦ、及び接触圧力ＣＰＲＥＳＳのフィールド出力８７５を含んでもよく、平行移動方向におけるトッププレート剛体の基準点における変位及び反力の履歴出力８７６は、スクリプトによって要求されている。このシミュレーションシナリオ全体のセットアップは、ユーザがステップ２ボタン４５８をクリックしたときに生成され、次に、さらなる後処理のためにシナリオが実行される。
【0052】
第１のプラグインの第３の部分４６０は、第１のプラグインの第２のステップ４５０においてユーザによって投入されたシナリオ下で、ＲＶＥユニット領域に対して起動されたシミュレーション結果の抽出及び処理のために使用される。第３の部分４６０は、プラグインがユニット領域圧力－クロージャデータ７２０の結果の宛先として使用するパスを入力としてユーザから受信する。
【0053】
第１の実施形態は、ユニット領域圧力－クロージャデータ７２０を作るが、ある代替実施形態では、第１のプラグイン４００は、プラグインインタフェースを介して受信したデータ及び／又はＲＶＥユニット領域に関する追加データ／パラメータを外部モジュールに提供して、第１のプラグイン４００の出力として追加データセットを作る追加シナリオをシミュレートすることができる。そのような追加出力は、第２のプラグイン９００（下記で説明する図９）への入力として提供されてもよい。
【0054】
各ユニット領域解析８４１、８４２、…、８４ｎについて、変位、反力、及び接触圧力のフィールド出力８７５が、第２のステップ４５０の結果から組み込まれる。
【0055】
同様に各ユニット領域について、剛体「トッププレート」で要求された変位及び反力の履歴出力８７６が、第２のステップ４５０の結果から組み込まれる。ｘ－ｙデータの形式の履歴出力プロットは、特定のユニット領域の圧力クロージャデータ点を抽出するために使用される。例えば、第１のプラグインは、ユニット圧力－クロージャデータ７２０の結果及び／又は他の導出若しくは受信データ（例えば、変位シナリオ）を外部モジュールに提供して、実際の燃料電池のコンポーネントに適切な材料プロパティのセットを決定する。
【0056】
ユニット領域のシミュレーション実行後、第３のステップ４６０は、反力対変位の履歴プロット７１０をデータベースファイル（例えば、ｘｓｌｓファイル）にエクスポートする。クロージャ（変位）データに対する圧力データを得るために、反力データが、「トッププレート」の面積で除算される。
【0057】
第１のプラグインの第４の部分４７０は、グラフィックプログレスインジケータを表示することができる。
【0058】
図８Ｄは、第１のプラグイン４００によって行われる３つのステップの各々の入力及び出力を描写している。第１のプラグインの第１のステップ４１０への入力は、前提条件情報（破線の上）と、プラグインテキストボックス４１１～４１２及び４１４～４１７（図４）に入力されたユーザパラメータを含む追加の入力（破線の下）との両方を含む。特定の入力機構及びフィールドは、代替実施形態においては異なり得ることに留意されたい。前提条件データは一般に、ユニット燃料電池モデル８１０に関するものであり、例えば、数ある例の中でも、エンジニアリングルール（例えば、反応及び式）、アセンブリ設計、並びにエンジニアリングテンプレートである。前提条件データは、式、ルール、及びチェックなどの知識を設計に埋め込み、それを利用して、エンジニアリング上の決断を支援し、エラーを低減し、又は設計を自動化するために使用されるEngineering Rules Captureアプリを介して、ホストＣＡＤ環境によって収集され得る。同じように、Engineering Templatesアプリは、データベースコンポーネント（製品、シミュレーション、又はパーツなど）の複製及び参照を行う操作の効率的な作成を支援する。
【0059】
入力データは、生成的ワイヤフレーム及びサーフェスパラメータ、並びに構造モデル作成８０４に関するデータを含む。構造モデル作成８０４は、例えば、ＦＥＭ８１６及びユニット領域メッシングルールエディタ８０６を含む、シミュレーションの構造応答に影響を与えるモデルフィーチャを追加及び編集するためのＣＡＤ環境にネイティブなアプリケーションによって促進され得る。
【0060】
第１のプラグインの第１のステップ４１０は、前提条件及び入力を使用して、ＦＥＭ８１６を、例えば、複数の分割８０２を含むパーツ（ユニット領域）に離散化する。上記のように、第１のプラグイン４００は、図４に示すプラグイングラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を介して受信したユーザ定義ユニット領域及びユニット領域メッシュルールパラメータ４１４～４１７に基づいて、ユニット領域ＲＶＥモデル５００を作成する。ユーザは、例えば、適切なフィールド４１１～４１２、４１４～４１７に手動でデータを追加した後に、ステップ１ボタン４１８を選択することによって、第１のプラグインＧＵＩを介してＲＶＥモデル５００の生成をトリガすることができる。
【0061】
図６によって示されるように、第１のプラグインの第２のステップ４５０は、第１のプラグインの第１のステップ４１０によって作成されたＲＶＥユニットモデル５００を使用して、ユニット領域メッシュを作成し、一軸圧縮解析ケースを作成する。第１のプラグインの第２のステップ４５０は、第１のプラグインＧＵＩを介して機械的シナリオ８４０、例えば、トッププレート平行移動４５２（図４）を受信する。ユーザは、例えばステップ２ボタン４５８（図４）を選択することによって、第１のプラグインＧＵＩを介してユニット領域シナリオ６００の生成をトリガすることができる。ここで、第１のプラグインの第２のステップは、Mechanical Scenario Creationアプリケーション、又は類似の既存のユーティリティを呼び出して、瞬間的又は動的荷重イベントを組み込む解析を含む、ユニット領域モデル５００に対するシミュレーションを定義して行うための適切なツールを提供する。
【0062】
図７によって示されるように、第１のプラグインの第３のステップ４６０は、第１のプラグインの第２のステップ４５０によって作成されたユニット領域シナリオ６００を使用する。第１のプラグインの第３のステップ４６０は、（例えば、パステキストボックス４６２（図５）を介して）ユーザによって入力されたファイルパスを受信し、アプリケーション、例えば、ユニット領域シナリオ６００を受け付け、モデル応答のグラフィック出力及び／又はアニメーションを作成するネイティブアプリであるPhysics Results Explorerを呼び出す。例えば、第１のプラグインの第３のステップの出力は、ユニット領域シナリオ６００のクロージャ（バイポーラプレート間の距離）に対する圧力をプロットするグラフ７１０であってもよい。
【0063】
上記のように、第１のプラグイン４００は、複数のＲＶＥユニット領域の作成を自動化するために使用することができ、ＲＶＥユニット領域は、モデルにおいてＦＥユニット領域を効果的に置き換える。第１のプラグイン４００の出力は、すべてのユニット領域に対して生成される圧力クロージャデータである。第２の例示的な実施形態の下では、圧力クロージャデータは、ＲＶＥユニットセルを作るための第２のプラグイン８００に入力される。
【0064】
図９によって示されるように、第２の例示的な実施形態の下では、第２のアプリケーション（「第２のプラグイン」）９００が、ＦＥユニットセルのＲＶＥユニットに関するパラメータを受け付けて、対応するＲＶＥユニットセルを自動的に作る。図９は、第２のプラグイン９００のユーザインタフェースの第２の例示的な実施形態を示す。
【0065】
インタフェースは、ＣＡＤ離散化に関するユーザ入力を受信するための第１の部分９１０（第１のステップに対応）と、ＲＶＥユニットセルメッシュ及びプロパティに関するユーザ入力を受信するための第２の部分９５０と、プログレスステータスインジケータを表示する第３の部分９７０とを含む。
【0066】
第１の部分（ＣＡＤ離散化）９１０は、ＲＶＥユニットセルモデルを生成するために、ジオメトリ準備に取り組む。このセクションへの入力は、（上記の第１のプラグイン４００の第１の部分４１０及び第２の部分４５０のように）離散化ステップで生成されたバウンディングボックス、燃料電池の中間サーフェス、及び任意選択的に対称平面である。第２のプラグイン９００は、入力された中間サーフェスを、バウンディングボックス内に囲まれたエリアである、より小さなサーフェスにカットする。ユーザが対称平面に関する入力を与えた場合、これらの分割を使用して、平面に関して対称なサーフェスを作成する。例えば、モデルは４分の１の対称を有する場合があり、したがって、サーフェスの４分の１領域に対して分割が生成され、残りの４分の３の分割は、対称操作によって生成される。このようにして、ユーザは、ジオメトリ全体についてバウンディングボックスを作成する時間を節約する。これらの分割（及びもしあれば対称サーフェス）は、ＲＶＥ要素のサーフェスメッシュを生成するための幾何学的サポートとして機能する。
【0067】
第２のプラグインの第１の部分９１０は、ＲＶＥユニットセル（「ＲＶＥモデル」）を作るためにＦＥユニットセルに組み込まれるＲＶＥユニット領域の選択に使用される。第２のプラグインの第２の部分９５０は、ＲＶＥユニットセルに組み込まれるＲＶＥユニット領域のＲＶＥユニットセルメッシュ及びプロパティを定義するために使用される。第２のプラグイン９００は、入力として、例えば生成的ワイヤフレーム及びサーフェスアプリケーションからのワイヤフレームサーフェス、第１のプラグイン４００によって作られたデータ、例えば、ＲＶＥユニットモデル及び圧力（ＭＰａ）対クロージャ（データ）を受信する。第２のプラグイン９００は、第２のプラグインのＧＵＩを介してユーザによって手動で投入されたパラメータも受信する。
【0068】
第２のプラグインユーザインタフェースの第１の部分９１０は、以下の制御を含む。ＲＶＥボタン９２１は、（上記の第１のプラグイン４００の第１の部分４１０及び第２の部分４５０のように）離散化ステップで作成されたすべてのバウンディングボックス（繰り返し及び一意）のユーザ選択を可能にする。「ＲＶＥの総数」フィールド９１１は、ユーザが選択したバウンディングボックスの総数を表示する。
【0069】
「サーフェス」ボタン９２２は、ユニット燃料電池の厚さの中間レベルにあるサーフェスのユーザ選択を可能にし、バウンディングボックスは、このサーフェスを、ＲＶＥサーフェスメッシュを作成するために使用されるより小さなサーフェスに分割する。「名称」フィールド９１２は、選択された中間レベルのサーフェスの名称を表示する。
【0070】
平面ボタン９２４は、ユーザが、もしあれば対称平面を選択することを可能にする（対称平面がない場合は、ユーザは、このボタンをスキップすることができる）。「平面数」フィールド９１４は、ユーザによって選択された対称平面の数を表示する。第１の部分の起動ボタン９１６は、第２のプラグインに、選択されたサーフェスに対する分割を生成させる。ユーザが対称平面を提供した場合、分割の対称サーフェスが作成される。
【0071】
第２の部分（メッシュ及びプロパティ）９５０は、ＲＶＥ要素の厚さ値、及び第１のプラグインによって生成された圧力－クロージャデータを包含するフォルダのパスを入力として受信する。ＦＥＭ表現が、ＲＶＥユニットセルモデルに挿入される。分割（及びもしあれば対称サーフェス）を使用して２次元サーフェスメッシュが作成され、これらの２Ｄサーフェスメッシュは、厚さ／２の値だけ両側で法線方向に押し出される。すべての３Ｄメッシュに対してガスケット断面プロパティが作成される。第１のプラグインによって生成された圧力クロージャデータ７２０は、材料定義の荷重曲線セクションに圧力クロージャデータ７２０を挿入することによって、ガスケット厚さ挙動（損傷のタイプ）モデルに使用される。次に、この材料は、ガスケットプロパティに割り当てられる。
【0072】
第２のプラグインユーザインタフェースの第２の部分９５０は、以下の制御を含む。ユーザは、「ＲＶＥ厚さ（ｍｍ）」フィールド９５２にＲＶＥ要素の厚さ（ｍｍ単位）をキー入力することができる。ＲＶＥサーフェスメッシュは、サーフェスメッシュに対して法線方向に、サーフェスの両側で「厚さ」／２だけ押し出される。フォルダボタン９５４により、ユニット領域の圧力クロージャデータの出力（データベース、例えばExcel）ファイルが保存されるフォルダをユーザが選択することが可能となる。「パス」フィールド９５６は、選択されたフォルダパスを表示する。第２の部分の起動ボタン９６６をクリックすることにより、第２のプラグインが、分割及び対称性（第１の部分の起動ボタン９１６のプロセスの出力）を使用してＲＶＥサーフェスメッシュを生成する。次に、ＲＶＥの３Ｄ要素を形成するために、これらのメッシュを押し出すことができる。データベースファイルからの圧力クロージャデータを使用して、ガスケット挙動材料を作成し、この材料は、すべてのＲＶＥ要素に対してガスケットプロパティを定義する間に使用される。第３の部分のプログレスバー９７０は、起動ボタン９１６、９６６のいずれかを選択した後の完了ステータスを表示する。
【0073】
第２のプラグインは、ユニット燃料電池モデルをＲＶＥユニットセルモデルに変換する。第２のプラグイン９００は、燃料電池の中間サーフェスを分割することと、対称サーフェスを生成することと（燃料電池に対称性が存在する場合）、ＲＶＥガスケット厚さ挙動材料を作成することと、断面をそれぞれのＲＶＥ要素に割り当てることとによって、ＲＶＥ要素を作成する。
【0074】
このＲＶＥユニットセルモデルは、ＲＶＥユニットセルだけに対してメッシュ、材料、及び断面の割り当てを提供する。Material Definitionアプリを使用して、材料を定義し、オブジェクトに材料を適用する。適当な境界条件及び荷重状況（ケースごとに異なるシナリオを設定するために最低限必要な境界条件）を使用することによって、燃料電池モデル全体の圧縮がシミュレートされる。
【0075】
「ｎ」個の燃料電池スタックを有するアセンブリパターンを作るために、第２のプラグインは、ＲＶＥユニットセルメッシュを生成する。次に、このＲＶＥユニットセルモデルを使用して、燃料電池スタックを手動で作成して、さらなるアセンブリ荷重ケースシミュレーションを実施することができる。燃料電池スタックを生成するためのアセンブリパターンの作成行為、及び燃料電池スタックのシナリオ設定の行為は、手動である。このアセンブリパターンは、この時点で、燃料電池スタック全体を反映している。「ｎ」個の燃料電池スタックを有するアセンブリパターンを作るために、第２のプラグインは、ＲＶＥユニットセルメッシュを生成する。
【0076】
図１０は、第２のプラグインユーザインタフェース９００の集団に対する入力及び出力のグラフィック表現を描写している。
【0077】
図１３は、第２のプラグイン９００が起動される前のデータセット９０１（左）、第２のプラグインの第１の部分９１０が起動された後のデータセット９０２（中央）、及び第２のプラグインの第２の部分９５０が起動された後のデータセット９０３（右）を示す概略図である。特に、第２のプラグインの第１の部分９１０は、ＲＶＥユニット領域バウンディングボックスサーフェスジオメトリ１３１０を受信し、対応するＲＶＥ幾何学的セット１３１５を作る。ここで、「幾何学的セット」は、サーフェス及びワイヤフレームジオメトリを格納するコンテナを指し、ＲＶＥ幾何学的セットは、繰り返しのバウンディングボックス又は一意のバウンディングボックスの分解されたパターンを格納するために第２のプラグイン９００によって生成される幾何学的セットを指す。
【0078】
第２のプラグインの第１の部分９１０は、燃料電池中間サーフェス１３２０及び対称平面１３２２に関するデータを受信し、幾何学的分割セット１３２５（分割及び分割の対称性を格納する幾何学的セット）を作る。第２のプラグインの第２の部分９５０は、幾何学的分割セット１３２５を使用して、対応するＲＶＥサーフェスメッシュ１３５２、及びＲＶＥガスケット断面１３５４、及び材料１３５６を有するユニットセルのＦＥＭ表現１３５０を作る。
【0079】
図１４は、第２のプラグインの第１の部分９１０によって行われるＣＡＤ離散化の例示的な実施形態における機能フローを図示するフローチャート１４００である。
【0080】
ブロック１４２０によって示されるように、入力が受信される。ここで、ユーザは、第２のプラグインの第１の部分９１０のＧＵＩを介して、燃料電池中間サーフェス１４２２、一意及び繰り返しのバウンディングボックス１４２４の定義、及び／又は対称性のための基準平面１４２６を含む入力を提供する。ボックス１４３０によって示されるような各バウンディングボックス（ｉ）について、ブロック１４４０によって示されるように、サーフェス分割が受信される。（ブロック１４５０によって示されるように）基準平面が現在のバウンディングボックスの入力として受信される場合、ブロック１４６０によって示されるように、その平面に関する分割のサーフェス対称性も生成される。ブロック１４７０によって示されるように、このプロセスは、各バウンディングボックスについて反復される。
【0081】
図１５は、第２のプラグインの第２の部分９５０によって行われるＣＡＤ離散化の例示的な実施形態における機能フローを図示するフローチャート１５００である。
【0082】
ブロック１５１０によって示されるように、入力が受信される。ここで、ユーザは、第２のプラグインの第２の部分９５０のＧＵＩを介して、ＲＶＥ厚さ１５１１、及び出力ファイルのためのフォルダパスを含む入力を提供する。ボックス１５２０によって示されるような各分割（ｉ）について、ブロック１５２５によって示されるように、サーフェスメッシュが作成され、ブロック１５３０によって示されるように、押し出しオフセットメッシュが作成される。材料データの各ファイル（例えば、ブロック１５５０によって示されるようなExcelデータファイル（ｊ））について、ガスケットプロパティが作成され（ブロック１５６０）、ガスケットプロパティサポートが割り当てられ（ブロック１５６２）、並びにガスケット材料の作成及び割り当てが行われる（ブロック１５６４）。このプロセスは、ブロック１５７０によって示されるように、すべての材料データファイルが処理されるまで反復される。ブロック１５８０によって示されるように、サポートが欠落したプロパティは除去される。
【0083】
図１１は、第１のプラグイン（１１１０～１１５０）及び第２のプラグイン（１１６０～１１９０）両方のプロセスの高レベルフローチャートである。フローチャートにおけるいずれのプロセスの記述又はブロックも、プロセスにおける特定の論理機能を実装するための１つ又は複数の命令を含むモジュール、セグメント、コードの部分、又はステップを表すものとして理解されるべきであり、本発明の当業者によって理解されるように、関与する機能性に応じて、実質的に同時又は逆の順序を含む、示された又は論じられた順序とは違う順序で機能が実行され得る代替実装形態が、本発明の範囲内に含まれることに留意されたい。
【0084】
ブロック１１２０によって示されるように、第１のプラグイン４００（図４）のステップ１及び２は、ユーザ指定の離散化スキームのように、ユニット燃料電池モデル（ブロック１１１０）をユニット領域に離散化し、ユニット領域のメッシュを作成し、ブロック１１３０によって示されるように、一軸圧縮解析ケースを作成する。ブロック１１４０によって示されるように、ステップ３は、ユニット領域解析モデルを受信し、ユニット領域解析の力対変位の出力を決定し、データベースファイルにおいてそれを公開し、データベースを介してデータを圧力対クロージャに変換する。
【0085】
ブロック１１６０によって示されるように、第２のプラグイン９００（図９）は、圧力対クロージャデータ及びＲＶＥモデル１１５５を受信して、修正ＲＶＥモデル（１１７０）を生成する。
【0086】
第２のプラグイン９００に入力されるＲＶＥモデルは、燃料電池の中間サーフェス、バウンディングボックス（一意＋繰り返し）、及びもしあれば対称平面を包含する。対照的に、第２のプラグイン９００によって出力されるＲＶＥモデルは、バウンディングボックスのように、燃料電池の中間サーフェスの分割を包含する。これらの分割を使用して、ＲＶＥ要素に対して定義された断面及び材料プロパティを有するＲＶＥユニットセルメッシュが作成される。第２のプラグインは、ブロック１１８０によって示されるようにアセンブリ操作を行って、ブロック１１９０によって示されるように燃料電池のグローバルモデルを作る。
【0087】
先述のように、上記で詳細に説明した機能性を実行するための本システムは、コンピュータであってもよく、その一例が、図１２の概略図に示されている。システム１２００は、プロセッサ１２０２、ストレージデバイス１２０４、上述の機能性を定義するソフトウェア１２０８を中に格納したメモリ１２０６、入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス１２１０（又は周辺機器）、及びシステム１２００内の通信を可能にするローカルバス又はローカルインタフェース１２１２を包含する。ローカルインタフェース１２１２は、例えば、当該分野で知られているように、１つ又は複数のバス又は他の有線若しくは無線接続であってもよいが、これらに限定されない。ローカルインタフェース１２１２は、通信を可能にするために、コントローラ、バッファ（キャッシュ）、ドライバ、リピータ、及びレシーバなどの追加の要素（これらは、簡略化のために省略されている）を有し得る。さらに、ローカルインタフェース１２１２は、先に述べたコンポーネント間の適切な通信を可能にするために、アドレス、制御、及び／又はデータ接続を含み得る。
【0088】
プロセッサ１２０２は、ソフトウェア、特にメモリ１２０６に格納されたソフトウェアを実行するためのハードウェアデバイスである。プロセッサ１２０２は、任意のオーダーメイド若しくは市販のシングルコア若しくはマルチコアプロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、本システム１２００に関連するいくつかのプロセッサのうちの補助プロセッサ、半導体ベースのマイクロプロセッサ（マイクロチップ若しくはチップセットの形式）、マクロプロセッサ、又は一般にソフトウェア命令を実行するための任意のデバイスであってもよい。
【0089】
メモリ１２０６は、揮発性メモリ要素（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭなどのＲＡＭ））及び不揮発性メモリ要素（例えば、ＲＯＭ、ハードドライブ、テープ、ＣＤＲＯＭなど）のうちのいずれか１つ又は組み合わせを含み得る。また、メモリ１２０６は、電子的、磁気的、光学的、及び／又は他のタイプのストレージ媒体を組み込んでもよい。メモリ１２０６は、様々なコンポーネントが互いに遠隔地にあるが、プロセッサ１２０２によってアクセス可能である分散アーキテクチャを有し得ることに留意されたい。
【0090】
ソフトウェア１２０８は、本発明に従って、システム１２００によって行われる機能性を定義する。メモリ１２０６内のソフトウェア１２０８は、１つ又は複数の別々のプログラムを含んでもよく、各プログラムは、下記のような、システム１２００の論理機能を実装するための実行可能命令の順序付けられたリストを包含する。メモリ１２０６は、オペレーティングシステム（Ｏ／Ｓ）１２２０を包含し得る。オペレーティングシステムは、基本的に、システム１２００内のプログラムの実行を制御し、スケジューリング、入出力制御、ファイル及びデータ管理、メモリ管理、並びに通信制御及び関連サービスを提供する。
【0091】
Ｉ／Ｏデバイス１２１０は、例えば、キーボード、マウス、スキャナ、マイクロフォンなどの入力デバイスを含み得るが、これらに限定されない。さらに、Ｉ／Ｏデバイス１２１０は、例えば、プリンタ、ディスプレイなどの出力デバイスも含み得るが、これらに限定されない。最後に、Ｉ／Ｏデバイス１２１０は、入力及び出力の両方を介して通信するデバイス、例えば、変調器／復調器（別のデバイス、システム、若しくはネットワークにアクセスするためのモデム）、無線周波数（ＲＦ）若しくは他のトランシーバ、電話インタフェース、ブリッジ、ルータ、又は他のデバイスをさらに含み得るが、これらに限定されない。
【0092】
システム１２００の動作中に、プロセッサ１２０２は、上記で説明したように、メモリ１２０６内に格納されたソフトウェア１２０８を実行し、メモリ１２０６との間でデータを通信し、及びソフトウェア１２０８に準じてシステム１２００の動作を一般に制御するように構成される。
【0093】
システム１２００の機能性の動作中に、プロセッサ１２０２は、メモリ１２０６内に格納されたソフトウェア１２０８を実行し、メモリ１２０６との間でデータを通信し、及びソフトウェア１２０８に準じてシステム１２００の動作を一般に制御するように構成される。オペレーティングシステム１２２０は、プロセッサ１２０２によって読み出され、おそらくプロセッサ１２０２内にバッファリングされ、その後、実行される。
【0094】
システム１２００がソフトウェア１２０８で実装される場合、システム１２００を実装するための命令は、任意のコンピュータ関連デバイス、システム、若しくは方法によって使用するため、又は任意のコンピュータ関連デバイス、システム、若しくは方法に関連して使用するために、任意のコンピュータ可読媒体に格納することができることに留意されたい。このようなコンピュータ可読媒体は、いくつかの実施形態では、メモリ１２０６又はストレージデバイス１２０４のいずれか一方又は両方に対応し得る。本文書の文脈では、コンピュータ可読媒体は、コンピュータ関連デバイス、システム、若しくは方法によって使用するため、又はコンピュータ関連デバイス、システム、若しくは方法に関連して使用するためにコンピュータプログラムを包含又は格納することができる、電子的、磁気的、光学的、又は他の物理的デバイス若しくは手段である。システムを実装するための命令は、プロセッサ若しくは他のそのような命令実行システム、装置、若しくはデバイスによって使用するため、又はプロセッサ若しくは他のそのような命令実行システム、装置、若しくはデバイスに関連して使用するために任意のコンピュータ可読媒体において具現化することができる。例としてプロセッサ１２０２に言及してきたが、そのような命令実行システム、装置、又はデバイスは、いくつかの実施形態では、命令実行システム、装置、又はデバイスから命令をフェッチし、及び命令を実行することができる任意のコンピュータベースのシステム、プロセッサを包含するシステム、又は他のシステムであってもよい。本文書の文脈では、「コンピュータ可読媒体」は、プロセッサ若しくは他のそのような命令実行システム、装置、若しくはデバイスによって使用するため、又はプロセッサ若しくは他のそのような命令実行システム、装置、若しくはデバイスに関連して使用するためにプログラムを格納すること、通信すること、伝搬すること、又は搬送することができる任意の手段であってもよい。
【0095】
このようなコンピュータ可読媒体は、例えば、電子的、磁気的、光学的、電磁的、赤外線、又は半導体のシステム、装置、デバイス、又は伝搬媒体であってもよいが、これらに限定されない。コンピュータ可読媒体のより具体的な例（非網羅的リスト）は、以下：１つ又は複数のワイヤを有する電気接続（電子的）、携帯型コンピュータディスケット（磁気的）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）（電子的）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）（電子的）、消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、又はフラッシュメモリ）（電子的）、光ファイバ（光学的）、及び携帯型コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤＲＯＭ）（光学的）を含むだろう。コンピュータ可読媒体は、プログラムが印刷された紙又は別の適した媒体である可能性さえあることに留意されたい（プログラムは、例えば紙又は他の媒体の光学式走査によって電子的に捕捉され、その後、コンパイルされ、解釈され、又は必要であれば適した様式で処理され、その後、コンピュータメモリに格納することができるため）。
【0096】
システム１２００がハードウェアで実装される代替実施形態では、システム１２００は、それぞれ当該分野でよく知られている以下の技術：データ信号に対して論理関数を実装するための論理ゲートを有する１つ又は複数のディスクリート論理回路、適切な組み合わせ論理ゲートを有する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、１つ又は複数のプログラマブルゲートアレイ（ＰＧＡ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのうちのいずれか又は組み合わせで実装することができる。
【0097】
ＲＶＥユニット領域を作ること（第１の実施形態）及び複数のＲＶＥユニット領域をＦＥユニットセルに組み込むこと（第２の実施形態）の自動化は、コンピュータリソースのスケールを少なくとも１桁有利に削減する。さらに、これらの実施形態は、ＦＥユニット領域を定義及び選択すること、各選択されたＦＥ領域からＲＶＥユニット領域を作ること、並びに複数のＲＶＥユニット領域をＦＥユニットセルに組み込むことに必要とされる手動ステップの数を低減するという人間工学的利点を提供する。
【0098】
複数（ｎ個）のユニット領域モデルを手動で開発するのは面倒であり、その後、これらのユニット領域モデルは、複数の解析ケースを作成するために利用され、２×ｎ個のファイルの状況を常に把握しておく必要がある。ユニットセルモデルは、メッシュ構築、接続定義、及び解析作成の前にバウンディングボックス内でカットされなければならないため、「ｎ個」のユニット領域モデルを作成することは、以前は、時間がかかり、且つ誤りを犯しやすい作業であった。
【0099】
上記の実施形態は、ＭＳＲ（モデリング、シミュレーション、及び結果）アプローチに基づいている。これらの実施形態（プラグイン）の出力は、集合データの単一のリポジトリとして機能する、１つのコンテナ、すなわちユニット領域解析モデル内のすべてのデータ（ジオメトリ、ＦＥ表現、解析、及び結果）を連結させる。
【0100】
本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、本発明の構造に様々な修正及び変形を加え得ることは、当業者には明らかであろう。上記を鑑みて、本発明は、以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内に入るという条件で、本発明の修正及び変形を対象とすることが意図される。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【外国語明細書】