パナソニック株式会社

シミュレーションツールを武器に、燃料電池の理想構造と実現技術の開発に挑戦

パナソニック株式会社 先端研究本部は、「⽔素・エネルギー分野」、「⼈⼯知能/ロボティクス分野」、「デバイス分野」、「材料分野」の4 領域を重点研究領域に掲げている。このうち、⽔素・エネルギー分野では、⽔素の製造と貯蔵、および利⽤のための各種要素技術の研究が進められている。家庭向け燃料電池コージェネレーションシステム「エネファーム」の将来製品に向け、燃料電池セル/スタックのシミュレーション技術構築を担当している、先端研究本部 ⽔素・エネルギープロジェクト室 ⽔素燃料電池研究課 主任研究員の⼭本恵⼀⽒と、⼭本⽒と共にシミュレーション技術を使った燃料電池開発に携わっているパナソニック プロダクションエンジニアリング株式会社 プロダクションテクノロジーセンター ソフトウェア事業推進部 解析技術課 松下史弥⽒にお話を伺った。

パナソニック株式会社 先端研究本部 ⽔素・エネルギープロジェクト室 ⽔素燃料電池研究課 主任研究員 ⼭本 恵⼀ 様 

パナソニック株式会社 先端研究本部
⽔素・エネルギープロジェクト室
⽔素燃料電池研究課 主任研究員
⼭本 恵⼀ 様

パナソニック プロダクションエンジニアリング株式会社 プロダクションテクノロジーセンター ソフトウェア事業推進部 解析技術課 松下 史弥 様 

パナソニック プロダクションエンジニアリング株式会社
プロダクションテクノロジーセンター
ソフトウェア事業推進部 解析技術課
松下 史弥 様

ANSYS Fluent で挑む燃料電池の改良

パナソニックが⽬指す⽔素社会とは、安価でカーボンフリーな⽔素を製造し、その⽔素がインフラとして家庭に供給され、⽔素燃料電池が⼀般家庭に設置されている社会だ。同社が⼿掛けるエネファームは、⼀般家庭向け発電システムとして⾼い評価を得ているが、⼤多数の家庭に普及するまでには⾄っていない。⼭本⽒が⽬指すのは燃料電池スタックと呼ばれる、燃料電池システムの基幹デバイスの低コスト化と⾼効率化だ。低コスト化は燃料電池システムの購⼊コストを抑え、⾼効率化は購⼊したユーザーのエネルギーコスト低減に直結するため、⽔素社会実現に⼤きく関わるファクターだ。⼭本⽒は今までにない低コストで⾼効率な燃料電池の実現とその開発効率向上のため、ANSYS Fluent を始めシミュレーション技術を広く深く活⽤することに取り組んでいる。

⼭本⽒はパナソニックに⼊社する前、各種の⼯学シミュレーターを開発していた経験を持つ。そのころANSYS Fluent について、解析が速い、安定性が⾼い、カスタマイズ性が⾼いといった評判を聞いていたこともあって、燃料電池の解析ツールとしてANSYS Fluent を選択した。
「(ANSYS Fluent 向けの)燃料電池モジュールは、論⽂ベースのデフォルト設定のままでは精度の点で我々の開発には使えなかったのですが、⼤きなスタックの計算もできますし、解析速度、安定性、カスタマイズ性の⾯から⼿を加えれば使えると判断して採⽤し、解析モデルを少しずつ実機に近づけながら開発に利⽤しています。精度や速度の向上は現在も進⾏中で、カスタマイズ性の⾼さを利⽤して、おそらくANSYS Fluent が想定していない領域まで使っています」(⼭本⽒)

エネファーム

シミュレーションだけの試作なしで設計

⼭本⽒は地道に解析モデルを改良し、徐々にシミュレーションが適⽤できる範囲を広げてきた。また、⾃社開発のシミュレーションツールも作っているが、そのツールの検算にもANSYS Fluent を使っている。さらに、開発の過程で⽣じる不可解な現象の仕組みの理解や、電池スタックの部分的構造を最適化するために使うまでになった。現在市販されているエネファームは実際にANSYS Fluent を使って開発されている。「シミュレーションを使うことで試作を減らす効果が出ています。電池のある部分を設計する際に、⽬標としている数値に収めるためにシミュレーションを使って、完全に試作なしで済ませたこともあります。解析精度の⾼まりにより、開発期間と試作費がかなり減らせました」(⼭本⽒)

⼭本⽒や松下⽒が取り組んできたシミュレーション技術とその成果は、社内でも認知され評価が⾼まっている。パナソニックのフェローからも期待の⾔葉が寄せられ、シミュレーション開発の⼈員に加え、投資額も⼤きくなってきた。シミュレーションを利⽤した取り組みや成果について上層部にきちんと説明してきたことや、解析メンバーを育ててきた実績によって、燃料電池開発におけるシミュレーションの価値が理解されているのだと⼭本⽒は考えている。研究開発の現場でも、シミュレーションを学ぼうという意識が⾼まっているという。「これまで実験をメインにやっていたスタッフが、どんどんシミュレーションを覚えていこうとしています」(松下⽒)

ANSYS Fluent で理想の燃料電池を追究

⼭本⽒が掲げる⼤きなビジョンは、シミュレーションを活⽤して理想的な燃料電池の構造を追及し、それが可能となる技術を作ることだ。そのためのハードルはいくつかあるが、⽇々ANSYS Fluent を使って研究開発に取り組んでいる。ターゲットは2020 年。「2020 年に“すごい燃料電池” を作るために研究を進めています」(⼭本⽒)。

実効的な物理パラメータの算出イメージ
実効的な物理パラメータの算出イメージ

電池性能の予測制度検証の実験と解析結果
電池性能の予測制度検証の実験と解析結果

過電圧分離@露点65℃、利⽤率46%
過電圧分離@露点65℃、利⽤率46%

使用したANSYS 製品

  • ANSYS® Fluent®
    汎⽤熱流体解析ソフトウェア
  • ANSYS® Fluent® Fuel Cell module
    アドオンモジュール ― 燃料電池

ANSYS Fluent による主な利点

  • 解析速度
  • 確実に解を得られる安定性
  • カスタマイズ性の⾼さ
  • 解の信頼性

パナソニック株式会社 先端研究本部 パナソニック株式会社
先端研究本部

http://www.panasonic.com/jp/corporate/technology-design/r-and-d/ard.html

所在地:
〒570-8501 ⼤阪府守⼝市⼋雲中町3 丁⽬1 番1

松下幸之助⽒が、アタッチメントプラグの製造販売を開始した⼤正7 年(1918 年)を創業とし、間もなく創業100 周年を迎える総合エレクトロニクスメーカー。家庭⽤電⼦機器、電化製品、FA 機器、情報通信機器、住宅関連機器などの⽣産、販売、サービスを展開している。先端研究本部は、安全・安⼼、快適・便利、豊かで持続可能な社会の実現に向け、既存の技術の改良や連続的な技術進化に加え、⾮連続な技術を⽣み出していく「未踏技術の創出」をミッションとする研究拠点。

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