格子ガスオートマトン法による固体高分子燃料電池内の流動解析

本研究ではメゾレベルから流れを解析する手法である格子ガスオートマトン法を用いて固体高分子形燃料電池(PEFC)内の流れを流体と固体を連成させて計算し,流れが均一になる最適流路形状を求め,その妥当性を実験により検証する。以上の解析と実験によりPEFC内の複雑流れをメゾレベルより解析する有効なツールを提案することを目的とした。平成13〜14年度の研究から主に以下の3つの成果が得られた。1)PEFC内流動解析を行う格子ガスオートマトンモデルの開発格子ガスオートマトン法を用いて既存のPEFCセパレータ内の流れを計算した。PEFC内の各チャンネルに分配される流量には3倍程度の偏りがあったが、入口・出口の形状を二次曲線形状とすることにより均一化が計れることが分かった。以上より、格子ガスオートマトン法がPEFCの設計計算に有効なツールであることを確認した。2)PEFC内流動を均一にする流路の自動設計手法の開発1)で開発したモデルをさらに改良し、PEFC内の流動を均一化する流路を自動設計する格子ガスオートマトン法を開発した。すなわち、PEFC内で燃料の流速の遅いよどんだ領域には固体壁を追加し,流量の多い流路では固体壁を削るという操作を行い、最適形状の流路を作成する流体・固体の連成モデルを開発した。その結果、各チャンネル間の流量の偏りが3倍程度あった流量比が、最適設計した後には1.1倍程度となり、本モデルがPEFC流路の自動設計に有効であることを確認した。3)流路内に分配される流量の実験との比較2)において自動設計した流路形状を用い差分法との比較計算を行った。その結果格子ガスオートマトン法で予測された流動場とよく一致し、本解析モデルの妥当性が検証された。さらに、単流路のPEFC燃料電池セルを作成して発電試験を行うことで、PEFC内の発電性能を評価する電気化学的モデルを作成することが出来た。

本研究ではメゾレベルから流れを解析する手法である格子ガスオートマトン法を用いて固体高分子形燃料電池(PEFC)内の流れを流体と固体を連成させて計算し,流れが均一になる最適流路形状を求め,その妥当性を実験により検証する。以上の解析と実験によりPEFC内の複雑流れをメゾレベルより解析する有効なツールを提案することを目的とした。平成13〜14年度の研究から主に以下の3つの成果が得られた。1)PEFC内流動解析を行う格子ガスオートマトンモデルの開発格子ガスオートマトン法を用いて既存のPEFCセパレータ内の流れを計算した。PEFC内の各チャンネルに分配される流量には3倍程度の偏りがあったが、入口・出口の形状を二次曲線形状とすることにより均一化が計れることが分かった。以上より、格子ガスオートマトン法がPEFCの設計計算に有効なツールであることを確認した。2)PEFC内流動を均一にする流路の自動設計手法の開発1)で開発したモデルをさらに改良し、PEFC内の流動を均一化する流路を自動設計する格子ガスオートマトン法を開発した。すなわち、PEFC内で燃料の流速の遅いよどんだ領域には固体壁を追加し,流量の多い流路では固体壁を削るという操作を行い、最適形状の流路を作成する流体・固体の連成モデルを開発した。その結果、各チャンネル間の流量の偏りが3倍程度あった流量比が、最適設計した後には1.1倍程度となり、本モデルがPEFC流路の自動設計に有効であることを確認した。3)流路内に分配される流量の実験との比較2)において自動設計した流路形状を用い差分法との比較計算を行った。その結果格子ガスオートマトン法で予測された流動場とよく一致し、本解析モデルの妥当性が検証された。さらに、単流路のPEFC燃料電池セルを作成して発電試験を行うことで、PEFC内の発電性能を評価する電気化学的モデルを作成することが出来た。