格子ボルツマン法を用いた固体高分子形燃料電池の液滴排出性の向上

本研究は固体高分子形燃料電池(PEFC)の流路内の液滴排出性に注目し、メゾレベルから流れを解析する手法である格子ボルツマン法を用いてPEFCのセル流路内のガス流れと滞留液滴を連成させて計算した。計算結果から液滴排出性に優れた流路形状を求め、その妥当性を検証することを目的として実験と解析を行った。1.実験平成18年度には、PEFC拡散層および比較対象として用いたアクリル基板上におかれた水滴の接触角を測定し、液滴の接触角のデータベースを作成した。また、平成17年度に行った実験よりも、より実際のPEFCに近い2mm×6mmの流路を作成し、拡散層とアクリル上での液滴移動速度と平均ガス流速の関係を得た。これらの実験結果を整理し、表面性状の違い含んだ考慮して移動速度を予想できる半理論式を提案した。2.解析格子ボルツマン法を用いた数値解析では、液滴とガスの密度比が最大で100程度で計算出来るシミュレーションコードを開発した。このコードを用いて計算を行い、上記の実験と比較して定性的に液滴の移動速度と平均ガス流速が一致することを確認した。しかしながら、定量的な一致までには至らず、解析にさらに詳細なモデルを組み込む必要のあることが分かった。すなわち、拡散層やアクリルの粗さが液滴移動速度に大きく関係していることが分かり、これらの粗さをモデル化する必要が分かった。このため、実際の拡散層の表面粗さを測定し、二次元ではあるが丸液滴の移動速度と表面粗さを考慮した格子ボルツマンモデルを開発し、表面粗さと液滴移動速度の関係を定性的に評価した。

本研究は固体高分子形燃料電池(PEFC)の流路内の液滴排出性に注目し、メゾレベルから流れを解析する手法である格子ボルツマン法を用いてPEFCのセル流路内のガス流れと滞留液滴を連成させて計算した。計算結果から液滴排出性に優れた流路形状を求め、その妥当性を検証することを目的として実験と解析を行った。1.実験平成18年度には、PEFC拡散層および比較対象として用いたアクリル基板上におかれた水滴の接触角を測定し、液滴の接触角のデータベースを作成した。また、平成17年度に行った実験よりも、より実際のPEFCに近い2mm×6mmの流路を作成し、拡散層とアクリル上での液滴移動速度と平均ガス流速の関係を得た。これらの実験結果を整理し、表面性状の違い含んだ考慮して移動速度を予想できる半理論式を提案した。2.解析格子ボルツマン法を用いた数値解析では、液滴とガスの密度比が最大で100程度で計算出来るシミュレーションコードを開発した。このコードを用いて計算を行い、上記の実験と比較して定性的に液滴の移動速度と平均ガス流速が一致することを確認した。しかしながら、定量的な一致までには至らず、解析にさらに詳細なモデルを組み込む必要のあることが分かった。すなわち、拡散層やアクリルの粗さが液滴移動速度に大きく関係していることが分かり、これらの粗さをモデル化する必要が分かった。このため、実際の拡散層の表面粗さを測定し、二次元ではあるが丸液滴の移動速度と表面粗さを考慮した格子ボルツマンモデルを開発し、表面粗さと液滴移動速度の関係を定性的に評価した。