成果報告書詳細
管理番号20100000001556
タイトル平成19年度-平成21年度成果報告書 固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発 次世代技術開発 PEFC流路内液滴二相流現象の解明およびフラッディング抑制セルの研究開発
公開日2010/9/9
報告書年度2007 - 2009
委託先名国立大学法人九州大学
プロジェクト番号P05011
部署名燃料電池・水素技術開発部
和文要約固体高分子形燃料電池は過剰な湿度環境において、発電による生成水が内部で凝縮し、拡散層内やガス流路内において反応ガスの拡散阻害や流動阻害を引き起こす。このような水管理問題・水滞留問題(フラッディング)を改善する最適セル構造を提案し、高性能化につなげるためには、セル内部の液滴挙動を把握する必要がある。本研究開発では、(a)流路内の液滴の挙動および(b)拡散層内の液滴滞留状態について、数値解析および実験により検討を行った。項目毎に行かに示す成果を得た。(a)流路内の液滴移動状態の把握:二相流格子ボルツマンモデルを用いて前年度のモデルを改良し密度比1000、動粘度比50程度の実際の空気/水系の圭さんが可能となった。拡散層からの湧出液流量の違いにより、液滴とガスの流動様式がことなることを確認し、マップ作成をおこなった。断面1ミリ平方メートルの実機と同スケールの模擬流路を用いて拡散層から湧出した液滴の移動速度をハイスピードカメラにより測定した。定性的には前年度報告した断面積が10倍程度大きい流路と同様の結果が得られたが、より少ない平均ガス流速で液滴が移動することを確認した。また3種類の拡散層を用いて実験を行い、滴下法で測定した表面動的接触角が大きく、撥水性が強い拡散層ほど液滴移動速度が大きい傾向があることが分かった。また拡散層からの流出液流量と流路内ガス平均流速により、流動様式マップを作成した。計算と実験から得られた流動様式マップが定性的に一致することを確認した。(b)拡散層内の液滴滞留メカニズムの解明:模擬拡散層の作成において湾曲繊維構造やクロス等種々の経常が模擬可能となり、また繊維以外材料(バインダー)の塗布時のぬれ性を考慮し、繊維間エッジ部への付着状態も再現可能となった。ポアネットワークモデルを用いた二相流解析により、液水滞留時の物質移動特性の評価を行った。拡散層の細孔が過度に均一な場合、液水が一様流入する傾向が確認できた。またその場合、僅かな飽和度でも液水が広がるため拡散性能が著しく低下することが確認できた。したがって同一空隙率や繊維径でも空隙構造の違いにより液滴滞留状態が異なり、気液輸送経路の保持のため適度に不均一な空隙構造が必要であることがわかった。そして物質輸送特性を構造毎にモデル化する必要性を確認した。二相流解析手法をさらに高精度化した3Dポアネットワークモデルを開発し、液水の立体的な滞留状態が再現可能となり、ペーパー型以外にもより柔軟に適用可能となった。またバインダー付着による含水時の拡散性能低下の影響が検討可能になった。X線CT手法を用いて実際の拡散層の構造数値化と内部輸送計算が可能となり、液水輸送に対して、実拡散層に見られる厚み方向の空隙構造の不均一性の影響が大きいことを確認した。緻密カーボン層(MPL)と拡散層の重複構造による影響を計算により検討し、水の滞留形態(モルフォロジー)変化の最適化に繋がる、最適重複厚みが存在することを確認した。拡散層内部および表面の液滴の動的挙動と構造の相関を得ることを目的として、ハイスピードカメラとピエゾアクチュエーターを搭載した光学顕微鏡により、連続撮影した拡散層表面からの各高さ画像を合成し、発電状態において実時間で繊維スケールでの微小液滴の挙動を観察した。複数液滴間の同期性が確認でき、内部の液相のネットワーク形成にかんして推察が可能となった。
英文要約In PEFC, vapors are condensed into liquid water and it prevents reactant gas from flowing in gas diffusion layer and gas channels. In order to improve such problems of water management and accumulated water and to develop the optimal cell structure for the high-performance, the behavior of water droplet needs be understood. In this R&D, the following points were examined by numerical analysis and experiments: (a) The behavior of droplets in gas channels: The past two-phase flow model with Lattice Boltzmann Method was improved, and the calculation at the real condition with water and air could be carried out. It was found that the flow pattern of gas and droplet was affected by the difference of flowing out rate of liquid water from GDL surface. The moving velocity of liquid droplet which flowed out from GDL surface was measured with 1mm2 cross-section gas channel. The influence of hydrophobic property on the droplet velocity was examined. In addition, the two-phase flow type MAP was developed. This MAP almost equaled to that of calculation. (b) The two-phase flow condition in gas diffusion layer: The other type of GDL, such as carbon cloth and carbon felt, could be simulated, and the binder adhering at edge of fiber in GDL was modeled. The mass transfer performance in wet GDL was examined by two-phase flow analysis with pore network model. Mass transfer property in wet GDL has to be modeled by the calculation with the effect of real heterogeneous structure. 3D pore network model was developed by improving our past two-phase flow model. The 3D liquid water condition could be simulated. This model could be applied other type of GDL except for carbon paper. And the degradation of diffusion performance by binder in GDL was examined and the correlation equation was developed. Simulating real GDL structure and calculation of internal transport phenomena could be carried out by X-ray CT imaging technique. The unevenness of porous structure through-plane of GDL strongly affected liquid water flow. In addition, the overlap layer of Micro Porous Layer (MPL) and GDL was examined by calculation, and there was the optimum thickness of overlap layer which could optimize the morphology of liquid water. In order to know the relationship between the dynamic behavior of liquid water in GDL and porous structure, the behavior of small droplet in GDL was measured in-situ condition by all-focus microscope and by the image processing technique of composition of some GDL surface pictures with different height. The synchronizing movement of some liquid could be confirmed, and the internal liquid water network in GDL can be examined by this method.
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