成果報告書詳細
管理番号20100000001598
タイトル平成20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 粒子法を用いた直接シミュレーションによる流路・拡散層内のガス・水滴輸送挙動の研究
公開日2010/9/9
報告書年度2008 - 2009
委託先名みずほ情報総研株式会社
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の水分管理の重要性から、中性子ラジオグラフィによる動作中の水滴の直接観察など、水滴挙動の実験的な研究も精力的に行われている。しかし、水滴挙動は拡散層などミクロンオーダーの材料構造に依存しており、これを実験的に直接観測することは容易ではない。このためは、理論と実験の双方からのアプローチが必要となっており、理論を推し進めるためのシミュレーションの研究開発が重要になっている。本研究では、流路・拡散層のμmオーダーから、cmオーダーまでの水滴挙動を直接シミュレーションするため、界面エネルギーをもとに表面張力・濡れ性を統一的かつ効率よく表現できるMPS法を適用し、「多孔体・流路内の水滴挙動メカニズムの解明」、「ミクロな材料構造設計ツールの提供」を目標とした研究開発を行った。
 まず、「流路・拡散層の水滴挙動に対するシミュレーションの検証」として、直線流路セルを対象とした流路・GDL界面の水滴挙動に関する計測技術とMPS法による大規模シミュレーションの連携が可能な解析技術を確立した。MPS法による直接シミュレーションでは、解析領域として流れ方向に対して数mmサイズの解析が可能となり、これまで他の計算手法でも困難であったGDLの微細構造を考慮した流路・GDL界面の二相流動シミュレーションに成功した。実験では、PTV(Particle Trace Velocimetry)を用いた水滴移動速度、水滴径および圧力損失の同時計測システムを開発し、GDL界面で成長する水滴径、水滴による圧力損失の変動等を定量的に計測することが可能となった。また、流路構造制御によるフラッディング抑制の可能性について、流路の表面性状と断面サイズによる流路および流路・GDL界面での水滴移動への影響について解析し、ガス流速が低い条件においては流路の表面性状を親水化、かつ流路断面を扁平化することで排水性が向上することを確認した。さらに、シミュレーションの検証として、流路構造およびガス流速の違いによる流路/拡散層界面で成長する水滴径の評価を行い、実験結果を定性的に再現できた。また、流路構造(表面性状および断面形状)による水滴挙動と発電特性への影響についてシミュレーションを行い、流路内の水滴形態が実験データと一致し、また水滴の排出速度および流路・拡散層界面の被覆率等を分析結果と発電特性の傾向を結びつけることができた。
 また、「拡散層のガス拡散性に対する細孔径分布の影響解析」として、実材料の拡散層に近い構造を評価するために、シミュレーションでモデル化した基材構造に対する細孔径分布シミュレーションを検討した。さらに、繊維径、繊維の粗密等、拡散層のミクロ構造条件に対する細孔径分布の違いによる水滴構造とガス拡散性への影響をシミュレーションした。ピーク細孔径が大きく、かつ細孔径分布がブロードとなる基材構造にすることで、含水量が高い領域でのガス拡散性能が向上することがわかった。以上の結果から、粒子法を用いた直接シミュレーション技術が、流路・拡散層内の水滴挙動の理解、さらには拡散層の繊維構造レベルでの材料設計のためのツールとして高い可能性をもつことが検証された。
 一方、「ミクロスケール輸送現象に対する粒子法シミュレーションの拡張性検討」として、MPL内のナノスケールの撥水性の狭小空間で特有の物質拡散の効果、表面張力、気液の相変化、希薄効果などを表現できる散逸粒子動力学法(DPD:Dissipative Particle Dynamics) の適用を検討した結果、これらの輸送現象を再現できる手法であることを確認した。
英文要約It is important to control the behavior of liquid water inside Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFCs), which cause a significant decrease of the cell performance (the so-called "flooding phenomena"). However, it is quite difficult to observe liquid water inside the microscopic structures of the gas diffusion layer. Three major missions of this project by the end of FY2009 are : (1) Investigation of correlation between two-phase transport properties and pore-size distribution inside the gas diffusion layer (2) Classification of two-phase flow pattern inside the flow channel and on the surface between the flow channel and the gas diffusion layer by direct numerical simulation using moving particle semi-implicit (MPS) method as well as experiment and the validation of numerical simulation compared to the experimental data. (3) Development of the basic framework of modeling and simulation for specific gas-liquid transport phenomena inside a submicron scale pore of the micro porous layer.
As for mission (1), we developed the mercury porosimetry simulation to calculate a pore-size distribution inside the gas diffusion layer for evaluation of a realistic substrate and investigated the effect of diameter and probability of bundle formulation between carbon fingers on the effective gas diffusivity. As a result, we confirmed that the gas diffusivity is better when a peak pore diameter is large and pore-size distribution is broad.
As for mission (2), the scheme for understanding the behavior of liquid water transport by both the direct numerical simulation and the measurement inside a straight flow channel cell is designed. In this scheme, two-phase flow pattern inside a flow channel including the gas diffusion layer can be solved by the simulation, and velocity and diameter of liquid water droplet, pressure increase inside a channel of test cell and the cell performance are measured at the same time by the experimental implement which consists of same components, transparent cell, microscope, pressure sensor and PTV measurement device. Consequently, we got possible to analyze the effect of liquid water removal on the cell performance by comparing an experimental result with a simulation result under the same structural and operating condition. As an example, the effect of wettability and depth of a flow channel on the removal of liquid water is investigated by both the simulation and the experiment and we confirmed that liquid water is removed in the case of hydrophilic and shallow channel much better in other case under the condition of low gas velocity. In addition, we simulated the effect of cross-sectional shape and wettability of a channel on two-phase flow pattern. These results correspond qualitatively with the experimental results of maximum diameter of liquid water droplet grown up on the surface of the gas diffusion layer, liquid water distribution inside a channel and the cell performance.
As for mission (3), we carried out a fundamental investigation that dissipative particle dynamics (DPD) method has a potential to calculate the specific phenomena inside the submicron scale pore such as capillary force, evaporation and condensation by Kelvin’s effect and gas dilution effect. We confirmed that the DPD method is appropriate for these phenomena by calculation of effect of mass diffusion, morphology change of liquid water droplet by surface tension and phase change.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る