成果報告書詳細
管理番号20100000001601
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 固体高分子燃料電池流路内の流動現象の解明とその数学モデルの開発
公開日2010/9/9
報告書年度2007 - 2009
委託先名大阪府立大学
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PEFC内流路に関連する高い物質伝達率を持つ透過性壁面境界層の流動機構を明らかにすることを目的とし、床面に多孔体を敷き詰めた矩形断面流路上の発達境界層の流れ場を粒子画像流速計(PIV)により計測し、層流-乱流の統計量を得た。そこでは、透過率の異なる多孔体を用い、透過率の影響を明らかにした。さらに物質伝達率の康応を目指し、突起物を設置した場合の流れ場への影響を明らかにした。また、格子ボルツマン法(LBM)による多孔体内内部流れに関する実験を補完する数値解析の実施と解析的壁関数(AWF)を用いた多孔体壁面乱流のモデルを提示した。現象解明実験においては乱流統計データより、通常の滑面の場合と比較して小さいレイノルズ数で乱流へと遷移することが分かり、狭い遷移領域で乱流化し、多孔体の透過率に依存することを確認した。壁面透過率の効果を考慮した速度分布データベースを構築した。 また統計量から算出した多孔体壁近傍のレイノルズ応力が滑面のそれと比較して明らかに大きくなることから、レイノルズ応力の四象限解析を行うことで多孔体透過率ならびにレイノルズ数が乱流生成の主要因であるスイープならびにイジェクションに及ぼす効果を検討した結果、壁面の透過性により壁面のブロッキング効果が減衰するためにスイープが壁面近傍まで到達できることが分かった。さらに瞬時場のデータを解析し壁面近傍の四象限ホール解析を行ったところ、透過率とレイノルズ数の変化が乱流構造に及ぼす効果がそれぞれ異なることを明らかにした。またステレオPIVならびに時系列PIVのデータから、渦の生成・消滅ならびに壁面近傍でのせん断層の消滅を確認した。これらの結果から、多孔体壁面近傍における乱流渦生成構造を明らかにすることができた。また、乱流物質輸送をさらに向上させるためにリブ付きの流れ場に対しても実験を行い、リブの透過性が乱流場ならびにペネトレーションに及ぼす影響について検討した結果、多孔体壁面への流体の潜り込みならびに、非透過性リブによるレイノルズ応力が大きくなることを確認した。その際、非透過性リブにおいてRe=1000におけるレイノルズ応力のほうがそれよりも大きなレイノルズ数で見られるものよりも大きくなることが判明した。実験結果を補完するLBM数値解析においては、チャネル流れにおける層流域での滑り速度が多孔体構造にも依存することを見出し、ペネトレーション深さは空孔径程度にしかならないことを見出した。また滑り速度ならびに摩擦係数を透過率レイノルズ数を用いて整理することで構造に依らないデータベースを得ることができた。またリブの設置によりペネトレーションを増加できることを示した。さらに多孔体内部のスカラー輸送においては、多孔体構造ならびに透過率に依存するが、構造が同じであれば透過率ペクレ数ならびに透過率ヌセルト数で整理できることが分かった。多孔体界面流動を正確に予測するための数学モデルの開発においては、チャネル流の実験データと比較して多孔体透過率ならびにレイノルズ数に対して速度分布を高精度に予測できることができた。またチャネル内外を同時に解析するためのモデルも開発し、こちらも良好な結果を得た。さらにリブ付きの流れに対しても適用し、乱流エネルギー分布ならびに流速分布に対して概ね一致する結果を得た。以上を纏めると、PEFCセパレータ流路に関連した透過性壁面流れの実験・LBM解析を通して得た有意義な知見を基に、流れの数学モデルの構築とその検証を目的どおり行うことができた。
英文要約In order to understand the flow physics inside PEFCs, boundary layer flows over porous media are experimentally and numerically studied. For the experiments, we have built an experimental flow apparatus which imitates a flow passage in a separator of a PEFC. A porous wall which has the porosity of 89% has inserted into the flow passages. The fully developed flow measurements have been performed by a particle image velocimeter (PIV) at the bulk Reynolds numbers of about 3000 to 10000. The results show that there appear slip velocities on the porous wall and the slip velocity glows as the Reynolds number increases. It is also found that the permeability enhances porous-wall friction in the turbulent flows. This implies that mass transfer rates are also enhanced by the wall permeability in cases of turbulence. From the experimented database, the velocity profile is finally formulated in terms of the permeability Reynolds number. The dependences of the permeability and the Reynolds number on the Reynolds stress are similar as far as the statistic data, but actually different by the investigation of the quadrant analysis. Finally, the mechanism of the turbulence along the porous wall is clarified by the above data and the instantaneous vortex profile. For the further enhancement of mass transfer into the porous media, the rib-mounted channel flow is also measured and the effect of its permeability is investigated. It was found that the solid rib enhances the Reynolds stress but its strength is found remarkable for the low-Reynolds number case. In the numerical study, the effects of the porous medium on the flow in the interface region between a porous wall and a clear fluid are focused on. Laminar flows in the interface regions of foamed porous walls are microscopically simulated by the lattice Boltzmann method. The chosen porous structure is the body-centered-cubic, face-centered-cubic or the unit cube structure whose porosity ranges 0.58-0.98. The velocity distribution in the interface regions show that the flow penetration is very little and it decays until one pore-diameter depth from the interface. The laminar flow results also show that the coefficients of the stress jump condition across the interface are negative and the total friction of the porous interface is slightly lower than that of a solid smooth surface. The latter means that in the laminar flow regimes, mass transfer rates are reduced by the wall permeability in contrast to the cases in turbulent flow regimes. The heat transfer rate inside the porous media can be summarized by the permeability for each structure. Numerical modeling for the velocity field inside the porous channel flow is successfully constructed. The agreement is attained for the various Reynolds number and the permeability of the porous media. This model is extended to the rib-mounted channel flow and the good agreement of the velocity field is obtained.
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