成果報告書詳細
管理番号20100000001605
タイトル平成17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の流動・物質拡散数値シミュレーションの研究開発
公開日2010/9/30
報告書年度2005 - 2009
委託先名国立大学法人北海道大学
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(PEFC)の性能設計においては、主要構成部品である電解質膜のイオン伝導度が膜の湿潤状態に大きく左右されることから、その予測制御が重要な技術課題である。実機装置では正負両極に多孔質材と微小チャンネルによるガス拡散層(Gas Diffusion Layer)を設置することでこの制御を実現しており、そこでの作動ガスおよびイオン、電子、生成物である水(蒸気)を伴うマルチフィジックス流動・物質拡散現象を正しく予測することが、これらの設計開発において極めて有用な基礎技術となる。
 そこで本研究ではPEFCを始めとする燃料電池の実用化開発に際して必要な流動・物質移動拡散の予測に有用な数値シミュレーション技術を提供することを目的とし、固体高分子形燃料電池(PEFC)における汎用的なマルチフィジックス流動シミュレーション・ソフトウェアの開発、マイクロ物理現象の直接シミュレーションに基づく水輸送メカニズム解明、および、それらシミュレーションに係わるPEFC素材特性・性能データベースの構築とシミュレーションモデルの実証解析を行って、PEFC流動・物質移動拡散の予測シミュレーション技術の確立を図った。
 これらの研究開発によりPEFC基盤技術開発に貢献する技術として以下を実現した.
1.全体連成シミュレーションによるフラッディングプロセス予測と設計技術開発
・PEFCシミュレーション・ソフトウェア(FrontFlow/FC)の開発し,セル全体の高解像(10-m)・高精度(圧力損失誤差1%)解析を実現した。
・触媒層を含むMEA内部の水輸送モデルを構築し、フラッディング傾向に関して実験知見を概ね再現する予測を得た。
2.LBMハイブリッドシミュレーションによるフラッディングメカニズム解明と設計技術開発
・格子ボルツマン法に基づくPEFC多孔質内の気液2相流直接シミュレーションを開発し,流路/GDLの水排出メカニズムの動的解析によって疎親水特性分布などGDL設計指針を与えた.
3.フラッディング現象解析のための単層セルおよび要素モデルによるin situ 試験
 ・PEFC単セル試験装置実験により圧力損失など基本性能予測の定量的検証を得た.
 ・MEMS擬似GDLによる多孔質流動の直接可視化計測法を開発した.
英文要約A prediction of water content profile around the polymer membrane is very important, because the polymer membrane should be in the wet condition for the best performance design of Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC). Small channels and porous gas diffusion layers are assembled to the anode and cathode interface of the polymer membrane to control the optimized water content profile in the PEFC design. Therefore, it is an important and fundamental technology to predict a flow and mass transport of fuel gases, electron, proton ions, and liquid and vaporized water, with their multi-physics phenomena.
This research has aimed to offer a useful numerical simulation technology, where the flow analysis software forecasting these multi-physics phenomena of the fuel cell is newly developed, and the direct numerical simulation of a mechanism of the water transport is applied to analysis of its micro-scale phenomena. These simulation technologies were validated by the experimental investigation of PEFC performance design to develop the best prediction of the flow and mass transport in PEFC design.
This research has contributed to the following progresses;
(1) Development of full scale simulation of PEFC for controlling the flooding process.
 - developing a high accuracy of fluid flow simulation with 10-m resolution for a whole region of the PEFC single cell, and a numerical model of water transport in polymer membrane and catalyst layer to predict the trends of their flooding processes.
(2) Investigation of water transport mechanism based on direct numerical simulation
 Lattice Boltzmann method (LBM) specially developed for a gas-liquid two-phase flow is applied to a microscopic water transport phenomena in PEFC. It is indicated that both a surface attach angle and a flow rate take an important role in the GDL performance.
(3) Development and validation of PEFC simulation models
 A fluid flow simulation in PEFC is validated to the data of reference experiment performed by the single cell PEFC. Variation of GDL material parameters and their effects on the PEFC performance are also investigated by visualization of micro channel using the MEMS process.
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