2015 Fiscal Year Annual Research Report
高分子形燃料電池内水輸送現象の階層型連成シミュレーションモデルの構築と検証
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15H03912
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
大島 伸行 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10217135)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
矢口 久雄 群馬工業高等専門学校, その他部局等, 講師 (20568521)
栗原 央流 大分大学, 工学部, 准教授 (90344481)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 数値流体力学 / 固体高分子形燃料電池 / 多孔質 / 気液界面 / 連成シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
課題１：高分子形燃料電池(PEFC)の耐久性能に関わる重要な課題としてカーボン溶出による触媒劣化が挙げられる．これはアノード側の局所的水素欠乏による起電力不均一が要因と考えられており*1，その抑制にはセパレータおよび多孔質内の非定常・不均一な流動・拡散の予測制御が不可欠である．これをマクロスケール(連続体近似モデル) 連成シミュレーションの代表的対象として取り上げてセルレベルおよびスタックレベルでの電池性能予測の実用性検証を行う．今年度は1-1)燃料電池シミュレータの高精度・大規模化,1-2)液水・ガス輸送の連成シミュレーションモデル，1-3)ナノ・マイクロ構造を反映する物性モデル，についてシミュレーションプログラムの構築と基礎的検証を行った．
課題２：多孔質内の気液流動モデルとして，2-1)LBMによる気液流直接シミュレーションの理論式検討と数値計算誤差評価，および，2-2)気液流動モデルの燃料電池シミュレータへの導入のための基礎的検討を行った．
課題３：気液界面を伴う分子動力学計算における熱力学的圧力の近似計算方法の導出とその数値検証を行い，非平衡界面の物質flux定量評価が可能な計算法を確立した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実施計画課題の概ね90%を達成し，特に各課題における計算プログラム構築を完了して，最終目標を達成するための基礎を確立した
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| Strategy for Future Research Activity |
当初目標に沿って以下の進展を図る．
展開Ⅰ：車載燃料電池では高いエネルギー密度に対して、出力低下・触媒劣化を防ぐため作動温度と均一性には厳しい制約がある。特に起動・停止の過渡応答時の熱設計と電池性能の温度依存性の解析予測は、燃料電池の普及実用化に際して非常に重要な課題となる。そこで、各要素シミュレーションに対して熱解析・温度依存モデルを連成して、要素およびシステムの熱設計への知見取得を目指す。
展開Ⅱ： 実機設計への適用を視野に、複雑形状の再現や非線形物理モデルの解析には大規模計算が不可欠である。そこで、「京」級HPCIの新たな技術成果を導入して各要素シミュレーションの並列高効率化を図る。連続体流れモデルでは10億要素規模のセル・スタック高解像解析、分子動力学モデルでは1000万サイト規模解析による流体物性の定量予測の実現を目指す。
展開Ⅲ： 本研究の最終目標である階層型連成シミュレーションの基本設計にしたがって、初年度成果を展開Ⅰ,Ⅱにより拡張して要素モデル間相互の定量的関係性を明らかにする。各要素のナノ･マイクロ構造の電池性能への寄与メカニズムを定式化することで燃料電池の合理的設計への寄与を目指す。
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