2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development and validation of hierarichical simulation model for water transport phenomena in polymer electrolyte membrane fuel cell
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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, 准教授 (20568521)
栗原 央流 大分大学, 理工学部, 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 / ミクロチャンネル / 連成シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の物質輸送現象の階層型連星シミュレーションモデルの構築として，３つの階層の数理モデルの開発検証に
ついて以下の課題研究を行った．
課題１：ＰＥＦＣの耐久性にかかわる課題として、昨年度まで対象としたアノード側の局所的水素欠乏による起電力不均一を生じる機構に加えて、カソード側のフラディッグ・ドライアウトを支配する水排出機構についてのマクロスケール（連続体近似モデル）連成シミュレーションを用いた解析基礎検証を進めた。また、新たな取り組みとしてPEFCセルの流路を模擬するようなミクロチャンネル流動場についての解析的検討を行い、微小流路の速度分布と圧力損失の理論解や透過壁効果の算出法に新たな知見を得た。
課題２：気液流動界面の数値解析に関して、フェーズフィールモデルの数値的安定性についての数値検証により、実証解析に適用しうる高精度かつ安定な気液界面計算モデルを構築した。また、昨年成果による統一的界面モデルの理論に基づく新たな検証対象として、熱輸送と気液界面の連成シミュレーションモデルを適用した蒸発・凝縮を伴う熱伝達予測を試み、非定常な気液流動界面の高精度かつ安定な計算手法確立の基礎を得た。
課題３：分子動力学解析に関して、微小液滴の蒸発過程の詳細シミュレーションにより、気・液・固３相界面の物理モデルに対して、蒸発凝縮を伴う水輸送モデル構築への新たな基礎的知見を加えた。また、固体界面の濡れ性や壁粗さの影響についても検討を加えた。
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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％程度を達成し、特に各階層での物理モデル、数値手法の信頼性、応用性を高める知見、改良を得て、最終目標を達成への方針を定めることができた
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究成果に基づき、高分子形燃料電池（PEFC）内の物質輸送現象の合理的な予測方法としてナノスケール電気化学反応機構とマクロスケール熱流体力学的機構を関連付ける「階層型連成シミュレーション」のための基礎モデルの高精度・汎用化とそれらの実証として、３つの課題 ①燃料電池シミュレータの実用化、②多孔質内の気液流動モデル、③気液界面の非平衡熱力学モデル、について分担して取り組む。今年度は特に２つの観点から研究展開と目標成果の達成を目指す。
Ⅰ．各要素シミュレーションに対して熱解析・温度依存モデルなどの連成により、電池要素およびシステムにおける性能設計への応用を目指した検証を進める
Ⅱ．「京」級HPCIなど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速化、高度化を図る。
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