格子ボルツマン法を用いた固体高分子形燃料電池の液滴排出性の向上

2005 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17760147
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 松隈 洋介 九州大学, 大学院工学研究院, 助教授 (70282241)
• Keywords: 固体高分子形燃料電池 / 液滴排出 / 接触角 / 表面性状 / 格子ボルツマン法 / 数値計算 / 境界条件

Research Abstract

固体-液滴間の接触角を正確に取り扱うことのできる格子ボルツマンモデルの開発と検証
固体高分子形燃料電池(PEFC)の性能を向上させるためには電池内の水分管理が重要である。本研究では特に燃料電池流路内の液滴排出性に注目し、メゾレベルから流れを解析する手法である格子ボルツマン法を用いてPEFCのセル流路内のガス流れと滞留液滴を連成させて計算する。計算結果から液滴排出性に優れた流路形状を求め、その妥当性を検証する。以上の解析によりPEFCのさらなる性能向上を目指すことを目的としている。
格子ボルツマン法により液滴と燃料電池流路の固体壁の相互作用を正しく取り扱うためには、接触角のモデル化が重要である。そこで、接触角測定装置(協和界面科学株式会杜,DropMaster300)を用いて、燃料電池拡散層および比較対象として用いたアクリル基板上におかれた水滴の接触角を測定し液滴の接触角のデータベースを作成した。この接触角を正しく表現する固体表面の境界条件を二次元と三次元で開発し、液滴形状が実験と一致することを確認した。また、実際の基板の物理的・化学的な粗さを表現する固体壁モデルを作成し、基板上に付着する液滴の再現に成功した。
さらに、空気ガスの流れ中に液滴を置き、入り口ガス流速とアクリル基板上の液滴移動速度を測定した。この結果を数値計算の結果と比較することで、モデルの妥当性が検証できた。これらの計算には、保有するPCクラスタ型並列計算機を用いて計算時間の短縮と精度の向上を図った。