2014 Fiscal Year Research-status Report
ディスク型ＳＯＦＣを模擬した多孔体円板流路における加熱旋回流れの最適化
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26420123
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
角田 和巳 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (70255644)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
末包 哲也 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (30262314)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 流体力学 / 固体酸化物形燃料電池 / LDV計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
燃料電池は分散発電の中核を担う技術の一つであり，高温域で作動する固体酸化物形燃料電池（SOFC）と熱機関を組み合わせれば，数MW級の高効率分散型発電システムを実現することも可能である．このようなシステムで高い総合効率を達成するためには，電力変換の過半を担うSOFCの性能向上が不可欠であることから，我々は流動様式の自由度が高いディスク型SOFCに着目し，電池性能の向上に寄与するような流路形状を検討してきた．その結果，インボリュート曲線形状の集電体を採用し，流路内に旋回流れを発生させることにより，流れ方向の速度分布が一様な状態に改善されることを実証したが，局所的な流れの偏向や集電体近くの減速領域などの存在も明らかとなった．
そこで本研究では，上記の現象への対策として透過性を持つ金属性多孔質体の集電体を設置し，その効果を実験的に調査した．集電体の材料として多孔質体を導入するケースは少なくないが，一般に多孔質表面に接する流れが層流の場合，表面摩擦係数は減少すると考えられ，流体力学的な観点からもSOFCの性能改善が期待される．したがって本研究では，透過性多孔壁を持つディスク型流路内の速度場について，二次元レーザドップラー流速計（LDV）を用いて詳細な計測を行った．その結果，多孔質集電体を配置した流路内では，集電体の壁面付近において流速の急激な減少が抑制され，流路幅方向に沿う速度分布の不均一性は抑えられることが示された．
さらに，速度場と温度場との関連を把握するため，透過性金属多孔体を伝熱面とするディスク型流路内で温度分布を計測し，インボリュート形状の流路内ではほぼ一定のヌセルト数が実現されることを確認した．
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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
当初の計画に従い，金属多孔質体を用いたディスク型流路を作製し，速度分布計測ならびに温度分布計測を実施することができた．両者の詳細な相関については未検討な項目も残されているが，今後パラメータを変更しての実験を予定しており，おおむね順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
透過性多孔質体の気孔率をパラメータとして，前述の速度場計測について継続実験を行い，集電体を介しての透過流が流れ場に及ぼす影響を定量的・定性的に検討する．
また，ディスク型SOFC は個々のセルを積層してスタックを構成するため，スタックをモデル化した実験用流路を作成して流れ場の全体的な挙動を調べ，適正な流量配分を実現する条件および手法について検討する．
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| Causes of Carryover |
実験流路に設置する金属多孔質体を前年度は１種類としたこと，ならびに流速測定用のPC購入を今年度に変更したことにより次年度使用額が生じた．本実験の与条件から，当初の計画より金属多孔質体の選定を慎重に行う必要があると判断し，気孔率を変えた新規流路の作製を今年度に行うこととした．また，PIV計測を新たに導入する可能性を踏まえ，計測関連のPC購入を今年度に変更することとした．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
前述の状況を踏まえ，金属多孔質体を用いた新規流路の加工・製作，およびPIV計測に対応可能なPCの購入を計画している．
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