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2015 年度 実績報告書

固体高分子燃料電池の液水輸送や相変化を考慮した非定常発電特性のモデリング

研究課題

研究課題/領域番号 25820058
研究機関横浜国立大学

研究代表者

荒木 拓人  横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90378258)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワード熱物質輸送 / 固体高分子形燃料電池
研究実績の概要

平成25年度,26年度には主にLeverett関数の改善と,流路-GDL界面モデルの改善を行った.平成27年度には,SPring-8で測定したGDL内の液滴直径分布を基に,液滴直径が相変化速度と拡散・熱伝導特性へ与える影響を考慮したモデルへの拡張を行った.
X線CT画像から液水の挙動を調べるために蒸発,凝縮,圧入モードの三通りの実験を行った結果,蒸発モードでは小さな液滴が多く残り,凝縮モードでは大小の液滴が生じることが撮影画像・ヒストグラムから読み取れた.一方で圧入モードでは大液滴が大きな空隙を移動することがわかった.また同時に拡散係数,熱伝導率の測定を行ったところ液水生成モードによってその値が大きく変動することがわかった.そこでGDL中の液水を大小どちらかの直径を持つ液滴とみなし,拡散係数は液滴が空隙を塞ぐことでガス拡散を阻害することから各液滴の総体積によって,熱伝導率はGDL繊維間の液滴が熱伝導パスとなることから各液滴の総数によって変化すると定義した.さらに大液滴と小液滴それぞれに蒸発速度を定義し,気液界面面積の大きさから大液滴が先に蒸発し,小液滴になると仮定した.また液滴の直径や凝縮モード時における大小液滴の生成割合は液滴直径ヒストグラムから算出した.それによりこれまで再現の難しかった,例えば電流密度を1.0[A/cm2]から0.01[A/cm2]に減少させた際の複数の変曲点のある複雑なセル電圧・膜抵抗応答を再現できるようになり,液滴直径モデルの有効性を明らかにした.

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Simultaneous Measurements of Liquid Water Distributions and Catalyst Layer Surface Temperature inside Operating PEMFC Catalyst Layer2015

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Watanabe, Jun Tsujikawa, and Takuto Araki
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 69(17) ページ: 447-483

    • DOI

      10.1149/06917.0477ecst

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Conjugate Analysis of Heat-Species-Charge Transport for Evaluating Effects of the Temperature Gradient on Cell Performance Modeling2015

    • 著者名/発表者名
      Kiyofumi Miyagawa and Takuto Araki
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 69(17) ページ: 93-107

    • DOI

      10.1149/06917.0093ecst

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] In Situ Humidity Measurements at the CL Surface By MEMS-Based Sensors Catalyst Layer2015

    • 著者名/発表者名
      Jun Tsujikawa, Ryotaro Minami, and Takuto Araki
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 69(17) ページ: 471-476

    • DOI

      10.1149/06917.0471ecst

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Multipoint Measurements of Local Temperature in PEMFC by using Thin Film Thermocouples2016

    • 著者名/発表者名
      Koki Kobayashi, Jun Tsujikawa, Takuto Araki
    • 学会等名
      The Fisrt Pacific-Rim Thermal Engineering Conference
    • 発表場所
      Hawaii, Waikoloa Beach Marriott Resort &Spa, USA
    • 年月日
      2016-03-16 – 2016-03-16
    • 国際学会
  • [学会発表] Three-Dimensional Unsteady Numerical Analysis of a PEMFC Considering Effects of Liquid Water Transport in a Gas Channel with Micro Grooves2016

    • 著者名/発表者名
      Koji Takaya, Takuto Araki
    • 学会等名
      Fisrt Pacific-Rim Thermal Engineering Conference
    • 発表場所
      Hawaii, Waikoloa Beach Marriott Resort &Spa, USA
    • 年月日
      2016-03-15 – 2016-03-15
    • 国際学会
  • [学会発表] 固体高分子形燃料電池内の湿度測定に向けた MEMS センサの小型化2015

    • 著者名/発表者名
      辻川 順,小林 航輝,南 凌太郎,荒木 拓人
    • 学会等名
      第 7 回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • 発表場所
      朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
    • 年月日
      2015-10-29 – 2015-10-29
  • [学会発表] 新形式ガス流路がPEFC内部の非定常応答に与える影響2015

    • 著者名/発表者名
      髙谷 洸司, 荒木 拓人
    • 学会等名
      日本機械学会 熱工学コンファレンス2015
    • 発表場所
      大阪大学
    • 年月日
      2015-10-25 – 2015-10-25
  • [学会発表] 薄膜熱電対を用いたPEFC内局所温度の多点同時測定2015

    • 著者名/発表者名
      小林 航輝, 辻川 順 , 荒木 拓人
    • 学会等名
      日本機械学会 熱工学コンファレンス2015
    • 発表場所
      大阪大学
    • 年月日
      2015-10-25 – 2015-10-25
  • [学会発表] 液水分布のX線CT可視化および薄膜熱電対を用いた触媒層表面温度の in situ 同時測定2015

    • 著者名/発表者名
      辻川順,渡邊健太郎,荒木拓人
    • 学会等名
      第52回伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      福岡国際会議場
    • 年月日
      2015-06-04 – 2015-06-04
  • [学会発表] アイオノマ表面の液水輸送抵抗がPEFCの性能に与える影響に関する非定常数値解析2015

    • 著者名/発表者名
      宮川聖史,峰岸泰之,荒木拓人
    • 学会等名
      第52回伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      福岡国際会議場
    • 年月日
      2015-06-03 – 2015-06-03

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公開日: 2017-01-06  

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