2012 Fiscal Year Annual Research Report
階層型連成現象シミュレーションによる燃料電池内の物質移動メカニズムの解明
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23360079
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Field |
Fluid engineering
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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, 機械工学科, 助教 (20568521)
渡部 正夫 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30274484)
栗原 央流 大分大学, 工学部, 准教授 (90344481)
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| Project Period (FY) |
2011-11-18 – 2015-03-31
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| Keywords | 数値流体力学 / 燃料電池 / 多孔質 / 物質輸送 / 連成解析 / 分子動力学 / 気液界面 |
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| Research Abstract |
高分子形燃料電池内（PEFC）の物質移動現象の合理的な予測法としてナノスケールの電気化学反応機構とマクロスケールの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」のための基盤モデルの構築と実証を行う。特にPEFC内液水分布の影響に着目したマクロスケール･メゾスケール･ナノスケールの3つの階層モデルの研究課題として以下を実施した．
課題１マクロスケールモデルによるMEA全体モデリングとPEFC特性シミュレーション： EFC多孔質・触媒層・電解質のメゾ・ナノ構造によって生じる非一様性、非等方性を考慮するため、異なる流路、MEA形状寸法、運転条件に対する系統的な解析を行い、特に、セパレータ流路から多孔質へのクロス流の制御とそれによる圧力損失および限界電流への影響メカニズムの解析、検証を行った．
課題２ 多孔質構造モデリングと液水輸送シミュレーション： 昨年度成果である触媒層の水輸送モデルの再構築に基づく解析シミュレーションを、汎用流体解析ソフトウェアFrontFlow/red、および、OpenFOAMに実装し、,基礎的現象における数値検証を行った．また、多孔質内での液水・気流の輸送メカニズムを解析するための2次元疑似多孔質MEMS実験モデルを設計試作するとともに、予備的な数値解析として格子ボルツマン法に基づく数値シミュレーション法の計算精度、効率の改良検証を行った。
課題３ 気液界面の分子動力学モデリングと拡散素過程シミュレーション： 触媒層内を想定した数nmのオーダーの液滴、液膜の形成機構と物理的特性をMD法によって明らにするため、水のマイクロ物性を正確、かつ、効率的に予測できると考えられるマルチサイト分子モデルを導入し、その数値計算法および各モデルの比較検証を行った。
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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
各課題において，解析モデルの検討と基礎的現象における検証，および，最終的な目的達成のためのソフトウェアの改良・構築を計画通り実行し，ほぼ，当初想定した成果を得た．よって，次年度以降も計画通りの研究実施を行うことができる．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年、今年度研究により獲た成果により，本研究計画が達成できる期待は大きくなった．次年度は，本研究進展と平行して，研究成果の燃料電池技術開発へのフィードバックを推進するため，企業等との情報交流，および，知財，ソフトウェア知見の公表などを通した技術移転を加速実施したい．
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