固体高分子形燃料電池におけるマルチスケール水・蒸気輸送解析の構築

聚合物电解质燃料电池中多尺度水/蒸汽传输分析的构建

基本信息

批准号：
22K14188
负责人：
境田悟志
金额：
$ 3万
依托单位：
Ibaraki University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14188/
关键词：
PEFC LBM 蒸気水輸送固体高分子形燃料電池 GDL

项目摘要

水素と酸素で動作する固体高分子形燃料電池はクリーンな動力源である。その普及には高出力密度化が不可欠であるが、そのために水素と酸素を多量に反応させると多量の水が電池内に滞留し、触媒への酸素供給が阻害される。つまり、電池の出力密度は水の滞留により制限される。この問題を解決するためには電池内のミリスケールのセパレータ、マイクロスケールの細孔を有するガス拡散層、サブマイクロスケールの微細多孔質層の内、どこの水が性能を律速するのか、何がトリガーとなり、そこに水が滞留するのかを明らかにしなければならない。本研究はこれまでに独自開発してきた高速解析手法を発展させ、電池内部の水・蒸気輸送解析モデルを構築することで、固体高分子形燃料電池の水・蒸気輸送メカニズムを明らかすることを目的としている。現在は気液の判定に用いる秩序変数を蒸発・凝縮に応じて変化させるサブモデルを組み込むとともに、移流拡散方程式を加えることで蒸気輸送を計算できるアルゴリズムの導入が完了しており、水・蒸気輸送解析モデルの作製が概ね完了している。ただし、計算コストを低減するために粗いタイムステップを用いると安定性に若干の問題が発生した。この点について改良が必要である。またモデルを検証するための実験装置の作製も進めており、現在では3Dプリンターを用いて可視化用のガス拡散層の作製も完了している。光学系の構築が完了し次第、固体高分子形燃料電池の水・蒸気輸送を模擬した実験を行い、開発したモデルの検証用データの取得を行う。

用氢和氧气运行的聚合物固体燃料电池是清洁能源。高功率密度对于广泛使用至关重要，但是如果氢和氧气大量反应，电池中将保留大量水，从而抑制向催化剂的氧气供应。也就是说，电池电量密度受水的保留限制。为了解决这个问题，有必要阐明哪种水是电池中的毫米级分离器，带有微观孔的气体扩散层以及微观微观的微孔层以限制性能，是什么触发并在此处保持水。这项研究旨在通过开发一种高速分析方法来阐明固体聚合物燃料电池的水和蒸汽传输机制，该方法已仅开发到迄今为止，并在电池内构建了水和蒸汽传输分析模型。当前，通过响应蒸发和凝结来纳入用于确定气体液体的顺序变量的子模型，并且可以通过添加对流扩散方程来计算蒸汽传输的算法，并且已经完成了水键传输分析模型的制造。但是，使用粗糙的时间步骤来降低计算成本已导致一些稳定问题。这需要改善。我们还正在研究制造实验设备以验证模型，现在我们已经完成了使用3D打印机可视化的气体扩散层的生产。一旦完成光学系统的构建，将进行实验以模拟固体聚合物燃料电池中的水和蒸汽传输，并将获取用于验证开发模型的数据。