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。

聚合物电解质燃料电池以氢气和氧气为燃料，是一种清洁能源。高功率密度对其广泛使用至关重要，但如果为此目的使大量氢气和氧气发生反应，大量的水将残留在电池中，抑制向催化剂供应氧气。换句话说，电池的功率密度受到保水性的限制。为了解决这个问题，需要找出电池的毫米级隔膜、具有微米级孔隙的气体扩散层和亚微米级微孔层的哪一部分决定了水的性能，并找出触发它的原因。水留在那里。这项研究的目的是通过开发自主开发的高速分析方法并构建电池内部水和蒸气传输的分析模型来阐明聚合物电解质燃料电池中的水和蒸气传输机制。目前，除了结合一个子模型来改变用于根据蒸发和冷凝确定气液状态的阶变量外，我们还完成了引入一种可以通过添加平流扩散方程来计算蒸汽传输的算法。分析模型的创建已基本完成。然而，使用粗时间步来降低计算成本会导致一些稳定性问题。这方面需要改进。我们还在继续创建实验设备来验证模型，现在已经完成了使用 3D 打印机进行可视化的气体扩散层的创建。一旦光学系统的构建完成，将进行模拟聚合物电解质燃料电池中水和蒸汽传输的实验，以获得用于验证所开发模型的数据。