格子ガスオートマトン法による固体高分子燃料電池内の流動解析

使用晶格气体自动机方法进行聚合物电解质燃料电池的流动分析

基本信息

批准号：
13750147
负责人：
松隈洋介
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究ではメゾレベルから流れを解析する手法である格子ガスオートマトン法を用いて固体高分子形燃料電池(PEFC)内の流れを流体と固体を連成させて計算し,流れが均一になる最適流路形状を求め,その妥当性を実験により検証する。以上の解析と実験によりPEFC内の複雑流れをメゾレベルより解析する有効なツールを提案することを目的とした。平成13〜14年度の研究から主に以下の3つの成果が得られた。1)PEFC内流動解析を行う格子ガスオートマトンモデルの開発格子ガスオートマトン法を用いて既存のPEFCセパレータ内の流れを計算した。PEFC内の各チャンネルに分配される流量には3倍程度の偏りがあったが、入口・出口の形状を二次曲線形状とすることにより均一化が計れることが分かった。以上より、格子ガスオートマトン法がPEFCの設計計算に有効なツールであることを確認した。2)PEFC内流動を均一にする流路の自動設計手法の開発1)で開発したモデルをさらに改良し、PEFC内の流動を均一化する流路を自動設計する格子ガスオートマトン法を開発した。すなわち、PEFC内で燃料の流速の遅いよどんだ領域には固体壁を追加し,流量の多い流路では固体壁を削るという操作を行い、最適形状の流路を作成する流体・固体の連成モデルを開発した。その結果、各チャンネル間の流量の偏りが3倍程度あった流量比が、最適設計した後には1.1倍程度となり、本モデルがPEFC流路の自動設計に有効であることを確認した。3)流路内に分配される流量の実験との比較2)において自動設計した流路形状を用い差分法との比較計算を行った。その結果格子ガスオートマトン法で予測された流動場とよく一致し、本解析モデルの妥当性が検証された。さらに、単流路のPEFC燃料電池セルを作成して発電試験を行うことで、PEFC内の発電性能を評価する電気化学的モデルを作成することが出来た。

在这项研究中，通过使用晶状体气体自动机方法组合流体和固体来计算聚合物电解质燃料电池（PEFC）中的流量，这是一种分析中介质水平流的方法，并通过实验来验证流量的有效性。目的是提出一种有效的工具，通过上述分析和实验分析PEFC内的复合流量。从2001年至2002年的研究中获得了三个主要结果：1）使用晶状体气体自动机方法计算了现有PEFC分离器中的晶格气体自动机模型。 PEFC中的通道之间分布的流速约为三倍，但发现可以通过使进气口和出口形状成为二次曲线来测量均匀性。从以上，已经证实了晶格气体自动机方法是用于PEFC设计计算的有效工具。 2）开发一种自动设计方法，用于使PEFC中流动均匀流动的流动路径，并开发了一种晶格气体自动机方法，该方法自动设计了流动路径，该流路均匀地将PEFC中的流量均匀。换句话说，固体壁被添加到PEFC内的燃油流速缓慢的停滞区域，并在高流速高的流动路径中切断实心壁，并开发出耦合的流体 - 固体模型，从而创建最佳形状的流动路径。结果，最佳设计后的流速比约为每个通道之间流量偏差的三倍，大约是1.1倍，证实该模型可有效地设计PEFC流动路径。 3）与流动路径内分布的流速实验的比较2）使用自动设计的流道路形状，使用差异方法进行了比较计算。结果，晶格气体自动机预测的流场与该分析模型的有效性良好匹配。此外，通过创建单流PEFC燃料电池和进行发电测试，电化学模型能够评估PEFC中的发电性能。