第 23 回数値流体力学シンポジウム C1-5 境界上でのキャピラリー圧が GDL 内の液体水飽和度分布に与える影響 Influence that Capillary Pressure on Boundary gives to Distribution of Liquid Water Saturation in GDL ○ 萩野顕一, 北大, 札幌市北区北 13 条西 8 丁目, E-mail: [email protected] 劉娟芳, 北大, 札幌市北区北 13 条西 8 丁目, E-mail: [email protected] 大島伸行, 北大, 札幌市北区北 13 条西 8 丁目, E-mail: [email protected] Kenichi HAGINO, Hokkaido Univ., Sapporo N13W8, Japan Liu Juanfang, Hokkaido Univ., Sapporo N13W8, Japan Nobuyuki OSHIMA, Hokkaido Univ., SapporoN13W8, Japan A two-phase and multifluid model is developed based on the molar-averaged and phase-averaged approaches for a polymer electrolyte fuel cell. The two-phase transport phenomena are investigated for two different interfacial conditions at the gas diffusion layer and catalyst layer interface, in which, one is the saturation continuity, and the other is the capillary equilibrium. From the simulated results, it is found that the thin catalyst layer is of extreme importance to better understand the concurrent phenomena inside the electrode, particularly, the flooding phenomena. １．緒言１．緒言固体高分子型燃料電池（PEFC：Polymer Electrolyte Fuel Cell）は，高効率，高出力，低作動温度といった特性を持ち，運転時の環境負荷が小さいという特性から自動車をはじめとする輸送機器や携帯用電源装置への利用が期待されている．しかし発電の際にカソードの触媒層（CL：Catalyst Layer）において水が生成される．この水は周囲の環境によって液相をとるか気相をとるかが決定される．水の生成量と排出量のバランスが適切にとれていないと，電解質膜内の水分が枯渇してしまうドライアウトと呼ばれる現象や触媒層やガス拡散層（GDL：Gas Diffusion Layer）が液体水に覆われてしまい燃料が供給されなくなってしまうフラッティングとよばれる現象を招いてしまう．これらの現象を防ぎ，適切な運転条件を設定するためにも PEFC 内部の水の管理は極めて重要である．本研究では実際に水が発生するカソード CL と水の排出に関わるカソード GDL に注目し，異なる物性の界面において２種類の異なる境界条件を適用した場合，液体水飽和度分布にどのような影響を与えるか数値解析によって調査した．２．計算方法計算モデルとして Wang[1]らが提唱した multiphase mixture (M2) model を参考にしており，液体水の輸送は化学種の保存方程式で解いている．GDL と CL の境界面において(a)液体水飽和度が連続である，(b)キャピラリー圧が平衡であるという２種類の異なる境界条件を適用し結果の比較を行った．計算方法に２次元の有限体積法を用いた．３．結果 Fig.1 は異なる境界条件の際の液体水飽和度の分布である． Fig.2 は In-plane 方向で平均化した液体水飽和度の値である．(b) の境界条件を適用した場合，GDL と CL の境界面において液体水飽和度が大きく変化している事が解る．４．結言与える境界条件によって液体水飽和度の分布が大きく異なる結果となる事が解った．参考文献 [1]C. Y. Wang and P. Cheng, Int. J. Heat and Mass Transfer, 39(1996)3607-3618. (b) (a) Fig.1 Distribution fields of liquid saturation for different interfacial conditions (a) sGDL|GDL-CL Interface= sCL|GDL-CL Interface , (b) pcGDL|GDL-CL Interface= pcCL|GDL-CL Interface 0.20 CL s-Liquid saturation 0.15 GDL CL GDL s |CL-GDL Interface=s 0.10 CL | CL-GDL Interface GDL pc |CL-GDL Interface=pc |CL-GDL Interface 0.05 0.00 0.03 0.04 0.05 0.06 L(cm)-Position along the cathode electrode Fig.2 Comparison of the mean liquid saturation along the through-plane direction for different interfacial conditions 1 Copyright © 2009 by JSFM