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燃料電池のシミュレーションに関して、Panasonicが表題のような技報を公開している。
家庭用燃料電池としてエネファームのシステムを製造するPanasonicは、PEMの材料設計をシミュレーションによる性能予測から可能としている模様。

 

Pt触媒(数nm)、カーボン担体(数十nm)、アイオノマー(Nafion)で構成される触媒層構造を設計する事を目的としたマルチスケールシミュレーション。

拡散係数、溶解度およびプロトン伝導度を分子動力学(MD,J-OCTAおよびLAMMPS)により求め、触媒層内の多成分ガス拡散をMC-LBM(multicomponent lattice Boltzmann methode, 内製)を用いて実効自己拡散係数と相互拡散係数およびプロトン伝導度を計算、これら物質輸送特性をマクロスケールに適用している。

計算対象がガスの場合、Navier–Stokes方程式の適用限界は6μm程度で、燃料電池のガス拡散層や触媒層のような小さいスケールの移流・拡散の近似にはLBMのBGK法が向いているが、単相ガスしか解けない。

MC-LBMによって算出された多相の実行相互拡散係数は、バルクの値の0.1~0.8倍となり、一般的な空隙率に比例するモデルは拡散性を実際より高く見積もる恐れがある事を示唆している。

マクロスケールでのIV予測の結果、筆者らのターゲットとなる運転領域(~0.8[A/cm2])において、電圧予測精度が±10mV以内となった。

【所感】
全般的に非常に勉強になった。N-S方程式の適用限界があり、触媒層などのスケールの流路の移流・拡散を予測できないかもしれない、という事は知らなかった(昔大学で学んだのかもしれんが)。おそらく、クヌッセン数を計算した際に0.1を超えるような条件に至るものと考えられる。
今回精度検証で示されている0~0.8[A/cm2]であれば、生成水の少ない領域であるため予測ができそうだが、濃度過電圧が効いてくるような高電流密度や、生成水の多い過加湿の条件やでも予測が可能か気になる(家庭用PEMの動作範囲はよくわからないが)。
この手法によって様々な触媒層構造を計算し、試作してみて、どこまで計算精度が実測と揃うのか。触媒層の試作のばらつきなどもあるなかで、どれほど定量的な評価ができるかも含めて棘の道と推察するが、続報を楽しみにしたい。
関係ないが、久々に日本語の論文を読んで母国語だとこんなに読みやすいのかと感じた。もっと英語勉強しよう。


参考文献

■DEVELOPMENT OF PEFC SIMULATION METHODS BASED ON MESOSCOPIC TO MECROSCOPIC SCALE PHYSOCAL MODELS
https://www.ansys.com/-/media/ansys/ja-jp/resourcelibrary/article/aa-v10-i1/aa-v10-i1-development-of-pefc-simulation-methods-bas-mesoscopic-to-macroscopic-scale-physical-models.pdf