固体高分子形燃料電池シミュレーター システム構成

単セルからセルスタック全体のI-V特性、電流密度分布、ガス圧分布、濃度分布、温度分布を解析対象とするスタックシミュレーターを開発しています。ここではガス流路についての1次元ガス配管モデルや熱伝達モデル、集中定数系の起電力モデルなど、工学モデルを積極的に導入することによって、通常の3次元モデルでは膨大な計算を要するセル全体のシミュレーションの可能性を向上させるものです。また、解像度を1［mm］程度に設定し、精度向上のためには単なる計算粒度（計算格子）の細分化を行わず、有効熱伝達係数のモデルなど、工学モデルの機能向上により精度向上を目指しています。このレベルのシミュレーターとしてはNguyen、White ら［2］-［4］の研究例があり、現在、膜の水分輸送に関しては、そこで提案されているドラッグや逆拡散などの集中定数モデルを改良しています。スタックシミュレーターはセル全体をシミュレーションするために必要な流路、セパレーター、MEAにおける物質・熱の輸送モデルと起電力モデルを統合するものです。

スタックシミュレーターに比べ、熱・物質移動に対してより原理的な物理モデルを用いるセルシミュレーターを開発しています。具体的には、多成分ガスの拡散現象にStefan-Maxwell方程式［6］を用い、またGDL内には毛細管現象を考慮したガス・水滴の2相流動モデル［7］を用いています。これによって、0.1［mm］程度の解像度で詳細なガス濃度分布、温度分布、電流密度分布のシミュレーション［5］-［7］を可能としています。セルシミュレーターはスタックシミュレーターに比べて計算負荷が大きくなるため、流路構造（溝幅、溝深さ、断面形状）の影響等、小さな領域の解析を詳細に行うツールに位置づけ、複数セルの解析を目指すスタックシミュレーターと相互補完的に用いることができます。

電解質膜内の水分分布や触媒層内のガス濃度・電流密度分布など、MEAに関係するミクロンオーダの微細数構造で起こる現象をシミュレーションするシミュレーターとしてMEAシミュレーターを開発しています。これを連続体方程式を用いる最も詳細なレベルのシミュレーターに位置づけています。このレベルのシミュレーターの研究例としては、MEA の分極特性の算出［7］、触媒層内の電解質・電極・空隙・触媒分布の影響の解析［8］、不純物イオンによる膜の劣化を考慮した膜内水分分布の解析［9］などがあります。MEAシミュレーターでは、これらのシミュレーション技術を統合し、MEA 内の全ての現象が連成したときのMEA 単体の分極特性を再現するシミュレーターの開発を目指しています。

流路内のガス流速、壁面濡れ性、ガス拡散層のミクロ構造（基材、空孔率、濡れ性など。）等による流路・ガス拡散層界面の水滴の付着限界、水滴の移動速度、またガス拡散層内の水滴ネットワーク形成、流路への水滴排出メカニズムの違いについて、表面張力・濡れ性をモデル化した粒子法（MPS法）［10］-［12］による二相流直接シミュレーションにより解析するソフトウェアです。
実験では計測が困難な水滴存在時のガス拡散層の拡散係数や浸透係数といったマクロ特性を算出し、これらをP-Stackのガス拡散層の輸送モデルに適用することも可能です。また、マイクロポーラス層（MPL）、触媒層、電解質膜の分子スケールの現象解明のための分子動力学法、ネットワークモデル等のシミュレーション手法についても検討しています。