OpenFOAMのカスタマイズ事例：PEFCの性能解析

(1)

岐໣ੵ業ৈ等専୅学校ؙ৛本ؙৈ久

!""#$%#"&''()*+,-.'/*01++*2'3*41+52'

OpenFOAM のカスタマイズ事例： PEFC の性能解析

CONTENTS OF THIS PRESENTATION

1

2

3

OpenFOAM de PEFC ANALYSIS

まとめ，雑感

4

あらためてঽഞ紹介を...

Tips

炉内温度

・これまで ষ ってきた CF D 解析例

1) 

ガスタービン燃焼器の燃焼解析（乱流＋乱流燃焼モデル）

2) 

改質反応器の反応解析

3) 

原৕炉内の熱流動

-

核分裂反応の連成解析

4) 

めっき処理装置内の流動

-

電場の連成解析

5)  ে体内の熱物質輸送現象解析

6)  固体ৈ分৕型燃料電池の性能解析

^Temp.

300 1000

500 1500

[K] Front

view Right-side

view Left side

view

H3-Flame

の数値解析例

(FLUENT + original solver)

Fuel H2:N2=50:50 (vol.)

co-flow Air

Diameter of fuel nozzle, D 8mm bulk velocity at fuel nozzle 34.5m/s

co-flow velocity 0.2m/s

Reynolds number 10000

モンテカルロ粒子の解析結果

OH (mass fraction) Temp.

300 1000

500 1500

[K]

0 3.0e-4

2.0e-4

1.0e-4 [-]

※解析にはFluent(ANSYSCo.)を用い，

乱流モデルにはrealizablek-emodelを適用

※ 新たな燃焼モデルを構築し，ౌ炎の浮 き上がりの予測精度向上を図る

(2)

乱流燃焼モデルに関する研究

乱流燃焼場において，化学種輸送および燃焼反応はశ線形性が極めて強くなる。্程式を閉じることが出来ないため，通常，無限反応速度（混合即反応）をベースとしたモデルにて解析がষわれている。

ここでは，乱流変動の影響を確率密度関数を৷いて表すことにより有限反応速度にて解析をষう。

Composition PDF Transport モデル

঳点঳時刻の結合確率密度関数(Probability Density Function)を解くことに

より，శ線形性をંす化学反応項を閉じる（完結問題）ことができる。

[ ] !

"

#

$ %

&

' ' '

+ ' ' ((

) ' ' =

+ ' '

' P

x P J

x u P S P

x u

t P

_i

k i k i

i k k i i

+ *

* +

* + +

+ ) ( ) ( ) | 1 |

(

^,

శ定常項 対流項 化学反応項 乱流に起因する対流項 分৕混合・拡散項

→ 勾配拡散モデル → 修正カールモデル

モンテカルロ法により，上記の্程式を解く。

乱流場の浮き上がりౌ炎などに適৷できないかを検討中

Realizable k-epsilonモデル

まえおき …

本঩，お話しさせて頂く内容は，

ؙ OpenFOAM ver. 1.4 (2007)

のころに作成した

PEFC

モデル

”ipemSimpleFoam.C”

についてです。

従って，やり্が古い点も多々あるとおもいます。

その点，予めご了承ください。

固体ৈ分৕型燃料電池の構造

!  Area of Electrode:

50 mm 50 mm

!  Electrolyte: Nafion112

!  Pt(anode): 0.51mg/cm 2

!  Pt(cathode): 0.52mg/cm 2

Cross section

1 mm

GDL, Catalyst layer (porous media) Separator

channel Separator channel:

Serpentine type

In

Out

(3)

PEFC の概略図

! 

仮定

" 

ガス流路と拡散層の境界のガ

ス濃度は供給ガス濃度に等しい

"  ਷分はすべて蒸気で存在する

"  PEFC

セル構成部品の温度は䈊

すべて等しい

"  PEFC

セル温度とガス温度は䈊

等しい

" 

固体ৈ分৕膜のイオン伝導度䈊

はアノードの਷の活量で決まる

触媒層

アノ

ー

ド側セパレ

ー

タ

਷素と窒素

空気

外部回路固体

ৈ

分

৕

膜

拡散層

拡散

層

カソ

ー

ド側セパレ

ー

タ

解析系

PEFC の解析をষう際の課題

PEFCの解析においてOFに組み込むべきモデルはপきく以下の２つ：

!  ؙ電気化学反応モデル過電圧（抵抗のこと）

電流密度 ਷素の消費

!  ؙ触媒層，ガス拡散層（両者とも多孔質体）

PEFC性能解析モデルの概要

!  Equation of current density

!  Hydrogen consumption rate calculated by current density

!  Governing Eqs.:

"  Continuity eq.

"  Momentum eq.

"  State equation of

ideal gas

"  Transport eq. of

chemical species

!  Porous Media:

"  Darcy’s law

#  PEFC MODEL

#  CFD MODEL

+

PEFC性能解析モデルの流動場੍配্程式

! !

!t + " # ( ! U ) = S c

( UU ) p ( U ) S u

t

U + ! # = "! + ! +

$

$ % % µ

( ) ( i ) Y

i

eff i i

i UY D Y S

t

Y + ! " = ! " ! +

#

!  Continuity eq.:

!  Momentum eq.:

!  Transport eq. of chemical species:

!  Pressure-velocity coupling -> SIMPLE scheme

!  Descretization of governing eqs.:

Diffusion terms -> 2

^nd

order central

Convection terms -> QUICK, Time terms -> Implicit

Hydrogen consumption (catalyst layer)

Pressure drop in GDL

(porous media)

(4)

とりあえず，どうしよう …

reactingFoamをベースにする！

化学種の輸送解析モデル（化学反応を含む）

乱流温度計算

→

層流

→

化学反応はૃめる。輸送部分のみ流৷。

今回考える化学種は਷素と窒素のみ。

→

PEFCの運転温度７０℃঳定と仮定。

温度計算をૃめる。

電気化学反応の計算の時のみ温度を使৷。

→

਷はે分に加熱されており，

PEFC全体でે分に供給されていると仮定。

ちょっとその前に

OpenFOAM解析の妥当性の検証ؙ(1)

OpenFOAM解析の妥当性の検証 (2)

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=0.0mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=0.5mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=1.0mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=1.5mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=2.0mm

図C.3:ラインLDV計測と本研究数値解析モデルとの比較(速度U xのスパン方向分布)

viii 0.0

0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=0.0mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=0.5mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=1.0mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=1.5mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=2.0mm

viii 0.0

0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=0.0mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=0.5mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=1.0mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=1.5mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=2.0mm

viii

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=0.0mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=0.5mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=1.0mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=1.5mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=2.0mm

viii 0.0

0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=0.0mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=0.5mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=1.0mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=1.5mm

0.0 0.30 0.60 0.90 1.2 1.5

0.00 0.03 0.05 0.08

y[mm]

Ux [m / s]

x=2.0mm

viii

対流項には

TVD

スキーム，拡散項には中ੱ差分，శ定常項には完全陰解法を適৷。

OpenFOAMのカスタマイズ 事例：PEFCの性能解析

岐໣ੵ業ৈ等専୅学校ؙ৛本ؙৈ久

・これまで ষ ってきた CF D 解析例

H3-Flame

乱流燃焼モデルに関する研究

Realizable k-epsilonモデル

その点，予めご了承ください。

ス濃度は供給ガス濃度に等し い

" ਷分はすべて蒸気で存在する

すべて等しい

਷素と窒素

! ؙ電気化学反応モデル 過電圧（抵抗のこと）

! Hydrogen consumption rate calculated by current density

eff i i

reactingFoamをベースにする！

化学種の輸送解析モデル（化学反応を含む）

PEFCの運転温度７０℃঳定と仮定。

PEFC全体でે分に供給されていると仮定。

ipemSimpleFoamの構成

OpenFOAMのカスタマイズ事例：PEFCの性能解析

ス濃度は供給ガス濃度に等しい

"  ਷分はすべて蒸気で存在する

!  ؙ電気化学反応モデル過電圧（抵抗のこと）

!  Hydrogen consumption rate calculated by current density