ANSYS Flentで燃料電池の発電計算してみた

年末年始もコロナですね。おかげさまで、暇です。

暇すぎたので、ANSYS studentを使って、燃料電池の性能を予測するシミュレーションをやってみました。

アウトプットイメージ
モデル形状
Fluentでの計算設定
計算結果
まとめ

アウトプットイメージ

豊田中央研究所 R&D レビュー(1994)に掲載されていたIVカーブです。

こんな感じのIVカーブ[1]が描ければ嬉しいなぁくらいの軽い気持ちで、ANSYS studentのFluentを使って計算しました。

モデル形状

モデルはSCDM(AnsysSpaceClaim)で作成。正直、SCDMの使い方があまり分かってないので適当に作りました。

構成部品としては、セパレータ、流路、ガス拡散層、撥水層、触媒層がアノードカソードそれぞれあり、触媒層間に電解質があるモデルで、厚みは適当です(ナフィオン膜の厚み[2]は調べてそれっぽい厚みにしてあります)。

ANSYS meshでメッシュを作成、電解質や電極(所謂セルに相当する部分)は、厚さ方向に3層切ってあります。不連続メッシュで一度計算してみたのですが、やはりうまく計算できず。

連続メッシュに切りなおして無事に計算できました。

Fluentでの計算設定

ANSYS 2020R1をインストールしたら、GUIがナウでヤングな感じに改良されてて笑顔になりました。

インストール手順：自宅でANSYS製品使ってみた【環境構築編】

Fluentには、燃料電池の発電計算モジュールがデフォルトで搭載されているので、これを使います。

PEM Fuel Cell Modelを有効にして、アノード、カソード、電解質などの領域を選ぶと、Materialに勝手にfc-mixtureが追加され、Species Transportのモデルも自動的に有効になるようです。

Fuel CEll Modelの使い方については、Youtubeに公式の解説動画があったので参考にしました。ただ、この手順は結構適当でいろいろ試行錯誤が必要でした…

FCモジュールの物性値や設定などは、ひとまずデフォルトで計算してみます。界面の接触抵抗も特に定義せずやります。

その他、メモ的に設定したことを書くと
・領域はセパレータ以外は全てFluidに変更(ガスが流入する領域なので)
・セパレータの集電部を発電計算モジュールのUIで指定(External Contact Interfaceがセパレータにあたる)
・層流モデルを利用
・流量入り口はmass-flow-inletでnormal to boundaryに設定、流量は[3]を参照
・O2の緩和係数(under-relaxation)を0.99
・300iteration計算