S.V. Zhubrin Applied Computational Fluid Dynamics Analysis (ACFDA), Canada
アンモニア分解ユニット（ACUs）は、予備発電装置などの燃料電池テクノロジーのモバイル応用に必須の役割を果たします。実用的なACUの数学的モデリングは、装置やシステムの幾何形状と化学-力学の複雑さを伴う流体機械方面のカップリングが要求されます。
アンモニアへの触媒分解は、ガス流れと複数の化学反応を含む異種の反応メカニズムに依存します。種々のレベルで化学と直接カップリングすることは、汎用の数値流体力学（CFD）コードの組み込み機能に対して重要な拡張を必要とします。アンモニアの化学反応は、以前の開発に示されたものと同様の方法で、分解ユニット、熱交換器などの周辺機器、およびそれらのアセンブリ構成の幾何学的配置を並行または同時に扱うべきです。
紹介する文献は、CFDを伴う完全な化学動力学と、汎用CFDソフトウエアPHOENICS（http://www.cham.co.uk/phoenics.php）をベースとするシステムレベルの解析とを結び付ける斬新な機能について説明しています。このアプローチでは、気相と触媒の不均一な化学反応が、幾何的に単純なチャネル内に限定される分解装置の構造、および周辺ユニットの工学モデルを使用します。
反応領域壁の内面上のガス流れと触媒燃焼を用いて、熱のコントロールを達成します。燃焼ゾーンで起こっている燃料電池のパージ／排ガスの発熱反応による高温燃焼生成物は、反応ゾーンにおける吸熱性アンモニア分解をサポートするために使用されます。
図1はそのような装置の典型的な構造を説明しています。
プロセスとユニットを結びつけは、PHOENICSの標準装備であるINFORM機能のユーザー定義の設定によって実現されます（http://www.cham.co.uk/phoenics/d_polis/d_enc/In-form.htm）。流体の流れと、反応と燃焼ゾーン内における熱、質量の伝達は、適切な化学変化を適応させるために開発されたCFDモデルで表現されています。結合は、ゾーン間の壁で対流放射熱流束の交換をすることによって行われます。内部流れ的な流れ場に加えて、カスタマイズされたPHOENICSモデルは、外部の環境と補助設備によって、反応炉の壁面との固体熱伝達と熱-および質量の交換も表している。
図2は、特定のACUのための結合ソリューションを示しています。モデリング結果は、粒子変数によって色付けされている空気酸化剤の流線を示しています。流線は比較的に複雑な三次元流れパターンを表示しています。パージガス酸化の高温生成物は、アンモニアの吸熱改質を支援して、反応域への熱伝達によって冷却されます。反応器外壁への熱伝達も燃焼生成物流れを冷却します。
強力なCFDシミュレーション機能は、複雑なガス―混合物の流れと熱および物質の移動を、非常に非線形なアンモニア分解および触媒パージガス燃焼化学と結びつけます。そのようなモデリングツールは、それ自体で、アンモニア分解技術のユニット／システム設計の問題において実用的な解決策を提供することで重要な役割を果たします。完全に結合されたアンモニア分解システムの各装置ユニットのためのCFDモデルの開発は、重要なチャレンジといえます。メッシュ生成を含む計算モデルの作成は時間がかかり、必要とされる計算セルの総数は、計算を非現実的なものにする可能性があります。（すなわち、計算が可能であれば非常に時間がかかり、適切ではないことが証明される）設計時および稼働時の予測用に行います。
そのため、CFDソルバーの主要な計算ループ内に、熱化学結合リンク用のインターフェースが開発されました。これにより、小規模のシステムおよび熱交換機ネットワークモデルをより大規模のCFDと同時シミュレーションすることができます。システムモデルをCFDと同時シミュレーションすることによって、より現実的な境界条件とコンポーネントモデルが経済的に得られ、アンモニア分解システムの複雑な関連性を、より深く理解することができます。典型的なマルチスケールモデリング手順では、ACUと補助熱交換のネットワークを含むアンモニア分解システムのアセンブリ全体をモデル化するために、特別に開発されたPHOENICSベースのシステムレベルモジュールであるACUTE（Ammonia Cracking Unit’s Thermo-Chemical Equations）を使用します。ACUTEとCFDの間で双方向の入／出口パラメータの交換を確実にするための同時シミュレーションで、一まとめにすることで迅速に、複雑なCFD技術（ACU2DまたはACU３D）を使用してACU自体を詳細にモデル化することができます。モデルは質量、熱および運動量の伝達の連続性を提供します。
当初、同時シミュレーションモジュールはACU3D／ACU2Dモデルを使用して統合ソリューションを調達しようとします。閣下の境界条件および（または）流量は、図３に示す様にシステムレベルのACUTEモデルを交換され、それによってその解を更新し、ACU3D／ACU2Dモデルの境界条件を交換および更新することができます。
ユーザーには全体的な収束状況に影響を与えるために使用できる２つの「コントロール」があります。それは、境界条件のデータ交換前のACU、CFDソルバーの反復回数、およびACUTEソルバーへの連続した呼び出し間の変化の度合いを制御する緩和係数です。これらのパラメータが適切に指定されると、収束する反復操作が一般に得られます。
本稿では、アンモニア分解装置の技術的挙動のコンピュータ予測のためにACFDAと共同でGenCell Ltd.が開発中のモデルの概要を説明します。これは、燃料電池発電装置の熱出力と電気出力を生成するために質量とエネルギーを交換するすべてのコンポーネントの熱化学的性能を考慮したCFD手法を使用した同時シミュレーションを含むシステムレベルのモデルです。
本稿で説明したモデルは、現在GenCellによって使用されています。 それは正しいパフォーマンスの傾向を示しており、すでに定性的にも定量的にも多くの重要な観察を説明するのに役立ちました。現在の実装のテストと分析がモデルの改良と機能強化につながることが期待されています。 さらに、GenCellは一連の比較テストをもたらす実験作業のプログラムを実行しています。それらは、モデルをさらに検証し、較正し、そして改善するために使用されます。 その後の論文では、モデルの詳細、強化および検証の取り組み、得られたシミュレーションおよび測定結果、ならびに達成された技術的効果について報告します。
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