マニフォールド流量分配 — 実践ガイドとベストプラクティス

PEFCスタックでは、数百枚のセルに水素と空気を均等に分配する必要がある。マニフォールドの設計不良はセル性能のバラつきと劣化に直結する。

設計のポイント:

• 主管断面積: 全分岐管合計断面積の2〜3倍以上（Area Ratio > 2）にすると均一性が向上
• 分岐管入口にオリフィスを設置して抵抗を追加し、均一化を図る
• U字型配置が燃料電池では一般的（入口と出口を同じ側に配置）

主管の断面積が大きいと主管内流速が低く、摩擦損失と動圧変動が小さくなる。結果として主管内の静圧分布が均一に近づき、各分岐への駆動力が揃うからだ。

ボイラーの水管群やプロセスプラントの分配ヘッダーでは、ヘッダー管から数十本〜数百本の分岐管に流体を分配する。

ヘッダー設計の経験則:

冷却水ジャケットは複雑な3D形状のマニフォールドと考えられる。CFDで流速分布と温度分布を評価し、ホットスポットの有無を確認する。

冷却水ジャケットでの注意点:

• 冷却水の温度依存性（特に粘度のEthylene Glycol混合液）
• 狭流路（2〜5 mm）でのy+の管理
• 気泡の巻き込み（VOFモデルが必要な場合あり）

主な改善手法:

そう。主管の断面積を下流に向かって段階的に縮小し、各分岐点での流速（≒動圧）を一定に保つことで、静圧分布を均一化する。CFDでテーパー率をパラメトリックに最適化するのが効果的だ。