生成式设计正在推动氢燃料电池高速发展

“电气化一切。”这句话已经成为那些寻求减少全球对化石燃料依赖的人们的一个口号。当马路上的混合动力汽车和纯电动汽车越来越多时，我们也能够感觉到电气化的势在必行。许多汽车制造商都在加大混合动力汽车和纯电动汽车的生产，然而有一家公司却致力于开发较少依赖传统电池的电动汽车。与传统的电化学电池储能不同，这些汽车使用的是氢气与空气中的氧气在燃料电池内结合所产生的电能。追求这一替代方案的正是丰田公司，尽管氢燃料汽车的商业化面临着诸多挑战，但如果能为世界提供高效的燃料电池汽车，就有可能成为全球最大的汽车制造商。

 

仿真驱动生成式设计

丰田北美研究院（ToyotaResearchInstituteofNorthAmerica,TRINA）开发了一种由仿真驱动的生成式设计方法，并将其应用于引导氢-氧燃料电池等微反应器中反应物微通道板的设计。TRINA团队在ChemicalEngineeringJournal上发表了一篇关于仿真驱动“逆向设计”过程的文章，他们将此过程应用于设计流场板，生成了4个独特的微通道设计（图1）。

 

图1.TRINA团队使用COMSOLMultiphysics®软件创建的模型的仿真结果，显示了4个不同的微通道流场设计所产生的压力分布

这4个设计各有所长，在关键指标方面都优于现有的基准设计，而且更重要的是，它们体现了这种过程设计的价值。TRINA已经展示了通过仿真驱动的生成式设计如何加速创新。“我们认为逆向方法可以彻底改变目前的设计方式。”TRINA的研究员YuqingZhou表示。

 

图 2. 一个通用的燃料电池设计

 

更清洁的动力系统选项

氢-氧燃料电池看似是为汽车提供电能的一种奇特方式，但这种技术本身并不新鲜，其机理也很简单。图2展示了一个通用的燃料电池的基本原理。当氢气流经阳极时遇到催化剂并被分离成氢离子和电子。氢离子经过电解液到达阴极，电子则通过导体传导到燃料电池外，形成能够用于工作的电流。

空气中的氧气流过阴极时，在阴极表面遇到氢离子和返回的电子，分解并与氢离子和电子结合形成水。

 

反应物的路径

只要氢气和氧气不断流动，燃料电池就会持续产生电流。电池流场板的作用就是管理这些基本气体的分布。每块板都包括一个微通道结构和一个多孔的子层。当氢气在阳极板的通道中移动时，也会被驱动通过子层向阳极移动。与此同时，空气通过燃料电池阴极侧的流场板被导入。空气和水通过阴极侧的多孔材料层进行交换，流场板则将多余的空气和水从电池堆中排出去。这些过程都发生在阴极侧，并且是必不可少的，图3为其简化的示意图。

 

图 3. 微通道结构（以深灰色显示）定义了反应物流体移动的一个路径。
一些流体通过多孔材料层向阴极表面转移

TRINA团队在他们发表的文章中解释：“流道结构对于化学反应的合理控制至关重要。流体的停留时间或流动分布的均匀性，以及传热效果，都将直接影响流道结构的设计。”因此，燃料电池流场板的两个主要设计目标是使流过流场板微通道的流体，以及穿过多孔材料层的流体都最大化，以便向电极提供足够的反应物。

 

创建复杂解决方案的简单过程

微通道的排列方式会影响流场板是否能够满足其性能指标。传统的微通道设计通常遵循一些常规的模式。更复杂的流场板结构可以提高其性能，但这样也会花费更多的时间用于设计、制造、测试和调整该设计。

为了优化设计，Zhou和他的同事们意识到，首先需要调整设计流程。为了针对他们的问题生成一个更高效的复杂解决方案，TRINA团队开发了一种由仿真驱动的基于目标的设计方法，即在测试前不是定义结构和形式，而是设定关键参数，然后指导算法生成满足这些目标的形式。

“我们正在寻求能够表述复杂模型中内容的近似方法。这虽然牺牲了一些模型的细节，但能够使我们在更短的时间内探索更复杂的设计。”Zhou介绍道，“有些人使用拓扑优化来处理这样的问题，可能会得到10个通道的设计方案，这是因为他们要求算法需要确定通道的每个物理单元的确切位置，而实现这种复杂的设计需要大量的计算资源和时间。”Zhou补充道。

基于期望结果的新颖设计

那么，TRINA团队是如何使用基于目标的设计方法高效地生成更好的微通道设计呢？首先，他们模拟了通过有效各向异性多孔材料的理想化流动轨迹，然后提取了描述理想化流体行为的参数值。接着，将这些数值输入到另一个模型中，用于生成会产生这种行为的微通道形式。实际上，他们在设计结构之前就确定了设计需要产生的效果。

 

图4.优化流量的微通道设计（左）；优化反应的微通道设计（右）。这个方案的特点是混合了一级“动脉”和二级“毛细管”：动脉用于维持向出口的整体流动，而毛细管能使反应物更广泛地分布在电极上。对于这两种情况，流体都是从左上角的入口流向右下角的出口

Zhou解释说：“我们使用COMSOL建立的多孔材料模型只有两个材料值和一个非常粗糙的网格，我们基于纳维-斯托克斯和平流–反应–扩散方程实施了一个基于灵敏度的优化过程。假设稳态、不可压缩的层流流过多孔介质，并且所需的化学反应将与反应物浓度相关。运行这些模拟后，我们得出了通过孔隙的流体流动方向的最佳分布。这个过程不仅极大地降低了计算的复杂性，而且生成的结果非常有价值。”

Zhou将整个设计过程中的这一部分描述为“均质化”。在建立了流体通过板块孔隙的理想轨迹模式后，下一步就是“非均质化”。这一步骤将涉及迫使流体遵循这些基于方程定义的最佳路径的微通道形式。

 

生成式设计使流量和反应最大化

Zhou表示，之所以需要非均质化步骤，是因为“我们无法加工出针对每个孔隙进行单独设计的理想多孔材料。我们需要安装壁和通道，以接近理想化的方式引导流体通过孔隙。为了生成这种设计，我们使用COMSOLMultiphysics®求解了一个自定义的偏微分方程来生成图案样式。COMSOL软件还具有绘图功能，可以直观地展示结果。”

TRINA团队基于非均质化方程创建的两个复杂的解决方案如图4所示。他们的目标是：减少反应物流动的阻力；加强整个流场板的反应物供给和反应的均匀性。这些目标由模型偏微分方程中的控制变量表示。通过为这两个目标分配不同的权重系数，Zhou和他的团队可以引导模型生成不同的设计方案。然后，他们评估每个方案的相对优势并进行调整，以产生进一步迭代。

对于图4左图所示的设计，Zhou表示：“我们称之为‘流动设计’，因为流体流经它时引起的压力变化最小。这主要是由于该设计所生成的路径相对平行和笔直，没有太多的侧分支。”

虽然这种设计能使流体在流场板上高效地流动，但是它在通过多孔材料层均匀地分配反应物方面不太理想。模拟结果显示，该设计的出口侧的反应物浓度较低，可能会降低反应的均匀性和燃料电池的结果输出功率。

如果调整控制方程中的权重系数，使其优先考虑反应的均匀性，该模型将生成一个如图4右图所示的设计，Zhou称之为“反应设计”。高浓度的反应物（图4右下图中以红色和橙色显示）现在占主导地位，表明将有更大比例的反应物被用于反应。对生物学专业的学生来说，微通道“反应设计”的复杂形式可能看起来很熟悉。

“大多数商业微反应器会采用与‘流动设计’类似的设计。”Zhou说道。但是如树叶、肺和血管等自然发生的分配流体反应物的系统，更接近图4右图的形式。

“工程师们可能更喜欢使用没有侧分支的直通道，但大自然选择了‘反应设计’。”Zhou总结道。TRINA团队的研究论文指出，虽然有人以前曾尝试过将自然的、分形的或分层的形式优先作为流场通道的选择，但“这是第一次在没有提前规划布局的情况下，使用目标导向的设计方法发现这种大规模的分支流场”。

 

预测未来，不如创造未来

除了上述显示的“流动与反应”设计的比较外，TRINA团队还结合图4中这些属性生成了另外两个设计（文中未显示）。TRINA的四次迭代中的每一次都在关键的反应–流体性能指标方面优于基准的常规设计。图5显示了TRINA团队制作并通过试验测试的另一种设计。

 

图5.基于TRINA团队的生成式设计制作的一种金属流场板物理原型

那么，理想的流场板设计是什么？这样的设计也许并不存在，就像没有一种能够取代汽油动力汽车的理想技术一样。“从我们的角度来看，团队的成功在于为工程师提供了更多良好的选择供他们考虑。”Zhou表示，他分享了一直指引他和同事们的忠告：“我们的首席科学家曾说过‘我们，必须停止尝试预测未来，而是去努力创造未来’。”

来源：丰田北美研究院，美国
作者：ALANPETRILLO

 

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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