衍生设计推动氢燃料电池高速发展
作为纯电动汽车动力系统的一种替代方案，丰田正致力于开发氢-氧燃料电池，为汽车、卡车甚至整个城市提供动力。丰田北美研究院（TRINA）开发了一种仿真驱动的方法，用于加速燃料电池流场板的研发进程。
作者 Alan Petrillo
2023 年 4 月
“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。当混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（BEV）在高速公路上随处可见时，我们可以看到电气化势在必行。但是，就在许多汽车制造商都加大生产 HEV 和 BEV 时，有一家公司却在追求开发较少依赖电池储能的电动汽车，不同于电池储能，这些汽车使用的是车载的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。氢燃料汽车的商业化面临着许多障碍，但如果有人能让世界拥有燃料电池驱动的车轮，就有那可能就成为是全球最大的汽车制造商（参考文献1）。丰田正在将大量的财力、物力和人力用于汽车燃料电池的研究，但这只是将汽车开发作为一个漫长旅程的开始，其愿景远远超出了汽车，并预见全球将进入“氢能社会 ”。在预期的将来，使用化石燃料的发动机、传热系统和发电机将被燃料电池所取代，通过氢气发电。丰田为实现这一目标所做的努力颇具远见卓识：以日本的裾野市作为一个氢能技术的试验台，专注于改进衍生设计方法，优化燃料电池的性能。
仿真支持的衍生设计
丰田北美研究院（TRINA）开发了一种仿真驱动的衍生设计方法，并将其应用于氢-氧燃料电池等微反应器中引导流体反应物运动的流场微通道板的设计中。丰田公司的大部分燃料电池研发工作都必须保密，但是 TRINA 团队在 Chemical Engineering Journal 上发表了一篇文章（参考文献2），介绍了他们的仿真驱动的“逆向设计”的过程。通过将这一过程应用于流场板设计，产生了 4 个独特的微通道设计，如图1所示。
这 4 个设计都有其各自的优点，在关键指标方面都超过了现有的基准设计。同样重要的是，它们都体现了这种设计过程的力量。TRINA 已经展示出了通过仿真驱动的衍生设计如何加速创新，即使一个项目的最终实现可能是在遥远的未来。
“我们认为逆向方法可以彻底改变目前的设计实践，”TRINA 的研究员 Yuqing Zhou 表示，“我们正在促使这个漫长的旅程向下一步迈进，尽管我们还不确定这个旅程将通往何方。”
更清洁的动力系统选项
考虑到这种开放式的探究精神，也许就能够理解在大多数汽车制造商完全投入到开发电动汽车电池动力的情况下，丰田仍然坚持数十年研究燃料电池。正如丰田董事长 Akio Toyoda 在 2022 年 11 月的一个采访中所说（参考文献3）：“（您）可以把丰田想象成一家提供各种各样动力系统的百货公司”。
氢-氧燃料电池似乎是为汽车提供电能的一种奇特方式（图2），但这种技术本身并不新鲜，其操作也很简单，图3展示了一个普通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，形成我们所需的完成有用工作的电流。
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。
反应物通过流场板的路径
只要氢气和氧气不断流动，燃料电池就会持续产生电流。电池流场板的工作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，也被驱动通过子层向阳极移动。同时，空气通过燃料电池的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，流场板将多余的空气和水从电池堆中排出去。这一重要过程发生在阴极侧，图4为简化的示意图。
在关于这个项目的期刊文章中，TRINA 团队解释道： “流体停留时间或流体流动分布的均匀性，以及与最佳传热的关系，直接关系到流道结构的设计，对正确控制化学反应而言至关重要”。
因此，燃料电池流场板设计的两个主要目标是使流体最大限度地流过流场板的微通道流场并穿过多孔材料层，以便向电极提供足够的反应物。第一个目标可以理解为减少反应物流动的阻力，第二个目标则是在电极表面的整个区域内提高反应物转化率和反应均匀性。
逆向设计：简单创建复杂解决方案的过程
微通道的物理排列方式有助于确定流场板满足其性能目标的程度。传统上，微通道的设计遵循一些熟悉的模式，如图5中左图所示的蛇形通道。更复杂的排列形式可以提高性能，但也会增加设计的复杂性，进而增加更多定义、制造、测试和调整该设计所需的时间。
Zhou 和他的同事们认识到，在尝试优化他们的设计之前，首先必须优化他们的设计过程。为了生成一个更复杂且性能更高的解决方案，TRINA 团队开发了一种仿真驱动的逆向设计方法，即不是在测试前定义形式，而是设定关键参数，然后指导算法生成满足这些参数的形式。这种方法在不同程度上也被称作衍生设计、拓扑优化和逆向设计。
“我们正在寻求一种有效的方法来近似更复杂的模拟所呈现的东西，虽然牺牲了一些建模的复杂性，但实际上，这使我们能够在更短的时间内探索更复杂的设计。” Zhou 介绍。
Zhou 使用图5中右图所示的复杂微通道设计来说明他的观点。“有些人使用拓扑优化来处理这样的问题，可能会得到有 10 个通道的设计方案，这是因为他们的算法要提前确定通道的每个物理单元的确切位置，需要大量的计算能力和时间来实现像我们现在看到的这种复杂设计。”他解释说。
从期望的结果更快的生成更新颖的设计
那么， TRINA 团队是如何使用逆向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，如图6左所示；然后他们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拟中，生成会产生这种行为的微通道形式，如图6右所示。从本质上讲，他们在设计之前就定义了希望设计所产生的效果。这个顺序描述了逆向设计背后的反演。
正如 TRINA 团队在他们的研究论文中所描述的：
“（我们）放弃了在优化阶段对通道的显式建模，因为这需要大量的函数评估，而是使用相对较粗的网格对设计域进行离散化，表征各向异性多孔介质内部的物理场。”
“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的网格，”Zhou 解释道，“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敏感性的优化过程。假设稳态、不可压缩的、层状流体流过多孔介质，并且所需的化学反应将与反应物浓度成比例地发生。通过运行这些模拟，得出通过孔隙的流体流动方向的最佳分布。这个过程产生了有价值的结果，并大大降低了计算的复杂性”。
Zhou 将整个设计过程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，下一步是非均质化，涉及基于方程定义微通道的形式，这将迫使流体遵循这些最佳路径。
衍生设计使流量和反应最大化
Zhou 表示之所以需要非均匀化步骤，是因为“我们无法制造出一种每个孔隙都是单独设计的、理想的多孔材料。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 COMSOL Multiphysics® 求解了一个自定义的偏微分方程来生成样式。COMSOL 软件还具有绘图功能，可以将结果可视化。”
图7和图8显示了由 TRINA 的非均匀化方程创建的两个正式选项。如前所述，指导性的性能目标是：1）减少反应物流动的阻力；2）加强整个板的反应物供应和反应均匀性。这些目标由模型的偏微分方程的控制变量表示。通过给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产生不同的设计方案。然后，他们可以评估每个方案的相对优势，并进行调整以产生进一步的迭代。
对于图7所示的设计，Zhou 说：“我们称之为‘流动设计’，因为它产生了整个流场表面最小的压降，所生成的路径相对平行和笔直，没有太多的侧分支”。
虽然这种设计使流体在板上高效地流动，但它在通过多孔材料层均匀地分配反应物方面做得不太理想。模拟显示，该设计的出口侧的反应物浓度较低（图7右下图中，以绿色和蓝色显示），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，而不是流量呢？该模型将产生一个如图8所示的设计，Zhou 称之为 “反应设计”。高浓度的反应物（图8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，“反应设计”微通道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’有些类似的设计”，Zhou 说道，但是自然发生的分配流体反应物的系统，如树叶、肺和血管等更接近于图8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用自然的、分形的或分层的形式优先为流场通道选择形式，但“这是第一次使用逆向设计的方法发现这种大规模的分支流场，而且没有提前规划布局”。
与其尝试预测未来，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 还结合图7和图8中的属性生成了另外两个设计（未显示）。有意思的是，TRINA 的四次迭代中的每一次都在关键的反应-流体性能指标方面超过了基准的传统设计。图9显示了 TRINA 团队制作的和通过试验测试的另一种设计（参考文献4）。
那么，理想的流场板设计是什么？这样的设计是不存在的，就像没有一种能够取代汽油动力汽车的理想技术一样。Zhou 表示：“从我们的角度来看，我们的成功在于为我们的工程师提供多种良好的选择供他们考虑。”
TRINA 是丰田研发团队庞大网络的一部分，这些团队正在努力实现一个潜在的氢能社会。该公司一直在持续改进一款被称为 Mirai 的氢燃料汽车的续航能力和性能，Mirai 是一个日语单词，意思是 “未来”，或者也可以理解为“尚未到来”。也许，在那个尚未到来的世界，我们将生活在没有烟雾的城市中，配备了氢分配基础设施和燃料电池驱动的汽车、卡车、火车和建筑物。尽管我们还不能确定是否能到达这个目的地，但生活在当今石油社会的我们仍然可以从丰田公司的 Mirai 之旅得到启发。
Yuqing Zhou 分享了指引着他和他的同事们的一些忠告，“我们的首席科学家曾说过： ‘我们必须停止尝试预测未来，而去努力创造未来。’”
参考文献
- L. Printz, "Toyota Remains the World's Largest Automaker," The Detroit Bureau, 28 Jan. 2022; https://www.thedetroitbureau.com/2022/01/toyota-remains-the-worlds-largest-automaker/
- Y. Zhou et al., "Inverse Design of Microreactor Flow Fields through Anisotropic Porous Media Optimization and Dehomogenization," Chemical Engineering Journal, vol. 435, pt. 2, May 2022; https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134587
- "Akio Toyoda Fields Questions on Carbon Neutrality from U.S. Reporters," Toyota Times, 22 Nov. 2022; https://toyotatimes.jp/en/toyota_news/1011.html
- E. Dede et al., "Measurement of Low Reynolds Number Flow Emanating from a Turing Pattern Microchannel Array Using a Modified Bernoulli Equation Technique," Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 139, November 2022; https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2022.110722
丰田 Mirai 是丰田汽车公司的注册商标。