生成式設計推動氫燃料電池高速發展
作為純電動汽車動力系統的一種替代方案，豐田正致力于開發氫-氧燃料電池，為汽車、卡車甚至整個城市提供動力。豐田北美研究院（TRINA）開發出一種基于仿真的設計方法，加速了燃料電池流場板的研發進程。
作者 Alan Petrillo
2023 年 4 月
“電氣化一切?！边@句話已經成為那些尋求減少全球對化石燃料依賴的人們的一個口號。馬路上的混合動力汽車（HEV）和純電動汽車（BEV）越來越多，我們也能夠感覺到電氣化的勢在必行。許多汽車制造商都加大生產混合動力汽車和純電動汽車，然而有一家公司卻致力于開發較少依賴傳統電池的電動汽車。與傳統的電化學電池儲能不同，這些汽車使用的是氫氣與空氣中的氧氣在燃料電池內結合所產生的電能。
追求這一替代方案的正是豐田公司。盡管氫燃料汽車的商業化面臨著諸多挑戰，但如果能為世界提供高效的燃料電池汽車，就有那可能就成為全球最大的汽車制造商（參考文獻1）。豐田正在將大量的財力、物力和人力用于汽車燃料電池的研究，僅將汽車開發看作一段漫長旅程的開始。該公司的愿景遠遠不止于開發氫燃料汽車，它還預見全球將進入“氫能社會”，即未來使用化石燃料的發動機、傳熱系統和發電機將被通過氫氣發電的燃料電池所取代。豐田為實現這一目標所做的努力頗具遠見卓識：它將日本裾野市（Susono）作為氫能技術的試驗地，專注于改進生成式設計方法，以優化燃料電池的性能。
仿真驅動生成式設計
豐田北美研究院（Toyota Research Institute of North America, TRINA）開發了一種由仿真驅動的生成式設計方法，并將其應用于引導氫-氧燃料電池等微反應器中反應物微通道板的設計。豐田公司的大部分燃料電池研發工作都必須保密，但 TRINA 團隊在 Chemical Engineering Journal 上發表了一篇關于仿真驅動“逆向設計”過程的文章（參考文獻2），他們將此過程應用于設計流場板，產生了 4 個獨特的微通道設計，如圖1所示。
這 4 個設計各有所長，在關鍵指標方面都優于現有的基準設計。而且重要的是，它們體現了這種過程設計的價值。TRINA 已經展示了通過仿真驅動的生成式設計如何加速創新，即使一個項目的最終實現可能是在遙遠的未來。
“我們認為逆向方法可以徹底改變目前的設計方式，”TRINA 的研究員 Yuqing Zhou 表示，“我們正在推動這個漫長的旅程向下一步邁進，盡管我們還不確定這個旅程將通往何方?！?/p>
更清潔的動力系統選項
考慮到這種開放式的探究精神，也許就能夠理解在大多數汽車制造商完全投入到開發電動汽車電池動力的情況下，豐田仍然堅持數十年研究燃料電池。正如豐田董事長 Akio Toyoda 在 2022 年 11 月的一個采訪中所說（參考文獻3）：“（您）可以把豐田想象成一家提供各種各樣動力系統的百貨公司”。
氫-氧燃料電池看似是為汽車提供電能的一種奇特方式（圖2），但這種技術本身并不新鮮，其機理也很簡單，圖3展示了一個通用的燃料電池的基本原理。
當氫氣流經陽極時遇到催化劑并被分離成氫離子和電子。氫離子經過電解液到達陰極，電子則通過導體傳導到燃料電池外，形成能夠用于工作的電流。
空氣中的氧氣流過陰極時，在陰極表面遇到氫離子和返回的電子，分解并與氫離子和電子結合形成水。
反應物的路徑
只要氫氣和氧氣不斷流動，燃料電池就會持續產生電流。電池流場板的作用就是管理這些基本氣體的分布，每塊板都包括一個微通道結構和一個多孔的子層。當氫氣在陽極板的通道中移動時，也會被驅動通過子層向陽極移動。與此同時，空氣通過燃料電池的陰極側的流場板被導入?？諝夂退ㄟ^陰極側的多孔材料層進行交換，流場板則將多余的空氣和水從電池堆中排出去。這些過程都發生在陰極側，并且是必不可少的，圖4為簡化的示意圖。
在關于這個項目的期刊文章中，TRINA 團隊解釋道： “流道對于化學反應的合理控制至關重要，流體的停留時間或流體流動分布的均勻性，以及與傳熱效果，都將直接影響流道結構的設計?！?/p>
因此，燃料電池流場板設計的兩個主要設計目標是使流過流場板微通道的流體，以及穿過多孔材料層的流體都最大化，以便向電極提供足夠的反應物。第一個目標可以理解為減少反應物流動的阻力，第二個目標則是在電極表面的整個區域內提高反應物轉化率和反應均勻性。
逆向設計：創建復雜解決方案的簡單過程
微通道的排列方式會影響流場板是否能夠滿足其性能指標。傳統的微通道設計通常遵循一些常規的模式，如圖5中左圖所示的蛇形通道。更復雜的流場板結構可以提高其性能，但也會花費更多的時間用于設計、制造、測試和調整該設計。
Zhou 和他的同事意識到，首先必須調整設計流程。為了針對他們的問題生成一個更高效的復雜解決方案，TRINA 團隊開發了一種由仿真驅動的基于目標的設計方法，即在測試前不是定義結構和形式，而是設定關鍵參數，然后指導算法生成滿足這些目標的形式。這種方法被稱為生成式設計、拓撲優化和逆向設計。
“我們正在尋求能夠表述復雜模型中內容的近似方法，這雖然犧牲了一些模型的細節，但能夠使我們在更短的時間內探索更復雜的設計?！?Zhou 介紹。
Zhou 使用圖5中右圖所示的復雜微通道設計來闡明他的觀點?！坝行┤耸褂猛負鋬灮瘉硖幚磉@樣的問題，可能會得到有 10 個通道的設計方案，這是因為他們要求算法確定通道的每個物理單元的確切位置，而實現這種復雜的設計需要大量的計算資源和時間?！彼忉屨f。
基于期望結果的新穎設計
那么， TRINA 團隊是如何使用基于目標的設計方法高效地生成更好的微通道設計呢？首先，他們模擬了通過有效各向異性多孔材料的理想化流動軌跡，如圖6左所示；然后提取了描述理想化流體行為的參數值。接著，將這些數值輸入到另一個模型中，用于生成會產生這種行為的微通道形式，如圖6右所示。實際上，他們在設計結構之前就確定了設計需要產生的效果。這種設計順序即為基于目標的設計背后的反向思維。
正如 TRINA 團隊在他們的研究論文中所描述的：
“由于需要大量的函數計算，（我們）放棄了在優化階段對通道的顯式建模，而是使用相對較粗的網格對設計域進行離散化，用于表征各向異性多孔介質內部的物理場?！?/blockquote>圖6.通過多孔材料的理想流動軌跡的示意圖（左），使流體遵循理想軌跡的微通道形式的模擬圖（右）。“我們使用 COMSOL 建立的多孔材料模型只有兩個材料值和一個非常粗糙的網格，”Zhou 解釋道，“我們基于納維-斯托克斯和平流-反應-擴散方程實施了一個基于靈敏度的優化過程。假設穩態、不可壓縮的、層狀流體流過多孔介質，并且所需的化學反應將與反應物濃度相關。通過運行這些模擬，我們得出通過孔隙的流體流動方向的最佳分布。這個過程不僅極大地降低了計算的復雜性，而且生成的結果非常有價值?！?/p>
Zhou 將整個設計過程的這一部分描述為“均質化”。在建立了流體通過板塊孔隙的理想軌跡模式后，下一步是“非均質化”，這個步驟將涉及迫使流體遵循基于方程定義的最佳路徑的微通道形式。
生成式設計使流量和反應最大化
Zhou 表示，之所以需要非均質化步驟，是因為“我們無法加工出針對每個孔隙進行單獨設計的、理想多孔材料。我們需要安裝壁和通道，以接近理想化的方式引導流體通過孔隙。為了生成這種設計，我們使用 COMSOL Multiphysics® 求解了一個自定義的偏微分方程來生成圖案樣式。COMSOL 軟件還具有繪圖功能，可以直觀地展示結果?！?/p>
由 TRINA 基于非均質化方程創建的兩個復雜解決方案如圖7和圖8所示。如前所述，他們的目標是：減少反應物流動的阻力；加強整個板的反應物供應和反應的均勻性。這些目標由模型偏微分方程的控制變量表示。通過為這兩個目標分配不同的權重系數，Zhou 和他的團隊可以引導模型產生不同的設計方案。然后，他們評估每個方案的相對優勢并進行調整，以產生進一步迭代。
圖7. 描述優化流量的 4 個微通道設計圖。在所有繪圖中，流體都是從左上角的入口流向右下角的出口。左上：通過多孔材料的理想流向矢量。右上：穿過微通道的定向路徑，可以產生所需的矢量。左下：非均質化的微通道設計。右下：顯示反應物濃度分布的子層模擬圖。對于圖7所示的設計，Zhou 表示：“我們稱之為‘流動設計’，因為流體流經它時引起的壓力變化最小。這主要是由于該設計所生成的路徑相對平行和筆直，沒有太多的側分支?！?/p>
雖然這種設計能使流體在流場板上高效地流動，但是它在通過多孔材料層均勻地分配反應物方面不太理想。模擬結果顯示，該設計的出口側的反應物濃度較低（圖7右下圖中，以綠色和藍色顯示），可能會降低反應的均勻性和燃料電池的結果輸出功率。
如果調整控制方程中的權重系數，使其優先考慮反應的均勻性，而不是流量呢？該模型將產生一個如圖8所示的設計，Zhou 稱之為“反應設計”。高濃度的反應物（圖8右下圖中以紅色和橙色顯示）現在占主導地位，表明將有更大比例的反應物被用于反應。對生物學專業的學生來說，微通道“反應設計”的復雜形式可能看起來很熟悉。
圖8.描述反應優化的微通道設計的不同方面的 4 種視覺效果圖。這個方案的特點是混合了一級“動脈”和二級 “毛細管”。動脈用于維持向出口的整體流動，而毛細管能使反應物更廣泛地分布在電極上。對于這 4 種情況，流體都是從左上角的入口流向右下角的出口。“大多數商業微反應器會采用與‘流動設計’類似的設計”，Zhou 說道。但是如樹葉、肺和血管等自然發生的分配流體反應物的系統，更接近于圖8的形式。
“工程師們可能更喜歡使用沒有側分支的直通道，但大自然選擇了‘反應設計’?！盳hou 總結道。TRINA 團隊的研究論文指出，雖然有人以前曾嘗試過用自然的、分形的或分層的形式優先為流場通道的選擇，但“這是第一次在沒有提前規劃布局的情況下，使用目標導向的設計方法發現這種大規模的分支流場”。
預測未來，不如創造未來
除了上述顯示的“流動與反應”設計的比較外，TRINA 還結合圖7和圖8中的屬性生成了另外兩個設計（文中未顯示）。有意思的是，TRINA 的四次迭代中的每一次都在關鍵的反應-流體性能指標方面超過了基準的常規設計。圖9顯示了 TRINA 團隊制作并通過測試的另一種設計（參考文獻4）。
圖9.基于 TRINA 團隊的生成式設計制作的一種金屬流場板物理原型。那么，理想的流場板設計是什么？這樣的設計也許并不存在，就像沒有一種能夠取代汽油動力汽車的理想技術一樣。Zhou 表示：“從我們的角度來看，團隊的成功在于為工程師提供了更多種良好的選擇供他們考慮?！?/p>
TRINA 是豐田研發團隊龐大組織的一部分，他們正在努力實現一個潛在的氫能社會。該公司一直在持續改進一款被稱為 Mirai 的氫燃料汽車的續航能力和性能，Mirai 是一個日語單詞，意思是 “未來”，或者也可以理解為“尚未到來”。也許，在那個尚未到來的世界，我們將生活在沒有煙霧的城市中，配備了氫分配基礎設施和燃料電池驅動的汽車、卡車、火車和建筑物。盡管我們還不能確定是否能到達這個目的地，但生活在當今石油社會的我們仍然可以從豐田公司的 Mirai 之旅得到啟發。
Yuqing Zhou 分享了一直指引他和同事們的一些忠告，“我們的首席科學家曾說過， ‘我們必須停止嘗試預測未來，而去努力創造未來’?！?/p>
圖10. 流場設計項目的四個核心人員。從左到右：Ercan M. Dede, Tsuyoshi Nomura, Yuqing Zhou, Danny J. Lohan。Nomura 來自日本豐田中央研發實驗室，其他人在豐田北美研究所工作。參考文獻
- 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
豐田 Mirai 是豐田汽車公司的注冊商標。