Bij Toyota Research Institute of North America ontwikkelen brandstofcelonderzoekers een simulatiegedreven methode die de autofabrikant dichter bij zijn visie brengt om een wereldwijde "waterstofmaatschappij" te creëren.

ZOETERMEER (23 mei 2023) — Toyota Research Institute of North America (TRINA) heeft een nieuwe simulatiegedreven methode voor omgekeerd ontwerpen ontwikkeld om het onderzoeks- en ontwikkelingsproces voor stromingsveldplaten voor brandstofcellen te versnellen. De methode stelt belangrijke doelstellingen vast en stuurt algoritmen aan om structurele stromingsveldvormen te genereren die aan die doelstellingen voldoen. TRINA heeft deze aanpak ontwikkeld door de COMSOL Multiphysics^® software te integreren in de omgekeerde ontwerpworkflow.

"Wij denken dat de omgekeerde ontwerpaanpak een revolutie teweeg kan brengen in de huidige ontwerppraktijk," zegt Yuqing Zhou, onderzoekswetenschapper bij TRINA. "We maken de volgende stap in een lange reis mogelijk, ook al weten we niet precies waar die reis toe zal leiden." Het team van TRINA paste de methode toe op het ontwerp van microkanaalplaten, die de beweging van vloeibare reactanten in microreactoren zoals waterstof/zuurstof-brandstofcellen sturen.

Een prototype van een metalen stromingsveldplaat, gebaseerd op één van de ontwerpen van TRINA.

TRINA maakt deel uit van een groot netwerk van Toyota R&D-teams die werken aan de ontwikkeling van een "waterstofmaatschappij", waarin motoren, verwarmingssystemen en generatoren die op fossiele brandstoffen werken, worden vervangen door brandstofcellen die elektrische stroom uit waterstof halen.

"Brandstofceltechnologie heeft het potentieel om wereldwijd schone energie te leveren," aldus Margaret Lemus, VP Marketing bij COMSOL. "Om dit te bereiken moet de technologie efficiënter worden, en het optimaliseren van de ontwerpen is een belangrijke stap. Het is spannend om te zien hoe simulatie onderzoekers in staat stelt verschillende opties te onderzoeken en geïnformeerde beslissingen te nemen die kunnen leiden tot efficiëntere brandstofcelontwerpen."

Ontwerpen optimaliseren voor stroming, reactie, of beide

Tijdens hun onderzoek beseften Zhou en zijn collega's dat zij het ontwerpproces moesten optimaliseren voordat zij hun ontwerpen konden verbeteren. "We zochten naar een efficiënte manier om de resultaten van een ingewikkelder simulatie te benaderen. We hebben wat modelleringscomplexiteit opgegeven, waardoor we eigenlijk uitgebreidere ontwerpen in minder tijd kunnen onderzoeken," zegt Zhou.

Toen hun ontwerp werd geoptimaliseerd voor vloeistofstroming, waren de gegenereerde microkanaalpaden recht en parallel, met weinig zijtakken. Wanneer de wegingsfactoren in de doelfunctie werden aangepast om prioriteit te geven aan de uniformiteit van de reactie, leverde de methode ingewikkelde microkanaalvormen op.

Simulatieresultaten van het model van TRINA, die de drukverdeling van vier verschillende ontwerpen van microkanaalstroomvelden tonen.

In een onderzoeksartikel, gepubliceerd in Chemical Engineering Journal, merkt het team van TRINA ook op dat sommigen hebben eerder geëxperimenteerd met natuurlijk ogende, fractale of hiërarchische vormen die a priori zijn geselecteerd voor stroomveldkanalen. "Dit is de eerste keer dat zulke grootschalige vertakkende stroomvelden zijn ontdekt met behulp van een omgekeerde ontwerpaanpak zonder uit te gaan van voorgeschreven layouts," vertelt Zhou over het onderzoek van TRINA.

De ontwikkeling van brandstofcellen door Toyota wordt nader besproken in de COMSOL User Story Gallery en in een keynote presentatie van COMSOL Day: Batteries & Fuel Cells.

Lees het volledige verhaal

Bekijk de opname van de keynote presentatie

Meer informatie over het team van TRINA vind je hier. Het onderzoeksartikel van TRINA lees je in Chemical Engineering Journal.

Over COMSOL

COMSOL is een wereldwijde leverancier van simulatiesoftware voor productontwerp en onderzoek aan technische ondernemingen, onderzoekslaboratoria en universiteiten. Het product COMSOL Multiphysics^® is een geïntegreerde softwareomgeving voor het creëren van op fysica gebaseerde modellen en simulatie-apps. Een bijzonder sterk punt is de mogelijkheid om rekening te houden met gekoppelde of multifysische verschijnselen. Add-on producten breiden het simulatieplatform uit voor elektromagnetica, constructies, akoestiek, vloeistofstroming, warmteoverdracht en chemische toepassingen. Interfacing tools maken de integratie mogelijk van COMSOL Multiphysics^® simulaties met alle belangrijke technische reken- en CAD tools op de CAE markt. Simulatie-experts vertrouwen op COMSOL Compiler™ en COMSOL Server™ om toepassingen te implementeren in hun ontwerpteams, productieafdelingen, testlaboratoria en klanten over de hele wereld. COMSOL, opgericht in 1986, heeft 17 kantoren wereldwijd en breidt haar bereik uit met een netwerk van distributeurs.

COMSOL®, COMSOL Multiphysics®, COMSOL Compiler™ en COMSOL Server™ zijn of geregistreerde handelsmerken of handelsmerken van COMSOL AB.