Un nuovo metodo comsol di progettazione inversa accelera lo sviluppo delle celle a combustibile

Il Toyota Research Institute of North America (TRINA) ha sviluppato una nuova metodologia di progettazione inversa guidata dalla simulazione per accelerare il processo di ricerca e sviluppo di piastre di campo di flusso per celle a combustibile. La metodologia stabilisce obiettivi di prestazione chiave e indirizza gli algoritmi per generare modelli strutturati del campo di flusso che soddisfino tali obiettivi. Il team TRINA ha progettato questo approccio integrando il software COMSOL Multiphysics^® nel suo flusso di lavoro di progettazione inversa.

"Pensiamo che l'approccio inverso possa rivoluzionare l'attuale pratica di progettazione", afferma Yuqing Zhou, ricercatore presso TRINA. "Stiamo rendendo possibile il prossimo passo di un lungo viaggio, anche se non possiamo sapere esattamente dove porterà". Il team di TRINA ha applicato il suo metodo alla progettazione di piastre a microcanali con campo di flusso, che dirigono il movimento dei fluidi reagenti in microreattori come le celle a combustibile idrogeno-ossigeno.

TRINA fa parte di un'ampia rete di team di ricerca e sviluppo di Toyota che lavorano allo sviluppo di una "società dell'idrogeno", in cui i motori a combustibile fossile, i sistemi di riscaldamento e i generatori vengano sostituiti da celle a combustibile che estraggono corrente elettrica dall'idrogeno.

"La tecnologia delle celle a combustibile ha il potenziale per fornire energia pulita a livello globale", afferma Margaret Lemus, VP Marketing di COMSOL. "Per raggiungere questo obiettivo, la tecnologia deve diventare più efficiente e l'ottimizzazione dei progetti è un passo importante. È entusiasmante vedere come la simulazione consenta ai ricercatori di esplorare diverse opzioni e prendere decisioni consapevoli che possono portare a progetti di celle a combustibile più efficienti".

Ottimizzazione dei progetti basati su flussi, reazioni o entrambi
Durante la ricerca, Zhou e i suoi colleghi si sono resi conto di dover ottimizzare il processo di progettazione prima di poter ottimizzare i progetti. "Cercavamo un modo efficiente per approssimare ciò che una simulazione più complessa avrebbe mostrato. Abbiamo sacrificato una certa complessità di modellazione, ma questo in realtà ci permette di esplorare progetti più elaborati in meno tempo", spiega Zhou.

A seguito dell’ottimizzazione di progetto per i soli aspetti fluidodinamici, i percorsi dei microcanali generati si presentavano rettilinei e paralleli, con poche ramificazioni laterali. Successivamente, i fattori di ponderazione della funzione obiettivo sono stati impostati per dare priorità all'uniformità delle reazioni, e il metodo ha generato forme complesse di microcanali.



Risultati della simulazione del team TRINA: sono mostrate le distribuzioni di pressione risultanti da quattro diversi progetti di campo di flusso a microcanali.

In un documento di ricerca pubblicato sul Chemical Engineering Journal, il team di TRINA osserva anche che in precedenza alcuni progettisti hanno sperimentato forme naturali, frattali o gerarchiche selezionate a priori per i canali dei campi di flusso. A proposito della ricerca di TRINA, Zhou afferma: "È la prima volta che si scoprono campi di flusso ramificati su larga scala utilizzando un approccio di progettazione inversa senza presupporre layout prescritti".

Il percorso di Toyota verso lo sviluppo delle celle a combustibile è illustrato in dettaglio nella User Story Gallery di COMSOL e in una keynote del COMSOL Day: Battery and Fuel Cells.

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