Au Toyota Research Institute of North America (TRINA), des chercheurs spécialisés dans les piles à combustible mettent au point une méthodologie fondée sur la simulation qui rapproche le constructeur automobile de son objectif de créer une "société de l'hydrogène" à l'échelle mondiale.

Grenoble (23 mai 2023) - Le Toyota Research Institute of North America (TRINA) a mis au point une nouvelle méthodologie de conception inverse basée sur la simulation afin d'accélérer le processus de recherche et de développement des plaques d'écoulement des piles à combustible. Cette méthodologie fixe des objectifs de performance et oriente les algorithmes afin de générer des formes structurelles pour l’écoulement qui répondent à ces objectifs. L'équipe TRINA a conçu cette approche en intégrant le logiciel COMSOL Multiphysics^® dans son flux de travail de conception inverse.

"Nous pensons qu’une approche par conception inverse peut révolutionner les pratiques actuelles en conception", déclare Yuqing Zhou, chercheur au TRINA. "Nous rendons possible la prochaine étape d'un long cheminement, même si nous ne pouvons pas savoir exactement où ce dernier nous mènera". L'équipe du TRINA a appliqué sa méthode à la conception de plaques d’écoulement à microcanaux, qui orientent le mouvement des réactifs fluides dans les microréacteurs tels que les piles à combustible hydrogène-oxygène.

Un prototype de plaque d'écoulement en métal basé sur l'un des designs générés par l'équipe du TRINA.

TRINA fait partie d'un vaste réseau d'équipes de R&D de Toyota qui travaillent au développement d'une "société de l'hydrogène", dans laquelle les moteurs, les systèmes de chauffage et les générateurs fonctionnant aux combustibles fossiles seraient remplacés par des piles à combustible qui extraient le courant électrique de l'hydrogène.

"La technologie des piles à combustible a le potentiel de fournir une énergie propre à l'échelle mondiale", déclare Margaret Lemus, VP marketing chez COMSOL. "Pour y parvenir, la technologie doit devenir plus efficace, et l'optimisation des designs est une étape importante. Il est intéressant de voir comment la simulation permet aux chercheurs d'explorer différentes options et de prendre des décisions éclairées qui peuvent conduire à la conception de piles à combustible plus efficaces."

Optimiser la conception pour l'écoulement, la réaction ou les deux

Au cours de leurs recherches, Zhou et ses collègues ont constaté qu'ils devaient commencer par optimiser leur processus de conception avant de pouvoir optimiser leurs designs. "Nous cherchions un moyen efficace d'obtenir une approximation de ce qu'une simulation plus complexe révèlerait. Nous avons sacrifié une partie de la complexité de la modélisation, ce qui nous permet en fin de compte d'explorer rapidement des pistes de conception plus élaborée", explique M. Zhou.

Lorsque leur conception était optimisée pour l'écoulement, les trajectoires des microcanaux générés étaient droites et parallèles, avec peu de ramifications latérales. Lorsque les coefficients de pondération de la fonction objectif ont été ajustés pour donner la priorité à l'uniformité de la réaction, la méthode a généré des formes de microcanaux plus complexes.

Résultats de simulation du modèle de l'équipe TRINA, montrant la distribution de pression résultant de quatre designs différents d'écoulement à microcanaux.

Dans un article de recherche publié dans le Chemical Engineering Journal, l'équipe du TRINA note également que certains ont déjà expérimenté des formes inspirées de la nature, fractales ou hiérarchiques sélectionnées a priori pour les canaux. Concernant la recherche du TRINA, Zhou déclare : "C'est la première fois que de tels écoulements ramifiés à grande échelle ont été découverts à l'aide d'une approche par conception inverse sans présupposer certaines structures."

Le parcours de Toyota dans le développement des piles à combustible est présenté plus en détail dans la galerie des cas utilisateurs COMSOL et dans une présentation donnée à l’occasion du COMSOL Day : Batteries & Fuel Cells.

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Pour en savoir plus sur l'équipe TRINA et lire son article de recherche publié dans le Chemical Engineering Journal.

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