Neue Design-Optionen dank Simulation
Schnellere Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Autos
Um die Entwicklung von mit Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen betriebenen Elektroautos zu beschleunigen, hat Trina, das nordamerikanische Forschungsinstitut von Toyota, seine Forschungsprozesse durch Simulation mit der Multiphysiksoftware von Comsol optimiert.
Toyota hält an der Entwicklung von Elektrofahrzeugen fest, die nicht primär auf Batterien als Energiespeicher angewiesen sind, sondern die durch Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff einer Brennstoffzelle Strom erzeugen. Dieser Weg wartet allerdings noch mit vielen Hindernissen auf und Trina setzt große finanzielle, materielle und personelle Ressourcen für die Brennstoffzellenforschung ein.
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Generatives Design durch Simulation möglich
Die Entwicklung der Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatten ist zeitaufwendig, da Entwürfe definiert, hergestellt, geprüft und angepasst werden müssen. Hierbei ist Simulation eine effektive Lösung, um verschiedene Designs und Entwicklungen zu testen, ohne, dass diese vorher produziert werden müssen.
Trina entwickelte mit Hilfe von Simulation eine Methodik, um die Forschungs- und Entwicklungsprozesse für Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatten zu beschleunigen. Dabei wurde ein generatives Designverfahren entworfen und auf die Gestaltung von Strömungsfeld-Mikrokanalplatten angewandt, die die Bewegung von flüssigen Reaktanten in Mikroreaktoren wie Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen steuern.
Solange Wasserstoff und Sauerstoff fließen, erzeugt eine Brennstoffzelle elektrischen Strom. Die Verteilung dieser notwendigen Gase zu steuern, ist Aufgabe der Strömungsfeldplatten der Zelle. Jede Platte besteht sowohl aus einer Mikrokanalstruktur als auch aus einer porösen Unterschicht. Während sich Wasserstoff durch die Kanäle der anodenseitigen Platte bewegt, wird er auch durch die Unterschicht zur Anode gedrückt. Gleichzeitig wird Luft durch die Strömungsfeldplatte auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle geleitet. Luft und Wasser werden durch die poröse Materialschicht auf der Kathodenseite ausgetauscht, und die Platte leitet dann überschüssige Luft und Wasser vom Zellstapel weg.
Die beiden Hauptziele bei der Gestaltung der Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatten sind die Maximierung des Flüssigkeitsstroms durch das Mikrokanal-Strömungsfeld der Platte und durch die Schicht aus porösem Material, damit der Elektrode ausreichend Reaktanden zugeführt werden.
Inverses Design führt zu neuen Optionen
Die Forscher erkannten, dass sie sich zuerst darauf konzentrieren mussten, den Entwurfsprozess zu optimieren, bevor sie daran gehen konnten, ihre Entwürfe zu überarbeiten, um eine komplexere und leistungsfähigere formale Lösung zu finden. Dafür entwickelten sie eine simulationsgesteuerte inverse Entwurfsmethodik mit der Multiphysik-Software Comsol.
Was diese Methode auszeichnet, ist, dass die Formen nicht im Vorfeld der Tests definiert werden, sondern, dass Schlüsselparameter festgelegt und Algorithmen angewiesen werden, Formen zu erzeugen, die diese Parameter erfüllen. Im Wesentlichen hat das Entwicklungsteam die Wirkung, die es mit seinen Entwürfen erzielen wollte, vor dem eigentlichen Entwurf definiert. Dies wird als inverses Design bezeichnet, das es Toyotas nordamerikanischem Forschungsinstitut ermöglicht, bessere Mikrokanaldesigns zu entwickeln.
Ein Teil des Designprozesses wird Homogenisierung genannt, das bedeutet, dass ein Muster idealer Flüssigkeitsbahnen durch die Poren der Platte festgelegt wird. Der nächste Schritt ist die Dehomogenisierung, dies beinhaltet die gleichungsgesteuerte Definition von Mikrokanalformen, um die Flüssigkeit in optimale Bahnen zu zwingen. Die Forscher bekräftigen die Notwendigkeit der Dehomogenisierung, da sie kein ideal poröses Material herstellen können, bei dem jede Pore individuell gestaltet wird. Es müssen Wände und Kanäle eingebaut werden, um die Flüssigkeit auf eine Weise durch die Poren zu leiten, die dem Ideal nahekommt.
Simulation beschleunigt Entwicklungsprozesse
Dafür verwenden die Forscher von Toyota die Multiphysik-Software von COMSOL, die es Nutzern ermöglicht, per Simulation Produkte und Ideen zu testen, bevor sie letztendlich umgesetzt werden. Durch eine unbegrenzte Multiphysik ist es möglich, alle relevanten Prozesse und Effekte in einem komplexen Simulationsmodell abzubilden, diese mit einfachen Benutzeroberflächen auszustatten und nahezu alle industrierelevanten Produkte, Effekte und Prozesse (von der Schraube bis zur Brennstoffzelle) zu simulieren. Mit Hilfe der Simulationssoftware von Comsol konnte Trina eine für das Porendesign wichtige, kundenspezifische partielle Differentialgleichung für die Mustererzeugung lösen. Des Weiteren wurden mittels der Plot-Funktion die Ergebnisse visualisiert.
Das erste Ziel bei der Gestaltung von Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatten dient dem Zweck, den Widerstand für den Reaktandenfluss zu verringern. Als nächstes wird versucht, die Reaktandenumwandlung und die Reaktionsgleichmäßigkeit über die gesamte Elektrodenoberfläche zu verbessern. Indem sie diesen beiden Zielen unterschiedliche Gewichtungsfaktoren zuweisen, kann das Trina-Team das Modell dazu veranlassen, verschiedene Designoptionen zu generieren. Es bewertet dann die relativen Vorzüge jeder Option und nimmt Anpassungen vor, um weitere Iterationen zu erzeugen. Wie gut eine Strömungsfeldplatte ihre Leistungsziele erfüllt, hängt von der physikalischen Anordnung der Mikrokanäle ab.
Die Mikrokanaldesigns folgten in der Vergangenheit bekannten Mustern, doch eines der Modelle von Trina ähnelt mit seinen verschlungenen Mikrokanalformen natürlich vorkommenden Systemen, die flüssige Reaktanten verteilen – wie etwa Blätter, Lungen und Blutgefäße. Ingenieure würden womöglich Kanäle ohne Seitenverzweigungen bevorzugen, doch die Natur entscheidet sich für ein Design, das dem von Trina ähnelt.
Die Forscher weisen darauf hin, dass schon früher mit natürlich aussehenden, fraktalen oder hierarchischen Formen experimentiert wurde, die a priori für Strömungsfeldkanäle ausgewählt wurden. Dies war aber das erste Mal, dass solche großflächigen verzweigten Strömungsfelder mit einem inversen Designansatz entdeckt wurden, ohne von vorgegebenen Layouts auszugehen.
Zukunft gestalten, anstatt vorhersagen
Die Energieversorgung eines Autos durch eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist an sich keine neue Technologie. Jedoch konnte Trina zeigen, wie generatives Design mit Hilfe von Simulation Innovationen beschleunigen kann, selbst wenn das endgültige Ziel eines Projekts weit in der Zukunft liegen mag.
Der japanische Autohersteller hat die Reichweite und Leistung der wasserstoffbetriebenen Autos namens Mirai weiter verbessert. Das japanische Wort Mirai bedeutet »die Zukunft« oder wörtlich »noch nicht gekommen«. Vielleicht werden wir in einer Welt, die noch nicht gekommen ist, in smogfreien Städten leben, die mit einer Infrastruktur zur Verteilung von Wasserstoff und mit Brennstoffzellen betriebenen Autos, Lastwagen, Zügen und Gebäuden ausgestattet sind. Egal, wo die Forschung hinführt – eines ist gewiss: Simulation bringt uns näher ans Ziel heran.
Der Autor
Thorsten Koch
ist Managing Director Comsol Deutschland.
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