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La conception générative accélère le développement des piles à combustible à hydrogène

Comme solution alternative aux groupes motopropulseurs électriques à batterie, Toyota poursuit le développement de piles à combustible hydrogène-oxygène pour alimenter voitures, poids lourds voire villes entières, en énergie. Afin d’accélérer le processus de R&D des plaques d'écoulement de ces piles à combustible, le Toyota Research Institute of North America (TRINA) a mis au point une nouvelle méthodologie basée sur la simulation.

Par Alan Petrillo
Avril 2023

"Tout-électrique." Cette expression est devenue la devise de tous ceux qui souhaitent réduire la dépendance mondiale aux combustibles fossiles. Cet impératif d’électrification est déjà présent autour de nous, notamment avec les véhicules électriques hybrides (HEV) et les véhicules électriques à batterie (BEV) désormais familiers sur nos routes. Cependant, alors que de nombreux constructeurs automobiles augmentent leur production de véhicules hybrides et électriques à batterie, une entreprise se consacre au développement de voitures électriques dont le stockage de l'énergie ne repose pas principalement sur les batteries. Ces voitures embarquent de l'hydrogène, qui combiné à l'oxygène de l'air à l'intérieur d'une pile à combustible, produit de l'électricité.

L’entreprise qui suit cette voie alternative, c’est Toyota. La commercialisation des véhicules à hydrogène se heurte à de nombreux obstacles, mais s’il y a un constructeur automobile capable de faire rouler le monde à l’hydrogène, c’est bien le leader mondial du secteur (Réf 1). Toyota consacre d'importantes ressources financières, matérielles et humaines à la recherche sur les piles à combustible, et sait que le chemin du développement de ces véhicules sera long et qu’ils n’en sont qu’au début. La vision de l'entreprise va bien au-delà des voitures ; elle prévoit l'émergence d'une "société de l'hydrogène" à l’échelle mondiale. Dans cette société, les moteurs, les systèmes de chauffage et les générateurs fonctionnant aux combustibles fossiles seraient remplacés par des piles à combustible qui produisent de l'électricité à partir de l'hydrogène. Les moyens mis en œuvre par Toyota pour atteindre cet objectif sont tels, qu’ils ont choisi la ville japonaise de Susono comme banc d'essai de leur technologie à hydrogène, et qu’ils perfectionnent leur méthodologie de conception générative pour optimiser les performances des piles à combustible.

La simulation au service de la conception générative

Le Toyota Research Institute of North America (TRINA) a mis au point une méthodologie de conception générative fondée sur la simulation et l'a appliquée à la conception de plaques d’écoulements à microcanaux, qui orientent le mouvement des fluides réactifs dans les microréacteurs que sont les piles à combustible hydrogène-oxygène. Bien qu'une grande partie de la R&D de Toyota sur les piles à combustible soit confidentielle, l'équipe TRINA a néanmoins publié un article dans le Chemical Engineering Journal sur son processus de "conception inverse" basé sur la simulation (Réf 2). L'application de ce protocole aux plaques d'écoulement a abouti à quatre designs différents de microcanaux (Figure 1).

Chacun des quatre designs présente ses propres avantages et tous surpassent les modèles de référence existants au regard des paramètres clés. Tout aussi important, ils illustrent la puissance du processus. TRINA démontre que la conception générative résultant de la simulation accélère l'innovation — même quand l'objectif final du projet se situe dans un avenir lointain.

"Nous pensons que l’approche par conception inverse peut révolutionner les pratiques actuelles de conception," déclare Yuqing Zhou, chercheur au TRINA. "Nous ouvrons la voie à la prochaine étape d'un long voyage, même si nous ne savons pas précisément où ce voyage nous mènera."

Des options de motorisation plus propres

Avec un tel esprit d'ouverture, on comprend pourquoi Toyota poursuit depuis des décennies ses recherches sur les piles à combustible, alors que la plupart des constructeurs automobiles se sont engagés exclusivement sur la voie des batteries pour alimenter les véhicules électriques. Comme l'a déclaré le président Akio Toyoda lors d'une interview en novembre 2022 (Réf 3) : "Voyez Toyota comme un grand magasin proposant toutes les motorisations existantes."

Si une pile à combustible hydrogène-oxygène peut sembler un moyen original d'alimenter une voiture en électricité (Figure 2), la technologie elle-même n'est pas nouvelle et son fonctionnement est d’une simplicité remarquable. La Figure 3 présente les principes fondamentaux du fonctionnement d'une pile à combustible générique.

Lorsque l'hydrogène gazeux traverse l'anode, il rencontre un catalyseur qui le scinde en ions hydrogène et en électrons. Alors que les ions hydrogène migrent dans l'électrolyte pour atteindre la cathode, les électrons se déplacent dans un conducteur situé à l'extérieur de la pile à combustible. C'est ce courant électrique qui peut être exploité à des fins utiles.

Lorsque l'oxygène gazeux de l'air traverse la cathode, il rencontre les ions d'hydrogène et les électrons de retour à la surface de la cathode. Les molécules d'oxygène se séparent et se lient aux ions d'hydrogène et aux électrons pour former de l'eau.

Trajectoire du réactif sur la plaque d'écoulement

Tant que l'hydrogène et l'oxygène circulent, une pile à combustible continue de produire un courant électrique. Ce sont les plaques d'écoulement de la pile qui participent à la distribution de ces gaz essentiels. Chaque plaque comprend à la fois une structure à microcanaux et une sous-couche poreuse. Quand l'hydrogène se déplace dans les canaux de la plaque côté anode, il est également poussé à travers la sous-couche vers l'anode. Dans le même temps, l'air est conduit à travers la plaque d'écoulement cathodique. L'air et l'eau sont échangés à travers la couche de matériau poreux du côté cathode, et la plaque évacue ensuite l'excès d'air et d'eau de l'empilement de cellules. La Figure 4 présente un schéma simplifié du processus du côté cathode.

Dans l'article consacré à ce projet, l'équipe TRINA explique que "l'uniformité du temps de séjour des fluides ou la distribution des écoulements, et la relation avec un transfert de chaleur optimal, sont directement liées au design de la structure d’écoulement, ce qui est primordial pour assurer le bon contrôle des réactions chimiques."

Ainsi, les deux principaux objectifs de la conception des plaques d'écoulement des piles à combustible visent à maximiser l'écoulement du fluide dans les microcanaux de la plaque et à travers la couche de matériau poreux, afin de fournir une quantité suffisante de réactif à l'électrode. Le premier objectif consiste à diminuer la résistance à l'écoulement du réactif, tandis que le second vise à améliorer la conversion du réactif et l'uniformité de la réaction sur l’ensemble de la surface de l'électrode.

La conception inverse : un processus plus simple pour générer des formes complexes

La disposition physique des microcanaux joue un rôle important et contribue à ce que la plaque d'écoulement remplisse ses objectifs de performance. Historiquement, les designs de microcanaux suivent des modèles classiques, comme le serpentin (Figure 5 à gauche). Des formes plus complexes pourraient en améliorer les performances, mais l'augmentation de la complexité du design accroît le temps nécessaire pour définir, fabriquer, tester et ajuster celui-ci.

M. Zhou et ses collègues ont réalisé qu'avant d'essayer d'optimiser leurs designs, ils devaient d'abord optimiser le processus de conception. Pour trouver une solution de forme plus complexe (et plus performante) à leur problème, l'équipe TRINA a élaboré sa méthode de conception inverse basée sur la simulation. Leur méthodologie ne définit pas les formes avant les essais, mais fixe des paramètres clés et demande ensuite aux algorithmes de générer des formes qui répondent à ces paramètres. Cette approche est connue sous les noms de conception générative, d'optimisation topologique et de conception inverse.

"Nous cherchions un moyen efficace d’approximer ce qu'une simulation plus complexe révèlerait. Nous avons volontairement simplifié une partie de la modélisation, pour au final explorer rapidement des pistes de conception plus élaborées," déclare M. Zhou.

Pour illustrer son propos, M. Zhou évoque les conceptions complexes de microcanaux de la Figure 5 (à droite). "Certaines personnes utilisent l'optimisation topologique pour des problèmes de ce type et obtiennent des designs comportant parfois 10 canaux. Cela s'explique par le fait qu'ils demandent à leur algorithme de déterminer à l'avance l'emplacement exact de chaque élément physique des canaux, ce qui nécessite beaucoup de puissance et de temps de calcul pour obtenir une conception complexe comme celle que nous voyons ici," poursuit-il.

Traduire plus rapidement les résultats souhaités en formes innovantes

Comment l'équipe TRINA a-t-elle généré efficacement de meilleurs designs de microcanaux grâce à cette méthodologie ? Tout d'abord, ils ont simulé des trajectoires idéales d'écoulement à travers le matériau poreux anisotrope existant (Figure 6 à gauche) ; puis ils ont extrait les valeurs qui décrivaient le comportement idéal du fluide. Ensuite, ils ont introduit ces valeurs dans une autre simulation, qui a généré les formes de microcanaux qui induiraient ce comportement (Figure 6 à droite). Ils ont donc défini l'effet qu'ils voulaient produire avant de commencer à concevoir. Cette séquence décrit ce qu’est l'inversion dans la conception inverse.

Comme l’explique l'article de recherche de l'équipe TRINA :

"En abandonnant la modélisation explicite des canaux pendant la phase d'optimisation, qui nécessite un grand nombre d'évaluations de fonctions, la physique à l'intérieur d'un milieu poreux anisotrope est appréhendée à l'aide d'une discrétisation à maillage relativement grossier du domaine de conception."

M. Zhou explique : "Notre modèle COMSOL du matériau poreux ne comporte que deux valeurs de matériau et un maillage grossier. Nous implémentons une optimisation basée sur la sensibilité à partir des équations de Navier-Stokes et d'advection-réaction-diffusion. Nous supposons que l'écoulement du fluide dans le milieu poreux est stationnaire, incompressible et laminaire, et que les réactions chimiques souhaitées se produisent proportionnellement à la concentration des réactifs. Nous effectuons ces simulations pour obtenir une distribution optimale de l'orientation de l'écoulement des fluides à travers les pores. Ce processus nous donne des résultats précieux et réduit considérablement la complexité des calculs."

M. Zhou qualifie d'homogénéisation cette partie du processus global de conception. Après avoir établi un modèle de trajectoires idéales du fluide à travers les pores de la plaque, l'étape suivante est la dehomogenization. Cette étape consiste à définir, à l'aide d'équations, les formes des microcanaux qui forceront le fluide à suivre ces trajectoires optimales.

Des designs conçus pour maximiser le flux, la réaction, ou les deux

L'étape de déshomogénéisation est nécessaire, précise M. Zhou, car "Nous ne pouvons pas fabriquer un matériau poreux idéal dont chaque pore serait conçu individuellement. Nous devons définir des parois et des canaux pour diriger le fluide à travers les pores de façon à nous rapprocher de la solution idéale. Pour générer ce design, nous utilisons COMSOL Multiphysics^® afin de résoudre une équation aux dérivées partielles (EDP) adaptée à la génération de formes. Le logiciel nous offre également des fonctionnalités graphiques de visualisation des résultats."

Deux des options de formes créées par les équations de déshomogénéisation de TRINA sont présentées dans les Figures 7 et 8. Comme indiqué précédemment, les objectifs de performance sont : 1) réduire la résistance à l'écoulement du réactif et 2) améliorer l’apport en réactif et l'uniformité de la réaction sur l'ensemble de la plaque. Ces objectifs sont représentés par des variables de contrôle dans l'EDP du modèle. En attribuant différents facteurs de pondération à ces deux objectifs, M. Zhou et son équipe amènent le modèle à générer différentes propositions de design. Ils peuvent ensuite évaluer les avantages de chaque option et procéder à des ajustements pour effectuer d'autres itérations.

À propos du design de la Figure 7, M. Zhou précise, "Nous l'appelons le 'design d'écoulement' parce qu'il conduit à la plus petite perte de charge sur l'ensemble de la surface du champ d'écoulement. Le modèle a généré des trajectoires relativement parallèles et droites, sans trop de ramifications latérales."

Si ce design assure un bon écoulement du fluide à travers la plaque, il ne permet pas de distribuer uniformément le réactif à travers la couche de matériau poreux. La simulation montre une concentration de réactifs plus faible (en vert et en bleu dans l'image en bas à droite de la Figure 7) à la sortie du dispositif, ce qui limite l'homogénéité de la réaction et donc la puissance de sortie de la pile à combustible.

Qu’en serait-il si les facteurs de pondération de l'équation directrice étaient ajustés pour privilégier l'uniformité de la réaction plutôt que le débit ? Le modèle générerait alors un design comme celui illustré par la Figure 8, que M. Zhou appelle le "design de réaction". Désormais, les concentrations de réactifs sont élevées (Figure 8 en bas à droite, en rouge et en orange), ce qui indique une plus grande quantité de réactifs disponibles à l’utilisation. Les formes complexes des microcanaux du "design de réaction" peuvent sembler familières aux étudiants en biologie.

"La plupart des microréacteurs commercialisés utilisent un design quelque peu similaire au 'design d'écoulement'," ajoute M. Zhou. Mais les structures naturelles qui distribuent des fluides réactifs - comme les feuilles, les poumons et les vaisseaux sanguins - ressemblent davantage aux formes de la Figure 8.

"Les ingénieurs préfèrent peut-être utiliser des canaux droits sans ramification latérale, mais la nature choisit le 'design de réaction'," développe M. Zhou. Le document de recherche de l'équipe TRINA indique que si certains ont déjà expérimenté des formes inspirées de la nature, fractales ou hiérarchiques, choisie a priori pour des canaux d’écoulement, "C'est la première fois que des écoulements ramifiés à grande échelle sont découverts à l'aide d'une approche par conception inverse sans présupposer certaines structures."

Créer l’avenir plutôt que d'essayer de le prédire

Outre la comparaison "écoulement/réaction" illustrée ci-dessus, TRINA a produit deux autres designs (non illustrés) qui combinent les avantages des Figures 7 et 8. Il est intéressant de noter que chacune des quatre versions de TRINA a dépassé les conceptions classiques de référence sur les principales mesures de performance fluide-réaction. Un autre modèle fabriqué et testé expérimentalement (Réf 4) par l'équipe TRINA est présenté à la Figure 9.

Alors, quel est le design optimal d'une plaque d'écoulement ? Il n'y en a pas, tout comme il n'y a pas de technologie idéale pour remplacer les véhicules à essence. "De notre point de vue, nous avons réussi en proposant à nos ingénieurs plusieurs options pertinentes à considérer," souligne M. Zhou.

TRINA fait partie d'un vaste réseau d'équipes de R&D de Toyota qui travaillent au développement d'une société de l'hydrogène. L'entreprise ne cesse d’améliorer l'autonomie et les performances des voitures à hydrogène baptisées Mirai, un mot japonais qui signifie "l'avenir", ou littéralement, "pas encore arrivé". Peut-être que dans un monde qui n'est pas encore arrivé, nous vivrons dans des villes sans pollution, équipées d'infrastructures de distribution d'hydrogène et de voitures, camions, trains et bâtiments alimentés par des piles à combustible. Même si nous ne sommes pas sûrs d'atteindre cet objectif, nous qui vivons actuellement dans une société où le pétrole est omniprésent, nous pouvons néanmoins nous inspirer des efforts accomplis par Toyota pour atteindre le mirai.

Pour finir, Yuqing Zhou nous livre un conseil qui le guide, lui et ses collègues : "Notre responsable scientifique nous a dit : 'Nous devons cesser d'essayer de prédire l'avenir et nous efforcer de le créer.'"