Progettare 463

78 progettare 463 • giugno / luglio 2024 semplice. La Figura 3 mostra i meccanismi principali di una generica cella a combu- stibile in azione. Quando l’idrogeno gassoso attraversa l’anodo, incontra un catalizzatore che lo separa in ioni di idrogeno ed elettroni. Mentre gli ioni di idrogeno si muovono attraverso l’elettrolita per raggiungere il catodo, gli elettroni si muovono attraverso un conduttore esterno alla cella a combu- stibile. È questa la corrente elettrica che può essere utilmente sfruttata. Quando l’ossigeno gassoso dell’aria attra- versa il catodo, incontra gli ioni di idrogeno e gli elettroni di ritorno sulla superficie del catodo. Qui lemolecole di ossigeno si divi- dono e si combinano con gli ioni idrogeno e gli elettroni per formare l’acqua. Piastra di flusso Finché idrogeno e ossigeno continuano a circolare, una cella a combustibile continua a generare corrente elettrica. La gestione della distribuzione di questi gas essenziali è compito delle piastre del campo di flusso della cella. Ogni piastra comprende una struttura a microcanali e un sottostrato poroso. Mentre l’idrogeno si muove attra- verso i canali della piastra del lato anodico, viene forzato anche attraverso il sottostrato verso l’anodo. Nel frattempo, l’aria viene incanalata attraverso la piastra del cam- po di flusso sul lato catodico della cella a combustibile. L’aria e l’acqua vengono scambiate attraverso lo strato di mate- riale poroso del lato catodico e la piastra incanala l’aria e l’acqua in eccesso lontano dallo stack della cella. La Figura 4 mostra un primo piano semplificato di questo processo essenziale per il lato catodico. Nell’articolo dedicato a questo progetto, il team Trina spiega che “l’uniformità del tempo di permanenza del fluido o della distribuzione del flusso, e la relazione con il trasferimento ottimale del calore, sono direttamente correlate alla progettazione della struttura del flusso, che è di primaria importanza per il corretto controllo delle reazioni chimiche”. Di conseguenza, i due obiettivi principa- li per la progettazione delle piastre del campo di flusso nelle celle a combustibile consistono nell’ottimizzazione del flusso sia lungo il campo di flusso a microcanali della piastra sia attraverso lo strato di ma- teriale poroso, al fine di fornire una quan- tità sufficiente di reagente all’elettrodo. Il primo obiettivo può essere inteso come una riduzione della resistenza al flusso del reagente, mentre il secondo cerca di migliorare la conversione del reagente e l’uniformità della reazione sull’intera superficie dell’elettrodo. Progettazione inversa La disposizione fisica dei microcanali contribuisce a determinare la capacità di soddisfare gli obiettivi di prestazione da parte della piastra di un campo di flusso. Storicamente, i progetti dei microcanali hanno seguito alcuni schemi familiari, come quello a serpentina mostrato a sini- stra nella Figura 5. Forme più complesse potrebbero migliorare le prestazioni, ma l’aumento della complessità di un progetto fa crescere il tempo necessario per definir- lo, fabbricarlo, testarlo e metterlo a punto. Zhou e i suoi colleghi si sono resi con- to che, prima di cercare di ottimizzare i progetti, dovevano ottimizzare il loro processo di progettazione. Per generare una soluzione di forma più complessa (e più performante) al problema, il team Trina ha creato la propria metodologia di progettazione inversa guidata dalla simu- lazione. La metodologia non definisce le forme in anticipo rispetto ai test, ma sta- bilisce i parametri chiave e poi indirizza gli algoritmi a generare forme che soddisfino tali parametri. Versioni di questo approc- cio sono state variamente descritte come progettazione generativa, ottimizzazione topologica e progettazione inversa. “Cercavamo un modo efficiente per ap- prossimare ciò che una simulazione più complessa avrebbe mostrato. Abbiamo sacrificato una certa complessità di mo- dellazione, il che in realtà ci permette di esplorare progetti più elaborati in meno tempo”, racconta Zhou. Per illustrare il suo punto di vista, Zhou fa riferimento a progetti di microcanali complessi come quello mostrato a destra nella Figura 5. “Alcuni progettisti usano l’ottimizzazione topologica per problemi come questo e ottengono progetti che Figura 4. Schema semplificato del movimento del fluido attraverso il gruppo di piastre del campo di flusso del lato ca- todico di una cella a combustibile. Una struttura a microcanali (in grigio scuro) definisce un percorso attraverso il quale il fluido reagente (in questo caso, l’aria) si muove da un ingresso a un’uscita. Mentre il fluido scorre, una parte di esso viene deviata lontano dal campo di flusso, attraverso uno strato di materiale poroso verso la superficie del catodo. SOFTWARE