1.3　發展傳熱－傳質－電磁工程仿真技術的重要性

總的來說，任何一種能源形式，其能源應用技術的發現和發展都會涉及多個學科領域之間知識的交叉應用。以太陽能光伏發電和燃料電池應用為例，雖然其能量轉化核心知識更多涉及的是半導體能帶理論和電化學理論，但其整個能源應用系統的性能、效率和壽命將更多地依賴于材料選擇、配件間的匹配、整體構型設計、運行參數優化以及對熱循環的力學響應和性能退化等。簡單而言，一個完整的能源應用體系的發展將同時涉及先進材料、流體動量傳遞、傳質、傳熱、電磁學、催化活化、多孔介質、結構應力以及燃料儲存等多個學科領域多尺度的交叉研究。

隨著科技的發展，數學方法和計算機硬件的發展，使得許多無法用理論分析求解的復雜工程問題通過大規模計算成為可能。此外，需要指出的是，由于實物制作具有昂貴、耗時而不能全面細致地探索各種材料參數、結構設計和工作條件影響的缺陷，因此依托已有知識背景通過計算機模擬建立工程分析模型，特別是3D工程分析模型，進而系統全面地探討各種材料選擇、設計方案和運行方式等對能源整體性能的影響便成為加速各種新能源應用技術發展的重要手段。簡單而言三維工程模擬分析設計是介于復雜的理論研究與實際應用之間的一個重要轉化載體，（a）理論是基礎，（b）解決工程問題是目標。因此，工程分析模型的建立及分析優化技能是本書介紹和學習的重點。

眾所周知，任何一種能源形式應用技術的研究將是一個多學科知識體系相互交叉應用的過程。而動量傳遞、傳熱、傳質以及導電過程幾乎是每一種能源應用形式所必然涉及的物理過程，因此它們也將是本書工程仿真設計介紹的重點。例如，以固體氧化物燃料電池（SOFC）為例，雖然其最核心的能量轉化基礎（化學能－電能）主要依賴于電化學的反應動力學原理，但其發電設備的工作過程乃至于整個發電系統的研究卻始終不可缺少對傳熱、傳質以及導電等過程的工程應用研究，是一個多學科交叉的綜合體系。

首先，在電池單體層面上：圍繞著和兩個電化學半反應的進行（將燃料化學能直接轉化為電能的核心步驟），其過程中需要同時涉及反應物和產物的傳輸，電荷的輸運，熱量的傳遞，以及能量的損失過程，它們是電化學發電反應得以持續進行的后勤保障，只有燃料和空氣的持續優質供應才能保證整個燃料電池發電系統的高能量轉化效率和對外持續供電。為了進一步說明傳熱、傳質及導電過程在燃料電池發電過程中的重要作用，圖1-21給出了與圖1-11相對應的SOFC燃料電池的微觀結構形貌示意圖。圖1-21（a）以氫氣燃料燃料電池為例，圍繞著電化學反應這一目標其工作過程可簡單描述如下：

①氧氣從電池外部通過多孔電極傳輸到陰極反應位置；

②氧氣在陰極反應位置，與外電路過來的電子反應生成氧離子，；

③氧離子通過電解質傳導到陽極反應位置；

④氧離子在陽極反應位置與電池外通過電極氣孔擴散進來的氫氣反應，；

⑤產物水通過電極氣孔傳出電極，而電子通過電極中的電子傳導路徑導出電池，并通過外電路循環到陰極反應位置。

很明顯的，SOFC的整個工作過程中都始終伴隨著反應物、產物的傳質過程，以及電子電流、離子電流的導電過程。此外，一方面電化學半反應本身就是一個吸放熱過程，發電過程中將伴隨著熵熱的釋放；另一方面電流傳遞過程中的能量損耗大部分轉化為熱能，因此熱量在電池內部的傳遞過程對整體電池性能也有重要影響。因此，SOFC整個工作過程中將同時涉及傳熱、傳質和導電過程的參與。類似的，固體氧化物燃料電池也可以碳氫氣體作為燃料［如圖1-21（b）所示]。主要是先將碳氫氣體經過高溫重整產生氫氣和一氧化碳，然后再利用氫氣和一氧化碳發電。這一過程將涉及更多的傳熱、傳質、導電等物理化學過程。

不僅如此，即使在燃料電池發電電池堆層面上，對其工作過程的研究也離不開對傳熱、傳質及導電過程的工程研究。理論上講，燃料電池能以較高的效率將燃料和氧化劑的化學能直接轉化為電能。然而，燃料電池單體一般具有高電流輸出和低電壓輸出的特點（單體電池輸出電壓在1V左右），這就決定了需要采用連接體將電池單體進行相互串聯以滿足較高的輸出功率和輸出電壓要求。連接體又稱雙極板，其作用一方面是支持電池單元間的電連接，起到導電作用；另一方面是連接體需要起到分別為陽極和陰極傳輸燃料和氧化劑（通氣），并分隔燃料和氧化劑的作用。

如圖1-12所示，固體氧化物燃料電池全固態組件的特點決定了其可以有不同的結構設計形式，而對于相同的電堆結構設計方案在工作過程中也將涉及不同的流體分布模式、溫度管理模式等選擇。因此，不同結構、不同流體分布模式、甚至于不同的溫度管理模式等，將導致不同的傳熱、傳質及導電過程，并進一步影響到整個發電系統的性能和壽命。以平板型結構為例，如圖1-22（a）給出了由德國Julich公司設計的對流型平板SOFC電堆結構示意圖，就其流體分布模式而言屬于對流型的設計方式。對流指的是燃料和氧化氣體兩者往相對的方向流動，圖中g1表示的是燃料的流動方向，g2表征氧化氣體的流動方向。類似的，圖1-22（b）為美國固態能源聯盟設計的平板電堆交叉流設計方案，其結構主要由連接體、單電池、單電池框架、密封件四個部分組成。它的核心部件也是單電池片，單電池外套有框架。連接體的上側是空氣流道，下側是燃料的流道。兩者相互垂直。交叉流指的是燃料的流動方向和空氣的流動方向相互交叉。顯然的，其工作過程的研究也都將伴隨著傳熱、傳質以及導電過程的研究，舉例描述如下。

無論是并流、對流還是交叉流流體管理模式的電堆結構設計方案，其共同的特點就是電池單體之間需要相互串聯以實現較高的對外輸出功率和電壓。根據開爾文定律，串聯電池之間需滿足每一個串聯的電池單體都產生相同的電流總量。這就意味著對于一個串聯電堆而言，最差一層電池單體的性能將在很大程度上決定電堆的整體性能。而與電池單體性能直接相關的兩個最主要因素就是燃料濃度以及工作溫度。因此，在電池堆層面上，如何通過工程設計得到均勻的燃料分布及溫度分布是從根本上保證電堆整體輸出性能的關鍵因素之一。此外，從電池壽命的角度看，不同部件之間過高的溫度差將使電池部件承受過大的熱應力壓力。因此，不僅在電池層面上，同時在每個單體電池電極表面上，均勻的氣流分布和溫度分布也至關重要。反應物即是燃料電池化學能的儲能體，又對熱能的分布起到關鍵作用，不僅決定了反應熱的釋放大小和分布，同時也是對流傳熱這一主要傳熱模式的主要載體。

類似的，對于太陽能熱動力發電形式而言，其能量轉化過程是將太陽光轉化為熱能，并經由熱能轉化為電能。因此如何提高熱效率和電效率是其研究的關鍵問題之一，而其中熱能主要經由流體工質進行傳遞。因此，其工作過程始終伴隨著傳熱、傳質及導電過程的參與，掌握傳熱、傳質及導電耦合的工程仿真分析技術能在該能源利用方式研究中有一定用處。就光伏能源利用方式而言，以染料敏化太陽能電池為例，雖然其核心能量轉化原理主要是利用半導體pn結原理將太陽光能轉化為電能。但其整個工作過程中，不僅涉及電子電流的傳導、還同時涉及碘離子電流的傳導，以及電解質溶液的傳輸過程等傳質及導電過程。因此掌握傳質及導電的工程仿真技術同樣也能在該領域研究中有所貢獻。再者，如核能發電，雖然其核心能量轉化原理主要是利用原子核聚變和核裂變過程將儲存在原子核內部的核能釋放為熱能。但就其整個發電系統而言，除了核島部分外（利用反應堆將核能釋放為熱能），還有很重要的常規島部分（通過熱機將熱能釋放為電能）。顯然的，常規島部分的研究就可簡單概括為傳熱、傳質以及導電過程在核能發電領域的應用研究。類似的，其他絕大部分的新能源利用形式，其工作過程中也不可避免地需要傳熱、傳質以及導電等經典物理過程的參與，這里不再贅述。此處描述的重點是為了說明，掌握傳熱、傳質及導電過程的工程分析能力，基本上在各個不同的新能源技術應用領域都具有較為廣闊的應用空間。

綜上所述，一種新興的能源技術，雖然能量轉化的核心能量轉化基礎可能是多種多樣的，但就其整個能源應用裝置而言，大部分能源利用技術的研究、發展到最終的商業化都將涉及到傳熱、傳質以及導電過程的工程分析設計。由于較大的實物實驗具有昂貴、耗時而不能全面細致地探索各種材料參數，結構設計和工作條件影響的缺陷，因此掌握利用已有知識背景對特定的能源應用形式進行傳熱、傳質及導電過程進行工程建模和分析優化的方法，對于加速該新能源應用技術的發展有著重要的作用。本書的后續章節將以COMSOL Multiphysics為例，重點介紹如何使用大型有限元軟件針對不同能源應用技術研究過程中遇到的工程問題進行數值建模和分析優化設計的方法，并將側重點著眼于能源應用研究過程中所涉及的傳熱、傳質以及導電過程的耦合工程仿真過程研究方法。需要特別指出的是，在經典物理的范疇內，大部分工程問題都可抽象為二階及二階以下的微分方程形式，因此本書中基于傳熱、傳質及導電的耦合研究方法完全可推廣應用于能源應用研究過程中遇到的其他物理化學過程的工程建模分析過程。希望讀者通過本書的閱讀和理解系統掌握使用有限元工程軟件針對能源應用研究過程中遇到的各種工程問題進行數值建模和分析優化設計的技能。