1.3　发展传热－传质－电磁工程仿真技术的重要性

总的来说，任何一种能源形式，其能源应用技术的发现和发展都会涉及多个学科领域之间知识的交叉应用。以太阳能光伏发电和燃料电池应用为例，虽然其能量转化核心知识更多涉及的是半导体能带理论和电化学理论，但其整个能源应用系统的性能、效率和寿命将更多地依赖于材料选择、配件间的匹配、整体构型设计、运行参数优化以及对热循环的力学响应和性能退化等。简单而言，一个完整的能源应用体系的发展将同时涉及先进材料、流体动量传递、传质、传热、电磁学、催化活化、多孔介质、结构应力以及燃料储存等多个学科领域多尺度的交叉研究。

随着科技的发展，数学方法和计算机硬件的发展，使得许多无法用理论分析求解的复杂工程问题通过大规模计算成为可能。此外，需要指出的是，由于实物制作具有昂贵、耗时而不能全面细致地探索各种材料参数、结构设计和工作条件影响的缺陷，因此依托已有知识背景通过计算机模拟建立工程分析模型，特别是3D工程分析模型，进而系统全面地探讨各种材料选择、设计方案和运行方式等对能源整体性能的影响便成为加速各种新能源应用技术发展的重要手段。简单而言三维工程模拟分析设计是介于复杂的理论研究与实际应用之间的一个重要转化载体，（a）理论是基础，（b）解决工程问题是目标。因此，工程分析模型的建立及分析优化技能是本书介绍和学习的重点。

众所周知，任何一种能源形式应用技术的研究将是一个多学科知识体系相互交叉应用的过程。而动量传递、传热、传质以及导电过程几乎是每一种能源应用形式所必然涉及的物理过程，因此它们也将是本书工程仿真设计介绍的重点。例如，以固体氧化物燃料电池（SOFC）为例，虽然其最核心的能量转化基础（化学能－电能）主要依赖于电化学的反应动力学原理，但其发电设备的工作过程乃至于整个发电系统的研究却始终不可缺少对传热、传质以及导电等过程的工程应用研究，是一个多学科交叉的综合体系。

首先，在电池单体层面上：围绕着和两个电化学半反应的进行（将燃料化学能直接转化为电能的核心步骤），其过程中需要同时涉及反应物和产物的传输，电荷的输运，热量的传递，以及能量的损失过程，它们是电化学发电反应得以持续进行的后勤保障，只有燃料和空气的持续优质供应才能保证整个燃料电池发电系统的高能量转化效率和对外持续供电。为了进一步说明传热、传质及导电过程在燃料电池发电过程中的重要作用，图1-21给出了与图1-11相对应的SOFC燃料电池的微观结构形貌示意图。图1-21（a）以氢气燃料燃料电池为例，围绕着电化学反应这一目标其工作过程可简单描述如下：

①氧气从电池外部通过多孔电极传输到阴极反应位置；

②氧气在阴极反应位置，与外电路过来的电子反应生成氧离子，；

③氧离子通过电解质传导到阳极反应位置；

④氧离子在阳极反应位置与电池外通过电极气孔扩散进来的氢气反应，；

⑤产物水通过电极气孔传出电极，而电子通过电极中的电子传导路径导出电池，并通过外电路循环到阴极反应位置。

很明显的，SOFC的整个工作过程中都始终伴随着反应物、产物的传质过程，以及电子电流、离子电流的导电过程。此外，一方面电化学半反应本身就是一个吸放热过程，发电过程中将伴随着熵热的释放；另一方面电流传递过程中的能量损耗大部分转化为热能，因此热量在电池内部的传递过程对整体电池性能也有重要影响。因此，SOFC整个工作过程中将同时涉及传热、传质和导电过程的参与。类似的，固体氧化物燃料电池也可以碳氢气体作为燃料［如图1-21（b）所示]。主要是先将碳氢气体经过高温重整产生氢气和一氧化碳，然后再利用氢气和一氧化碳发电。这一过程将涉及更多的传热、传质、导电等物理化学过程。

不仅如此，即使在燃料电池发电电池堆层面上，对其工作过程的研究也离不开对传热、传质及导电过程的工程研究。理论上讲，燃料电池能以较高的效率将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。然而，燃料电池单体一般具有高电流输出和低电压输出的特点（单体电池输出电压在1V左右），这就决定了需要采用连接体将电池单体进行相互串联以满足较高的输出功率和输出电压要求。连接体又称双极板，其作用一方面是支持电池单元间的电连接，起到导电作用；另一方面是连接体需要起到分别为阳极和阴极传输燃料和氧化剂（通气），并分隔燃料和氧化剂的作用。

如图1-12所示，固体氧化物燃料电池全固态组件的特点决定了其可以有不同的结构设计形式，而对于相同的电堆结构设计方案在工作过程中也将涉及不同的流体分布模式、温度管理模式等选择。因此，不同结构、不同流体分布模式、甚至于不同的温度管理模式等，将导致不同的传热、传质及导电过程，并进一步影响到整个发电系统的性能和寿命。以平板型结构为例，如图1-22（a）给出了由德国Julich公司设计的对流型平板SOFC电堆结构示意图，就其流体分布模式而言属于对流型的设计方式。对流指的是燃料和氧化气体两者往相对的方向流动，图中g1表示的是燃料的流动方向，g2表征氧化气体的流动方向。类似的，图1-22（b）为美国固态能源联盟设计的平板电堆交叉流设计方案，其结构主要由连接体、单电池、单电池框架、密封件四个部分组成。它的核心部件也是单电池片，单电池外套有框架。连接体的上侧是空气流道，下侧是燃料的流道。两者相互垂直。交叉流指的是燃料的流动方向和空气的流动方向相互交叉。显然的，其工作过程的研究也都将伴随着传热、传质以及导电过程的研究，举例描述如下。

无论是并流、对流还是交叉流流体管理模式的电堆结构设计方案，其共同的特点就是电池单体之间需要相互串联以实现较高的对外输出功率和电压。根据开尔文定律，串联电池之间需满足每一个串联的电池单体都产生相同的电流总量。这就意味着对于一个串联电堆而言，最差一层电池单体的性能将在很大程度上决定电堆的整体性能。而与电池单体性能直接相关的两个最主要因素就是燃料浓度以及工作温度。因此，在电池堆层面上，如何通过工程设计得到均匀的燃料分布及温度分布是从根本上保证电堆整体输出性能的关键因素之一。此外，从电池寿命的角度看，不同部件之间过高的温度差将使电池部件承受过大的热应力压力。因此，不仅在电池层面上，同时在每个单体电池电极表面上，均匀的气流分布和温度分布也至关重要。反应物即是燃料电池化学能的储能体，又对热能的分布起到关键作用，不仅决定了反应热的释放大小和分布，同时也是对流传热这一主要传热模式的主要载体。

类似的，对于太阳能热动力发电形式而言，其能量转化过程是将太阳光转化为热能，并经由热能转化为电能。因此如何提高热效率和电效率是其研究的关键问题之一，而其中热能主要经由流体工质进行传递。因此，其工作过程始终伴随着传热、传质及导电过程的参与，掌握传热、传质及导电耦合的工程仿真分析技术能在该能源利用方式研究中有一定用处。就光伏能源利用方式而言，以染料敏化太阳能电池为例，虽然其核心能量转化原理主要是利用半导体pn结原理将太阳光能转化为电能。但其整个工作过程中，不仅涉及电子电流的传导、还同时涉及碘离子电流的传导，以及电解质溶液的传输过程等传质及导电过程。因此掌握传质及导电的工程仿真技术同样也能在该领域研究中有所贡献。再者，如核能发电，虽然其核心能量转化原理主要是利用原子核聚变和核裂变过程将储存在原子核内部的核能释放为热能。但就其整个发电系统而言，除了核岛部分外（利用反应堆将核能释放为热能），还有很重要的常规岛部分（通过热机将热能释放为电能）。显然的，常规岛部分的研究就可简单概括为传热、传质以及导电过程在核能发电领域的应用研究。类似的，其他绝大部分的新能源利用形式，其工作过程中也不可避免地需要传热、传质以及导电等经典物理过程的参与，这里不再赘述。此处描述的重点是为了说明，掌握传热、传质及导电过程的工程分析能力，基本上在各个不同的新能源技术应用领域都具有较为广阔的应用空间。

综上所述，一种新兴的能源技术，虽然能量转化的核心能量转化基础可能是多种多样的，但就其整个能源应用装置而言，大部分能源利用技术的研究、发展到最终的商业化都将涉及到传热、传质以及导电过程的工程分析设计。由于较大的实物实验具有昂贵、耗时而不能全面细致地探索各种材料参数，结构设计和工作条件影响的缺陷，因此掌握利用已有知识背景对特定的能源应用形式进行传热、传质及导电过程进行工程建模和分析优化的方法，对于加速该新能源应用技术的发展有着重要的作用。本书的后续章节将以COMSOL Multiphysics为例，重点介绍如何使用大型有限元软件针对不同能源应用技术研究过程中遇到的工程问题进行数值建模和分析优化设计的方法，并将侧重点着眼于能源应用研究过程中所涉及的传热、传质以及导电过程的耦合工程仿真过程研究方法。需要特别指出的是，在经典物理的范畴内，大部分工程问题都可抽象为二阶及二阶以下的微分方程形式，因此本书中基于传热、传质及导电的耦合研究方法完全可推广应用于能源应用研究过程中遇到的其他物理化学过程的工程建模分析过程。希望读者通过本书的阅读和理解系统掌握使用有限元工程软件针对能源应用研究过程中遇到的各种工程问题进行数值建模和分析优化设计的技能。