工程科学学报，第44卷，第X期 of the membrane,which is not conducive for water transfer.The change in pressure has little effect on heat transfer;however,an increase in the total pressure reduces the inlet moisture content and water transfer capacity while increasing the water transfer rate.A larger membrane area and a lower membrane thickness can improve the film moisture transfer and water transfer rates,which can effectively improve the membrane humidifier and fuel cell system hydrothermal management performance KEY WORDS proton exchange membrane fuel cell;membrane humidifier;mathematical model;relative humidity:water transfer rate 质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有效率高、 立了膜增湿器分布式参数模型，并进一步分析了 响应速度快和绿色无污染等优点，被广泛应用于 三种阳极增湿方式对PEMFC系统水热管理的影 新能源汽车、分布式能源电站和电子通信等领 响.Afshari和Baharlou四建立了膜增湿器的解析 域-)PEMFC阴极由电化学反应产生的液态水会 模型，分析了膜厚、膜面积和流道水力直径等尺寸 堵塞气体扩散层中的孔隙，导致“水淹”现象的发 参数对增湿器性能的影响.结果表明，低膜厚和大 生.液态水还将覆盖催化剂层中的活性位点，导致 膜面积可以提高增湿器性能.但是，大面积增湿板 反应物的输运受阻.此外，质子交换膜的导电性是 的使用在提高增湿器性能的同时，也会导致成本 其含水量的强函数阿，膜脱水将会导致严重的欧 和尺寸增加2)，还可能导致污染物的聚集P4实验 姆极化.水管理是PEMFC系统的关键问题？-1o 方面：Cahalan等建立了PEMFC膜增湿器试验 其中膜增湿器作为水管理子系统关键部件，可以 台，并进行了不同雷诺数下的模拟.Hwang等2 直接利用燃料电池系统的热/湿尾气实现入口反应 研究了不同流量和湿度条件下的增湿器性能，研 气体增湿.在膜增湿器中，湿热空气（或液态水）和 究表明，增加流量可以线性地增加其压降，提高湿 干空气分别流经膜两侧的流道，水和热量在浓 侧入口露点温度会降低加湿性能.Chen等27发现 度差和温差的驱动下从湿侧传递到干侧.在现代 膜增湿器通道的深度和宽度都需精确考虑，以最 车用燃料电池系统中，通常采用电堆阴极尾气的 大限度地减少压力损失和增加传热传质 湿热空气对电堆入口的干空气进行增热增湿，使 文献调研表明，现有的膜增湿器研究大多集 得膜增湿器与燃料电池工况强耦合.并且，膜增湿 中于增湿器部件级别的分析讨论，干侧和湿侧的 器对PEMFC系统的紧凑优化设计运行具有重要 流体热力状态往往是独立的，燃料电池电堆与膜 作用-) 增湿器整体的耦合研究较为缺乏.现代的车用燃 Chang等l就PEMFC的加湿方法及相关研 料电池系统通常采用阴极出口气体，通过膜增湿 究进行了综述，并介绍了各种加湿方法的工作原 器对电堆入口空气进行增热增湿.燃料电池与膜 理与优缺点.其中，膜加湿器由于结构简单、重量 增湿器的强耦合，引入约束包括：湿侧和干侧的干 轻、运行范围广等优点，成为汽车用PEMFC系统 空气质量基本保持不变（除O2消耗）、压力基本相 加湿器的首选方法.Lao等通过对PEMEC加湿 等、湿侧入口为PEMFC阴极出口的饱和增湿流体 系统的测试，确定了影响加湿性能的主要因素为 等.同时，相对于部件级分析，本工作拟在系统级 工作压力、温度和流量.数学模型方面：Yu等 层次，较为全面和系统地研究膜增湿器湿侧和干 建立了膜增湿器传热传质模型，研究表明，膜传热 侧的入口质量流量、温度、压力以及膜厚度和面 可以增强传质.Park和Oh使用一维解析模型 积对膜增湿器性能的影响，可以为膜增湿器关键 研究了气体流量对膜增湿器相对湿度的影响，结 参数的设计选型提供参考依据 果与实验数据吻合较好.Hashemi-Valikboni等ls 1 数学建模 基于FLUENT建立了膜增湿器三维数值模型，考 察了阶梯、正弦和锯齿三种不同的通道类型对增 本文所研究的膜增湿器模型由湿侧流道、干 湿器的影响，结果表明，阶梯形结构的增湿效果最 侧流道和膜组成，如图1所示.进入膜增湿器湿侧 好.常国峰等建立仿真模型，从压力、湿度及膜 的气体为来自燃料电池阴极出口的热湿空气，进 两侧流动方向三个方面对膜增湿器性能进行研 入膜增湿器干侧的气体为干空气.水和热量通过 究，得出湿侧压力和湿度增加以及逆流布置有利 膜从湿侧传递到干侧，对干空气进行加热增湿，进 于提高水蒸气渗透量.陈武斌等2进行了计算流 入电堆阴极入口.氧气在电堆内部参与电化学反 体力学仿真，得出膜增湿器结构参数对流动均匀 应，消耗氧气生成水，阴极出口气体流入膜增湿器 性有重要影响.包成等四基于传热/传质比拟，建 形成闭环of the membrane, which is not conducive for water transfer. The change in pressure has little effect on heat transfer; however, an increase in  the  total  pressure  reduces  the  inlet  moisture  content  and  water  transfer  capacity  while  increasing  the  water  transfer  rate.  A  larger membrane area and a lower membrane thickness can improve the film moisture transfer and water transfer rates, which can effectively improve the membrane humidifier and fuel cell system hydrothermal management performance. KEY WORDS    proton exchange membrane fuel cell；membrane humidifier；mathematical model；relative humidity；water transfer rate 质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 具有效率高、 响应速度快和绿色无污染等优点，被广泛应用于 新能源汽车、分布式能源电站和电子通信等领 域[1–5] . PEMFC 阴极由电化学反应产生的液态水会 堵塞气体扩散层中的孔隙，导致“水淹”现象的发 生. 液态水还将覆盖催化剂层中的活性位点，导致 反应物的输运受阻. 此外，质子交换膜的导电性是 其含水量的强函数[6] ，膜脱水将会导致严重的欧 姆极化. 水管理是 PEMFC 系统的关键问题[7– 10] . 其中膜增湿器作为水管理子系统关键部件，可以 直接利用燃料电池系统的热/湿尾气实现入口反应 气体增湿. 在膜增湿器中，湿热空气（或液态水）和 干空气分别流经膜两侧的流道，水和热量在浓 度差和温差的驱动下从湿侧传递到干侧. 在现代 车用燃料电池系统中，通常采用电堆阴极尾气的 湿热空气对电堆入口的干空气进行增热增湿，使 得膜增湿器与燃料电池工况强耦合. 并且，膜增湿 器对 PEMFC 系统的紧凑优化设计运行具有重要 作用[11–13] . Chang 等[14] 就 PEMFC 的加湿方法及相关研 究进行了综述，并介绍了各种加湿方法的工作原 理与优缺点. 其中，膜加湿器由于结构简单、重量 轻、运行范围广等优点，成为汽车用 PEMFC 系统 加湿器的首选方法. Lao 等[15] 通过对 PEMEC 加湿 系统的测试，确定了影响加湿性能的主要因素为 工作压力、温度和流量. 数学模型方面：Yu 等[16] 建立了膜增湿器传热传质模型，研究表明，膜传热 可以增强传质. Park 和 Oh [17] 使用一维解析模型 研究了气体流量对膜增湿器相对湿度的影响，结 果与实验数据吻合较好. Hashemi-Valikboni 等[18] 基于 FLUENT 建立了膜增湿器三维数值模型，考 察了阶梯、正弦和锯齿三种不同的通道类型对增 湿器的影响，结果表明，阶梯形结构的增湿效果最 好. 常国峰等[19] 建立仿真模型，从压力、湿度及膜 两侧流动方向三个方面对膜增湿器性能进行研 究，得出湿侧压力和湿度增加以及逆流布置有利 于提高水蒸气渗透量. 陈武斌等[20] 进行了计算流 体力学仿真，得出膜增湿器结构参数对流动均匀 性有重要影响. 包成等[21] 基于传热/传质比拟，建 立了膜增湿器分布式参数模型，并进一步分析了 三种阳极增湿方式对 PEMFC 系统水热管理的影 响. Afshari 和 Baharlou [22] 建立了膜增湿器的解析 模型，分析了膜厚、膜面积和流道水力直径等尺寸 参数对增湿器性能的影响. 结果表明，低膜厚和大 膜面积可以提高增湿器性能. 但是，大面积增湿板 的使用在提高增湿器性能的同时，也会导致成本 和尺寸增加[23] ，还可能导致污染物的聚集[24] . 实验 方面：Cahalan 等[25] 建立了 PEMFC 膜增湿器试验 台，并进行了不同雷诺数下的模拟. Hwang 等[26] 研究了不同流量和湿度条件下的增湿器性能，研 究表明，增加流量可以线性地增加其压降，提高湿 侧入口露点温度会降低加湿性能. Chen 等[27] 发现 膜增湿器通道的深度和宽度都需精确考虑，以最 大限度地减少压力损失和增加传热传质. 文献调研表明，现有的膜增湿器研究大多集 中于增湿器部件级别的分析讨论，干侧和湿侧的 流体热力状态往往是独立的，燃料电池电堆与膜 增湿器整体的耦合研究较为缺乏. 现代的车用燃 料电池系统通常采用阴极出口气体，通过膜增湿 器对电堆入口空气进行增热增湿. 燃料电池与膜 增湿器的强耦合，引入约束包括：湿侧和干侧的干 空气质量基本保持不变（除 O2 消耗）、压力基本相 等、湿侧入口为 PEMFC 阴极出口的饱和增湿流体 等. 同时，相对于部件级分析，本工作拟在系统级 层次，较为全面和系统地研究膜增湿器湿侧和干 侧的入口质量流量、温度、压力以及膜厚度和面 积对膜增湿器性能的影响，可以为膜增湿器关键 参数的设计选型提供参考依据. 1    数学建模 本文所研究的膜增湿器模型由湿侧流道、干 侧流道和膜组成，如图 1 所示. 进入膜增湿器湿侧 的气体为来自燃料电池阴极出口的热湿空气，进 入膜增湿器干侧的气体为干空气. 水和热量通过 膜从湿侧传递到干侧，对干空气进行加热增湿，进 入电堆阴极入口. 氧气在电堆内部参与电化学反 应，消耗氧气生成水，阴极出口气体流入膜增湿器 形成闭环. · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期