李志远等：质子交换膜燃料电池用膜增湿器仿真分析 5 压将随着入口空气质量流量的增加而降低，相对 湿度随入口温度的增加近似线性降低，这是水蒸 湿度降低.由于第二个方面为主导因素，p2.o随 气分压力的饱和压力同时提高的结果.水分传递 m2,血，n增加而降低.对于水分传递率，随着m2an 率的变化趋势如同水分传递量，由式(18)，湿侧和 的增加，水蒸气与干空气的质量比降低，即含湿量 干侧入口含湿量不变，干侧出口含湿量随水分传 降低，在湿侧入口含湿量保持不变的情况下，水分 递量的变化而变化，故水分传递率呈现先升高后 传递率呈现下降趋势 降低的趋势. 4.2入口温度对增湿器性能的影响 0.185 令湿侧温度为353K并保持其他参数不变，使 0.70 0.180 千侧入口温度从293K增加至329K.图4所示为 0.65 0.175 膜两侧传热量(q)和水分传递量(v,mem)随干侧入 0.60 口温度(T2,m)变化趋势图.在膜传热面积和传热系 0.55 0.170 数不变的情况下，由于湿侧温度保持不变，干侧入 是0s0 0.165 口温度线性增加，导致膜两侧温差线性降低，传热 0.45 0.160 量线性下降.水分传递量随千侧入口温度的增加 0.40 0.155 先增加后降低，研究范围内存在极大值.由文中 0.35 0.150 290295300305310315320325330 式(8)~(10)可知，水传递量受扩散系数和两侧浓 T/K 度差的影响，两者均受到温度和水含量的非线性 图5p2ou和e随T2n变化趋势图 影响.一方面：干侧温度的提高，有利于提高膜平 Fig.5 Variation trends of ou and e with T2in 均温度，进而水的扩散系数D和水的扩散能力提 图6为传热量和水分传递量随湿侧入口温度 高；另一方面：干侧入口温度的提高，使得干侧和 湿侧出口温度提高，相应的饱和蒸气压提高，同等 (T1,)变化趋势图.令干侧入口温度为293K并保 持其他参数不变，使湿侧入口温度从323K增加 气体含湿量()或水蒸气分压的情况下，意味着水 至353K.由图可知，膜两侧传热量和水分传递量 活度和膜中水含量（水活度的函数，如式(11）)下 均随湿侧入口温度的增加而增加，当干侧入口温 降，两方面的综合影响导致水传递出现非线性的 度保持不变时，膜两侧温差不断增加，传热量增 趋势：较低温度时，温度提升对扩散系数提升占主 导：一定温度下，温度升高引起的饱和蒸气压上 加.随着温度的增加，mv,mem持续升高.首先，持续 升高受限于当前湿侧温度研究范围(323~353K), 升、水活度及水含量降低占主导.在本文的参数 此范围为燃料电池典型的工作温度区间.其次，在 下，计算得到约317K时达到极值.因此，在膜增 湿器的运行参数优化时应当考虑干侧入口温度对 此区间内，mv,mem主要受水的扩散系数Dw提升以 其性能双重的影响 及入口含湿量的增加影响，相对来说，温度上升 (饱和蒸气压上升)导致水活度和膜中水含量的降 0.43 低对水分传输的影响程度较弱.在综合影响下， 350 0.42 m,mem呈现单调递增的结果 0.41 300 360 0.36 0.39 340 0.34 0.38 320 0.32 200 300 280 0.30元 150 0.36 云260 0.289 0.35 240 10902953003053103532032530 0.34 220 0.24 T2/K 200 0.22 180 0.20 图4q和m,mcm随了2n变化趋势图 160 0.18 Fig.4 Variation trends of g and my.mem with T2.in 320325330335340345350355 Ti/K 干侧出口相对湿度(p2ou)和水分传递率(e) 困6g和m,mm随Ta变化趋势图 随T2,n变化如图5所示.可以看出，干侧出口相对 Fig.6 Variation trends of g and mwith T压将随着入口空气质量流量的增加而降低，相对 湿度降低. 由于第二个方面为主导因素，φ2,out 随 m2,air,in 增加而降低. 对于水分传递率，随着 m2,air,in 的增加，水蒸气与干空气的质量比降低，即含湿量 降低，在湿侧入口含湿量保持不变的情况下，水分 传递率呈现下降趋势. 4.2    入口温度对增湿器性能的影响 令湿侧温度为 353 K 并保持其他参数不变，使 干侧入口温度从 293 K 增加至 329 K. 图 4 所示为 膜两侧传热量 (q) 和水分传递量 (mv,mem) 随干侧入 口温度 (T2,in) 变化趋势图. 在膜传热面积和传热系 数不变的情况下，由于湿侧温度保持不变，干侧入 口温度线性增加，导致膜两侧温差线性降低，传热 量线性下降. 水分传递量随干侧入口温度的增加 先增加后降低，研究范围内存在极大值. 由文中 式 (8)～(10) 可知，水传递量受扩散系数和两侧浓 度差的影响，两者均受到温度和水含量的非线性 影响. 一方面：干侧温度的提高，有利于提高膜平 均温度，进而水的扩散系数 Dw 和水的扩散能力提 高；另一方面：干侧入口温度的提高，使得干侧和 湿侧出口温度提高，相应的饱和蒸气压提高，同等 气体含湿量 (d) 或水蒸气分压的情况下，意味着水 活度和膜中水含量（水活度的函数，如式 (11)）下 降. 两方面的综合影响导致水传递出现非线性的 趋势：较低温度时，温度提升对扩散系数提升占主 导；一定温度下，温度升高引起的饱和蒸气压上 升、水活度及水含量降低占主导. 在本文的参数 下，计算得到约 317 K 时达到极值. 因此，在膜增 湿器的运行参数优化时应当考虑干侧入口温度对 其性能双重的影响. 290 295 300 305 310 315 320 325 330 100 150 200 250 300 350 q mv,mem T2,in/K q/J 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.40 0.41 0.42 0.43 mv,mem/(g·s−1 ) 图 4    q 和 mv,mem 随 T2,in 变化趋势图 Fig.4    Variation trends of q and mv,mem with T2,in 干侧出口相对湿度 (φ2,out) 和水分传递率 (ε) 随 T2,in 变化如图 5 所示. 可以看出，干侧出口相对 湿度随入口温度的增加近似线性降低，这是水蒸 气分压力的饱和压力同时提高的结果. 水分传递 率的变化趋势如同水分传递量，由式 (18)，湿侧和 干侧入口含湿量不变，干侧出口含湿量随水分传 递量的变化而变化，故水分传递率呈现先升高后 降低的趋势. 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 φ2,out ε φ2,out 0.150 0.155 0.160 0.165 0.170 0.175 0.180 0.185 ε 290 295 300 305 310 315 320 325 330 T2,in/K 图 5    φ2,out 和 ε 随 T2,in 变化趋势图 Fig.5    Variation trends of φ2,out and ε with T2,in 图 6 为传热量和水分传递量随湿侧入口温度 (T1,in) 变化趋势图. 令干侧入口温度为 293 K 并保 持其他参数不变，使湿侧入口温度从 323 K 增加 至 353 K. 由图可知，膜两侧传热量和水分传递量 均随湿侧入口温度的增加而增加，当干侧入口温 度保持不变时，膜两侧温差不断增加，传热量增 加. 随着温度的增加，mv,mem 持续升高. 首先，持续 升高受限于当前湿侧温度研究范围（323～353 K）， 此范围为燃料电池典型的工作温度区间. 其次，在 此区间内，mv,mem 主要受水的扩散系数 Dw 提升以 及入口含湿量的增加影响，相对来说，温度上升 （饱和蒸气压上升）导致水活度和膜中水含量的降 低对水分传输的影响程度较弱. 在综合影响下， mv,mem 呈现单调递增的结果. 320 325 330 335 340 345 350 355 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 q mv,mem 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 q/J mv,mem/(g·s−1 ) T1,in/K 图 6    q 和 mv,mem 随 T1,in 变化趋势图 Fig.6    Variation trends of q and mv,mem with T1,in 李志远等： 质子交换膜燃料电池用膜增湿器仿真分析 · 5 ·