工程科学学报，第44卷，第X期 图7为干侧出口相对湿度和水分传递率随湿 分传递量降低 侧入口温度变化趋势图.由图可知，水分传递率随 图9为干侧出口相对湿度和水分传递率随入 着T,n的升高而增加，虽然温度增加在使水分传 口压力变化趋势图.由图可知，干侧出口相对湿度 递量增加的同时，也使最大可传递水量增加，但水 随入口压力的增大而增大.一方面，是由于温度不 分传递量的增加占主导地位，综合影响下，水分传 变，水蒸气饱和压力不变，而总压力增大，水蒸气 递率呈增加趋势.而干侧出口相对湿度随温度的 分压力增大；另一方面，水分传递量的降低将导致 增加而降低，则主要受干侧水蒸气饱和压力升高 水蒸气分压力的降低.由式(13)可知，水蒸气分压 的影响 力和相对湿度正相关，因此，可推断，当增湿器压 0.16 力增大时，导致干侧出口相对湿度变化的主导因 0.90 2 0.15 素为方面一，对于水分传递率，虽然膜两侧水分传 -8 0.85 0.14 递量有所降低，但同时，由于入口压力的增加，湿 0.13 侧入口含湿量降低，由式(18)得，水分传递率增 0.80 0.12 加.因此，入口压力的变化将对增湿器的传质产生 0.75 0.11 重要影响，要根据燃料电池的设计压力进行合理 0.10 的增湿器选型或参数匹配 0.70 0.09 1.0 0.22 0.6 0.08 320325330335340345350355 0.9 0.20 TLK 0.18 0.8 图72u和c随了，m变化趋势图 0.16 Fig.7 Variation trends of and with T 0.14 4.3入口压力对增湿器性能的影响 0.6 0.12 由式(19)可知，压力是影响含湿量的重要因 0.5 -2p 0.10 素.考虑如图1所示的增湿器与燃料电池的耦合， 0.4 0.08 忽略燃料电池和膜增湿器的压降，湿侧和干侧压 0.06 03 08 0.12 0.16 0.20 0.240.28 0.32 力可近似看作相同.保持入口温度和湿度等参数 P/MPa 不变，在PEMFC工作压力范围(0.1~0.3MPa)内 图9P2ot和ε随P变化趋势图 研究入口压力对膜增湿器的影响.图8是膜两侧 Fig Variation trends ofandwith P 传热量(q)和水分传递量(mv,mem)随入口压力(P) 4.4膜几何参数对增湿器性能的影响 变化趋势图，由图可知，膜两侧传热量几乎不受膜 膜几何参数主要包括膜厚度和膜面积.保持 增湿器入口压力影响，而水分传递量则随入口压 膜面积、温度、压力等参数不变，根据Nafion常见 力的增加而降低.这主要是因为压力的增加使 膜厚度，在10~125um范围内，通过改变膜厚度来 PEMFC阴极出口湿空气的含水量降低，即增湿器 研究其对增湿器性能的影响.图10展示了传热量 湿侧入口含湿量降低，湿侧膜水浓度降低，导致水 和水分传递量随膜厚度变化趋势.随着膜厚的增 370 0.44 370 ■0 0.48 360 0.42 360 0.42 350 0.40 350 038 0.36 340 ■一■ ■■ 0.36 8340 /04 330 0.30 330 320 0.32 320 0.24 310 0.30 310 0.18 0.080.120.160.200.240.28 082 20 40 60 80 100 120 P/MPa d./μm 图8q和mvnm随P变化趋势图 图10q和mmem随dm变化趋势图 Fig.8 Variation trends ofg andm with P Fig.10 Variation trends of g and my.mm with m图 7 为干侧出口相对湿度和水分传递率随湿 侧入口温度变化趋势图. 由图可知，水分传递率随 着 T1,in 的升高而增加，虽然温度增加在使水分传 递量增加的同时，也使最大可传递水量增加，但水 分传递量的增加占主导地位，综合影响下，水分传 递率呈增加趋势. 而干侧出口相对湿度随温度的 增加而降低，则主要受干侧水蒸气饱和压力升高 的影响. φ2,out ε 320 325 330 335 340 345 350 355 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 φ2,out ε T1,in/K 图 7    φ2,out 和 ε 随 T1,in 变化趋势图 Fig.7    Variation trends of φ2,out and ε with T1,in 4.3    入口压力对增湿器性能的影响 由式 (19) 可知，压力是影响含湿量的重要因 素. 考虑如图 1 所示的增湿器与燃料电池的耦合， 忽略燃料电池和膜增湿器的压降，湿侧和干侧压 力可近似看作相同. 保持入口温度和湿度等参数 不变，在 PEMFC 工作压力范围 (0.1～0.3 MPa) 内 研究入口压力对膜增湿器的影响. 图 8 是膜两侧 传热量 (q) 和水分传递量 (mv,mem) 随入口压力 (P) 变化趋势图，由图可知，膜两侧传热量几乎不受膜 增湿器入口压力影响，而水分传递量则随入口压 力的增加而降低. 这主要是因为压力的增加使 PEMFC 阴极出口湿空气的含水量降低，即增湿器 湿侧入口含湿量降低，湿侧膜水浓度降低，导致水 分传递量降低. 图 9 为干侧出口相对湿度和水分传递率随入 口压力变化趋势图. 由图可知，干侧出口相对湿度 随入口压力的增大而增大. 一方面，是由于温度不 变，水蒸气饱和压力不变，而总压力增大，水蒸气 分压力增大；另一方面，水分传递量的降低将导致 水蒸气分压力的降低. 由式 (13) 可知，水蒸气分压 力和相对湿度正相关，因此，可推断，当增湿器压 力增大时，导致干侧出口相对湿度变化的主导因 素为方面一. 对于水分传递率，虽然膜两侧水分传 递量有所降低，但同时，由于入口压力的增加，湿 侧入口含湿量降低，由式 (18) 得，水分传递率增 加. 因此，入口压力的变化将对增湿器的传质产生 重要影响，要根据燃料电池的设计压力进行合理 的增湿器选型或参数匹配. 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 φ2,out ε 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 φ2,out ε P/MPa 图 9    φ2,out 和 ε 随 P 变化趋势图 Fig.9    Variation trends of φ2,out and ε with P 4.4    膜几何参数对增湿器性能的影响 膜几何参数主要包括膜厚度和膜面积. 保持 膜面积、温度、压力等参数不变，根据 Nafion 常见 膜厚度，在 10～125 μm 范围内，通过改变膜厚度来 研究其对增湿器性能的影响. 图 10 展示了传热量 和水分传递量随膜厚度变化趋势. 随着膜厚的增 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 310 320 330 340 350 360 370 q mv,mem P/MPa 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42 0.44 q/J mv,mem/(g·s−1 ) 图 8    q 和 mv,mem 随 P 变化趋势图 Fig.8    Variation trends of q and mv,mem with P 20 40 60 80 100 120 310 320 330 340 350 360 370 q mv,mem δm/μm 0.18 0.24 0.30 0.36 0.42 0.48 q/J mv,mem/(g·s−1 ) 图 10    q 和 mv,mem 随 δm 变化趋势图 Fig.10    Variation trends of q and mv,mem with δm · 6 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期