工程科学学报，第44卷，第X期 力的体现，由下式计算： 增加至0.089kgs.考虑到燃料电池系统循环中 d2.out-d2.in 干空气被膜增湿器加湿以及氧气在电堆阴极消 8= (18) di.in-d2in 耗，且阴极出口水为饱和，湿侧质量流量将从 式中：d为含湿量，kgkg千空气，即每千克干空气 0.029kgs增加至0.096kgs.图2为膜两侧传热 中所含的水蒸气质量，由下式表示： 量(q)和水分传递量(m,mem)随湿侧和干侧入口空 d=0.622 (19) 气质量流量(m2,m)变化趋势图.随着入口空气流 P-P 量的增大，传热量和水分传递量单调增加，但不同 式中：P为气体总压力，Pa 工况下变化速率不同.空气流量在0.027kgs至 3数值求解 0.07kgs范围内，膜增湿器出口传热温差增加显 著，导致传热量快速增加.而当人口质量流量大 在Matlab/Simulink中相应的分立元件构建图 于0.07kgs时，膜增湿器干湿两侧对数平均温差 形化数学模型，结合Algebraic Constraint模块实现 增幅变缓，相应地传热量也趋于定值.水分传递量 算法迭代，采用龙格库塔方法求解非线性方程组 和空气质量流量之间也呈现出类似的变化趋势 表1所示为数值求解的基本工况参数 0.46 540 表1工况参数 0.45 Table 1 Operating parameters 520 0.44 Parameters Values 500 Inlet temperature of wet channel,T/K 353 480 Inlet temperature of dry channel.T2/K 293 0.42 460 Gauge pressure of wet channel,P1./MPa 0.2 一9 ◆y 0.41 Gauge pressure of dry channel,P2/MPa 0.2 440 0.40 Mass ratio of wet channel,w(O2):w(H2O):w(N2) 0.2:0.16:0.64 0.020.030.040.050.060.070.080.090.1 Mass ratio of dry channel.w(Oz):w(N2) mzair,/(kg-s) 0.233:0.767 Inlet mass flow rate of wet channel,m(kg's) 0.0412 图2q和mmm随m2,,n变化趋势图 Fig2 Variation trends of g and withm Inlet mass flow rate of dry channel,m(kg's) 0.0382 Membrane thickness./m 5×105 图3为干侧出口相对湿度(p2.o)和水分传递 Membrane area,A/m2 0.1 率(e)随m2,a,n变化趋势图.一方面，由于燃料电 Heat transfer coefficient,/(W.m2K-) 100 池阴极出口温度（即增湿器湿侧入口温度）恒定 Dry density of membrane,(kg'm) 2000 (353K),入口空气质量流量的增加，导致干侧出口 Equivalent mass of membrane,Mmdr/(kg'mol-) 1.1 温度降低，水蒸气的饱和压力降低，相对湿度增 加.另一方面，由于水分传递量随着入口空气质量 4 结果与讨论 流量的增加逐渐趋于定值，干侧空气的水蒸气分 4.1空气流量对增湿器性能的影响 0.09 如图1所示，干空气经过膜增湿器加热增湿后 0.35 0.08 进入燃料电池，在阴极出口通常达到饱和状态，进 0.30 0.07 入膜增湿器的湿侧.整个流程中，干空气流量基本 0.25 0.06 保持不变（除燃料电池中的氧气消耗），即在燃料 电池系统用膜增湿器的两侧流体是相互耦合的. 0.20 0.05 假定PEMFC系统电堆设计功率为30kW,设 0.04 0.15 定工作电压0.7V,过量空气系数2.5，工作压力 0.03 0.2MPa时，工作温度353.15K,阴极人口空气量约 0.10 0.030.040.050.060.070.080.090.10 为900Lmin,折合质量流量约为0.0382kgs.保 mzairn/(kg's） 持其他参数不变，当PEMFC工作电压范围为0.3~ 图392om和c随m2m,m变化趋势图 1.0V时，令膜增湿器干侧质量流量从0.027kgs Fig.3 Variation trends ofandwithm力的体现，由下式计算： ε = d2,out −d2,in d1,in −d2,in （18） 式中：d 为含湿量，kg·kg−1 干空气，即每千克干空气 中所含的水蒸气质量，由下式表示： d = 0.622 Pv P− Pv （19） 式中：P 为气体总压力，Pa. 3    数值求解 在 Matlab/Simulink 中相应的分立元件构建图 形化数学模型，结合 Algebraic Constraint 模块实现 算法迭代，采用龙格库塔方法求解非线性方程组. 表 1 所示为数值求解的基本工况参数. 表 1 工况参数 Table 1   Operating parameters Parameters Values Inlet temperature of wet channel，T1,in/K 353 Inlet temperature of dry channel，T2,in/K 293 Gauge pressure of wet channel，P1,in/MPa 0.2 Gauge pressure of dry channel，P2,in/MPa 0.2 Mass ratio of wet channel，w(O2 ):w(H2O):w(N2 ) 0.2:0.16:0.64 Mass ratio of dry channel，w(O2 ):w(N2 ) 0.233:0.767 Inlet mass flow rate of wet channel，m1,in/(kg·s–1) 0.0412 Inlet mass flow rate of dry channel，m2,in/ (kg·s–1) 0.0382 Membrane thickness，δm/m 5 × 10−5 Membrane area，A/m2 0.1 Heat transfer coefficient，k/ (W· m–2·K–1) 100 Dry density of membrane，ρm,dry/ (kg·m–3) 2000 Equivalent mass of membrane，Mm,dry/ (kg·mol–1) 1.1 4    结果与讨论 4.1    空气流量对增湿器性能的影响 如图 1 所示，干空气经过膜增湿器加热增湿后 进入燃料电池，在阴极出口通常达到饱和状态，进 入膜增湿器的湿侧. 整个流程中，干空气流量基本 保持不变（除燃料电池中的氧气消耗），即在燃料 电池系统用膜增湿器的两侧流体是相互耦合的. 假定 PEMFC 系统电堆设计功率为 30 kW，设 定工作电压 0.7 V，过量空气系数 2.5，工作压力 0.2 MPa 时，工作温度 353.15 K，阴极入口空气量约 为 900 L·min−1，折合质量流量约为 0.0382 kg·s−1 . 保 持其他参数不变，当 PEMFC 工作电压范围为 0.3～ 1.0 V 时，令膜增湿器干侧质量流量从 0.027 kg·s−1 增加至 0.089 kg·s−1 . 考虑到燃料电池系统循环中 干空气被膜增湿器加湿以及氧气在电堆阴极消 耗 ，且阴极出口水为饱和 ，湿侧质量流量将 从 0.029 kg·s−1 增加至 0.096 kg·s−1 . 图 2 为膜两侧传热 量 (q) 和水分传递量 (mv,mem) 随湿侧和干侧入口空 气质量流量 (m2,air,in) 变化趋势图. 随着入口空气流 量的增大，传热量和水分传递量单调增加，但不同 工况下变化速率不同. 空气流量在 0.027 kg·s−1 至 0.07 kg·s−1 范围内，膜增湿器出口传热温差增加显 著，导致传热量快速增加. 而当入口质量流量大 于 0.07 kg·s−1 时，膜增湿器干湿两侧对数平均温差 增幅变缓，相应地传热量也趋于定值. 水分传递量 和空气质量流量之间也呈现出类似的变化趋势. 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 440 460 480 500 520 540 q mv,mem m2,air,in/(kg·s−1) q/J 0.40 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 mv,mem/(g·s−1 ) 图 2    q 和 mv,mem 随 m2,air,in 变化趋势图 Fig.2    Variation trends of q and mv,mem with m1,air,in 图 3 为干侧出口相对湿度 (φ2,out) 和水分传递 率 (ε) 随 m2,air,in 变化趋势图. 一方面，由于燃料电 池阴极出口温度 (即增湿器湿侧入口温度) 恒定 (353 K)，入口空气质量流量的增加，导致干侧出口 温度降低，水蒸气的饱和压力降低，相对湿度增 加. 另一方面，由于水分传递量随着入口空气质量 流量的增加逐渐趋于定值，干侧空气的水蒸气分 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 φ2,out ε m2,air,in/(kg·s−1) φ2,out 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 ε 图 3    φ2,out 和 ε 随 m2,air,in 变化趋势图 Fig.3    Variation trends of φ2,out and ε with m2,air,in · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期