李志远等：质子交换膜燃料电池用膜增湿器仿真分析 7 加，膜中水的浓度梯度减小，水分传递量将会显著 系统的空间限制，需要工程上结合传热传质性能、 降低.本文设定传热系数为定值，即相比膜的导热 成本和空间优化膜面积，结合工程设计提高单位 热阻，对流换热热阻为主导，因此膜两侧的传热量 体积的有效膜面积 不受膜厚的影响.由于膜中水分传递量的降低，干 024 侧出口相对湿度和水分传递率随膜厚度增加而较 1.0 小，如图11所示.因此，在膜增湿器的选型与设计 0.20 0.8 中，在保证膜的机械强度下，要尽可能的使用较薄 0.16 的膜 06 0.12 0.27 0.4 0.940 0.08 0.24 0.846 0.2 0.04 0.21 0.752 0.18 0 0658 0.040.080.120.160.200.2z0 4/m2 0.15 0.564 图132e和c随A变化趋势图 0.12 Fig.13 Variation trends of 2,ou and s with 4 0.470 0.09 0.376 5 总结 0.06 20 40 6080100 120 δ./μm 建立了质子交换膜燃料电池膜增湿器稳态数 图112u和c随dm变化趋势图 学模型，研究了运行和几何参数对膜增湿器性能 Fig.11 Variation trends of and with 的影响.模拟并分析了入口流量、温度和压力以及 膜面积对传热和传质同时具有重要的影响 膜面积和膜厚度对传热量、水分传递量、干侧出 图12为传热量和水分传递量随膜面积变化趋势 口相对湿度和水分传递率的影响.主要结论如下： 图.可以看出，膜面积的增大导致传热量和水分传 (1)膜增湿器作为水热管理系统的关键部件 递量明显增大.虽然传热量的增大导致干侧出口 与燃料电池的工作参数强耦合，如：湿侧和干侧的 温度大幅升高，水蒸气的饱和压力升高，但由图13 干空气质量基本保持不变（除O2消耗）、压力基本 可知，干侧出口相对湿度和水分传递率仍呈现升 相等、湿侧入口为PEMFC阴极出口的饱和增湿流 高态势，但增幅逐渐放缓.说明水分传递量的增加 体等 为主要贡献因素.因此，在一定范围内增加膜面积 (2)膜增湿器湿侧和干侧入口空气质量流量 是能够大幅提高增湿器性能的.传热方面，随着膜 的增加导致膜两侧换热量和水分传递量增加，但 面积增加，传热单元数(NTU增加，但换热效能随 是会降低干侧出口相对湿度和水分传递率 NTU的增加逐渐趋于定值.当膜面积在较大水平 (3)提高湿侧和干侧入口温度一定范围内有 增加时，传热和传质增强不再明显，就整个燃料电 利于增强传质，过高的干侧温度会降低水活度梯 池系统和成本控制而言，同时由于车载燃料电池 度，导致膜两侧水分传递量下降. (4)膜增湿器压力的变化对传热的影响很小， 0.56 但压力增加会显著降低湿空气含湿量，导致水分 480 0.48 传递量的降低和水分传递率的增加 400 0.40 (5)降低膜厚度，提高膜面积可以显著的提高 320 0.329 膜增湿器的传热传质性能，但需要综合考虑强度、 240 成本和车辆的空间利用率 160 0.16 参考文献 0.08 [1] Zhang T,Wang P Q,Chen H C,et al.A review of automotive 04 0 0.040.080.120.160200.24 proton exchange membrane fuel cell degradation under start-stop 4m2 operating condition.App/Energy,2018,223:249 图12q和mmm随A变化趋势图 [2] Chen H C,Zhao X,Zhang T,et al.The reactant starvation of the Fig.12 Variation trends of g and mymem with A proton exchange membrane fuel cells for vehicular applications:A加，膜中水的浓度梯度减小，水分传递量将会显著 降低. 本文设定传热系数为定值，即相比膜的导热 热阻，对流换热热阻为主导，因此膜两侧的传热量 不受膜厚的影响. 由于膜中水分传递量的降低，干 侧出口相对湿度和水分传递率随膜厚度增加而较 小，如图 11 所示. 因此，在膜增湿器的选型与设计 中，在保证膜的机械强度下，要尽可能的使用较薄 的膜. 20 40 60 80 100 120 0.376 0.470 0.564 0.658 0.752 0.846 0.940 φ2,out ε 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21 0.24 0.27 δm/μm φ2,out ε 图 11    φ2,out 和 ε 随 δm 变化趋势图 Fig.11    Variation trends of φ2,out and ε with δm 膜面积对传热和传质同时具有重要的影响. 图 12 为传热量和水分传递量随膜面积变化趋势 图. 可以看出，膜面积的增大导致传热量和水分传 递量明显增大. 虽然传热量的增大导致干侧出口 温度大幅升高，水蒸气的饱和压力升高，但由图 13 可知，干侧出口相对湿度和水分传递率仍呈现升 高态势，但增幅逐渐放缓. 说明水分传递量的增加 为主要贡献因素. 因此，在一定范围内增加膜面积 是能够大幅提高增湿器性能的. 传热方面，随着膜 面积增加，传热单元数 (NTU) 增加，但换热效能随 NTU 的增加逐渐趋于定值. 当膜面积在较大水平 增加时，传热和传质增强不再明显，就整个燃料电 池系统和成本控制而言，同时由于车载燃料电池 系统的空间限制，需要工程上结合传热传质性能、 成本和空间优化膜面积，结合工程设计提高单位 体积的有效膜面积. 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 φ2,out ε 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 A/m2 φ2,out ε 图 13    φ2,out 和 ε 随 A 变化趋势图 Fig.13    Variation trends of φ2,out and ε with A 5    总结 建立了质子交换膜燃料电池膜增湿器稳态数 学模型，研究了运行和几何参数对膜增湿器性能 的影响. 模拟并分析了入口流量、温度和压力以及 膜面积和膜厚度对传热量、水分传递量、干侧出 口相对湿度和水分传递率的影响. 主要结论如下： （1）膜增湿器作为水热管理系统的关键部件， 与燃料电池的工作参数强耦合，如：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. （2）膜增湿器湿侧和干侧入口空气质量流量 的增加导致膜两侧换热量和水分传递量增加，但 是会降低干侧出口相对湿度和水分传递率. （3）提高湿侧和干侧入口温度一定范围内有 利于增强传质，过高的干侧温度会降低水活度梯 度，导致膜两侧水分传递量下降. （4）膜增湿器压力的变化对传热的影响很小， 但压力增加会显著降低湿空气含湿量，导致水分 传递量的降低和水分传递率的增加. （5）降低膜厚度，提高膜面积可以显著的提高 膜增湿器的传热传质性能，但需要综合考虑强度、 成本和车辆的空间利用率. 参    考    文    献 Zhang  T,  Wang  P  Q,  Chen  H  C,  et  al.  A  review  of  automotive proton  exchange  membrane  fuel  cell  degradation  under  start-stop operating condition. Appl Energy, 2018, 223: 249 [1] Chen H C, Zhao X, Zhang T, et al. The reactant starvation of the proton exchange membrane fuel cells for vehicular applications: A [2] 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0 80 160 240 320 400 480 q mv,mem A/m2 0 0.08 0.16 0.24 0.32 0.40 0.48 0.56 q/J mv,mem/(g·s−1 ) 图 12    q 和 mv,mem 随 A 变化趋势图 Fig.12    Variation trends of q and mv,mem with A 李志远等： 质子交换膜燃料电池用膜增湿器仿真分析 · 7 ·