流場(chǎng)板二次流對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響

閔春華 李飛 王坤

摘要 電池流道結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能有直接影響，有必要對(duì)電池流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。在質(zhì)子交換膜燃料電池流道內(nèi)放置堵塊可以增強(qiáng)反應(yīng)氣體的傳質(zhì)進(jìn)而增強(qiáng)電池性能，但不同堵塊對(duì)電池性能影響不同。采用數(shù)值模擬的方法，建立了三維、穩(wěn)態(tài)的單直流道質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)?shù)值模型。對(duì)陰極流道內(nèi)放置不同堵塞率堵塊的質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析堵塊產(chǎn)生的二次流對(duì)電池性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)在流道內(nèi)放置堵塊產(chǎn)生的二次流可以增強(qiáng)電池性能，堵塊堵塞率為0.8時(shí)電池凈功率最大。反應(yīng)氣體在流道內(nèi)受到堵塊擾流作用，在堵塊后方產(chǎn)生二次流增強(qiáng)了反應(yīng)氣體傳質(zhì)是電池性能增強(qiáng)的主要原因。

關(guān) 鍵 詞 質(zhì)子交換膜燃料電池；堵塊；二次流；數(shù)值模擬；堵塞率

中圖分類號(hào) TM911.4? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號(hào)：1007-2373（2023）03-0060-09

DOI：10.14081/j.cnki.hgdxb.2023.03.006

Effect of secondary flow in PEMFC flow field plate on cell performance

MIN Chunhua1，2， LI Fei2， WANG Kun1，2

（1. School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；2. Hebei Key Laboratory of Thermal Science and Energy Clean Utilization， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract The channel structure of cell has a direct impact on the performance of cell， so it is necessary to study the channel structure of cell. Place blocks in the channel of proton exchange membrane fuel cell can enhance the mass transfer of reaction gas and enhance the performance of the cell， but different blocks have different effects on the performance of the cell. A three-dimensional， steady-state single channel proton exchange membrane fuel cell model was established by numerical simulation. Proton exchange membrane fuel cell with different blockage ratio blocks in the cathode channel was studied， and the effect of secondary flow generated by the block on the performance of the cell was emphatically analyzed. It is found that the secondary flow generated by block in the channel can enhance the performance of the cell， and the net power of the cell is the maximum when the blockage ratio is 0.8. The reacting gas is disturbed by the block in the channel， and the secondary flow behind the block enhances the mass transfer of the reacting gas is the main reason for the enhanced cell performance.

Key words proton exchange membrane fuel cell; block; secondary flow; numerical simulation; blockage ratio

0 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池可以直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，并且不受卡洛定理的制約[1]，其因啟動(dòng)速度快、工作溫度低、功率密度高、對(duì)環(huán)境友好無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注與研究[2]。質(zhì)子交換膜燃料電池的主要部件包含質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層和雙極板。雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池的重要組成部分，不僅為電池提供支撐，并且承擔(dān)著排水、收集電流、向電池提供反應(yīng)物等功能[3]，其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)直接決定了電池性能的好壞。因此，研究流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)提升電池性能是十分必要的。

近年來(lái)，許多研究者通過(guò)在電池流場(chǎng)內(nèi)增加堵塞物來(lái)提升電池性能。Guo等[4]通過(guò)建立二維質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)?shù)值模型，研究了不同堵塊形狀對(duì)電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)在流道內(nèi)放置矩形堵塊電池性能最佳。Li等[5]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了波浪蛇形流道對(duì)電池性能的影響。結(jié)果表明波浪流場(chǎng)能增強(qiáng)電池性能。Yan等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了波浪多蛇形流道和變波浪多蛇形流道對(duì)電池性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)變波浪結(jié)構(gòu)能使電流密度分布更均勻。Ebrahimzadeh等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了在多蛇形流道內(nèi)增加堵塊對(duì)電池性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)堵塊能增加電池性能但也會(huì)增大流道內(nèi)壓降。Yin等[8]建立三維數(shù)值模型研究了在PEMFC流道內(nèi)放置不同高度和個(gè)數(shù)的流場(chǎng)板對(duì)電池性能的影響。結(jié)果表明高度為0.8 mm、個(gè)數(shù)為5時(shí)電池性能最佳。Yin等[9]還研究了不同角度的流場(chǎng)板對(duì)電池傳質(zhì)性能的影響。結(jié)果表明傾斜角度為45°時(shí)電池性能最佳。Muhittin等[10]研究在單直流道內(nèi)堵塊對(duì)電池性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)堵塊可以有效增強(qiáng)單直流道電池性能。Dong等[11]研究了不同形狀堵塊對(duì)電池性能的影響。結(jié)果表明橢圓形塊比傳統(tǒng)半圓形塊更能增大電池性能。Fan等[12]通過(guò)數(shù)值模擬研究了新型堵塊通道設(shè)計(jì)對(duì)電池性能的影響。結(jié)果表明堵塊傾角為30°、寬0.5 mm、間距6 mm時(shí)電池性能最佳。Shen等[13]利用場(chǎng)協(xié)同原理研究矩形堵塊對(duì)電池性能的影響。結(jié)果表明減小堵塊間距可提高電池性能。Wan等[14]設(shè)計(jì)了一種三維M型流道，通過(guò)追求最小熵產(chǎn)來(lái)優(yōu)化流場(chǎng)，并研究了不同參數(shù)對(duì)熵產(chǎn)的影響。他們發(fā)現(xiàn)M型流道比傳統(tǒng)波浪形流道性能更好。Cai等[15]提出了一種新型仿生堵塊，研究了其對(duì)電池性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)新型仿生堵塊造成的壓降更小。Li等[16]采用遺傳算法對(duì)平行流場(chǎng)電池進(jìn)行了優(yōu)化，并分析了阻塞通道優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)電池性能的影響。結(jié)果表明漸增堵塊更能增強(qiáng)電池性能。陳曦等[17]設(shè)計(jì)了一種新型蜿蜒平行流道，研究了流道參數(shù)對(duì)電池性能的影響。得出蜿蜒流道可以增大反應(yīng)物有效傳質(zhì)面積，增強(qiáng)電池性能。蔡永華等[18]采用三維單直流道質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)?shù)值模型，研究了陰極不同堵塊高度對(duì)電池性能的影響。結(jié)果表明，陰極側(cè)堵塊可增強(qiáng)電池性能。

上述研究人員對(duì)不同電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，均表明在流道內(nèi)增加堵塞物可以增強(qiáng)電池性能。本文相對(duì)之前研究人員的工作，研究了不同堵塞率堵塊在單直流道內(nèi)對(duì)電池性能的影響，重點(diǎn)分析了堵塊在單直流道內(nèi)對(duì)反應(yīng)氣體擾流的影響，從而找出最佳堵塊設(shè)計(jì)，最大程度地提升電池性能。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

本文建立了質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)?shù)值模型，電池模型包括雙極板、氣體流道、氣體擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜，根據(jù)周期性，本文以單個(gè)直流道為典型單元開(kāi)展研究，如圖1所示。為了改善流道反應(yīng)氣體的傳質(zhì)性能，進(jìn)而提高電池性能，在流道中放置了不同堵塞率堵塊，堵塊較小制造困難，所以選擇矩形堵塊。堵塞率為堵塊面積與流道入口面積的比值，使用R來(lái)表示。設(shè)計(jì)了5種不同堵塞率流道工況，堵塞率分別為0、0.4、0.6、0.8、1，其中堵塞率0為空白流道，堵塞率1為交指流道。堵塊垂直布置在流道內(nèi)，流道內(nèi)布置的堵塊個(gè)數(shù)為4個(gè)，堵塊間距為10 mm，均勻布置在流道內(nèi)，如圖2所示。由于氫氣擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于氧氣擴(kuò)散系數(shù)，在陽(yáng)極放置堵塊對(duì)電池性能影響較小[19]，所以僅在陰極流道內(nèi)放置堵塊，研究陰極側(cè)不同堵塞率堵塊對(duì)電池性能的影響。

堵塊堵塞率計(jì)算公式為

[R=Lb×HbWch×Hch]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：[Lb]為堵塊長(zhǎng)度，mm；[Hb]為堵塊高度，mm；[Wch]為流道寬度，mm；[Hch]為流道高度，mm。

1.2 控制方程

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行如下假設(shè)：1）質(zhì)子交換膜燃料電池在穩(wěn)態(tài)和非等溫條件下工作；2）流道內(nèi)氣體流動(dòng)假設(shè)為層流；3）假設(shè)擴(kuò)散層、催化層和膜為各向同性且均勻的多孔介質(zhì)；4）反應(yīng)氣體為理想不可壓縮流體。

本文數(shù)值模型使用的控制方程主要包括質(zhì)量守恒方程，動(dòng)量守恒方程，能量守恒方程，組分傳輸方程，電化學(xué)方程，電荷守恒和水傳輸方程，分別如下所述。

1）質(zhì)量方程：

[? ?（ρu）=Sm]， （2）

式中：[u]代表速度，m·s-1；[ρ]代表各組分密度，kg·m-3；[Sm]為質(zhì)量源項(xiàng)，kg·m-3·s-1。

2）動(dòng)量方程：

[? ??（ρuu）=-? ?p+? ?（μeff? ?u）+Su]， （3）

式中：p代表壓力，Pa；[μeff]代表黏度，kg·m-1·s-1；[Su]代表動(dòng)量源項(xiàng)，N·m-3。

3）能量方程：

[（ρcp）eff（u? ?T）=? ?（keff? ?T）+ST]， （4）

式中：[cp]為定壓比熱容，J·kg-3·K-1；[T]代表溫度，K；[keff]代表有效導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；[ST]代表能量源項(xiàng)，W·m-3。

4）物種輸運(yùn)方程：

[? ?（uερxi）=? ?（ρDi，eff? ?xi）+Si]， （5）

式中：[xi]為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，i代表不同物種，[Si]為物種源項(xiàng)，kg·m-3·s-1。

5）電荷守恒方程：

[? ??（κs，eff? ??s）=S?s]， （6）

[? ??（κm，eff? ??mem）=S?mem]， （7）

式中：[κeff]表示電導(dǎo)率，S·m-1； [?]表示相電位， V；[S]為體積傳輸電流的源項(xiàng)，A·m-3。

6）電化學(xué)方程：

[ja=ζia，refcH2cH2，refγaeαaFηact，aRT-e-αcFηact，aRT]， （8）

[jc=ζic，refcO2co2，refγc-eαaFηact，cRT+e-αcFηact，cRT]， （9）

式中：下標(biāo)a和c分表代表陽(yáng)極和陰極；[ξ]代表比表面積，m-1；[iref]代表參考交換電流密度，A·m-2；[γ]代表濃度系數(shù)；[α]代表電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)；[F]代表法拉第常數(shù)，96 485 C·mol-1；η代表過(guò)電位，V；R代表氣體常數(shù)，J·mol-1·K-1。

[ηan=?s-?mem]， （10）

[ηcat=Voc-?s+?mem]， （11）

式中：[Voc]代表開(kāi)路電壓，V。

7）液態(tài)水形成和輸運(yùn)模型公式：

[? ??ρlsVl=? ??-ρKs3μldpcds? ?s+rw]， （12）

式中：[s]代表液態(tài)水體積分?jǐn)?shù)；ε代表孔隙率；下標(biāo)l代表液態(tài)水；K代表滲透率，m2；[pc]代表毛細(xì)管壓力，Pa；[rw]代表冷凝率，kg·m-3·s-1。

由于在流道中加入流場(chǎng)板會(huì)造成流道內(nèi)壓降的增加，增加電池的泵送功率，所以要考慮電池凈功率作為電池性能的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

[Wnet=WFC-Wp]， （13）

[Wp=Δp?Ainlet?uinlet]， （14）

式中：[Wnet]代表電池凈功率，W；[WFC]是電池功率，W；[Wp]是電池輸送反應(yīng)氣體所需要的泵送功率，W；[Δp]是流道入口和流道出口的壓差，Pa；[Ainlet]是流道入口截面積，m2；[uinlet]是反應(yīng)氣體入口速度m·s-1。

1.3 數(shù)值方法及模型驗(yàn)證

本文使用ANSYS FLUENT附加的質(zhì)子交換膜燃料電池模塊進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算使用的反應(yīng)參數(shù)見(jiàn)表2。質(zhì)子交換膜燃料電池的操作溫度為353.15 K，操作壓力為101 325 Pa，陽(yáng)極入口和陰極入口的化學(xué)計(jì)量數(shù)分別為1.5和2，反應(yīng)氣體加濕度均溫100%。反應(yīng)氣體化學(xué)計(jì)量數(shù)是根據(jù)1 A·cm-2的參考交換電流密度計(jì)算得出，與文獻(xiàn)[20]保持一致。

求解過(guò)程基于SIMPLEC算法，為了提高模擬計(jì)算數(shù)值的精度，采用雙精度方法。使用AMG方法提高收斂速度，選用二階迎風(fēng)離散格式作為數(shù)值格式。計(jì)算方程全部采用F-cycle的方式進(jìn)行計(jì)算。為了得到更好的收斂性，選擇了雙共軛梯度穩(wěn)定法作為穩(wěn)定方法。

為了獲得更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，減少網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，選擇堵塞率為0.4的模型，在電壓為0.5 V下進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。選擇了模型網(wǎng)格數(shù)量為2.96×104、7.74×104、1.56×105、2.75×105、3.53×105進(jìn)行比較。結(jié)果如圖3所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為2.75×105時(shí)電流密度與網(wǎng)格數(shù)量3.53×105相比誤差小于1%，最終選取網(wǎng)格數(shù)量為2.75×105進(jìn)行計(jì)算。

為了驗(yàn)證數(shù)值模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，將本文模型獲得的極化曲線與Yang等[20]結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖4所示。由圖可以看出本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小于10%，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

圖5顯示了具有不同流道質(zhì)子交換膜燃料電池的性能曲線。可以看出，在低電壓情況下不同流道電池性能近似相同，而在高電壓的情況下，通道中有堵塊的電池性能明顯的高于沒(méi)有堵塊的電池性能。這是由于在電壓較低的情況下，電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速率很慢，僅靠反應(yīng)氣體濃度差擴(kuò)散可以滿足電池反應(yīng)所需的反應(yīng)物。當(dāng)電壓逐漸增大時(shí)，電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速率也隨之增大，僅靠濃度差擴(kuò)散不能很好地滿足電池對(duì)反應(yīng)物的需求，電池性能由于濃度極化損失急劇下降。因此在高電流密度下通道中放置堵塊的電池性能明顯高于未放置堵塊的電池性能。尤其是當(dāng)堵塞率為1時(shí)，電池性能急劇提高。但阻塞率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致過(guò)高的泵功損失，導(dǎo)致電池凈功率下降，這將在之后進(jìn)行討論。堵塊可以改善電池性能的主要原因是引入了對(duì)流和二次流增強(qiáng)了反應(yīng)氣體傳質(zhì)。

圖6顯示了不同陰極流道x = 1 mm截面第一個(gè)堵塊附近的速度矢量?？梢钥闯觯?dāng)堵塞率從0到0.8，反應(yīng)氣體在堵塊正下方區(qū)域流速達(dá)到最大值，并且速度最大值隨著堵塊堵塞率的增大而增大，由于堵塊引入了強(qiáng)制對(duì)流，隨著堵塊頂端的流速增大，擴(kuò)散層內(nèi)的流速也隨之增大。流速增大有利于反應(yīng)氣體向擴(kuò)散層對(duì)流傳質(zhì)，進(jìn)而增加電池性能。當(dāng)堵塊堵塞率為1時(shí)，流道內(nèi)反應(yīng)氣體速度相比堵塞率0.8的堵塊流道內(nèi)速度降低。雖然反應(yīng)氣體流速降低，但是反應(yīng)氣體由于通道被完全堵塞，此時(shí)流場(chǎng)變?yōu)榻恢感土鲌?chǎng)，反應(yīng)氣體只能通過(guò)擴(kuò)散層流動(dòng)，擴(kuò)散層內(nèi)反應(yīng)氣體速度急劇增大，增強(qiáng)了傳質(zhì)。同時(shí)由于通道被完全堵塞導(dǎo)致流道內(nèi)壓降增大，在壓差的作用下反應(yīng)氣體被壓入氣體擴(kuò)散層，有利于反應(yīng)氣體的傳質(zhì)?？偟膩?lái)說(shuō)，隨著堵塊堵塞率的增加，流道截面積逐漸減小，迫使更多反應(yīng)氣體受堵塊作用向多孔區(qū)域擴(kuò)散，增強(qiáng)了反應(yīng)氣體的傳質(zhì)，電池性能隨之提高。

圖7為不同流道中反應(yīng)氣體在y = 25 mm截面的速度矢量圖。可以看出，較高的流體速度都出現(xiàn)在流道中央，靠近壁面的速度較低。圖7a）的流道中由于流道內(nèi)未放置堵塊，反應(yīng)氣體未受到擾動(dòng)，截面中未發(fā)現(xiàn)較為明顯的速度矢量。圖7b）的流道由于堵塊堵塞率較小，擾流效果不明顯。在圖7c）和d）的流道中，可以觀察到明顯的渦旋，隨著堵塊的堵塞率增大，反應(yīng)氣體可通過(guò)的流道截面面積減小，受到的擾動(dòng)增強(qiáng)，故截面中的速度矢量增大。渦旋越大越能增強(qiáng)反應(yīng)氣體向氣體擴(kuò)散層的傳質(zhì)。而在圖7 e）的流道中，由于堵塊堵塞率為1流道完全堵塞，反應(yīng)氣體受到堵塊的強(qiáng)擠壓不利于反應(yīng)氣體的流動(dòng)，所以截面中的速度矢量相比圖7d）的流道有一定程度的減弱。

圖8為不同流道擴(kuò)散層與催化層交界面的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)?？梢钥闯?，相比于圖8a）的流道，放置了堵塊的流道擴(kuò)散層和催化層交界面的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高，這表明更多反應(yīng)物可以參與催化層的電化學(xué)反應(yīng)，降低了濃度極化對(duì)電池性能的影響，提高了電池性能。也可以看到，在堵塊后段的低氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)域減小，提高了電池活化區(qū)域的使用率，有利于電池總體效率的提高。

燃料電池流道中水管理是電池研究中的重點(diǎn)，電池中生成的水如果不能及時(shí)排出流道會(huì)導(dǎo)致生成的水堵塞多孔區(qū)域的孔隙，造成反應(yīng)氣體傳質(zhì)阻力增加，甚至發(fā)生水淹，導(dǎo)致電池性能急劇下降。圖9為不同流道擴(kuò)散層與催化層交界面水質(zhì)量分?jǐn)?shù)。可以看出，隨著電池化學(xué)反應(yīng)的不斷進(jìn)行，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加。放置堵塊的流道與未放置堵塊的流道相比，放置了堵塊的流道內(nèi)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)有了明顯的降低，并且隨著堵塊堵塞率增大，流道內(nèi)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低越明顯。這是由于反應(yīng)氣體經(jīng)過(guò)堵塊時(shí)，流動(dòng)截面積減小，在堵塊附上方形成高速流動(dòng)區(qū)域，增強(qiáng)了對(duì)流效應(yīng)，迫使反應(yīng)氣體向氣體擴(kuò)散層傳質(zhì)的同時(shí)將水從氣體擴(kuò)散層內(nèi)排出。在流道內(nèi)放置堵塊可以增強(qiáng)電池排水能力，有效防止電池發(fā)生水淹現(xiàn)象。

圖10為不同堵塊對(duì)電池陰極流道功率、壓降、泵工損失和凈功率的影響?？梢钥闯?，電池功率隨著堵塊堵塞率增大而增大。但是隨著堵塊電池功率增大，流道內(nèi)的壓降也逐漸增大，壓降增高會(huì)增大泵工損失。并且在堵塊堵塞率為1時(shí)，由于流道內(nèi)完全堵塞，反應(yīng)氣體只能通過(guò)多孔區(qū)域流動(dòng)，導(dǎo)致壓降急劇增大，極大的增加了泵功損失。因此，在研究堵塊堵塞率對(duì)電池性能影響的同時(shí)，要考慮泵功損失，才能使電池收益達(dá)到最高。觀察電池凈功率圖可以看到，堵塊堵塞率從0增大到0.8時(shí)，電池凈功率逐漸增大。這表明雖然在流道內(nèi)放置堵塊會(huì)增大泵功損失，但電池功率的提高可以消除壓降增加帶來(lái)的泵功損失。當(dāng)堵塊堵塞率為1時(shí)，由于流道內(nèi)完全阻擋導(dǎo)致了泵功損失增大，電池功率的上升無(wú)法彌補(bǔ)壓降帶來(lái)的泵功損失，電池凈功率下降。由于氣體擴(kuò)散層、催化層與質(zhì)子交換膜很薄，過(guò)大的壓力差有可能損壞電池部件，影響電池的正常運(yùn)行。故在考慮泵工損失的情況下，流道內(nèi)堵塊堵塞率為0.8時(shí)電池凈功率最佳。

3 結(jié)論

本文建立了三維、穩(wěn)態(tài)的單直流道質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)?shù)值模型，數(shù)值模擬研究了不同堵塊對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響，并分析了不同堵塊對(duì)反應(yīng)氣體流動(dòng)的影響，得出以下主要結(jié)論。

1）通過(guò)對(duì)比流道中放置堵塞率為0、0.4、0.6、0.8和1堵塊的極化曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著堵塊堵塞率增大電池功率也隨之增大，當(dāng)堵塊堵塞率為1時(shí)電池功率最大。相比空白流道提升22.5%。

2）流道中不同堵塞率的堵塊使反應(yīng)氣體在流道內(nèi)形成渦旋，渦旋強(qiáng)度隨著堵塊堵塞率增加先增大后減小，當(dāng)堵塞率為0.8時(shí)渦旋強(qiáng)度最大。由于堵塞率為1時(shí)流道內(nèi)完全堵塞，不利于反應(yīng)氣體流動(dòng)，渦旋強(qiáng)度弱于堵塞率為0.8的堵塊。

3）堵塞率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致泵功損失增加，要考慮其對(duì)電池凈功率的影響。當(dāng)堵塞率為0.8時(shí)，電池凈功率最大，凈功率相比空白流道提高2.6%。

4）堵塊減小了流道截面積，反應(yīng)氣體受堵塊的擠壓形成高速流動(dòng)區(qū)域，流速增大有利于反應(yīng)氣體傳質(zhì)和流道內(nèi)水的排出。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2022-05-29

基金項(xiàng)目：天津市自然科學(xué)基金（20JCZDJC00470）。

第一作者：閔春華（1974—），男，教授，chmin@hebut.edu.cn。