质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)由于具有工作温度较低、起动时间短、功率密度高等特点,作为新一代电动汽车动力源、便携式小型电源、家庭用热电联供系统等受到各国政府和能源、汽车、家电等企业的广泛关注、高度重视及大力支持。小功率质子交换膜燃料电池系统的研发已引起了越来越多国家和企业的重视,成为质子交换膜燃料电池领域一个新的研究热点。小功率电池要市场化,必须简化系统,采用自增湿是小功率电堆的理想选择。本文设计了一种交叉型阴极流场实现自增湿,该流场内相邻两流道气体相向流动,电化学反应生成的水在流道后段的聚集,并向相邻的流道扩散,实现阴极流场的自增湿。通过数学模型与Fluent软件对该流场的气体与水分布进行了计算分析,通过对单电池测试发现:(1)在自增湿条件下,燃料电池生成的水量应该大于饱和尾气所含的水量,否则电池容易干涸。饱和尾气所含的水量随温度和气体流量增加而增加,40℃时,阴极的过量系数1≤ηa≤8.47,阳极过量系数1≤ηc≤18.48;当温度升高到80℃时,阴极的过量系数1≤ηa≤1.67,阳极过量系数1≤ηc≤2.65。(2)交叉型流场由于相邻两流道内气体流向相反,流道间存在压力差,导致流道间发生气体短路现象。气体短路量与流道参数及扩散层参数有关,本文设计流场的有不到16.8%的气体由于短路串到相邻的流道。用Fluent软件对简化的交叉型流场进行模拟,从水浓度分布云图上可以看出,流场中岸对应的区域水分布均匀且浓度比其他地方高,膜阴极侧水含量较高,大部分区域趋于饱和,膜中水含量沿厚度方向严重衰减,到阳极侧,最高区域的水浓度降到了1.79mol/m~3。(3)阳极采用混联结构能够提高氢气的流速,提高气体在流场内的分布均匀性。(4)通过对交叉型流场的单电池测试。结果表明,在60℃时,阴阳极过量系数为3.0/1.5,无增湿条件下电池能够稳定运行,峰值功率密度为0.35w/cm~2;电池温度升到80℃时,性能严重衰减;阳极适量的增湿能提高电池的性能。