质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有功率密度高、启动快速、工作温度低等特点,被广泛应用于交通、便携式应用等领域中。PEMFC能将化学能转换成电能和热量,为了保证PEMFC正常运行,避免部件局部过热,其产生的多余热量必须被有效地排除。大功率PEMFC的主要冷却方法是在双极板中添加冷却流场,通过冷却剂的循环流动带走电池产生的多余热量,合理的冷却流场结构可以提升电池寿命和发电效率。本文通过数值仿真研究PEMFC冷却流场结构对电池冷却效果和发电性能的影响。为了改善传统冷却流场内部温差大、进出口压降高等问题,本文提出了几种改进型冷却流场,对不同冷却流场的流体流动与传热特性进行对比研究。同时以最大表面温度、温度均匀性、压降、电流密度等为评价标准,讨论不同冷却流场结构对电池冷却效果和发电性能的影响。数值研究结果表明,优化冷却流场结构、提高雷诺数可以有效地增强电池的冷却效果和发电性能。所有研究的冷却流场中,蛇形改进型流场的性能最好,在雷诺数为1000,电压为0.6V的运行条件下,其温度均匀指数比传统平行冷却流场低30%,电流密度比传统平行冷却流场高5.4%。以温度均匀性、压降、净输出功率等作为评价标准,对蛇形改进型冷却流场的结构参数进行优化。采用数值仿真研究了改进型冷却流场横向槽道的宽度、深度以及数量对电池冷却效果与发电性能的影响。研究结果显示,随着横向槽道宽度的增大,电池的温度均匀性和功率密度会有所下降,同时由流场压降引起的寄生功率也会降低。槽道深度增大时,电池温度均匀性和功率密度会上升,由流场压降引起的寄生功率会下降。随着横向槽道数量的增加,电池温度均匀性和功率密度有所下降,同时由流场压降引起的寄生功率也会逐渐降低。综合考虑电池的功率密度和寄生功率,蛇形改进型冷却流场在横向槽道宽度为0.5mm、深度为1mm、数量为2时性能最好,功率密度相较于传统平行冷却流场提高了5.5%。为了进一步强化冷却流场的对流换热能力,本文在蛇形改进型冷却流场中填充了多孔金属泡沫材料,研究填充后的冷却流场对电池冷却效果和发电性能的影响。同时讨论了雷诺数、孔隙率、金属材料、和冷却剂种类对不同金属泡沫填充冷却流场电池冷却效果与发电性能的影响。数值研究结果显示,金属泡沫填充冷却流场可以有效的增强电池冷却效果与发电性能,但同时会提高压降。蛇形改进型填充冷却流场电池的功率密度最高,相较未填充的蛇形改进型冷却流场提升了3.5%,相较传统平行冷却流场提升了7.5%。