质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）是一种能够通过化学反应将化学能转变为电能的新型发电设备。由于其具有高热电联供效率（＞70%）、快速启动、运行温度低、功率密度高、副产物仅为水等优点而被广泛研究。双极板作为PEMFC的关键元件,承担着阻隔阴阳极、传导电子、支撑膜电极（Membrane Electrode Assembly,MEA）、排出副产物水、均分氢气和氧气的重要作用。由于传统的石墨双极板具有机械加工难度高,制备困难等缺点限制了其在PEMFC的商业化发展。因此,越来越多的学者将注意力转移到金属双极板上。金属铜具备更高的导电性和导热性,这对于电池输出能力有着积极的影响;在铜双极板的表面更易于加工出复杂的流道形状以满足燃料的均匀分布和水的快速排出。然而,PEMFC在工作时通常伴随强酸性环境,金属双极板会遭受到致命的腐蚀,产生的金属离子会严重毒害催化剂。本文通过总结金属双极板和其上流场设计的两方面国内外最新研究进展,探究了铜基改性双极板在PEMFC工况下的腐蚀情况;针对流场对电池性能的影响,对传统平行流场和蛇形流场进行优化,设计了二维强化排水平行流场、多回转蛇形流场以及三维半封闭式挡块流场;结合数值模拟与实验结果验证了铜基改性双极板对于PEMFC的适用性。本文主要研究工作及创新点如下:（1）铜基改性双极板的制备及耐蚀性研究通过研究发现,在900℃下,将预处理后的铜箔埋覆在天然鳞片石墨粉中一小时,铜箔的表面会生长出石墨涂层。石墨涂层的覆盖能显著提高裸铜在模拟PEMFC工况下的自腐蚀电位且该电位高于阳极工作电位,这会使铜-石墨复合材料在燃料电池阳极处于阴极保护状态并避免了金属离子的产生。4h的恒电位极化测试表明,对比于裸基,铜-石墨复合材料的腐蚀电流密度不仅降低了一个数量级,而且能够快速达到稳定状态;在1.4Mpa下的界面接触电阻值为18.4 mΩ·cm~2,这也优于绝大部分金属双极板。（2）二维强化除水平行流场和多回转蛇形流场的设计及对流传质机理研究肋下横流能够明显改善原料气与副产物水在肋下的分布情况,并在一定程度上影响电池输出性能。以传统平行流场和蛇形流场为基础,创新提出了二维强化除水平行流场和多回转蛇形流场。通过对数值模拟结果的分析,两种流场均具有显著的肋下横流现象,两种设计不仅改善了原料气和水在活性面积区的分布,还获得了远低于传统流场的压降损失。极化曲线结果证明了二维强化除水平行流场和多回转蛇形流场的设计对电池的输出性能有积极作用。（3）三维半封闭式挡块流场设计及强化传质机理研究近年来,3D挡块流场设计逐渐成为研究的焦点。由于3D流场制造过程较为复杂,研究往往停留在数值模拟阶段。本文通过单通道建模,研究了半封闭式挡块的分布形式和间距对电池性能的提升机理。当挡块间距为10mm时（单侧式）,净功率密度可达0.81W/cm~2,相比于全封闭挡块结构（0.53W/cm~2）性能得到显著提升。随后,将半封闭式挡块结构放置于传统平行流场中进行了仿真与实验研究。在最佳实验条件下,半封闭式挡块平行流场最大功率密度比传统平行流场提高了46.3%,这也进一步验证了半封闭挡块式结构在PEMFC中的应用价值。（4）燃料电池单电池组装及输出性能测试结合上述研究结果,分别组装了纯石墨双极板单电池、铜阳极-石墨阴极双极板单电池,并采用840 Fuel Cell System进行了单电池实验。测试结果不仅验证了铜基改性双极板在PEMFC中的可用性,还检验了所设计的不同流场的实际性能。通过HFR的对比,发现铜基石墨双极板与纯石墨双极板差异极小,证明了复合材料在PEMFC实际工况下的稳定性。综上所述,本文针对金属双极板在PEMFC环境下的严重腐蚀情况和流场设计的关键问题进行了系统的研究,并以金属铜为基底制备出了铜-石墨复合双极板,通过电化学测试与实验,验证了该复合材料的可用性。此外,创新提出了二维强化除水平行流场和多回转蛇形流场肋下横流强化方法;研究了三维半封闭式挡块结构强化传质机理;结合仿真与实验结果,验证了新流场在质子交换膜燃料电池方面应用的可靠性,这为金属双极板在PEMFC的商业化发展中提供了一定的借鉴意义。