氢燃料电池是以氢气为燃料,通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置。在不同的氢燃料电池分类中,质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用可传导离子的聚合膜作为电解质,具有启动速度快、能量转换效率高、工作温度低等优点,在军事、航天、汽车等领域倍受青睐,是公认的未来交通动力系统的主要竞争者。双极板作为PEMFC的核心部件之一,其内部流场的结构和形式对流体的传输与分配起到了重要作用。近年来,受自然或生物因素启发,研究人员提出了一类仿生型流场结构。与传统流场相比,该结构能够实现更好的流体分布、传质传热,进而有效提高燃料电池的输出性能,具有极高的研究潜力。本文分别针对两类仿生型流场的结构特性进行了相关研究。首先,基于叶脉型仿生流场,通过计算流体力学（CFD）方法,建模分析了流场内主流道与支流道间不同夹角对PEMFC阴极性能的影响规律。研究结果表明,随着该夹角角度的增大,氧气在阴极流场域内的分布均匀性提高;另外,角度增大还有利于除去附着在流道内的产物水,避免其聚集堵塞流道。但当夹角角度增大至30°以上时,支路流道区域内氧气含量急剧降低,水含量急剧升高,改变夹角角度将不会再有益于燃料电池阴极侧相关性能的改善。其次,除建立数值解析模型进行模拟仿真外,为节省计算时间和资源,借助神经网络建立起可用于多变量复杂工况的性能预测模型,并基于此模型完成对叶脉型仿生流场主流与支流间夹角的细化寻优。预测结果显示,适当的输入条件下,夹角设置为23°时模型的输出参数达到峰值。将该夹角带入具有相同输入条件的数值解析模型求解后证实,此流场在流体分布、电压及功率输出等方面的综合性能优于其他方案。最后,根据现有仿生流场的结构特点,提出一种新型仿生流场结构——蛛网型流场,并以该流场的多边形结构和螺旋流道层数为关键变量,建立数值解析模型,求解比较了不同方案在阴极侧氧气分布、除水性能和电池输出性能等方面的差异。结果表明,复杂的多边形结构不利于反应气体在流场后半段充分流动,导致此处的电化学反应减弱,生成的水也会因缺乏气体吹扫而聚集于此,阻塞流道,最终造成燃料电池性能下降。相比之下,相同多边形结构下增加螺旋流道层数能够有效加强肋下对流,是改善流场中氧气分布均匀性、提高除水效率的可靠方式。另外,增加多边形边数或流道层数均能够扩大反应气体与MEA之间的有效接触面积,更有利于电化学反应充分进行,燃料电池的输出电压和功率密度也因此逐渐增大。然而,由多边形边数或流道层数增加所引起的输出电压以及功率的提高是有限度的,较高的多边形边数和流道层数设计下,相邻方案间输出性能的差异较小,未能达到预期。最后,将具有良好综合性能的蛛网型仿生结流场方案与相同有效面积下的直流道流场、蛇形流场进行比较。结果显示,蛛网型流场具有比上述两类流场更好的流体分布性能,虽输出电压与功率略低于蛇形流场,但其流道内的压力稳定性远优于蛇形流场,进一步证实了此结构在改善PEMFC性能方面的可取性。