随着全球气候日渐变暖和能源逐步短缺,氢能作为一种清洁的二次能源越来越受到人们的关注,被誉为21世纪的“终极能源”。质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）是一种高效的能量转换装置,可将H₂中的化学能直接转化为电能,因其具有低温启动快、零污染、重量轻以及比功率和比能量高等优点,现已被广泛应用于空间站、军事、汽车以及分布式发电等领域。双极板是PEMFC的重要组成部分,在电池中起着联结电堆内各单电池、均匀分配反应气体、收集并导出电流以及阻隔燃料和氧化剂等作用,其性能的优劣主要取决于流场结构。目前常用的平行直流场因其较低的压降,易出现水淹现象;蛇形流场由于进气路径较长,导致气体压降过大,产生非常大的寄生能量损失;丰田公司的3D流场性能良好,但结构复杂制作难度较大。由于双极板流场对燃料电池性能有显著影响,所以研究新型流场意义重大。本研究以PEMFC为研究对象,基于现有的流场结构形式,提出了一种圆形双极板径向流场模式,反应气体由中心向圆周扩散,进气路径短且排水性好,采用数值模拟与实验验证相结合的方法,对径向流场进行了分析,研究了径向流场双极板对PEMFC性能的影响。建立了用于PEMFC计算模拟的数学模型。该模型的控制方程主要包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程、电流守恒方程、电化学方程和液态水的形成与传输方程,通过模型假设并设定边界条件和模型参数对模型简化,最终得出合理的PEMFC数学模型。构建了一种新型径向流场,该设计兼具蛇形流场的排水特性和平行直流场的流量分布特性,其变截面的流道结构和规律布置的肋板则进一步提高了扩散传质效率和气体分布均匀性。基于COMSOL多物理场仿真软件,建立包括阴极流道、阴极催化层、阴极气体扩散层、质子交换膜、阳极催化层、阳极气体扩散层和阳极流道完整的PEMFC计算域,通过对不同流道深度、宽度以及肋板宽度的径向流场进行数值分析,实现对新型流场设计的优化。建立了三种不同流道和肋板宽度的径向流场R-Ⅰ、R-Ⅱ和R-Ⅲ,结果表明:径向流场设计R-Ⅱ能够获得更高的极限电流密度和最大功率密度,且该流道和肋板宽度尺寸下的径向流场气体分布均匀性和排水能力更好。分别建立了16组不同阴极流道深度的径向流场R-Ⅰ和R-Ⅱ,结果表明:阴极流道深度对径向流场的氧气浓度分布和排水能力均有重要的影响,R-Ⅰ和R-Ⅱ流道深度分别为2 mm和1.5 mm时水浓度含量最低,R-Ⅰ和R-Ⅱ流道深度分别为1.5 mm和1 mm时氧气浓度分布均匀性最佳。基于上述对径向流场的优化,将R-Ⅱ作为研究对象,确立不同流场的性能对比参数基准,对径向流场与几种典型传统流场的PEMFC进行仿真分析。结果表明,在相同的工作电压下,不同流场结构的PEMFC电流密度大小为:径向流场>4路多蛇形流场>螺旋流场>单蛇形流场>平行直流场,最大功率密度大小表现出相同的规律;在工作电压0.65 V下,通过对不同流场的PEMFC性能对比可知,径向流场设计的排水能力和传质能力均优于其他流场;径向流道的压降为39.82 Pa,仅次于平行直流道的压降39.19 Pa,其寄生能量损失较小,有益于提高电池效率。基于燃料电池测试系统,以平行直流场为实验对象,将平行直流场仿真值与实验值的极化曲线对比,验证所选数学模型的可靠性。设计并提出了一种切实可行的可视化实验方案,可用于研究径向流场的PEMFC内部液态水的形成和传输规律。