质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一个多物理场、多相和多尺度的复杂动态系统。电池在运行过程中,反应气体从外界到反应区域经历了流场-扩散层-催化层等多尺度的传输过程。影响物质传输以及电池性能的因素有很多,而扩散层孔隙率和流场结构也是其中的关键因素,并且成为了当今科研工作者们关注的焦点。合理的扩散层孔隙率结构或流场结构可以改善反应气体传输效率低、流道内压损大、电池“水淹”等问题,并起到改善PEMFC整体性能的目的。为了改善上述存在问题,基于多物理场耦合分析软件,对扩散层孔隙率和流场结构进行了优化研究,具体研究内容如下:(1)扩散层孔隙率对燃料电池内的物质传输以及整体性能的影响。针对直流道PEMFC,研究了孔隙率沿厚度、宽度和长度三个方向上变化的复合多孔扩散层,综合分析了三个方向上复合多孔扩散层燃料电池的氧气浓度分布、液态水浓度分布以及电流密度分布。结果表明:孔隙率沿三个方向变化的不同复合多孔扩散层与孔隙率均匀分布(=0.5)的扩散层相比,均不同程度地改善了扩散层的物质传输能力、排水能力,使电池获得更好的性能。(2)新型流场结构对燃料电池性能的影响。分别研究了在流道的轴线上均匀分布不同数量(N=0、1、3、5、7)的矩形沟槽流场、不同类型(矩形、三角形、波浪形)沟槽流场对PEMFC性能的影响。在工作温度为70℃、操作压力为1 atm的工作条件下,对新型流场的速度矢量、流道内压力分布、阴极氧含量的分布和电性能等特性进行了分析。研究结果表明:在流道内压降合理的情况下,矩形沟槽数N=5为最适宜的新型流场结构;不同类型沟槽的加入对电池性能均有所提高,其中,波浪形沟槽的效果最优、矩形沟槽次之、三角形沟槽对电池性能影响的效果最小。(3)流道尺寸与结构对电池性能的影响。通过对平行流场燃料电池不同流道宽度和不同脊背宽度、蛇形流场中不同蛇形流道数和不同拐角结构类型的模拟研究。结果表明:平行流场中流道宽度和脊背宽度之比为1:1时是较理想的尺寸比,脊背宽度的变化比流道宽度的变化对电池性能的影响大;单、双、三蛇形流场结构的燃料电池相比,三蛇形流道的压力损失相对较小,蛇形燃料电池拐角处设计为圆角结构时,能更好的提高电池的整体流速,进而提高电池性能。