流场的水管理能力对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的工作稳定性和能量转换效率影响巨大,本文针对这个问题从三个不同的方面进行了深入分析研究。一、为探究壁面亲疏水性对液滴动力学特性的影响,建立了平直流道、U型流道以及考虑壁面粗糙度的平直流道三种模型,每一种模型的流道壁面设置不同的壁面接触角(代表亲疏水性)。数值模拟结果发现:微滴在疏水表面更容易分裂和快速流动,在亲水表面则有扩散和膜流形成的趋势。从考虑壁面粗糙度的流道表面上液滴的传输特性发现,液滴在气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)表面上的运动本质是三相接触线的推进,液滴动力学特性取决于三相接触线的形状、长度和连续性。二、从改进流道局部结构入手,设计了三种新型的渐缩和坡面结构流道,并采用流体体积法(Volume of fluid,VOF)对这三种流道中的液态水动力学行为进行数值计算。结果表明,采用锥形倾斜结构可以提高液滴在流道中的传输效率,与常规流道相比,新流道最大去除液滴的时间减少24.4%。坡面结构能够引导水滴的流向,减少水滴飞溅的发生。当流道采用斜坡和锥形结构时,气流在通道底部表面(气体扩散层)附近的湍流度增强,氧浓度升高,提高了反应表面的传质能力和平均电流密度。三、受大自然生物进化的启发,从流场整体布局出发,基于人体肠系膜上动脉及分支的结构特点,设计了一种新型仿生流场,并采用模拟计算和实验两种方法,对比研究了常规蛇形流场(Conventional serpentine flow field,CSFF)和新型仿生流场(new bionic flow field,NBFF)对燃料电池性能的影响。研究结果表明,与常规蛇形流场相比,新型生物流场能显著改善液滴的动态传输特性,减少液滴在弯道处的聚集,缩短液滴在流场中的滞留时间,使得液滴移除速率提高36.3%。在空气流量为4L/min,氢气流量为2.5L/min的工况下,该新型生物流场燃料电池输出性能最高。新型生物流场燃料电池散热效果好于常规蛇形流场,当电流密度较高且工作温度超过50℃时,该新型生物流场燃料电池比常规蛇形流场燃料电池工作性能提高30.03%。由于PEMFC的实际工作温度为60～80℃,因此该新型生物结构流场对于燃料电池有重要的实际应用价值。