质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种高效清洁的能源转换装置,它能够将储存在燃料内部的化学能直接转换成电能。PEMFC具有结构简单、能量密度高、启停迅速、运行安静可靠、对环境友好等优势,被认为是最有前景的燃料电池类型之一。但由于电池寿命、成本以及水热管理等一系列技术问题,PEMFC仍难以实现大规模商业应用。PEMFC的流场承担着供气和排水的作用,可以说其结构对于电池性能影响巨大。一个良好的流场结构能在低的流场内压降的前提下保证反应气体均匀地到达反应界面,并及时地排出反应生成的水。而为了能够更具应用价值并降低成本,流场结构同时还应该便于加工。又考虑到利用一个合适的、全面的数学模型对流场进行前期的仿真设计有助于减小研发成本,缩短研发周期。因此本文以数值模拟的方式对PEMFC流场展开研究,目的是为PEMFC流场的结构设计和优化提供一定的指导。本文首先基于传热、传质以及电化学理论,构建了单直流道PEMFC的三维非等温两相流模型,模型中包含了催化层团聚子模型,并考虑了冷却流道的影响。通过划分多个不同密度的网格对模型网格独立性进行了研究,并基于不同阴阳极铂载量下的实验数据,验证了模型的有效性。然后以提出的PEMFC数学模型为基础,结合Nelder-Mead simplex优化方法对流道截面结构进行优化,以改善PEMFC的整体性能。优化得到了一种梯形截面,结果表明,梯形截面与矩形截面相比能够更加促进氧气的传递,同时更加有利于多孔介质内液态水的去除;极化性能方面,在高电流密度下,梯形截面电池的功率密度提升了约5%。在梯形截面的基础上,本文还提出了一种新颖的圆角截面流道,研究发现,圆角截面在液态水去除方面有显著优势,阴极气体扩散层内最大液态水饱和度与矩形截面相比降低了超过20%;在对截面的圆角半径进行优化之后,实现了提升极化性能的同时可以保持流道内压降几乎不变。最后基于多孔金属材料的三维立体结构,对多孔金属流场进行几何重建,并结合流动分析以及三维两相非等温模型,对多孔金属流场的性能展开研究。首先发现,多孔金属流场内流体的流动更为缓和、均匀,但流场内部压降明显更大,约为平行流场的2倍左右;之后通过结构分析发现直流道的接触面积明显大于多孔金属流道,占到流场面积的50%,而多孔金属流道仅为15.67%。模拟还发现多孔金属流道电池极化性能与直流道相比在高电流密度区域有较大的提升,且可以较大地改善电池内部的氧气供应,在排水能力上也有较大优势。此外,当工作压力较高为1.7 atm时,在欧姆极化主导的区域,两种流道的性能差异比工作压力为1atm时要小不少。