质子交换膜燃料电池是一种通过化学反应将化学能直接转化为电能的能量转换装置。由于能量转化过程不受卡诺循环的制约,能量转化效率比传统内燃机高、功率密度高和生成物仅为水对环境友好等特点受到了广泛关注,应用前景广阔。双极板是质子交换膜燃料电池的重要组成部分,承担着反应气体传质及排水等功能,其结构直接决定了电池性能的好坏,所以对其进行优化设计有重要意义。本文通过建立三维质子交换膜燃料电池数值膜型,在流道内放置不同堵块,对流场结构进行优化设计,分析二次流对反应气体传质、流道内水排出、电池性能及泵功损失等方面的影响。主要研究内容如下:研究不同堵块堵塞率和倾斜角度对单根直流道电池性能的影响。结果表明,电池功率随着堵块堵塞增大而增大,当堵块堵塞率为1时电池功率最大。流道内涡旋结构在堵塞率为0.8时最大,堵塞率为1时变为交指型流场,电池性能增加,但流动压降急剧增加,泵功损失增大,电池净功率下降。考虑电池净功率,堵块的最佳堵塞率为0.8。确定堵块最佳堵塞率后,保持堵块堵塞率不变,改变堵块倾斜角度,研究倾斜角度对反应气体流动的影响。结果表明,当堵块角度增大时,堵块对反应气体的对流效应逐渐增强。反应气体经堵块扰流产生涡旋,涡旋强度随倾斜角度先增大,在倾斜角度为75°时最强,之后由于倾斜角度为90°时将堵块侧方区域完全堵塞,涡旋强度减小。综合考虑其对电池净功率的影响,堵块最佳倾斜角度为75°。在流道中央放置的堵块比贴壁面的堵块更能提高电池性能。在蛇形流道中放置堵块,将二次流和肋下流结合起来,研究堵块对电池性能的影响机理。研究结果表明,在蛇形流道内放置堵块可以显著提高电池性能,同时泵功损失也会有一定程度的增大。但是电池增加的功率可以弥补这部分的损失。流道内涡旋速度方向与肋下流方向一致更有利于反应气体传质。在转弯处放置堵块比传统布置在流道中央的堵块能更好的提高电池性能。