质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过清洁燃料发生电化学反应产生电能的设备。由于其具有用途广、效率高、可靠性强和无污染等优点,被广泛应用于汽车、船舶和便携式设备等民用和军用设施上。双极板作为燃料电池核心部件,承担着流体分配、冷却散热等任务,其流场设计直接影响电池的传热传质性能。采用传统流场的PEMFC在高电流密度下运行时往往存在传质不佳、催化层内部水淹及温度过高等问题,使得电池的输出性能急剧下降。因此,本文在传统流场的基础上提出了新型的气体流场和冷却流道来强化PEMFC的传热传质能力。首先,本文提出了一种新型的波浪形平行流场,利用CFD方法建立了燃料电池的数学模型,分析了新型流场波浪长度(s)和波幅(a)尺寸对燃料电池输出性能、氧气分布、电流密度分布、液态水分布、流场压降及净输出功率的影响,优化了新型流场波浪长度和波幅尺寸。结果表明:较小的波浪长度和较大的波幅能够有效改善PEMFC的传质和水淹问题,其强化传质机理是由于在低氧区域,流场内部的气体流速要明显高于其余设计从而加速氧气的扩散速率。此外,在0.6V工作电压下,当波浪长度和波幅分别为4 mm和0.8 mm时燃料电池性能达到最佳,波浪形平行流场的净输出功率相比于传统流场最高可提升34.75%。其次,为了强化PEMFC的传质能力,提出了一种三维结构波浪形流道。研究了三维流道结构中波浪长度(λ)和最小高度(h)对燃料电池输出性能、氧气分布、电流密度分布、液态水分布的影响,优化了三维流道的波浪长度和最小高度尺寸。结果表明:与传统直流道相比,三维结构波浪形流道能够在垂直电池平面的方向上引入对流传质,促进了氧气和电流密度在催化层中的均匀分布,强化了电池的排水能力。此外,当三维结构波浪形流道的波浪长度和最小高度分别为2 mm和0.45 mm时,燃料电池性能达到最佳。在0.4 V电压下,采用三维流道结构的PEMFC电流密度比采用传统直流道的PEMFC提升了23.8%。最后,提出了一种基于场协同理论的新型波浪形冷却流道结构。将冷却水速度梯度与温度梯度间的夹角作为协同角(θ),分析了协同角对膜电极内温度分布、最高温度、温度均匀性指数(IUT)及流道内压降的影响,并对冷却流道的场协同角进行了优化。计算结果表明,当采用协同角为30°的设计方案时波浪形冷却流道换热性能达到最佳,温度均匀性指数相比于传统冷却流道最大提升了53%。