质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）作为固定、移动和便携式应用的替代电源,因其突出的优点而受到越来越多的关注,被认为是人类第三次能源变革中的核心驱动力。其中,质子交换膜燃料电池多孔电极中的传质和除水已经成为一个重要的问题,这与电池的整体性能密切相关,优化流场设计对质子交换膜燃料电池水气管理问题进行研究,不仅可以有效对电池进行水管理,而且可以促进内部反应物气体均匀传质,这对研究电池性能十分有必要。为了优化质子交换膜燃料电池水管理,提高电池内部传质的均匀性,本文首先提出了一种锥形流场结构（flow field configuration,FFC）来改善质子交换膜燃料电池的内部反应物传输和水去除,并且分析了是否考虑接触电阻（electric contact resistance,ECR）对此锥形平行流场结构的影响。通过建立三维多相燃料电池模型,数值研究锥形平行流场结构对电池内部物理化学过程和整体性能的影响。对比评价了不考虑和考虑双极板（bipolar plate,BP）和气体扩散层（gas diffusion layer,GDL）之间接触电阻的锥形流场结构。与常规平行流场结构相比,对于不考虑接触电阻的锥形平行流场结构,出口与入口的边长比（ratio of the side length for the inlet to that for the outlet,LI/O）的增加增强了氧传输、水去除和电池性能。然而,对于考虑接触电阻的锥形平行流场结构,流道出口与入口的边长比的增加对反应物传输、水去除和电池性能起到先增加后削弱的趋势。然而,不管考虑或不考虑接触电阻的锥形平行流场结构,流道出口与入口的边长比的降低都会降低电池的整体性能。与所有锥形平行流场结构设计相比,流道出口与入口的边长比为1.2的最佳锥形平行流场结构设计表现出更均匀的反应物和电流密度分布,这将电流密度和氧气摩尔浓度的变异系数降低了约21.4%和8.5%,从而提高了整体电池性能。上述研究发现合适的锥形平行流场结构设计有利于解决电池内部反应均匀性和水淹问题,同时,得出在质子交换膜燃料电池数值模拟中考虑接触电阻的必要性。新型锥形流场结构对改善质子交换膜燃料电池平行流场的内部传质不均匀的问题提供了很好地改进思路,但通过观察新型锥形流场的内部反应,发现流道肋下传质和肋下液态水较多的问题没有得到很好的改善。所以本文为了解决肋下传质和肋下液态水较多的问题,设计了一种新型的流场结构,通过在质子交换膜燃料电池单电池部分中空的肋内布置辅助通道并在辅助通道上钻一系列阵列孔。这种新型的设计合理地利用了双极板的肋,提高了平行通道的容积效率,从而改善了电池性能和电流分布的均匀性。开发了三维多相流FLUENT模型来分析各种参数对氧气分布、水饱和分布、电池性能和电流均匀性的影响。发现辅助通道和孔阵列的组合为反应物运输和除水提供了额外的途径。流场几何形状的合理优化,例如孔尺寸、阵列孔和辅助通道的面积比、阵列孔的不均匀分布,可以在极低的压降下进一步改善电池性能和提高电流均匀性。因此,此种新型的流场结构为质子交换膜燃料电池的辅助通道研究提供可能性,进一步提高肋下的传质问题和进行了有效的水管理,本文中的两种新型流场的提出对质子交换膜燃料电池流场设计具有指导意义。