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燃料电池是21世纪最具发展前景的清洁能源,是传统能源的最佳替代品。质子交换膜燃料电池由于其体积小、启动快、转换效率高以及工作温度低等优点而备受关注。双极板是质子交换膜燃料电池主要部件之一,双极板表面结构对燃料电池的综合性能将产生重要影响。本文根据一种新型的定偏心式固着磨粒研磨加工的工件表面微结构,设计了一种多分支、多交叉的流场结构——交叉型流场。这种设计的目的在于提高流体分布的均匀性,降低流体在流动过程中的整体流阻和压降,以降低燃料电池运行时的外部能耗,提高电池的输出效率。本文的主要内容如下:(1)以有序固着研磨加工出的工件表面微结构为原形,以Murray定律、分形几何理论为理论依据,设计出一种交叉型流场。建立了 PEMFC交叉型流场的3D、恒温、稳态模型进行数值模拟,并将交叉型流场的PEMFC性能与常规蛇形流场的PEMFC性能进行了对比,结果表明交叉型流场的PEMFC综合性能要优于蛇形流场。(2)为提高PEMFC的性能,对交叉型流场的两个主要几何参数:流道深度和开孔率进行了数值优化研究并得出了最优的几何参数值。流道深度为0.3mm,开孔率为0.5时,交叉型流场的PEMFC的综合性能较优。(3)通过实验分析交叉型流场对电池性能的影响,搭建了质子交换膜燃料电池性能测试装置,实验得出了 PEMFC的最优操作参数,以此为基础,实验对比分析交叉型流场与蛇形流场对电池性能的影响。实验结果显示交叉型流场的PEMFC综合性能要优于蛇形流场。实验结果与数值模拟值表明在误差允许范围内,两者吻合的较好。本文通过数值模拟与实验研究分析了 PEMFC交叉型流场,对燃料电池的生产和设计具有一定的指导意义。