随着碳中和、碳达峰目标的提出,氢能进入快速发展阶段,质子交换膜燃料电池（PEMFC）成为一项很有必要的技术。燃料电池技术在实现大规模商业化之前,最关键的挑战之一是提高PEMFC功率密度。其中反应物分布不均匀、水管理不佳均会造成的能量损失,进而影响电池功率密度的提高,因此优化双极板的流场结构和电池的运行条件对改善燃料电池性能有着关键意义。通过对流场结构和操作条件进行流体力学（CFD）分析优化了燃料电池核心部件的气液分布,提升了燃料电池的性能。本论文具体研究内容如下:（1）本课题利用有限元分析软件ANSYS构建PEMFC模型,选取三蛇形流场建模,并通过实验验证了模型的合理性。从增强流场的脊下对流和减小水淹的维度出发,在三蛇形流道的基础上设置流道数渐变的流场和正弦形流场。通过建立的CFD模型研究了基于三种流场的电池性能以及核心部件的气液分布,包括作为反应物输送的参数氢氧浓度、电流密度分布等以及作为水管理的参数膜含水量和含水饱和度等。结果表明3-2-1波形流场性能较传统三蛇形流场增强了脊下对流,使得电池净功率密度提升10.03%。（2）为解决平行流场气体分布不均、易水淹的问题,在平行流场的基础上增加了分配器和挡板,通过建立的CFD模型研究了基于新型流场的电池性能以及核心部件的气液分布,并通过VOF模型解释了不同倾角的挡板在优化水管理中的作用。结果表明改进后的平行流场性能较传统平行流场很好的解决了气体分布不均、水淹的问题,使得电池最大功率密度提升了29.5%。（3）采用正交实验方法,研究了燃料电池工作温度、工作压力以及阴阳极气体相对湿度四个因素之间的耦合对电池性能的影响,对功率密度和净功率密度基于极差分析法进行分析,实验结果表明,中电流密度区域的最佳工作条件为:温度为333 K,操作压力为1个大气压,阴阳极相对湿度分别为80%、100%。高电流密度区域最佳工作条件为:温度为353 K,操作压力为1个大气压,阴阳极相对湿度分别为20%、40%。