质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为是未来最有前途的动力源设备之一。双极板充当燃料电池堆中各单电池的连接组件,同时输送反应物排出生成的水,还起到收集电流和支撑膜电极的作用,因此双极板流场的优化研究广受关注。本文首先使用单相假设的计算流体动力学（CFD）模型仿真分析了4种不同弯管处布置和流向的蛇形流场PEMFC;并在此基础上比较了基于两相流的蛇形流场PEMFC在中高电流密度工况下的不同性能体现;最后还优化了入口气体相对湿度的方案。以下是本文的主要研究内容:首先在单相假设下仿真分析了传统布置的蛇形流场PEMFC,通道下方膜上氧含量高,电流密度反而低,这是因为气体扩散层中活化损失的增加对催化活性的影响大于氧浓度的降低。肋下方的氧浓度虽然较低,但活化损失较高,因此肋下仍可以获得较高的电流密度。为了提高肋下的电流密度,有必要加强氧气的扩散,加速水流的排出。接着,比较了4种不同弯管布置和流向的蛇形流场,结果表明弯管处不重合的蛇形流场膜表面的电流密度标准方差比弯管处重合的蛇形流场布置形式低6.25%,阴阳极气体顺流的蛇形流场膜上水含量的标准方差比逆流蛇形流场低12.6%。因此弯管处不重合且顺流的蛇形流场布置形式在电流密度和含水量分布均匀性方面具有较好的优势。其次,通过两相流模型的数值结果和单相流模型结果进行对比,发现高电流密度区域,两相流模型显示出了浓差极化,因此燃料电池在高电流工况下不能由单相流模型简单计算,而是应采用两相流模型进行数值模拟,使数值结果更接近于实际的工作状态。同时发现基于两相流的CFD模型结果表明水含量的变化特征相比较单相流模型具有显著的差异。最后针对水含量差异的特征,采用两相流模型对弯管处不重合且顺流的蛇形流场PEMFC入口气体的加湿度进行了优化研究,从整体的极化特征上来看,阴极入口50,60,70%加湿时,可以获得最高的功率密度,大小约为0.44W/cm~2;但是阴极70%加湿时在电流密度和膜上水含量分布均匀性方面表现最佳。在未来的实际应用中,对于大尺寸多通道蛇形流场PEMFC,建议采取阴极70%加湿,弯管处不重合且顺流的蛇形流场布置形式。