直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)能将甲醇中的化学能直接转化成电能,具有能量密度高、无需燃烧、不受卡诺循环限制等特点,而备受关注。本论文以DMFC的非均匀性设计与性能优化为研究对象,依次考察蛇形流道、网格状流道非均匀性设计对燃料电池内部流道、浓度场、电流密度场的影响机理。主要研究内容与结论归纳如下:(1)构建并优化描述DMFC性能转换过程的三维单相流数值模型。基于质量守恒方程、动量守恒方程、组分输运方程以及电化学方程,建立三维理论模型。利用有限体积法,建立三维数值模型。求解数值模型,并探讨网格相关性。基于DMFC实验结果,验证三维单项流数值模型有效性。(2)针对蛇形流道展开非均匀性设计,研究非均匀性设计对电池性能的影响规律与作用机理。提出一种用于描述和区分流道几何结构的参数化设计,并对不同流道设计下的DMFC性能进行数值和实验分析。数值计算结果表明,“渐缩型流道”有利于增强平面内的甲醇输运,在高电流密度条件下可提高12%的发电性能。多操作参数变化的实验研究中,证实了“渐缩型流道”对提高发电性能的有效性,在高温高电流密度的运行工况下,发电性能可提升至18.4%。(3)针对网格状流道展开非均匀性设计,探讨非均匀性设计对电池性能的影响规律和作用机理。基于对网格状流道内肋板大小和分布的考量,在原有“均分网格状流道”的基础上,设计出两种非均匀网格状流道(“渐变网格状流道”和“交错网格状流道”),并对不同流道结构下的DMFC进行数值分析。数值结果表明,非均匀网格状流道内的流速和速度分布均匀度均高于“均分网格状流道”,高速有利于增强面与面之间的甲醇运输,提高甲醇的浓度与分布均匀度,从而提升电流密度。在多操作参数变化的数值模拟中,发现网格状流道更适合在高压与中等甲醇浓度的条件下工作。