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质子交换膜燃料电池是一种能够将化学能直接转化为电能的清洁发电装置，由于其反应产物清洁，且反应物可再生，发电效率高，因此被人们认为是非常具有潜力的可再生能源发电装置。对于质子交换膜燃料电池，在阳极，以氢气作为燃料气体，而在阴极，氧气或空气作为氧化剂气体。氧气和氢气分别在阴阳极催化剂的作用下发生化学反应从而产生电能发电。
对于质子交换膜燃料电池研究的最终目的是提升电池的性能输出，同时改善其水热管理以及减少电池在工作过程中的能量损耗。在质子交换膜燃料电池中，流场板起着分配反应物以及收集电流的重要作用。在流场板上面，分布着很多流道以供反应物和生成物的输运。流道结构的优劣能够很大程度上影响电池内部的反应物输运过程以及生成物的排出，从而决定了电池性能的好坏。为了强化反应物从流道向膜电极内的传输，一些学者提出在垂直于气体扩散层表面的方向上对流道展开设计，其中最具代表性的设计就是导流式流道结构。在这种流道结构中，人们尝试在传统均一截面的流道中加入导流板结构，从而实现对反应物和生成物的流动和传输过程的引导作用。虽然这种流道结构能够很大程度上强化反应物的传输并提升电池性能，但是同样也会造成流道内部的流动阻力提高，进而使反应物的输运过程中产生很严重的能量损失，因此会导致电池净功率输出的降低。
由于导流式流道内部结构的复杂性会导致反应物和生成物的流动和传质过程不同于传统流道，因此电池内部很多关键热物理问题还尚不明确。因此，本文针对带有导流式流道结构的质子交换膜燃料电池展开研究，建立适用于导流式流道结构的质子交换膜燃料电池模型，开展电池内部物质流动和传输特性以及电池性能和能量损耗的数值模拟研究，并以提升电池净功率输出为目标，对传统导流式流道进行改进。除此之外，对带有导流式流道结构的质子交换膜燃料电池性能输出以及电池内压降变化规律展开实验研究。具体工作内容如下:
对于带有导流式流道结构的质子交换膜燃料电池而言，导流板与气体扩散层交界面处的流动空间非常小，因此会导致流速显著提高，从而流动过程偏离微小通道内的达西定律，而非达西流会出现，此时，惯性力作用将变成影响流动的作用力之一而不可忽略。因此，对传统双流体模型进行修正，将非达西效应考虑到模型当中，并提出了全新基于非达西流的修正双流体模型。通过验证可以发现，当考虑非达西效应之后时，修正双流体模型与实验数据的吻合度更好，特别是在研究导流式流道结构时，能够给出更准确的计算结果。
利用数值模拟技术探究不同导流板结构对导流式流道结构内部传质过程、电性能以及泵功率的影响。模拟结果表明:在典型导流板结构中，矩形导流板结构对反应物的传质强化和电池性能提升效果最明显，但是矩形导流板结构也会造成极高的泵功率，从而使电池的净功率输出降低。除此之外，对传统导流板结构进行改进，以强化反应物的传质和降低泵功率为目标提出一种全新的导流板结构。通过研究发现，该种导流板结构既能够继承矩形导流板的优点，又能够降低泵功率，从而实现电池的净功率和电池能量效率的进一步提升。
此外，对这种导流式流道结构内部的沿程阻力以及局部阻力大小进行了计算，发现对于导流式流道结构，将导流板的迎风面设计成流线型可以降低导流板位置的局部阻力，同时，避免导流板的背风面出现突扩段也可以降低导流板带来的局部阻力。采用表面粗糙系数较低的材料来加工电池的流场板可以降低流道内部的沿程损失。
利用数值模拟技术探究了质子交换膜燃料电池流道内部反应物从流道向气体扩散层内的传质过程。模拟结果表明，对于反应物从流道向气体扩散层内的传质过程，扩散传质通量占总传质通量的70％以上，而对流传质仅占30％左右;当流道内部安装导流板结构时，扩散传质通量能够提升5％。因此，在反应物从流道向气体扩散层内的传质过程中主要依靠扩散传质。
提出了一种全新的导流板结构设计方式:在导流板和气体扩散层之间的空隙放置多孔挡板，从而使反应物被强制输运到气体扩散层中，进而使更多的反应物进入催化剂层参与化学反应。该设计虽然会强化反应物的传质，进而提升电池性能，但是同样也会造成很高的泵功率。然而，通过改变多孔挡板的孔隙率可以实现既能提升电池的性能又可以使泵功率不至于过高，进而提升电池的净输出功率。
利用自行搭建的实验系统研究了导流式流道结构对质子交换膜燃料电池性能以及进出口压降变化的影响。研究表明:导流板结构能够在合适的电池温度和反应物流量条件下提升质子交换膜燃料电池的性能，当导流板尺寸较小时，反应物流量增大到一定程度后，电池性能的提升将会受限，但是如果使用较大尺寸的导流板结构，增加反应物流量电池性能提升将不会受限;导流式流道结构会造成电池进出口压降增大，但是可以通过改进导流板的形状和尺寸来避免压降过大的情况;延长导流板的背风面长度可以避免导流式流道结构内压降过大，同时也可以使电池进出口压降很快达到平稳状态。
对于质子交换膜燃料电池研究的最终目的是提升电池的性能输出，同时改善其水热管理以及减少电池在工作过程中的能量损耗。在质子交换膜燃料电池中，流场板起着分配反应物以及收集电流的重要作用。在流场板上面，分布着很多流道以供反应物和生成物的输运。流道结构的优劣能够很大程度上影响电池内部的反应物输运过程以及生成物的排出，从而决定了电池性能的好坏。为了强化反应物从流道向膜电极内的传输，一些学者提出在垂直于气体扩散层表面的方向上对流道展开设计，其中最具代表性的设计就是导流式流道结构。在这种流道结构中，人们尝试在传统均一截面的流道中加入导流板结构，从而实现对反应物和生成物的流动和传输过程的引导作用。虽然这种流道结构能够很大程度上强化反应物的传输并提升电池性能，但是同样也会造成流道内部的流动阻力提高，进而使反应物的输运过程中产生很严重的能量损失，因此会导致电池净功率输出的降低。
由于导流式流道内部结构的复杂性会导致反应物和生成物的流动和传质过程不同于传统流道，因此电池内部很多关键热物理问题还尚不明确。因此，本文针对带有导流式流道结构的质子交换膜燃料电池展开研究，建立适用于导流式流道结构的质子交换膜燃料电池模型，开展电池内部物质流动和传输特性以及电池性能和能量损耗的数值模拟研究，并以提升电池净功率输出为目标，对传统导流式流道进行改进。除此之外，对带有导流式流道结构的质子交换膜燃料电池性能输出以及电池内压降变化规律展开实验研究。具体工作内容如下:
对于带有导流式流道结构的质子交换膜燃料电池而言，导流板与气体扩散层交界面处的流动空间非常小，因此会导致流速显著提高，从而流动过程偏离微小通道内的达西定律，而非达西流会出现，此时，惯性力作用将变成影响流动的作用力之一而不可忽略。因此，对传统双流体模型进行修正，将非达西效应考虑到模型当中，并提出了全新基于非达西流的修正双流体模型。通过验证可以发现，当考虑非达西效应之后时，修正双流体模型与实验数据的吻合度更好，特别是在研究导流式流道结构时，能够给出更准确的计算结果。
利用数值模拟技术探究不同导流板结构对导流式流道结构内部传质过程、电性能以及泵功率的影响。模拟结果表明:在典型导流板结构中，矩形导流板结构对反应物的传质强化和电池性能提升效果最明显，但是矩形导流板结构也会造成极高的泵功率，从而使电池的净功率输出降低。除此之外，对传统导流板结构进行改进，以强化反应物的传质和降低泵功率为目标提出一种全新的导流板结构。通过研究发现，该种导流板结构既能够继承矩形导流板的优点，又能够降低泵功率，从而实现电池的净功率和电池能量效率的进一步提升。
此外，对这种导流式流道结构内部的沿程阻力以及局部阻力大小进行了计算，发现对于导流式流道结构，将导流板的迎风面设计成流线型可以降低导流板位置的局部阻力，同时，避免导流板的背风面出现突扩段也可以降低导流板带来的局部阻力。采用表面粗糙系数较低的材料来加工电池的流场板可以降低流道内部的沿程损失。
利用数值模拟技术探究了质子交换膜燃料电池流道内部反应物从流道向气体扩散层内的传质过程。模拟结果表明，对于反应物从流道向气体扩散层内的传质过程，扩散传质通量占总传质通量的70％以上，而对流传质仅占30％左右;当流道内部安装导流板结构时，扩散传质通量能够提升5％。因此，在反应物从流道向气体扩散层内的传质过程中主要依靠扩散传质。
提出了一种全新的导流板结构设计方式:在导流板和气体扩散层之间的空隙放置多孔挡板，从而使反应物被强制输运到气体扩散层中，进而使更多的反应物进入催化剂层参与化学反应。该设计虽然会强化反应物的传质，进而提升电池性能，但是同样也会造成很高的泵功率。然而，通过改变多孔挡板的孔隙率可以实现既能提升电池的性能又可以使泵功率不至于过高，进而提升电池的净输出功率。
利用自行搭建的实验系统研究了导流式流道结构对质子交换膜燃料电池性能以及进出口压降变化的影响。研究表明:导流板结构能够在合适的电池温度和反应物流量条件下提升质子交换膜燃料电池的性能，当导流板尺寸较小时，反应物流量增大到一定程度后，电池性能的提升将会受限，但是如果使用较大尺寸的导流板结构，增加反应物流量电池性能提升将不会受限;导流式流道结构会造成电池进出口压降增大，但是可以通过改进导流板的形状和尺寸来避免压降过大的情况;延长导流板的背风面长度可以避免导流式流道结构内压降过大，同时也可以使电池进出口压降很快达到平稳状态。