21世纪以来,环境问题和能源短缺问题日益严重。因此,许多国家致力于发展可再生能源。其中,质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有对环境友好、功率密度高、工作寿命久等优点,被广泛运用到各个领域。双极板作为质子交换膜燃料电池重要的部件之一,具有气体分配、热量传输、排水、分隔电流的作用。流场结构的布置形式会影响燃料电池的输出性能,合理的流场结构可以提升质子交换膜燃料电池的输出功率密度,提高气体分布的均匀性,减少甚至避免水淹现象的产生。传统平行流场的燃料电池存在气体分布不均匀,水淹现象严重等问题。为了改善这些问题,本文提出了新型的双极板流场结构来强化PEMFC的传质能力。首先,提出了一种阶梯状双极板平行流场。通过逐渐减小流道截面积来提升气体扩散速率。研究了流道阶梯数量对PEMFC的极化曲线及内部氧气质量分数的分布、电流密度分布、液态水饱和度等方面的影响。结果表明:阶梯状流场的燃料电池输出性能均高于传统平行流场的燃料电池。阶梯状流场提升了气体浓度与电流密度分布的均匀性,加速了液态水的排出,缓解了水淹现象。与采用传统平行流场的燃料电池相比,阶梯状流场的燃料电池的功率密度提升了22.4%。其次,提出了一种锯齿状双极板平行流场。研究了波长与波幅对PEMFC的极化曲线及内部氧气质量分数分布、电流密度分布、液态水饱和度的影响。结果表明:锯齿状流场的燃料电池输出性能均高于传统平行流场的燃料电池。锯齿状的结构会对流道内的气体产生周期性的扰动,提升气体的速度,改善气体分布不均匀的现象,提升排水性能。在几种典型的流场设计中,Case6表现出了最佳的性能。对比传统平行流场,输出功率密度提升达到34.9%。最后,提出了一种渐变波浪结构的双极板平行流场。研究了不同尺寸的渐变波浪形平行流场内部氧气质量分数的分布、电流密度分布、液态水饱和度。结果表明:渐变波浪形平行流场的燃料电池输出性能均高于传统平行流场的燃料电池。渐变波浪结构可以有效的强化流场内部气体传输,改善水淹问题。这是因为渐变波浪结构会使气体产生纵向流动,从而提升了气体在流道内的流动速度,强化了肋下的气体传质,升了整体性能。与采用传统平行流场的燃料电池相比,渐变波浪形平行流场的燃料电池的输出功率密度提升了28.9%。