燃料电池能够将化学能直接转化为电能,具有噪音小,反应产物无污染等特点,是一种新型的发电技术,有助于克服对石油等一次能源的依赖。同时其不受卡诺循环的限制,能源利用率高,是最有前途的能量转换装置之一。随着海拔高度的上升,空气含氧量及环境温度同时下降,风冷质子交换膜燃料电池（PEMFC）的输出功率受到较大限制,研究风冷PEMFC的运行特性及高海拔条件下的运行机制具有重要意义。本文首先建立风冷PEMFC单电池仿真模型,从氧浓度分布、电流密度分布、水浓度分布以及温度分布四个方面,分析了质子交换膜燃料电池内部物理场的稳态分布特性,比较了不同负载下各物理场分布的差异,并通过动态模型分析了负载突变时电池的动态响应特性。由模拟结果可知,增大阴极过量系数及操作压力能够有效缩短电池动态响应时间,提升电池动态性能。以单电池稳态模型为基础,进一步研究了风冷PEMFC在高海拔条件下的运行机制,分析了进气温度、操作压力及阴极过量系数对电池性能的影响。海拔高度从0 m上升至4000 m,相同进气温度下电池输出性能下降10.0%,当进气温度随海拔的升高而同时降低时,电池输出功率下降25.6%。增大阴极过量系数有助于增加反应物浓度,提升电池输出性能,同时减小电池内部温差。最后,从传热的角度对风冷PEMFC电堆的温度分布特性进行了研究。建立简化的风冷PEMFC电堆模型,计算并比较了稳态条件下三种不同换热方式的换热量,通过引入温度均匀性指标（TUI）评估电堆的温度分布均匀性。结果表明:电堆运行过程中,自然对流换热强度及辐射换热强度远低于强制对流换热强度,强制对流换热占据主导地位。电流越大,电堆的平均温度越高,温度分布均匀性也越差。当电流密度为635 m A·cm-2时,阴极过量系数由60增大至180,电堆中部区域的TUI下降65.4%。增大阴极过量系数能够有效降低电堆平均温度,并提升电堆温度均匀性。