近年来,随着汽车尾气的排放和大量化石燃料的燃烧,环境污染问题越来越严重,人们迫切需求一种新型的低污染或无污染的替代能源来解决当下的环境污染问题;其中质子交换膜燃料电池因能量密度高、工作温度低、无污染等优点成为了广大科研工作者的研究热点。本文基于质子交换膜燃料电池的理论研究,进行了以下工作:(1)基于质子交换膜燃料电池的质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程和传质方程等,建立了直流道矩形截面的质子交换膜燃料电池数值模型并进行数值仿真研究;结果表明在相同的操作参数下此仿真结果与公开发表的实验结果相吻合,证明建立的数值模型正确并可用于后续的研究;(2)采用前述的仿真方法,再分别建立梯形、长圆形截面流道的PEMFC模型,并设置相同的操作参数,研究不同流道截面对电池整体温度分布、横贯电极方向温度分布、膜内温度分布以及对电池输出性能的影响,从而得到使电池膜内温差最小、输出性能相对最优的流道截面;(3)以矩形截面流道为基础,分别建立了3种不同气体扩散层厚度的对称气体扩散层PEMFC模型和6种非对称气体扩散层厚度的PEMFC模型,研究了9种模型对电池内部的温度分布和输出性能的影响,得出了使电池内部温度分布和输出性能相对最优的对称气体扩散层厚度和非对称的阴极、阳极气体扩散层厚度;(4)以阴极、阳极气体扩散层厚度分别为0.19mm和0.29mm为基础建立PEMFC数学仿真模型并进行数值仿真,研究了不同进气方式、周期性进气、阴极流道空气流速对PEMFC内部温度分布和输出性能的影响;研究结果表明交替进气方式能改善电池的最高温度位置和适当提高电池的输出性能,周期性交替进气能明显改善电池内部的温度分布,提高阴极流道空气流速能明显的降低电池内部的温度分布和提高电池的输出性能,但是当空气流速继续增大时,电池的输出性能反而下降。