质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是一种高效能量转化装置,将储存在氢氧燃料中的化学能直接转化为电能。燃料电池不但具有质量轻、能量密度高、噪音低、无机械部件磨损等优点,而且具有环境友好、零排放、低红外辐射等优势,已成为一种可靠的动力源,广泛应用于民用和军事领域。燃料电池的水、热、气管理对于电池的性能具有十分重要的影响,因而优化电池设计,强化电池内反应气体的质量传输,提高电池的气场、热量以及水分管理水平,是质子交换膜燃料电池发展的关键。论文围绕质子交换膜燃料电池,研究并分析电池中水、热、气场管理水平与其性能之间的关系,发展了燃料电池的水/热/气强化理论和方法,并进行了数值模拟和实验验证。通过提高电池的气场管理水平,强化反应气体质量传输可以提高电池性能。本文采用数值模拟和实验方法,研究燃料电池流道加凸台对电池性能的影响。结果表明,数值模拟与实验结果相吻合,流道中加凸台可以强化流道内气体质量传输;矩形凸台优于半圆形凸台;凸台数量越多,电池性能提升越明显,且阴极侧加凸台对电池性能影响尤为显著。通过对反应气体对流传质中速度矢量和浓度梯度之间的夹角分析表明,流道中增加凸台能有效减小此夹角。结合场协同原理,证明在凸台的扰流作用下,增强了速度矢量与浓度梯度之间的协同,强化了气体的对流传质作用,并提出采用有效传质系数来衡量电池的传质能力。电池的热管理是制约电池发展的又一重要因素。通过建立三维燃料电池模型,研究单电池工作温度353 K时,不同冷却水雷诺Re数,不同电流密度,不同相对湿度下的温度分布特性,并采用热阻网络法分析验证电池内部温度分布特性。结果显示,相对湿度对电池的性能和温度分布有较大影响;电池中最高温度位于阴极扩散层与催化层界面;且受冷却水温度控制,气体出口温度不会出现剧增,均在合理的范围内。但电流密度2 A·cm-2,相对加湿度100%时,电池内会出现局部温度过高,需通过降低冷却水入口温度来使电池维持在合理工作温度范围内。同时,结合实验研究,分析反应过程中水-水蒸气相变对电池堆热平衡的影响。相变热量对电堆热平衡的影响不可以忽略。电池加热过程中,通过提高冷却水流量来提高对流换热热量;电池冷却过程中,电池的热平衡系数可达到1.0。但在高电流密度下,电池膜电极与冷却水之间存在较大的温差,需要高导热系数的双极板来提升电池温度的均一性。燃料电池反应过程中水-水蒸气相变使热管理和水管理相互耦合、相互制约。第四章考察不同流道模型,流道内液态水的运动特性。开口系统中,阴极流道中液态水随尾气一起吹离电池堆。模拟结果表明,入口空气流速越大,液滴移除的速度越快。对于不同的表面润湿性,疏水性流道更有利于系统的排水。而闭口系统中,渐变疏水角表面,可以使液滴在不依靠外力的作用下,依靠初始动能和表面能克服粘滞力做功自发地脱离流道。相对于传统流道,变接触角疏水流道中液态水的移除时间大大缩短,由17.79 ms和11.33 ms减少至9.84 ms,液滴移除时间最高可减少44.7%。考虑液滴运动过程中发生相变,液态水在亲水流道中运动较快,但会减小扩散层有效扩散面积。同时,通过三维瞬态模型,采用用户自定义边界条件,模拟电池阴极脉冲吹扫过程。结果发现脉冲吹扫能有效减少流道入口区域水分的积聚,对提升电池性能有积极作用;电池电压和阴极流道内的水分分布对脉冲吹扫即时响应,其他区域的响应则有延迟。将强化流道质量传输与优化流道水传输性能相结合,本文设计了三维流道结构,研究三维流道的气体流动特性,水传输特性,以及三维流道电池的运行特性。结果表明,三维流道可以有效实现“水、气分离”,气体流道内的水分可以部分通过流道间隙排出到电池外。三维流道结构强化了流道内反应气体的质量传输,电池性能有大幅度的提升。此外,不同的流道末端倾角对电池性能影响不大,但是较大的末端倾角会导致流道较大的压降;三维流道结构还会造成反应气体的浪费,尾气需循环使用。电池传质或水管理不佳时,会导致“水淹”或电池“饥饿”,从而引起电池电压的异常,加快碳腐蚀速率,造成电池电化学性能降低。通过模拟计算电池的电位,研究电池处于不同运行工况时,电池的固相电势,膜相电势变化,分析电池腐蚀程度,为抑制碳腐蚀提供指导意义。并且基于热力学角度,根据碳腐蚀反应的化学平衡常数,考察不同操作条件对电池碳腐蚀速率的影响。计算结果表明,降低工作温度、提高系统压力、减小过量系数以及降低反应气体相对湿度能有效减缓电池的碳腐蚀反应速率。本文采用数值模拟与和实验相结合,基于强化传质,深入研究了燃料电池流场优化以及水热管理,结果对电池流场结构设计和系统优化有一定的指导意义。