电极是质子交换膜燃料电池(PEMFC)中最重要的组成部分之一。对电极结构及操作条件进行优化不但可以提高电池性能,而且可以降低电池成本。所以对电极及操作条件进行优化是加速质子交换膜燃料电池商业化的重要途径。用实验方法研究电极的结构与电池性能的关系成本高、难度大,且难以分清各因素对电池性能的影响。因而计算机模拟成为研究电极结构参数对电池性能影响的重要辅助工具。本论文通过建立微观结构的电极模型优化电极组成、电极结构及电池操作条件来提高电池性能。我们改进了现有Pore-Solid两相随机格点模型,去除了模型中普遍存在的悬浮在空气中的固相格点,使模型更接近实际。通过模拟对比,我们首次证明去除悬空格点是建立电极正确模型的必要步骤。基于此模型我们研究了电极孔隙率、质子导体电导率、进料气体浓度、催化剂和离子聚合物在电极厚度方向上的分布以及定向电极结构对电池性能的影响。为了解决P-S模型不适用于低孔隙率电极的问题,我们首次建立了C-IP两相随机格点模型,使模拟结果与实验值更好相符。我们模拟了电化学反应发生的位置、气体进料浓度、离子聚合物电导率及分布方式对电池性能的影响。模拟结果显示随着电流密度的增大,电化学反应的限制因素由质子传递变为气体传递,所以最大反应速率由M-CL界面向CL-GDL界面转移。非均匀分布的电极(靠近膜一侧离子聚合物体积大,靠近扩散层一侧孔隙率高)在高电流密度时性能比均匀分布电极好。为方便反映实际催化剂颗粒近似为球形且粒度不等的特点,我们建立了一个微观非格点模型来模拟PEMFC阴极。基于此模型我们首次研究了催化剂载量、Pt/C的平均粒径、电极厚度、气体进料压力及离子聚合物电导率对电池性能的影响。模拟结果显示,适度粒径的Pt/C颗粒有利于提高电池性能。上述模型中我们研究从优化电极的组成、厚度以及操作条件等方面来提高电极性能的方法,为了研究Pt/C团簇团聚度及团聚方式对电极性能的影响我们首次建立了微观团簇模型。模拟结果显示,沿电极厚度方向上完全定向的电极结构电池性能最好。