质子交换膜燃料电池(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell)的气场模拟可以为气场的优化设计提供科学的理论指导，对燃料电池进行有效的水管理可以使质子交换膜处于良好的润湿状态，同时又不使电极水淹，提高燃料电池的性能。 本文首先描述了一个用于模拟PEMFC工作过程的数学模型，模型考虑了流体的流动、多孔介质中的气体扩散、水的相变、水在质子交换膜中的传递以及电化学反应。研究的区域包括阴极和阳极的流道、扩散层、催化层和质子交换膜。采用统一的数学方程描述整个区域内的传递现象，用不同的源相和相应的物性参数描述不同性质的层。 然后，利用计算流体动力学软件Fluent对燃料电池堆进气箱和阴极流场进行了气场模拟。对进气箱的模拟结果表明，采用扩压型进口加流线型挡块的方案可以提高出口速度的均匀性，同时降低了进气箱入口所需的气体压力。对阴极流场的模拟结果表明，蛇形流场催化层与扩散层交界面处的氧气浓度比点状流场的对应值高，而该交界面上水蒸汽浓度比点状流场的对应值低，同时蛇形流场扩散层中间的气体速度比点状流场对应值高，但进口气体所需的压力高得多。 最后，利用Fluent软件的燃料电池模块求解传递方程组和电化学动力学方程，获得了质子交换膜中的水分布和电流密度分布、阴极催化层上的液态饱和度和氧气浓度分布、穿过膜电极方向水蒸汽的浓度和燃料电池的性能曲线。讨论了质子交换膜燃料电池运行电流密度和温度、阴极和阳极加湿温度、气体扩散层孔隙率等参数对以上结果的影响。结果表明，随阴极加湿温度的提高，在低电流密度运行时膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高，在高电流密度运行时扩散层中液态饱和度增加，燃料电池性能下降；随阳极加湿温度的提高，膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高；随燃料电池运行温度的提高，扩散层中液态饱和度下降，燃料电池性能提高；随气体扩散层孔隙率增加，气体扩散层阻力减小，燃料电池性能提高。