质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)能量转换效率高，环境友好，可室温下快速启动，已成为燃料电池研究中的主流。但目前燃料电池还处于研究阶段，它的一些机理和关键问题还没有解决，其中传质传热过程参数对电池性能有怎样的影响，就是其中一个长期研究，但仍未最终解决的问题。 本文针对整体燃料电池，通过计算流体力学软件Fluent建立了三维、两相、非等温稳态模型，对质子交换膜燃料电池内部的传质传热过程进行了模拟与分析。 首先，描述了质子交换膜燃料电池的数学模型，包括流动、传热与传质、电化学反应和水传递等模型。 其次，建立平行流场质子交换膜燃料电池几何模型，在三维、两相、非等温模型的基础上，将模拟值与实验值进行比较。结果表明，模拟值与实验值吻合较好。分析了电化学参数，主要是参考体积交换电流密度和传递系数对电池性能的影响。分析了阴极参考体积交换电流密度和阴极传递系数对电池内传递过程的影响，包括气体传递特性、局部电流密度、膜中水传递、膜的质子电导率以及温度场的分布。结果表明，阴极参考体积交换电流密度和阴极传递系数对电池性能的影响程度远高于阳极参考体积交换电流密度和阳极传递系数；且随着阴极参考体积交换电流密度和阴极传递系数的增加，电池性能不断提高；在较高电压，较小电流密度时，阴极参考体积交换电流密度或阴极传递系数的增加对氧气质量分数分布及局部电流密度分布影响较小；在较低电压，较大电流密时，阴极参考体积交换电流密度或阴极传递系数的增加，均可改善电池的气体传递特性及局部电流密度分布。其中阴极传递系数增加，使得催化剂层与膜界面的氧气质量分数分布呈先减后增的趋势；阴极参考体积交换电流密度或阴极传递系数的增加，使得膜中含水量分布不再均匀。在电压较低，电流密度较大时，阴极传递系数的增加，使得膜中水含量呈先增后减的趋势；阴极参考体积交换电流密度或阴极传递系数的增加，对电池温度分布影响很小，但温度梯度有所增加。 最后，为考查楔形流场质子交换膜燃料电池内的气体传递、组分分布、膜内水传递、温度分布及电池性能，在三维、两相、非等温模型的基础上，对楔形流场质子交换膜燃料电池建立了两种几何模型，运用Fluent软件中的PEM模块分别对其进行模拟分析，并将其结果与平行流场的情况进行了比较和分析。模拟结果表明：相对于平行流场，楔形流场可在多孔介质内产生一定的对流及提高扩散作用，特别是在低电压高电流密度的情况下，提高了组分在反应界面的相对浓度，减小了电池的浓差极化损失，使反应界面局部电流密度的分布更均匀；楔形流场对质子交换膜内水传递有一定影响，由于多孔介质内的对流及扩散作用，使得质子交换膜阴极侧的水含量降低，因此其质子电导率低于平行流场；在低电压高电流密度时，楔形流场质子交换膜膜的质子电导率的降低，导致膜内产生较高的欧姆热，但由于多孔介质中的对流与扩散作用以及膜阴极侧局部电流密度分布更均匀，因此并未造成较高的温度分布；由于电化学反应热和质子交换膜欧姆热的作用，电池内的最高温度发生在质子交换膜阴极侧，最低温度出现在集流板肋部对应的流道进口处；楔形流场质子交换膜燃料电池的性能由氧气浓度和膜中质子电导率的相互作用决定。