氢能被誉为21世纪最有潜力的能源,其氧化产物只有水,清洁无污染。燃料电池是氢能的主要应用方式,为了实现较高的效能,需要一系列的设备辅助完成水热管理。这使得其在某些应用场景如3C供电、无人机、户外移动电源上不得不采取一些取舍:舍弃寄生设备,直接将阴极暴露于空气中。自呼吸燃料电池的概念应运而生,因为缺少阴极状态控制,自呼吸电池的性能极易被外界因素影响。为了探究操作条件与电池特性之间的关系,并且避免板式电池的结构缺陷,本文就自呼吸燃料电池的工作特性开展了实验与仿真相结合的研究。设计了三种结构的燃料电池并对电池的膜电极接触特性进行了分析,选用控制电压法来测量电池的极化曲线,并结合长时间运行曲线来分析电池的输出特性。环境湿度的增加、阳极流量的降低,都会通过增加电解质水含量、降低内阻而提高电池性能。板式电池阴极的不同朝向对于电池的极化曲线和长时间曲线有着截然相反的影响。进行了管式与板式自呼吸电池的对比实验和结构对比分析。因为管式电池的接触更好,热容更小,较板式电池的输出电流提升了20～40%。对于不同的外部对流强度,强制对流可以降低电池温度,保持边界层内水活性提高电流密度。长时间的恒电压输出会对膜电极的性能造成小幅衰减,但是可以通过在不同电流下活化一段时间消除不利影响。对于管型电池的瞬态特性利用COMSOL进行了多物理场耦合仿真,计算了大空间、温度与浓度共同影响下的阴极自然对流情况。环境因素对于电池性能的影响主要发生在温度、速度和浓度边界层内,确定了温度对于阴极自然对流的贡献约占75%,浓度贡献约占25%。对于电池的瞬态特性做出了分析,发现影响电池性能的主要是电池的温度和电解质水含量。