随着社会经济的飞速发展,化石燃料被大量消耗,相应的环境污染问题日趋严峻。如何减少化石燃料的消耗、实现能源的高效清洁利用,成为人类所面临的世纪难题。燃料电池可将储存在燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能,因其不受卡诺循环限制、能量转化效率高、对环境无污染而被认为是最有前景去替代传统供能装置的能量转换装置。其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）除具有燃料电池的一般优势外,还具有工作温度低、无电解液流失、比功率高、启停响应快等突出优点而受到广大研究者的重点关注。本文结合PEMFC工作特点,从电池操作参数和材料物性参数两个方面利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对电池的水热管理进行了数值模拟研究。首先围绕PEMFC工作运行中复杂的“三传一反”过程,以基本流体力学模型和电化学反应模型中的各守恒方程为理论基础,建立了一个三维稳态PEMFC模型,并通过与前人实验结果对比以验证其正确性。结果表明在相同的条件下模拟结果与实验结果吻合性较好,电流密度和电解质平均温度最大误差分别为2.05%和0.6%,证明建立的数值模型正确并可用于后续的研究。然后通过控制PEMFC阴极GDL孔隙率研究了电池材料物性参数对燃料电池性能的影响。分别构建了四种孔隙率沿电池厚度方向变化和六种孔隙率沿电池长度方向变化的阴极GDL模型。研究了不同阴极GDL孔隙率对燃料电池性能的影响。结果表明,电池所能达到的极限电流密度与GDL平均孔隙率大小成正比,与孔隙率梯度基本无关。阴极GDL孔隙率梯度的存在可以有效改善电池内部物质（水和氧气）和电流分布的均匀性。燃料电池进口气体合适的湿度条件可以有效优化电池的水热管理,进而影响电池的输出性能。综合考虑,本文通过控制进口气体加湿温度来研究操作参数对燃料电池性能的影响。使阴、阳极进口气体加湿温度在313.15—363.15 K间变化,研究了对称加湿和非对称加湿时加湿温度对燃料电池性能的影响。发现对于对称加湿模型,加湿温度对电流密度和电池温度的影响存在一阈值,在本文所研究的加湿温度范围内,最佳进口气体加湿温度为333.15 K。对于非对称加湿模型,在高工作电压下,提高电池阴、阳极进口气体加湿温度均有助于提高电池性能,且改变阳极气体加湿温度对电池性能的影响更大,改变阴、阳极加湿温度电流密度分别增大了43.7%和58.4%;在低工作电压下,加湿温度对电池性能的影响发生改变,电流密度随加湿温度的增大而降低,且改变阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大,改变阴、阳极加湿温度电流密度分别降低了19.7%和1.3%。