质子交换膜（PEM）燃料电池是一种高效、零排放的能量转换装置,其将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。水热管理是燃料电池内部传输过程和物理状态的统称,其直接决定了电池的输出性能和耐久性。物理模型和数据驱动模型是PEM燃料电池水热管理研究的两类主要方法,两者均具有其独特的特点和应用。本论文重点研究了PEM燃料电池物理模型和数据驱动模型的开发建立,应用于燃料电池水热管理。本论文中建立的三种模型,准二维动态模型、三维计算流体力学（CFD）模型以及数据驱动代理模型分别应用于电池层面、流场层面以及电极层面的水热管理研究和高效预测及优化。对于电池层面的水热管理研究,本论文建立了PEM燃料电池准二维非等温瞬态模型。为了能够获取物理场分布的同时保证较高的计算效率,本模型的传输机理依据准二维方法进行简化。沿垂直于极板方向的扩散是膜电极（MEA）中的主要传输机理,而流场中的传输过程简化为沿直流道的一维传输。模型考虑了传热传质过程、不同状态水间的转化、氮气跨膜输运和电化学动力学。该模型较三维计算CFD模型具有较高的计算效率,适用于PEM燃料电池瞬态过程的模拟。应用本模型对阳极循环工况下PEM燃料电池的瞬态特性进行了数值研究。模拟结果表明,对于阳极循环具有显著的自加湿效果,即电池性能提升;随后氮气跨膜传输并在阳极内积累,造成电池性能不断下降。增加阳极进气化学计量可以增强自加湿效果,降低电压衰减率,改善沿流道方向的电流密度分布不均,从而避免局部燃料饥饿。利用本模型进一步研究了阳极循环下吹扫策略的优化。对于基于电压的吹扫模式,本论文定义的吹扫间隔由相对于电压峰值的电压衰减率决定,最佳吹扫持续时间定义为,在吹扫过程中当电压开始下降时,吹扫停止。在模拟工况下,能量效率和燃料损失率都随着吹扫间隔的减小而增加。对于流场层面的水热管理研究,本文采用三维两相全电池模型进行流场设计,提出了一种点阵-斜挡板阴极流场板设计。流场板的肋为分散排列的,具有倾斜角度的点块矩阵构成;每个点块的顶面为菱形,其两个内部锐角分别指向进口和出口;每个点块在垂直于极板方向上的倾斜角度是由进口方向偏向出口方向,即加强了进气由流场到气体扩散层（GDL）的对流。利用所设计的点阵流场,建立了PEM燃料电池的三维全电池模型和流体体积法（VOF）模型,预测了PEM燃料电池电池的输出性能、内部输运过程和液态水在流场中的排出过程。仿真结果表明,点阵流场能有效提高电池输出性能,特别是在高电流密度区域。点阵流场的优点可以概括为增强了向GDL的氧气供给速率并改善了氧气的分布均匀性。对于电极层面的水热管理研究,本文提出了将三维物理模型和数据驱动模型相结合的数据驱动-代理模型框架。由PEM燃料电池三维物理模型的仿真结果建立数据库,用于训练数据驱动模型,从而形成代理模型。所建立的代理模型与物理模型具有相当的精度,但计算效率要高得多。因此代理模型可以替代物理模型,实现高效、准确的仿真。在应用方面,首先利用代理模型实现PEM燃料电池多物理场预测,即数字孪生。结果表明,预测的多物理场能够较好地反映了仿真结果中各物理场的主要分布特征。在所建立的数字孪生基础上,提出了PEM燃料电池健康运行包络图和PEM燃料电池状态图两种基于模型的设计方案,可以用于提前了解PEM燃料电池的健康运行范围,并将数字孪生嵌入到PEM燃料电池控制系统中。其次,将代理模型与随机优化算法结合,对PEM燃料电池催化层（CL）配比进行优化,以提高PEM燃料电池的输出最大功率密度。根据优化后的CL配比,代理模型预测的最大功率密度与物理模型仿真的最大功率密度的百分比误差仅为1.3950%,证明了所提框架的优化有效性。