近年来，环境恶化与能源匮乏问题日益严重，这使得绿色能源——氢能的开发利用和新型动力装置燃料电池的研究呈现出巨大的吸引力。质子交换膜燃料电池由于其工作温度接近常温、启动迅速、无电解液溢漏腐蚀问题等优点，近年来成为燃料电池领域中研究的焦点。本论文主要研究了操作条件对PEMFC性能的影响；通过建立数学模型，利用流体力学计算软件，对PEMFC进行了数值模拟；尝试性地利用离子液体对Nafion膜进行改性研究，以期改善膜在高温缺水状况下的性能。 论文研究了电池的操作温度分别为323K、333K、343K、353K、363K和373K时电池的性能，结果表明：温度对电池的性能影响特别明显，在温度低于343K时，动力学因素对电池性能的影响占主导地位，随着温度的提高，电化学反应催化剂的催化活性大大提高，同时温度升高增大了反应物和生成物在电极内部的扩散速度，增加了质子交换膜的质子传导性能，降低了电池的极化，因此电池的性能逐渐提高；但是当温度超过343K时，热力学因素对电池性能的影响逐步超过动力学因素的影响，电池的可逆电动势下降，且温度过高时质子交换膜的质子传导性能急剧降低，导致电池的性能急剧下降。 论文研究了H2压力固定为0．1MPa，空气压力分别为0．05MPa、0．11MPa、0．17MPa和空气压力固定为0．1MPa，H2压力分别为0．08MPa、0．14MPa时电池的性能，结果表明：空气压力的提高可以明显地改善电池性能，而H2压力的变化对电池性能的影响很不明显，说明阴极上的氧还原反应是整个电池反应的速率控制步骤，提高空气的压力，增大氧气的活性，就可以降低阴极的浓差极化，从而提高电池的性能。另外论文还研究了H2流量固定为5mL/s，空气流量分别为10mL/s、15mL/s、20mL/s和空气流量固定为15mL/s，H2流量分别为5mL/s、10mL/s、15mL/s时电池的性能，结果发现：PEMFC的淹没现象主要存在于阴极，增大空气流量可以加速阴极反应生成的水的排出，提高阴极的催化剂的利用率和扩散层的有效孔隙率，使PEMFC性能得到提高，而H2的流量对电池性能影响不大。因此优化阴极多孔介质的结构，降低阴极的极化效应是提高电池性能的关键。 论文利用流体力学计算软件中的PEMFC模块，模拟了操作压力为0．1MPa、H2流量为5ml/s、空气流量为15ml/s、温度分别为323K、343K、363K时电池的性能，通过对数值模拟的结果进行分析发现：（1）在电池内气体的压力梯度主要分布在气体流道内，沿着流道的方向压力梯度变化较大，而在电池的扩散层内传质阻力比较小，压力变化也不大，因此扩散层和催化层内气体的传递主要以沿着垂直于流道方向从流道扩散进催化层。（2）电池内速度主要分布在流道内，而在多孔介质的扩散层和催化层内速度迅速下降，这是扩散层的传质阻力造成的。阴、阳两极多孔介质内的流线都呈抛物线状，在阳极，靠近气体入口的地方有气体从扩散层内流出，这是未反应的气体传递出来；而在距离入口较远的地方，气体向催化层扩散，这是由于催化层内电化学反应导致气体浓度减小所致。在阴极，距离气体入口较远的地方，流线指向气体流道，这是反应生成的水和未反应的气体扩散出来。这样的流动方式有利于电池内电化学反应的进行。（3）在电池的欧姆极化中质子交换膜的电阻引起的欧姆极化占主导地位，而阴极的活化极化在所有的极化中占的比例最大，是电池内极化效应最严重的区域。因此在PEMFC的设计过程中，降低质子交换膜的欧姆电阻，改善阴极催化层和扩散层的结构，是改善电池性能的两个主要途径。 本论文中通过静置法将两种离子液体负载到Nafion膜上，以期使膜能够在温度高于353K、缺水甚至无水的情况下依然具有较好的质子传导性能，但是实验结果表明：此次尝试没有达到提高Nafion膜电导率，改善其在高温缺水状况下质子传导性能的预期目标。