质子交换膜燃料电池（简称PEMFC）因其清洁、高效、寿命长等特点而具有良好的发展前景,其中风冷金属双极板PEMFC具有机械性能好、重量轻、结构简单等优势,是PEMFC的一大重要发展趋势。然而由于多种极化的限制,风冷金属双极板PEMFC的实际能量转化效率远低于理论转化效率,因此,研究金属双极板的结构和燃料电池操作条件对提升其性能有重要意义。本文以风冷金属双极板PEMFC为研究对象,从其工作原理与结构特点出发,分析了工作过程中的能量转化与物质传输特性,进而搭建了基于Fluent的PEMFC仿真模型,并通过实验验证了该模型的准确性。在此基础上,采用数值模拟的方法重点研究了流道深度、金属双极板厚度等结构参数以及操作压力、氧气过量系数等工作参数对燃料电池内部的传热传质以及输出性能的影响规律。基于上述的研究,本文的主要结论如下:在金属双极板结构参数方面,流道深度对电池的输出性能和传热传质特性具有较大影响。其中在所研究的范围内,流道深度越小电池的输出性能越好,然而此时流道内压降越大,经综合评估得出0.6 mm为最佳流道深度;金属板厚度主要通过影响燃料电池的散热性能进而影响电池内部的温度分布,但对燃料电池输出电性能的影响较小,结合成本及其机械强度等因素,可确定0.1 mm为最佳的金属板厚度。在燃料电池操作条件方面,操作温度和氧气过量系数对燃料电池传热传质特性都具有较大的影响,当工作温度在313 K～353 K范围内,电池性能呈现先上升后降低的趋势,最佳工作温度范围为323 K～333 K;氧气过量系数对燃料电池的散热过程有重要影响,因此需要根据操作温度与环境温度选取实际的最佳过量系数。本研究采用数值模拟的方式,得到了一些实验较难获得的数据结果,并节约了大量的成本,为风冷金属板PEMFC的优化设计及运行提供了一定的参考依据。