质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高效率、洁净、工作温度低等优点,被公认为是氢能源技术的重点方向。为了研究氧气替代空气之PEMFC的输出静特性,深刻认识引起其输出特性差异的机理,本论文对其进行了建模仿真和实验研究,优选了操作参数并分析了净功率收益。论文基于经验模型分别建立了阴极通入空气与氧气的PEMFC数学模型,并借助Matlab/Simulink平台对其输出静特性及其特性差异的内在机理进行了仿真分析;自制了一颗反应面积为5.29cm2的PEMFC,以此为实验对象验证了仿真结果,优选了化学剂量比和工作温度。研究结果表明:(1)所建立的数学模型与实验结果重合度好,该模型可为用氧气替代空气PEMFC的静态输出特性预测提供依据;(2)氧气替代空气可大幅度提升输出功率,在通常操作电压0.6V~0.8V区间,输出功率增加一倍以上,并呈现出电压越高增幅越大的规律;(3)以氧气替代空气时,PEMFC输出功率增加的内在机理在于阴极端氧气浓度的提升使:(a)热力学电动势增加,(b)活化极化作用降低,(c)在0.6V~0.8V区间,并未出现明显的浓差极化;(4)较优的操作条件为:温度50℃、氢气化学计量比1.0、氧气化学计量比为2.0;(5)在优选条件下,以氧气替代空气作为PEMFC的氧化剂可获得明显的净功率收益,且氧气的化学剂量比越低,电压越高,净功率收益越大;在氧气化学剂量比2.0、电压0.75V时,能够达到1.4倍。实验研究和功率收益分析验证了氧气替代空气在优选的操作参数下,能显著提升PEMFC的输出静态性能,并获得可观的功率净收益。因此,研究对于提升PEMFC的输出特性具有重要意义和应用前景。