自工业革命以来,随着化石能源等传统能源的大量开采和利用,能源枯竭和环境污染成为当今世界所面临的两个重大问题。以氢气为原料的燃料电池将化学能直接转化为电能,因具有能量转化效率高、运行工况噪声低和反应产物无污染等优点,被大家普遍认为是一种极佳的传统能源替代方案。目前,氢燃料电池在汽车领域得到了足够的重视,其很好的改善了目前锂离子电池汽车充电速度慢,安全性能较低以及温度影响大等问题,但因其在乘用车的应用中存在输出性能不足等缺陷,使大范围推广应用受到了一定阻碍。本文基于双头蛇形流场氢燃料电池模型,研究不同输出电压下电池内的物质分布情况及几何结构和不同条件（压力、加湿率、扩散层孔隙率）对电池输出性能的影响。本文的主要内容如下:首先,基于燃料电池流体力学基本控制方程、燃料电池动力学、热力学理论,在COMSOL中建立双头蛇形流场单体燃料电池稳态计算模型,并进行物理参数和边界条件的定义。其次,进行物理场设置,包括:二次电流分布、浓物质传递、固体和流体传热等进行耦合求解,计算电池在不同电压下运行时燃料、氧化剂、水含量和电流密度的分布状态,来验证仿真模型的准确性。然后,基于Design-Expert中响应面分析法的相关设计规则和流体力学模拟结果,以流道深度、流道宽度及圆角半径为试验因素,电流密度平均值为输出结果,构建双头蛇形流场单体燃料电池结构参数与输出特性之间的响应面分析模型。最后,依次进行工作压力、加湿率和扩散层孔隙率对电池性能的影响研究,通过对比不同情况下电池中的物质分布云图和输出的极化曲线得出不同参数对电池的影响规律。研究结果表明:（1）当输出电压从0.6V下降到0.4V的过程中,电池内反应物的消耗量和水含量逐渐增多,并且随着反应的进行,电流密度升高,反应物的不均匀分布程度增加,建立的模型符合燃料电池运行规律,具有一定的准确性。（2）回归方程方差分析表中模型的P值为0.002,证明回归方程拟合性较好,可用于模型预测。相关系数R-Squared的实际值和预测值分别为0.9256和0.7358符合程度较好。三种因素对电流密度平均值的影响大小分别为:流道深度＞流道宽度＞圆角半径。优化出的最佳参数组合为:流道宽度1.1mm,流道深度0.6mm,圆角半径1.1mm。（3）当电池温度为60℃、阳极加湿率为100%、阴极加湿率为60%、运行压力为1～2atm时,随着压力的增加,电池的性能得到明显改善。当电池温度为60℃、阳极相对湿度为100%、运行压力为1atm、阴极相对湿度为60%～80%时,随着阴极加湿率的增加电池性能越好,但性能的上升幅度减小,气体含湿量的增加使液态水增加,堵塞反应气体的流通路径,反应速率降低。在同样的参数设置条件下,电池传质效果随着扩散层孔隙率的增加而提高,增大扩散层孔隙率可以优化电池性能。