质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作为一种高能效、无污染的新能源发电装置具有良好的应用前景。本文主要采用有限元分析的方法对PEMFC的性能进行了研究,分析了PEMFC在不同运行条件下性能的变化趋势,对提高PEMFC的性能有一定的指导意义。本文在阅读大量PEMFC相关文献的基础上,阐述了PEMFC的发展史、工作原理、结构组成和研究现状。基于传质学、电化学、流体力学和固体力学理论,构建了具有蛇形流场的PEMFC三维、两相、恒温、稳态模型,并对模型划分网格进行有限元分析,该模型耦合了固体力学模型、传质模型和电化学模型。进行验证性试验,采用与模型相近的试验参数,通过对比模拟数据与试验数据验证了模型的有效性。使用固体力学模型模拟出了PEMFC在预紧力的挤压作用下,气体扩散层(GDL)中的应力、位移以及有效孔隙率分布情况,并将这一数据代入传质和电化学模型进行下一步传质和电化学分析,得出了氧气、总水、液态水的摩尔浓度分布以及GDL中的电子电流分布和质子交换膜(PEM)中的离子电流分布。结果表明:预紧力使流脊下的GDL区域有效孔隙率降低,阻碍了反应物及生成物的扩散行为;位于流道拐弯处流脊下方的GDL区域内,由于物质流动方向发生改变,水分形成聚集,氧气浓度降低,导致电流密度降低;流场结构促使流脊下方的GDL区域电流密度增大,流道流脊交界处GDL表面的电流密度显著集中,GDL中出现横向电流。改变不同参数,探究不同预紧力、不同GDL厚度、不同流脊宽度对PEMFC性能的影响。结果表明:随着预紧力的增大,流脊下方GDL有效孔隙率减小,位于流道拐弯处流脊下方的GDL区域的水浓度和液态水浓度明显增大,致使对应的PEM区域电流密度较低,最佳预紧力大小为2MPa;随着GDL厚度的减小,流脊下GDL区域氧气浓度减小,水浓度和液态水浓度增大,在流道流脊交界处GDL表面的电流密度集中现象变得显著,最佳GDL厚度为0.3mm;随着流脊宽度的增大,流脊下GDL区域氧气浓度减小,水浓度和液态水浓度增大,流道流脊交界处GDL表面的电流密度集中逐渐减弱,最佳流脊宽度为0.85mm。