质子交换膜燃料电池其具有体积小、工作温度低、冷启动性能好、启动快、使用寿命长等优点,所以得到了各国的重视并且发展迅速。流道是质子交换膜燃料电池中的核心部分之一,直接决定了其工作性能。但是,现阶段的流道设计存在反应气体分布不均匀、排水性能差、温度梯度大等缺点。为进一步提高质子交换膜燃料电池的输出特性,本课题搭建了质子交换膜燃料电池零维数学模型,并通过燃料电池实验进行修正。然后,进行CFD仿真三维模拟,研究了流道截面形状、流道类型对质子交换膜燃料电池工作性能的影响,探索流道设计的最优解。首先,建立了质子交换膜燃料电池数学模型,其中包含质子交换膜燃料电池热力学、电化学、电荷传输和质量传输方程。该模型中包括:可逆电压损失子模型,不可逆电压损失子模型（极化电压损失、欧姆电压损失、浓差电压损失）,守恒方程子模型（质量守恒,能量守恒,动量守恒）。并进行了燃料电池测试实验,对模型进行了验证和优化。接着,建立质子交换膜燃料电池单体流道三维模型,把不同截面形状（正梯形截面、半椭圆形截面、半圆形截面、矩形截面和三角形截面）流道进行全面的分析和对比。从开路电压、极化电压损失、欧姆电压损失、浓差电压损失四个方面分别进行研究。同时探究阳极流道与阳极气体扩散层交界面中氢气的质量分数分布、阳极流道与阳极气体扩散层交界面中氧气质量分数分布、质子交换膜中水通量、温度分布等参数,并进行了相关性分析。结果表明正梯形截面和半椭圆形截面流道在反应气体的分布均匀性、温度均匀性、平均含水量等方面有明显优势。然后,选取以上两种流道,建立不同类型（直通流道、单通道蛇形流道、双通道蛇形流道）的质子交换膜燃料电池单电池三维模型进行模拟计算。结果表明双通道蛇形流道正梯形截面流道排水性和反应气体分布均匀性最好,压降也低于单通道蛇形流道,所以其为此条件下最优解。