质子交换膜燃料电池因为其具有能量转化率高、无污染、启动快等优点而具有可观的市场应用前景。对树状分形微流道PEMFC内部物质传递过程进行数值分析,能更清楚的了解电池性能,可以为其以后在结构参数以及性能的优化上提供帮助,因此具有重要的应用价值和理论意义。本文对树状分形微流道PEMFC的三维两相等温模型的物质传递过程进行了数值计算,分别研究了其稳态传递特性以及启动时刻的瞬态传递响应特性,主要讨论了氧气浓度分布、水蒸气浓度分布、液态水浓度分布、膜中的水含量以及电流密度分布等。本文主要内容如下:(1)建立了 Y型树状分形微流道PEMFC数值模型,并对其稳态传递特性进行了研究。分别从电池在大电流密度下和小电流密度下的情况来分析,并且与开孔率和活化面积相同的传统直微流道PEMFC进行对比,结果表明树状分形微流道燃料电池的物质传递总体性能要比传统直微流道燃料电池模型好。(2)对Y型树状分形微流道PEMFC数值模型进行瞬态物质传递特性的研究。质子交换膜燃料电池在启动、工作以及停止时都要求有快速的响应时间,特别是启动时的物质传递过程对电池的性能有重要的影响。对树状分形微流道PEMFC瞬态传递响应特性的研究表明:电池启动时刻氢气、氧气在扩散层与催化剂层的界面处达到平衡的时间都很短,满足质子交换膜燃料电池的快速启动条件;电池电流密度达到稳定的时间主要取决于氧气在扩散层和催化剂层上浓度场稳定的时间。(3)对树状分形微流道PEMFC单电池进行了实验测试。数值计算和实验测试所得到的极化曲线和功率密度曲线有所偏差,但是偏差不是很大,曲线的总体趋势相同。在测试中电池电流密度随电压的变化情况和电流密度随氢气化学计量比的变化情况相对于数值计算值要偏小一点,而电流密度重新达到稳定的时间都要比数值计算的时间要大。