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以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有冷启动快、工作温度低、零排放、高效率、高功率密度等特点,特别适合应用于新能源汽车中而受到广泛关注。燃料电池涉及多种复杂的组分传输和电化学反应,这些反应彼此耦合并且以不同的空间和时间尺度发生,由于电池尺寸太小,电池中反应物的局部分布和传输很难测量,数值模拟和仿真技术恰好能够弥补这些不足,能够帮助更好地理解电池中发生的物理化学现象,并为优化燃料电池系统提供有用的工具。本文以PEM燃料电池在汽车上的应用为研究目标,对车用PEM燃料电池建模与仿真进行了较为详细的研究。首先,建立具有三维特性,考虑电池内气液两相流影响,非等温单直流道PEMFC模型,利用FLUENT求解器求解电池所有的控制方程,详细的研究分析了电池工作参数（电池工作温度,具有非对称阳极进气湿度,阴阳极工作压力）对车用PEM燃料电池稳态性能（传质,传电,膜内水输运）的影响机制,结果表明电池工作温度、进气温度与相对湿度（RH）密切相关,均对电池性能有较大影响,电池性能随着阳极相对湿度（RHa）的升高而显著增强,尤其表现在中高电流密度下;而阴极相对湿度（RHc）对性能的提升在低电流区域比高电流区域明显;较大的阴极工作压力可显著降低活化过电势进而提高电池的输出性能,适当的保持正向的阴阳工作压力梯度差有利于提高中高电流密度区域输出性能。此外基于蒙特卡罗（Monte-Carlo method）多参数敏感度分析法,在车用PEM燃料电池常用工况下（0.1/0.3/0.6A/cm2）,对标定工作参数波动（±10%）对输出性能的敏感性做了定量评估,结果表明所有工作参数中电池工作温度Tcell最为敏感,且在0.3A/cm2有最大敏感指数0.9;阴阳极过量系数Sca,San偏差对输出电压的影响微弱;阴极进气温度Tca的敏感指数随着电流密度的增加而降低,而阳极进气温度Tan的敏感指数随着电流密度的增加而增加;阴阳工作压力Pca,Pan的敏感指数均随着电流密度的增加而增大;绝大多数工况下,阴极参数比阳极参数敏感,其结果为燃料电池性能优化,操作参数的控制策略提供参考。其次,针对汽车动力源的负载工况的频繁变化和较大功率需求,在Matlab/Simulink环境中建立充分考虑电池体温度,反应气体流动流量以及等效电容的水冷型PEM燃料电池堆栈集总参数动态模型,分析了电堆启动-变载过程的动态响应,结果表明模型具有良好的PEMFC动态预测性能且求解迅速;此外构建了PEM燃料电池系统能量数学模型,分别基于热一律和热二律对电堆进行了热力学能量效率,?效率分析。综上所述,基于详细机理的多维空间分布参数（3D）模型,对于深入理解电池各部件的详细行为机制,指导设计过程以提高电池性能是有用且必要的,然而对于应用于汽车大功率需求的PEMFC堆栈的动态模拟,其计算资源要求高,耗时长,求解慢,建模效率低下,此时基于基本经典热力学结合半经验电化学经验公式的集总参数模型,能显著降低模型复杂性和求解时间,计算资源要求低且方便实时控制,对实际应用具成本效益。