化石能源短缺与生态环境污染已成为当前世界亟待解决的问题。氢作为清洁能源日益受到广泛关注。氢-氧质子交换膜燃料电池是将氢能直接转化为电能的装置,水管理能力直接影响着燃料电池工作性能、冷启动及使用寿命。本文分别从极板流场、操作工况参数及液态水在流道传输特性三个方面对PEMFC水管理能力进行建模、仿真及分析。本文分析了PEMFC工作原理,讨论了PEMFC反应及传热传质过程数学模型,搭建了不同流场结构、操作参数PEMFC工作过程的三维两相稳态模型。并基于VOF模型,采用连续表面张力模型,建立了模拟液态水在流道传输过程的三维可视化瞬态两相流模型,并进行仿真分析。通过对平行、蛇形及网格形极板流场PEMFC性能及传质分布的仿真分析。结果表明蛇形燃料电池性能在三个极化阶段均高于平行及网格流场,催化层反应气体分布浓度较高,质子交换膜上水含量分布相对均匀,更适用于PEMFC。并对不同操作参数下蛇形流场PEMFC性能及传质现象进行分析。结果表明:在一定的参数范围内,阴极、阳极进气增湿率越高,膜中水含量升高,膜电极阻抗下降,H~+水合作用增强,电池性能上升;随着操作压强上升,对催化层反应气体补充更加充分,质子交换膜含水量轻微上升,进而优化电池性能;随着操作温度的上升,电化学反应动力学指数上升,电化学反应加剧,质子交换膜水含量上升,电池性能也有所提升。基于VOF模型,模拟GDL表面不同位置排入流道的液态水在不同流道壁面接触角、不同空气流速下的传输特性。结果表明,在一定的参数范围内,高疏水角下液态水倾向于保持球状以液滴的形式通过流道拐角处,流道内液态水残留减少,液态水更易被排出流道,但流道壁面上方出水点排出的液态水会沿着流道壁面与GDL表面交界处向流道下游传输,这会阻碍反应气体向GDL中传输;高气体流速会缩短液滴从出水点的脱离时间,增强液态水在流道中出现破裂、飞溅和回弹现象。随着空气流速的增高,液态水排出流道速度加快,但由于较强的气流剪切力作用,GDL表面与流道壁面交界处会有液流形成导致反应气体向多孔介质中传输受阻。