质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将化学能直接转化为电能的高效能源转换装置,其化学反应产物主要是水,能实现真正的零污染,被认为是未来最有可能替代传统内燃机的动力源。然而,在燃料电池大规模商业化前,仍面临性能、耐久性和启动性等方面的挑战,并且这些特性受到燃料电池的气体、水与热管理的影响较大。因此,为了进一步较为全面了解整个系统内传热传质的过程,本文基于燃料电池测试系统,开展不同运行条件对燃料电池性能的影响实验研究,同时结合模拟计算手段,研究燃料电池内部传热传质的过程。主要研究内容如下:首先,基于燃料电池实验平台,开展不同背压、进气温度及相对湿度对燃料电池单体性能和启动过程的影响研究。研究结果发现:进气温度和背压非线性协同控制可使燃料电池性能最优。提高背压和相对湿度均可提高电池性能,但相对湿度过高会导致启动稳定性下降。其次,基于FLUENT模拟计算方法,开展燃料电池单体工作过程模拟计算研究,分析不同工作电压、氢气顺流和逆流对产物水和温度的分布以及性能的影响规律。研究结果表明:顺流和逆流对高水含量位置影响较小,均出现在空气出口处;而顺流和逆流对温度与电流密度影响较大,其分布与负荷大小有关;顺流和逆流在中低负荷下性能的区别较小,而在高负荷下区别较大,且顺流的性能最好。接着对燃料电堆内液态水传输过程进行模拟研究,分析不同气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)孔隙率、操作压力及工作温度对各单体产物水、温度及性能差异影响的规律。研究结果表明:在相同负荷下,电堆性能随GDL孔隙率增大而提升;而在中负荷下,GDL孔隙率对各单体间性能、温度影响增大;操作压力升高时,性能提升,温度、水含量、电流密度分布更为均匀;适当工作温度可获得较高性能,但各单体间温度、水含量、电流密度差异较大。而过高或者过低工作温度会导致性能下降。最后,开展Z型和U型冷却流道燃料电池工作过程影响的模拟计算研究,分析不同冷却方式对电堆各单体中性能、产物水和温度分布影响的规律。研究结果表明:与U型相比,Z型流道电堆性能较好,电流密度和水含量分布较均匀,而采用空冷时温度较低,各单体间电流密度差异较大。综上所述,本文采用实验测试、理论分析及数值模拟手段研究燃料电池工作过程,分析不同运行条件对燃料电池水、热分布及性能影响的规律。研究结果对改善电池的性能具有指导作用,对发展工程应用具有参考价值。