质子交换膜燃料电池是一种高效,环保的电化学反应动力装置,可将存储在反应物中的化学能转化为电能,而其副产物仅为水。近年来,由于其功率密度高、零排放、响应迅速、续航里程长和加氢时间短等优势,质子交换膜燃料电池在新能源汽车领域的应用受到了广泛的关注。在质子交换膜燃料电池正常运行过程中,多相多物理场耦合的传热传质过程与电化学反应同步发生,包括气/液两相流,气体多组分传输,水蒸发/冷凝,膜吸放水,离子/电子传导等。合理组织这些输运过程以提高电池性能和耐久性,即水热管理,对进一步促进质子交换膜燃料电池的大规模商业化应用至关重要。与实验表征技术相比,开发多相多物理场模型不仅成本较低,还可以深入细致揭示电池内部复杂物质传输和电化学反应机理,在燃料电池发动机产品开发环节获得了广泛应用。本论文建立了三个全面的质子交换膜燃料电池三维多相非等温全电池模型,模型中考虑了详细的流道内两相流动,气体扩散层（GDL）各向异性和催化层（CL）内复杂传质过程,三个全电池模型分别采用流体体积法（VOF）、双欧拉模型（Eulerian-Eulerian model）和双流体（Two-fluid）模型处理燃料电池流道内气液两相流动。其中流体体积法和双欧拉模型可将表面张力和壁面接触角考虑在内,但其气液速度比为1左右,导致计算结果中流道液态水含量很低,与实际情况不符;通过将燃料电池流道类比为多孔介质,可基于两相达西定律推导出双流体模型,其中气液速度比关系式由气/液动力粘度比和液态水饱和度决定。不仅如此,该双流体模型还引入了GDL表面处的液态水覆盖模型,假定该接触面处的液态水饱和度的值与流道中液态水含量和该接触面疏水性（接触角）相关,从而考虑了GDL表面接触角的影响。基于该双流体模型计算得出的燃料电池流道内不同进气湿度和化学计量比下的液态水含量与文献数据进行了对比,验证结果证明了该模型的可靠性。催化层结块模型的引入使模型可以更为准确的预测燃料电池的浓度损失和性能,尤其是在高电流密度区域。经与实验测得的不同工况下的极化曲线、欧姆损失和电流密度分布进行对比验证之后,该模型被用来探究包括传统沟-脊式和新型多孔介质在内的不同流场设计对电池内传输过程和性能的影响。在多通道平行流场的歧管分配区域进行必要的“点阵”结构设计可以提升氧气浓度在各流道内分布的均匀性,但出口区域“点阵”结构设计不利于流场排水。相比之下,由于对流作用的增强,多通道蛇行流场结构设计更有利于提升电池性能和温度分布均匀性。相比于沟-脊式结构,三维精细化和泡沫材料流场不仅可以提升电池性能,还可以提升电流密度分布均匀性,这主要是由于多孔结构可以极大增加传质空间。仿真分析中考虑其真实结构可以准确预测气体扩散层与流场接触面处由于收集电流面积的减少导致的欧姆损失的增加,这常常导致电池在欧姆损失起主导作用时性能有所降低。本文应用了基于支持向量机算法的数据驱动代理模型优化多孔介质流场几何结构。为便于参数化处理,多孔介质流场的复杂结构被简化为三维结构化网格结构,其基本单元为节点处相互垂直的三条纤维圆柱。计算结果表明数据驱动代理模型可以给出与三维物理模型相似的结果。接下来采用遗传算法进行进一步优化,其中经训练的数据驱动代理模型被用来作为评价函数。优化结果通过了三维物理模型的验证,证明了将数据驱动代理模型应用于多孔介质流场设计与优化的可行性。最后,本文将三维多相数值模型计算拓展到了包含5片电池的小型电堆尺度。仿真计算结果发现不均匀的温度分布是导致电堆内部各单电池之间氧气浓度、液态水含量、电流密度和膜含水量差异的主要原因。非等温情况下,温度升高导致液态水蒸发、水蒸气浓度上升稀释了氧气浓度,且温度高也导致膜含水量下降,欧姆损失增加。该小型电堆中电池性能不一致主要是由于不均匀分布且被稀释的氧气浓度和低膜态水含量导致的。