充分理解质子交换膜燃料电池内部的反应传输机理对提高电池运行性能和寿命有重要意义。本文首先建立了一个一维非等温两相流解析模型,模型考虑了液态水的界面阶跃现象,提出了一种新的方式求解气液态水的相变过程,并提出一个耦合因子将气液态水传输方程进行了耦合求解。模型经过了严格的实验验证,仿真结果和实验数据吻合。基于该一维模型,本文研究了不同电流密度、微孔层接触角和不同操作条件对电池性能、内部水分布和温度分布的影响,提出了更好的电池运行方案。结果表明:增大微孔层接触角促进阴极液态水反扩散到阳极,一定程度上缓解阳极变干,但过大的接触角可能导致阴极水淹加剧;电池运行的操作温度在80~?C左右最佳,且进气压力在2个大气压左右最宜;在保证阳极进气足量情况下,适当提高阴极进气化学计量比有助于提高电池性能;通过采取“阳极充分加湿、阴极低加湿”的进气加湿方案可以有效改善电池性能,提高电池使用寿命。本文针对传统模型验证方法的可靠性进行了讨论,结果表明模型中大量的经验参数将影响模型的可靠度和可信度,有必要对模型参数进行敏感性分析。研究基于蒙特卡罗随机试验,采用了基本效应法(EE法)对22个经验参数进行了定量的全局敏感性分析,得到了各参数在不同电流密度下的敏感性指标及其变化情况,并将这些参数分为高敏感、较敏感和不敏感参数。综合考虑各敏感性指标,研究分析了各参数对性能影响的单调性、鲁棒性和作用好坏。此外,研究采用了Kolmogorov-Smirnov(KS)检验对模型结果的稳定性进行了讨论,结果显示即使模拟出的电池性能相同,电池性能的鲁棒性也可能不同,应结合变工况实验结果对模型进行验证。本文考虑了流道内反应气体浓度分布及外部对流换热,将一维解析模型拓展为准二维模型。研究比较了顺逆流两种进气模式下电池内部的反应气浓度、相对湿度和温度分布等特征,分析讨论了不同阴极进气化学计量比下两种进气模式的电流密度分布规律。结果表明逆流进气的电流密度、内部湿度和温度分布更均匀,顺流模式下的电流密度分布规律和Wa数有关。