质子交换膜燃料电池是一种新能源电池,其内部包括流体流动、气体扩散、催化层中化学反应、电池内部温度传递。本文通过使用COMSOL Multiphysics中的二次电流、布林克曼方程、浓物质扩散和固体传热模块模拟质子交换膜燃料电池在电场-流场-浓度场-温度场多场耦合情况下,电池内部物质传递以及电化学性质。本文从以下几个方面对质子交换膜燃料电池进行研究。（1）建立了一个单相非等温直流道质子交换膜燃料电池模型研究电池中温度场的分布以及温度场对其他物理场的影响。该模型包括了气体在扩散层、催化层和流道中的物质传递,以及由于电化学反应产生的热在电池内部和集流器上的热传递机制,实现了电池内部温度场、电场、浓度场和流场的耦合。数值模拟结果表明:当考虑温度场后,电池内部整体温度明显升高,化学反应温度也升高,加快了化学反应速率,使得氢气的质量分数降低。操作温度增大,也同样提高了电池输出性能,但是热扩散系数反而降低了电池性能。研究还发现与浓度相比,温度对化学反应速率有更大的影响。另一方面,温度对对流通量和扩散通量都具有增大作用,对流通量在氢气和氧气传递中起主要作用。（2）通过数值模拟研究气体扩散层的结构（厚度、孔隙度、孔隙度梯度）以及气体的入口速度对质子交换膜燃料电池的输运现象和性能的影响。结果发现增大气体扩散层的孔隙度,有利于提高物质的传递,使得生成的水易于排出,提升电池的性能。气体扩散层厚度的减小有效的降低了气体流动的路径导致流动速度增大,加快了物质的传递。入口速度的增大有助于提高电池内部的物质传递,加快了化学反应,提高电池性能。同时,入口速度增大,有利于阴极侧生成的水排出。（3）为了研究流道结构对电池气体（氢气和氧气）流动和催化层上电池电流密度分布的影响,分析单排孔流道结构和单双排交错孔流道结构对电池的影响。通过使用COMSOL Multiphysics建立不同流道结构的电池三维模型并进行数值模拟,得到催化层上氢气分布和电流密度分布以及气体扩散层内侧流场分布。结果表明提出的带孔结构提高了氢气和氧气的渗透性,氢气流动方向和渗流方向的速度都得到了提高,加快内部物质的传递。另一方面,提高了电池的性能且反应层上的电流密度分布比原直流道更均匀。