质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具有能量转换效率高、工作温度低、无污染、比功率大、启动迅速等优点,已经成为能源领域研究的热点之一。进行质子交换膜燃料电池的开发和研究,具有重要的现实意义和广阔的发展前景。本文提出了质子交换膜燃料电池系统的硬件设计和水热管理设计,并采用计算流体力学软件Fluent中的燃料电池模块对PEMFC进行模拟计算,主要研究内容如下： 对质子交换膜燃料电池系统的工作条件和要求作了综述,并对PEMFC的工作特性进行了分析。设计了整个系统的总体结构包括各子系统,如供气系统、冷却水循环系统、安全控制系统等,对关键部件选型并分析各组成部分在系统中的性能特点。 分析了燃料电池水热管理,对反应气体的加湿量和电堆的热平衡进行了计算,并设计了PEMFC水热管理系统的结构。结果表明：50kW质子交换膜燃料电池所需加湿量空气侧为15.2kg/h,氢气侧为0.38 kg/h。产生的废热为63.9kW,循环水流量为5.85m3/h。 提出了模拟计算中的数学模型,利用Fluent模拟了不同的操作条件对电池性能的影响,结果表明：增大气体压力会提高电池性能,与之相伴随的是更多的热量产生,会提高电池内部的温度。 阳极气体湿度增加,电池性能提高；在中、低电流密度下,阴极气体湿度增加,电池性能提高,而在高电流密度下,阴极气体湿度的增加,电池性能反而下降。 在低电流密度时,工作温度提高使得润湿条件变差,电池性能随之下降。在高电流密度时,电池性能随工作温度的增加而提高。燃料电池的性能随阳极加湿温度的提高而升高,当阴极加湿饱和时,电池性能随阴极加湿温度的提高而降低。 随着空气计量比的提高,电池的性能随之提高,并且在空气流量较低时电池性能变化明显。