本文首先对PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)分别引进了稳态和非稳态的数学三维模型，研究了质子交换膜燃料电池内的传递现象和电化学特性，得到了电池的极化性能曲线。比较了数值模拟的结果和文献中的实验数据，结果表明本文的数学模型能够很好的模拟电池的工作性能。 在三维数学模型中同时考虑了流体流动、热量传递、电荷传递、多组分传递和电化学动力学。研究的区域包括阳极和阴极集流板、阳极和阴极流道、散热流道、扩散层、催化层和质子交换膜在内的整个电池。采用统一的数学方程描述整个区域的传递现象，而用不同的源项和相应的物性参数来反映不同性质的层。通过FLUENT来求解传递方程组，并耦合电化学动力学方程，获得了电池内的流场、温度场、反应物组分浓度、电流密度等分布和电池的极化曲线。讨论了质子膜的水含量、操作压和温度对电池性能的影响，分析了进料速度和入口水含量对电池性能的影响，结果进料速度和入口水含量都对电池的性能有很大的影响，当进料速度达到一定速度后，再增大对电池性能就几乎没有影响了，入口水含量过多和过少都会降低电池的性能。 然后，基于前面所用的稳态数学模型，比较和计算了直流道与交叉梳状流道结构质子交换膜燃料电池的流场、电流密度和物料等的多维分布。详细分析和比较了两种流道结构的流动和传质特性，结果发现，与直流道相比，交叉梳状流道结构的电池由于流道的一端被封死迫使流体通过电极而产生强烈的强制对流。在传统流道设计的PEMFC中，反应物从流道到催化层的供应和生成物从催化层到流道的排出主要是以扩散为主，而在交叉梳状流道到设计中，以流动带动的对流传递则占据了主导地位，而且这种以对流为主的传递机理大大提高了反应物和产物传递速率，从而有效地改善了电池的极限电流密度和极化性能等特性。 最后，基于前面引进的非稳态数学模型，计算了质子交换膜燃料电池的电场、电流密度、膜中水含量和物料等随时间的变化情况。详细分析不同工况之间转换所需要的时间，并对影响所需时间的因素进对计算与分析。对质子交换膜燃料电池中散热流道对电池性能的影响进行了分析研究。