质子交换膜燃料电池因其具有高效率、低温度和零污染的特性而被研究学者广泛关注,成为未来清洁能源的重要利用装置。关于如何获得高性能的质子交换膜燃料电池已经成为本研究领域的热点和难点问题。作为燃料电池电化学反应的唯一产物,良好的水管理能力对燃料电池性能具有非常重要的作用。本文在综合前人研究的基础上,对水管理模拟研究过程中进气气体相对湿度的控制方法进行对比模拟研究,具体分析了三种控制方法下电池性能的输出能力,并在此基础上对提出的新型流场结构进行建模分析,根据其水管理能力和具体的电池性能进行分析改进。首先利用ANSYS软件CFD模块建立质子交换膜燃料电池计算模型,对模拟过程中进气气体相对湿度的不同控制方法进行模拟分析,研究不同控制方法对质子交换膜燃料电池性能的影响因素。研究发现,不论是在温度变量、湿度变量还是压力变量,定比例调节方法相较于定氧调节法和定氮调节法能够更为准确的反应电池的真实工况。其次建立一种新型阴极变截面流场结构计算模型,与传统直流场结构模型以及阴极斜流场结构模型分析对比,模拟研究计算模型的电池输出性能;本文发现高湿度条件下阴极变截面流场结构在0.6 V时取得最大功率密度1.386 W/cm2,相比于传统直流场结构最大功率密度1.366 W/cm2性能得到提升,电池性能提升2.9%,但差于阴极斜流场结构的1.415 W/cm2。在低湿度条件下,阴极斜流场结构和阴极变截面结构在0.6 V时取得最大功率密度,分别为1.440 W/cm2和1.412 W/cm2,而传统直流场结构的最大功率密度是在0.5 V时取得的,其值为1.136W/cm2,阴极变截面结构相比于传统直流场结构来说性能增长24.2%。即使在高电流密度情况下,channel 2相比于channel 1性能提升也达到7.1%,而channel 3相比于channel 1提升4.2%,水管理效果明显,电池性能得到改善和提升。最后根据探索得到的结果进行改进流场结构,研究表明在高湿度操作条件下,四种流道case 1-case 4电池性能在大电流密度情况下电池性能产生出了一定的差异,其电池性能case 4流场结构性能最优,分析得到四条流道均在0.6 V时取得最大功率密度,从case 1到case 4依次为:1.381 W/cm2,1.424 W/cm2,1.461 W/cm2 和 1.482 W/cm2,case4相比于case 1来说,其电池性能提升7.3%。在低湿度操作条件下,四种流道电池性能基本相同,四条流道均在0.6 V时取得最大功率密度,从 case 1 到 case 4 依次为:1.381 W/cm2,1.382 W/cm2,1.385 W/cm2 和 1.387 W/cm2。本文通过利用ANSYS模拟,研究了质子交换膜燃料电池模拟中三种控制方法对电池性能的影响,并提出了一种新型阴极变截面流场结构,获得了较好的水管理能力。