质子交换膜燃料电池作为一种高效的能量转换装置,因其具有零污染物排放的优势,可作为传统汽车动力的替代品。在实际运用过程中,燃料电池的水气管理一直是研究者们所关注的问题,并且由于汽车会在各种负载条件下运行,燃料电池需要有良好的动态响应特性。本文首先分析不同阴极流场结构下,燃料电池内部的水气分布规律。结果表明:在进气流量不变的情况下,增加阴极的出口汇流槽宽度,有利于阴极的氧气浓度的提高,并且分布更均匀。阴极水的最高浓度区域逐渐向电池出口方向移动,有利于阴极水管理。增加阴极的入口分配槽宽度,降低了分配槽内的流体流速,各流道的压降均匀性较差,不利于流场内氧气的均匀分布。采用斜入口分配槽以及合适的流道分布,有利于提高脊下的氧气浓度,增加氧气分布的均匀性。然后模拟研究燃料电池变载过程中电池内部的水气变化规律。结果表明:增加燃料电池的工作压力,可以增加反应物的浓度,从而降低了电池在变载时输出电压的下调现象。在进气湿度较低(50%)的情况下,增加阳极气体过量系数,使得阳极侧的水浓度会降低,造成膜内水含量减少,燃料电池的整个输出电压会有小幅度的下降,但是达到稳定所需的时间会减小。而增加阴极气体过量系数,对整个燃料电池的稳态和瞬态性能不会有很大地改善。增加变载幅度以及降低变载时间,对燃料电池的性能影响较大,其中主要影响电池性能的是阴极氧气的变化情况。阳极气体供应不及时,对电池的输出性能影响较小,不会出现氢气饥饿的情况。而阴极气体供应不及时,脊下会出现氧气浓度为0的情况。在大电流加载时,反应物的消耗会更多,更快,也会出现氧气浓度为0的情况。最后根据阴极水淹(缺氧)的碳水反应动力学机制,从理论上推导碳载体腐蚀过程中吉布斯自由能的变化、电池的加湿度、工作压力、工作温度、工作电流等参数对碳载体腐蚀速率的影响关系式。发现工作温度、工作电流以及进气湿度的增加会促进碳腐蚀发生,而增加工作压力能抑制碳腐蚀。