随着能源和环境危机变的日益严峻,人类一直在探索新的能源和技术,以适应绿色可持续发展。在众多绿色能源技术中,质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFC）以高能效、无污染、无噪声、启动快等优点,被认为是未来最有前途的发电系统。但就目前来看,PEMFC仍有很多不足之处,这使其商业化应用具有一定的挑战。本文以单电池模型为研究对象,对电池的流道形状以及结构参数两个方面利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics5.6对电池的极化性能曲线、传质传热、电流密度分布等进行数值模拟研究。主要研究内容如下:（1）分析电池物质分布以及活化极化分布对电池整体和局部性能的影响。结果表明,整体上,电极活化极化的增加对电池的催化性能影响较大。在局部,流道下和肋下的电流密度分布分别受活化极化和氧分布的影响较大。电流密度的分布主要呈现沿气体方向逐渐降低,且肋下电流密度明显高于流道下方。对于电池的流动方式而言,本文主要分析了共流和逆流两种流动状态。从电池的V-I极化曲线和P-I曲线中得出,在电压为0.4 V时,逆流方式下的电流密度相对于共流方式提高了10.8%,功率密度峰值相提升了11.9%。由于逆流状态下较好的燃料利用率致使其电流密度均值高出共流状态下1140 A/m~2。并且逆流的流动方式有助于电池的对流换热,大大降低了电池温度。（2）为了改善浓差极化对电池性能造成的影响,通过设计不同的流道形状（矩形、椭圆形、梯形、燕尾形）来减少电池的浓差极化损失。其中燕尾形流道的极化性能曲线为最优,其极限电流密度提升了12.5%。燕尾形流道的氧气也分布最为均匀。对于电流密度的分布,四种模型在工作电压为0.4 V下,CL-PEM界面上的平均电流密度（A/m~2）分别为11750、11648、11506、11893。燕尾形模型的平均电流密度比梯形的高出387,且燕尾形模型的电流密度均匀性较高。同时燕尾形流道的对流效应更有助于生成水的排出。（3）研究GDL厚度和孔隙率对PEMFC的影响,选取GDL厚度从0.1mm～0.6mm,GDL孔隙率从0.3～0.8,并设计了一种沿气体流动方向线性递增（0.3→0.8）的梯度空隙率模型。结果表明,GDL的厚度和孔隙率对电池性能曲线的影响皆是随着电流密度的增大而变得显著。GDL厚度越小,越有利于电池的传质。但GDL厚度越小,氧气分布就越不均匀。欧姆极化损失随GDL厚度增加呈线性增加的趋势。电流密度随着GDL厚度的增大出现先增大后减小的趋势,其中在GDL厚度为0.2mm时电流密度为最大,阳/阴极膜表面电流密度分别提升了14.1%和12.7%。对于GDL孔隙率而言,随着GDL孔隙率的增加（其中梯度孔隙率按平均值0.55计算）,GDL-CL界面上氧气的摩尔分数就越高,且梯度孔隙率模型的氧气分布最为均匀。电流密度随着孔隙率的增大而增大,其中梯度孔隙率模型的电流密度分布最均。