空气冷却型质子交换膜燃料电池(PEMFC)不需要额外增湿,系统简单,重量轻,在备用电源、小型无人机等中、小功率需求方面具有广泛的运用前景。空冷型燃料电池的运行过程受到运行温度、湿度、氧气浓度等因素耦合作用的影响,阴极流场构型决定了电池内部温湿度分布和传热传质,直接影响电堆的输出性能。开展PEMFC仿真建模,揭示电池内部多场分布规律,探索设计参数对电堆输出性能的影响规律,对深入理解电池内复杂的耦合关系、优化空冷型燃料电池设计有重要意义。为此,本文开展了空冷型PEMFC三维多场耦合仿真建模研究,分析阴极流场构型对电堆传质、传导特性的影响规律,通过实验探究了操作条件对电池输出性能影响,为空冷型电池结构优化设计提供了参考。主要的研究工作包括:1)建立了空冷型燃料电池的多场耦合分析模型,并与实验对比,验证了模型的有效性。通过仿真发现膜湿度对电池性能有重要影响,电堆温度升高会使膜内湿度快速下降,进而导致输出电压降低。增加空气入口湿度,对膜内湿度影响较小;通过合理设置通道构型,以使电池具有更好的保水、散热、促进传质的能力,提升空冷型电池性能。2)分析了不同阴极极板构型设计对电堆传热传质、输出性能的影响。研究表明,针对本文研究的空冷型电池,流道深度对电压影响较小;极板脊槽比增加将提升电池保水、散热性能,使电池输出电压升高,脊槽比为3时电池输出性能较好;单通道电池宽度增加影响散热、气体传质,均会造成燃料电池性能下降;流道中波浪型结构有助于增大反应区域气体的浓度,提升输出电压。3)装配了空冷型燃料电池,开展了电堆测试实验,探究了运行条件(装配压力、入口湿度、风扇功率、环境温度)对电池性能的影响。实验发现极板采用更好的热导材料可以有效提升电池输出性能,证明热管理对电池的重要性,为未来燃料电池材料选择、设计提供了方向。