质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种新型能源转换装置,由于其能量转换效率高、燃料来源广泛和清洁无污染等优点,近年来被广泛应用于交通运输、固定电站与移动电源等领域,以期解决当前社会发展所面临的化石燃料短缺和环境污染问题。然而,在PEMFC的实际应用过程中,系统中的（火用）损失对性能的影响至关重要,而（火用）损失最大的部件依然有待研究。所以针对PEMFC系统各部件进行设计和分析,对于提高系统效率和输出性能具有重要意义。为获取高输出、高效率和长寿命的PEMFC系统,本文基于系统仿真和数值模拟的方法主要进行了以下三个方面的研究工作。首先,建立了包括辅助部件的质子交换膜燃料电池系统模型,并对燃料电池系统各组成部件分别进行了建模和仿真模拟,其中对系统的能效分析从“量”和“质”两个角度全面的考量了能量在整个系统的不同组件间的流动和分配问题,从中得到了系统的能量流程图和各设备耗功分布,随后对系统进行了（火用）分析。结果表明,PEMFC电堆是燃料电池系统中（火用）损失最大的地方,其次是热交换器,辅助系统中,空气压缩机是最大的耗功部件。其次,基于多物理场仿真软件COMSOL Multiphsics5.5建立了三维单流道燃料电池模型。首先,从双极板挡板结构的角度进行了设计和仿真计算,其次,分析了单流道中传统结构挡板和新型交错结构挡板对PEMFC性能的影响,并对单流道开展了（火用）分析。在此基础上,综合分析了挡板半径对PEMFC性能影响的关键机理。结果表明,挡板的加入形成了狭窄的通道,加速了流动。此外,由于挡板存在倾角,从而在通道中出现明显的垂直速度分量。这两个原因共同促进了传质。新的交错挡板结构有效提高了系统的输出,同时相比于传统挡板结构还降低了压降,（火用）效率也提高了3%。最后,将交错挡板结构应用到平行和蛇形流场中,研究其对两种流场的影响。特别是针对流场下游固有的弊病——下游缺氧问题,提出了梯度挡板布置,并对研究过程中各流场的（火用）效率进行了计算和分析。结果表明,挡板结构对于平行流道的提升效果更好,主要是提升了GDL到CL的氧气传输,从而促进了电化学反应,系统功率输出最高增长了3%。设计的梯度挡板结构也有效改善了下游的缺氧问题,将系统的（火用）效率继续提升了1.14%,降低了不可逆损失。流道结构的改善,无论是在流道水平还是流场水平都显著的提升了系统效率和输出功率。本文的性能改进思路和结构设计方案为PEMFC性能改善工作提供了参考。