质子交换膜燃料电池堆模型的开发一直是研究的热点,因为它可以帮助燃料电池开发者改进燃料电池堆的设计,使得能够设计出成本更低,性能更好、效率更高的燃料电池堆。但由于计算成本高、计算时间长,耦合多物理场的电池堆模型较少,大部分的模型只考虑燃料电池堆的流体分布而忽略电化学和传输过程等复杂问题。为此,本文重点是开发一个便于快速计算和分析的燃料电池堆模型,以便能够在多种条件下准确预测燃料电池堆的性能。首先,本文利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 5.4建立了二维几何单电池模型,分别选用二次电流分布、浓物质传递、Bribkman方程、PDE方程、层流流动以及固体和流体传热等物理场。通过对比仿真性能曲线和实验数据验证了模型的准确性,然后将50个单电池串联构成电池堆。其次,在燃料电池堆流量分配问题上,类比电力网络后,建立了燃料电池堆的流量网络模型。利用MATLAB和COMSOL迭代求解,获得了U型结构和Z型结构燃料电池堆气体、水、电流密度等分布情况。结果表明Z型结构电池堆的分布比U型结构电池堆的分布更加均匀。利用参数化扫描,确定了燃料电池堆比较合适的冷却液流速。通过优化冷却设计得到更均匀的温度分布,冷却液流向和燃料流向相同的设计方式冷却效果较好。参数化研究表明,提高扩散层孔隙率、催化层活性比表面积、膜的电导率等参数对燃料电池堆的性能是有利的。另外,本文模拟燃料电池堆的单个电池故障时电压和温度分布情况,对于分析电池堆故障和寿命有一定的指导意义。最后,利用系统建模和仿真平台AEMSim搭建了燃料电池系统。通过模拟燃料电池堆在测试条件下的运行状况,得到电池堆的输出性能、辅助设备的工作状况以及燃料供给和消耗等数据。这对于实际测试平台的搭建以及测试设备的选购具有一定的参考作用。另外,在仿真系统中,随时可以优化关键线路,并对假设的各种情形进行模拟实验,从而可以减少设计错误,缩短设计周期。