质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）因其能量密度高、响应速度快、无污染等特点在便携式电源、电动汽车和航空航天等领域发展迅速。如何降低PEMFC的生产成本,减轻电池重量是实现燃料电池产业化面临的主要问题。双极板是PEMFC中重量和体积最大的部件,决定了PEMFC的重量和体积。传统石墨双极板流场加工成本高,金属双极板对减少电池尺寸、重量和成本有重要意义。金属双极板装配的水冷PEMFC体积小、机械强度高,适合工作于封闭空间,是PEMFC小型化、大功率化发展的理想选择。然而,金属双极板水冷PEMFC也对电池极板的流场设计、气体流向组合和冷却方案以及电堆的设计和装配提出了新的优化要求。为了进一步提高金属双极板水冷PEMFC的性能,推进其大规模商业化进程,本文主要进行了以下工作:（1）建立了质子交换膜燃料电池的三维仿真模型。依据模型假设和数学控制方程,在流体力学仿真软件ANSYS Fluent中建立了多物理场耦合的PEMFC三维多相仿真模型,结合实验对其模型的网格独立性和有效性进行了验证。（2）研究了单电池中双极板和气体扩散层之间接触电阻对双极板流场尺寸设计的影响,分析了反应气体流向对单电池的影响。结果表明,电池内各物理量的分布状况与极板的流场设计相关,而极板的接触电阻大小由于会影响电池内阻数值从而影响最优流场尺寸的选择。综合考虑得到金属双极板PEMFC的最优流场尺寸设计是流道和脊宽度分别为1.0 mm和0.8 mm。通过极化曲线、电池内温度分布和液态水积累程度的仿真结果证明在单电池中非对称流向是对电池性能最适合的气体流向方式。（3）研究了金属双极板PEMFC电堆中反应气体流向和水冷方案对电池的影响。结果表明,电堆中Z型反向流向的流向方式下气体分配均匀性最佳,使用略低于电池进气温度的冷却液对冷却液流速控制精度要求较低,电堆的电流密度更高,温度分布更均匀。（4）完成了金属双极板水冷PEMFC单电池和电堆设计。仿真结果确定了金属双极板PEMFC的双极板流场为四流道蛇形流场,设计了单电池整体结构并进行了单电池实验测试,利用实验结果修正了金属双极板水冷PEMFC仿真模型。在单电池的基础上设计了金属双极板水冷PEMFC电堆,建立3个单电池组成的简单电堆仿真模型,验证了电堆中反应物流道和冷却液流道的密封性,对电堆的性能进行仿真分析,为后续进一步大功率的金属双极板水冷PEMFC电堆组装提供经验。