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质子交换膜(PEM)燃料电池是一种新型、高效、清洁的发电系统，可以通过电化学反应将存储在燃料中的化学能直接转化为电能。它具有能量转化效率高，产物是水对环境无污染等特点，可以广泛应用于汽车、军事、固定电站等领域。近年来PEM燃料电池在推广应用上却遇到了严重的障碍，其中一个主要原因就是成本太高。提高燃料电池的性能是降低其应用成本的一个重要手段。重力和氧气还原反应是影响其性能的重要因素。本文通过实验方法研究了重力作用下燃料电池的性能，分析了电池不同摆放方式下液态水的重力对其性能的影响，并通过分子模拟手段研究了PEM燃料电池阴极氧气还原反应的反应机理和反应步骤。 本文阅读了大量中外文和PEM燃料电池相关资料，分析了前人的研究成果;介绍了PEM燃料电池的发展历史、特点、分类以及应用情况，重点阐述了PEM燃料电池的结构、工作原理和关键部件;并介绍了PEM燃料电池实验和模拟的相关基础理论。 论文以燃料电池测试仪为基础，搭建了燃料电池测试系统，并介绍了测试系统的结构组成、工作原理、操作步骤和试验数据处理方法。试验运用燃料电池测试系统，测试了重力作用下燃料电池性能。实验中设计了燃料电池阴极在上、阳极在上和阴阳极垂直放置三种摆放方式，实现了改变重力方向和水传递方向，分析了流量、加湿温度和电池温度等操作参数对电池性能的影响。试验分析发现:受重力的影响，阴极向上摆放的方式降低了燃料电池阴极淹没对其性能的不良影响;同时，阴极向上的摆放的方式，也提高了质子交换膜中的含水量，降低了质子传递阻力。 利用分子模拟的方法，建立了氧气还原反应分子动力学模型，对PEM燃料电池阴极氧气还原反应的反应机理进行了深入的研究。通过模拟，确定了二电子反应机理和四电子反应机理两种反应模式下反应的过渡态、虚频、势能垒以及能量变化，并通过振动分析研究了自由能随温度的变化情况。研究发现:二电子反应过程中出现两个过渡态，四电子反应过程中出现一个过渡态;二电子反应过程和四电子反应过程的能垒值相差很小，说明在PEM燃料电池中同时存在四电子和二电子两种反应机理。