随着能源枯竭和环境污染问题日益严峻,氢能源作为一种可再生、无污染的新能源受到世界各国的重视。在氢能经济中,各类燃料电池装置是不可或缺的关键一环,其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）凭借高能量转化效率、低工作温度以及零排放等优势从众多燃料电池装置中脱颖而出。当前高性能的PEMFC面临的一大挑战是燃料电池水管理问题,内尤其是跨部件的水传输问题,最为典型的是气体扩散层（Gas Diffusion Layer,GDL）和微孔层（Micro-porous Layer,MPL）中的气液两相流问题。其中MPL结构的成型会受到制备工艺、碳载量等因素影响,无可避免地产生裂缝缺陷,这对MPL和GDL内的气液两相传输机理和传输能力都会产生很大影响。本文基于MPL的制备工艺和表面特征,结合土壤泥裂的形成规律,提出了MPL裂缝的重构方法,综合考虑裂缝面积和宽度等参数重构出了具有真实结构的MPL模型。此外本研究还采用随机延伸方法重构了GDL纤维状多孔结构,并考虑到MPL和GDL的重叠结构,建立了三维两相MPL/GDL跨部件孔尺度模型。本文主要研究了跨部件模型内气液两相流特性,裂缝形状、裂缝宽度、裂缝数量以及有序结构GDL设计等因素对GDL中气液两相流的影响。本研究首先针对跨部件模型中的液态水行为进行分析,发现MPL能够有效降低MPL/GDL界面周围的液态水饱和度,减少水团簇在平面内蔓延,为反应气体提供充足的扩散空间;发现GDL内排水行为可总结为两种,分别是稳定排水状态和周期排水状态;发现GDL与MPL的重叠结构对液态水的传输也有很大影响,液态水多在完整度较高的裂缝上方建立传输通道。其次,本研究对MPL裂缝的形态分布进行了分析,结果表明其对GDL内液态水行为会产生规律性影响,通常来说,裂缝间距的扩大会使更多液态水积聚在GDL内,从而降低水管理性能;在裂缝面积保持一定时,裂缝数量的增多不利于液态水排出GDL,同样会对水管理性能产生负面影响。最后,本研究分别对传统GDL和有序结构GDL进行了优化设计。传统GDL基底层采用大孔隙率设计有利于降低总体的液态水含量;垂直于厚度方向间隔设置GDL的润湿性分布,能够控制液态水的传输通道,使液态水在亲水性的区间内传输;采用组合晶格微结构设计的有序结构GDL能够分离气液的传输通道,实现对两相传输的宏观调控,在平面上的导电性能提升高达10倍,这对GDL的优化和制备具有重要的指导意义。