在过去的几十年里,全球工业的快速发展导致二氧化碳大量排放和能源快速消耗,使得全球变暖和能源危机趋势日益严峻。作为燃料电池家族中的重要一员,以氢气和空气（氧气）为燃料和氧化剂的质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）因其具有能量转换效率高、零污染、与其他风能、太阳能等可再生能源具有良好兼容性等优点,被认为是替代传统内燃机（Internal combustion engines,ICEs）的有力竞争者。然而,PEMFC的商业化依旧存在催化剂成本高、电池寿命短、电池性能相对较低等技术壁垒问题。迄今为止,研究者对上述问题进行了大量的实验和数值研究。基于这些研究成果,本文将从降成本、提性能两个角度展开研究以进一步推动PEMFC的商业化。首先,考虑到PEMFC中的气体扩散层（Gas diffusion layer,GDL）会在装配压力下产生非均匀的压缩形变,导致气体在多孔电极内分布不均,进而引起电池性能下降,构建了二维、多物理场、两相流模型,对GDL压缩形变机理以及对电池性能的影响进行了分析。并进一步构建了基于响应面分析方法的代理模型,以电池性能最大化为目标函数,对5个GDL关键物理参数进行了优化设计。结果显示,在不同GDL压缩率下根据电化学反应速率调整GDL各物性参数以获得相互匹配的电子传导、气体传输和液态水排出速率,可得最佳电池性能。其次,装配压力引起的反应气体在多孔电极内传输速率分布不均,会进一步影响催化层（Catalyst layer,CL）内的电化学反应速率也在空间上存在差异性。针对以上问题,本文设计了一种梯度化Pt载量的新型多孔电极,即在CL流道区域负载较多的Pt,在CL脊部区域负载较少的Pt,以匹配CL不同区域对Pt载量的不同需求。并通过实验和数值模拟对该种新型电极的工作性能进行了验证和分析。结果显示,当在CL脊部区域不负载Pt（即平均Pt载量下降一半）时,电池性能可达到均匀负载的70%;当CL脊部区域的Pt载量为流道区域的5%时可在不影响电池性能的前提下,达到Pt利用率最大化。最后,考虑到位于脊部/出口区域的多孔电极内的氧气有效浓度比流道/进口区域低,且更易发生“水淹”问题,影响电池性能。本文采用3D金属打印技术设计并制造了一种兼具辅助流道和阵列孔的新型流场以提高上述区域的氧气浓度和液态水排出能力,并通过实验和数值模拟对该新型流场的性能、工作机理和压降进行了研究分析。结果表明,与传统平行和蛇形流道相比,新型流场在中、高电流密度区域间表现出更好的传质和排水能力,有效提高了电池性能。