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化石燃料的燃烧会引起大气污染、温室效应、地表塌陷等各种环境问题,并且由于化石燃料是不可再生能源,人类急需寻求清洁高效的新能源和绿色可持续的能源转化方式。燃料电池是一种利用氢能进行发电的能量转换装置,经过了数十年的发展已经取得了长足进步。作为燃料电池家族中的一员,质子交换膜燃料电池已呈现出市场化趋势。目前,其有待改善的问题主要集中在电池成本以及耐久性上,研究人员通常会对流道结构或催化剂分布进行优化设计,以满足市场化需要。质子交换膜燃料电池的实验成本较高,采用数值模型作为研究手段不仅可以降低实验成本而且可以获得难以由实验测量的参数,提升结果的精确性。本论文以质子交换膜燃料电池的二维、两相流、非等温模型为基础,通过实验数据验证了数学模型的正确性,研究了多孔扩散电极物性参数的各向异性对电池模型的影响,然后通过设计流道间压差可控的新型流体流道,探究了流道间压差梯度对物料分布和电池水管理的影响,最后基于一种分段式燃料电池装置,结合数值模型分析了Pt催化剂和操作温度的梯度化设计对电池性能的影响。以下是本文主要研究内容:首先,多孔电极由碳纤维材料制成,由于碳纤维的排列分布,在空间上呈现出较强的各向异性。质子、电子、水、热和气体的传输现象可分为两种取向:平面内（in-plane）和平面间（through-plane）。为了描述各向异性现象,比较不同各向异性参数对电池性能的影响,建立了两相流、非等温质子交换膜燃料电池模型,并进行了实验验证。结果表明,各向同性电极特性模型对燃料电池的性能预测过高,考虑了电极各向异性的模型与实验结果更为吻合。在高电流密度下,各向异性质子传导率和气体扩散系数对燃料电池的性能影响最大,在所有电流密度范围内,气体渗透率和热导率各向异性对燃料电池性能的影响有限,可以忽略不计。最后,敏感度指数反映出毛细扩散性的各向异性对电池性能也很重要,因为多孔电极内的液态水传输主要取决于毛细作用。接着,为了研究相邻流道间压力梯度对除水和电池性能的影响,制作了一种易于机械加工的流道间压力梯度可控的新型流场,并建立了一个二维、跨流道（across the channel）、两相流数值模型。实验中,阴极采用了三种流道-肋条宽度比(Wch/Wrib=0.5、1.0、1.5)的新型流场,阳极则统一使用传统平行流场,使用了两种不同厚度的碳纸（200mm、400mm）作为GDL,验证了模型的准确性。研究了流道间压差对于流道及肋条下的多孔电极中的氧气浓度和水含量的影响,并着重分析了压力梯度下传质和排水速率提高的内在机理。模型计算结果表明,相邻流道之间存在压力梯度的情况可以促进肋条下方多孔电极内的氧浓度增加、水含量降低。对于实际中应用广泛的流道和GDL,最佳压力梯度在0.1至0.2 atm之间。最后,基于一种分段燃料电池装置,在阴极侧设计了Pt梯度和温度梯度的方案达到同时降低Pt载量、均匀化电流密度、提高电池性能的目的。并通过实验数据验证了二维、沿流道（along the channel）、两相流数值模型。结果表明,沿阴极气体流动方向单独设置更高的Pt载量和温度均对电池性能有提高作用,并且温度的影响更加明显。但是,Pt载量和温度的独立设计会导致电流密度非均匀分布。结合Pt载量由入口到出口逐渐递减、温度逐渐升高的方案,可以在不劣化电池性能和电流密度均匀性的前提下,降低催化剂使用量。当阴极入口处Pt载量为0.4 mg cm-2,Pt载量梯度为0.01 mg cm-3,操作温度从35℃增加到65℃时,在电压0.3V下,相比均匀设置的电极可以使Pt催化剂的使用量节省18.8%,电流密度提高69%,电流密度的标准方差为4.55%。