质子交换膜燃料电池具有效率高、启动快、零排放等优点,被认为是一项十分有前景的绿色能源技术。当前,耐久性仍然制约着质子交换膜燃料电池的商业化发展。作为影响质子交换膜燃料电池耐久性的重要因素,水、热管理需要得到足够的关注和重视。针对质子交换膜燃料电池水、热管理问题,本文提出了基于均热板的热管理方法以及基于脉动流的水管理方法,并从理论分析、实验测试和数值模拟等方面探究了均热板和脉动流对质子交换膜燃料电池电性能和热质传递特性的影响。主要研究内容如下:（1）提出了使用均热板强化质子交换膜燃料电池换热的热管理方法。研究了结构参数对均热板换热性能的影响。基于理论分析,设计并制作了厚度分别为1.3 mm和1.32mm的竖向均热板和横向均热板,并建立了均热板的热阻网络模型;理论分析了闭端阳极模式下阳极流道中的水平衡和水传输现象,并阐明了脉动流的基本原理。结果表明,均热板的理论最大换热量随着蒸汽腔厚度和吸液芯厚度的增加而增大。当蒸汽腔厚度进一步增加时,理论最大换热量将趋于平稳;脉动频率和脉动振幅是影响脉动强度的重要因素,增加脉动频率或脉动振幅可以增强脉动强度,进而强化组分的有效扩散。（2）构建了基于阳极板-竖向均热板-阴极板的复合流场板结构单元,并成功装配了集成有竖向均热板的试验电堆。实验研究了竖向均热板电堆的温度分布和电性能,并重点探究了冷却条件对其热性能的影响。结果表明竖向均热板强化了电堆内部的热量传递,使其温度分布更加均匀,输出功率更高。在0.64 A/cm~2时,竖向均热板电堆的最大温差不超过6°C,输出功率较普通空冷电堆提高了约10%。冷却条件对竖向均热板电堆的热性能有重要影响,在适当的冷却条件下,竖向均热板可以去除电堆中将近一半的产热量。（3）构建了基于阳极板-横向均热板-阴极板的复合流场板结构单元,并成功装配了集成有横向均热板的试验电堆。对比分析了横向均热板电堆和普通空冷电堆的温度分布和电性能,并研究了阴极空气流量、冷却空气流量、电流加载幅度及重力对横向均热板电堆热性能的影响。结果表明横向均热板同样可以显著改善电堆的温度分布均匀性。相较于普通空冷电堆,横向均热板电堆的输出功率增加了约5.5%。（4）针对闭端阳极模式下的水淹问题,提出了基于脉动流的两路供氢模式。对比分析了闭端阳极模式和两路供氢模式下的电压、压降、排水量和温度等参数,考察了切换周期、反向流量比、吹扫周期、负载电流和吹扫阀尺寸等因素对两路供氢模式的影响。结果表明闭端阳极模式下的电压衰减速率随负载电流的增大呈指数级数增加,两路供氢模式有效减缓了高电流下电堆的电压衰减速率,并显著提高了单电池电压的稳定性和一致性。切换周期和反向流量比显著影响两路供氢模式的运行特性。当切换周期为2 s,反向流量比为50%时,电堆的输出性能更高,稳定性更好。（5）通过设计可视化电堆并搭建可视化实验平台,进一步研究了两路供氢模式对阳极流道中水动力学行为的影响。比较了闭端阳极模式和两路供氢模式下阳极流道中的水分布,并分析了局部区域液滴动态传输行为的差异性。结果表明两路供氢模式可以增强阳极流道中液态水的传输能力,并有效降低液态水的积累量,从而使电堆的水、气分布均匀性得到改善,输出性能和运行稳定性随之提高。（6）建立了空冷型质子交换膜燃料电池三维、非稳态计算模型,研究了闭端阳极模式下阳极流道中的组分分布,比较了两路供氢模式和闭端阳极模式下质子交换膜燃料电池运行特性的差异性,揭示了两路供氢模式改善质子交换膜燃料电池水管理的作用机理。模拟结果表明闭端阳极模式下质子交换膜燃料电池的输出性能与气体扩散层的水饱和度以及氢气的传质能力有直接关系。通过使组分做往复运动,两路供氢模式提高了氢气的传质能力,使质子交换膜燃料电池的水、气管理和运行性能得到显著改善。