质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高效转化率、清洁无污染等优点被认作传统能源的有力替代者,在汽车、航空、便携式电池等领域具有很大的发展前景。双极板作为燃料电池的核心部件之一,其性能直接影响电堆的工作效率与寿命。随着双极板轻量化的理念提出,更薄更轻且强度高的金属双极板成为了首要选择。在电堆封装过程中,金属双极板因其流道的镂空设计以及多层组装要求在受封装载荷作用时结构的强度和稳定性都会受到影响,而且具有加工误差的双极板会引起气体扩散层接触应力分布不均,这些因素都会引起电堆性能降低。本文主要从流道结构力学性能、单板加工误差对气体扩散层接触应力影响以及多层双极板叠加结构稳定性三个方面,对金属双极板进行分析和优化设计,为实际加工设计提供理论依据。首先,针对冲压金属双极板单流道结构刚度、强度以及稳定性要求,研究了流道结构壁厚、脊背宽度、流道高度以及侧壁倾斜角等设计参数对流道结构的力学性能影响。研究了双极板结构仅受封装载荷作用和受到在电堆工作时附加气压的联合作用两种工况下,结构的刚度、强度和抗失稳特性。发现减小金属双极板壁厚、增大流道脊背宽度和增大流道侧壁倾斜角会引起结构的刚度和强度下降,增大流道高度会引起更大的金属变形。在四种设计参数中,双极板薄壳壁厚对流道结构力学性能影响最大。流道气体压力对结构的力学性能影响较小。之后,建立了金属双极板与气体扩散层接触有限元分析模型,研究了双极板高度误差与翘曲形状误差对气体扩散层接触应力的影响,发现当双极板高度误差与形状误差增大时,气体扩散层的接触应力的平均值减小,接触应力的标准差增大。定义了双极板与气体扩散层接触性能的评判标准,通过满意度函数将在不同误差条件下的接触应力的平均值与标准差多目标问题转化为求解总满意度单目标问题,给出满足接触性能要求前提下的最大加工误差。最后,建立了金属双极板密封区的堆叠分析模型,以15层电堆结构为例,利用等效刚度理论,确定主要变形区域,再将局部密封结构还原,计算了结构的临界载荷与屈曲模态,发现密封区域产生类似“蛇形”的失稳弯曲变形。随着电堆层数的增加,结构的临界载荷降低。为了提高结构抗失稳的能力,研究了金属双极板材料、双极板壁厚以及密封区宽度对临界载荷的影响。结果表明增大材料弹性模量、增加壁厚与宽度都有利于提升结构的稳定性。