质子交换膜燃料电池(PEMFC)不经过燃烧而直接将氢气中的化学能转变为电能，具有清洁、高效和能源可再生性等优点，是理想的能源转换装置，在交通工具、电子产品和国防产品等方面具有广泛的应用前景，已经成为国内外学术界和工业界的研究热点。目前的研究主要集中在传统的板框式电池结构上，在各关键组件开发、电堆装配、系统控制等方面取得了长足的发展。然而，板框式结构的石墨极板制造成本较高，同时膜电极组件(MEA)的利用率较低、极板厚度较大，导致电池的功率密度较低。采用冲压成形的板框式结构金属双极板材料成本低、加工效率高，极板厚度减薄，但MEA的利用率没有提高，功率密度提升空间有限。因此，迫切需要创新电堆结构设计，探索提高PEMFC的体积功率密度和质量功率密度的新途径。本文首先提出波浪型金属气体扩散层（GDL）和波浪型复合膜电极组件（CMEA）的概念，设计出无极板式质子交换膜燃料电池新结构；然后以波浪型金属气体扩散层制造为核心，在金属气体扩散层本构建模和成形过程仿真的基础上，建立波浪型金属GDL和波浪型CMEA成形工艺以及电堆装配工艺；最后建立无极板式PEMFC单电池和百瓦级电池系统，实验表明所提出的无极板式燃料电池新结构可以显著提高功率密度。论文主要研究工作如下：1)无极板式PEMFC结构构型设计提出无极板式PEMFC结构构型并分析其工作原理。膜电极组件被加工成波浪形状，增加单位空间内的反应面积，提高膜电极的利用率；同时采用金属多孔材料兼顾双极板和GDL的作用，消除传统意义上的双极板，减少界面接触电阻引发的欧姆损失，有望大幅提高PEMFC功率密度。设计出无极板式PEMFC流场结构，并对其流道截面形状参数进行优化。通过金属多孔材料相关物理化学性能实验，论证了金属GDL的可行性，为无极板式PEMFC提供基础。2)烧结金属纤维GDL材料弹塑性本构建模与分析基于细观力学和统计理论，建立金属GDL材料弹塑性本构模型。针对材料的复杂微观结构特征，研究纤维空间分布的几何描述方法。在此基础上，建立基于细观力学的金属GDL材料弹塑性基本方程、塑性屈服准则；采用统计理论，建立包含纤维长度、纤维面内角和纤维俯仰角分布统计特征的弹塑性本构模型，为建立金属GDL成形工艺仿真模型和材料微观失效准则提供精确的材料模型。3)烧结金属纤维GDL成形过程仿真建模及工艺设计以材料本构模型为基础，建立金属GDL材料成形过程仿真模型并分析其成形规律。分析金属GDL在拉应力和压应力作用下的微观失效模式，建立包含纤维断裂和孔隙率降低的微观失效准则。在此为基础上，建立金属GDL材料成形性能仿真的二维有限元模型，分析材料的成形规律；针对具有复杂流场特征的波浪型结构，建立金属GDL材料成形的三维仿真模型，分析波浪型金属GDL的整体可成形性能，为波浪型膜电极组件的成形提供指导。4)无极板式PEMFC原型制造与实验研究在上述模型和分析方法的基础上，建立无极板式PEMFC实验原型并进行性能研究。设计并加工成形模具系统，制备具有复杂流场特征的波浪型CMEA。研究电堆装配工艺参数对电池接触性能的影响规律，获得无极板式PEMFC电堆装配优化工艺参数。利用优化的装配工艺参数，建立无极板式PEMFC实验原型系统，研究其输出性能。对比板框式石墨双极板和金属双极板电堆，验证了无极板式PEMFC在功率密度方面的优越性。本文围绕无极板式PEMFC构型设计及制造技术开展研究，针对无极板式PEMFC结构构型设计、烧结金属纤维GDL材料弹塑性本构关系、烧结金属纤维GDL成形性能仿真、无极板式PEMFC实验原型制造及性能评估等方面进行了研究，期望为高功率密度的PEMFC设计与制造提供参考。