自呼吸式质子交换膜燃料电池(AB-PEMFC),阴极采用开放式结构,不需要氧气罐、空气压缩机等装置,大大简化了电池发电系统,使得电池体积更小,更有利于电池向着便携式、小型化方向发展。然而阻碍自呼吸式质子交换膜燃料电池广泛应用的主要原因是其较低的输出功率,提高阴极水管理能力、改善阴极氧气传输效率是解决问题的关键。本文从改善阴极氧气传输、排水效率出发,对阴极流道尺寸和结构进行了分析和研究。本文首先根据压电泵的工作原理,设计了一种阴极振动装置,用以改善自呼吸式质子交换膜燃料电池的阴极供气和排水情况。通过数值分析的方法对阴极振动装置中阴极出入口结构尺寸进行分析计算,得到出入口结构的最佳尺寸,并通过实验对其谐振频率进行了测试。其次,建立了自呼吸式质子交换膜燃料电池的三维数学模型,并利用该数学模型结合有限元分析软件研究了阴极流道尺寸对电池内部传输和电池性能的影响。确定了本文设计的自呼吸式质子交换膜燃料电池阴极流道最佳宽度为4mm,流道脊宽度为1.5mm。再次,将阴极振动装置与自呼吸式质子交换膜燃料电池结合起来,设计了一款阴极外加振动的AB-PEMFC,并通过动力学分析的方法得到阴极压电振子的位移输出响应函数。并采用有限元分析方法和动网格技术研究了电池操作参数(阴极振动频率和阳极化学计量比)对电池性能的影响。结果表明,当阴极振动频率为180HZ时,电池输出性能最佳;随着阳极化学计量比的增加,电池性能略有提升,但是当化学计量比高于1.4后电池性能提升的不明显,为了减少阳极氢气的浪费和回收成本,阳极最佳化学计量比应为1.4。最后,通过实验测试台分别对AB-PEMFC和阴极外加振动的AB-PEMFC进行测试和对比实验研究。结果表明,外加振动的AB-PEMFC相比于未加振动的AB-PEMFC,其极限电流密度和最大输出功率分别提升了6.8%和5%。而且外加振动的AB-PEMFC相比于未加振动的AB-PEMFC受电池操作温度影响较小。