质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种清洁、高效的能源转化装置,被认为是当前最具有应用前景的能量转换设备之一。但PEMFC的商业化应用仍然受到许多关键性问题的制约,其中主要包括如何提高PEMFC输出性能与解决电池内部水管理问题,这二者均与燃料电池双极板息息相关。通过优化分布在双极板上的流道结构,一方面可以增强传质能力而提高PEMFC输出性能,另一方面可以实现液态水在流道中的高效传输和快速排出。本文以PEMFC阴极流道为研究对象,研究如何构建流道构型参数与燃料电池输出功率密度之间的量化关系,建立一种PEMFC输出功率密度预测模型,进而为燃料电池双极板流道的优化设计提供理论指导。除此之外,本文还研究了如何快速排除阴极流道内的液态水,为优化阴极流道水管理性能提供具体可行的解决方案。首先,本文通过理论分析与计算流体力学（CFD）数值模拟相结合的方法,建立了PEMFC输出功率密度的预测模型。预测模型表明,PEMFC输出功率密度是双极板流道高度、流道宽度、进气流量以及气体扩散层孔隙率的函数,与流道高度呈负相关关系,与进气流量和气体扩散层孔隙率呈正相关关系,与流道宽度的关系较为复杂,但可以利用该预测模型计算出PEMFC输出功率密度最高时流道宽度的最优解析解。将该模型的预测结果与大型商业软件（Fluent）的数值模拟结果进行了对比分析,分析结果表明,利用所建立的预测模型计算出的流道最优宽度与FLUENT数值模拟的数值解高度吻合。该模型不但可为PEMFC双极板流道快速优化设计提供理论指导,而且可以大大降低计算难度和计算量。其次,本文还研究了气体扩散层（GDL）表面上排水孔隙分布方式及不同流道结构对PEMFC阴极流道水管理性能的影响,并提出了一种加速吹扫生成水型流道。采用流体体积分数方法模拟了多种流道内液态水的输运行为,通过比较流道内压降、液态水总体积及液态水对GDL表面覆盖率,量化分析了GDL表面排水孔隙分布方式与不同结构阴极流道对流道内水管理性能的影响。结果表明,GDL表面孔隙分布按尺寸由大到小排列时,有利于提高阴极流道内的水管理性能;与直流道相比,加速吹扫生成水型流道有助于缩短液态水的排出时间,且排出更彻底。最后,本文设计并加工了直流道和加速吹扫生成水型流道部件,搭建了PEMFC阴极流道可视化试验台,对直流道和加速吹扫生成水型流道进行了试验研究。试验研究发现,液态水在直流道的输运过程中流型会发生变化,逐渐由“珠状”变为“角流状”,在加速吹扫生成水型流道中液态水流型不发生变化,但液态水的运动速度更快,说明加速吹扫生成水型流道能够更加及时有效地排出液态水。