提高输出功率是质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）的重要发展趋势,核心问题是电堆的工程放大。面积和数量两个维度的放大往往会产生相应的放大效应,影响电池的性能和耐久性。因此,研究放大过程对大功率、高功率密度、长寿命PEMFC的设计开发具有重要理论价值和实际意义。本文综合运用理论分析、数值模拟和实验研究等手段,系统探究了 PEMFC放大过程蕴含的科学与技术问题,揭示了电池面积放大和数量放大过程中传递与反应的相互作用机制,研究了对放大过程有重要影响的水管理和流动均布等关键技术。主要内容如下:（1）考察了流道长度、电极结构及流动分布对电池性能的影响,揭示了电池放大效应与水管理的内在关系。研究结果表明,随着通道的延长,液态水毛细扩散距离增加,导致水的积聚,造成电池性能下降;微孔层（microporous layer,MPL）凹坑结构的存在导致液态水毛细扩散系数减小,进一步增加了液态水扩散阻力,导致水淹现象,电池性能下降更为明显。电池长度从50 mm分别延长到100 mm、200 mm、300 mm、400 mm和500 mm时,电池的最大功率密度分别下降1.0%、3.9%、11.9%、18.6%和30.5%,呈现非线性下降趋势。随着流道或单电池数量的增加,流动分布不均匀加剧,造成局部供气减少,导致气液传递过程的共阻滞作用,是影响电堆性能输出的主导因素。面积和数量放大导致电池性能下降的直接原因均为液态水传递阻力的增加,因此排水能力下降是放大过程存在的共性问题,排水强化与流动均布是PEMFC工程放大的关键技术。（2）基于反应器稳定性分析方法探究了 PEMFC水热管理过程的多态性、动态性和稳定性。针对冷启动过程,构建了以冰的体积分数为自变量的放热和移热速率线,获得了从冰的形成到融化转变的冰体积分数临界值（即不稳定的定态点对应的冰体积分数）。结果表明,冷启动成功的充要条件一是满足传质基本条件（即具有两个定态点）,二是需要保证电池内冰的体积分数小于临界值。针对正常运行过程,构建了以液态水体积分数为自变量的产水和排水速率线,获得了电池运行的三个定态点,即停机点、中间定态点和右侧定态点,其中,中间定态点是不稳定的工作点,电池在该点工作时,操作参数的扰动会导致脱水或水淹等突变情况,损害电池的性能和耐久性。右侧定态点是稳定工作点,在该点优化操作参数,可在维持膜水合性的前提下,强化排水能力,提高电池性能。（3）系统考察了电堆级和电池级两级流动分布过程,研究了均布过程的机理与技术,电堆级均布的本质是流量分布的均匀性,电池级均布则是速度分布的均匀性。模拟结果表明,对于电堆级均布过程,由于进气总管的压力恢复,总管阻力实际由排气管决定,为了减小总管阻力以提高流量均匀性,首先应保证排气管具有足够的尺寸,通常需使总管阻力占比小于1/4,其次是进、排气总管压力分布要匹配,截面最佳比例是1:2。对于电池级均布过程,基于流场结构与几何结构的内在关系,揭示了基于径向流调控的均布机理,构建了新型“组合网格型”流场过渡区结构,有效提高了电池级流动的均匀性。该结构通过设置中心横置网格和侧方竖置网格,对径向流的产生和分配进行主动调控,实现了轴向动能的高效传输以及过渡区突扩截面上的流速均布,中心和侧方网格区开孔率等两个关键参数由平行流道上方被动形成的径向流动分量加以确定。（4）提出了 MPL制造过程的结构调控方法,探究了电池制造与运行的关系,目标是形成均匀孔隙结构,以促进电极中液态水的排出。实验结果表明,分散性好的浆液形成的孔隙结构也更为均匀,而当浆液内颗粒团聚程度较高时,MPL成型材料则会出现裂隙、凹坑等缺陷结构。因此,MPL制造过程的核心调控原则是保证浆液具有好的分散性。基于制浆实验,阐明了组成对浆液微观结构的影响规律,提出了 MPL浆液的最佳配方:聚四氟乙烯载量为30%,异丙醇与水的质量比为1:2。针对狭缝涂布过程,揭示了新涂布操作窗蕴含的流动特征,即“泊谡流-库特流-气泡流”,其中,剪切速率分布均匀的库特流对浆液分散最为有利。考察了流体性质和几何结构对流型演变的影响,定量给出了新涂布窗的上操作边界,结合现行操作窗的气泡夹带下边界,共同组成了适用于MPL浆液等悬浮液的新涂布窗,有效调控了涂布剪切流动,提高了浆液在涂布过程中的分散均匀性,制得了孔隙更为均匀的MPL材料。