为实现“双碳”目标,低碳及零碳燃料的利用技术受到越来越多的关注。PEMFC作为一种将燃料中的化学能转化为电能的能量转化装置,具有能量转化效率高、零碳排放等诸多优点。当水含量过多时容易造成电极水淹,降低电池性能,因此燃料电池水管理对提升系统性能和耐久性具有十分重要的研究意义。本文以阴极流场水管理为研究内容,采用实验研究、理论分析和数值模拟等方法,设计开发了PEMFC可视化电池系统,探究了不同运行参数阴极流场两相流动过程及其对电池性能的影响、对比分析了不同流场结构对阴极侧水气分布的影响、开展了面向燃料电池流道中的气液两相流过程仿真研究。主要的研究内容如下:1.设计了PEMFC阴极流场可视化电池系统。搭建了燃料电池系统及流场可视化测试平台,通过进气压力及背压阀调节气体流量,通过恒温水浴锅、蠕动泵、温控仪等控制系统温度,通过加湿堆、水箱以及水泵等控制进气湿度。2.系统的研究了PEMFC在不同空气流量、加湿温度、工作温度以及电流密度条件下,阴极流场内水汽的生成及流动过程,以及其对电池性能和电压的稳定性的影响。研究表明,电池阴极侧的产水量随着空气流量的增大而变多且电压稳定区间变短。随着加湿温度的增大电压振荡加强,浓差极化区性能降低。增大电池的工作温度可以减少水的凝结,减缓电压振荡。而随着电流密度的升高,电池产水速率加快,电压振荡效果增强。生成的液态水穿过GDL,到达流场,首先在双极板通道中看到细小的雾状水滴。随着水滴的积聚,尺寸逐渐增加直至与流道的横截面宽度相当。而较大水滴的聚结,能够在流道中形成水柱。3.建立了平行流道和多通道蛇形流道的PEMFC三维（电化学）仿真模型。对比分析了不同流道结构的燃料电池在不同工况下电池内部的气体、水、压力以及温度分布等特性。研究表明,采用多通道蛇形流场的燃料电池的输出性能最优,水气分布的均匀性更高。4.基于VOF方法建立了流道内液滴流动气液两相流仿真模型。研究了不同空气流速、壁面接触角以及工作温度下液滴在直流道和蛇形流道中的运动过程,同时针对蛇形流道壁面除水问题做了仿真比较。研究表明提高空气流速能够增加液滴受到的剪切力,同时提高流道表面的疏水性也能够显著影响液滴的运动形态,从而有利于增加液滴的扫除率。随温度的升高液滴的粘性以及表面张力下降,因而会达到更好的排水效果。同时针对蛇形流道拐弯处GDL除水问题,设计了具有不同坡度的导流弯道,研究表明流道外侧坡度应保持在70°左右。