质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有零排放、低运行温度、低噪声、高功率密度等优点,近年来在固定电站系统,汽车和备用电源等领域获得了广泛的应用。在PEMFC运行过程中,反应物生成的水从催化剂表面,经气体扩散层(GDL)传输到极板流道内,最终从流道排出电堆。当电堆排水条件不良时则容易产生累积。当液体水累积在催化剂表面时,则阻止气体进入催化层、导致反应速率下降等,最终影响电堆的性能;当更多的液态水累积到流道内时,则阻碍流道内气体的流动,造成压力分布不均,降低电堆输出性能。目前,由于宏观仿真分析方法简化了GDL中微孔道的描述,难以准确预测GDL内的水传输规律;而微观方法,模型复杂、计算量巨大,难以指导实际工程电堆的开发。对于燃料电池电堆中的液态水的累积、流动规律以及装配受压后GDL内的传质、水-气传输建模等方面亟待更深入的研究。本文围绕金属极板PEMFC中生成水的传输过程,开展了水-气传输理论建模、规律分析及流道设计优化等研究。首先,建立装配压缩的GDL内部传质模型,探明了GDL内部液态水排出和脊下氧分压分布的规律;分析了气体通道内的液态水排出行为,提出了考虑通道内液态水累积的反应气压降预测方法;其次,综合考虑通道内液态水和极板成形流道尺寸精度,建立了金属极板燃料电池电堆的水-气传输分析模型;最后,运用上述模型,综合考虑车用电堆运行条件,指导了金属极板流场的参数设计,并进行了样件试制、电堆装配与性能测试,为电堆流场设计提供了理论方法。本文的研究工作主要集中在以下几个方面:1)PEMFC气体扩散层内的传质建模与分析基于Winkler弹性假设,推导了电堆装配力对GDL压缩变形的影响,通过有限元仿真进行了验证。阴极生成液态水通过Darcy渗流描述,结合GDL内部孔隙的压缩状态对水-气传输的影响规律,建立了考虑Bruggeman校正的氧气扩散模型。基于建立GDL传质模型,分析了流道与GDL几何参数、装配力和电堆操作条件等对液态水排出和脊下氧分压的影响,为流道设计与GDL匹配设计提供基础。2)极板流道内液态水流动的VOF两相流模型与排出规律采用VOF方法建立了气体通道内排水的两相流模型,分析气体通道内的液态水排出规律。考虑到液态水附着与运动的特点,综合极板、GDL的表面特性与通道内液滴两端压差,提出了液滴在GDL表面附着的力平衡方程,准确预测了液态水排出过程对反应气产生的附加阻力。搭建燃料电池可视化实验平台,采用高速摄像系统观测流道内的液态水传输行为,实验观测与仿真模型预测结果相符,验证了模型的准确性。3)PEMFC水-气传输建模针对冲压超薄金属双极板的成形几何特征,提出形状因子描述流道界面形状对流道内反应气体阻力的影响。基于流道分叉、连接位置的守恒方程,提出了考虑极板构型的反应气体流量分布计算方法。并基于液态水引发的反应气附加阻力和极板流道成形误差分布规律,建立了修正的PEMFC水-气传输模型,分析了流场结构、操作条件等对反应气分布的影响规律,为燃料电池流场设计提供指导。4)大面积车用燃料电池金属极板的构型设计面向大面积车用燃料电池需求,基于PEMFC水-气传输模型,分析了金属极板构型、流道截面几何结构对反应气分布的影响规律,建立了车用金属双极板流场设计方法。试制了金属极板并考虑GDL压缩变形后的传质特性,装配了燃料电池电堆样机,开展电堆性能的实验评估,验证了设计的可靠性。围绕上述四个方面,本文开展了金属极板PEMFC中的水-气传输特性详细研究工作,建立了燃料电池金属极板电堆通道内的水-气传输模型,指导了金属极板流场设计,并进行了实验验证。本文研究工作为燃料电池金属极板的设计提供理论基础。