质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是一种在催化剂的作用下将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置,其能量转换效率高、噪音低、无污染(产物为水),已成为一种优秀的动力源,可用于汽车、潜艇、备用电源及军工领域,应用前景极为广泛。质子交换膜燃料电池的气液两相流动机制和水分布特性对燃料电池的性能有着重要的影响。本文通过可视化方法研究了不同操作参数下质子交换膜燃料电池阴极水分布特性,以及阴极水分布对电池性能的影响。利用透明质子交换膜燃料电池研究燃料电池内部的水分布特性,重点是避免透明观察窗口起雾,以及避免外界温度对燃料电池系统的扰动。在现有质子交换膜燃料电池可视化研究的基础上,本文改进设计了一种质子交换膜燃料电池,实验结果表明,所设计的电池与常规电池的性能基本一致,而且所设计电池的冷却方式和电堆的冷却方式一致。合适的操作参数对发挥质子交换膜燃料电池的最佳性能有着重要的影响。利用透明质子交换膜燃料电池,本文研究了不同操作参数下质子交换膜燃料电池阴极水分布特性,以及阴极水分布对电池性能的影响,结果表明:(1)平行流道内,液态水排出是一间歇过程。只有当水滴长大融合达到临界体积后,才会随反应气体排出,并携裹其遇到的其它液滴一起排出。当阴极气体出口被液滴堵塞时,阴极流道内容易出现柱状流,造成水淹。(2)阴极流道内液态水积聚的含量随工作温度增加而减小,但是过大的工作温度会造成膜脱水,导致电池性能降低。(3)不同的加湿策略对阴极流道内液态积聚的含量和电池性能有重要的影响,过小或过大的加湿温度都不有利于发挥电池的最佳性能。(4)随着电流密度的不断增加,阴极流道越容易发生水淹。初始电流密度较小时,增大电流密度有利于减小电池电阻,但是电流密度达到较大时,电阻则不会随电流密度增加再显著减小。