质子交换膜燃料电池作为一种具有零污染物排放的高效率能量转换装置,可替代传统燃油汽车的动力源。然而,水管理等关键性的技术问题阻碍了其全面商业化的脚步。燃料电池内水的运输显著影响着电池性能。因此,恰当的水管理是提高PEMFC工作性能的关键技术,特别是对于阴极各多孔组件来说。本文首先基于随机四参数生长方法数值重构了质子交换膜燃料电池催化层多孔结构模型,使用多弛豫时间格子玻尔兹曼方法,模拟研究固相表面性质、孔隙结构、水气两相各物性参数对于燃料电池催化层内两相传输的影响。结果表明,当表面性质呈亲水性时,液态水将快速地浸入并填充满模型,堵塞反应气体的传输通道,导致“水淹”现象。在一定压力梯度下,随着接触角的增大,水的浸入速度逐渐降低,能够浸入催化层内的水的体积随之减少。当接触角增大到130°时,水在浸入过程中受到的阻碍明显增加,浸入量不足10%。选择合适的材料接触角有助于催化层内水的排出。表面性质显著影响着水在多孔介质内的传输模式,压力梯度、水气动力粘度比与液体表面张力对传输模式的影响不大。在具有亲水性表面的模型中,水将以“稳定排空模式”均匀地渗入各种大小的空隙中,在具有高疏水性表面的模型中,水将以“毛细指模式”优先形成多个突起水头填充多孔结构中的某些孔隙,并在浸入过程中不断地发生合并与分离。增大压力梯度有利于水在催化层内的传递。随着质子交换膜燃料电池工作温度的升高,水的浸入速率与浸入量将增大。然后模拟研究裂缝对于燃料电池催化层-微孔层内两相传输的影响。结果表明:裂缝横截面积越大,水越优先进入裂缝并更容易穿透模型到达计算域的尾部,这意味着水将更容易从催化层内排出进入到气体扩散层。此外,水在裂缝内传递的过程中还会不断向四周较大的空隙中渗入。裂缝越长,水的传输速度就越快,到达突破点所需要的时间也越少。裂缝的存在降低了裂缝周围催化层内的水含量,能够有效避免“水淹”现象的发生。具有一定程度弯曲的裂缝会降低水的传输速率。最后基于形态学结构方法重构GDL多孔结构模型,通过ANSYS有限元模块获取压缩模型,模拟研究压缩前后GDL内两相传输过程。结果表明:随着压缩量的增加,不管是在脊部下方还是在流道下方,水更难浸入GDL。压缩对于脊部下方水传输的影响尤其明显,水更容易在脊部下方聚积,使电池发生水淹现象。水在两种压缩模型中的传输还是存在着细微的差异,微观有限元压缩模型能够更准确地反映出GDL中碳纤维的变形情况,能够更好地帮助理解压缩对于水传输的影响。