质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是一种将反应物的化学能直接转化成电能的能量转化装置。以其能量转换效率高、可靠性高、环境友好、噪音低、工作温度低、应用范围广以及寿命长等突出等优点,越来越受到广泛的关注,被誉为优秀的动力源。水气管理对燃料电池的性能有重要影响。本文对阳极闭口燃料电池,阴、阳极全闭口燃料电池以及开口燃料电池的水气管理问题进行研究和优化。燃料电池阳极闭口运行可有效提高氢气利用率。重点研究不同阳极进口压力、阴极过量系数以及工作温度下阳极闭口运行特性。每个操作条件运行期间阳极出口电磁阀均未中途打开(单个操作条件最长运行时间26h),氢气利用率达100%。结果表明:燃料电池除了在低阴极过量系数且高电流密度下运行由于“水淹”引起电池失效外,其它各操作条件下阳极均能长时间闭口稳定运行。然而,对膜电极分区域断面SEM测试结果表明,在电池下游出口附近区域阳极和阴极催化层均有所减薄,且阴极催化层衰减比阳极更严重,而其它区域膜电极催化层几乎没有受到影响,故而“水淹”对电池出口附近催化层的碳腐蚀有重要影响。对阳极闭口燃料电池的阴极出口尺寸进行优化,设计了阴极单出口、双出口以及全开口三种出口形式,分别在同样的操作条件阳极闭口连续运行100h。考察不同阴极出口尺寸对电池运行特性的影响。实验完成后对每个电池的阴极进行CV测试,并将膜电极分区域进行断面SEM测试。结果表明:增加阴极出口尺寸可有效缓解电池“水淹”,减少电池性能以及电极活性面积的衰减,抑制催化层的碳腐蚀,从而提高电池的使用寿命。随着阴极出口开口率增加,电池催化层碳腐蚀速率得到有效抑制,电池寿命大幅提升。对闭口燃料电池的阳极和阴极排放特性进行研究。结果表明:在阳极排放过程中性能衰减逐渐减慢,性能恢复随电流密度、阴极相对湿度、电池工作温度的增加而加快,随阳极压力以及排气时间的增加而减慢,且性能恢复后电池能维持稳定的运行。阴极脉冲排放过程中,电池性能在前0.2s内迅速下降,然后再以较低的速度缓慢下降。脉冲排放完成后,电池性能可迅速恢复,电池此后的不稳定性增大,随着电流密度增加愈发明显。组装阴、阳极全闭口燃料电池进行60h全闭口测试,并将运行后的电池进行CV测试与SEM测试。结果表明:阴、阳极全闭口燃料电池在运行过程中极易引起“水淹”而导致性能下将。阴极活性面积明显衰减,“水淹”区域阴、阳极催化剂均被腐蚀。经研究发现单个闭口运行周期可以分为三个区域,即膜脱水引起的欧姆损失区、平衡状态区以及水淹引起的浓差极化区。在此基础上提出阴极预置排气策略,避免出现水淹区域而引起性能下降,阴极排放选择在平衡状态区最后触发。结果表明:预置排气策略能有效缓解电池性能以及ECSA的衰减,抑制“水淹”对电池催化层的腐蚀,从而可有效提高电池的使用寿命。此外,研究还发现电池性能和闭口周期随着压力的增加而增加,而随电流和温度的增加而减小。在3kW电堆阴极出口设置冷凝器强行冷凝阴极尾气,在电堆内部与冷凝器内之间强制形成大的水蒸气浓度梯度。由菲克定律,水蒸气从电堆流向冷凝器并被冷凝成液态水,同时电池内部的液态水不断蒸发成水蒸气以维持电堆内部水蒸气平衡,该方法有效的将电堆内部多余的液态水转移到电堆外部的冷凝器中,从而达到解决电堆“水淹”的目的。重点研究不同电池工作温度、阴极气体相对湿度以及工作压力下阴极尾气冷凝除湿后对电堆性能以及运行稳定性的影响。结果表明尾气冷凝除湿可以有效缓解电池“水淹”行为,提高电池的性能。通过尾气冷凝电堆在1000mA/cm2的工作电流密度下性能提高了13%。