质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作为一种新型的发电装置,发电效率高,对环境污染小。水管理是影响PEMFC工作性能、稳定性和可靠性的一个关键技术,水在PEMFC流道内的高效传输和快速去除是PEMFC水管理的一个重要方面。研究和分析水在流道内的分布、传输和去除过程,对于深入认识液态水在微观流道内的传输特点和去除机理,指导PEMFC流道的设计具有重要意义。本文以PEMFC流道为基础,研究仿生流道结构和气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)变形的微流道内的水传输现象。本文以Murray定律为基础,通过模拟叶脉结构,设计了一种新型仿生流道结构。并建立了仿生流道电池和蛇形流道电池的三维几何模型,应用专业的网格划分软件对电池模型进行了结构网格的划分,最后应用有限元软件对两种电池进行了相同工况下的数值仿真。通过仿真结果可知,相比蛇形流道,仿生流道的结构更为合理,电池性能更好,在大电流密度和低电流密度下的水管理性能更优。本文建立了考虑GDL变形和不考虑GDL变形的两种阴极微流道模型,在GDL变形的流道内具有亲水凹槽,应用VOF(Volume Of Fluid)方法模拟了液态水在两种流道模型中的动态传输过程,通过比较流道内的压降、液态水的体积分数和液态水的排出时间来研究GDL变形和空气速度对微流道内水传输的影响。结果表明在GDL变形流道内的亲水凹槽会阻碍液态水在流道内的传输,使流道内产生积水。增加空气速度可以加快液态水在流道中的排出速度,减少流道内液态水的含量,而在GDL变形的流道内,提高空气速度时液态水仍然会在亲水凹槽内聚积。本文应用可视化流道,直接观察液态水在仿生流道和蛇形流道中的分布及形态。并将光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器应用于流道内液态水的检测,为进一步将FBG传感器应用于电池的在线研究做了前期准备。实验结果表明液态水在流道中形成了水滴和水柱的形态,在蛇形流道内,流道拐角处发生了液态水的聚积,而仿生流道内的液态水分布更加均匀,在出口处没有发生积水。实验还验证了FBG传感器对流道内液态水信号检测的准确性,表明FBG传感器可以用于流道内两相流的研究。