该文通过对氢氧质子交换膜透明燃料电池阴极流道的可视化研究,给出了流道内水的凝聚,流动和排出过程及其对电池性能的影响,为电池的水管理及强化传质提供了优化设计思路.同时,该文基于氢氧质子交换膜燃料电池的实用化背景,研究了低化学计量比下电池的性能,并得出了能够维持电池在预期的电流强度下放电的最小化学计量比.另外,该文研究了旨在提升氢氧质子交换膜燃料电池膜电极性能的初始化方法以及被金属腐蚀物污染了的膜电极的性能恢复方法.该文的主要工作及取得的主要成果如下:1.建立了氢氧质子交换膜燃料电池单电池性能测试系统.实验系统可以对反应气体的流量、压力、温度进行测量与控制.同时,该性能测试系统与作者自行设计的透明电池以及由高速摄影仪和数码相机组成的拍摄系统共同构成了氢氧质子交换膜燃料电池阴极可视化的研究平台.2.研究了活化电流和活化方式对膜电极的活化效果的影响.结果表明,大电流活化的效果要好于小电流活化效果,同时阶梯状活化过的膜电极性能高于定电流活化过的膜电极性能.3.通过扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析,证明金属铜极板发生腐蚀后,影响氢氧质子交换膜燃料电池膜电极性能的是铜离子和单质铜.同时得出,以浓度0.2M的稀硫酸溶液沸腾的方法能够有效的去除污染物并恢复膜电极组件的性能.4.研究了氢氧质子交换膜燃料电池在低的反应气体化学计量比下的性能.结果表明,能够维持电池在预期的电流下放电的最低化学计量比为1.3,并且证明提高压力和增大流量对电池性能提高的影响机理是相同的.同时,增大阴极气体流量对电池性能的提高比增大阳极气体流量对电池性能提高更有效,这是因为阴极反应气体流量对强化阴极传质和提高电池性能比阳极更重要.5.对阴极组装了平行流道、交错流道、瀑布流道的氢氧质子交换膜透明燃料电池的可视化研究表明,交错流道和瀑布流道的流场设计比平行流道的流场设计有利于强化传质和排出凝结水.提高电池运行温度后,流道内的凝结水量减少,增大阴极气体流量有助于排出流道内的凝结水.利用高速摄影仪记录了交错流道和瀑布流道阴极凝结水的排出过程.