气候变化和能源危机是人类面临的两大问题,化石燃料的燃烧会产生大量的污染物和温室气体,会造成环境污染。新能源汽车作为机械、电子、通信、计算机、能源动力、交通运输等领域的融合体在减少交通运输污染气体的排放方面展示出了巨大的潜力。氢燃料电池汽车是将车载氢燃料电池装置产生的电力作为动力的新能源汽车,其能源效率高达40-60%,而且与传统汽车和纯电动汽车相比,氢燃料电池汽车动力源一般采用质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池是一种清洁高效的分布式电源,具有效率高、寿命长、工作温度范围广,生成物为清洁水和少量的二氧化碳,具有近似零排放的优点,使其在氢燃料电池汽车动力源应用上具有广泛的应用前景。氢燃料电池系统具有非线性、强耦合和时变延迟等特点,具有复杂的电化学和热力学反应,涉及多尺度传热过程。氢燃料电池的真正大规模商业化应用仍然是一个挑战,其中水热管理就是关键挑战影响因素之一。水热管理会影响氢燃料电池中反应气体的分布,而气体分布最终决定了电流密度分布。若电流密度分布不均,会导致氢燃料电池内部温度和水含量分布不均匀,影响电化学活性,较高的温度会导致氢燃料电池发生膜干,从而增加离子电阻、欧姆损失和材料降解问题。过高的水含量可能导致其流道内的水冷凝成液态,尤其是在阴极侧,发生“水淹”现象,严重会引起反极,影响氢燃料电池的性能和使用寿命。氢燃料电池处于“气-水-热-电”的多物理场工作环境,其内的水热分布是十分复杂的。本研究通过建立氢燃料电池数值模型和三维模型来分析其水热分布特性,通过仿真及试验验证,氢燃料电池温度对其输出性能有很大的影响,其中活化极化电压和欧姆极化电压占主要影响因素。氢燃料单体电池阴极水含量随着电流密度的增加而增加,而且沿着流道方向,流道末端水含量最高。根据仿真结果发现,氢燃料电池双极板对其热管理和水管理有很大的影响,研究氢燃料电池双极板很有意义。合理的双极板结构和材料可以有效避免氢燃料电池在高电流密度下“水淹”和膜干现象的发生。根据对氢燃料电池水热管理性能的研究,发现疏水性对电池水热管理性能有一定的影响。为了提高316L不锈钢金属双极板的耐腐蚀性和疏水性,采用纳秒激光刻蚀和低表面能材料硬脂酸修饰制备超疏水金属双极板。超疏水316L不锈钢金属双极板可以满足美国能源部现行对双极板性能的要求,同时还具有良好的耐腐蚀性、防结冰、防结霜性能,可改善氢燃料电池低温启动性能。通过对氢燃料电池进行不同工况的模拟,采用超疏水316L不锈钢作为氢燃料电池双极板,可以有效提高氢燃料电池的水热管理性能。我们的研究结果有助于金属双极板的表面增强,同时提供了一种简单、低成本和稳健的双极板制备方法,这对于工业应用至关重要。