燃料电池商业化进程中,系统层面的水管理显得尤为重要。压降可以较好的反映流道内部含水量,可以用来进行水故障的在线诊断。本文旨在探究水淹过程中阴极压力降的变化规律,并将其应用于水故障诊断领域。探究了两相流压降在水淹过程中的变化趋势,并给出稳态两相流压降的理论模型,制定了基于压降的燃料电池水管理策略,比较了不同调控方法的水管理效果,提出了基于阴极压降和阳极压降的水管理技术。建立了涵盖全部运行参数在内的阴极单相流压降半经验公式,发现了阴极单相流压降是电流和过量系数乘积的二次函数。几何参数和工况参数对压降的影响主要体现在二次函数的两个系数中。压降随电流密度、过量系数、堆温的升高而增大,随进气压力、进气相对湿度的升高而减小,并在10 kW电堆上验证了该压降模型。提出了水淹过程中阴极两相流压降规律和稳态压降模型。发现阴极两相流压降会经历两级阶升现象,最终止于巨幅震荡。对第一次阶升后压降得以稳定的现象进行了水滴动力学解释。发现一定流量下,压降的稳定归因于液滴长大过程中存在最大稳定高度。随着电堆温度、电流密度的增加,以及阴极对阳极压力差值的减小,水淹四阶段所经历的时间缩短,水淹恶化。从时空平均的角度提出稳态两相流压降模型,多流道两相流压降可看作液态水均匀涂覆单条流道表面后的单相流压降。提出了基于压力降的水管理方法。将两相流稳态压降作为控制线,通过具体方法调节压降,使压降始终围绕在该控制线附近。从阻抗和电压的角度比较了改变流量、堆温、进气压力、电流密度及进气湿度等调节方法对水淹恢复效果的影响。发现改变堆温、进气压力或流量是较易实现的恢复效果较好的调节方法。从电化学动力学的角度定量探究了改变堆温和进气压力对恢复效果的影响。变温或变压的幅度越大,恢复效果越好。提出了基于阳极压降和阴极压降的综合水管理策略以及基于浓差电势的检测氢气压差新方法。开发了可商业化的质子交换膜燃料电池水故障规避器。本文的研究成果发展了燃料电池压降与水状态监测的理论,拓展了质子交换膜燃料电池水管理技术,对于维持燃料电池长时间稳定运行具有指导意义。