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氢氧燃料电池工作的显著特点是反应产物是水，由于电池运行温度只有80℃，未达到水相变临界温度，因此电池内部会存在水气液两相并存区域。另外，电池反应同时会释放热量，造成不同区域温度也存在差别。随着温度和浓度的变化，水在蒸气和液态水两相间会发生相态转变，当局部蒸气浓度高于该温度下饱和蒸气压时，水蒸气将凝结为液态水，而局部水蒸气未饱和时，液态水将蒸发为水蒸气。燃料电池内的质子导体离聚物具有吸水锁水功能，膜内水同样是氢离子传递的重要载体。为作区分，学者将膜内水归纳为与液态水和蒸气不同的第三种状态，即膜态水。膜中水分与局部蒸气浓度及液态水含量均有关。
因此，水在电池内有液态水、膜态水和蒸气三种状态。液态水和蒸气主要位于电池多孔材料孔隙和流道内，膜态水指在与质子交换膜和催化层离聚物中硫磺酸根基团结合的水分。液态水由于占据了部分反应气体的传输路径，因此会引起反应气体传质阻力的增加，造成浓差极化电压损失的增加。膜态水则和电池质子传递能力密切关联，膜态水越少，质子传递阻力越大。表2-2对常温状态下质子交换膜燃料电池不同组件内水的状态进行了总结。正常情况下，反应生成的水通过蒸气对流扩散或液态水在多孔层渗透向流道传输，在此过程中一部分将被膜吸收并向阳极侧扩散传输至阳极催化层。在高温环境下，部分膜态水可能蒸发为蒸气，发生膜脱水，对氢离子传递极为不利。水蒸气在传输过程中遇到较低温度区域将凝结为液态水，如果液态水过多，就会堵塞孔隙，阻碍反应气体传输，同样不利于电池的高效利用。
表2-2 燃料电池组件内常温状态下水的存在状态
有效水管理的目标是：①为膜态水提供足够的水分；②允许水和反应物高效传递通过电池多孔材料；③有效地从流道中除去水，尤其是大功率发电时产生的大量液态水。只有实现了这些目标，才能提高电池水管理能力，最终提升燃料电池最大输出功率。反之，则会导致大电流密度下发生水淹，阻碍反应气体的传输，致使燃料电池性能骤降。合理的水管理策略依赖于多项参数，如扩散层与流道的润湿特性、流道的结构形状、流道内气体流速，以及扩散层出水孔径的大小与位置等，只有充分了解这些因素的综合影响，才能优化反应物气体的流动和扩散、压降，最终达到理想的电池性能和耐久性。
了解水的运动和排出机理是优化水管理和防止水淹的关键，然而目前人们对电池内水状态还有许多未知之处。比如，国内外对CCL内产物水初始状态研究还未达成一致。由于操作温度低，大部分认为是高热值液态水 [19] ，不过在微尺度下水相态及相变可能和大尺度不同，因此也有人认为是低热值气态水 [9] 。美国特拉华大学Zhang等人 [20] 曾设计和制作了催化层可视化系统，观察微孔结构中液滴形成、生长、聚结和运输过程，认为水主要以气态形式排出催化层。除此以外，复杂的多孔材料中水在气-液-膜间相态转化速率及不同材质膜动态吸水机理等同样存在很多认知盲点，需要进一步研究。