一体式再生燃料电池基于一个电池单体既能实现燃料电池模式对外发电，又能实现电解池模式对外储能。这一双功能特性使其质量轻、体积小、结构紧凑、具有较高的比功率和比能量密度，相比于其他形式的再生燃料电池其在航空航天领域近年来备受重视。模式切换是实现一体式再生燃料电池工作于燃料电池或电解池模式的必经过程。电、物料以及电化学反应的切换与一体式再生燃料电池模式切换过程同步进行，由此导致电池内复杂变化的传热传质过程。研究模式切换过程中电池内部(如，流道、扩散层和催化层内)热、气相和液相在三个维度上的传输规律及其与电切换的关联性，有助于解决其由燃料电池切换至电解池模式催化层内局部缺水的问题，以及由电解池切换至燃料电池模式因严重水淹导致电池启动失败等问题，并以此为优化模式切换方案提供参考。
　　针对上述问题，本文采用实验与模拟相结合的方法，主要开展如下研究:
　　为探索电池内热质传输机制提了供数值研究途径。基于数值模拟，建立了具有两个方向上模式切换功能的一体式再生燃料电池全电池三维非等温单相和两相模型。单相模型用于探索一体式再生燃料电池由燃料电池切换至气态水进料的电解池模式，传热对电池稳定性的影响及因浓差极化加剧导致电池性能下降的原因。两相模型用于研究一体式再生燃料电池由液态水进料的电解池切换至燃料电池模式过程中流道和多孔介质层内气液两相传输机制，为解决因水淹导致电池启动失败这一问题提供改进模式切换方案的理论依据。单相模型和两相模型计算结果分别可在两种工况时和与之对应工况的文献实验结果及本文实验结果相吻合。
　　基于单相模型，探索了一体式再生燃料电池由燃料电池切换至气态水进料的电解池模式，电池内热、质传输规律及其与电切换的关联特性。从脊的材料、燃料电池或电解池运行工况以及物料供给工况等开展相关模拟研究。结果表明，传热相比于传质过程对电池的稳定性影响较大。脊，特别是氧气侧脊，采用高热导率的材料(如，钛)，可有效缩短一体式再生燃料电池处于不稳定状态的时间。此外，在供应水完全到达催化层之前，氧气侧催化层局部区域缺水导致浓差极化加剧是一体式再生燃料电池由燃料电池切换至电解池模式后电性能下降的主要原因。电解池运行电压越高，浓差极化越严重，电池性能恶化越严重。通过提高供水流速强化反应物的传质过程以及统筹切换前后运行工况等方法均可有效改善因局部缺水导致电性能下降的问题。
　　基于两相模型，研究了一体式再生燃料电池由液态水进料的电解池切换至燃料电池模式过程中流道和多孔介质层内气液两相以及质子交换膜内水的传输机制，及其对燃料电池启动性能的影响规律。从电解池运行工况和吹扫气体工况对吹扫性能的影响，以及吹扫结果和燃料电池运行工况对切换后燃料电池模式启动性能的影响展开研究。结果表明，多孔介质层内残留大量液态水是一体式再生燃料电池直接由电解池切换至燃料电池电池无法启动的主要原因。气体吹扫可有效地将催化层内液态水排出。电池处于不同程度的水淹状态时，吹扫气体参数(如，相对湿度、流速、温度等)对液态水排出过程的影响不同。此外，吹扫结果和燃料电池运行工况共同影响一体式再生燃料电池由电解池切换至燃料电池模式后电池的启动性能。吹扫后和燃料电池稳定运行后，电池内液态水的分布越相近，越利于电池在短时间内启动并达到稳定运行状态;反之，电池内的气态水和液态水之间达到相平衡的时间越长，电池越长时间运行在一个不稳定的状态，由此导致切换后燃料电池性能的稳定性越差，电池达到稳定运行状态的时间也越长。
　　以实验为主，辅之于数值模拟研究了流场结构对电性能响应特性的影响规律。数值模拟辅助设计、并加工了具有不同流道及流场结构的一体式质子交换膜再生燃料电池。实验研究流场结构对其单模式时电池性能的影响、对其由电解池切换至燃料电池模式过程中电性能动态响应特性的影响、及对其由燃料电池切换至电解池模式过程中电性能动态响应特性的影响。结果表明，流场结构不同导致流体流动特性及传质过程不同，继而影响一体式再生燃料电池的电性能及切换过程中电性能的动态响应特性。流量一定时，小尺寸截面的流道有助于提高流道内流体流速，改善气体吹扫性能，强化反应物进入扩散层以及液态水排出电池的传质过程，利于燃料电池模式启动:然而，具有小尺寸截面流道的电池切换至高电压的电解池模式后，电池性相比之下最容易下降。