随着人口增加和生活方式的提高,全球能源消耗逐渐增加。全球变暖和相关环境问题也变得越来越严重,可再生能源的开发变得越来越重要。电解水制氢与间歇性能源耦合将多余的太阳能和风能以氢的形式存储。质子交换膜电解池（PEMEC）理论上讲也是质子交换膜燃料电池（PEMEC）的逆反应装置,由于其耦合间歇性能源的效率最高,逐渐成为了研究的热点。本文建立质子交换膜电解池的三维多相仿真模型,并首次提出了将真实流道两相流集成到三维模型的方法。模型详细描述了电解池中复杂的气/液两相流,电化学反应,热传导,电/离子传导,相变等物理化学过程。通过将不同工况及流场配置下的仿真结果与实验数据进行对比,确保了模型和集成方法的可靠性和敏感性。首先详细研究了真实流道两相流分布对电解池多孔电极内部的特征分布,如氧气体积分数、温度、电流密度等的影响。可以发现忽略流道两相分布的模型不能准确的反映出电解池真实的工作状态。在VOF方法的计算中,非均匀的速度边界条件相比均匀的氧气冒出速度,其得到的流道两相流动力学更符合真实情况。然后研究了阳极液体/气体扩散层（L/GDL）常规与梯度处理表面润湿性对电解池性能的影响。研究发现考虑和忽略通道中的氧气对L/GDL润湿性方案设计有十分大的不同,考虑流道两相流更会扩大表面润湿性对PEMEC性能的影响,这也证明了流道两相流是不可忽略的。而且在亲水性的接触角范围内,亲水性越强的L/GDL会恶化电解池的性能。对于梯度型处理接触角,脊下方弱亲水性,与纵向梯度渐低接触角处理展现出了高效管理气液两相的优势。加入MPL后,在高性能的PEMEC中应采用亲水性较弱的MPL。最后,用VOF方法去探究了结构化网格流道的不同设计对流道两相流分布的改善。结果发现,骨架的存在会对气泡的分裂起到一定作用,会改善L/GDL表面处的氧气体积分数分布。此外,随着骨架在流道长度方向的加密,其效果更明显,L/GDL表面处的氧气体积分数波动也更加平稳。之后采用梯度型的接触角处理骨架上中下三部分,结果发现接触角平均值130°的纵向梯度渐低接触角处理,由于处于疏水性接触角范围,毛细压力最小,并且又加上梯度型的处理促进了氧气向上运动的作用,其对流道两相流的改善作用达到了最佳。