近年来,氢能受到了世界各国的广泛关注,氢气热值高,污染小,可以应用于交通运输、工业、医学等诸多领域,具有非常好的发展前景。质子交换膜电解池(PEMEC)是一种新型制氢装置,可以将水通过电解的方式转化为高纯度的氢气和氧气。电解池运行时,内部同时涉及了电化学反应、多孔介质传质以及固体、流体和多孔介质的传热等现象,通过提高电解池内部的传热和传质性能,可以有效地提高电解池的稳定运行能力和寿命。基于质子交换膜电解池的运行原理,本文首先搭建了实验系统,对电解池运行时的极化性能和温度分布进行了测试。对比了仅在阳极侧供水和在阳极、阴极侧都供水的情况,发现两者极化特性差别不大,但是在阴极侧供水时,电解池温度显著降低。通过实验手段难以观测电解池多孔区域以及质子交换膜中的传质或传热情况,因此本课题建立了三维、两相的电解池模型,通过耦合电解池运行过程中的电化学反应、气体和液体在电解池中的传输以及传热过程,分析了运行工况、流场的设计对电解池中传热传质情况的影响,同时对流道的结构尺寸进行了一定的优化。对单通道电解池的数值模拟结果表明:增加电解池初始温度和电流密度,会使电解池的温升幅度增大。阳极和阴极液态水逆向流动时,电解池温度最低,但是质子交换膜界面处的温度梯度较大。通过对流道尺寸的分析,发现当流道深度为1.8mm,且电解池的流道宽度和脊的宽度相近时,电解池的传热传质性能相对较好。另外,在传统的光滑通道中添加凸台后,起到了较好的强化传质作用,电解池的传热特性得到了有效地改善。由于单个通道的模拟结果并不能完全反应整个电解池流场中的传输特性,本文建立了全尺寸的电解池模型,对平行流场、蛇形流场和交指型流场电解池的电化学性能,水热传输特性,以及外部条件改变时电解池的动态特性进行了模拟分析。结果显示,相比于平行流场和蛇形流场电解池,交指型流场的电解池具有更好的传质特性,更低且更均匀的温度,并且其在动态条件下运行时的性能由于其他两种电解池。