环境污染和能源危机导致化石燃料的替代进程加快，氢能以其清洁、高效和燃烧后无污染的特点，被认为是很有前景替代化石燃料的可再生能源载体。利用质子交换膜电解池电解水制氢是获得高纯氢气的重要发展方向，近年来已经成为各国的研究热点。质子交换膜电解池具有结构紧凑、效率高和环境友好等优点，在电极的阳极反应生成氧气气泡，与流道内的液态水形成复杂的气液两相流，会影响电解池内部传质，从而影响电解池性能。因此对质子交换膜电解池内部气液两相流及传质的规律进行研究具有十分重大的意义。　　本文首先建立了质子交换膜电解池阳极三维两相等温传质模型，分析阳极气液两相组分浓度分布和传质过程。研究结果表明阳极液态水和氧气的传质阻力主要存在于催化层和扩散层，原因是催化层内的电化学反应非常剧烈，生成大量的氧气无法及时排出，占据了催化层的大部分体积;在阳极扩散层和流道的界面上由于流场板脊的存在传质阻力骤然增大，因此强化阳极催化层和扩散层内的传质情况是改善质子交换膜电解池性能的一个关键因素。　　其次，本文基于质子交换膜电解池阳极三维模型重点研究了工作电流密度、供水流量和工作角度变化对质子交换膜电解池阳极气液两相传质的影响。模拟结果表明工作电流密度的增大导致氧气产量增多，并在催化层和扩散层聚集;入口流速较大时有利于阳极氧气的排出和液态水传递到催化层;工作角度对阳极两相传质有重要影响。工作角度为180°时，液态水可以顺利地传输至催化层补充电化学消耗量，氧气排出阻力小;工作角度为0°时，氧气容易聚集在电池内部，造成传质堵塞。　　最后，本文自行设计了透明质子交换膜电解池，在本课题组设计的质子交换膜电解池实验系统基础上开展阳极两相流的可视化研究，并对不同工作温度、不同阳极供水流量和不同阳极流场形式的电池性能进行实验研究。可视化研究结果表明工作电流密度增大和升高工作温度都导致流道内氧气气泡增多，气泡尺寸变大;氧气气泡运动速度远远大于水的速度;阳极流道内典型的气液两相流型为夹杂着一些大气泡和小气弹的细泡流。电解池性能测试实验结果表明工作温度对质子交换膜电解池的性能影响显著，电解池的性能随着工作温度的升高而明显提高;阳极供水流量变化对质子交换膜电解池性能影响不明显;阳极使用平行流场的电池性能比蛇形流场的高。