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一体式再生燃料电池将燃料电池和电解池合二为一，在一个单体电池中实现两种模式。当电池运行电解池模式时，电解水生成氢气和氧气。当电池运行燃料电池模式时，将储存在氢气中的化学能通过电化学反应转化为电能，同时生成水。在实际应用过程中，一体式再生燃料电池在燃料电池和电解池之间的模式切换不可避免。模式切换过程涉及物料、电、电化学反应的切换，进而导致电池内传热及流动发生复杂的变化。研究一体式再生燃料电池在模式切换过程的传热及流动有助于了解模式切换过程，为电池稳定工作提供参考。 本文主要研究模式切换过程中一体式再生燃料电池内部的传热及流动变化，观测氧侧流道内两相流演变情况，测量得到氢侧扩散层表面局部温度及热流密度，并计算出局部换热系数。具体研究工作如下: 完善了一体式再生燃料电池实验系统，改善后的系统使得电池可以在燃料电池模式、电解池模式、模式切换下运行，实现了电池电信号采集、物料切换以及两相流拍摄信号灯的同步。一体式再生燃料电池采用蛇形流场板、三合一膜电极。氧电极侧使用钛网作为扩散层，氢电极侧使用碳纸作为扩散层。电解和燃料电池模式性能重现性较好。 探究了一体式再生燃料电池在电解和燃料电池模式下的两相流。电解池模式下，电池内气泡随电流密度增加而增多。对于小气泡来说，浮生力作用明显，沿流道向上运动。小气泡在蛇形流道拐角处积聚成大气泡，脱离后沿流道吸收小气泡形成气弹。燃料电池模式下，高温时流道内几乎观测不到液态水，低温时流道内在高电流密度下能观测到液态水。 采用自制的薄膜传感器，测量得到一体式再生燃料电池在电解池和燃料电池模式下温度和热流密度，并根据得到的温度和热流密度计算出换热系数。电解池模式下，氢侧扩散层表面温度和流道内气体温度随着电流密度的增加先降低后升高。热流密度在低电流密度下相对稳定而略有下降，而后随电解电流密度的增大，流道上、中游热流密度慢慢增大，流道下游热流密度略微下降。局部换热系数相对稳定，只有下游处随时间缓慢下降。燃料电池模式下，氢侧扩散层表面温度和流道内气体温度随着电流密度的增加而升高。热流密度随电流密度的增加而增大，流道下游受到液态水的影响在高电流密度时热流密度出现下降。局部换热系数在低电流密度下有波动。 对可视化设计的一体式再生燃料电池在模式切换过程中的两相流演化情况进行了研究。从电解池模式向燃料电池模式切换受到液态水的影响很大，直接切换过程由于受到水淹的影响，燃料电池模式难以启动。从电解池模式向燃料电池模式切换，小的燃料电池密度、适中的电解电流密度和温度更利于燃料电池的启动。从燃料电池模式可以直接切换到电解池模式，在电解运行初期存在供水不足而引起的浓差极化，适中的燃料电池电流密度、小的电解电流密度和中等的温度比较利于电池稳定运行。 实验测量了一体式再生燃料电池在模式切换过程中扩散层表面的温度、热流密度和流道内氢气的温度，并由此得到了换热系数。模式切换过程中温度、热流密度变化明显，随周期性的模式切换而周期性的变化。温度随周期运行有上升趋势，热流密度随周期运行有下降趋势，说明电池产热大于散热。局部换热系数随模式切换变化幅度不大，沿流道流动方向局部换热系数增大。燃料电池电流密度对切换过程的传热有较大影响，随着电流密度的增大，切换至燃料电池模式后的温度和热流密度都呈上升趋势。加热工况导致一体式再生燃料电池内部的温度和热流密度的变化更加显著。 建立了基于质子交换膜的燃料电池全电池准二维模型，得到电池电压、电流和过电势之间关系的分析解表达式。模型得到的结果与文献中实验数据吻合较好。分析解预测的电池阳极过电势占总过电势的比例最高可达28％，说明阳极过电势不能被忽略。模型结果表面浓差极化主要发生在阴极侧，说明阴极侧从流道往催化层的传质需要加强以获得更好的电池性能。催化层中的氢气和氧气浓度都随电流密度的增加而减小。