人类社会进入二十一世纪后,经济和工业飞速发展,能源的供给需求指数增加,但化石能源的使用会造成环境污染以及温室效应,因此满足能源供给,同时减少环境污染是人类发展的首要目标。氢气燃烧值高,而且使用时不会造成环境污染,是化石能源非常好的绿色替代品。电解水制氢气,相比较光催化制氢和热化学循环制氢,制氢效率更高,产氢速率更快,因此非常适用于大规模生产。质子交换膜电解水制氢是近年来备受关注的新型产氢技术。因其产氢过程绿色环保无污染,系统装置结构紧凑,维护性强,产氢效率高,正得到越来越多的研究和应用。对于质子交换膜电解水制氢的优化,从研究目的可以分为效率优化、经济型优化、装置稳定性优化、运行安全性优化等;从优化方法可以分为结构参数优化、运行状态参数优化,系统整体优化等。电解池循环水流量大小,会影响整个电解池同外界的热量传递,改变电解池工作温度,从而影响电解池电解性能。因此对于电解池性能表现同电解池循环水流量变化的关系研究具有非常重要的意义。本文首先以质子交换膜电解堆为研究对象,建立电解池电化学和物质输运的数学模型,旨在通过模型研究电解池在实际运行中的热量传递、能量输运和性能表现。通过与以往文献中关于质子交换膜电解池实验研究的结果数据进行对比,证明所建立的模型符合实验结果,具有模拟和分析实际质子交换膜电解池运行的能力。通过电堆模型,定量分析循环水流量对系统的影响,当入口水温度确定时,循环水的流量大小对于质子交换膜电解池运行时温度有非常大的影响;循环水流量的增加,会显著降低电堆运行时温度。在电堆模型基础上,本文将研究维度扩大到整个质子交换膜电解水系统层面,集成质子交换膜电解堆、循环泵、入口水换热器、气/液分离器、氢氧存储装置,同时加入了外部热量输入。通过系统模型,研究了外部热量输入和入口水温度控制的影响。首先,研究了系统在没有外界热源情况下,即系统通过入口水换热器回收反应产热的运行模拟。结果表明,外部热量的补充或维持入口水在合适温度,有利于电堆处的电解反应的发生;如没有外界热量输入,系统仅靠电化学反应产生的反应热,无法保证反应的理想温度,其结果是系统运行效率明显降低。其次,通过对比外部热量输入和无外部热量输入两种系统运行模式,本文研究了换热器处外部热量的输入对整个电解水系统的效率影响;结果表明,外部热量输入在一定入口水流量范围内可以显著增加系统电解效率。最后,为了加深对质子交换膜电解池的运行原理的理解和相关现象的分析,本文设计并搭建了质子交换膜电解水实验台,并对质子交换膜电解水制氢开展了初步的实验研究。