精密制造过程、仪器仪表内部及贵重物品的储存等行业对空气湿度的准确度要求较高且除湿空间小,而传统除湿技术存在设备复杂、热惯性大等缺点,不适用于小空间环境中高精度的除湿要求。电解质膜除湿技术通过低压直流电场驱动空气中水分子的电解和转移,具有结构紧密、体积小、操作简单等优点,可实现精准、便携、节能的除湿,是一种很有前景的新型除湿技术。电解质膜除湿系统的结构主要包括膜电极、钛网导电板及空气流道,其中膜电极由气体扩散层（GDL）、催化剂层（CL）和质子交换膜（PEM）组成。与其他PEM电化学系统类似,但其内部的传热传质及电化学反应机理存在显著差异,性能调控原理也有所不同,有待进一步研究。此外,这一新型除湿技术的除湿速率和耐久性等仍待进一步提升,且目前针对该除湿技术的研究主要集中于实验,理论研究多为黑箱或半经验模型;对性能预测的偏差很大,性能影响因素不明确,无法指导性能调控及关键材料研发,不利于其商业化和产业化进程。鉴于此,本文的研究工作主要包括以下几个方面:（1）综合考虑电化学反应、电渗、反扩散等作用,基于除湿组件的多层膜电极（GDL、CL、PEM）,建立了二维稳态传热传质理论计算模型并采用有限差分算法以自行开发的C语言程序优化了阳极侧活化过电势及热质传递系数的计算,对模型进行求解。结果显示该模型的计算结果与实验趋势保持一致,解决了之前模型普遍存在的电流预测过高（4～5）倍的问题。尤其是在雷诺数（Rea）大于2或组件外加电压大于3 V时,系统性能预测误差降低了50%以上。组件内部的物理场分布显示膜电极结构中PEM内部的温度最高,电势在阳极侧催化剂层（CLA）界面急剧下降。（2）基于电解质膜除湿系统的真实结构（流道、导电板、多层膜电极）,利用COMSOL Multiphysics软件建立了三维瞬态热-质-电耦合传递模型并进行求解,明确了除湿过程中组件内部不均匀的物理场分布并阐明了其动态启动特性。结果表明系统启动前200 s内温度、电流等参数均迅速变化,1200 s左右达到稳定状态。当空气质量流量和电压加倍时,启动时间则分别降低了约50%和67%。除湿过程中显示,电解质膜边缘温度最高约357.5 K,钛网导电板孔洞处水蒸气浓度较高,气孔边缘处电流密度较大。而远离阳极空气入口的角落,温升及水蒸气浓度差更大。与流道结构相比,钛网导电板结构对其除湿性能及组件内部物理场分布影响更为明显。（3）开发了一种多位点电解质膜除湿测试平台,测试了多工况下系统特性（除湿速率、运行电流、热质传递特性、产氢特性）及组件内部的温湿度分布,并验证了理论模型。实验结果显示:阳极侧工况参数的变化对其除湿性能的影响较大,对电流影响最大的是阳极侧入口空气相对湿度（RH）,最小的是温度。启动过程中组件内部的温度随时间的增加而增加,一定时间后趋于稳定。远离空气入口的测试位点温升和浓度差较大,靠近空气入口的测试位点则相反。此外,由于氧还原（ORR）/析氢反应（HER）,在阴极侧空气流道中有少量氢气产生,但数量较小,在理论计算中可以忽略不计。（4）基于理论模型并利用遗传优化算法优化了除湿组件膜电极关键材料及结构设计参数。结果表明:CLA材料物性参数的变化对其除湿速率的影响最大,PEM次之,阳极气体扩散层（DLA）影响最小。当CLA的曲折度系数加倍时,系统的除湿性能提高约85%。当PEM厚度加倍时,除湿过程中的电阻增加了约40%。遗传优化算法结果显示CLA厚度和曲折度系数的最优值随空气流量的增大而增大,CLA孔隙率和孔径则相反。金属导电板结构优化后,其除湿速率得到了极大的改善。与原始结构相比,“口”字形和“X”字形的金属导电板使得其除湿速率分别提高了约35%和41.9%。最优的金属导电板结构为“米”字形,除湿速率提高了约57%。金属导电板结构优化后,组件内部的电流密度及温湿度分布更加均匀,系统能效及COP也在一定程度上有所改观。本文针对电解质膜除湿系统分别建立了二维稳态传热传质和三维瞬态热-质-电耦合传递理论计算模型,阐明了除湿膜电极内部传热传质及电化学反应相互作用机理,预测精度显著优于前人黑箱或半经验模型。通过这一研究,明确了除湿系统的动态启动特性,为膜电极关键材料及结构设计提供了理论依据和方向,对推动该技术的商业化、产业化进程具有重要意义。