به دلیل وجود جریان دوفاز در پیل های سوختی غشاء تبادل پروتونی دما پایین، پدیده طغیان و آب گرفتگی نقشی اساسی در عملکرد این پیل ها دارد. در پژوهش آزمایشگاهی حاضر، با ساخت و بکارگیری پیل های شفاف با کانال های موازی و مارپیچ و استفاده از روش پردازش تصاویر برای تحلیل ویدیو های به دست آمده تحت شرایط کاری مختلف استوکیومتری، رطوبت نسبی و دمای ورودی، پارامتر های جدیدی برای مطالعه جریان دوفاز درون کانال ارایه شد. ارایه یک دسته بندی جامع از رژیم های جریان دوفاز موجود در کانال گاز سمت کاتد و تاثیر شرایط کارکردی پیل بر تغییر و تبدیل این رژیم ها به یکدیگر و نوع جریان دوفاز غالب در شرایط کارکردی مختلف از دستاوردهای این پژوهش می باشد. نتایج آزمایش های پیل جریان مارپیچ نشان می دهد که خاستگاه 76% از توده های تشکیل شده در زانویی ها و تنها 24% در میانه کانال ها است. همچنین در مطالعه حاضر با استفاده از روش طیف نگاری امپدانس الکتروشیمیایی ، فرکانس مناسب جهت بررسی پدیده طغیان در پیل های موازی و مارپیچ به دست آمد. با استفاده از این فرکانس، زمان داده برداری از پیل در هنگام وقوع آب گرفتگی کاهش یافت و این منجر به پیدا کردن ارتباطی نزدیک بین نمودار امپدانس و پدیده های در حال وقوع در کانال های گاز سمت کاتد شد. نتایج به دست آمده از طیف نگاری امپدانس نشان می دهد که این روش، ابزاری مناسب جهت پیش بینی پدیده طغیان و بررسی عمکلرد در پیل های سوختی غشاء تبادل پروتونی می باشد. با استفاده از روش رویه پاسخ که از قدرتمندترین روش های طراحی آزمایش می باشد، بهینه سازی شرایط کارکردی استوکیومتری، رطوبت نسبی و دمای ورودی گازها برای دست یابی به توان بیشینه پیل در غیاب پدیده طغیان، انجام شد. با استفاده از روش رویه پاسخ، یک مدل درجه دوم که قادر به در نظر گرفتن اندرکنش بین پارامترهای ورودی می باشد، به دست آمد. ارزیابی پیش بینی های مدل به دست آمده در شرایط مختلف کارکردی نشان داد که نتایج این مدل، تطابق خوبی با داده های آزمایشگاهی دارد و این روش ریاضی-آماری ابزاری توانا برای بهینه سازی پیل های سوختی غشاء تبادل پروتونی می باشد.