氢能是一种清洁的二次能源,并且也是全球能源研究的热点问题,而燃料电池作为未来理想的电能产生装置,对氢能的利用率很高,是高效率的清洁的能量转换装置之一。与众多的燃料电池相比,质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具有诸多突出的优点,比如在室温下快速启动、寿命长、无电解液流失等。本文主要是研究分析燃料电池的热管理控制策略、优化气体流道结构和不同工况下的动态性能,从而提高燃料电池的性能、寿命以及可靠性。主要的研究工作和结论如下:首先,本文比较详细地阐述了关于PEM燃料电池的研究背景及意义,并且分析了燃料电池的动态特性、热管理系统的控制策略以及气体流道的结构优化的研究现状。接着又建立了PEM燃料电池堆的零维动态模型,该模型一共包括了四部分,分别是PEM燃料电池堆的输出电压模型、阴极流道模型、阳极流道模型和膜内水传递模型;辅助系统模型包括供气管道模型、空气冷却器模型、加湿器模型和热管理系统模型等;以及PEM燃料电池的三维动态模型,该模型主要涉及了描述连续性方程、动量守恒、能量守恒、电化学和Maxwell-Stafen微分控制方程。然后,本文提出了两种控制策略,分别是流量同时跟随电流及功率控制策略和神经网络自抗扰控制策略,并且还建立了PEMFC的热管理系统的控制模型。采用不同的热管理控制策略,以优化燃料电池的热管理系统,从而保证燃料电池堆温度处于最佳值,提高燃料电池堆性能和可靠性。在变载工况下,主要研究分析对比了不同的热管理控制策略对燃料电池的性能以及温度的影响。研究结果表明,流量同时跟随电流及功率控制策略对燃料电池温度的控制效果更好,神经网络自抗扰控制策略对燃料电池温度的控制效果次之。最后,建立了一个单相直流道非等温的三维PEM燃料电池的基础动态模型,在稳态条件下求解时,利用COMSOL Multiphysics with MATLAB,并且采用多目标遗传算法(NSGA-III)对PEMFC流道截面等参数进行优化计算。本文提出了新颖的子弹波状流道,对比了不同的流道结构参数对燃料电池性能的影响,选择了最佳的流道结构作为新的基础模型,以优化燃料电池的结构参数,从而实现了提高质子交换膜燃料电池的性能。还建立了具有平行蛇形流道的燃料电池的三维模型,并且采用了多目标遗传算法(NSGA-III)对燃料电池的流道截面的结构参数进行了优化计算。在启停和变载工况下,通过仿真结果研究分析了质子交换膜燃料电池的动态性能。研究结果表明,梯形气体流道截面对提高质子交换膜燃料电池的性能更加有利;子弹波状流道对提高燃料电池的性能更加明显突出;对于具有子弹波状流道的燃料电池,流道截面的形状以及波状位置对燃料电池的性能有着较大的影响;在PEM燃料电池的工作电压瞬间发生阶跃变化的时候,燃料电池的电流密度、最高温度以及反应气体的平均摩尔浓度都存在了过冲和下冲现象。