质子交换膜燃料电池(PEMFC)洁净高效、燃料丰富、灵活可靠，尤其在电动汽车和小型分布式发电双重市场的应用潜力使其得到了快速发展，世界范围内正在为即将到来的产业化积极地进行准备。我国对PEMFC作为交通动力源的研究和开发已经取得了一定的成绩，有大量的示范项目。但是，由于建筑供电和采暖的能耗大、环境污染和近年来发生的电网故障，以及电力紧张导致高峰用电时不得不拉闸限电的现状，国内已经提出PEMFC在分布式发电和热电联供上的应用，但是目前研究仍处于起步阶段，落后于其他国家的研究水平。 因此，本文参考国内外PEMFC的研究经验，以实际应用为目标，采用动态建模和仿真实验为研究手段，设计实现具有良好性能的60kw PEMFC家庭热电联供系统，并且通过综合控制实现其稳定运行，为PEMFC分布式发电和热电联供技术的实际开发和应用提供理论指导。研究的具体内容和成果包括： 1)建立了60kW PEMFC热电联供系统的动态数学模型。针对系统结构庞大和性能复杂的特点，应用MATIAB／SIMULINK仿真软件，采用灵活的模块化建模方法，先分别建立了PEMFC电堆、阳极侧燃料流动、阴极侧空气流动、电管理和热管理子系统的模型，然后连接实现了PEMFC热电联供系统的动态模型。经仿真验证，该系统动态模型能够正确反映各种操作参数的动态变化和系统电能、热能的输出特性，可以作为系统仿真设计、性能分析和控制研究的有效工具。而且，模型把系统的一些物理结构参数也作为变量，从而具有了普遍适用性。系统模型的普遍适用性和灵活的模块化建模方法，不仅使60kwPEMFC热电联供系统在仿真阶段便于进行系统结构、参数和控制的设计，将来实际应用时便于调整，而且，使系统模型可以方便地应用于其他相似的PEMFC系统的仿真研究。 2)提出并验证了60kW PEMFC热电联供系统稳定运行的综合控制设计。目前文献都是强调对PEMFC系统某些性能参数的独立研究。因为系统的强非线性动态特性和多参数耦合的特点，所以只有通过综合控制使其运行时实现所有要求的性能指标才具有实际的应用意义。本文针对系统结构庞大、参数繁多和性能复杂的性质，采用分块简化再整合的处理方法，先对系统的阳极侧操作参数、阴极侧操作参数、输出功率、电压、电堆工作温度和热能存储温度分别进行独立控制，然后将各部分内容连接起来，在最严酷的电阶跃负载的情况下，仿真实现了系统良好的稳定运行。以实际应用为目的，设计了二变量单神经元Pl解耦控制和神经网络非线性逆控制，其具有结构简单、易实现的优点，以及良好的自适应和抗干扰能力，得到的控制结果满足系统要求。 3)以系统的动态模型和仿真实验为基础，通过重复设计、分析、评价和改进，逐步实现了性能良好的60kW PEMFC家庭热电联供系统。该系统在结构设计、动态建模和仿真、综合控制和热管理的研究过程中，采用了有效的研究方法，得到的研究结果不仅为其进一步的研究和开发提供了理论依据，而且为其他PEMFC系统的研究提供了参考。尤其在完成了系统的设计和控制运行之后，按照Hawkes的建议，根据10个典型家庭用户一天的能量需求对系统进行性能评价时发现：系统在夏季除了满足用户的热水需求以外还有大量多余的热能可以更好地利用，冬季系统仅满足用户的热水需求，对空间加热可以考虑用电或者其他的能量方式。类似这样的系统分析为实际开发和应用提供参考。