质子交换膜燃料电池因其启动时间短、功率密度高、无污染和结构简单的特点,被认为是固定电站和电动汽车的最佳能源装置之一。根据操作温度的不同可将其分为低温质子交换膜燃料电池（70～90℃）和高温质子交换膜燃料电池（120～200℃）。近些年,高温质子交换膜燃料电池已成为当今燃料电池技术发展研究的焦点之一。这是因为它不仅能解决传统低温质子交换膜燃料电池电极催化剂中毒、水和热管理系统复杂等问题,而且还能释放高品质的废热。这些废热如果能被合适的热力学设备二次利用,高温质子交换膜燃料电池的能量转换效率和燃料经济型势必将得到进一步提升。因此,开展高温质子交换膜燃料电池和可有效利用其废热的热力学设备的耦合系统模拟研究,对完善高温质子交换膜燃料电池系统冷热电联产系统、强化高温质子交换膜燃料电池优势具有重要工程意义和应用价值。首先,本文介绍了高温质子交换膜燃料电池的背景和工作原理,得到了单一高温质子交换膜燃料电池系统的数学模型和一般性能特性,并提出了基于高温质子交换膜燃料电池的耦合系统的通用模型。在第二章,建立了高温质子交换膜燃料电池/吸收式循环耦合系统模型,其中,吸收循环可以用作制冷机或热泵。基于热力学、电化学理论,推导了耦合系统的等效输出功率和效率的数学表达式,揭示了耦合系统的一般性能特性,并给出若干重要的性能指标的优化工作区间。最后本章还深入分析了一些操作条件和综合参数对耦合系统性能的影响。在第三章,提出用热再生电化学循环来回收再利用高温质子交换膜燃料电池产生的废热。揭示了耦合系统性能特征,并以最大功率密度为目标函数确定了最佳工作区域。结果表明,与单一高温质子交换膜燃料电池系统相比,该耦合系统的最大输出功率密度提高了15.6%。在第四章,建立了高温质子交换膜燃料电池/半导体温差发电器耦合系统模型。推导出高温质子交换膜燃料电池、半导体温差发电器和耦合系统的功率和效率的数学表达式,揭示了该耦合系统的一般性能特性和关键性能参数的优化区间。深入探讨了掺杂水平、相对湿度、工作温度、热导率和品质因数等参数对耦合系统性能的影响。最后,对本文所获得的结果进行了总结,对高温质子交换膜燃料电池余热利用策略的研究方向作了展望。本文所得结果有望为实际高温质子交换膜燃料电池耦合系统的设计及性能提升提供理论指导。