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能源和环境已成为人类社会可持续发展的两大战略主题。加大研发和利用风能、太阳能、氢能等新能源已成为必然趋势。燃料电池不受卡诺循环限制,直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能等温、高效率、零排放地转化为电能。其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,以下简称PEMFC)在便携式移动电源、分散电站、应急不间断电源以及电动汽车等领域具有广泛应用前景。PEMFC是一个非线性、多耦合的复杂系统,其工作原理涉及到流体力学、传热传质、热力学、电化学和控制学等众多学科。自增湿阴极开放式PEMFC省去了外增湿设备,简化电池系统,提高燃料电池比功率输出。自增湿PEMFC依据电池内的水平衡控制,水的唯一来源由阴极电化学反应产生。自增湿PEMFC的水平衡和热平衡管理是影响膜水含量的两大因素,且它们对电池性能的影响相互耦合。论文首先依据燃料电池的热力学性质和动力学模型,在基于实验室自制的自增湿阴极开放式PEMFC测试平台上设计完成了温度控制和线性温度扫描测试实验,并对测试所得数据拟合的极化曲线做了相应的电极过程动力学分析。此外,还针对实验测试中采用的基于半导体制冷片的温度控制器硬件开发设计做了简单总结。通常,PEMFC单片电池的开路电压为0.9V～1.0V。为了满足负载所需电压,需要将几十到几百片单电池串联构成PEMFC电池堆。空冷型PEMFC电池堆的阴极风扇对电池温度分布有直接的影响。针对新加坡淡马锡理工学院清洁能源研究中心自主设计开发的百瓦级空冷型PEMFC电池组开展了相关实验研究。考察了不同负载下电池组的输出性能,并对单体电池的电压分布进行了测试。通过红外热成像技术对电池组表面温度分布情况进行研究。最后,以经验模型为基础,基于电化学基本原理和理想气体状态方程建立了以反应气流量、工作温度为模型输入,输出电压为模型输出的PEMFC单电池仿真模型。并利用Methrom公司的Autolab测试平台对仿真模型进行了实验验证。本文在文章结尾总结了取得的成果,提出了系统的不足,给出了作者的建议,同时对该研究的前景进行了分析和展望。