燃料电池是一种新型的绿色能源,与传统化石能源相比,具有无污染、零排放、系统可靠性高、环境适应能力强、功率密度高的优势。因燃料电池具有的上述优势,在汽车、航天、军事等各领域有着广泛的应用。随着燃料电池性价比的提高和性能的优化,燃料电池将有着巨大的市场潜力。质子交换膜燃料电池(简称PEMFC,Proton exchange membrane fuel cell)相比于其它类型的燃料电池具有电能转化效率高、无废弃物排放、工作环境要求低的优点,因此它主导了当前的燃料电池应用市场。虽然,燃料电池相比于其它形式的新能源发电方式存在着较多的优势。不容忽视的是,燃料电池同样存在缺陷,如电气输出特性偏软,当负载功率输出波动时,燃料电池的能量转换效率和工作寿命会降低或减少。因此,克服燃料电池存在的上述缺陷,提升燃料电池的动、静态输出特性成为燃料电池应用过程中的关键问题。结合燃料电池应用过程中存在的问题,论文将进行如下主要工作是:立足改善或克服燃料电池的缺陷,对燃料电池发电系统的优化、控制进行研究。进行燃料电池研究的基础是建立电池的数学模型,首先在分析燃料电池工作原理、电化学特性的基础上,建立PEMFC系统的输入输出动态响应数学模型。通过对比模型仿真后得到的响应曲线与PEMFC实验测量的响应曲线,证实模型与PEMFC实际的动态特性基本保持一致,也就是说,构建的PEMFC系统模型可以有效地反映PEMFC系统性能的动态变化。进行此项研究的目的是为后续燃料电池的扩展研究奠定理论基础。在研究分析燃料电池的伏安特性时发现:最大功率输出定律适用于燃料电池。基于此理论,应用了燃料电池的最大功率输出控制算法。应用算法的基础是将燃料电池与变换器等效为电压源。等效电压源在应用最大功率输出算法后,在仿真实验过程中,可以实现在负荷变化情况下始终让燃料电池保持在最大功率输出状态。采用的控制算法可以较为准确、快速的适应负载的变化情况使燃料电池的输出始终保持在最大功率输出状态。最大功率跟踪控制算法可以降低燃料电池的使用成本,提升燃料电池的使用价值。基于可拓控制具备优良的动态品质和精确的控制效果,为改善燃料电池发电系统的输出动态特性,将可拓控制算法应用到燃料电池的输出控制中,验证算法对燃料电池系统的动态响应能力的改善情况。通过仿真对比发现可拓控制与模糊PID控制相比,具有较好的调节能力和动态特性。