质子交换膜燃料电池是一种不经过燃烧直接将燃料的化学能转化为电能的能量转换装置。由于不受卡诺循环的限制,具有能量转换效率高的显著优点,并且生成物只有水,不污染环境,被认为是优秀的下一代机械动力源,受到了越来越广泛的关注。燃料电池作为机械动力源时,将不可避免地经历动态加载,这将导致响应电压发生“下冲”现象,即响应电压低于稳态电压。不合理的加载条件将增大“下冲”幅度,甚至使得运行电压下降至零或截至电压,造成加载失败的恶劣工况,不利于燃料电池的推广。因此,研究质子交换膜燃料电池的变载特性,提升其运行稳定性,具有重要的现实意义。研究了不同初始工况下质子交换膜燃料电池的动态响应特性。实验发现,未活化的燃料电池不能在1s内加载0.8A·cm-2,而活化的燃料电池却能在1s内成功加载1.5A·cm-2。研究结果表明,燃料电池高电流密度的加载过程中可能存在两次“下冲”。因为质子交换膜内阻不能随电流密度增加突然减小,对高阶跃电流密度的响应将产生第一次“下冲”。如果加载电流密度响应成功后发生阳极脱水工况,将发生第二次“下冲”,可能导致加载失败。最后优化了未活化燃料电池的动态加载策略,加载时间减少了32.65%。研究了氢空和氢氧燃料电池在不同运行温度、相对湿度、过量系数和工作压力下的变载特性,并采用电化学阻抗谱技术分析其内在机理。结果表明:合理提升工作温度能够显著降低氢空燃料电池的总极化阻抗和氢氧燃料电池的欧姆阻抗,提高电池性能。但过高的温度会导致电池失水,增加电池的欧姆阻抗和总极化阻抗,严重损害电池性能。氢空燃料电池在60℃下的响应电压比30℃降低了0.0638V。提升反应气体加湿度能够缓解电池失水导致的性能衰减。当相对湿度从20%提升至60%时,氢空燃料电池的总极化阻抗下降了5.561 m Ohm,响应电压提升了18.57%。提升过量系数将增大欧姆电阻,不利于氢氧燃料电池的性能,但能够大幅度降低氢空燃料电池的总极化阻抗,从而提升其性能。提升工作压力能够增大反应气体分压,减小氢空和氢氧燃料电池的反应阻力,电池性能变好。最后,在连续运行的工况下,由于更小的传质阻力,氢氧燃料电池比氢空燃料电池具有更好的运行稳定性。设计了一种内置障碍物与流道打断相结合的新型3D流道,并采用数值模拟进行研究分析和实验进行论证。模拟结果表明,新型3D流道将传统的扩散传质方式优化为扩散传质与对流传质相结合的方式,极大地增强了反应气体的传质能力。新型3D流道还增加了反应气体的流动速度,强化了反应气体对水的吹扫作用,明显降低了电池内部的水分压,提升了电池的水管理能力。实验结果表明,新型3D流道在0.3A·cm-2的工作电流密度下稳态功率和瞬态输出功率分别提升了1.185W和2.382W,表明新型3D流道具有强化燃料电池变载特性的能力。