能源是经济发展和现代文明的基础。随着全球能源、环境以及气候等问题的日益突出,可再生清洁能源的研发得到了越来越多的关注。众多可再生清洁能源中,氢能因其具有优良的固有属性,成为最具潜力的能源载体之一。电解水制氢是实现大规模制氢从而通往“氢经济”社会的必由之路。而燃料电池是氢能最重要的利用设备之一,可以提供稳定、高效、无污染的动力。因此,对电解水制氢和燃料电池系统开展深入的研究是非常有必要的。　　本论文主要研究一些电解水制氢系统和燃料电池系统的性能特性,揭示系统内各主要不可逆性对系统性能的影响,对主要的性能参数进行优化分析,从而建立相应的优化理论,相关的研究内容安排在第二至第五章。　　在第二章中,建立了电解水制氢的一般模型,对文献中现有电解水制氢系统效率的多种表式进行了详细的比较和分析,找出系统效率的合理描述及相应表式。进而分析了电解水制氢系统内各子系统对能量的不同需求,指出一些电解池内的废热量可能比其实际所需的热量来得大,即存在多余的废热,设计了若干种新的系统构型以便利用这些废热,给出了相应的系统效率表式,讨论了各种构型的优劣,并以高温固体氧化物电解水蒸气制氢系统为例,说明了电解水制氢系统的构型选择应视具体工况而定。　　在第三章中,对以质子交换膜电解池及碱性电解池为基础的两种低温电解水制氢系统进行了性能优化分析。系统地考虑多种不可逆损失对电解水制氢系统的影响,获得这两类低温制氢系统的效率表式。针对电解池内释放的废热温度较低这一特点,通过回热器的利用构建新的系统构型,不仅能显著提高能量转化效率,而且兼具经济、结构简单等优点。进而讨论了温度、电解质厚度、热交换器回热效率及电解池入口水流率等关键工作参数对系统性能的影响,揭示了新构型的一般优化性能特性,确定了系统的优化工作区域。　　在第四章中,建立了碱性燃料电池、磷酸燃料电池的新模型,应用热力学、电化学等交叉学科理论,对电解质浓度等关键工作参数进行了优化,分别获得了描述这两类燃料电池的重要性能参量的解析表式。并分别讨论了这两类燃料电池的一般性能,确定了这些燃料电池的性能参量的优化工作区间。应用多目标优化分析方法,对两类燃料电池性能参量的优化工作区间进行了细分,指出在燃料电池的实际优化设计及运行中,应该综合考虑效率和输出功率,使两者得到合理兼顾。　　在第五章中,建立了熔融碳酸盐燃料电池的新模型,获得熔融碳酸盐燃料电池的性能参数表式,确定了它的优化工作区间。为了进一步利用该类燃料电池释放的高品质热能,建立了熔融碳酸盐燃料电池一热机耦合系统,不仅考虑燃料电池内部及燃料电池与环境间传热的不可逆性,还考虑了热机内、外部的不可逆因素对耦合系统性能的影响,获得耦合系统性能参数的解析表式,揭示了燃料电池一热机耦合系统的一般性能特性,指出对于高温燃料电池系统,采用燃料电池一热机相耦合的方式,可显著提高提高燃料的能量转换效率。　　本论文所得的结论可为一些实际的电解水制氢系统和燃料电池系统的优化设计与最佳运行提供理论参考。