我国正面临着资源贫乏(主要是石油、天然气、煤炭等),能源供应短缺和环境污染恶化的危机,以及能源开发建设资金严重不足的困境.因此,质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种把燃料气和氧化剂的化学能直接转化为电能的装置,具有室温条件下运行、启动迅速、能量转化效率高、功率密度高、过载能力大、无污染,可实现零排放、效率随输出变化的特性好、运行噪声低,可靠性高、模块化结构、组装和维护方便、燃料(氢气)来源广泛和可再生、燃料补充方便、环境适应性强.因此越来越受到世人的瞩目.目前对它的研究正是如火如荼,论文的研究课题就是在此背景下提出的. 论文从分析PEMFC的输出性能入手,辨识出了输出性能的模糊Takagi-Sugeno (T-S)模型,重点分析了影响输出性能的两大问题──水管理和热管理.建立了水传输和热传输模型,通过对模型仿真与实验结果比较验证了模型的有效性.并基于模型分别设计了水管理和热管理的控制器,通过仿真说明了控制器的可行性.本文的主要结论如下:1、充分研究和分析了现有的绝大部分有关PEMFC的数学模型.定性分析了影响PEMFC输出性能和可靠性的因素.2、为了更深入的了解运行参数对PEMFC输出性能的影响,文中首次基于模糊辨识的建模方法建立了PEMFC输出性能的T-S模型.3、在PEMFC诸多运行参数中,影响输出性能的主要因素,分别为水在膜和扩散层的含量和PEMFC的工作温度,也就是水的传输和热的传输两大问题.因此本文就PEMFC的水管理和热管理对其性能影响的问题进行了重点讨论,分别从不同的角度建立了PEMFC膜中水传输和阴极液态水传输动态模型,以及电堆的动态热传输模型.4、根据所建立的水和热传输模型分别设计了水热管理的控制器.使得电池内水含量既能保证膜的很好水合,又不至于引起阴极扩散层水的过渡泛滥,同时还保证电堆工作在较佳的温度工作点.文中所得到以膜水含量描述的膜中水传输模型为具有不确定性的分段奇异系统(或描述系统),根据该系统特点,基于LMI(线性矩阵不等式)和鲁棒控制理论设计了膜水含量的鲁棒控制器.而得到的电堆热传输模型是具有不确定性和扰动的非线性模型,针对该模型设计了电堆温度的鲁棒自适应控制器.通过仿真显示了控制器精度高,动态特性好.