寿命和成本是制约质子交换膜燃料电池(PEMFC)在汽车领域商业化应用的关键因素。车用燃料电池区别于其他用途最主要的特征是动态变载,而且动态变载在所有工况中对寿命影响最大。研究PEMFC动态变载的响应特征与其运行参数和结构参数之间的量化关系,对优化其运行工况和减缓其寿命衰减有重要意义。国内外都致力于追求燃料电池长寿命和低成本,需要建立一种与燃料电池及制氢技术水平相适宜的经济寿命确定方法以确定最佳的设计寿命和使用寿命。本文在综述前人相关研究成果的基础上,分析其中的优势和不足,明确了创新的研究方向,开展了燃料电池变载过程中动态电压响应的仿真和实验研究。建立了PEMFC等效电路模型和三维两相流模型,对燃料电池的动态变载过程进行了仿真研究,并得到了实验验证,研究了运行参数、变载参数和结构参数对动态电压响应的影响机理;提出了燃料电池在加载过程电压响应特征常数的量化公式,式中包括从电池加载到电压下冲到最小值的时间t1和电压下冲幅度?V;提出了缺气指数的量化公式,揭示了燃料电池运行参数、变载参数和结构参数对动态过程电压响应的影响规律。电压动态响应特征常数公式和缺气指数公式可作为燃料电池动态过程防缺气的设计和控制依据。研究了提升燃料电池动态响应能力的措施。基于电压动态响应特征常数公式和缺气指数公式,建立了燃料电池缺气的动态最优化模型。根据缺气程度不同将燃料电池的缺气状态分为局部缺气和整体缺气,并确定了各类缺气状态的诊断判据,提出确保燃料电池安全运行的加载幅度。对比研究了优化变载方案、预供气方案、混合动力方案和使用新型电极材料等措施对减轻燃料电池动态过程缺气的效果。通过对四种缓解措施的综合比较,得出优化变载方案和混合动力方案具有最大的优势。提出了PEMFC经济寿命的计算方法。根据燃料电池极化曲线的衰减特征,定义了车载燃料电池的可用工作区域。在该工作区域内,将寿命周期的总成本对使用时间平均,得到了对应平均成本最小值的使用寿命,即燃料电池经济寿命,并研究了经济寿命对各影响因素的敏感度。以经济寿命作为燃料电池的最佳设计寿命来指导设计者寻求合适的材料和技术,可避免盲目追求燃料电池长寿命而造成的成本浪费。