随着工业社会快速发展,人类面临严重的能源危机与环境问题,以氢能为代表的清洁、可再生、安全高效的新能源形式日益受到人们的广泛关注。近年来,对氢能转化利用装置,尤其是氢燃料电池的研究如火如荼。氢燃料电池在运行时,除了对外部负载提供电能外,还会产生大量废热,如果不能及时将这些废热排出,电池温度会持续升高,导致其输出性能和使用寿命降低,甚至无法正常运行。本文以质子交换膜燃料电池的热管理系统为研究对象,通过设计合理的冷却流道并提出可靠、高效的温度控制策略,保证燃料电池能够及时排出废热并保持工作温度稳定在合理范围内。具体研究内容如下:首先,针对燃料电池新型冷却流道结构形式进行了探究。在流体外掠管束传热特性启发下,通过在流道中布置方柱阵列,设计出一种新型冷却流道。基于单流道仿真模型,对比了新型流道与平直流道的传热性能,结果显示:新型流道的传热性能明显优于平直流道。分析了新型流道内部的流动与温度分布特征,基于混沌对流理论和场协同理论,确定了新型流道的强化传热机理:一方面,流体在方柱阵列扰动下进入混沌对流状态,流线发生拉伸和折叠,流体混合加剧,流道中心区域温度较低的流体与壁面附近温度较高的流体接触更加频繁,促进了热量交换;另一方面,流体沿着方柱阵列组成的周期性通道流动时,由于曲率效应产生迪恩涡,在与方柱分离时产生周期性脱落的旋涡,涡沿着壁面在空间上发展,破坏壁面边界层,导致壁面处温度梯度增加,传热性能增强。随后将新型流道应用于燃料电池中,研究其对燃料电池冷却性能的影响。建立了燃料电池多物理场耦合仿真模型,并对该模型进行精度验证。利用仿真模型对比新型流道和平直流道的冷却性能,通过比较双极板和质子交换膜中心平面温度分布情况,验证了新型流道的冷却性能优于平直流道。探究了新型流道冷却性能的影响因素,发现冷却水流动型式和冷却流道布置方向对冷却性能影响较大。不同流动型式的冷却性能优劣顺序为:交替顺逆流>逆流>顺流;不同流道布置方向的冷却性能优劣顺序为:垂直布置>平行布置,并确定了优化布置:垂直布置/顺流组合。对新型流道的结构参数进行了优化。选取方柱长度L、宽度W、纵向节距S1和横向节距S2为试验因素,膜中心平面最高温度Tmax、温度均匀性因子ΔT以及流道进出口压降ΔP为目标函数,通过正交试验设计和极差分析方法确定了试验因素对不同目标函数影响的主次性顺序,并确定了试验因素的优化组合为L=1mm、W=1mm、S1=4mm及S2=2 mm,以作为新型流道优化模型。在给定的冷却水流速下,当采用优化模型、优化布置时,Tmax相比基础模型、基础布置降低1.62K,ΔT降低0.26K,ΔP降低534Pa,优化效果比较明显。最后建立了用于燃料电池热管理分析的一维仿真模型,该模型可以模拟燃料电池中的电化学反应与热平衡关系,并利用试验数据验证其仿真精度。分别选取PID控制器和自抗扰控制器来实现燃料电池温度控制。介绍了两种控制器的原理与参数整定方法,并在Simulink中搭建控制器模型。针对燃料电池工作特点提出其温度控制目标,以冷却水流量为控制量,标定两种控制器模型的参数并在动态电流条件下测试各自性能,结果显示:自抗扰控制器可以满足全部温度控制目标,而PID控制器无法满足。且自抗扰控制器的超调量和调节时间明显小于PID控制器,在给定的电流变化条件下,自抗扰控制器的超调量相比PID控制器分别减小66.7%、69.1%和84.9%,调节时间分别减小71.95s、61.69s和41.32s,自抗扰控制器优势明显,是比较理想的燃料电池温度控制策略。