全球能源危机和环境污染问题日趋严重,节能环保成为人们关注的焦点。氢质子交换膜燃料电池作为电化学能量转换装置,具有低排放、低噪声和高效率等优点,世界各国政府和企业广泛开展燃料电池基础研究、示范应用和商业推广,但燃料电池堆寿命和系统成本仍是阻碍其市场化进程的主要瓶颈。提高燃料电池耐久性需要保证其持续工作在最优状态,而水含量是燃料电池内部最为不确定的因素,调节燃料电池水含量是发动机系统设计与控制的关键问题。然而,燃料电池是气-水-热-电-力耦合的复杂系统,基于多物理场模型辨识水含量缺乏提高模型精度的有效反馈信息且模型求解计算量大,交流阻抗是估计水含量的有力补充证据但在线实时测量充满挑战。因此,将多物理场模型与交流阻抗结合以在线估计水含量,并提出燃料电池系统水管理策略,是需要重点关注的。本文从电特性角度提出了燃料电池膜电极水含量模型。极化曲线与等效电路模型的数学联系表明了研究膜电极的重要性和可行性,优化膜电极结构可实现燃料电池内部水循环、可改善其中低电流密度下输出性能,该模型进一步量化了水含量对膜电极性能影响并可用等效电路模型演变过程来表征水含量变化。本文提出了交流阻抗在线测量方法,包括电流激励信号产生方法、微弱电压电流信号处理方法和阻抗测量误差来源分析方法,实验表明该方法达到了商用电化学工作站的测量精度,并可应用于实际燃料电池动力系统。本文从实验出发重点分析了自增湿膜电极式燃料电池水含量对工作条件敏感性,提出用高频阻抗和单片电压统计特性来表征水含量,针对外增湿膜电极式燃料电池提出了水含量在线估计方法并进行仿真研究。本文进一步建立了燃料电池空气系统动态模型,实现了空气系统闭环控制与水含量估计解耦,提出了燃料电池最优工作条件搜索方法和面向燃料电池单片的水管理策略,并最终用燃料电池系统进行了实验验证。本文创新点包括:提出了燃料电池膜电极水含量模型,能够量化膜电极内水含量对燃料电池性能和电特性影响;提出了燃料电池堆和单片交流阻抗在线测量方法,实验表明达到了电化学工作站的测量精度,并具有实用可行性;提出了面向堆和单片的燃料电池系统水管理策略,实验表明实现了膜电极水含量闭环控制和改善燃料电池性能及不一致性。本文初步实现了多物理场模型与交流阻抗相结合的水含量在线估计和系统优化控制,对燃料电池应用具有一定的参考价值。