随着社会经济发展对能源供给的需求不断增加,传统化石能源由于总量有限和环境污染问题逐渐在被绿色能源替代。太阳能作为最广泛、最丰富的绿色能源已经成为全球开发利用最大的能源之首。近年来随着光伏发电装机量的快速增加,发电利用率也被逐渐重视。可再生能源由于自身的波动性和间歇性产生的电流并不稳定,与电网耦合难度增大。氢气作为最具潜力的二次能源,在全球能源需求占比增速迅猛。可再生能源发电常与电解水制氢系统结合构建新型能源系统,将电网无法消纳的电能转为氢能存储。相比于传统构建方式的新型能源系统,直接耦合连接方式省去多个中间件,减少能量损耗并且节省了中间件的维护成本。近年来对直接耦合连接方式的结构性能相关研究越来越多。本文研究光伏发电直接耦合PEM电解水制氢系统的性能,重点建立了质子交换膜电解槽的退化模型和分析了直接耦合系统的结构寻优,具体内容如下:（1）详细分析了光伏发电系统和电解水制氢系统的数学模型,分别对两个子系统进行仿真建模和特性曲线分析,研究环境温度和辐照度对光伏发电的影响;研究温度、压力和电流密度对电解槽特性曲线的影响。同时,仿真模型作为验证后续结构寻优结果的基础。（2）分析了轻量级工业制氢系统,设计了质子交换膜电解水制氢系统功能模块,搭建了硬件实验平台,实现了 PEM电解水制氢和产氢数据监测等功能,为建立质子交换膜电解槽的退化模型提供了数据支撑。其次,分析了制氢系统核心元件电解槽的工况,考虑工况数据存在混叠区域,采用基于近邻密度的SVDD算法提高混叠区的分类准确性。（3）针对PEM电解池的退化性能表征问题,采用了基于最小二乘法多项式拟合的退化模型建立方法;提出了基于传染病模型的PEM电解池退化模型建立方法并结合粒子群优化算法求解了模型参数。多项式拟合主要从数据出发建立描述退化的简易模型。基于传染病模型从质子交换膜的退化机理出发,结合实际情况依次提出了三种退化模型,并采用粒子群优化算法对所建立的三种退化模型进行参数求解进而表征电解槽的退化。（4）针对直接耦合系统结构,采用多目标粒子群优化算法结合全年辐照度和温度数据对直接耦合系统结构进行寻优,综合考虑全年能量传递损失最小和产氢量最大两个目标。考虑电解槽的串、并联个数变量和水的活度可操作性变量,分析Pareto最优解集寻找三维解空间的最优解。设计并展示了一套直接耦合系统,并用仿真实验验证了直接耦合最佳结构,输入典型天气数据计算了系统能量传递效率达到95.1%。