燃料电池是一种具有较高的功率密度和能量转化效率,并且对环境无污染的新能源利用发电装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作温度较低,启动迅速,规模可大可小,其相关技术的研究也极为活跃。其中小型氢-空质子交换膜燃料电池由于其特有的一些优势,目前已处在商业化的前夜。本文综述了PEMFC的技术原理,概况了其目前的研究进展。以小型氢-空质子交换膜燃料电池为研究对象,在自行设计了一种小型电池堆简易结构的基础上,研究对电池结构进行创新改进以及操作条件的优化对电池堆性能的影响。首先,本文研究了加装气体分散板、进气方式以及出气方式对电池堆输出性能的影响。主要内容为:在进气端及出气端加装不同规格的孔板作为分散板,测试其效果;对电池分别采用单孔进气、双孔进气以及三孔进气方式进行测试,比较结果;在出气端加装阀门进行间歇放气,测试不同放气频率的影响。实验表明,采用加装气体分配板、双孔进气以及间歇放气频率为10s是有利于提高小型PEMFC电池堆的性能。其次,本文研究了活化工艺对电池堆系统性能提高的影响。本文自行设计了一种新型的循环活化方法,组装相同的燃料电池堆,分别采用循环活化方法及传统的恒流自然活化方法和恒流强制活化方法进行膜电极的活化。实验结果表明,采用新的循环活化方法可以在较短的时间内使电极达到最佳状态和工作性能。最后,研究在优化的结构和操作条件的基础上,测试电池堆的最佳性能表现。实验结果表明:在对电池堆结构及操作条件进行优化后,电池堆单片电压分布非常均匀,在很大范围内减少氢气流量对电池堆性能输出影响不大,说明膜电极活化效果非常好,氢气利用率大大提高。电池堆最高的功率密度出现在工作电流6A时,达到48W;并且长时间运行下,电池堆性能稳定。