自上世纪末以来,随着化石能源的日益枯竭和环境问题的日益严重,能源与环境问题正成为制约社会发展的核心问题。在车载动力方面,质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)因为其启动迅速、高效、低污染的优点受到越来越多的关注,正逐渐成为新能源汽车领域的热点研究问题。PEMFC的水热管理问题特别是低温冷启动问题因为对电池性能的消极影响正亟待解决,全世界范围内的研究者围绕其做了大量的工作。本文基于目前现有研究成果,研究了以蛇形流道为阳极的5 cm×5 cm大小的PEMFC在不同结构的阴极流场(蛇形、平行、波浪、叉指)下的实验性能,主要包括70°C下工作的常规性能实验和在0°C下的低温冷启动性能实验。本实验在常温工况下分别研究了在四种进气相对湿度(阳极80%阴极80%、阳极80%阴极40%、阳极40%阴极80%、阳极40%阴极40%)下电池的性能,绘制了相应的极化曲线和功率密度曲线,同时结合电化学阻抗谱手段,对于常规工况下各流场组合的各部分损失进行了分析。实验研究表明:四种流场组合中蛇形-蛇形流场组合表现出了最佳的性能;同时另一方面,四种流场组合都表现出高加湿条件(80%/80%)下性能优于低加湿条件(40%/40%)的性能。在常规工况之后,本实验结合阴极空压机泵气损失比较分析了四种流场组合的使用经济性。除常规工况以外,本实验在冷启动工况下对四种流场组合(蛇形-蛇形、蛇形-平行、蛇形-波浪、蛇形-叉指)分别在不同启动电流密度、不同启动电压、不同阴极进气流量和不同初始启动温度四种工况下对5 cm×5 cm大小的PEMFC进行了冷启动实验性能比较。结果表明了四点:在恒电流工况下,较小的电流密度下燃料电池单位时间产水量较少,电池容易启动成功;在恒电压工况下,较高的启动电压对应着较小的电流密度,电池容易启动;在较大的阴极进气流量下,阴极产生的水更加容易被通入的气流带走,留存在电池内部的生成水相应较少,电池更容易启动;在温度略高的冷启动工况中,电池结冰速度较慢,有更大的在催化层被冰完全覆盖前提升至0°C的可能性,电池工作持续时间变长。同时本实验通过结合以能流分析为基础的传热角度和以流场结构为基础的传质角度解释了-10°C下多组工况表现出的蛇形-蛇形工作时间最短、蛇形-叉指工作时间最长的现象,证明了PEMFC冷启动工况中传热与传质现象强烈的耦合性。