质子交换膜燃料电池凭借着清洁、高效、无噪音的特点,成为21世纪公认的清洁动力源,未来可广泛应用于汽车。冷启动问题一直影响着质子交换膜燃料电池汽车的大规模商业化进展。冷启动过程中电池内部结冰影响电池输出性能,也会一定程度上损坏电池内部结构,影响电池使用寿命,因此改善冷启动性能至关重要。本文建立三维多相多物理场耦合瞬态单电池单直通道冷启动模型,采用仿真分析的方法研究了阴极催化层设计参数以及电池操作参数对冷启动性能的影响,并且为提高电池内部温度、减少冰的生成、加快冰的熔化、缩短启动时间制定了辅助冷启动策略,为提高冷启动成功的可能性提供参考依据与方法。论文主要研究内容如下:(1)考虑了电池内部水的相变、传输、冰的形成与熔化、水的蒸发与冷凝等物理过程。描述了冷启动过程中水的相变与传输等物理过程,对冷启动模型进行了合理的假设,建立冷启动过程中的质量、动量、组分、能量、电子与离子电势守恒方程与冰的形成方程,为后续的冷启动模型建立提供数值基础。(2)使用仿真软件搭建了三维多相多物理场耦合瞬态单电池单直通道冷启动模型,进行了网格无关性验证与模型验证。阴极催化层是电化学反应的场所,因此研究阴极催化层设计非常重要。通过冷启动模型研究了阴极催化层厚度、阴极催化层孔隙率、阴极催化层铂碳比等阴极催化层设计参数对冷启动过程中电池电流密度、冰体积分数、温度变化等性能的影响,并通过水、冰、温度在电池内部的分布云图,详细直观的描述冷启动过程。研究发现较厚的阴极催化层、较大的阴极催化层孔隙率以及较低阴极催化层铂碳比有助于延迟启动持续时间,改善冷启动性能。(3)根据所搭建的冷启动模型分析了电池外表面传热系数、启动电流密度等电池操作参数对冷启动性能的影响。分别研究了不同电池外表面传热系数下电池电流密度、电池温度的变化情况;不同的启动电流密度下冰体积分数、电池温度的变化情况。研究发现选用绝缘较好,较小外表面传热系数的电池可以减少热量的散失;较高启动电流密度也可提高电池温度。(4)提出一种基于不同的启动功率、阳极不同进气空气分量的氢氧催化辅助冷启动策略,旨在提高电池内部温度,加快冰的熔化,同时启动策略兼顾了启动效率与启动安全性。分析了不同工况下电流密度、电池温度、阴极催化层冰体积分数、阴极催化层孔隙率的变化以及不同位置温度分布、阴极中部横截面冰体积分数分布情况。研究发现在较大启动功率与阳极空气进气分量下实现了-20℃的成功启动。