质子交换膜燃料电池（PEFC）由于其优良的性能和对环境友好等优点在近年来得到了广泛的关注与应用。然而PEFC在低温（0℃以下）环境中工作时不能够正常启动依然是其目前存在的关键问题之一,主要原因在于燃料电池在工作时,催化层（CL）中电化学反应产生的液态水如果不能及时穿过微孔层（MPL）和气体扩散层（GDL）排出电池,就可能在电池内部结冰。结冰既会堵塞反应气体扩散和液态水移动的路径,也会破坏电池内部结构,导致其不可逆的损伤,因此提高PEFC的低温启动性能至关重要。本文针对PEFC低温启动性能提高问题,研究了电池内MPL的润湿特性混合分布对低温启动性能的影响。由于液态水在阴极CL内生成以后需要穿过MPL和GDL才能到达气体流道,因此MPL和GDL内有效的水管理对于提升PEFC的低温启动性能至关重要。基于不同润湿特性多孔介质内液态水移动的原理,本文首先提出了一种表面润湿特性交替分布的新型MPL（混合MPL）结构,这种混合MPL分为亲水和疏水两部分,亲水区域和疏水区域在平面方向上呈条状且交替并列分布。混合MPL的这种结构可以使PEFC在工作时,阴极CL中反应产生的水在CL/MPL界面处在毛细压力差的作用下从疏水区域向亲水区域移动并被MPL亲水部分吸收,减少界面处的液态水含量;即使有部分液态水进入MPL疏水部分,这些水也会向亲水区域移动,在疏水区域内留下无水的通道。电池在低温条件下工作时混合MPL可以使水在亲水区域聚集,即使结冰,MPL疏水部位内也可以保留下供反应气体扩散的通道,能够保证电池持续运行。本文基于上述原理,利用刮涂的方法制作出了混合MPL,并对其厚度、接触角、孔径、孔隙率、微观结构等性能进行了测试,结果表明制作出的混合MPL能够有效控制液态水的移动。另外,电池的装配压力也会对内部的结构和传质特性产生极大影响,进而影响低温启动性能。为了保证电池的良好运行状况,本文也研究了装配压力对电池低温启动性能的影响。第一步研究了不同装配压力下GDL的孔径、孔隙率和碳纤维结构的变化,发现增大装配压力会破坏GDL的碳纤维结构,并导致孔径和孔隙率变小;第二步研究了不同装配压力下的PEFC在不同过冷度下的可持续运行时间、欧姆阻抗和阴极进出口压差的变化,发现在装配压力为1 N·m时电池在不同过冷度下可持续运行的时间更长,减小装配压力有利于提高电池的低温启动能力。为了验证混合MPL对PEFC工作性能的影响,本文将混合MPL应用于单体PEFC中,利用实验的方式对比了使用混合MPL和普通MPL时电池的常规温度运行和低温启动的性能。另外由于表面润湿特性混合分布的GDL（混合GDL）也能够改善电池的性能,因此本文在混合MPL的基础上也同时使用了混合GDL,研究了同时使用混合MPL和混合GDL时电池的性能变化。实验研究结果表明,在常规温度运行时,使用混合MPL可以提高电池在高电流密度下的工作电压,而同时使用混合MPL以及混合GDL虽然能达到的极限电流密度较小,但是可以提高电池的最大功率密度。电池在不同过冷度下工作时,混合MPL的使用可以延长电池的工作时间,同时使用混合MPL和混合GDL可以在混合MPL的基础上对电池的低温启动性能有进一步提高;使用普通MPL/GDL的电池在工作时液态水能够快速离开膜电极;随着过冷度的增大,混合GDL对低温启动性能的提升效果逐渐减弱。对于PEFC电堆,由于电堆中部的电池单元与其相邻的单电池之间可以认为没有热量交换,因此在工作过程中的温度高于电堆端部的电池;电堆内这样的温度分布使得中部的单片电池在低温环境下工作时能够快速升温,并且加热临近的电池,因此研究电堆中部单片电池的低温启动性能至关重要。基于以上关于单体电池的研究,本文也研究了混合MPL/GDL对于PEFC电堆中部单片电池低温启动性能的影响。本文中利用辅助加热的方式为单电池提供了PEFC电堆中部单片电池运行时的绝热条件,实验结果表明,使用混合MPL和混合GDL,电池可以在更低的温度下启动成功,提升了电堆的低温自启动能力。