近年来,环境污染的加剧给人们带来诸多不便,并导致了一系列的问题,人们对于清洁能源的呼声越来越大。随着“双积分”政策及“国六”标准的实施,交通行业能源换代的需求越发强烈。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)因其能量密度大,工作温度低、无噪音、无污染物排放等被认为是下一代车用动力源的理想选择之一。但环境温度低于0℃时,PEMFC内部水结冰极易导致启动失败、质子交换膜破损,这严重制约着其商业化进程。针对目前PEMFC尚无包含结冰解冻过程的集总参数模型及-30℃启动研究不完善的情况,基于PEMFC的理论研究,本文主要进行了以下工作:(1)基于电化学、传热学、流体力学等理论,结合PEMFC 0℃下启动过程的水热传递、相变现象,建立了包含水结冰/融化及温度变化的PEMFC冷启动集总参模型,并验证了其正确性。(2)根据建立的PEMFC集总参数模型分析了PEMFC在不同冷启动温度下的启动特性,并在环境温度-30℃下研究了膜初始水含量、启动电流密度等对冷启动过程的影响,发现在-30℃时难以实现PEMFC的自启动。(3)建立了PEMFC分布参模型,并用极化曲线法对模型进行验证。根据此模型研究了停机后吹扫除水对膜水含量的影响,发现吹扫能有效降低膜内残余水含量,且与吹扫气体流速相比,吹扫气体温度对除水效果的影响较大。(4)把PEMFC在环境温度-30℃的冷启动过程分为预热和启动两阶段。在预热阶段提出了多种进气预热方式,并研究了预热气体流速、温度等对预热效果的影响,发现预热进气温度是影响预热效果的主要因素;在启动阶段研究了电池启动温度,启动进气温度等对PEMFC启动过程的影响,发现电池启动温度影响较小,启动进气温度影响较大。(5)通过上述的研究,对PEMFC进行联合启动仿真,最终确定了-30℃下PEMFC的启动策略。