随着化石能源短缺和环境污染日益加剧,人类对于高能效的可替代能源的需求也越来越大。质子交换膜燃料电池(PEMFC,Proton Exchange Membrane Fuel Cell)以其高能效、无污染的特点成为最合适的可替代能源之一,并且能够广泛应用于动力领域。但是,当质子交换膜燃料电池作为动力装置时,面临低温环境下启动困难,持久性衰减等问题,这成为燃料电池商业化特性研究的重要方向。本论文在对质子交换膜燃料电池内部水传递、热量扩散机理详细分析的基础上,采用质子交换膜燃料电池进行低温环境下动态响应实验,进而研究电池在低温下启动能力以及低温耐久性。考察了在-3℃、-5℃环境温度下,电流密度、阳极化学计量比对电池启动的影响,进行了电流密度为100mA/cm2、150 mA/cm2、200mA/cm2以及阳极化学计量比为2.5、3、3.5的低温启动实验,并与常温启动能力进行对比。在参考常温下反应气加湿对电池性能的研究结果的基础上,进行了0℃、-3℃环境温度下的反应气加湿动态性能实验,并对加湿程度进行了分析讨论,从而明确低温下质子交换膜的润湿度增加对电池动态性能的改善。研究发现,单体电池在常温下以不同电流密度启动时,输出电压最高可达1.15V,随着环境温度的降低,电池电压会出现不同程度的衰减,尤其在-5℃启动过程中电池电压衰减程度很大。低电流密度启动时电池电压较高,电池温度稳定上升,性能得到恢复,因此在低温启动时可以先加载低电流密度启动,直至电池温度上升,反应速率稳定时,再加载高电流密度,促进反应产水、产热,增加质子交换膜的润湿度。低温下电池运行时,电池电压均随着反应气浓度增大而升高,但是电压低于常温下的输出值。采用外部加湿的方法对反应气加湿处理,考察电池在0℃、-3℃下反应气加湿对电池动态性能的影响结果表明,在电池处于0℃左右的环境下时,加湿可以提高电池的极限电流密度,且极化减缓,加湿温度为45℃的电池动态性能优于加湿温度为65℃的性能。