质子交换膜燃料电池(PEMFC:Proton Exchange Membrane Fuel Cell)具有能量转化效率高、工作温度较低、无污染、比功率大等优点。PEMFC在0℃以下温度环境中的低温保存、冷启动以及低温耐久性是限制其商业化的关键性问题之一,也是当前燃料电池研究中一个极具挑战性的前沿方向。论文采用试验和模拟方法对单电池低温操作的预除水措施和冷启动特性进行了研究。论文首先分析了燃料电池的产水和产热原理,然后通过干空气吹扫除水的方式对单电池内的初始水含量进行控制,考察研究了吹扫除水气体流量对除水效果的影响,在此基础上进行单电池冷启动试验,得到以下结论:(1)适当流量的干空气二次吹扫可以在较短时间里经济有效的移除电池内的水,并且二次吹扫除水对电池性能没有产生不可恢复的损伤。在三种不同流量的吹扫除水方案(阴极流量/阳极流量:1.5/0.5、1.2/0.4、0.9/0.3NLPM)中,阳极除水总量随吹扫流量变化不明显,而阴极除水总量随吹扫气体的流量增加而增加。因此,在吹扫流量上,阳极吹扫流量可以适当降低,而阴极应保持较大流量;在吹扫时间上,可以采用小流量吹扫,但须适当延长二次间断吹扫第二段的吹扫时间。(2)二次吹扫造成的水含量变化影响电池的欧姆极化,进而影响燃料电池的冷启动性能。二次吹扫流量越大,电池内水含量越低,电池启动时的初始内阻越高,即欧姆极化越大,导致电池启动时间越长、启动电压越低。经过流量设置为阴极1.5NLPM、阳极0.5NLPM干空气二次吹扫除水处理后,单电池可以成功实现-10℃冷启动。但由于单电池与环境热交换过大和其自身热质量过小,导致冷启动过程中电池温度无升高,仅能稳定运行。对吹扫除水策略的参数进行优化控制可以进一步优化电池的冷启动性能。基于CFD方法研究了吹扫除水过程参数(吹扫气体温度、吹扫气体流速、电池温度)对除水效果的影响。模拟计算结果表明,吹扫除水的气体参数和电池的参数严重影响着除水效果。其中,电池温度对吹扫除水效果起着决定性的影响,吹扫气体流速对除水效果有一定影响,在电池温度较高的条件下吹扫气体温度对吹扫除水效果影响较小。考虑到在研究者冷启动试验中使用的燃料电池组件在结构上差别较大,导致冷启动过程中温升速率差别较大,不具有通用意义。值得注意的是,燃料电池相同温度的性能是相同的,按照温度升高次序连接各温度下燃料电池的等温启动性能可以获得具有通用意义的数据。因此论文分析了0℃以下的等温冷启动过程,并试验研究了单电池0℃以上的等温启动性能。研究发现,单电池0℃以上等温启动性能随温度升高而逐渐升高,其中,活化极化区性能提升较小,说明催化活性提升较小;欧姆极化区性能有较大提高,说明电池内阻有较大幅度降低;浓度极化区性能不稳定,衰减严重。在0℃-65℃温度范围的启动过程,避免电流密度加载过大而到达该温度对应的浓度极化区。