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质子交换膜燃料电池(PEMFC)是最有可能广泛应用于汽车的能量转换装置,一个重要技术瓶颈就是冷启动。启动模式、初始温度、膜及催化层中的水含量和辅助冷启动是影响冷启动成功与否的重要因素。其中,启动模式和辅助冷启动系统研究较少,对恒功率冷启动、最大功率冷启动以及带氢氧催化反应最大功率冷启动模式的研究更少。本文采用实验和数值模拟方法,对不同冷启动模式下的多相传热传质进行系统研究。论文主要工作及创新点如下:(1)对自行组装的PEMFC进行极化曲线测试,比较了阳极和阴极不同加湿条件下的电池性能,全面分析和比较了0.3V恒电压冷启动模式下从-7℃、-10℃、-20℃启动时的特性。(2)建立PEMFC电堆一维多相冷启动模型,模型计算效率高,但同时保证了主要传热传质过程的完整性,实现了冷启动过程中水相变、膜吸水/退吸、电化学反应等现象的仿真,并可兼容恒电压、恒电流密度、恒功率和最大功率冷启动模式。(3)分析恒功率高电流密度、恒功率低电流密度、恒电流密度与恒电压冷启动模式的区别,基于不同启动功率、初始水含量、初始温度和催化层中离聚物体积分数,对恒功率冷启动模式进行系统分析。(4)提出最大功率冷启动模式,比较最大功率冷启动与恒电流密度、恒电压模式的区别并分析初始水含量和启动温度对电堆性能的影响。发现在最大功率冷启动模式下,电堆内部产热和结冰可以快速实现平衡,通过相关分析揭示了该冷启动模式优于其它冷启动模式的机理。(5)研究阳极、阴极加氢氧催化反应对最大功率冷启动模式的影响,基于阳极加催化反应对最大功率、恒功率、恒电压和恒电流密度冷启动模式进行比较,对-40℃下快速冷启动、设计参数对冷启动性能影响、没有冰形成的快速冷启动以及过冷现象进行分析。研究揭示了冷启动过程中阳极氢氧催化反应改善电堆冷启动特性机理,证明了阳极氢氧催化反应可提高电堆输出功率和自身产热速率,并验证了该方法实现-20~oC无冰启动的可能性。(6)开展阳极氢氧催化反应辅助冷启动三维数值模拟,在0.3V恒电压模式下,研究不同冷启动温度和阳极进气空气分量下电池冷启动情况、相关参数随时间变化、阴极中部横截面处不同时刻的分布。