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性能和耐久性是质子交换膜燃料电池(PEMFC)实现商业化亟待解决的重要问题之一，而操作条件是影响燃料电池性能和耐久性的重要因素。因此，考察PEMFC电堆稳态、动态操作特性，分析其引起电池性能及耐久性变化的原因，并研究相应的解决对策，对提高PEMFC电堆的性能和耐久性具有重要意义。
本文首先采用堵孔和憎水化方式对复合双极板流场膨胀石墨原材料进行改性处理，使杂质离子的溶出速率降低90％以上，通过组装电堆，验证了改性效果良好，得到电化学稳定的PEMFC电堆用复合双极板膨胀石墨流场，提高了膨胀石墨流场电堆在有液态水条件下存放的稳定性。
其次，通过电化学交流阻抗谱图(EIS)法测试，分析了PEMFC电堆稳态操作条件下的电化学特性，获取了最佳的燃料电池电堆的操作条件和控制策略，并且通过优化MEA制备工艺，提高了PEMFC电堆的电化学性能。采用在PEMFC电堆内部安装微型热偶的方法测量了电堆内部稳态和动态操作下的温度变化，研究PEMFC电堆内部温度变化规律;并与操作策略相结合，有效避免或减缓加载瞬间的电池局部温度升高现象，提高了电堆运行过程中的耐久性。
最后，通过研究车用电堆反馈模式下的动态电压变化特性，发现了影响电堆电压变化的关键因素—反应气欠气。采用提高相对湿度、改进供气方式、预置一定量空气等控制策略，减缓动态加载过程对电堆的冲击，避免电池电压大幅波动。同时采用CCM工艺优化MEA结构，降低电堆的传质阻力，缓解电堆动态加载过程中的电压波动，提高了电堆在快速变载过程中的动态响应能力。