由于其高效率、零排放、低噪声等优点,质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）被视为最有发展前景的绿色能源转换装置之一。如美国能源部所言,性能、成本与耐久性是PEMFC实现大规模商业化推广所面临的三大瓶颈。零下温度启动、电池堆内性能不一致性以及系统层面的水热管理不仅影响了PEMFC产品的输出性能,而且极大影响了其使用寿命,是当前亟待解决的关键技术难题。针对上述关键难题,本研究构建了“单电池-电池堆-系统”多层面、多工况、多物理场的仿真技术体系,包括一维瞬态单电池冷启动模型、具有流体不均匀分配效应的准二维电池堆模型以及耦合各辅助子系统的瞬态系统仿真模型,深入探究了冷启动工况下单电池结构设计的影响规律、电池堆内性能不一致性规律、系统内部耦合传热传质机理以及系统辅助冷启动策略。本文的主要研究工作总结如下:（1）燃料电池膜电极设计对冷启动性能与水传输的影响规律。建立了一维瞬态多相流单电池模型,其充分考虑了电池内部的“水-气-热-电”耦合传输机理、过冷却水结冰机理以及流道中的结冰现象。探究了最大功率启动模式下微孔层（Micro-porous layer,MPL）、气体扩散层与质子交换膜的结构设计参数以及环境因素如温度、换热系数、结冰速率的影响规律。研究发现,在冷启动过程中,减弱MPL的憎水性能够促进过冷却水由催化层（Catalyst layer,CL）流动到MPL中,从而降低CL中的结冰量;当冷启动成功后,MPL的憎水性强弱严重影响了电池输出性能;通过加入MPL来优化电池水管理时,需要合理规划多孔介质层之间的相对憎水性强弱关系,从而避免电池内部出现严重积水现象;较薄的质子交换膜有利于实现更好的膜电极湿润程度,与此同时,其对MPL憎水性强弱的变化更加敏感。（2）燃料电池堆内性能不一致性分析及优化。搭建了流动分配子模型与准二维瞬态多相流电池堆子模型相耦合的完善电池堆模型,弥补了已有电池堆模型很少同步考虑流动不均匀性、电池内“水-气-热-电”耦合传输以及复杂相变转化过程的不足。探究了均匀进气假设与实际不均匀分配效应之间的差异性,阐明了运行工况参数（如电流密度、化学计量比、压强等）、歧管设计参数（如截面尺寸）与电池堆布置形式（如U型、Z型）的影响规律。研究发现,均匀进气假设会高估电池堆的整体输出性能,而且会显著低估单电池之间的电压差异与温度差异;供给充足的空气是避免电池堆内由于反应物的不均匀分布而引起局部氧气饥饿现象的重要措施;增加电池堆内分配歧管的截面尺寸能够显著降低流动分配不均匀性;相对于“Z型”布置形式,“U型”电池堆能够适应更小的分配歧管截面尺寸并且该布置形式下单电池的性能一致性更好。（3）系统层面水热耦合传输机理分析。搭建了完善的瞬态系统仿真模型,其包括准二维瞬态电池堆子模型、一维瞬态膜加湿器子模型、一维瞬态电化学氢气泵子模型、瞬态空气压缩机子模型以及管带状带翅片式散热器子模型。为了确保系统模型的可靠性,所有子模型均与文献数据或本实验室测试数据进行多工况同步验证工作。探究了电池堆以及辅助子系统的运行工况参数（如电流密度、温度、质量流量、压强等）与结构设计（如气体流动布置形式、有效面积等）对系统性能的影响。研究发现,当电池堆的运行温度达到70℃或者电流密度较低时(如0.5 A cm-2),系统内可能因为反应气体加湿不足而引起膜干现象并且造成输出性能的显著下降;逆流布置形式显著改善了电池内温度分布均匀程度,而顺流形式能够增强整个系统中产物水回收与利用率;降低膜加湿器与电池堆之间的运行温度差异并不能有效解决因为产水量不足而引起的膜干现象,但是适当提高膜加湿器干燥侧的入口空气温度（即增压中冷器的控制温度）能够增强加湿效果;当系统内出现加湿不足的情况时,增加空气压缩机的质量流量是不利的,因为这导致更多的产物水被快速排出,从而降低了系统内水回收利用率;增加空气压缩机的升压比有利于系统性能的提升,因为其不仅促进了电池堆内电化学反应的发生,而且增强了膜加湿器对于产物水的回收利用情况。（4）系统辅助冷启动策略分析。基于瞬态系统模型,分析了无辅助加热措施下的系统自启动性能,并且定量对比了多种辅助启动策略（如气体预热法、电池堆直接加热法、冷却液循环加热法）的实施效果,包括系统输出性能、电池堆入口反应气体相对湿度、冰的增长速率、温度分布和冷启动持续时间等。研究发现,在电池堆层面评估气体预热法的效果会高估冷启动能力,因为其无法考虑真实系统层面上高温入口气体同步携带的水蒸气;尽管电池入口区域受益于反应气体温度的升高,但它们却遭受气体加湿所带来的不利影响,最终可能导致系统整体的冷启动性能下降;在电池堆加热法下,处于中间位置电池的成功启动可以作为评估整个电池堆冷启动成功的关键指标,提高加热功率能缩短冷启动时间,但是同时会显著增加电池堆内温度分布差异,因此,提高材料的导热能力非常重要;在冷却液循环加热法下,当冷却液入口温度增加到10℃时,电池堆内结冰现象甚至可能被避免,然而,仅依靠电池堆的输出功率来满足冷却液加热功耗是不现实的,这表明冷却液循环加热方法需要辅助动力源的协同配合。