质子交换膜燃料电池零下启动能力是燃料电池汽车在冬季运行面临的最大挑战,也是燃料电池汽车在温寒带地区推广的主要障碍之一。过冷水的利用是进一步提高燃料电池零下启动能力的有效途径,也是解决石墨基双极板燃料电池零下启动问题的必由之路。本文以过冷水为研究重点,通过估算模型分析了有效利用过冷水的必要性;并采用中子成像和电化学手段揭示了过冷水结冰特征及其对燃料电池零下启动特性的影响规律。在燃料电池零下启动能力估算部分,本文建立了集总静态估算模型和二维动态估算模型,重点分析了燃料电池零下启动储水空间、产热量、电堆热容及最大温升之间的相互关系,分别估算了有否过冷水存在两种情形下金属基双极板燃料电池和石墨基双极板燃料电池零下启动最大温升,指出了过冷水的利用对建立石墨基双极板燃料电池零下30°C自启动能力的必要性。在利用中子成像观测过冷水分布特征及结冰过程部分,本文采用了特制的中子速度选择器,获得了特定波长范围的中子束,利用双光谱成像方法,区分观测了零下启动过程中燃料电池内的过冷水和冰。在本文实验中,过冷水和冰的对比度达到了6%,是原有研究水平(1.6%)的3倍,大幅提高了观测结果的准确性,增大了中子成像技术在区分观测燃料电池内过冷水和冰上的应用前景。同时,观测结果表明零下启动过程中催化剂层生成水会以过冷水的形式大量移动到流道内部,过冷水结冰直接导致了零下启动的失败。在利用电化学方法探究过冷水结冰对燃料电池零下启动特性影响部分,首先开展了燃料电池零下启动外特性测试实验,基于外特性实验结果分析了过冷水结冰随机性引发的燃料电池零下启动随机特征。其次,利用动态阻抗谱和循环伏安测试方法,研究了过冷水结冰对燃料电池各种阻抗成分以及电化学活性面积的影响规律,结果表明结冰过程会造成物质传输阻抗的急剧增大,但对电化学活性面积无明显影响,物质传输受阻是造成零下启动失败的主要原因。本文研究工作初步揭示了过冷水移动与结冰特征及对燃料电池零下启动能力与特性的影响规律,研究结果将为有效利用过冷水、改善燃料电池零下启动能力提供指导。