如今由石油等燃料引起的环境污染问题日益严重,质子交换膜燃料电池凭借自身高效率、零排放、工作温度低等优势被关注。但是寿命问题成为其大规模量产的主要障碍之一,其中,低温启动是造成质子交换膜燃料电池寿命缩短和性能衰减的主要原因之一。因此,要实现质子交换膜燃料电池商业化,通过合适的策略来实现低温启动是解决途径之一。本文首先阐述了质子交换膜燃料电池基础理论,包括其结构组成、结构作用、工作原理、水的传输、低温启动过程等方面。结合数学模型,建立了单体质子交换膜燃料电池三维多相物理模型,该模型重点涉及质子交换膜燃料电池内部的流体流动、传质传热、多孔介质组分扩散、以及水的相变等物理过程。其次,本文根据质子交换膜燃料电池模型和数学模型还原质子交换膜燃料电池吹扫除水前的预工况阶段。在此基础上,阐述吹扫除水过程的传输机理以及数值仿真研究膜内水含量和启动温度对低温启动的影响、吹扫操作参数对膜内水含量的影响。数值仿真结果表明:初始膜内水含量越高且低温启动温度越低,质子交换膜燃料电池低温启动越容易失败;综合考虑吹扫效果和吹扫能耗,确定合适的吹扫操作参数。再次,本文阐述了微型管道燃烧器模型的控制方程以及化学反应动力学方程,并建立二维微型管道燃烧器模型。在此基础上研究分析了预混气体当量比和入口流量对空间气相和表面催化耦合反应轴线温度分布的影响。数值仿真结果表明:入口流量与尾气流量存在显著性相关;入口流量与尾气温度存在高度相关,并基于数据拟合出非线性表达式;当量比与尾气流量不存在相关性;当量比与尾气温度存在低度相关,并基于数据散点图分析两者间的关系。然后,利用微型管道燃烧器内部快速催化反应产生的尾气加热质子交换膜燃料电池至冰点以上,防止其内部水结冰。研究分析了预热尾气温度和流量对质子交换膜燃料电池温升过程的影响,并通过Screening optimization算法对预热过程的输入输出参数进行优化分析,求解出不同启动温度下最优辅助预热操作参数。最后,数值仿真从单体质子交换膜燃料电池扩展到质子交换膜燃料电池短堆,短堆由3片单体质子交换膜燃料电池组成。根据前面的研究,在不同启动温度下采用合适的策略进行恒压模式下质子交换膜燃料电池短堆低温启动仿真。数值仿真结果表明:启动温度为-10℃时电堆辅助低温启动时间相较于无辅助低温启动减少了43%;启动温度为-20℃和-30℃时,无辅助低温启动均失败,而辅助低温启动均成功。