氢燃料电池汽车因具有零排放、高效率等优势,被认为是当前最具发展潜力的新能源汽车之一。质子交换膜燃料电池(PEMFC,Proton Exchange Membrane Fuel Cell)是目前发展最成熟的燃料电池,也是当前氢燃料电池汽车的主要驱动部件。常温下,在不同载荷下,电池内部的水热传输特征也大相径庭,阴极水淹与阳极干燥问题都是工程化阶段亟待解决的关键问题;而在零下环境中,强烈的热散失和结冰堵塞问题将使电池性能与自启动能力大打折扣。因此,PEMFC水热管理问题是影响氢燃料电池汽车商业化应用的关键问题,是PEMFC高性能、长寿命、高环境适应性、低成本化发展的重要保证,在工程背景下开展宽泛温度下PEMFC水热管理研究迫在眉睫。本研究以全功率型PEMFC水热管理问题为研究对象,详细分析了宽泛温度下PEMFC在工程实际运行工况下的水热传输特性,深入研究并讨论了改善PEMFC在常温多工况参数下电池性能的管理策略,提出了评价电池内水热状态的标准,实现了零下环境中PEMFC低温启动科学研究向工程化开发的转化。本研究从数值建模、工程实验案例以及理论分析等多个角度开展了以下研究工作:(1)PEMFC准二维多相流仿真模型的构建。本研究建立了准二维仿真模型,考虑了多种增湿方式、以及冷却液流动的影响,创新性提出了催化剂有效比率的修正方法,实现了对PEMFC内部的传热传质现象以及电池宏观性能的理论分析与数学模拟,为指导工程研究中水热管理策略的制定提供了新的工具。(2)高载荷水热行为舒适度评价指数的提出。借鉴气象学方法,本研究通过综合考虑了阴极积水情况、阳极水合情况,创新性提出了PEMFC水热舒适度指数的概念,分别通过量纲分析和数值模拟,得到了水热舒适度评价指数的解析式,实现了对PEMFC的水热传输特性在线量化与监测,分析了多种工况参数和设计参数对水热舒适度的影响规律。在实际工程应用中,对电堆设计和在线系统控制意义重大。(3)PEMFC低载荷高效运行的水热管理分析。本研究通过性能实验与电化学阻抗谱(EIS,Electrochemical Impedance Spectroscopy)测试,分析了PEMFC在低载荷、阴阳极单侧增湿条件下电池性能和各种阻力的工作特性。借助解析模型对低载荷工况下的多个工作参数进行了敏感性分析。结果表明,在阴极单侧增湿条件下,催化层的湿度高于阳极单侧增湿及阳极循环增湿条件。在采取阳极循环增湿时,工作温度和工作压力为全敏感性参数,而阳极循环比和阴极化学计量比为区间敏感性参数。低载荷工况下,推荐的水热管理策略为合理降低工作温度,提升工作压力,同时适当提升阳极循环比和降低阴极化学计量比。该研究旨在为PEMFC在阳极循环增湿条件下的高效可靠运行提供理论依据。(4)PEMFC低温启动集总参数模型的构建与工程分析。基于完备的一维低温启动瞬态模型的构建,在充分理解电池内多组分多相质量输运过程、传热过程和电化学反应过程等关键过程的基础上,实现了一维模型的降维简化,发展为适用于工程正向开发的集总参数模型,并实现了对模型的工程标定,进而探究了多个关键参数对PEMFC低温启动过程的影响规律。结果表明,选取合适的上限电流和电流加载速率对于成功低温启动至关重要。电池初始温度主要通过电化学反应动力学和电解质吸水能力来主导低温启动过程的成败。采用更薄金属极板替换传统的石墨极板,能够极大促进电池低温启动能力的提升。此外,为实现科学研究向工程开发的转化,本研究基于结冰和升温过程进一步构造了低温启动能力指数,以实现在工程开发工作中对电池低温启动状态的实时捕捉和监测。