质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其零污染、高效率等优势,是未来理想的动力源之一。PEMFC在零度以下环境中的冷启动问题是近年来专家和学者们的研究热点,也是其商业化发展中亟待解决的关键问题。零下环境中PEMFC多孔电极内的结冰机理是冷启动研究的重中之重。传统气体流场“沟-脊”交替的结构设计严重影响了PEMFC内的传热传质过程。尤其在零下环境中,水分集聚在脊下,造成电池排水困难、结冰严重和冷启动性能低下。金属泡沫材料由于独特的多孔结构、高孔隙等优点,被认为是PEMFC传统“沟-脊”结构气体流场的有力替代品,对改善电池内热、质、电多过程耦合的工作过程意义重大。本文以采用新型金属泡沫流场的PEMFC冷启动问题为研究对象,深入探究零下环境中PEMFC内的传热传质过程,尤其结冰问题,讨论改善电池冷启动性能的方法和策略,从模拟仿真、实验对比、电池设计等多个角度,揭示金属泡沫流场对电池冷启动性能的影响规律,并开展了一系列工作,主要包括以下几个方面:1.PEMFC冷启动过程中水的生成和相变机理的重建。目前已有的冷启动研究成果中,PEMFC内的水状态主要划分为四种:水蒸气、冰、膜态水(电解质吸收水以结合水形式存在)和膜态冰(电解质内的结合水结冰)。本文通过构建一维冷启动解析模型,结合目前最新的研究发现,分析了传统的水生成和相变机理的不完善性,通过创新性考虑过冷却水的传输机理,重建了水的生成和相变体系。将水的状态重新完整划分为五种:过冷却水(冰点以下的液态水)、水蒸气、冰、膜态水和膜态冰。通过仿真结果、实验对比和物理分析得出,PEMFC内水的生成状态应主要为膜态水,为PEMFC仿真研究中水的生成假设以及相变路径提供了依据和建议,同时揭示了过冷却水在PEMFC内的传输规律。2.采用新型镍金属泡沫流道的PEMFC冷启动实验研究。通过实验对比了阴极分别采用传统平行流场和新型镍金属泡沫流场的PEMFC极化特性和冷启动性能。在80oC下,相比于传统流道电池,金属泡沫流场电池的在稳态运行下的极限电流密度提升29.4%,最大净功率提升47.4%。冷启动实验结果表明,恒电流模式下,得益于泡沫流场的高孔隙率结构,金属泡沫流场电池自启动性能更强。3.常温下PEMFC三维多相流稳态和瞬态数值模型的构建与完善。采用CFD方法,构建三维多相流数值模型,分析阴极分别采用平行流场与金属泡沫流场的PEMFC在稳态工况下的输出性能和在变工况下的动态响应。结果表明,在稳态工况下,金属泡沫流场在气体均匀分配上可以替代部分扩散层(GDL)的功能,同时排水性能更优秀,输出性能更优越;在瞬态工况下,泡沫流场与GDL之间更大的流通面积使电池运行状态对工况变化更敏感,动态响应更快,且恢复稳定耗时较短。4.零下环境中三维多相流冷启动数值模型的构建。采用CFD方法,建立PEMFC三维零下环境冷启动模型,详细揭示了阴极分别采用平行流场和金属泡沫流场的PEMFC在不同启动温度和启动模式下的电池内部热、质、电多过程耦合的运行规律。结果表明,泡沫流场电池由于其更优越的排水性能和均分气体能力,阴极催化层(CL)内结冰速度更慢,冷启动性能更优越。但金属泡沫良好的导热性不利于零下环境中电池温度的提升和保持,一定程度上弱化了其优势。泡沫流场电池内的结冰起始位置受到过冷却水和水蒸气传输的主导。为采用金属泡沫流场PEMFC的多环境应用提供了新的理论依据。