质子交换膜燃料电池作为未来重要的车用动力电源,目前已在日本初步实现商业化。但其在寒冷环境仍然存在启动的难题,急需开发出一种简单、快速、有效、节能以及适用性强的低成本冷启动方法。膜电极作为燃料电池的核心部件,使其快速升温对冷启动的成功影响较大。本文基于对燃料电池膜电极结冰特性的研究,提出了一种局部加热冷启动方案。本文的工作内容主要有三部分:第一部分介绍燃料电池实验系统,并进行燃料电池常温性能和冷启动性能的再现性实验,以及研究多种因素对燃料电池常规性能的影响;第二部分研究启动温度、电流密度、微孔层疏水程度、电池装配压力、流道宽度等因素在单体燃料电池冷启动时对膜电极内结冰和电池性能的影响;第三部分研究在不同环境温度、电流密度、电热丝数目和电池保温程度的条件下对燃料电池进行局部加热冷启动实验,测试其相应的电压、阻抗和气体扩散层温度变化。首先,以目前冷启动过程的研究来看,对燃料电池结冰特性的研究较少。另外,大部分的研究集中于先加热冷却介质以此来提高燃料电池温度,不仅造成热能的浪费还会延长冷启动的时间,采用的附加热源装置既占据较大体积又无法降低使用成本。因此本文首先对燃料电池在反应面积方向上的冷启动结冰特性进行研究。结果发现电池温度高于-10℃的冷启动过程结冰主要发生在催化层和微孔层界面,在其界面之间的结冰主要分布在流道下对应区域;装配压力越大,两界面冰含量越少,冷启动表现越好;流道宽度越窄,冷启动开始结冰需要的时间越长;微孔层疏水性较弱的电池在-5℃发生1次集中结冰,微孔层疏水性较强的电池在-5℃发生2次集中结冰。然后,针对上述燃料电池冷启动时的结冰特性提出了一种将电热丝置于脊下的局部加热冷启动方案。实验结果表明局部加热法可有效提高电池温升速率,在电池内形成局部高温区,实现冷启动成功。另外,在平均加热功率密度相同时,燃料电池使用1根电热丝比3根电热丝有更好的冷启动效果。