使用新能源汽车是应对人类目前所面临的能源危机与气候变化挑战的重要举措,将有助于我国达成“碳中和”的目标。其中,新能源汽车包括纯电动汽车、增程式汽车、燃料电池汽车等。而燃料电池汽车又由于其排放为为水,几乎无污染,同时氢气的能量密度较高,因此具有较大的发展前景。但由于低温质子交换膜燃料电池受到水淹与膜干问题的影响,因此需要双极板流场改进以减轻这一问题并提高燃料电池效率。而冷启动问题也阻碍了燃料电池汽车在低温环境下的大规模应用,因此提高冷启动性能也有必要性。低温质子交换膜燃料电池作为燃料电池汽车最常搭载的动力装置,仍然需要关注其一致性问题。而质子交换膜燃料电池输出的电流密度与启动成功与否和电池内部的水含量分布、反应气体浓度、反应区域温度等因素有紧密的关联。在考虑这些因素的情况下,本文建立了传热、传质、流体、电流等多种物理场相互耦合的仿真模型,并且研究了不同温度下电池在靠近入口或出口位置的液态水饱和度、温度分布与电流密度等情况,从而进一步分析质子交换膜燃料电池性能。而流场板对反应气体通过气体扩散层到达催化剂层有重要的影响,同时由于气体流动还会进一步对多孔介质内部的液态水产生吹扫作用,故优秀的流场板结构设计对于减少膜干与水淹问题并最终提升电池的输出功率十分有意义。本文基于电池特性,研究了直流道常温运行模型、变流道与多工况运行模型、燃料电池瞬态冷启动模型,从而分析燃料电池的性能变化情况。研究结果显示:燃料电池结构参数的改进在不同环境因素下的影响是不同的。但多波形与变波形设计的流道在文中情况下都会引起包括氧气质量分数、液态水饱和度等参数的云图出现条带状分布或相应倾向。在变波形流道中,353K时采用正弦波形流道的燃料电池性能最差,而在348K下采用变波形流道A的燃料电池性能最优,为1.07A/cm~2。对于恒压质子交换膜燃料电池瞬态冷启动的内部变化情况,结果表明:改变流道类型、气体扩散层孔隙率与流道高宽比均会影响冰到达最大体积分数1左右的时间。同时,合适的设计有助于推迟冷启动失败的时间。但不同的质子交换膜燃料电池设计无法实现-20℃自启动。