质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)由于其具有功率密度高,响应快,工作温度低以及无污染等优点,被称为是21世纪最具发展潜力的能源转换装置之一,主要应用领域为运输、移动设备和固定装置,其中质子交换膜燃料电池在汽车领域的商业化应用备受关注。在实际应用过程中,极端环境如低湿情况、低温环境、机械振动等都对燃料电池的水热管理提出严峻的要求。本文结合电化学表征手段、宏观性能测试,基于不同运行参数,包括温度、湿度、机械振动,对燃料电池性能的影响参数进行系统的研究,以掌握其影响规律。本文的主要研究工作包括:(1)搭建机械振动平台,综合燃料电池控温系统、供气系统、燃料电池测试系统及电化学测试系统,以Nafion212质子交换膜为基础,在正常工况下完成PEMFC性能测试,并进行电化学阻抗谱表征测试。结果表明,提高电池工作温度及进气湿度,能有效降低膜电阻,提升电化学反应速率。在不同湿度工况下,进一步表征电极的有效反应面积,从微观结构角度解释燃料电池性能下降的原因;(2)为进一步了解低温环境下PEMFC结冰机理,本研究基于间隔吹扫方式控制电池初始状态,分析了初始水含量、启动温度、启动电流/电压等工况条件对PEMFC冷启动性能的影响。研究发现,较高的启动温度、较低的初始水含量、较小的启动电流、较大的启动电压有利于提高燃料电池多孔介质储冰量,延长冷启动运行时间。在极低的初始水含量下出现电压反极现象,结合有效反应面积的减少解释说明;(3)在正常温度下,结合极化曲线与压降曲线分析了机械振动对电池内部水传输的影响。实验结果表明,机械振动促进催化层与微孔层界面处水的堆积,促进阴极向阳极的反向扩散,导致阴阳极压力升高,在小电流下对电池性能有促进作用;而在大电流下振动促进流道内小液滴到大液滴的团聚过程,更易造成水膜的形成,加剧水淹,造成浓度损失;(4)在低温环境下,本研究分析了机械振动频率、振幅、方向对PEMFC冷启动过程的影响。结果表明,机械振动的扰动,使得结冰位置更分散,抑制冰层的快速形成,延缓结冰速率,尤其是固有频率下的机械振动。在⊥即气体扩散层(Gas diffusion layer,GDL)平面方向,振动促进电极表面水分布,进而提高存冰量;在⊥GDL即GDL厚度方向,由于GDL尺度较小,影响不明显,甚至在低温情况下,促进液态水在流场板上冰核的形成,导致过冷态释放;在//GDL即气体流动方向,较高温度下有利于水的排出,而在较低温度下接触碳板产生的负面影响更大,冷启动性能下降。