燃料电池发动机被认为是下一代新型动力，是最有可能替代传统内燃机的新型动力。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆具有低噪音、无污染、零排放、高效率及室温可快速起动等优点，它是解决环境污染和能源枯竭问题的首选汽车动力源。但当前PEMFC电堆存在环境适应性的问题，PEMFC电堆能在常温或0℃以上的环境下能快速起动，当环境温度降到0℃以下或更低的温度，就起动困难或不能起动。 本项目是利用MATLAB\Simulink软件平台搭建了PEMFC电堆准一维瞬态分层集总参数水热管理模型，在低温环境下，进行保温、冷却液加热、自加热、端板加热、双极板加热和质子交换膜加热的仿真研究；进行不同参数和不同工况的PEMFC电堆低温起动及其运行特性的仿真研究。同时，利用MATLAB\Simulink软件平台建立PEMFC电堆系统的压缩机模型、加湿器模型、冷凝器模型、氢气循环泵模型、冷却水泵模型、散热器和风扇模型及其相应的控制器模型，最后，建立了车用PEMFC电堆低温起动仿真系统。在低温环境下，根据制定的车用PEMFC电堆低温起动和停机的控制策略，加载不同起动和运行工况进行仿真研究，为燃料电池发动机的研发提供理论和技术支撑。 通过车用PEMFC电堆低温起动仿真系统研究，达到以下性能指标： 1）开发由20片单电池组成的电堆准一维瞬态分层集总参数水热管理模型。 该系统模型可进行不同工作参数和不同工况的PEMFC电堆低温起动及其运行特性的仿真；能够实时监测电池各层温度变化和电池质子交换膜内水的迁移量；能够实时监测每片电池及电堆的电压、输出功率及其阴阳极入口燃料的温度、湿度和压力等参数。 2）提出了针对车用PEMFC电堆的快捷、有效的低温起动方法。先后对PEMFC电堆进行停机吹扫、冷却液加热、保温、质子交换膜加热、端板加热、双极板加热、催化燃烧加热及自加热的仿真研究，并对各种低温起动方法进行优化分析。对于车用PEMFC来说，对每片电池质子交换膜电加热从电堆自身的角度考虑很难布置，且容易引起质子交换膜表面的热量分布不均，造成质子交换膜损坏；只对端板加热在PEMFC电堆上可以容易实现，但存在加热的时间太长，且电堆中间部分电池的温度低于0℃，不能满足电堆的起动条件；虽然氢气催化燃烧加热PEMFC电堆能在很短时间内将电堆的温度加热到0℃以上，但从车用PEMFC电堆系统的角度考虑，不便于操作和控制，若氢气和空气的混合比例控制不当，可能引起氢气爆炸，对整个电堆系统寿命和安全造成不利的影响；从车用PEMFC电堆系统的角度通盘考虑，在低温环境下起动燃料电池电堆系统，对电堆采取冷却液加热、保温、停机后吹扫及灵活的控制策略是有效、快捷的方法，且对燃料电池电堆系统改动少、易实现。3）搭建了车用PEMFC电堆低温起动仿真系统。 制定了低温环境下车用PEMFC电堆停机和低温起动的控制策略，搭建车用PEMFC电堆低温起动仿真系统，在-20℃和-10℃的低温环境下，对车用燃料电池电堆进行周期性运行和非周期性运行的仿真研究，为燃料电池发动机的低温起动提供技术支撑。