质子交换膜燃料电池堆因结构简单、工作温度低、转换效率高和无碳排放等优点作为一种清洁环保的能量转化装置在可移动设备尤其是汽车领域具有广阔应用前景。在质子交换膜燃料电池堆的工作过程中负载频繁变化,输出电压、电功率和温度出现不断波动,导致使用寿命快速衰减,研究电池堆电热响应特性以及探索新型热管理方法是当前的重点与热点。本文结合电热动态模型理论、变负载试验和数值仿真多种方法对质子交换膜燃料电池堆的电热动态特性进行分析,设计一种结合超薄均温板相变传热与空气强制对流进行散热的电池堆冷却方案,制作超薄均温板电池堆并对其优缺点展开理论与实验研究,主要工作如下:结合热力学等效电路原理,分别构建常规液冷电池堆与超薄均温板电池堆的电热动态理论模型,推导不同冷却方式下电池堆的温度响应方程:常规液冷电池堆的温度响应微分方程是关于时间的一阶微分方程,温度过渡时间与电池堆电压响应时间常数和电池堆热力学时间常数有关;超薄均温板电池堆的温度响应微分方程是关于时间的二阶微分方程,温度过渡时间与电池堆电压响应时间常数、电池堆热力学时间常数和超薄均温板热力学时间常数有关,超薄均温板电池堆的温度变化较液冷电池堆更为平缓。设计制作包含80个温度测点的蛇形对称阴极流道液冷电池堆,通过对比试验探究了该电池堆的输出电压和电功率、温度和温度均匀性在电池堆以不同加载模式启动后的变化情况:电流上升越快、幅度越大则电池堆输出电压的下过冲现象越明显,以一步阶跃加载模式启动时下过冲幅度达到最大的11.19 V,恢复时间为57 s;各电池单元的稳态输出电压接近,响应阶段的下过冲幅度存在明显差别;冷却液流场设计是决定电池堆内局部温度的关键因素。反应气体从流场板流道向催化界面扩散的延迟是造成电池堆输出电压下过冲的重要原因之一,数值求解了氢气与氧气的动态扩散方程,分析不同工况下催化界面氢气与氧气分压力的瞬态变化:气体扩散层孔隙结构内液态水饱和度是影响反应气体在多孔扩散层内扩散延迟的关键因素;氧气和氢气扩散过渡时间分别为10-1 s数量级和10-2 s数量级,阴极气体扩散层中氧气的扩散延迟是电池堆响应性能的主要限制因素。构建了液冷电池堆-冷却液电热耦合瞬态模型,成功实现液冷电池堆内部局部温度的准确预测。在该模型的基础上分析了电势响应时间常数与电池堆热力学时间常数对液冷电池堆输出电压和温度过渡时长的影响,上述时间常数相差过大不利于电池堆快速进入稳态,电势响应时间常数和电池堆热力学时间常数分别对输出电压过渡时长和电池堆温度过渡时长起到主要作用。试验测试比对了超薄均温板电池堆与风冷电池堆、金属板电池堆的电热动态响应特性,超薄均温板电池堆能够正常向外部负载输出并且长时间工作,温度变化较风冷电池堆更为平缓,温度均匀性较风冷电池堆与金属板电池堆更优。根据试验结果分析超薄均温板电池堆在不同启动策略、冷凝端冷却风量和摆放倾角下的电热动态响应特性:电流上升越快、幅度越大则电池堆输出电压下过冲幅度越大;冷凝端冷却风量越高电池堆动态热特性越优,但超过一定范围后不再出现明显的变化;重力与超薄均温板内部工质回流方向夹角<90°使超薄均温板在电池堆内的传热及均温效果得到加强。理论探究了超薄均温板结构参数对超薄均温板电池堆等效电阻、等效热阻、超薄均温板热力学时间常数以及超薄均温板散热占比的影响:试验电池堆等效电阻因超薄均温板的集成增加9.5×10-9Ω;上述结构参数在-50%～+50%范围内变动时电池堆等效电阻变化ΔReff=10-8～10-9Ω,可忽略不计;对电池堆热力学参数影响较大的因素是超薄均温板的吸液芯孔隙率、壳体厚度和吸液芯厚度。基于超薄均温板电池堆电热动态模型比较了超薄均温板电池堆与空冷电池堆的电效率与（火用）效率,电池堆工作温度较高时超薄均温板电池堆的电效率和（火用）效率比空冷电池堆高,且与供气风扇和冷却风扇的功率配比有关,供气风扇功率占风扇总耗功的比例越高则上述效率越高,电池堆（火用）效率的主要限制因素是系统风扇耗功。超薄均温板电池堆在电效率和（火用）效率近似不变的前提下通过调节供气风扇与冷却风扇功率配比实现电池堆温度的调控。