质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作温度低，功率密度高、无污染并且能够快速启停，是电动汽车的理想动力源。燃料电池阳极的氢气失去电子变成H+，H+穿过质子交换膜到达阴极，而电子则通过外电路从阳极到阴极与氧气发生反应。阳极与阴极的反应是两个相对独立的半反应，阴阳两极反应的场所也不一样。阳极的反应主要跟氢气的分布有关，而阴极的反应跟氧气的分布和质子的传导有关。将导致电池内部同区域的阴阳两极性能出现差异。因此研究燃料电池内部各区域阴阳极的性能差异有助于了解阴阳极的气体分布情况及阴阳极的反应状态。本文基于燃料电池分区技术搭建分区电流密度三维监测系统，可同时对电池的阳极和阴极进行分区电流密度分布的测试。此外，也研究了在不同操作条件下阳极和阴极的性能差异并进行了操作参数的优选。最后使用了不同类型的质子交换膜的MEA，研究了使用不同种类质子交换膜制备的MEA对电池阴阳极性能差异的影响。
　　本文首先根据电池阳极和阴极的分区电流密度分布图，对比分析了阴阳极的性能差异。发现氢气入口区域阳极的性能比阴极好，而在空气入口区域阴极的性能比阳极好。之后分别研究了相对湿度(阳极和阴极)、气体计量比(氢气和空气)和电池温度对电池性能和阴阳极性能差异的影响。实验发现阴阳极的性能差异大小随着相对湿度的变化而改变，并且阴极相对湿度对电池性能的影响比阳极相对湿度更加明显，因此可以通过调节阴阳极的湿度来改善电流密度分布的均匀性。本文优选的阳极和阴极相对湿度分别为75%和55%。对于气体计量比，减小氢气的计量比或者空气的计量比都会使电池的性能下降，阴阳极的性能差异也会增大。此外，当氢气计量比为1.5，空气计量比为2.8时，由于电池内部的反应气体已经非常充足，继续增大氢气的计量比或者空气的计量比对电池性能的提升非常有限。本文优选的氢气和空气计量比分别为1.5和2.8。对于电池温度，当温度过低时电池内部活性较差，而当电池温度过高时会使膜变得干燥，本文优选的电池温度为75℃。
　　最后采用不同类型的质子交换膜的MEA，对比分析了使用NRE212、NRE211和HP这三种不同类型MEA的性能差异，并且对以上几种不同类型的质子交换膜进行了氢渗透的研究。研究发现随着质子交换膜厚度的减小，电池达到的电流密度越大，电流密度的分布也越均匀，阴阳极的性能差异也越小。这是因为在高电流密度条件下，电池的性能主要受到传质过程的影响，使用更薄的膜可以减小传质阻力并且加速阴阳两极的水传输，可以减缓在高电流密度条件下阴极发生水淹对电池的影响，从而提高电池性能。使用厚度最厚的NRE212型质子交换膜的MEA氢渗透电流最小，而使用NRE211和HP型质子交换膜的MEA氢渗透电流数值差异不大。可见减小质子交换膜的厚度可以减小电池阻抗并且提高电池性能，但同时也会使氢渗透现象加剧。对传统质子交换膜进行特殊处理的加强膜可以有效的改善氢渗透现象对电池的影响。
　　综上所述，优化燃料电池的操作参数以及减小质子交换膜的厚度都可以增加电流密度分布的均匀性并且减小阴阳极的性能差异，有助于提高燃料电池的性能。同时对传统质子交换膜进行特殊处理的加强膜可以有效的改善氢渗透现象对电池的影响，之后的研究也可从减小使用较薄质子交换膜时的氢渗透电流这个方面来研制高性能的质子交换膜。