燃料电池是一种清洁、高效的能源利用方式,当前氢氧燃料电池相关技术发展迅速,但其大规模商业化进程面临诸多挑战,其中之一就是阴极氧还原催化剂成本较高,迫切需要低成本的非贵金属催化剂材料或新型催化方式来降低燃料电池膜电极组装成本。在良好的膜电极制备工艺基础上,杂原子掺杂非贵金属碳基材料具有较大应用潜力,但其氧还原性能和在燃料电池中的应用仍需要进一步的提高与优化;介导离子在液流电池中应用较为广泛,但将其集成并应用到燃料电池反应区域的研究尚不多见。(1)搭建氢氧燃料电池测试平台,优化和发展膜电极制备工艺方法。优化真空加热喷涂法工艺制备膜电极,并根据不同的应用场景发展出旋转喷涂转印法、催化剂薄膜法制备膜电极。其中使用真空加热喷涂法制备的膜电极峰值功率密度可达2.0 W cm-2以上,电流密度超过800 mA cm-2@0.8 V;使用旋转喷涂转印法制备膜电极功率峰值超1.4 W cm-2,批量制备时功率峰值相差不超过5%,具有优异的重复性;发展的催化剂薄膜法可以快速制备膜电极。(2)以生物质前驱体合成的氧还原催化剂构筑膜电极。通过选用价格低廉、取材广泛的黑木耳真菌作为碳源,利用其本身含有的金属元素和杂原子元素,使用水热和高温煅烧的方法制备了非贵金属氮掺杂催化剂,并应用于氢氧燃料电池。黑木耳材料中以原子级别分布大量的铁、氮、硫和磷元素,是形成氧还原活性位点的必要条件,多孔结构强化了氧还原反应过程的传质。所合成的催化剂活性优良,其半波电位在酸性和碱性电解质中分别达到了 0.77 V和0.91 V;在氢氧燃料单电池测试中峰值功率可以达到255 mW cm-2,并可以稳定运行32 h。(3)进一步降低燃料电池阴极催化剂成本,直接不使用阴极催化剂,将传统碳基催化剂材料替换为非贵金属Fe3+/Fe2+介导离子,构筑了离子介导型燃料电池膜电极。把介导离子的循环耦合在燃料电池阴极区域,构成亚铁离子(Fe2+)和铁离子(Fe3+)的循环转化,电池总反应仍然是氢气和氧气发生反应生成水。经过优化后的介导离子燃料电池功率峰值达到330～622 mW cm-2,稳定性可以运行28 h以上,大大降低了阴极催化剂成本,具有一定发展前景。本论文以降低阴极催化剂成本为主要目标,在良好膜电极制备工艺和方法的基础上,构筑了低成本的非贵金属氧还原催化剂膜电极和不使用催化剂的新型离子介导膜电极,所组装的燃料电池均具有良好的功率输出和稳定性,为燃料电池的低成本商业化提供了有益探索。