优化能源结构、发展高效清洁的二次能源并减少能源消耗对环境的污染,是我国可持续发展战略中极为重要的一步。直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cell,DMFC)作为一种能够源源不断的将燃料中的化学能转化为电能的装置,被视作最有前途的清洁高效的能源生产技术之一。因为其结构简单、能量密度高和易于运输的特点,被广泛应用于便携式设备。膜电极(membrane electrode,MEA)作为DMFC的核心部件,其结构直接影响了电池的性能。直接甲醇燃料电池目前存在着:阳极甲醇氧化反应动力学缓慢;甲醇渗透引发混合电位,造成电池性能下降;阴极水淹严重,导致电化学活性面积减小,传输阻力增大;微孔层传输不畅通导致电池性能降低等问题。因此扩大电化学活性面积,减少甲醇渗透和保证反应物及生成物的正常传输,构建一个高性能的MEA成为改善直接甲醇燃料电池性能的关键。本文对比了高/低浓度甲醇条件下,阳极扩散层亲/憎水性对电池性能和物质传输过程的影响,以及温度对电池性能提升效果的影响。研究结果显示,低浓度甲醇条件下,亲水性阳极扩散层电极放电性能更佳,高浓度下,憎水性阳极扩散层更有优势;低浓度DMFC中,温度越低,增加阳极扩散层亲水性对电池性能提升的效果越显著。EIS表明,阳极扩散层亲水性的增加,会降低阳极传质阻力,提高甲醇的传输效率。低浓度DMFC中,传质阻力的降低能够缓解阳极燃料不足的状况,提升电池性能;但在高浓度下,会导致更多的甲醇渗透,降低电池电压和放电性能。制备了一种新颖的阳极双微孔层结构,在阳极催化层和含有PTFE的外微孔层之间添加了含有Nafion~?的内微孔层。实验证明,双微孔层结构能够有效的降低电池的电荷转移电阻和传质阻力,扩大电化学活性面积,减轻电池性能的衰减。常规电极长时间运行后,催化剂下沉至微孔层中无法被利用,而内微孔层中的Nafion~?具有传导质子的能力,使得下沉的催化剂得以继续发挥催化作用,增加了电化学反应位点。最后,提出了一种能够减少甲醇渗透的膜电极结构,在阳极催化层和质子交换膜之间构建石墨烯层并优化了其物质组成。实验结果表明,石墨烯层能够有效减少甲醇渗透,但会增加电池的电荷转移电阻,减少电化学活性面积,导致较低的放电性能。石墨烯层中添加Nafion~?聚合物能够提高H~+的传导效率,降低电池的电荷转移电阻并扩展三相反应界面,改性后的石墨烯层对于甲醇仍然具有良好的阻隔作用,能够有效减少甲醇渗透引发的电池电压下降,提高高浓度甲醇燃料电池的放电性能。