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质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其清洁、高效、启动快等特点,在便携式电器、分布式电站和电动汽车等领域具有广泛的应用前景。然而,膜电极成本及性能制约了质子交换膜燃料电池的商业推广。本文从膜电极材料和结构进行了研究,以期降低膜电极的成本,同时通过强化膜电极的传质过程提高电池的性能。通过简单浸泡,在膜表面形成梯度交联结构,制备了高磺化度（80%）、高尺寸稳定性以及高机械强度的改性磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜。改性操作简便,将SPEEK膜依次在NaBH4和H2SO4溶液中浸泡,即可得到改性SPEEK膜。改性SPEEK膜在80°C时的导电率可达0.11S·cm-1,溶胀度仅为38.6%。未改性SPEEK膜在30°C时溶胀度为31%,高于30°C时发生溶解。改性后,膜的机械强度由15.1MP提高到46.6MPa。通过1H-NMR和ATF-TIR表征,发现NaBH4将SPEEK主链上的羰基还原为羟基,H2SO4则使羟基与磺酸根发生酯化交联。结合实验表征和分子模拟计算,系统研究了在芘基化合物/乙二醇-水溶液中制备高性能石墨烯纳米片载铂催化剂（Pt/GNPs）的过程。结果显示,1.芘甲酸（或氨基芘）既可吸附在GNPs表面,又容易在GNPs表面滑动。这使芘甲酸（或氨基芘）在超声条件下能够插层、剥离GNPs,得到较薄GNPs（甚至石墨烯）。2.芘甲酸（或氨基芘）能够键合到Pt颗粒表面,作为“阻隔分子”,避免Pt颗粒之间的团聚。3.芘甲酸（或氨基芘）使Pt颗粒生长以奥斯瓦尔德熟化为主,最终得到尺寸均匀的Pt纳米颗粒。4.Pt纳米颗粒在芘甲酸（或氨基芘）作用下,均匀负载到GNPs表面。首次采用接电负载的方法直接将Pt/GNPs负载到HCP120碳纸表面,制备了取向结构催化层。取向结构缩短了电极内的传质路径,同时提高了Pt的利用率（最高达97%）。实验结果表明,负载到扩散层上的取向结构,是依靠Pt/GNPs彼此间的相互“搭接”稳定存在。以0.001mg·m L-1的Pt/GNPs四氯化碳分散液,在8V·cm-1、10Hz的正弦电场下在碳纸上接电负载Pt/GNPs催化剂,制得催化层电化学比表面积可高达135.9m2·g-1。将改性SPEEK膜和取向Pt/GNPs热压制备膜电极,并组装成电池。优化制备和运行条件后,电池在80°C时,峰功率密度可达843mW·cm-2,质量比功率为7.92kW/g Pt。