直接甲醇燃料电池(DMFC)是目前最具有市场应用前景的新能源之一。膜电极是直接甲醇燃料电池的核心部件,通过实验和模型模拟研究对于优化直接甲醇燃料电池的膜电极结构、提高电池的放电性能具有重要的研究意义。本论文从模型模拟和实验两个角度出发,旨在深入研究和识别膜电极的内部结构与电池宏观性能之间的构效关系。在直接甲醇燃料电池的参数统计分析和优化管理、膜电极关键材料的制备与表征、单电池的放电性能、模型模拟等方面分别做了系统性和具体化的研究与探讨,以提高膜电极的电池性能、稳定性和能源效率,为膜电极及电池结构优化设计提供指导。根据直接甲醇燃料电池参数的特性,将其划分为几何参数、物性参数、工作参数、常量参数四个类别。为了更好的对参数进行优化管理,我们建立参数分级模型,根据电池的性能与参数的偏导数函数将参数分成零级参数、一级参数、二级参数和三级参数。对于不同级别的参数,我们给予了相应的参数优化管理策略。该项研究工作为论文的研究方向做了有效的指导,确定研究工作的重点是在膜电极部分,并选择膜材料作为膜电极的关键材料进行研究。采用无机-有机杂化法对Nafion(?)进行改性,通过流延法制备得到了钛酸钠纳米管/Nafion(?)新型复合膜,并且对其微观结构和材料性能进行了表征和测试。研究结果表明,钛酸钠纳米管/Nafion(?)复合膜具有良好的高温保水能力,可以有效降低甲醇渗透系数高达一个数量级,同时提高相对选择性2-5倍,对钛酸钠纳米管/Nafion(?)新型复合膜的作用机理进行了探讨和分析。通过热压法制备了5wt.%钛酸钠纳米管含量的膜电极,测试和分析了复合膜的单电池放电性能。实验结果表明新复合膜的单电池性能要优于纯Nafion膜,同时考察了电池温度、阴极加湿温度、甲醇浓度、甲醇流速和空气流速5个操作参数对燃料电池性能的影响。电池阴极交流阻抗图谱结果表明Na2Ti3O7/Nafion(?)复合膜的阻抗明显低于Nafion(?)膜,成功降低了膜中的甲醇穿透,这主要是因为降低了电荷转移电阻,同时保护了阴极氧还原反应的有效面积。建立了直接甲醇燃料单电池模型,通过与实验数据的比较来验证模型和数值模拟方法的有效性。主要考察了甲醇的穿透的作用、阳极甲醇溶液和阴极氧气在膜电极中的浓度分布。结论是由于甲醇穿透的存在,在一定程度上降低了电池的性能。阳极甲醇进料浓度的增大会提高甲醇的穿透。改变电池的操作条件可以降低甲醇穿透的影响,从而提高电池性能。