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燃料电池是一种将燃料的化学能直接、高效、环境友好地转化为电能的装置，其中质子交换膜燃料电池在功率密度和操作温度等方面具有高竞争力而被认为是21世纪最为重要的新能源转换技术之一。质子交换膜燃料电池的快速启动、模块化特征使其成为最有希望大规模应用于家用、交通、通讯、军事、固定电站等用途的一类燃料电池。目前质子交换膜燃料电池的关键技术已基本成熟，但系统的高成本及复杂性限制了其大规模商业化。膜电极作为质子交换膜燃料电池的核心组件，不仅对质子交换膜燃料电池性能有很大的影响，且对简化电池系统、降低成本、加快商业化进程具有十分重要的现实意义。这就要求膜电极不仅要有可靠的性能和合理的价格，且要有较宽的操作范围，以适应不同的苛刻环境条件。因此，开发低铂载量并具有高性能的膜电极以及适用不同苛刻环境条件的膜电极，特别是在低湿度或不增湿条件下具有高性能的免增湿膜电极，是质子交换膜燃料电池膜电极研究极具挑战性的两大热点课题。本文以降低质子交换膜燃料电池成本和提高其在低湿度或不增湿条件下的适用性为目标，在课题组相关研究工作基础上，进行了质子交换膜燃料电池低铂载量免增湿膜电极的制备研究。首先，通过对膜电极催化层的制备方法、催化剂浆料组成优化及膜电极后处理工艺的研究，我们制备出了一种具有高性能的低铂载量膜电极。该膜电极阴、阳极Pt载量分别低至0.2mgPt cm-2、0.1mgPt cm-2，在电池温度为70℃、反应气体完全增湿条件下，0.7V时的电流密度可高达700mAcm-2以上。同时，还考察了电池运行条件对膜电极性能的影响，获得了电池温度、反应气体压力与低铂载量膜电极性能之间的关系等重要信息。其次，在课题组关于采用Pt/SiO2/C复合催化剂构筑具有高免增湿性能的膜电极的研究基础上，我们进一步采用课题组开发的一种新型Pt/RuO2-SiO2/C复合催化剂作为阳极，构筑了另一种新型的免增湿膜电极。采用XRD、TEM和接触角测试对催化剂进行了表征，发现相比于商业JM Pt/C及Pt/SiO2/C催化剂， RuO2含量为3wt.%的Pt/RuO2-SiO2/C催化剂具有更好的催化剂分散状态、催化活性和亲水能力；单电池测试表明以RuO2含量为3wt.%的Pt/RuO2-SiO2/C催化剂为阳极的膜电极具有最好的电池性能，长时间免增湿性能测试表明其稳定性最佳：在电池温度50℃、气体不增湿条件下，经过48小时测试，0.6V时电流密度维持在700mAcm-2左右，衰减幅度小。第三，采用课题组自制的PWA/Nafion/PTFE复合膜，构筑了一种具有一定免增湿能力的膜电极。通过单电池测试及EIS研究，考察了PWA/Nafion/PTFE复合膜中PWA含量对膜电极性能的影响，发现PWA含量为5wt.%的复合膜其相应的膜电极具有最好的免增湿性能：在电池温度50℃、气体不增湿条件下，0.6V恒压放电6小时后电流密度高达500mA cm-2左右。在此基础上，我们进一步考察了PWA和SiO2添加量均为5wt.%的SiO2/PWA/Nafion/PTFE复合膜构筑的膜电极的免增湿性能，并与PWA含量为5wt.%的复合膜构筑的膜电极性能对比。实验结果表明在气体完全增湿条件下，添加气相SiO2或不添加的复合膜构筑的膜电极的性能差不多一致；但在气体不增湿且电池长时间运行的条件下，PWA和SiO2添加量均为5wt.%的SiO2/PWA/Nafion/PTFE复合膜构筑的膜电极具有更好的免增湿性能，在电池温度50℃、0.6V恒压放电6个小时后电流密度达600mA cm-2左右，比PWA含量为5wt.%的PWA/Nafion/PTFE复合膜构筑的膜电极高出100mAcm-2左右。