质子交换膜燃料电池（PEMFC）效率高、无污染,在新能源汽车领域具有广阔的前景。然而,PEMFC的大规模商业化仍受到性能不足的限制。膜电极是PEMFC的核心组件。为了进一步改进PEMFC的性能,有必要深入理解膜电极中的电化学反应机理和传递过程。本文结合了当下氢能的发展趋势,以追求高性能、高功率密度的膜电极为研究目的,以膜电极中的阴极催化层为着眼点,重点研究了阴极催化剂的合成以及阴极催化层的组分调配问题,并提出了一种改进的三维多相非等温PEMFC数值模型用于指导膜电极的性能优化。本文的研究内容和成果如下:（1）催化剂的合成以及表征:首先,探索了微波加热法合成Pt Cu/C合金催化剂,为合金催化剂的大规模推广应用提供一定的指导和借鉴意义。其次,筛选了优良的碳载体用于合成自制的Pt/C催化剂。自制的HM 70%Pt/C催化剂的电化学性能（ECSA,ORR）、循环寿命以及稳定性均达到或超过国际同类商业催化剂（JM 70%Pt/C）的性能。（2）膜电极的制备与实验测试:首先介绍了膜电极的制备方法、25 cm~2单体电池的组装方式、活化方式、测试规程。然后,使用HM 70%Pt/C以及JM 70%Pt/C催化剂制备催化层。使用850e燃料电池测试系统对25 cm~2单电池的极化性能以及电化学阻抗谱（EIS）进行了测试。测试结果表明HM 70%Pt/C催化剂制备的膜电极的峰值功率可达1.33 W/cm~2,显著高于JM 70%Pt/C的峰值功率。证明HM 70%Pt/C催化剂不仅能够在三电极体系展露出良好的电化学活性,同样能够在单电池极化测试中表现出优良的特性。（3）PEMFC数值模型机理:本章建立了一个改进的三维多相非等温PEMFC数值模型。模型考虑了阴极催化层团聚效应、氧气输运阻力,耦合了流体力学方程以及电化学方程。此外,模型中还考虑了超薄质子交换膜引起的氢渗透以及膜导电特性对PEMFC性能的影响。该数值模型机理能够用于改善催化层的组分调配,为膜电极性能优化提供理论支撑。（4）基于数值模型的膜电极参数研究及优化:首先建立了PEMFC单流道数值模型并对其进行了实验验证。结果表明,模型与试验结果吻合,两者误差小于5.0%。使用该模型对膜电极进行性能优化,优化的参数包括催化层的组分调控参数以及质子交换膜的参数,优化后的膜电极峰值功率密度达1.59 W/cm~2。相较于初始性能,峰值功率密度提高了19.5%。证明数值模拟能够为膜电极的设计优化提供理论指导,大大减小了试错成本,创造出一条快速有效的膜电极性能优化的“捷径”。