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质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs）是一种高效的能量转换装置，同时其具有环境友好、工作温度低、启动速度快、寿命长、比能量高等优点，被认为是一种很有应用前景的“绿色”技术。一体式可再生燃料电池（Unitized RegenerativeFuel Cells，URFCs）是基于PEMFC技术的、同时具有燃料电池和水电解器功能的高效储能系统，与太阳能等清洁能源结合，可以在空间或潜艇等特殊运用场合发挥巨大的作用。本论文从催化剂层制备、气体扩散层（Gas Diffusion Layers，GDLs）的疏水处理、水电解模式供水方式及其寿命问题等多个方面，采用扫描电子显微镜（SEM）、循环伏安法（CV）和常规性能测试方法等评价了URFC中膜电极和催化剂单电极的性能，研究了以上各种条件与电池不同模式下性能的关系。创新膜电极制备中采用了化学还原原位铂生长法将Pt催化剂直接沉积到喷有碳粉层的Nafion膜表面，并与商业Pt/C催化剂滴加法和Pt溅射法等在CV测试中进行了性能对比。实验表明Pt以纳米线簇的方式生长在碳粉颗粒表面，宏观上成绒毛状，外疏内密，理论上其外疏内密的朝向有利于氧气的催化还原反应。对比其他样品可知原位铂生长电极展现出了一定的催化性能，在相同催化剂载量下，原位铂生长法制备的催化剂活性比商业催化剂稍低，但大幅优于溅射制得的Pt催化剂层。新方法制备的单电池在测试中（氧气环境）性能可达1.3Acm-2/0.5V，最高的输出功率为0.64W cm-2。膜电极研究中结合了从氧电极、从氢电极和双向供水三种不同模式，对URFC的燃料电池（Fuel Cell，FC）和水电解（Water Electrolysis，WE）性能进行了评价。实验表明采用0.12mg cm-2的Pt载量（50%Pt/C）氢电极催化剂，0.80mg cm-2双效氧电极催化剂（Ir: Pt=1:3）的MEA可达本实验中最佳性能：FC模式0.64A cm-2/0.60V；WE模式2.18Acm-2/1.80V。另外，不同供水方式对WE模式性能的影响随碳纸疏水性的变化而改变。例如MEA采用疏水比例为20.68%的氧电极碳纸时，供水模式的优劣顺序为“氧电极=双向>氢电极”；而疏水比例为29.97%时，顺序变为“双向>氢电极>氧电极供水”。对URFC水电解器寿命的研究证实了URFC的水电解模式可以至少正常运行140h以上，但该运行过程持续伴随着性能下降，且下降速率逐渐变慢至趋于匀速，在有限的时间内未观测到水电解器趋于性能稳定。在0~6h内处于骤降，在6h后下降速率保持相对稳定。另外，在40h间歇测试中，每次间歇后性能都处在不稳定状态，但各段峰值电流都保持在一定范围内，整体上没有大幅度的性能下滑。另外从单段持续测试的性能曲线来看，其下降斜率也在逐渐减小，性能逐渐趋于相对稳定。总之，本文提出的化学还原原位铂生长法可以认为是一种简便高效的MEA制备方法；另外经过对催化剂、扩散层和供水模式等的综合优化，可以制得性能良好且有一定长时稳定性的燃料电池MEA。上述工作将为URFCs（包括PEMFCs）的开发研究提供有益帮助和指导。