随着化石燃料的日趋枯竭以及化石燃料燃烧所引起的环境危机日益加剧，新能源以及新的能源利用方式引起了人们越来越多的关注。质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其比能量高、无污染、可低温快速启动等优点而受到人们的广泛关注。膜电极（MEA）是质子交换膜燃料电池的核心部件，不仅对燃料电池的性能有很大的影响，而且对降低其生产成本、加快其商业化进程具有很重要的现实意义。杜邦公司生产的商业Nafion系列质子交换膜由于其良好的机械稳定性和热稳定，以及高质子传导率，被广泛的应用于质子交换膜燃料电池的电解质膜。Nafion膜和催化层中的Nafion树脂均需要充足的水份来维持其较高的电导率，湿度的降低会导致质子交换膜的质子传导率下降以及电池内阻增大，进而使电池性能下降。在质子交换膜燃料电池的实际运行中，常需要借助于外增湿设备，使氢气和氧气在进入电池之前带入水蒸气，从而对电池系统进行增湿。然而，这会导致燃料电池系统复杂化、成本升高，以及系统的能量效率和体积比能量密度降低。因此，自增湿膜电极是质子交换膜燃料电池研究领域的最为重要的追求目标之一。实现膜电极的免增湿，不仅可以解决目前质子交换膜燃料电池的水热管理困难的难题，还能通过抛除外增湿设备以达到大幅度降低燃料电池系统成本、减少燃料电池系统自身能量消耗的目的，对于质子交换膜燃料电池商业化具有极其重要的意义。本文从提高质子交换膜燃料电池膜电极在低湿度下的性能以及稳定性出发，采用亲水性的有机高分子聚合物为保水剂，将其添加到阴/阳极催化层，制备自增湿膜电极；采用层层自组装技术将亲水性的聚电解质（PANI）和二氧化硅组装到Nafion膜上，形成自增湿复合膜，并制备成自增湿膜电极。首先，采用亲水性的有机高分子聚合物添加到阳极催化层中，制备自增湿膜电极。考察了亲水性有机高分子聚合物的种类，添加量以及阴阳极相对湿度对自增湿膜电极性能的影响。结果表明：采用PVA为保水剂的自增湿膜电极的电池性能较使用其他类型的高分子聚合物为保水剂的好；PVA的添加会提高阳极催化层的润湿程度和含水率，而5wt.%的添加量是阳极催化层中PVA的最佳含量；改变阴阳极的相对湿度对自增湿膜电极的性能影响不大；在电池温度为50oC，阴阳极相对湿度为34%，气体背压为20psi的条件下，PVA添加量为5wt.%的自增湿膜电极在0.7V和0.6V时的电流密度分别可以达到600mA.cm^-2和1000mA.cm^-2，经过长达60小时的长时间恒电压放电测试，在0.6V下的电流密度仍可维持在750-780mA.cm^-2左右。其次，提高电池温度有利于提高催化剂的活性以及简化水热管理，但这同时对燃料电池在低湿度下的稳定运行提出了挑战。为了解决在高温、低湿度下保持Nafion膜较高的质子传导率与提高催化剂活性之间的内在矛盾。我们采用亲水性的有机高分子聚合物（PVA）和无机氧化物（SiO₂）同时添加到阳极催化层中，制备在较高电池温度下仍具有良好低湿度性能的自增湿膜电极。结果表明：采用PVA和SiO₂同时添加到阳极催化层所制备的自增湿膜电极性能优于单独采用PVA或SiO₂为保水剂的自增湿膜电极。当电池处于60oC和15%的湿度下运行时，PVA和SiO₂的添加量为3wt.%的膜电极MPS3，在0.6V下的电流密度可以达到1100mA.cm^-2，且最大的功率密度为780mW.cm^-2。适当的提高电池温度有利于电池性能的提升。当阴阳极相对湿度从100%下降至15%，膜电极的性能几乎没有发生太大的变化。在电池温度为60oC下，自增湿膜电极MPS3表现出良好的低湿度运行稳定性，在15%的相对湿度下，经过30小时的长时间恒电压放电之后，其在0.6V下的电流密度下降幅度很小，仅由1100mA.cm^-2降低至900mA.cm^-2左右，而阳极仅添加PVA和SiO₂的样品，其电流密度仅为700mA.cm^-2和800mA.cm^-2。再者，我们采用特殊的双层阴极结构，将亲水性的有机高分子聚合物（PVA）添加到阴极内层催化层中制备自增湿膜电极。在氢-空燃料电池中，我们对PVA在阴极催化层中的添加方式，PVA的添加量、电池温度以及阴阳极相对湿度对该特殊结构的自增湿膜电极在低湿度下的性能进行了评价。结果表明：与将PVA添加到单层阴极催化层和双层阴极结构的外层催化层中相比，将PVA添加到双层阴极结构的内层催化层的自增湿膜电极，尽管在完全增湿情况下会增大电池的浓差极化，但是在低湿度下易于增强水的反扩散，有利于保持质子交换膜在低湿度下处于良好的润湿状态。在电池温度为60oC，气体背压为30psi，阴阳极相对湿度为20%时，将PVA添加到双层阴极结构的内层催化层中的自增湿膜电极在0.6V下的电流密度可以达到900mA.cm^-2，是将PVA添加到双层阴极结构的外层催化层的自增湿膜电极的2.25倍，而将比单层阴极结构的自增湿膜电极高出3.5倍。最后，我们将层层自组装技术应用于制备自增湿复合膜，采用掺杂聚苯胺和SiO₂以静电结合的方式层层组装到Nafion膜上，制备成Nafion/（PANI/SiO₂）n型复合膜。采用数码照片、热重分析、傅里叶红外变换光谱、紫外-可见光吸收光谱、X-射线衍射等手段对自增湿复合膜进行表征。结果发现：PANI和SiO₂可以成功的被吸附到Nafion膜上，且PANI的含量与自组装层数成正比关系。电导率测试发现随着自组装层数的增加，复合膜的质子传导率逐渐降低。电池性能测试表明：当（PANI/SiO₂）的复合层数为7层时，膜电极在低湿度下的电池性能最好。