随着目前能源紧缺及环境污染问题的日益严重,开发新型可持续、环境友好的能量转换器件成为当前研究热点。燃料电池（Fuel cell,FC）是一种可以以氢为燃料的电化学装置,因其在将化学能转化成电能的过程中不会产生污染空气的物质而具有广阔的发展前景。经过多年的探索,在实现质子交换膜燃料电池降成本的目的一个策略是将铂（Pt）负载从高降低到更低,且不牺牲功率密度上已经取得了一定成果。即便是这样,传统的商业Pt/C催化剂仍然没有达到我们对催化剂载量、性能及稳定性的要求。因此,我们需要设计开发高功率密度、高稳定性、低Pt负载电极来满足我们的要求。纳米多孔金属薄膜催化剂具有较高的比表面积、双连续的结构、高孔隙率、高电子电导率、超薄的厚度、自支撑等特点,使得它在燃料电池技术发展上备受关注。与传统的商业Pt/C催化剂相比,由于纳米多孔金属薄膜催化剂自身独特的结构,克服了碳载体腐蚀的问题,进一步改善了因为载体腐蚀带来的结构坍塌,影响电池中氧气和水传输。本论文通过对用于燃料电池的铂基纳米多孔金属电极的结构进行设计和调控,满足降低铂载量的同时不损失电池性能,实现电池中较高的氧气传输和改善水管理问题。具体的研究内容如下:（1）研究了基于铂修饰的纳米多孔金（NPG-Pt）的超薄催化剂层在改善燃料电池性能氧气传输方面的积极作用。结果表明,NPG-Pt超薄催化层的构建可以显著提高超低Pt质子交换膜燃料电池的性能。此外,这种结构更有利于水从微米级孔隙中排出。对于燃料电池来说,液态水顺畅地流过阴极,大大降低了氧气在超低铂质子交换膜燃料电池催化剂层中的阻力。事实证明,NPG-Pt超薄催化层有利于氧的进入和水的排出,提高了催化层的氧传输能力。与商用Pt/C催化剂相比,它具有更小的氧气传输阻力。进一步,我们制备了具有多级孔结构的NPG-Pt超薄催化层。在燃料电池阴极的超低Pt负载量（约50.0μg）下,具有这种多级孔结构的NPG-Pt超薄催化层的氧传输阻力为4.7 s/cm,燃料电池的功率密度达到1050 m W cm-2。具有多级孔结构的铂修饰纳米多孔金（NPG-Pt）超薄催化层用于具有高氧传输能力纳米多孔金属电极的超低Pt质子交换膜燃料电池。（2）研究了超薄纳米多孔金属薄膜催化剂用于质子交换膜燃料电池催化层时改善的水管理问题。对比分析了以铂修饰的纳米多孔金属薄膜催化剂作燃料电池催化层时,电池中汽态水与液态水存在时的电池性能。对NPG-Pt催化剂进行不同温度的热处理,探究其电化学性能以及电池性能表现。我们发现,用NPG-Pt作电池阴极催化层时,铂载量为39.3μg cm-2,在80℃下的电池功率密度为693m W cm-2,在105℃下的电池功率密度达到910 m W cm-2,这与80℃下的电池性能相比提高了23%。在80℃下的电池功率密度为731 m W cm-2,而商业Pt/C催化剂的铂载量为45.0μg cm-2,在105℃下的电池功率密度仅为801 m W cm-2。这些结果表明,我们经过适当的提高电池的运行温度,NPG-Pt作燃料电池催化层时,可以显著改善由于薄膜表面亲水的特点导致的阴极催化层水淹带来的传质极化损失,在较高的温度下燃料电池中的水主要以汽态形式存在,便于燃料电池中的物质传输,进一步改善了燃料电池水管理问题,提高了燃料电池的性能。