高成本是燃料电池汽车大规模商业化的瓶颈之一,降低催化剂层的铂载量是降低成本的关键。无离聚物铂金催化剂层凭借其高度有序化的结构和革新的成分,有着铂载量低、耐久性高的优点。然而,其适宜工况较窄,严重制约了这种新型催化剂层的商业化应用。因此,扩展适宜工况范围成为无离聚物铂金催化剂层的研究重点。本文从无离聚物铂金催化剂层的结构单元——注水铂金纳米单孔出发,开发了注水铂金纳米单孔的阻抗谱模型;并基于无离聚物铂金催化剂层结构单元模型的时域形式,开发了该催化剂层膜电极的时域性能模型。基于实验测量的性能数据,应用该时域性能模型,提出了扩展适宜工况范围的优化方案。本文研究内容分为三部分。第一部分是基于文献中的注水铂金纳米单孔的时域模型,开发对应的阻抗谱模型,并讨论该模型中化学吸附特性与金属荷电特性相关的阻抗特征和实验验证方案。模型研究发现有限化学吸附速率的阻抗特征是奈氏图中半径与吸附速率成反比的吸附半圆;而金属表面非单调荷电的阻抗特征则是阻塞电极阻抗谱中45°线的长度对电势的依赖性;基于求得的阻塞电极阻抗谱中45°线的长度与纳米孔质子传导率的关系,给出了在H2/N2条件下测得的阻抗谱中提取质子传导率的方法。第二部分是无离聚物铂金催化剂层膜电极时域性能模型构建,该模型首次将金属表面非单调荷电行为对质子传输的影响与膜电极中水传输,氧气传输过程耦合,其包含三个子模型,分别为水传输模型,氧气传输模型及氧气还原反应模型,并应用文献中的实验结果进行了模型验证。第三部分是无离聚物铂金催化剂层膜电极的优化设计,通过实验确认无离聚物铂金催化剂层膜电极的工况敏感性,结合时域模型的数值模拟结果,提出了扩展适宜工况范围的优化方案。本文开发了无离聚物铂金催化剂层结构单元阻抗谱模型和膜电极时域性能模型,提出了扩展无离聚物铂金催化剂层适宜工况范围的优化方案,为无离聚物铂金催化剂层的阻抗谱实验研究提供了理论支持,对指导无离聚物铂金催化剂层优化设计有一定意义。