直接甲醇燃料电池(DMFC)具有燃料易运输与存储、重量轻、体积小、结构简单、能量效率高等优点，在手提电源、电动汽车等领域具有广阔的发展前景。然而甲醇在阳极上的氧化速率缓慢及甲醇渗透等问题是用于大功率、高容量电池上的两大技术难题。膜电极是DMFC的核心部件和物质传递、电化学反应发生的重要场所，其制备工艺直接影响到膜电极的微观结构和电池性能。本论文以制备高性能膜电极为目标，采用加热喷雾法制备膜电极，考察了制备工艺、电极结构和电池运行工艺参数对膜电极性能的影响，优化了制备过程，改进了膜电极结构，提高了主动式DMFC电池性能。　　 本文研究了不同微孔层碳黑的影响，结果表明Vulcan XC-72碳黑作为微孔层制备的膜电极性能要优于乙炔黑，这是因为其比表面积、孔隙率都高于乙炔黑。针对微孔层作为膜电极的一个重要组成部分提出一种新的膜电极结构——非对称式微孔层结构，深入系统地研究了阴阳极微孔层的各种特征及其对电池性能的影响。实验表明采用非对称式微孔层结构的膜电极(阴极微孔层Vulcan XC-72碳载量1.0mg·cm-2且Teflon含量20wt.％、阳极扩散层不含微孔层)在35℃空气条件下最大输出功率达到36.7mW·cm-2。交流阻抗测试结果表明这种非对称式微孔层膜电极内阻更小且传质阻力更小，因而取得了最好的性能。　　 为了解决甲醇渗透对膜电极性能的影响，在传统的阴极催化层设计中，增加了一薄层PtRu黑催化剂，该催化层位于Nafion膜和阴极催化层之间，用以直接电氧化从阳极渗透过来的甲醇。通过电化学方法测试甲醇透过率发现，使用该双催化层阴极制备的膜电极甲醇渗透下降，阴极极化曲线表明双催化层阴极膜电极的阴极极化性能也明显好于普通膜电极，燃料电池性能得到提高。对双催化层中两个催化层的量的关系进行了进一步的考察，优化了结构参数，结果表明内催化层PtRu黑为1mg·cm-2，外催化层为Pt黑3mg·cm-2的结构设计效果最好；通过对操作参数甲醇浓度的考察发现，甲醇浓度的增加对传统膜电极性能影响很明显，但对于双层阴极催化层膜电极则影响不大。　　 通过在阴极催化层中加入造孔剂改善了膜电极的性能并分析了原因；考察了不同造孔剂以及不同造孔剂含量对膜电极性能的影响；分析了阴极催化层孔结构对阴极性能的影响。实验结果表明：阴极催化层中加入50wt.％的草酸铵的膜电极性能最佳，达到了155.6 mW·cm-2以上；并通过交流阻抗分析和模拟探索了膜电极性能提高的原因，模拟结果与实验结果一致性很高。该结构的膜电极在高频端的内阻与其它差别不大，而在低频端代表了阴极电化学反应阻力的阻抗值在加入造孔剂改性后降低，加入草酸铵作为阴极造孔剂的膜电极阴极电化学阻抗下降到0.331Ω·cm2。电化学表面积测试表明，采用该方法进行阴极结构优化后阴极催化层的电化学活性表面积最大。　　 初步研究了采用担载型催化剂PtRu/C和非担载型催化剂PtRu黑共同组成双层阳极催化层对阳极性能的改进，结果表明，该双层阳极催化层结构降低了阳极极化和甲醇渗透，提高了膜电极的性能。通过在阳极催化层中加入造孔剂改善了膜电极的性能并分析了原因；考察了不同造孔剂以及不同造孔剂含量对膜电极性能的影响；并分析了阳极催化层孔结构对阴极性能的影响。实验结果表明：阳极催化层中加入50wt.％的碳酸铵的膜电极性能最佳，达到了150.3 mW·cm-2以上。通过深入分析与模拟，表明加入碳酸铵作为阳极造孔剂的膜电极阳极电化学阻抗下降到0.361Ω·cm2，证明了电化学阻抗的降低促进了阳极电化学反应的进行。　　 针对实验中发现的膜电极在高温和高浓度测试后回到低温低浓度测试时性能有严重的损失现象，本文采用三电极体系，对膜电极极化曲线分析表明，该问题的原因主要是阴极极化增大造成的，主要可能是甲醇渗透到阴极并吸附于阴极表面造成的；设计采用了循环伏安法氧化去除阴极吸附的甲醇渗透物，结果表明膜电极性能得到了恢复。交流阻抗结果表明，CV除去阴极表面吸附物后，膜电极的电化学反应阻抗减小，而阴极电化学活性表面积的测试结果也说明CV扫描后，阴极催化层的电化学表面积大大增加。