质子交换膜燃料电池（PEMFC）的推广和应用,将非常有利于实现碳达峰和碳中和目标。降低质子交换膜燃料电池的成本并解决相关的技术的瓶颈问题,是其大规模商业化的必经之路。电极反应界面特性对质子交换膜燃料电池的性能有着极大的影响。本论文围绕着不同尺度电极界面上的催化剂利用率、传质构效关系等问题开展研究,并取得以下进展:（1）通过在热解型过渡金属氮碳（M-N-C）催化剂表面构建亲质子环境,提升其氧还原反应（ORR）催化活性。M-N-C催化剂具有取代用于氧还原反应的铂基催化剂的潜力,可大幅降低燃料电池成本。研究表明,ORR的第一步质子耦合电子转移步骤（PCET）是M-N-C催化剂的速率决定步骤（RDS）,我们设想亲质子的催化剂表面可能有助于提高ORR活性。我们提出并实现了一种聚苯胺（PANI）修饰策略,以赋予Fe-N-C催化剂表面亲质子环境。由于界面质子浓度的提高,ORR的性能得到了提升,酸性条件下半波电位提升了 20mV,转换频率增加到原来的三倍（从0.46到1.28 e s-1 sites-1）。我们的工作从ORR动力学入手,为M-N-C ORR催化剂的设计开辟了一条新道路。（2）引入疏水性氟化多壁碳纳米管,提升膜电极中铂的可及率和利用率。提高铂基催化剂的利用率是降低燃料电池成本的关键。离聚物对铂的紧密覆盖增大了氧气向铂位点的传质阻力。由于阴极反应生成水,且电拖曳作用促使阳极水向阴极迁移,导致阴极易发生水淹,也阻碍了氧气的扩散传输。在本工作中,通过高温热处理制备了疏水性的氟化多壁碳纳米管（F-MCNT）,将其作为添加剂引入阴极催化层。F-MCNT优化了离聚物的组装形态,增加了孔隙率,调节了孔的亲疏水性,从而提高了铂的可及率和利用率。（3）添加磺酸功能化多壁碳纳米管膜层,优化水的电拖曳和反扩散效应,实现氢氧燃料电池水管理。当PEMFC运行时,内部水迁移会极大地影响性能输出,因此需要进行更好的水管理。将含有磺酸功能化多壁碳纳米管（SO3-MCNT）的附加膜层夹在商用Nafion质子交换膜和阳极催化剂层之间。新添加的膜层能够优化水的电拖曳（EOD）作用和反扩散（BD）效应,并加速质子转移,从而显著提高MEA的性能。这种方法在更贴近PEMFC实际运行的条件下的优势明显。（4）使用含磺化多壁碳纳米管层的复合质子交换膜缓解直接甲醇燃料电池阴极浓差极化。通过超声喷涂在商业N212质子交换膜一侧负载了含磺化多壁碳纳米管的膜层,获得了一种复合膜（N212-SO3-MCNT）。使用该复合膜制备燃料电池膜电极（MEA）用于直接甲醇燃料电池（DMFC）测试。与使用普通N212膜的膜电极样品相比,该膜电极的性能出现了明显的提升。进一步分析表明,磺化多壁碳纳米管膜层的引入降低了阳极向阴极的跨膜水迁移作用,缓解了阴极的水淹,从而降低了浓差极化,提升了膜电极性能。