膜电极(MEA)参数影响燃料电池的发电性能和使用寿命。本文旨在探索燃料电池性能与MEA参数关系以及基于衰减规律的寿命研究,构建了MEA参数与性能关系的数学模型,揭示了燃料电池老化规律,研究并给出了燃料电池寿命预测方法。构建了MEA参数与性能的半经验公式,发现利用氢渗透电流和初始开路电压可以避免交换电流密度难检测的问题。利用催化剂活性面积,使活化损失随电池老化表现出衰减趋势;在34 cm~2老化单电池上验证了该参数模型;利用该模型量化了活化阻抗、浓差阻抗和极限电流,继而可得到平均气体扩散系数,反应扩散层内部微观情况。发现了适用于质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池和直接甲醇燃料电池的老化衰减特性。将伏安特性曲线的电流与特定电压对应的电流之比定义为新参数,发现该比值与电压的曲线在不同老化阶段均可重合,这种现象可称为伏安特性相似性,这一特性适用于不同类型燃料电池。发现了最大功率下电压一致性和电压衰减转折一致性规律。研究表明燃料电池在不同老化状态及不同使用模式下都呈现出上述特性规律,该特性规律可能是燃料电池的固有属性,与外部条件无关。基于燃料电池衰减规律,建立了寿命预测模型并验证。基于电路定理,提出燃料电池老化过程中电压衰减的一阶响应寿命预测模型,定义和得到了燃料电池的极限寿命。根据电化学一阶动力学反应机理,将定电压下电流衰减运用于老化预测,提出了电流衰减寿命预测一阶动力模型,并通过时间常数表征性能急剧下降阶段。通过伏安特性相似性和电流衰减模型得的电压衰减规律来预测寿命,提出了综合利用电压电流衰减规律来整体预测寿命的方法。本文的研究成果发展了燃料电池MEA参数与性能关系的理论,为延长燃料电池使用寿命提供了基础支撑;发现了燃料电池老化特性,为多种类型燃料电池特性研究提供参考;拓展了寿命预测方法,对于测评燃料电池的老化状况、剩余寿命和极限寿命具有重要指导意义。