直接甲醇聚合物膜燃料电池(简称DMFC)以其高效、高能量密度、低排放和燃料储运及补充方便等特点被认为是一种适应未来能源和环境要求的理想电源。DMFC被认为最适宜作可移动动力电源和便携式电源，如电动车电源和手机电池。液体进料DMFC更因为其在实用上具有很大的方便之处。而为人们所关注。作为DMFC的心脏，膜电极性能低下是制约DMFC走向实用化的关键因素之一。本研究旨在通过实验和数学模型，研究膜电极的优化方法，解释甲醇穿透对电池性能的影响。本研究采用电流－电压极化曲线和交流阻抗谱方法，对膜电极的热压条件、扩散层和催化剂层的组成与结构、电极活化过程等因素对液体进料DMFC性能的影响进行了全面的研究。本工作首次发现膜电极的活化过程虽然不会改变DMFC的最佳放电性能，但可以大大缩短电池到达最佳放电状态的时间。研究表明，膜电极性能主要受质子交换膜的电导率、阳极催化剂用量、阳极CO2气体和阴极水的传递、催化剂层的活性比表面积和质子电导率等因素控制。制备高性能膜电极的关键在于找到这些因素的最佳匹配。实验结果显示，制备膜电极时最佳的热压温度和压力分别为120℃和15.5MPa；阳极催化剂的适宜载量为4mg Pt/cm2；阳极和阴极催化剂层的Nafion最优含量分别为45.0 wt%和35.3 wt%。通过对阳极扩散层和催化剂层的疏水处理，降低了阳极产生的CO2导致的催化活性比表面积损失，有效地提高了电池性能。本研究还以促进CO2气体排放为目标，采用添加造孔剂的方法提高了液体进料DMFC阳极催化剂层的孔隙率，显著地改善了电池性能。另外，通过对阴极扩散层的疏水处理，有效地改善了阴极水的排出，进一步提高了电池性能。为了深入理解电池内发生的物理化学现象，特别是甲醇穿透对电池性能的影响，建立了一个更完善的液体进料DMFC稳态模型。该模型涵盖了DMFC中的主要物理化学过程，包括：甲醇水溶液在膜电极内的扩散、对流和电迁移；质子在阳极催化剂层和阴极催化剂层内的传递；氧气、水蒸汽在阴极的扩散；阳极催化剂层内的甲醇氧化反应动力学；以及阴极催化剂层内的氧还原和甲醇氧化反应动力学。在模型中，首次采用“并行电极反应理论”定量计算了甲醇穿透过电位。对电池放电性能的模拟结果与实验符合良好。模型显示在低放电电流密度下，甲醇穿透显著地增加了电池阴极过电位，降低了电池电压；但在高电流密度下，甲醇穿透对电池性能的影响不显著。模拟结果还表明，在膜的两项性能指标——质子电导率和甲醇透过率中，前者对液体进料DMFC性能的影响更为关键。