全被动式直接甲醇燃料电池(DMFC)有理论比能量密度高、结构紧凑、系统简单、微型化潜力大、燃料来源丰富、价格低廉、环境友好等特点,使其作为小型电子设备的便携式电源备受青睐,被视为可替代传统电池成为便携式设备的首选能源。然而,还存在能量效率低、甲醇渗透、阴极“水淹”和成本高等问题难以达到实际应用的要求。针对这些难题,近几年的研究热点围绕着全被动式DMFC的核心部件膜电极集合(MEA)展开。本论文聚焦于优化MEA的结构,旨在降低甲醇从阳极到阴极的渗透速率、缓解阴极水淹、提高催化剂的利用率和通过降低催化剂的载量减少成本。通过一系列的优化提高电池性能加快DMFC的实用步伐。论文主要工作包括以下三个部分：1.针对于目前电池中存在的甲醇渗透和阴极水淹问题：通过测定甲醇渗透率,详细研究了阳极支撑层的聚四氟乙烯(PTFE)含量对全被动式直接甲醇燃料电池(DMFC)甲醇传质和电池性能的影响。膜电极集合体均使用相同的阳极催化层,膜和阴极。实验结果表明：随着阳极支撑层PTFE含量的提高,甲醇渗透速率明显减小当PTFE的含量较高时,甲醇传质阻力较大,会导致电池在很低的电流密度下就出现传质控制区。发现采用PTFE质量分数为40wt.%的支撑层,DMFC以9M甲醇为燃料时,电池的最大功率密度可达32mW cm-2,以40mA cm-2恒电流放电时展现了更好的稳定性。进一步证明了适当提高阳极支撑层的憎水性有助于DMFC放电稳定性的提高和更大浓度甲醇的使用,既减少了甲醇的渗透,又缓解了阴极的“水淹”问题。2.通过合成一种新的材料碳纳米管打孔石墨烯(G-CNT),代替传统的碳粉(XC-72R)作为DMFC的微孔层结构。新材料是把碳纳米管和石墨烯结合起来,所以其兼具了两者的优点如：好的导电能力、优良的亲水性、均匀的孔径分布等。用G-CNT作为阳极微孔层(MPL)材料制备的MEA表现了很好的电池性能。在25℃条件下,电池的最大功率密度可达41.6mW cm-2。通过循环伏安测试,电化学活性面积提高约36.1%。G-CNT制备的阳极微孔层具有均匀的网格结构,没有裂痕,一定程度上减少了甲醇从阳极到阴极的渗透。网状结构有助于催化剂向微孔层的渗透,增多阳极催化剂的活性位点提高其利用率,显著提高电池性能。3.针对目前燃料电池贵金属催化剂载量高致其成本较高的问题。利用电化学沉积法,借助氧化铝模板(AAO)将氯铂酸还原在孔道中,制备出一定程度上纳米有序的Pt纳米线。成功的将AAO模板通过粘结剂和基底结合起来,基底是用碳纳米管制备的微孔层。通过增大催化剂的比表面积,增多电化学反应的活性位点来提高电池性能。用循环伏安、阻抗等电化学手段对其制备的MEA进行表征,发现阴极的电化学活性面积明显提高,电荷传递电阻减小等。归因于纳米阵列的催化层结构可以最大化三相界面,增多催化剂的活性位点,有助于电化学反应的彻底的进行,显著提高了电池性能。