质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有功率密度高、启动速度快等优势受到了广泛关注。但由于阴极氧还原(ORR)反应动力学过程慢,过电位高,长期依靠价格高昂的Pt等贵金属催化剂,严重制约其商业化进程。近年来降低Pt在催化ORR中的用量主要集中在三方面:1、优化铂基催化层的制备技术获得较低载量Pt且分布均匀的阴极催化层;2、利用合金化效应制备铂合金催化剂提高Pt的利用率;3、采用廉价高效的非贵金属催化剂从根本上解决Pt资源储备有限和价格昂贵等问题。本论文分别对以上三种降低阴极催化层Pt用量的途径进行了探究。首先根据课题组之前的方法制备了基于间苯二胺的高活性Fe/N/C催化剂,针对Fe/N/C催化剂在高载量下催化层氧气传质问题进行了阴极催化层的结构设计,运用激光刻蚀技术在催化层内构造气体传质流道,改善传质性能;探索并优化了基于Pt/C催化剂燃料电池的膜电极制备工艺条件,获得了较高的电池性能。在此基础上初步探索了高活性PtCu合金催化剂在PEMFC上应用。主要的研究结果如下:(1)Fe/N/C阴极催化层中随着Nafion用量增大,虽然质子传导能力增强,但传质极化迅速增大。采用激光刻蚀的方法在催化层中刻蚀出不同深度、不同间距的气体扩散流道,通过优化激光刻蚀参数和流道尺寸,有效缓解了大电流区域的传质极化,燃料电池最高功率可以达到628 mW·cm-2。(2)探索并优化了铂基催化剂燃料电池的制备工艺,包括催化剂浆料中的Nafion含量、溶剂异丙醇和水的体积比、沉积催化层的方法、组装单电池的热压条件以及催化剂垫片厚度等等参数,获得了比较好的燃料电池性能。用商业60%Pt/C制备阴极催化层,峰值功率密度接近1600 mW·cm-2。碳载体有助于分散铂催化剂,避免团聚,并提高催化层的孔隙率,促进传质。但碳载体含量过高会增加催化层厚度,又会降低传质性能,因而60wt%的铂负载量是一个最优值。碳载体的疏水性能也是一个重要影响因素:疏水性过强,使得催化层和质子交换膜无法充分润湿,质子传导电阻大;疏水性太差则导致催化层水淹,急剧降低传质性能。对于5～7nm的PtCu八面体催化剂,碳载体的疏水性对性能具有重要影响,通过对普通炭黑进行适当的疏水官能团修饰,才能获得最佳的电池性能。本论文工作探索了非铂催化剂以及铂基催化剂在PEMFC上的应用,并通过催化层结构设计和工艺参数优化,特别是针对比较厚的非铂催化剂催化层,提出一种通过激光刻蚀在催化层中构建气体传质流道的新方法,有效提升了气体传质速度,具有一定的创新性和应用前景。