质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有清洁、高效、功率密度高、启动快等优点，在电动汽车、便携式和分布式电源设备等领域具有广阔的应用前景。但PEMFC膜电极的高成本和低稳定性严重地制约了其大规模商业化应用。本文从膜电极的制备、催化层的结构取向优化、高催化活性和高稳定性Pt催化剂的制备等方面对PEMFC进行了研究。提出了一种新的膜电极制备方法：使稀催化剂“墨水”直接在气体扩散层上干燥制备出气体扩散电极，然后再与膜热压制得膜电极。该方法制备过程简单，不需要特殊的仪器设备，催化层中的Pt载量能够较为精确地控制，具有相同制备参数的膜电极，其放电电流-电压曲线和功率密度曲线基本重合，实验具有很好的重复性。催化层中的Nafion含量为30-40wt%时，电池的最大功率密度可达900mW/cm2。利用电场的作用制备了结构取向的Pt/CNTs（Pt/碳纳米管）催化层。在Pt/CNTs催化剂“墨水”干燥过程中施加垂直向外电场，使CNTs载体沿着电场的方向定向排列，有利于提高催化层中Pt的利用效率、降低膜电极的内阻、促进反应气体的扩散和反应生成的液态水的及时排出。与无取向结构的Pt/CNTs催化层相比，CNTs载体定向排列的催化层具有高出约30%的电池峰功率密度。以耐腐蚀、导电性好、比表面积高、廉价易得的石墨纳米片（GNPs）为载体制备了Pt/GNPs催化剂。针对GNPs表面的化学惰性，利用芳香环π-π堆积的原理使1-芘甲酸吸附在GNPs的表面并为Pt提供成核点，可以使沉积在GNPs表面的Pt纳米颗粒具有约2-3nm的均一尺寸，且空间分布均匀。通过1-芘甲酸对GNPs进行非共价修饰，所制备的Pt/GNPs催化剂具有较高的电化学比表面积和较好的电化学稳定性。使用一系列含不同苯环数和不同官能团的修饰物研究了修饰物与GNPs的π-π堆积作用力和其官能团对Pt在GNPs表面沉积的影响，并通过改变催化剂的制备条件研究了修饰物在Pt沉积过程中的作用机理。结果显示：修饰物与GNPs的π-π作用力较强且其官能团能够电离时才对Pt的沉积具有明显的辅助作用，另外，修饰物的不同不影响Pt纳米颗粒的晶体结构和催化剂的电化学稳定性。