燃料电池是一种清洁高效的能量转换装置,它将反应物的化学能直接转化为电能,最后的产物只有水。质子交换膜燃料电池具有转化效率高、启动快、无污染等诸多优点,因此受到越来越多的关注。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件,对燃料电池的性能有至关重要的影响,还对降低燃料电池成本及促进其商业化有很重要的作用。质子交换膜燃料电池中的电解质膜是全氟磺酸聚合物膜,催化层中使用的粘结剂是全氟磺酸树脂,它们都能够起到传递质子的作用,都需要充足的水分来保证其质子传导率,在湿度较低或者干燥条件下,全氟磺酸聚合物膜和全氟磺酸树脂的质子传导能力都会下降。目前一般采用加湿器来实现进气的加湿,从而对膜电极进行增湿,但是这种方法具有成本高、系统能量效率降低、系统结构复杂等缺点,因此,研发自增湿膜电极对于解决这个问题具有很重要的意义。本文采用Pt-C作为阳极催化剂,实验室自制的Fe-N-S-C非贵金属催化剂作为阴极催化剂制备膜电极,考察膜电极的制备参数和工作参数对非贵金属催化剂膜电极性能的影响,测试了非贵金属催化剂膜电极的耐久性。结果表明,当Fe-N-S-C催化剂载量为2.0 mg cm^-2,全氟磺酸树脂与Fe-N-S-C催化剂配比为3:7时,非贵金属催化剂膜电极的电池性能最好;通过测试不同相对湿度工况下的性能,发现该膜电极在低湿度工况下仍然能保持较好的性能,基于此所制备的膜电极具有一定的自增湿能力。因此,本文设计了一种双层阴极催化层结构的自增湿膜电极。这种膜电极利用非贵金属催化剂Fe-N-S-C的丰富的孔隙网络来保存阴极反应生成的水,在低湿度工况时通过阴阳极的水的浓度梯度,将阴极的水分从阴极扩散到阳极,从而实现膜电极的自增湿。我们研究了膜电极的制备和工作参数对这种特殊结构的自增湿膜电极的性能的影响,还对其在低湿度工况下的耐久性进行了研究。结果表明,当Fe-N-S-C催化剂载量为2.0 mg cm^-2,Fe-N-S-C催化层位于Pt-C催化层和气体扩散层之间,膜电极在阴阳极相对湿度为20%,电池温度为70 ^oC时候的性能最好,且能够在0.5 V下60小时内保持相对稳定的状态,耐久性测试结果表明双层阴极催化层结构的自增湿膜电极的稳定性要优于单一非贵金属催化剂膜电极。