为了顺应全球绿色低碳发展趋势,发展新能源、实现能源转型、减少化石能源消费及构建绿色低碳能源体系,是实现全球碳中和的重要举措。直接甲醇燃料电池（Direct methanol fuel cell,DMFC）作为一种高效、绿色环保的电化学发电装置,无需经过热机过程和不受卡诺循环限制即可直接将贮存在甲醇中的化学能转换为电能,它具有能量转化效率高、结构简单、燃料来源广、运输方便等特点。其被认为是锂离子电池新的替代品,在小型移动电源和微型电源中有着广阔的应用前景。目前DMFC大规模商业化推广存在着亟待解决的问题,例如:阳极甲醇氧化反应动力学缓慢、电池内部反应分布不均匀、甲醇渗透,运行条件控制优化等。膜电极组件（Membrane electrode assembly,MEA）是DMFC的核心部件之一,其结构和运行条件与电池的性能和稳定性有着密切关系。因此构建一个高性能的MEA和相互协调的运行条件控制成为优化DMFC性能的关键,这样能保证反应物及生成物的正常传输,提高反应动力学速率,扩大电化学活性面积,增加催化剂活性位点和降低甲醇渗透。为此本论文首先从发展新型电极结构入手,再初步探索利用云智能监控系统跟踪燃料电池最大功率点（Maximum powerpoint,MPP）以达到其最佳的运行工况。首先制备了在电极平面内（in-plane）方向上梯度负载催化剂电极。在in-plane 方向上不同区域内分配不同载量的催化剂,该梯度负载催化剂电极为阳极和阴极催化层中催化剂的负载在入口附近较低并且在出口附近较高。通过在不同温度下对梯度负载催化剂电极进行极化曲线、电化学阻抗谱测试和稳定性测试。结果表明在in-plane方向上梯度催化剂负载电极提高了催化剂的利用率和电池的稳定性,改善物质传输阻力带来的影响,从而提高电池的放电性能并减缓性能的衰减。其次构建新型的平面间（through-plane）方向上梯度催化层阳极结构。在DMFC阳极催化层中掺入具有高比表面积,高孔隙率的共价有机框架（Covalent organic framework,COF）材料构建梯度催化层阳极结构。该结构在靠近微孔层（Microporous layer,MPL）为掺入COF材料的高催化剂载量外催化层和靠近膜侧为低催化剂载量的传统内催化层组成。因此在梯度催化层阳极结构形成了催化剂浓度和良好的孔隙率梯度,并实现甲醇梯度催化氧化的过程。通过极化曲线测试、电化学阻抗谱测试和循环伏安法测试探究了这种新型梯度催化层阳极结构对DMFC的影响。实验证明,掺入适量的COF材料可以扩展外催化层的电化学活性面积,增加催化剂反应位点,提高了电池的放电性能,内层的存在降低甲醇渗透,提高燃料利用率,提高高浓度甲醇电池的放电性能。最后初步探索基于云智能监控和边缘计算的燃料电池系统开发和电池性能的优化。设计了一种基于云智能监控和边缘计算的燃料电池系统,其包括燃料电池及辅助设备系统、云端运行数据库模块、云端智能模块、监控数据终端模块。这些系统模块通过正负反馈调节,相互协调能够快速准确的跟踪到燃料电池的MPP,更快地将MPP信号反馈给燃料电池辅助设备系统,快速调控燃料电池的运行参数,以达到最佳运行工况。