本发明公开了一种基于超薄梯度化微孔层的燃料电池，包括制备方法，膜电极结构为：将阴、阳两极涂有催化层的质子交换膜组件两侧，覆盖有孔径梯度、孔隙率梯度和接触角梯度的超薄多孔碳纤维层形成微孔层。质子交换膜组件的外侧与流场相连接，构成超薄梯度化微孔层的燃料电池。制备方法：将不同浓度的二甲基乙酰胺溶液放入静电纺丝仪中纺丝，然后将样品放入马弗炉和管式炉中先后固化和烧结碳化，最后通过疏水处理改变其接触角，制备出不同孔径、孔隙率和接触角的超薄多孔碳纤维层。本发明与目前常规膜电极燃料电池相比，厚度减小了约30％，体积功率密度提升约67％，单电池功率密度提升了约17％，同时提升了电池内部反应气体的浓度与均匀性。