质子交换膜（PEM）作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的关键部件,起到传导质子、分隔燃料和氧化剂的双重功能。PEMFC系统中广泛使用的是全氟磺酸膜,它的昂贵成本是阻碍PEMFC商业化的重要因素之一。提高电池操作温度和不增湿反应气体操作PEMFC将分别提高电池抗CO能力和简化电池系统。本文针对目前常用的全氟磺酸膜的常见问题:如操作温度较低、需要外增湿操作、机械性能较低等进行了相关改性研究。首先,采用凝胶-溶胶法制备了SiO₂/Nafion 115复合膜。由于膜内SiO₂具有很好的保水能力,复合膜组装的电池的性能和稳定性在电池温度为130℃时明显优于Nafion 115膜。其次,研究了碳纳米管（CNTs）增强Nafion膜,通过控制CNTs的长径比和含量可以避免复合膜的内短路。掺杂很少的CNTs就可以大幅度的提高复合膜的机械强度;同时由体积含量小,对复合膜的质子传导率影响较小。第三,以碳纳米管增强Nafion膜为基础,制备了具有三层结构的Pt/CNTs-Nafion复合膜。两侧Nafion层可以避免复合膜内短路,内层中的Pt/CNTs可以催化渗透至膜内的H₂和O₂反应生成水,使复合膜组装的PEMFC可以在无外增湿操作下获得稳定的电池性能。最后,以CNTs增强Nafion膜为基础,制备得到了Pt/SiO₂-CNTs-Nafion三层复合膜。复合膜外层内的Pt/SiO₂可以催化渗透至膜内的H₂和O₂反应生成水,缓解了阳极侧在无外增湿操作时的缺水问题;同时外侧的Pt/SiO₂的Nafion层也可以避免内层碳纳米管可能造成的复合膜内短路问题。