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质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术是一种洁净、高效的发电技术,目前正处于从基础研究向应用开发转化的关键时期,面临的性能、寿命和成本三方面技术难题亟待解决。质子交换膜(PEM)作为其关键部件之一,对这三方面都起到举足轻重的作用。研究和开发具有高质子传导性、优良机械和化学稳定性的质子交换膜,以及降低制造成本,己成为燃料电池领域的研究热点之一。首先针对喷涂法制备聚四氟乙烯(PTFE)增强的全氟磺酸(PFSA)复合膜(SPCM)进行结构和性能研究。验证了SPCM复合膜具有理想的离子簇和结晶结构,复合膜的机械强度主要来自于PFSA树脂的结晶结构,PTFE多孔膜在复合膜中主要起到稳定结构的作用。SPCM复合膜的干态和湿态下纵向杨氏模量分别达到263.0MPa和260.0MPa,较NR2I1膜分别提高了59%和123%；溶胀率为0-5.3%,显著低于NR211膜的6.3～9.7%。SPCM复合膜在干态下的气体渗透系数非常低,氢气渗透系数为5.9×10-10cm3·cm·cm-2·sec-1·cmHg-1,较NR211膜减小了一半。为了研究喷涂法制备的SPCM复合膜在PEMFC中的应用特性,尤其是它在电池环境下的稳定性,进行了5,000次干-湿循环加速机械稳定性、400小时的低湿度开路状态加速化学稳定性以及1,000小时动态工况稳定性等测试。在线检测数据分析表明：SPCM复合膜表现出优异的机械稳定性,电池动态工况运行寿命约为8845h,电池性能下降主要是由于电极活性衰减。采用喷涂工艺实现了SPCM复合膜批量制备,该复合膜PEMFC电池组的电输出性能达0.681V@800mA·cm-2,电压波动≤±20mV。经过累计达300m2的复合膜用于30余台车用燃料电池发动机的应用研究,说明了采用喷涂法制备SPCM复合膜能够满足PEMFC应用的要求。为了提高SPCM复合膜的抗氧化降解能力,以喷涂法制备复合膜工艺为基础,采用Ce02作为自由基淬灭剂,成功地制备了均匀的掺杂型CeO2-PFSA/PTFE复合膜。此复合膜在20%H2O2溶液中的氟离子释放速率为0.083mgF-·gmem-1·hr-1,明显低于SPCM复合膜的0.311mgF·gmem-1·hr-1,同时,复合膜的机械性能较SPCM复合膜有所提高,双向最大拉伸强度都大于31MPa,各向异性有所减小,而SPCM复合膜横向最大拉伸强度仅为28.IMP。CeO2-PFSA/PTFE复合膜的气体渗透性能也降低了28%。CeO2-PFSA/PTFE复合膜电池经过400小时OCV加速寿命试验,电池的渗氢电流没有升高反而略有下降。CeO2-PFSA/PTFE复合膜的电池极化性能达到0.657V@800mA·cm-2和0.623V@1000mA·cm-2,与SPCM复合膜的性能相当。这些说明Ce02的加入提高了复合膜的抗化学降解能力。为了开发低成本的质子交换膜,采用有机磺酸化改性蒙脱土(SMMT)掺杂和PTFE多孔膜增强的方法,对砜基间位磺化聚联苯醚砜(SPSU-BP)质子交换膜进行改性,制备了PTFE/SMMT/SPSU-BP复合膜。通过对SMMT/SPSU-BP/PTFE复合膜的结构、物化和燃料电池性能研究发现：与均质膜相比,复合膜中含有更多的结合水,使复合膜的失水速率较均质膜减小20%以上。同时复合膜的溶胀率得到大幅度减低,复合膜在90℃水中的溶胀率由均质膜的56.8%减小为15.0%,膜的机械性能得到明显提高。SMMT/SPSU-BP/PTFE复合膜燃料电池具有较好的自增湿能力,可以在较低湿度下稳定运行。