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能源短缺和碳排放是世界各国持续关注的重要议题。质子交换膜燃料电池（PEMFCs）是一种清洁、高效的能量转化装置,在降低碳排放和缓解能源危机方面具有巨大潜力。PEMFCs拥有高能量密度、运转安静、可快速冷启动等优势,已经被广泛应用于燃料电池电动汽车（FCEV）、船舶、航空航天、军工设备等领域。质子交换膜（PEM）是PEMFCs内部最重要的核心组件之一,具有传导质子和分隔反应气体的双重功能。因此,PEM的各种理化性质对燃料电池的电化学性能有重要影响。目前,商品化的PEMFCs中最常用的质子交换膜由美国戈尔和杜邦公司生产。质子交换膜技术在我国起步较晚,高端质子交换膜的制备技术还处于较低水平。因此,基于国产全氟磺酸树脂（PFSA）的高性能质子交换膜制备技术亟待发展。目前基于PFSA的PEM虽然具有良好的质子传导率和机械强度,但高温低湿下的质子传导率急剧下降,干湿循环下的寿命衰减以及高制备成本,严重降低了燃料电池在新能源领域的竞争力。因此,全氟磺酸质子交换膜的性能、寿命和成本是制约PEMFCs大规模商业化的三个关键挑战。同时,虽然国内外对全氟磺酸树脂这个传统材料的研究已经十分深入,其成膜技术也相对成熟,但是国内企业在质子交换膜量产和下游应用方面与国外相比依然差距很大。针对这些问题,本课题以国产全氟磺酸膜为基础,对纯PFSA膜分别进行无机改性增强以提高其在低湿下的质子传导率,有机改性增强以提高其低厚度时的机械强度,无机-有机复合改性增强以提高其长期循环下的机械/化学耐久性。本课题重点研究了质子交换膜量产化技术并成功将不同特性的质子交换膜应用到不同的技术领域,主要研究内容和结果如下:（1）以国产全氟磺酸树脂粉末为原料,探究了六种溶剂对其溶解性能及热处理温度对成膜性能的影响。研究发现当溶剂的Hansen溶解度参数与PFSA侧链的Hansen溶解度参数的相互作用半径Ra较小时,有利于PFSA树脂的溶解,并以此发现二甲基亚砜溶剂对PFSA拥有最高的溶解度。同时,由于PFSA在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂中具有非常高的主链迁移率,采用NMP溶剂制备的PFSA具有较高的质子传导率和机械性能。另外,对PFSA膜进行热退火是制备高性能PEM必要的工艺步骤之一,因为它可以显著提高膜的结晶度,进而增强其机械性能和稳定性。最后,成功将基于该工艺生产的质子交换膜应用在富氢水杯和富氢水机等下游产品领域。（2）利用碱性离子交换法制备了含有Cd空位的、高质子传导率的插层化合物Cd0.85PS3Li0.15H0.15（Cd PSLi H）,并将其超声分散于PFSA溶液中,最后通过简单的溶液流延法制备出不同比例的Cd0.85PS3Li0.15H0.15/PFSA复合膜。Cd0.85PS3Li0.15H0.15显著提高了PFSA膜的物理性能,3 wt%Cd0.85PS3Li0.15H0.15/PFSA的复合膜的机械强度高达24 MPa,膜的吸水率在室温下达到30%,平面方向溶胀率低至5%。由于插层化合物Cd0.85PS3Li0.15H0.15具有丰富的质子供体中心,在将Cd0.85PS3Li0.15H0.15引入到PFSA内后,复合膜在不同湿度下均表现出优异的质子传导率。将复合膜应用于燃料电池时,在80°C@100%RH、80°C@30%RH和110°C@10%RH三种条件下,燃料电池的峰值功率密度分别达到1.51、1.23、0.27 W cm-2。（3）选择了五种分子量的商业聚偏氟乙烯（PVDF）粉末,基于这五种PVDF,制备了多种类型的PVDF/PFSA共混膜,并首次系统地研究了不同分子量的PVDF对PFSA膜性能的影响。结果表明:具有更多长链分子的高分子量PVDF可以提高PVDF与PFSA之间的粘结强度,显著提高共混膜的机械强度。即使膜厚低至15μm,25 wt%PVDF5130-PFSA(Mw=1100000 g mol-1)的拉伸强度仍然达到33.5MPa,比纯PFSA膜高200%,比Nafion 211（厚度=25μm）高60%。基于25 wt%PVDF5130-PFSA膜的H2/O2燃料电池功率密度为1.17 W cm-2,与基于Nafion 211膜的功率密度(1.13 W cm-2)相当。当该复合膜应用于甲醇燃料电池时,在10 M甲醇浓度下,甲醇燃料电池的功率密度为51 m W cm-2。（4）使用一种自然界中含量丰富、无毒、抗氧化的界面改性剂单宁酸（TA）制备机械/化学耐久性增强的复合质子交换膜。利用TA超强的粘附性对疏水的e PTFE进行亲水改性,得到了润湿性显著增强的TA包覆的e PTFE多孔基膜（TA-e PTFE）。改性后的e PTFE与PFSA的粘合强度显著提高,使复合膜具较高的填充度和机械强度。进一步地,利用TA表面酚羟基的氧化还原特性,合成了TA包覆的Zr O2（TA@Zr O2）纳米颗粒。并将其添加到PFSA基体中,形成了TA@Zr O2/e PTFE增强复合膜。TA修饰提高了Zr O2与PFSA聚合物的结合强度,同时增强了质子传导和抗氧化性。芬顿实验表明TA@Zr O2/e PTFE增强膜具有良好的化学耐久性,72小时芬顿反应后质量损失仅有13.5%,比未改性的e PTFE/PFSA和Gore-Select膜分别低23%和12%。加速耐久性测试显示TA@Zr O2/e PTFE增强膜在干/湿循环5500圈后仍在0.55 V输出1.3 A cm-2电流密度,高于相同条件下的Gore-Select膜(1.21 A cm-2)。最后,当100片复合膜应用到PEMFC电池系统时,电池系统额定输出功率达到10 k W@530 m A cm-2,各单片电压波动小,一致性好。