质子交换膜燃料电池（PEMFC）以其比能量高、无污染、可快速低温启动等优点而备受人们关注。质子交换膜是PEMFC的核心部件，它不仅起着隔离燃料和氧化剂，防止它们直接发生反应，而且担当着传导质子的作用。目前广泛使用的全氟磺酸质子交换膜价格昂贵、不适合高温操作以及甲醇渗透率高，而其它价格低廉的膜的性能也总不尽如人意，普遍存在着机械强度低、溶胀严重、化学及热稳定性差等问题，严重阻碍了燃料电池的商品化和产业化进程。因此设计和开发一种可以取代全氟磺酸膜的新型质子交换膜是目前燃料电池研究领域的热点之一。　　 本文从实验和理论两个方面对新型质子交换膜的制备与性能进行了研究。首先，采用溶液浇铸法制备了Nafion/PTFE复合膜，考察了膜的厚度和亲水粒子磷钨酸对Nafion/PTFE复合膜在低湿度下电池性能的影响。结果表明，厚度越薄的Nafion/PTFE复合膜保湿性能越好，但是会增加气体的渗透导致开路电压下降，影响电池的性能。添加亲水粒子磷钨酸的Nafion/PTFE复合膜的质子传导率和吸水率比纯的Nafion/PTFE膜高，在低湿度下电池性能优于纯的Nafion/PTFE膜。　　 其次，采用浓硫酸作为磺化剂制备了磺化度为81％的磺化聚醚醚酮（SPEEK），通过与聚苯并咪唑（PBI）交联和与磷钨酸复合对其改性，制备了PWA/SPEEK/PBI复合膜。详细考察了聚苯并咪唑和磷钨酸的含量对复合膜的尺寸稳定性、质子传导率和吸水率等性能的影响。结果表明，PBI的含量增加会提高复合膜在水溶液中的稳定性，但是会降低膜的质子传导率和吸水率；磷钨酸的含量增加会提高SPEEK/PBI复合膜的质子传导率和吸水率，当PWA含量为40％的时候，PWA/SPEEK/PBI复合膜的质子传导率达到8．9 mS·cm-1，接近于Nafion112膜的质子传导率（0．01 S·cm-1），可望成为一种性能优良、价格低廉的燃料电池用质子交换膜。　　 第三，采用密度泛函理论（DFT） B3LYP方法，对Nafion膜的计算模型以及水/非水载体Nafion膜中的氢键团簇模型进行优化，从其几何构型、振动光谱和质子亲和能等方面对水月乍水载体Nafion膜中发生质子传递的临界条件进行了研究，结果表明，计算值与实验值相接近，说明用量子化学方法对水／非水载体Nafion膜中的质子传递进行研究是可靠的。当溶剂分子数n=3时，Nafion在水和甲醇以及它们的混合溶剂中的氢键团簇开始发生质子传递；而当溶剂分子数n=1时，Nafion在昧唑和吡唑中的氢键团簇开始发生质子传递。随着溶剂水分子数量的增加，分子簇CF3SO3H···（H2O）n（n=0-2）中羟基的振动频率发生红移，振动强度急剧增大。表明溶剂水分子数量的增加使酸性分子和溶剂分子之间的氢键连接得到显著的加强。质子亲和能大小的顺序为：咪唑>吡唑>乙醇>甲醇>水>甲酸。因此，咪唑/Nafion膜内质子传递最容易，而甲酸/Nafion膜内质子传递最难。　　 最后，采用密度泛函理论（DFT） B3LYP方法，对一系列设计的含有不同取代基的聚磷腈化合物进行了几何结构优化计算，从质子亲和能、水的吸附能和自由基反应焓等方面深入探讨了不同取代基对其质子传导、高温保水性能和抗氧化性的影响。计算结果与实验结果一致，说明采用量子化学方法对质子交换膜的设计和理论研究具有可靠性。结果表明，磺酸化聚芳氧基磷腈的质子传导率高于磷酸化聚芳氧基磷腈，而磷酸化聚芳氧基磷腈高温保水能力强于磺酸化聚芳氧基磷腈，含有吸电子取代基有利于提高聚芳氧基磷腈的质子传导率和高温保水性能。对于磺酸化聚芳氧基磷腈，含有给电子取代基有利于提高其抗氧化性；对于磷酸化聚芳氧基磷腈，给电子和吸电子取代基均使其抗氧化性减弱。六种质子交换膜材料中化合物2的质子传导率最高，化合物5的高温保水性能最好，化合物3的抗氧化性最强，因此可以通过改变取代基来获得不同性质的质子交换膜材料。