质子交换膜燃料电池（PEMFC）凭借高能效、环境友好、快速启动等优点,有望成为汽车、中小型电站和便携式电子设备的最佳能量转换装置。质子交换膜（PEM）作为PEMFC的核心构件,其性能直接影响到电池的性能。在PEM内,亲、疏水区域的随机分布导致质子传递通道曲折迂回,甚至闭塞形成死端,增加了质子传递的阻力。本研究主要利用电场通过新型膜制备方法及质子传递通道微观结构调控提高膜垂直向质子电导率。首次采用电沉积法制备质子交换膜。以磺化聚醚醚酮（SPEEK）电沉积膜为例,在直流电场作用下,铸膜液中的SPEEK大分子向阳极电泳并在电极表面沉积,通过调节沉积时间可有效控制电沉积膜的厚度。与溶液浇铸膜相比,电沉积膜表面粗糙度、吸水率提高,离子团簇尺寸减小且排列更加紧密。在70℃、100%RH条件下,电沉积膜的质子电导率较浇铸膜的质子电导率提高了31%。在55℃条件下,电沉积膜组装的甲醇燃料电池的峰值功率密度提高了16%。电沉积法为质子交换膜的制备提供了新的途径。为增强电场对Nafion膜内质子传递通道的调控效果,对吸收甲磺酸的Nafion膜进行电场定向。甲磺酸作为增塑剂能够软化聚合物膜,促进大分子链段的运动。另外,离子团簇的体积溶胀增加了膜内亲水相体积,降低了Nafion的结晶,这有助于减小离子团簇的连通难度。在电场作用下,离子团簇沿电场方向相互靠近、连通,形成连续的质子传递通道。在80℃、100%RH条件下,电场定向膜的质子电导率较原Nafion膜的质子电导率提高了36%,定向膜组装的H2/O2燃料电池性能略有提高,但膜面尺寸稳定性、机械性能有所降低。为改善Nafion膜内质子传递通道的取向,电场、磺化石墨烯纳米片（sGNP）被同时用于膜微观结构调控。通过向铸膜液施加高压交变电场,极化的sGNP发生旋转、取向,并带动Nafion磺酸基团沿纳米片表面排列成取向离子通道。sGNP-Nafion电场定向膜的质子电导率受sGNP含量、电场频率、电场强度的影响,向铸膜液添加低极性溶剂对二甲苯有助于sGNP在电场作用下的取向,提高膜电导率。在80℃、100%RH条件下,与纯Nafion膜相比,sGNP-Nafion电场定向膜的质子电导率提高了48%,该定向膜组装的H2/O2燃料电池的峰值功率密度提高了15%。