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燃料电池由于其较高的能量转换效率,被认为是最具有发展前景的能量转换技术。在众多类型燃料电池中,质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其在在低温下具备高能量密度的特点而备受瞩目。其中,质子交换膜是PEMFC中的核心部件,而目前商业化最成功的是杜邦公司的Nafion膜。Nafion膜虽然有着一定性能优势,但是其高昂的价格和较高的燃料渗透率使其无法进一步的商业化。人们一直在致力于寻找Nafion膜的替代材料,其中磺化聚芳醚酮（SPAEK）、磺化聚砜、磺化聚酰亚胺和磺化聚苯并咪唑都是其中的佼佼者。基于SPAEK的质子交换膜由于其低廉的价格和优异的性能在众多替代者脱颖而出。为了拥有与Nafion膜同等水平的传导率,SPAEK薄膜往往需要具有很高的磺化度。然而高磺化度的SPAEK薄膜通常在高温高湿条件下溶胀率很高,进而会导致机械性能的丧失。因此如何解决质子传导率和尺寸稳定性二者之间的矛盾变得很有必要。本文主要分为四部分,包括高磺化度的SPAEK的交联改性,低磺化度的SPAEK的有机硅改性及进一步的无机粒子的掺杂、额外磺酸基的引入和高磺化度的第二组分的引入,旨在改善上述SPAEK质子交换膜所面临的问题,提高膜的综合性能。在论文的第一部分中,我们设计并合成了一种含氨基侧基的高磺化度SPAEK（Am-SPAEK-1.0）,由于其过高的磺化度导致薄膜的溶胀率过大（74%,100℃）,为此我们采用交联方法来提高该基体材料的尺寸稳定性。为了提高交联效率,避免小分子残留对薄膜性能的不利影响,本章中我们选取醛基（-CHO）修饰的高分子量聚砜树脂（PSF）为交联剂。我们利用锂化反应,将商用PSF低温锂化并将高活性-CHO修饰到聚合物主链上,合成一种针对于本体系的高分子交联剂。其中,SPAEK/CHO-15样品在80℃下的质子传导率为0.0925 S/cm,100℃下的传导率更是可以达到0.1581 S/cm,对应温度下的溶胀率为21.8%和48.7%,相对于原始Am-SPAEK分别下降了39%和35%。上一章中的高磺化度Am-SPAEK由于磺酸基团完全处于聚合物主链结构上,导致其吸水后溶胀率过高,即使经过交联处理,样品在100℃下的溶胀率也高于30%。为此,本章合成与上一章基体结构相同的低磺化度Am-SPAEK-0.8,该聚合物100℃下的溶胀率仅为17.0%,但是该温度下的传导率仅为0.0805S/cm,低于应用要求。我们利用高活性的氨基侧基与3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）中的环氧基团反应,对聚合物进行有机硅改性,将甲氧基硅烷引入到聚合物体系之中。我们以有机硅侧链为连接有机-无机相的“桥梁”,对聚合物进行无机掺杂,掺杂粒子选择二氧化钛（TiO2）、二氧化硅（SiO2）和磷钨酸（PWA）。与原始的低传导率的Am-SPAEK薄膜相比,三种系列的无机掺杂膜在传导率方面都有所提升,每个系列里100℃下最高传导率分别为0.1472S/cm,0.1480 S/cm和0.1463 S/cm。对于每个系列来说,随着掺杂量的增加,传导率显现出先上升后下降的趋势,一方面吸湿性无机粒子的引入增强了薄膜的水合作用,吸水率上升,传导率也随之升高;另一方面,无机粒子含量上升,不可避免地伴随着团聚或流失,同时也对薄膜的磺酸基起到了稀释作用,样品传导率也相应地下降。考虑到无机粒子的添加会对磺酸基起到稀释的副作用,基于上一章的有机硅改性体系,本章我们尝试直接将磺酸基团引入到体系当中,提升薄膜整体的IEC值,以此提高传导率。本章中我们选取3-巯丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）为体系提供的额外磺酸基。Am-SPAEK在溶液中经过有机硅改性后,加入不同剂量的MPTMS,成膜后,经过一定时间的过氧化氢溶液处理,将巯基（-SH）氧化为磺酸基团（-SO3H）。在本系列薄膜中,样品SC-SPAEK-SO3H-6在80℃下的质子传导率为0.091 S/cm,100℃下的质子传导率更是高达0.1539 S/cm。同样的,由于硅氧烷水解导致的交联结构,该系列薄膜最高吸水溶胀率也仅为20.2%（80℃）和26.4%（100℃）,符合我们的预期。承接上一章的思路,本章中我们将在低磺化度的体系中引入额外磺酸基团,在不牺牲溶胀率的基础上提高吸水率,进一步提高质子传导率。本章我们设计并合成了一种含氨基侧基、主链含氟的低磺化度SPAEK基体材料（Am-6F-SPAEK）。与此同时选取水溶性的、高氨基含量的高磺化度Am-SPAEK-H为第二组分,以环氧树脂与GPTMS为两种交联剂,用两种方法将两组分以共价键相连,形成交联网络。三维网络结构既可以防止高温下复合膜的过度溶胀,又可以固定水溶性第二组分,防止其流失。由于高亲水性第二组分的引入,两个系列薄膜的传导率都有了长足的提升,100℃下最高的传导率可0.1845 S/cm（EP-SPAEK-15）和0.1876 S/cm（SC-SPAEK-15）。通过对比两个系列的交联型复合薄膜,我们发现SC-SPAEK-x系列薄膜在吸水率和质子传导率方面明显有更大的优势,而且100℃下最高的溶胀率也不超过14.9%。我们对初始聚合物Am-6F-SPAEK、交联膜EP-SPAEK-10和SC-SPAEK-10三个样品薄膜分别进行膜电极组装。其中,当甲醇浓度为4M时,SC-SPAEK-10在80℃下的最高功率密度为31.61 mW/cm2,比初始Am-6F-SPAEK高194%。综上所述,我们通过增加SPAEK薄膜的亲水性并进行交联改性,得到了一系列兼具优异尺寸稳定性和高传导率质子交换膜。