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燃料电池是一类清洁、高效的能量转化装置，是氢能利用的重要形式。聚合物电解质燃料电池（PEFC）由于具有结构紧凑、功率密度高、可室温启动等优点，是理想的车用动力电源和便携式电源。目前，发展的较为成熟的一类PEFC是以酸性的质子交换膜作为电解质的质子交换膜燃料电池（PEMFC）。但是由于强酸性环境的限制，PEMFC只能使用铂等资源稀缺的贵金属作为催化剂，这极大地限制了PEMFC的普及应用。碱性聚合物电解质燃料电池（APEFC）是近年来出现的一类新型PEFC，它有望结合PEMFC与传统的碱性燃料电池（AFC）的优点，从根本上摆脱对贵金属催化剂的依赖。不过，目前尚无综合性能全面符合燃料电池应用要求的碱性聚合物电解质（APE）。因此，研发高性能的APE是发展APEFC技术的首要任务。高性能APE必须具有高的OH离子电导率和低的溶胀率。然而高电导率与低溶胀率往往难以兼得，因为高电导率一般要求聚合物具有高的离子交换容量（IEC），但IEC过高会使APE强烈吸水溶胀。针对这一矛盾，本论文提出若干新的研究思路，获得了几类综合性能优异的APE。主要研究进展如下：1.季铵化聚砜（QAPS）研究以具有高化学稳定性的工程塑料聚砜（PS）为骨架，通过化学接枝的方法合成季铵化聚砜（QAPS）。此过程中，我们在氯甲基化反应的催化剂以及季铵化反应的方式两方面都有创新，大大提高了合成效率，且使所得QAPS的离子交换容量（IEC）可控。当QAPS的IEC控制为1.0mmol/g时可以获得最佳的综合性能：在60oC下电导率达0.03S/cm，溶胀率不超过30%。采用QAPS为电解质，首次实现了完全不使用贵金属催化剂的APEFC原型。2.自交联型季铵化聚砜（xQAPS）研究为进一步降低QAPS的溶胀率，须采用交联的方法，但常规的交联方式无法保留稳定的聚合物溶液。我们提出自交联的方式解决这一矛盾。在QAPS上设计反应性较低的叔胺基团，使聚合物溶液在常温下可保持稳定，但固化时会诱发聚合物链的短程交联，获得强韧的聚合物膜。这种自交联型QAPS（xQAPS）具有极高的抗溶胀性，IEC高达1.34mmol/g的xQAPS膜在90oC的溶胀率仅为3%，电导率达0.063S/cm，且性能在1000小时的测试中保持稳定。3.自聚集型季铵化聚砜（aQAPS）研究为了进一步提高APE的离子电导率，使其达到与质子交换膜相当的水平，须设计高效的离子通道，从本质上提高OH在APE中的有效淌度。我们通过在QAPS主链上增加不带离子导电官能团的憎水侧链，有效地促进了聚合物内部的亲水/憎水微观相分离，使OH相对集中地分布于亲水区域，实现了在较低IEC下获得高离子电导率的目标。通过调节憎水侧链的长度，可以对这种自聚集型QAPS（aQAPS）的微观相分离结构进行调控。以正己胺作为憎水侧链前体制备的C6-aQAPS是目前所有文献报道中离子传导效率最高的APE，在60oC~80oC，C6-aQAPS的离子电导率达10-1S/cm量级，与Nafion相当。4.交联网络型季铵化聚砜（xaQAPS）研究将xQAPS与aQAPS相结合，可获得具有交联网络结构的QAPS（xaQAPS）。C6-xaQAPS兼具xQAPS优良的机械性能和C6-aQAPS优异的导电性能，非常适合燃料电池使用。以C6-xaQAPS为电解质的APEFC可在75oC下稳定工作。5.咪唑型聚砜（QMIPS）探索为了进一步提高APE中阳离子官能团的稳定性，我们探索了若干种咪唑型聚砜（QMIPS）的APE。其中自交联型N-甲基咪唑聚砜（xQMIPS）的离子电导率与抗溶胀性与xQAPS相当，且阳离子官能图在高温强碱性溶液中表现出更优异的化学稳定性。6.电极催化层中的APE研究提出分别评估催化层离子电导和电子电导的实验方法，详细研究了APE的性质与含量对催化层的离子与电子传导以及气体传输的影响。APEFC的阳极催化层要求高的疏水性，而阴极催化层的疏水性须适中。我们基于本论文研发的各种QAPS探讨了催化层亲水-疏水性质的调节方法，为APEFC电极结构设计提供指导思想。