本发明涉及一种全氟磺酸碳纤维复合材料及其制备方法和应用，所述全氟磺酸碳纤维复合材料能够应用于储氢领域。所述全氟磺酸碳纤维复合材料由盐型全氟磺酸树脂分散液处理碳纤维预浸料而制备得到。所述复合材料的制备方法包括步骤：(1)制备碳纤维预浸料；(2)制备盐型全氟磺酸树脂的醇水分散液；(3)将步骤(2)的所述分散液通过喷涂或浸渍对步骤(1)的所述碳纤维预浸料进行处理。通过使用盐型全氟磺酸树脂的醇水分散液对碳纤维进行处理，不仅可以保持碳纤维的初始强度，而且表面光滑，并且在长时间的储氢过程中，基于盐型全氟磺酸树脂层对氢的优异阻隔作用，碳纤维的表面光滑，且其强度衰减率由70％下降至10％。