质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过电化学反应,把燃料中的化学能转化为电能的发电装置。因其功率密度高、低污染,可连续工作,使用温度低,启动迅速等众多优点而广泛应用于电动汽车、固定发电站和便携式电源等领域。质子交换膜是燃料电池的重要组成部件之一,它不仅能够传递质子,同时还阻隔了燃料与氧化剂,保证电化学反应的顺利进行。目前,商业化应用最为广泛的是以Nafion为代表的直链全氟磺酸类质子交换膜,但其直链未交联结构易造成燃料渗透,氟原子含量高使得价格昂贵等缺点。为了解决这些问题,我们以降冰片烯类非氟结构为基体,以双环戊二烯为交联剂,对降冰片烯类质子交换膜进行了研究。首先,设计了一种新型的磺酸根-羧酸根型双官能团降冰片烯类质子交换膜,为了探究这种新型结构的降冰片烯类质子交换膜结构的可行性,基于Material Studios平台,对其进行了分子动力学模拟,确定该分子结构的合理性。通过对质子交换膜内微观粒子运动轨迹的分析计算,得到了分子链的均方位移和径向分布函数。带入公式计算得到膜内质子和水分子的扩散系数及膜的质子传导率,在298K条件下,所设计的质子交换膜质子传导率为46.14mS/cm,能够满足燃料电池的使用条件,表明该双官能团降冰片烯结构可行。此外,通过设置不同的结构单元,研究了不同羧酸根电离程度对质子交换膜性能的影响,结果表明随着羧酸根电离程度的不但增大,膜的质子传导率呈上升趋势。其次,选用单体5-降冰片烯-2,3-二羧酸甲酯(DCNM)和对降冰片烯基苯磺酰氯(NBSC)通过开环易位聚合(ROMP)得到了二元无规共聚物。采用正交实验方法探究了不同投料比、温度、催化剂含量以及反应时间对聚合物分子量和分子量分布的影响,并据此确定了最佳实验条件为物料配比1:1,反应温度40~45~oC,反应时间为30min。引入交联剂双环戊二烯DCPD,改变交联剂用量得到四组交联的共聚物膜,经过碱洗、酸洗以及去离子水浸泡等后处理,得到磺酸根和羧酸根型双官能团质子交换膜。通过核磁~1H谱和傅里叶红外转换光谱表征了单体以及聚合物结构。最后,对制备的四组质子交换膜进行了性能测试。实验表明,该系列质子交换膜官能团的分解温度为250~oC,主链分解温度为400~oC;发现随着DCPD含量的增大,质子交换膜的吸水率、溶胀度均逐渐减小,拉伸强度逐渐增大,拉伸强度最高为20.15MPa。25~oC时,质子传导率最高可达123.96 mS/cm。当交联剂含量为29.07%(H02)和33.17%(H03)时,膜的综合性能较为优异。因此,选取H02和H03膜,采用催化剂喷涂扩散层法(GDE)制备膜电极(MEA),60~oC下,气体流量为60ml/min,催化担载量为1mg/cm~2的测试条件下,H02膜制备的膜电极的开路电压为0.92V,最大功率为68mW/cm~2。