Development of hybrid proton-conducting polymers for proton exchange membrane fuel cells

The development of new generation polymer electrolytes is an essential prerequisite for grand scale commercialisation on of polymer electrolyte membrane fuel cells. These proton conductors must show good morphological, hydrolytic and mechanical stability and an appropriate conductivity (σ ~ 0.01 Scm-1) at a temperature above 100°C at low relative humidity. In this work, diverse strategies for synthesis of hybrid organic-inorganic proton conducting polymer nanocomposites were explored, based on aromatic thermoplastic polymers. The use of hybrid materials permits exploitation of the synergy between the simultaneously present organic polymeric component and an inorganic silicon-based part. These effects can be explained by the possibility to modulate and to control the separation between hydrophilic and hydrophobic parts, which strongly modify the properties of the electrolytic polymer. Hybrid materials of class I based on sulfonated poly-ether-ether-ketone (S-PEEK) were synthesized as well as several examples of hybrid materials of class II based on SPEEK and poly-phenyl-sulfone sulfonated (S-PPSU) and containing as inorganic part diverse functionalized silicon atoms. These materials were characterized from the point of view of structure, physical and chemical properties and electrochemical behaviour. Very positive results were obtained mainly for two investigated systems: a mixture of S-PEEK and S-PPSU silylated polymer and a cross-linked polymer, through -SO2- bridges (SOPEEK) and silylated (SOSiPEEK).

Lo sviluppo di elettroliti polimerici di nuova generazione è un requisito essenziale per la diffusione su grande scala delle celle a combustibile a membrana polimerica. Tali conduttori protonici devono esibire stabilità morfologica, idrolitica, meccanica ed adeguate proprietà di conducibilità (σ~ 0.01 Scm-1) a temperature superiori a 100 °C per bassi valori d’umidità relativa. Nel presente lavoro sono esplorate diverse strategie per la sintesi di polimeri conduttori ibridi organici-inorganici nanocompositi a partire da polimeri termoplastici aromatici. L'impiego di materiali ibridi permette di sfruttare l'effetto sinergico dovuto alla contemporanea presenza di una componente organica, nel caso specifico polimerica, e di una inorganica, nel caso specifico a base di silicio. Tale effetto sinergico si esplica nella possibilità di modulare e controllare la separazione tra la fase idrolifila ed idrofobica da cui fortemente dipendono le prestazioni dell'elettrolita polimerico. Membrane ibride di classe I a base di polietereterchetone solfonato (S-PEEK) sono così state sintetizzate insieme a numerosi esempi di membrane ibride di classe II a base di S-PEEK e polifenilsolfone solfonato (S-PPSU), contenenti come porzione inorganica atomi di silicio diversamente funzionalizzati. La caratterizzazione dei materiali ha riguardato l’analisi della struttura, le proprietà chimico fisiche ed il comportamento elettrochimico. Risultati molto positivi sono stati ottenuti principalmente con due dei sistemi investigati: una miscela polimerica a base di S-PEEK e S-PPSU sililato ed un polimero interconnesso tramite ponti -SO2- (SOPEEK) e sililato (SOSiPEEK).