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Exploring the integration of sulfonated poly(phenylene sulfone) ionomers into the cathode catalyst layers of proton exchange membrane fuel cells

Yazili-Marini, Didem und Fogang, Lionel und Marini, Emanuele und Morawietz, Tobias und Titvinidze, Giorgi und Bansmann, Joachim und Hölzle, Markus und Jörissen, Ludwig (2025) Exploring the integration of sulfonated poly(phenylene sulfone) ionomers into the cathode catalyst layers of proton exchange membrane fuel cells. Journal of Power Sources, 641 (236896). Elsevier. doi: 10.1016/j.jpowsour.2025.236896. ISSN 0378-7753.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
12MB

Offizielle URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775325007323?via%3Dihub

Kurzfassung

Increasing regulatory pressure on perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers demands alternative materials for catalyst-coated membranes (CCMs) in proton exchange membrane fuel cells. Sulfonated poly(phenylene sulfone) (sPPS) has emerged as a promising candidate, and this study compares physical-chemical and electrochemical properties of CCMs using platinum (Pt)-based catalysts in either PFSA- or sPPS-bonded cathodes. During break-in, PFSA-bonded cathode performance stabilizes after eight voltage cycles with low charge transfer resistance, while sPPS requires 30–40 cycles. Atomic force microscopy indicates electrodes undergo partial ionomer redistribution over cycling, affecting proton conduction and oxygen diffusion. Polarization curves indicate PFSA attains higher cell voltages at the low current densities, owing to a fourfold greater Pt mass activity compared to sPPS, despite comparable Tafel slopes. X-ray photoelectron spectroscopy suggests strong Pt-sPPS interactions, potentially reducing catalytic activity by covering active Pt-surface with sPPS. At high current densities, under fully humidified conditions, sPPS benefits from enhanced oxygen transport, mitigating mass transport limitations. Mercury intrusion porosimetry shows abundant macropores in sPPS-based cathodes, promoting oxygen transport, while PFSA's balanced meso-/macropore distribution supports hydration and ionic conductivity. Future efforts—e.g., deploying Pt-alloy catalysts, refining break-in protocols, and optimizing cathode architecture—could alleviate sPPS's kinetic constraints, supporting its viability as a PFSA alternative

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/215412/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Exploring the integration of sulfonated poly(phenylene sulfone) ionomers into the cathode catalyst layers of proton exchange membrane fuel cells
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Yazili-Marini, DidemZSWNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Fogang, LionelZSWNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Marini, EmanueleZSWNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Morawietz, TobiasInstitute of Engineering Thermodynamics, German Aerospace Center, Pfaffenwaldring 38-40, Stuttgart, 70569, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Titvinidze, GiorgiAgricultural University of GeorgiaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Bansmann, JoachimUlm University,NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hölzle, MarkusZSW UlmNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Jörissen, LudwigZSW UlmNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:15 Juni 2025
Erschienen in:Journal of Power Sources
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:641
DOI:10.1016/j.jpowsour.2025.236896
Verlag:Elsevier
ISSN:0378-7753
Status:veröffentlicht
Stichwörter:• SPPS-based cathodes require extended break-in. • SPPS cathodes offer higher proton conductivity compared to PFSA. • Both cathodes share similar Tafel slopes, yet sPPS exhibits fourfold lower mass activity. • XPS reveals strong Pt–sPPS interaction.
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Elektrochemische Energiespeicherung
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E VS - Verbrennungssysteme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Materialen für die elektrochemische Energiespeicherung
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Elektrochemische Energietechnik
Hinterlegt von: Morawietz, Tobias
Hinterlegt am:19 Sep 2025 11:19
Letzte Änderung:19 Sep 2025 11:19

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