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Local impact of cell degradation on transport and structural properties in the cathode catalyst layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell

Mitzel, Jens und Morawietz, Tobias und Heger, Jan-Frederik und Kaess, Hanno und Gazdzicki, Pawel (2026) Local impact of cell degradation on transport and structural properties in the cathode catalyst layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell. Journal of Power Sources, 684, Seiten 240392-240405. Elsevier. doi: 10.1016/j.jpowsour.2026.240392. ISSN 0378-7753.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
13MB

Offizielle URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775326011420?via%3Dihub

Kurzfassung

Fuel cells can be a solution for carbon-free transport, but are affected by high price and limited lifetime. Material level degradation mechanisms are understood but structure changes require more analysis. This study investigates the degradation impact on material, transport and structural properties in the cathode catalyst layer. A 500 h AST using automotive load cycle and conditions (80 °C, 2.5/2.3 barabs, 50%/30% relative humidity, 1.3/1.5 stoichiometry at anode and cathode) is applied and alterations of these properties are discussed. Whilst the membrane's influence appears to be minor, Pt/C degradation mainly caused the performance decay on the material level (−37% active area). The structural analysis revealed local pore size reduction and a 0.6 μm thick layer at the interface cathode catalyst layer (CCL)/membrane with collapsed porosity. Besides carbon and catalyst degradation, ionomer migration within the catalyst layer during wet/dry cycles cause the pores to fill with ionomer. The local ionomer concentration increased more at humid conditions at air outlet (+59%) and results in decreased proton transport resistance (−38%) and increased oxygen transport resistance (+10%). Consequently, this work reveals that the ionomer macroscopically migrates into the CCL pores during fuel cell operation and this represents an important additional degradation mechanism.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/225141/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Local impact of cell degradation on transport and structural properties in the cathode catalyst layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Mitzel, JensJens.Mitzel (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-8137-9689NICHT SPEZIFIZIERT
Morawietz, TobiasTobias.Morawietz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2291-9360218372429
Heger, Jan-FrederikJan-Frederik.Heger (at) hs-esslingen.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kaess, HannoHanno.Kaess (at) hs-esslingen.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gazdzicki, PawelPawel.Gazdzicki (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-5728-7861NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:22 Mai 2026
Erschienen in:Journal of Power Sources
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:684
DOI:10.1016/j.jpowsour.2026.240392
Seitenbereich:Seiten 240392-240405
Verlag:Elsevier
ISSN:0378-7753
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Cathode structure Degradation Ionomer migration Ionomer mobility Local effects Polymer electrolyte membrane fuel cell Transport properties
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Chemische Energieträger
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Prozesse
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Elektrochemische Energietechnik
Hinterlegt von: Mitzel, Dr. Jens
Hinterlegt am:22 Jun 2026 07:53
Letzte Änderung:22 Jun 2026 07:53

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