Evaluation of a sulfonated poly(phenylene sulfone) based catalyst layer for PEM fuel cell application

Hydrocarbon-based ionomers are increasingly favored over perfluorinated sulfonic acid (PFSA)-based ionomers due to their promising potential, attributed to their high temperature applicability, high proton conductivity and lower cost. The European Commission's new strategic objectives, which aim to eliminate fluorine-based materials, promote this research. Due to the reduced reactant transport properties of hydrocarbon based materials, the preparation of catalyst layers sustaining high current densities is challenging. In this work, the study of a sulfonated poly(phenylene sulfone) ionomer (s-PPS) in the cathode catalyst layer is shown, while the rest of the Membrane-Electrode-Assembly (MEA) is still based on PFSA. This work demonstrates a systematic study towards the optimum ionomer to carbon (I/C) ratio and particle size in the ionomer dispersion as well as the optimal electrochemical conditioning procedure. The aim is to obtain power densities under load conditions for single H2/air fuel cell system that are on par with fluorinated MEAs. Although further research is needed to fully optimize this s-PPS-based cathode catalyst layer, this work can serve as a valuable starting point for identifying the most effective preparation parameters for this material. To optimize the MEA-performance, the s-PPS quantity in the cathode catalyst layer has been varied to find the option ionomer to catalyst (I/C) ratio. Furthermore, the particle size distribution of the ionomer dispersion has been varied by selecting an appropriate solvent composition to optimize the MEA performance. As a conclusion, some follow-up strategies are recommended once the main issue has been discussed and assessed. For the sample with 0.1 I/C ratio, two operating points (0.24 A∙cm-2 at 0.76 V and 0.72 A∙cm-2 at 0.67 V) have a performance which is the same as a PFSA bonded catalyst layer at high relative humidity, while 0.2 and 0.3 I/C ratios have one operative point (1.2 A∙cm-2 at 0.6 V) with a value similar to a PFSA bonded catalyst layer and relevant in the operating range for automotive sector.

Abstract: Gli ionomeri a base di idrocarburi sono sempre più favoriti rispetto a quelli a base di acido solfonico perfluorurato (PFSA) grazie al loro promettente potenziale attribuito alla loro applicabilità alle alte temperature, all'elevata conduttività protonica e al costo inferiore. I nuovi obiettivi strategici della Commissione Europea, che mirano a eliminare i materiali a base di fluoro, promuovono questa ricerca. A causa delle ridotte proprietà di diffusione dei reagenti dei materiali a base di idrocarburi, la preparazione di strati catalitici che sostengano alte densità di corrente è impegnativa. In questo lavoro, viene mostrato lo studio di uno ionomero poli(fenilene sulfonato) ionomero (s-PPS) nello strato catalitico del catodo, mentre il resto del Membrane-Electrode-Assembly (MEA) è ancora basato sui PFSA. Questo lavoro dimostra uno studio sistematico sul rapporto ottimale tra ionomero e carbonio (I/C) e sulle dimensioni delle particelle nella dispersione dello ionomero, nonché sulla procedura di condizionamento elettrochimico ottimale. L'obiettivo è quello di ottenere densità di potenza in condizioni di carico per un sistema di celle a combustibile singolo H2/aria pari a quelle dei MEA fluorurati. Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare completamente questo strato catalitico catodico a base di s-PPS, questo lavoro può servire come valido punto di partenza per identificare i parametri di preparazione più efficaci per questo materiale. Per ottimizzare le prestazioni della MEA, la quantità di s-PPS nello strato catalizzatore del catodo è stata variata per trovare il rapporto ionomero-catalizzatore (I/C) ottimale. Inoltre, la distribuzione granulometrica della dispersione ionomerica è stata variata selezionando un'appropriata composizione del solvente per ottimizzare le prestazioni della MEA. In conclusione, dopo aver discusso e valutato il problema principale, si raccomandano alcune strategie di proseguimento dello studio. Per il campione con rapporto I/C di 0,1, due punti operativi (0,24 A∙cm-2 a 0,76 V e 0,72 A∙cm-2 a 0,67 V) hanno una prestazione uguale a quella di uno strato catalitico legato al PFSA ad alta umidità relativa, mentre i rapporti I/C di 0,2 e 0,3 hanno un punto operativo (1,2 A∙cm-2 a 0,6 V) con un valore simile a quello di uno strato catalitico basato su PFSA e rilevante nell'intervallo operativo del settore automobilistico.