Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Zhiani,Morteza Shamanian esfahani,Kaivan Raissi
محمد ژیانی (استاد مشاور) مرتضی شمعانیان اصفهانی (استاد راهنما) کیوان رئیسی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hamed Rashtchi
حامد رشتچی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
Stainless steel bipolar plates are the preferred choice for proton exchange membrane fuel cells. To improve durability and performance of bipolar plates, they should be coated with a corrosion resistance coating. In this study, Ni–Mo and Ni–Mo–P alloy coatings were electroplated on stainless steel 316L at 30, 60 and 100 mA cm -2 for using as bipolar plate in a PEM single cell to improve corrosion resistance and to decrease formation of oxide layers on the bipolar plates, leading to performance improvement of single cell. The main investigations on the applied coatings were morphological and phase characterizations by XRD, SEM/EDX, AFM and contact angle measurements. The electrical properties of bipolar plates was evaluated by conduction tests and by measuring their interfacial contact resistances ex-situ in a PEMFC set-up at varying clamping pressure, applied current and temperature. Moreover, corrosion resistance of the applied coatings was evaluated by Tafel polarization test in simulated PEMFC cathode environment. It was seen that the bipolar plate electroplated with Ni–Mo at 100 mA cm -2 decreased the corrosion resistance and interfacial contact resistance of 316L stainless steel bipolar plate by approximately 23 and 3 times, respectively. Moreover, it showed interfacial contact resistance of lower than 10 m? cm 2 . The excellent properties of the coatings compared to native oxide film of the bare stainless steel are due to their higher hydrophobicity, electrical conductivity and corrosion resistance as well as surface topography properties. Moreover, the performance and durability of 316L stainless steel bipolar plates electroplated with Ni–Mo and Ni–Mo–P coatings were investigated in a PEM single cell during 115 h operating condition. The effect of the coatings on electrochemical performance was evaluated by cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy and polarization test together with interfacial contact resistance measurements between the coatings and gas diffusion layer. The Ni–Mo electroplated at 100 mA cm -2 showed the highest operating voltage as well as the lowest and most stable interfacial contact resistance and smallest effects on MEA performance, including catalyst activity/usability, cathode double layer capacitance, and membrane and ionomer resistance build up with time. After electrochemical evaluation, the bipolar plates as well as the water effluents from the cell were examined by Scanning Electron Microscopy, Energy Dispersive and Inductively Coupled Plasma spectroscopies. No significant degradation of the coated surface or enhancement in metal release was observed. However, phosphorus addition to the coating did not show to improve its properties, as it led to deterioration of the MEA and consequently fuel cell performance losses. Hence, the Ni–Mo coating electroplated at 100 mA cm -2 investigated in this study, with higher operating voltage and lower interfacial contact resistance than graphite, has promising properties for stainless steel bipolar plates and is potentially good alternatives for the graphite in PEMFC. Keywords: Proton exchange membrane fuel cell, Bipolar plate, Ni–Mo coating, Ni–Mo–P coating, Electroplating, Stainless steel, Hydrophobicity, Corrosion resistance, Electrochemical impedance spectroscopy, Fuel cell polarization cureve, Interfacail contact resistance.
صفحات دو قطبی فولاد زنگ­نزن گزینه­ای مناسب جهت بکارگیری در پیل ­سوختی پلیمری هستند. برای افزایش عملکرد و عمر مفید این صفحات در محیط پیل سوختی پلیمری نیاز است تا سطح آنها با اعمال پوشش­های مقاوم به ­خوردگی محافظت گردد. در این پژوهش، پوشش­های آلیاژی Ni–Mo و Ni–Mo–P به روش رسوب­دهی الکتریکی در چگالی جریان های پوشش دهی30، 60 و mA cm -2 100 روی فولاد زنگ نزن 316L جهت استفاده به­عنوان صفحه دو قطبی فلزی در یک مونوسِل پیل سوختی پلیمری اعمال شدند تا مقاومت به خوردگی افزایش و تشکیل لایه­های اکسیدی روی سطح که عامل افزایش مقاومت الکتریکی است، کاهش یافته و عملکرد صفحات دو قطبی بهبود یابد. مهمترین مشخصه­یابی­های انجام شده روی پوشش­های اعمالی شامل مطالعات ریزساختاری و فازی توسط آنالیزهای XRD، SEM/EDX، AFM برای بررسی ترکیب و مورفولوژی پوشش­ها و آزمون ترشوندگی جهت تعیین میزان آبگریزی سطح پوشش ها است. خصوصیات الکتریکی صفحات دوقطبی در شرایط ex-situ با اندازه­گیری هدایت الکتریکی پوشش­ها و نیز مقاومت الکتریکی تماسی آنها در مونوسِل با تغییر پارامترهای فشار اعمالی، جریان و دمای مونوسِل ارزیابی شدند. بعلاوه، مقاومت به خوردگی پوشش ها توسط آزمون پلاریزاسیون تافل در محیط شبیه سازی شده کاتد مونوسِل بررسی شدند. ملاحظه شد که پوشش Ni–Mo رسوب داده شده در چگالی جریان mA cm -2 100 سرعت خوردگی فولاد زنگ نزن 316L را تا 23 برابر و مقاومت الکتریکی تماسی آن را تا 3 برابر کاهش دادند. بعلاوه، در شرایط ex-situ، این پوشش دارای مقاومت الکتریکی تماسی کمتر از m? cm 2 10 بود. خصوصیات بهتر صفحات دو قطبی پوشش داده شده در مقایسه با صفحه دوقطبی فولاد زنگ­نزن 316L بدون پوشش را می توان با توجه به ویژگی های آبگریزی، هدایت الکتریکی و مقاومت به خوردگی بالاتر و نیز خصوصیات توپوگرافی سطحی پوشش های اعمال شده نسبت به سطح فولاد زنگ­نزن بدون پوشش توجیه نمود. بعلاوه، عملکرد صفحات دوقطبی پوشش داده شده در یک مونوسِل پیل سوختی پلیمری در شرایط عملی (in-situ) طی مدت زمان 115 ساعت کارکرد بررسی شدند. تاثیر پوشش های مذکور روی عملکرد مونوسِل توسط آزمون های طیف­سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و ولتامتری سیکلی جهت تحلیل­های الکتروشیمیایی، اندازه گیری مقاومت الکتریکی تماسی پوشش ها و آزمون پلاریزاسیون مونوسِل بررسی شدند. همچنین پوشش Ni–Mo رسوب داده شده در چگالی جریان mA cm -2 100 طی 115 ساعت کارکرد دارای بیشترین ولتاژ کاری و کمترین مقاومت الکتریکی تماسی و نیز کمترین تاثیر روی خصوصیات غشاء شامل اکتیویته کاتالیست، ظرفیت الکترود و مقاومت مونوسِل بود. ارزیابی های انجام شده روی صفحات دوقطبی پس از پایان کارکرد و میزان عناصر فلزی وارد شده در آب تولیدی در مونوسِل بترتیب توسط آنالیزهای SEM/EDS و ICP، هیچگونه تخریب قابل توجهی در سطوح پوشش ها را نشان ندادند. با این وجود، افزودن فسفر به پوشش Ni–Mo، تاثیر مثبتی در بهبود ویژگی پوشش نداشت. در نهایت، ملاحظه شد که صفحه دو قطبی پوشش داده شده با Ni–Mo در چگالی جریان mA cm -2 100 بعلت خصوصیات ذکر شده دارای بهترین عملکرد طی مدت زمان کارکرد مونوسِل بود و حتی ولتاژ کاری بالاتر و مقاومت الکتریکی تماسی کمتری نسبت به صفحه دوقطبی گرافیت داشت و می توان از آن به­عنوان گزینه­ای مناسب جهت جایگزینی با صفحه دوقطبی گرافیتی در پیل سوختی پلیمری استفاده نمود. کلمات کلیدی: پیل سوختی پلیمری، صفحه دو قطبی، پوشش Ni–Mo ، پوشش Ni–Mo–P ، رسوب­دهی الکتریکی، فولاد زنگ­نزن، آبگـریزی، مـقاومت به خـوردگـی، طیـف­سنجـی امپـدانـس الکـتروشـیمیایی، منحنی پلاریزاسیون پـیل سـوختی، مـقاومت الکــتریکی تماسـی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی