Skip to main content
SUPERVISOR
Kaivan Raissi,Morteza Shamanian esfahani
کيوان رئيسي (استاد راهنما) مرتضي شمعانيان اصفهاني (استاد راهنما)
 
STUDENT
Vahid Rajaei Anaraki
وحيد رجائي انارکي

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Investigation of the Ni-Mo and Ni-Mo-P electrodeposition coatings on stainless steel bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cells applications
Bipolar plates are one of the most important parts of fuel cells which their performance has appreciable effect on cell operation. In this study, Ni-Mo and Ni-Mo-P alloys coatings were prepared on 304 stainless steel substrate by electrodeposition method from citrate-ammonia bath by applying current densities of 30, 60 and 100mA/cm 2 for using in bipolar plates of polymer electrolyte membrane fuel cell. Prepared coatings were uniform and compact.Moreover, molybdenum content of Ni-Mo alloys decreased with increasing current density. On the contrary, composition of the Ni-Mo-P coatings did not change significantly. X-ray diffraction analysis indicated that all coatings were composed of a solid solution which Ni-Mo coatings had nanocrystalline structure with grain size of 47-90? and Ni-Mo-P coatings had amorphous/nanocrystalline structure. In addition, hydrophobicity of substrate was increased with preparing Ni-Mo and Ni-Mo-P coatings. Results of Tafel polarization and electrochemical impedance spectroscopy in simulated solution of fuel cell showed that the solution could not reach the substrate and also polarization resistance, as well as corrosion current density in open circuit potential, was improved compared with substrate. Investigation of potentiostatic results in cathodic condition showed that Ni-Mo-P coatings had almost equal corrosion current density after 4 hours of polarization. On the other hand, corrosion current density was decreased with increasing Mo content of Ni-Mo coatings. Investigation of interfacial contact resistance (ICR) of bare substrate and Ni-Mo coated substrate prepared at 30 mA/cm 2 and Ni-Mo-P coated substrate prepared at 100 mA/cm 2 showed decrease in ICR of substrate with applying the coatings. Moreover, after potentiostatic test of bare 304SS and Ni-Mo-P coated substrate prepared at 100 mA/cm 2 had the maximum and minimum ICR between mentioned samples, respectively. Investigation of performance of bipolar plates in practical conditions of polymer electrolyte membrane fuel cell indicated that the output voltage for substrate decreased faster compared with coated Ni-Mo-P coating obtained at 100mA/cm 2 . In addition, only activation and ohmic polarization regions were observed in diagram of single cell performance with Ni-Mo-P coated bipolar plate. On the contrary, for bare 304SS in addition to mentioned regions, concentration polarization region was also observed and output voltage and power density of cell were extremely decreased in this region. Keywords : bipolar plates, Ni-Mo alloy, Ni-Mo-P alloy, electrodeposition, polymer electrolyte membrane fuel cell
چکيده صفحات دوقطبي يکي از مهمترين اجزاي پيل هاي سوختي مي باشند به گونه اي که عملکرد آنها تأثير محسوسي روي عملکرد پيل مي گذارد. در اين تحقيق پوشش هاي آلياژ نيکل- موليبدن و نيکل-موليبدن-فسفر به روش رسوب دهي الکتريکي و از حمام سيترات – آمونياکي، با اعمال چگالي جريان هاي 30، 60 و mA/cm 2 100 روي زير لايه فولادي زنگ نزن 304 به منظور کاربرد در صفحات دو قطبي پيل سوختي غشاء پليمري ايجاد شدند. پوشش هاي ايجاد شده يکنواخت و فشرده بوده و علاوه بر آن با افزايش چگالي جريان، مقدار موليبدن آلياژهاي نيکل-موليبدن کاهش يافت درحالي که ترکيب شيميايي پوشش هاي نيکل-موليبدن-فسفر تغيير چنداني نکرد. آناليز پراش پرتو ايکس پوشش ها نشان داد که تمامي پوشش ها از يک محلول جامد تشکيل شده بودند به گونه اي که پوشش هاي نيکل-موليبدن ساختاري نانوکريستالي و با اندازه دانه 90-47 آنگستروم و پوشش هاي نيکل-موليبدن-فسفر ساختاري آمورف/نانوکريستالي داشتند. از طرفي با ايجاد پوشش هاي نيکل-موليبدن و نيکل-موليبدن-فسفر آبگريزي زيرلايه افزايش يافت. نتايج آزمون هاي پلاريزاسيون تافل و امپدانس الکتروشيميايي در محلول شبيه سازي پيل سوختي نشان داد که با اعمال پوشش ها، اولاً محلول نتوانسته به زيرلايه دسترسي يابد و ثانياً مقاومت پلاريزاسيون و چگالي جريان خوردگي در پتانسيل مدار باز نسبت به زيرلايه بهبود پيدا کرده است. بررسي نتايج آزمون پتانسيواستاتيک در شرايط کاتدي نشان داد که پوشش هاي نيکل-موليبدن-فسفر پس از 4 ساعت پلاريزاسيون چگالي جريان خوردگي تقريباً يکساني را دارا هستند و ازطرفي با افزايش مقدار موليبدن در پوشش هاي نيکل-موليبدن، چگالي جريان خوردگي کاهش مي يابد. بررسي مقاومت تماسي زيرلايه بدون پوشش و داراي پوشش هاي نيکل-موليبدن حاصل از چگالي جريان mA/cm 2 30 و نيکل-موليبدن-فسفر حاصل از چگالي جريان mA/cm 2 100حاکي از کاهش مقاومت تماسي زيرلايه با اعمال پوشش ها بود. همچنين پس از آزمون پتانسيواستاتيک فولاد زنگ نزن 304 بدون پوشش و داراي پوشش نيکل-موليبدن-فسفر حاصل از چگالي جريان mA/cm 2 100 به ترتيب بيشترين و کم ترين مقاومت تماسي را در بين نمونه هاي مذکور ارائه دادند. بررسي عملکرد صفحات دوقطبي در شرايط عملي پيل سوختي غشاء پليمري نشان داد که با افزايش چگالي جريان، ولتاژ خروجي براي زيرلايه بدون پوشش سريعتر از فولاد زنگ داراي پوشش نيکل-موليبدن-فسفر حاصل از چگالي جريان mA/cm 2 100کاهش مي يابد. علاوه بر آن در نمودار عملکرد تک سل پيل سوختي با صفحات دوقطبي داراي پوشش نيکل-موليبدن-فسفر تنها دو ناحيه فراپتانسيل اکتيواسيون و اهمي مشاهده شد در حالي که براي صفحه دوقطبي فولادزنگ نزن 304 بدون پوشش با افزايش چگالي جريان، ناحيه فراپتانسيل غلظتي نيز علاوه بر نواحي مذکور مشاهده شد که در اين ناحيه ولتاژ خروجي پيل و چگالي توان آن به شدت کاهش يافت. کلمات کليدي: صفحات دوقطبي، آلياژ نيکل-موليبدن، آلياژ نيکل-موليبدن-فسفر،رسوب دهي الکتريکي، پيل سوختي غشاء پليمري

ارتقاء امنیت وب با وف بومی