اصلاح سطحی صفحات دوقطبی فولاد زنگ‌نزن آستنیتی به‌وسیله رسوب فیزیکی بخار نانولایه‌های Ti/TiN جهت کاربرد در محیط پیل سوختی پلیمری

STUDENT

DEGREE

YEAR

In recent years, fuel cells that are capable of converting chemical energy to electrical energy by using an electrochemical reaction are widely studied. Polymer fuel cells have many advantages, including low weight, high efficiency and low operating temperature. One of the obstacles to the widespread use of polymer fuel cells is the cost of their construction, which is effectively dependent on the cost of producing bipolar plates. Recently, use of metallic bipolar plates is the preferred choice for bipolar plates because of its properties such as good strength, chemical stability, high electrical conductivity and high thermal conductivity. Among the various metals, the 316L stainless steel is more concerned, but with a large barrier reducing the efficiency of bipolar plates made of stainless steel, they are susceptible to corrosion in a wet and acidic environment of the fuel cell; therefore, some surface modification methods or applying protective coatings to improve corrosion resistance are essential. In this study, the Ti/TiN nanmetric multilayer coating is used to improve the surface properties and the electrochemical corrosion resistance of 316L austenitic steel bipolar plates. Multi-layer coating is indicated by cathodic arc physical vapor deposition process. The electrochemical properties of coated and uncoated steel in a polymer fuel cell simulation environment were carried out by potentiostatic polarization and potentiodynamic polarization experiments at ambient temperature and 70 °C. The results of potentiodynamic polarization results show that the Ti/TiN nanometric multi-layer coating increases the polarization of uncoated steel by about 25 times at ambient temperature and 1000 times at 70 ° C. The contact resistance of the interface is about 12.5 m?.cm2 before potentiostatic polarization test.This amount of contact resistance is clearly less than the uncoated substrate. The contact resistance remains almost unchanged after a potentiostatic polarization test for 1 hour. In addition, the high wettability angle (95) for coating, indicates hydrophobic properties that can improve the management of water inside the fuel cell stack. Keywords: Fuel Cell, Bipolar Plates, Contact Resistance,Cathodic Arc Physical Vapor Deposition,Impedance Spectroscopy.

در سال‌های اخیر پیل‌های سوختی که قادر به تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی با استفاده از یک واکنش الکتروشیمیایی هستند، به‌طور گسترده‌ای مورد مطالعه قرارگرفته‌اند. پیل‌های سوختی مزیت‌های بی‌شماری مثل راندمان بالا، آلودگی کم، دمای کاری پایین و سازگاری با محیط‌ زیست دارند. در میان پیل‌های سوختی متعددی که وجود دارد، پیل‌های سوختی با غشاء مبادله کننده پروتون PEMFC مزیت‌های زیادی دارند ازجمله: وزن کم، راندمان بالا و دمای کاری پایین. یکی از موانع استفاده گسترده از PEMFC هزینه بالای ساخت آن‌ها است که به‌طور مؤثری به هزینه تولید صفحات دوقطبی وابسته است. انتخاب سنتی برای صفحات دوقطبی استفاده از صفحات گرافیتی بدون تخلخل است که دارای هدایت الکتریکی ذاتی خوب و پایداری شیمیایی در محیط خورنده پیل سوختی پلیمری PEMFC است. اگرچه، گرافیت ترد است و مقاومت مکانیکی خوبی ندارد. مشکل دیگر نیاز به ماشین‌کاری برای ایجاد کانال‌های مسیر- جریان است که هزینه زیادی را به دنبال دارد. اخیراً استفاده از صفحات دوقطبی فلزی به دلیل داشتن خواصی مثل استحکام خوب، پایداری شیمیایی، هدایت الکتریکی و حرارتی بالا و ارزان بودن انتخاب ترجیحی برای صفحات دوقطبی هستند. در میان فلزات مختلف فولاد زنگ‌نزن L316 بیشتر مورد توجه قرار دارد، بااین‌وجود یک مانع بزرگ که کارایی صفحات دوقطبی ساخته شده از فولاد زنگ‌نزن را کاهش می‌دهد، مستعد بودن آن‌ها به خوردگی در محیط مرطوب و اسیدی پیل سوختی است. هم‌چنین فیلم اکسیدی محافظ روی سطح فولادهای زنگ‌نزن باعث افزایش مقاومت تماسی فصل مشترک و کاهش انرژی خروجی پیل می‌شود؛ بنابراین به‌کارگیری برخی روش‌های اصلاح سطحی و یا اعمال پوشش‌های محافظ به‌منظور اصلاح سطح و بهبود مقاومت به خوردگی و کاهش مقاومت تماسی فصل مشترک الزامی است. در این مطالعه به بررسی پوشش‌ چندلایه نانومتری Ti/TiN به‌منظور بهبود خواص سطحی و مقاومت به خوردگی الکتروشیمیایی و کاهش مقاومت تماسی فصل مشترک صفحات دوقطبی فولاد زنگ‌نزن آستنیتی L316 پرداخته شده است. پوشش چندلایه به‌وسیله فرایند رسوب فیزیکی بخار قوس کاتدی لایه نشانی شد. آزمون‌های XRD، SEM و FE-SEM به‌منظور مشخصه‌یابی ترکیب شیمیایی سطح و تعیین ضخامت لایه‌های پوشش انجام‌شده است. خواص الکتروشیمیایی فولاد بدون پوشش و پوشش‌ داده شده به‌وسیله آزمون‌های پلاریزاسیون پتانسیواستاتیک (PS) و پلاریزاسیون پتانسیودینامیک (PD) و طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) در دمای اتاق و در شرایط کاتدی شبیه‌سازی شده پیل سوختی پلیمری (دمای ?c70 همراه با پرچ گاز اکسیژن) انجام گرفت. نتایج آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک نشان می‌دهد پوشش چندلایه نانومتری Ti/TiN مقاومت پلاریزاسیون فولاد را تا حدود 25 برابر در دمای اتاق و 1000 برابر در شرایط کاتدی پیل سوختی پلیمری افزایش می‌دهد. نتایج آزمون پلاریزاسیون پتانسیواستاتیک نشان می‌دهد که برای پوشش چندلایه نانومتری Ti/TiN رویین شدن خیلی سریع اتفاق می‌افتد که بیانگر مقاومت به خوردگی بیشتر نمونه‌های پوشش داده شده نسبت به نمونه‌های بدون پوشش است. بر اساس نتایج آزمون طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی، مدار معادل الکتریکی با دو ثابت زمانی و یک ثابت زمانی به ترتیب برای نمونه‌های پوشش‌ داده شده و بدون پوشش به منظور تطبیق رفتار الکتروشیمیایی در شرایط آزمون در نظر گرفته شد. پوشش چندلایه نانوکریستالی مقاومت تماسی فصل مشترک (ICR) بسیار کم حدود m?.cm 2 13 قبل از آزمون پلاریزاسیون پتانسیواستاتیک را نشان می‌دهد، این مقدار مقاومت تماسی به‌طور آشکار کم‌تر از زیرلایه بدون پوشش است و پس از آزمون پلاریزاسیون پتانسیواستاتیک به مدت 1 ساعت تقریباً بدون تغییر باقی می‌ماند. علاوه بر این زاویه ترشوندگی بالا (?95) برای پوشش، نشان‌دهنده خواص آب‌گریزی است که می‌تواند مدیریت آب داخل توده پیل سوختی را بهبود بخشد. کلمات کلیدی : پیل سوختی، صفحات دوقطبی، مقاومت تماسی، رسوب فیزیکی بخار قوس کاتدی، پلاریزاسیون، طیف‌سنجی امپدانس