SUPERVISOR
Mohammad Zhiani,Morteza Shamanian esfahani,Kaivan Raissi
محمد ژياني (استاد مشاور) مرتضي شمعانيان اصفهاني (استاد راهنما) کيوان رئيسي (استاد راهنما)
STUDENT
Hamed Rashtchi
حامد رشتچي
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
Evaluation the operation mechanism, electrochemical behavior and electrical resistance of Ni–Mo based coatings electroplated on stainless steel for using in PEMFC bipolar plates application
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.
چکيده صفحات دو قطبي فولاد زنگنزن گزينهاي مناسب جهت بکارگيري در پيل سوختي پليمري هستند. براي افزايش عملکرد و عمر مفيد اين صفحات در محيط پيل سوختي پليمري نياز است تا سطح آنها با اعمال پوششهاي مقاوم به خوردگي محافظت گردد. در اين پژوهش، پوششهاي آلياژي Ni–Mo و Ni–Mo–P به روش رسوبدهي الکتريکي در چگالي جريان هاي پوشش دهي30، 60 و mA cm -2 100 روي فولاد زنگ نزن 316L جهت استفاده بهعنوان صفحه دو قطبي فلزي در يک مونوسِل پيل سوختي پليمري اعمال شدند تا مقاومت به خوردگي افزايش و تشکيل لايههاي اکسيدي روي سطح که عامل افزايش مقاومت الکتريکي است، کاهش يافته و عملکرد صفحات دو قطبي بهبود يابد. مهمترين مشخصهيابيهاي انجام شده روي پوششهاي اعمالي شامل مطالعات ريزساختاري و فازي توسط آناليزهاي XRD، SEM/EDX، AFM براي بررسي ترکيب و مورفولوژي پوششها و آزمون ترشوندگي جهت تعيين ميزان آبگريزي سطح پوشش ها است. خصوصيات الکتريکي صفحات دوقطبي در شرايط ex-situ با اندازهگيري هدايت الکتريکي پوششها و نيز مقاومت الکتريکي تماسي آنها در مونوسِل با تغيير پارامترهاي فشار اعمالي، جريان و دماي مونوسِل ارزيابي شدند. بعلاوه، مقاومت به خوردگي پوشش ها توسط آزمون پلاريزاسيون تافل در محيط شبيه سازي شده کاتد مونوسِل بررسي شدند. ملاحظه شد که پوشش Ni–Mo رسوب داده شده در چگالي جريان mA cm -2 100 سرعت خوردگي فولاد زنگ نزن 316L را تا 23 برابر و مقاومت الکتريکي تماسي آن را تا 3 برابر کاهش دادند. بعلاوه، در شرايط ex-situ، اين پوشش داراي مقاومت الکتريکي تماسي کمتر از m? cm 2 10 بود. خصوصيات بهتر صفحات دو قطبي پوشش داده شده در مقايسه با صفحه دوقطبي فولاد زنگنزن 316L بدون پوشش را مي توان با توجه به ويژگي هاي آبگريزي، هدايت الکتريکي و مقاومت به خوردگي بالاتر و نيز خصوصيات توپوگرافي سطحي پوشش هاي اعمال شده نسبت به سطح فولاد زنگنزن بدون پوشش توجيه نمود. بعلاوه، عملکرد صفحات دوقطبي پوشش داده شده در يک مونوسِل پيل سوختي پليمري در شرايط عملي (in-situ) طي مدت زمان 115 ساعت کارکرد بررسي شدند. تاثير پوشش هاي مذکور روي عملکرد مونوسِل توسط آزمون هاي طيفسنجي امپدانس الکتروشيميايي و ولتامتري سيکلي جهت تحليلهاي الکتروشيميايي، اندازه گيري مقاومت الکتريکي تماسي پوشش ها و آزمون پلاريزاسيون مونوسِل بررسي شدند. همچنين پوشش Ni–Mo رسوب داده شده در چگالي جريان mA cm -2 100 طي 115 ساعت کارکرد داراي بيشترين ولتاژ کاري و کمترين مقاومت الکتريکي تماسي و نيز کمترين تاثير روي خصوصيات غشاء شامل اکتيويته کاتاليست، ظرفيت الکترود و مقاومت مونوسِل بود. ارزيابي هاي انجام شده روي صفحات دوقطبي پس از پايان کارکرد و ميزان عناصر فلزي وارد شده در آب توليدي در مونوسِل بترتيب توسط آناليزهاي SEM/EDS و ICP، هيچگونه تخريب قابل توجهي در سطوح پوشش ها را نشان ندادند. با اين وجود، افزودن فسفر به پوشش Ni–Mo، تاثير مثبتي در بهبود ويژگي پوشش نداشت. در نهايت، ملاحظه شد که صفحه دو قطبي پوشش داده شده با Ni–Mo در چگالي جريان mA cm -2 100 بعلت خصوصيات ذکر شده داراي بهترين عملکرد طي مدت زمان کارکرد مونوسِل بود و حتي ولتاژ کاري بالاتر و مقاومت الکتريکي تماسي کمتري نسبت به صفحه دوقطبي گرافيت داشت و مي توان از آن بهعنوان گزينهاي مناسب جهت جايگزيني با صفحه دوقطبي گرافيتي در پيل سوختي پليمري استفاده نمود. کلمات کليدي: پيل سوختي پليمري، صفحه دو قطبي، پوشش Ni–Mo ، پوشش Ni–Mo–P ، رسوبدهي الکتريکي، فولاد زنگنزن، آبگـريزي، مـقاومت به خـوردگـي، طيـفسنجـي امپـدانـس الکـتروشـيميايي، منحني پلاريزاسيون پـيل سـوختي، مـقاومت الکــتريکي تماسـي