SUPERVISOR
حسن علم خواه (استاد مشاور) محمد ژياني (استاد مشاور) محمدعلي گلعذار (استاد راهنما) مسعود عطاپور (استاد راهنما)
STUDENT
Sharif Jannat
شريف جنت
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Surface modification of austenitic stainless steel bipolar plates by physical vapor deposition of Ti/TiN nanolayers for application in polymer fuel cell environment
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.
چکيده در سال‌هاي اخير پيل‌هاي سوختي که قادر به تبديل انرژي شيميايي به انرژي الکتريکي با استفاده از يک واکنش الکتروشيميايي هستند، به‌طور گسترده‌اي مورد مطالعه قرارگرفته‌اند. پيل‌هاي سوختي مزيت‌هاي بي‌شماري مثل راندمان بالا، آلودگي کم، دماي کاري پايين و سازگاري با محيط زيست دارند. در ميان پيل‌هاي سوختي متعددي که وجود دارد، پيل‌هاي سوختي با غشاء مبادله کننده پروتون PEMFC مزيت‌هاي زيادي دارند ازجمله: وزن کم، راندمان بالا و دماي کاري پايين. يکي از موانع استفاده گسترده از PEMFC هزينه بالاي ساخت آن‌ها است که به‌طور مؤثري به هزينه توليد صفحات دوقطبي وابسته است. انتخاب سنتي براي صفحات دوقطبي استفاده از صفحات گرافيتي بدون تخلخل است که داراي هدايت الکتريکي ذاتي خوب و پايداري شيميايي در محيط خورنده پيل سوختي پليمري PEMFC است. اگرچه، گرافيت ترد است و مقاومت مکانيکي خوبي ندارد. مشکل ديگر نياز به ماشين‌کاري براي ايجاد کانال‌هاي مسير- جريان است که هزينه زيادي را به دنبال دارد. اخيراً استفاده از صفحات دوقطبي فلزي به دليل داشتن خواصي مثل استحکام خوب، پايداري شيميايي، هدايت الکتريکي و حرارتي بالا و ارزان بودن انتخاب ترجيحي براي صفحات دوقطبي هستند. در ميان فلزات مختلف فولاد زنگ‌نزن L316 بيشتر مورد توجه قرار دارد، بااين‌وجود يک مانع بزرگ که کارايي صفحات دوقطبي ساخته شده از فولاد زنگ‌نزن را کاهش مي‌دهد، مستعد بودن آن‌ها به خوردگي در محيط مرطوب و اسيدي پيل سوختي است. هم‌چنين فيلم اکسيدي محافظ روي سطح فولادهاي زنگ‌نزن باعث افزايش مقاومت تماسي فصل مشترک و کاهش انرژي خروجي پيل مي‌شود؛ بنابراين به‌کارگيري برخي روش‌هاي اصلاح سطحي و يا اعمال پوشش‌هاي محافظ به‌منظور اصلاح سطح و بهبود مقاومت به خوردگي و کاهش مقاومت تماسي فصل مشترک الزامي است. در اين مطالعه به بررسي پوشش چندلايه نانومتري Ti/TiN به‌منظور بهبود خواص سطحي و مقاومت به خوردگي الکتروشيميايي و کاهش مقاومت تماسي فصل مشترک صفحات دوقطبي فولاد زنگ‌نزن آستنيتي L316 پرداخته شده است. پوشش چندلايه به‌وسيله فرايند رسوب فيزيکي بخار قوس کاتدي لايه نشاني شد. آزمون‌هاي XRD، SEM و FE-SEM به‌منظور مشخصه‌يابي ترکيب شيميايي سطح و تعيين ضخامت لايه‌هاي پوشش انجام‌شده است. خواص الکتروشيميايي فولاد بدون پوشش و پوشش داده شده به‌وسيله آزمون‌هاي پلاريزاسيون پتانسيواستاتيک (PS) و پلاريزاسيون پتانسيوديناميک (PD) و طيف‌سنجي امپدانس الکتروشيميايي (EIS) در دماي اتاق و در شرايط کاتدي شبيه‌سازي شده پيل سوختي پليمري (دماي ?c70 همراه با پرچ گاز اکسيژن) انجام گرفت. نتايج آزمون پلاريزاسيون پتانسيوديناميک نشان مي‌دهد پوشش چندلايه نانومتري Ti/TiN مقاومت پلاريزاسيون فولاد را تا حدود 25 برابر در دماي اتاق و 1000 برابر در شرايط کاتدي پيل سوختي پليمري افزايش مي‌دهد. نتايج آزمون پلاريزاسيون پتانسيواستاتيک نشان مي‌دهد که براي پوشش چندلايه نانومتري Ti/TiN رويين شدن خيلي سريع اتفاق مي‌افتد که بيانگر مقاومت به خوردگي بيشتر نمونه‌هاي پوشش داده شده نسبت به نمونه‌هاي بدون پوشش است. بر اساس نتايج آزمون طيف‌سنجي امپدانس الکتروشيميايي، مدار معادل الکتريکي با دو ثابت زماني و يک ثابت زماني به ترتيب براي نمونه‌هاي پوشش داده شده و بدون پوشش به منظور تطبيق رفتار الکتروشيميايي در شرايط آزمون در نظر گرفته شد. پوشش چندلايه نانوکريستالي مقاومت تماسي فصل مشترک (ICR) بسيار کم حدود m?.cm 2 13 قبل از آزمون پلاريزاسيون پتانسيواستاتيک را نشان مي‌دهد، اين مقدار مقاومت تماسي به‌طور آشکار کم‌تر از زيرلايه بدون پوشش است و پس از آزمون پلاريزاسيون پتانسيواستاتيک به مدت 1 ساعت تقريباً بدون تغيير باقي مي‌ماند. علاوه بر اين زاويه ترشوندگي بالا (?95) براي پوشش، نشان‌دهنده خواص آب‌گريزي است که مي‌تواند مديريت آب داخل توده پيل سوختي را بهبود بخشد. کلمات کليدي : پيل سوختي، صفحات دوقطبي، مقاومت تماسي، رسوب فيزيکي بخار قوس کاتدي، پلاريزاسيون، طيف‌سنجي امپدانس