بررسی مورفولوژی و خواص الکتریکی و الکتروشیمیایی پوشش طلا روی صفحات دوقطبی فلزی پیل‌سوختی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، آزمایشگاه تحقیقاتی فناوری پیل‌سوختی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، فریدون کنار، ایران

2 کارشناس ارشد، ، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران

3 پژوهشگر، آزمایشگاه تحقیقاتی فناوری پیل‌سوختی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، فریدونکنار، ایران

چکیده

پیل‌های سوختی غشا پلیمری به دلیل مزایایی همچون دمای عملکرد پایین، چگالی توان بالا و زمان راه‌اندازی پایین، نسبت به دیگر پیل‌های سوختی بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. یکی از مهم‌ترین اجزای پیل‌سوختی پلیمری صفحات دوقطبی می‌باشد که شامل انواع مختلفی است. صفحات دوقطبی فلزی نسبت به صفحات دو قطبی کامپوزیتی پایه‌گرافیتی از مزایایی همچون استحکام بالا و ضخامت و وزن پایین‌تر برخوردارند. مقاومت به خوردگی و مقاومت تماسی بین سطوح صفحات دوقطبی فلزی یکی از چالش‌های صفحات دوقطبی فلزی می‌باشد. به همین دلیل، صفحات دوقطبی فلزی برای افزایش مقاومت به خوردگی و کاهش مقاومت تماسی تحت فرآیند پوشش‌دهی قرار می‌گیرند. در این پژوهش، خواص و مورفولوژی پوشش طلا روی زیرلایه مسی و فولاد زنگ‌نزن با استفاده از روش‌های آبکاری الکتریکی و اسپاترینگ مورد مطالعه قرار گرفت. بررسی مورفولوژی سطح نمونه‌ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی صورت گرفت. همچنین، به منظور بررسی مقاومت تماسی نمونه‌های پوشش داده‌شده و بدون پوشش، از آزمون مقاومت تماسی بین سطوح استفاده شد. مقاومت به خوردگی پوشش‌های اعمال شده با استفاده از آزمون‌های گالوانواستاتیک و پتانسیواستاتیک مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج بدست‌آمده نشان داد که استفاده از روش آبکاری الکتریکی باعث ایجاد حفره‌ها و تخلخل‌های زیادی در سطح نمونه می‌شود. همچنین، مشخص شد که استفاده از روش اسپاترینگ به طور قابل توجهی موجب افزایش مقاومت به خوردگی و کاهش مقاومت تماسی می‌گردد.

کلیدواژه‌ها


[1] Wang, Y. and D.O. Northwood, An investigation into polypyrrole-coated 316L stainless steel as a bipolar plate material for PEM fuel cells. Journal of Power Sources, 2006. 163(1): p. 500-508.
[2] Wang, H. and J. Turner, Reviewing metallic PEMFC bipolar plates. Fuel Cells, 2010. 10(4): p. 510-519.
[3] Wang, Y. and D.O. Northwood, An investigation into TiN-coated 316L stainless steel as a bipolar plate material for PEM fuel cells. Journal of Power Sources, 2007. 165(1): p. 293-298.
[4] Taherian, R., A review of composite and metallic bipolar plates in proton exchange membrane fuel cell: Materials, fabrication, and material selection. Journal of Power Sources, 2014. 265: p. 370-390.
[5] Wind, J., R. Späh, W. Kaiser, and G. Böhm, Metallic bipolar plates for PEM fuel cells. Journal of Power Sources, 2002. 105(2): p. 256-260.
[6] Kumar, A., M. Ricketts, and S. Hirano, Ex situ evaluation of nanometer range gold coating on stainless steel substrate for automotive polymer electrolyte membrane fuel cell bipolar plate. Journal of Power Sources, 2010. 195(5): p. 1401-1407.
[7] Miyazawa, A., E. Tada, and A. Nishikata, Influence of corrosion of SS316L bipolar plate on PEFC performance. Journal of Power Sources, 2013. 231: p. 226-233.
[8] Davies, D., P. Adcock, M. Turpin, and S. Rowen, Bipolar plate materials for solid polymer fuel cells. Journal of Applied Electrochemistry, 2000. 30(1): p. 101-105.
[9] Yun, Y.-H., Deposition of gold–titanium and gold–nickel coatings on electropolished 316L stainless steel bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells. international journal of hydrogen energy, 2010. 35(4): p. 1713-1718.
[10] Yan, W.-M., C.-Y. Chen, and C.-H. Liang, Comparison of performance degradation of high temperature PEM fuel cells with different bipolar plates. Energy, 2019. 186: p. 115836.
[11] بهرامی‌پور، م., س.م. ربیعی و م. جعفریان, بررسی خواص و مورفولوژی پوشش‌ نانولایه طلا ایجاد شده بر روی صفحات دوقطبی در پیل سوختی به روش اسپاترینگ. نانومواد, 2014. 4(12): p. 259-267.
[12] Joseph, S., J.C. McClure, R. Chianelli, P. Pich, and P. Sebastian, Conducting polymer-coated stainless steel bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). International Journal of Hydrogen Energy, 2005. 30(12): p. 1339-1344.
[13] Feng, K., Z. Li, H. Sun, L. Yu, X. Cai, Y. Wu, and P.K. Chu, C/CrN multilayer coating for polymer electrolyte membrane fuel cell metallic bipolar plates. Journal of Power Sources, 2013. 222: p. 351-358.
[14] Oyarce, A., N. Holmström, A. Bodén, S. Randström, and G. Lindbergh, In-situ Measurements of Contact Resistance and In-situ Durability studies of Steels and Coatings to be used as Bipolar Plates in PEMFCs. ECS Transactions, 2009. 25(1): p. 1791-1801.
[15] Ruset, C., E. Grigore, G. Collins, K. Short, F. Rossi, N. Gibson, H. Dong, and T. Bell, Characteristics of the Ti2N layer produced by an ion assisted deposition method. Surface and Coatings Technology, 2003. 174: p. 698-703.
[16] Park, J.H., D. Byun, and J.K. Lee, Employment of fluorine doped zinc tin oxide (ZnSnOx: F) coating layer on stainless steel 316 for a bipolar plate for PEMFC. Materials Chemistry and Physics, 2011. 128(1-2): p. 39-43.
[17] Lee, S.-J., C.-H. Huang, and Y.-P. Chen, Investigation of PVD coating on corrosion resistance of metallic bipolar plates in PEM fuel cell. Journal of materials processing technology, 2003. 140(1-3): p. 688-693.
[18] Yi, P., W. Zhang, F. Bi, L. Peng, and X. Lai, Enhanced corrosion resistance and interfacial conductivity of TiC x/aC nanolayered coatings via synergy of substrate bias voltage for bipolar plates applications in PEMFCs. ACS applied materials & interfaces, 2018. 10(22): p. 19087-19096.
[19] Yi, P., L. Zhu, C. Dong, and K. Xiao, Corrosion and interfacial contact resistance of 316L stainless steel coated with magnetron sputtered ZrN and TiN in the simulated cathodic environment of a proton-exchange membrane fuel cell. Surface and Coatings Technology, 2019. 363: p. 198-202.
[20] Yoon, W., X. Huang, P. Fazzino, K.L. Reifsnider, and M.A. Akkaoui, Evaluation of coated metallic bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells. Journal of Power Sources, 2008. 179(1): p. 265-273.