Effekten av karbonbelegg på tinnbelagte og varmepressede bipolare plater for PEM-brenselceller
Abstract
Formålet med arbeidet har vært å utvikle et nytt, lavkost og varig overflatebelegg for bipolare platerav rustfritt stål til PEM-brenselceller. Hensikten med arbeidet var å oppnå økt stabilitet av tinnbeleggog minke kontaktmotstand mellom bipolar plate og gassdiffusjonslag. Minimering av kontaktmotstandvil øke cellespenningen og effekten til brenselcellen.
Fabrikasjon av prøver ble utført ved å elektroplettere bipolare plater med tinn og spraye gassdiffusjonslagmed karbonbelegg for deretter å varmepresse dem sammen. Kontaktmotstand ble målt mot trykk før og etter kronoamperometri og syklisk voltammetri. Gassdiffusjonslag sprayet med flerveggetkarbon-nanorør med massefordeling 0.23 +- 0.03 mg cm^(-2) resulterte i lavest kontaktmotstand førog etter kronoamperometri. Før elektrokjemiske tester målte prøve med flervegget karbon-nanorørkontaktmotstand på 4.6 mohm cm^2 sammenlignet med 6.4 mohm cm^2 uten karbonbelegg ved 140 N cm^(-2). Etter kronoamperometri målte tilsvarende prøver henholdsvis 15.3 mohm cm^2 og 20.8 mohm cm^2 som tilsvarer en prosentvis økning på 230 % for begge prøvene. Etter syklisk voltammetri målte prøven utenkarbonbelegg 12.9 mohm cm^2, en økning på 90 % mens flervegget karbon-nanorør målte 12.0 mohm cm^2som tilsvarer 180 % økning.
In situ testing ble gjennomført med prøver av gull, rustfritt stål, tinnbelagt og varmepresset bipolarplate og varmepresset prøve med belegg av flervegget karbon-nanorør. Prøve med flervegget karbonnanorørhadde lavest kontaktmotstand før test på 7.6 mohm cm^2, men hadde størst prosentvis økningtil 15.6 mohm cm^2. Cellen hadde høyere cellespenninger enn varmepresset prøve under polarisasjon deførste 250 syklene, men hadde lavere ved etterfølgende sykler. Cellen degraderte mer ved forløp avsykler grunnet dårlig massetransport gjennom spraylaget. The purpose of this work is to develop a new low cost and sustainable surface coating for stainlesssteel bipolar plates for PEM fuel cells. The aim of this work is to obtain increased stability of the tinlayer and decreased interfacial contact resistance between the bipolar plate and gas diffusion layer.Decreased interfacial contact resistance leads to increased cell voltage and power output from the fuelcell.
Samples were fabricated by electroplating the bipolar plates with tin, spray the gas diffusion layer withcarbon coating and hot press the components together. The interfacial contact resistance was measuredagainst pressure before and after chronoamperometry and cyclic voltammetry. The sample with multiwalledcarbon nano tubes at a loading of 0.23 +- 0.03 mg cm^(-2) obtained the lowest interfacial contactresistance before and after chronoamperometry. Ex situ measurement at 140 N cm^(-2) with and withoutthe carbon coating resulted in 4.6 mohm cm^2 and 6.4 mohm cm^2, respectively. After chronoamperometrythe samples recorded 15.3 mohm cm^2 and 20.8 mohm cm^2, respectively, which equals a 230% increase forboth samples. After cyclic voltammetry the coated sample obtained 12.0 mohm cm^2, a 180% increase,while the uncoated sample obtained 12.9 mohm cm^2, a 90% increase.
In situ testing was performed with bipolar plates of gold, stainless steel, tinplated and hot pressed,and hot pressed with multi-walled carbon nano tubes coating. The carbon coated sample recordedthe lowest interfacial contact resistance before in situ at 7.6 mohm cm^2 but had the highest percentageincrease to 15.6 mohm cm^2. From polarization the coated sample had higher cell voltages than theuncoated sample for the first 250 cycles. However, after the first shutdown the uncoated sampleregenerated more and improved over the coated sample for the remaining cycles of the test. Thecoated sample struggled with degradation at increasing cycles due to bad mass transport through thecoating.