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 plater av rustfritt stål til PEM-brenselceller. Hensikten med arbeidet var å oppnå økt stabilitet av tinnbelegg og minke kontaktmotstand mellom bipolar plate og gassdiffusjonslag. Minimering av kontaktmotstand vil øke cellespenningen og effekten til brenselcellen.

Fabrikasjon av prøver ble utført ved å elektroplettere bipolare plater med tinn og spraye gassdiffusjonslag med karbonbelegg for deretter å varmepresse dem sammen. Kontaktmotstand ble målt mot trykk før og etter kronoamperometri og syklisk voltammetri. Gassdiffusjonslag sprayet med flervegget karbon-nanorør med massefordeling 0.23 +- 0.03 mg cm^(-2) resulterte i lavest kontaktmotstand før og etter kronoamperometri. Før elektrokjemiske tester målte prøve med flervegget karbon-nanorør kontaktmotstand 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 uten karbonbelegg 12.9 mohm cm^2, en økning på 90 % mens flervegget karbon-nanorør målte 12.0 mohm cm^2 som tilsvarer 180 % økning.

In situ testing ble gjennomført med prøver av gull, rustfritt stål, tinnbelagt og varmepresset bipolar plate og varmepresset prøve med belegg av flervegget karbon-nanorør. Prøve med flervegget karbonnanorør hadde lavest kontaktmotstand før test på 7.6 mohm cm^2, men hadde størst prosentvis økning til 15.6 mohm cm^2. Cellen hadde høyere cellespenninger enn varmepresset prøve under polarisasjon de første 250 syklene, men hadde lavere ved etterfølgende sykler. Cellen degraderte mer ved forløp av sykler grunnet dårlig massetransport gjennom spraylaget.

The purpose of this work is to develop a new low cost and sustainable surface coating for stainless steel bipolar plates for PEM fuel cells. The aim of this work is to obtain increased stability of the tin layer 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 fuel cell.

Samples were fabricated by electroplating the bipolar plates with tin, spray the gas diffusion layer with carbon coating and hot press the components together. The interfacial contact resistance was measured against pressure before and after chronoamperometry and cyclic voltammetry. The sample with multiwalled carbon nano tubes at a loading of 0.23 +- 0.03 mg cm^(-2) obtained the lowest interfacial contact resistance before and after chronoamperometry. Ex situ measurement at 140 N cm^(-2) with and without the carbon coating resulted in 4.6 mohm cm^2 and 6.4 mohm cm^2, respectively. After chronoamperometry the samples recorded 15.3 mohm cm^2 and 20.8 mohm cm^2, respectively, which equals a 230% increase for both 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 recorded the lowest interfacial contact resistance before in situ at 7.6 mohm cm^2 but had the highest percentage increase to 15.6 mohm cm^2. From polarization the coated sample had higher cell voltages than the uncoated sample for the first 250 cycles. However, after the first shutdown the uncoated sample regenerated more and improved over the coated sample for the remaining cycles of the test. The coated sample struggled with degradation at increasing cycles due to bad mass transport through the coating.