| dc.description.abstract | Den moderne verdens største utfordring er å holde seg innenfor grensene for akseptabel global oppvarming. Klimagassutslipp må derfor reduseres. Flytrafikk er en enorm bidragsyter til klimagassutslipp verden over. Protonutvekslende membran brenselceller er en av de mest lovende grønne energiløsningene. Ved å gjøre denne teknologien til neste generasjons flymotorer vil klimagassutslipp innenfor flytrafikk kunne reduseres betraktelig. Hovedutfordringen med brenselceller er å redusere deres totale vekt.
Det har i løpet av dette arbeidet blitt utviklet et flerlagsbelegg for aluminium bipolare plater som et lettvekts alternativ til de tradisjonelle bipolare platene laget av rustfritt stål. Når flere brenselceller kobles i serie, kan de bipolare platene laget av rustfritt stål være ansvarlig for opptil 80% av den totale vekten. Dersom brenselceller skal implementeres i fly krever dette en kraftig vektreduksjon. Derfor er et lettmetall som aluminium et lovende bipolart platematerial. Ubelagt aluminium er imidlertid ikke stabilt i proton-utvekslingsmembranbrenselcellemiljøet og oppfyller ikke konduktivitetskravet på grunn av oksiddannelse når det kommer i kontakt med luft. Dette arbeidet har derfor fokusert på å utvikle korrosjonsbestandige og svært ledende flerlagsbelegg på aluminium.
Ulike belegningsteknikker som elektronstrålefordamning, sputterdeponering og atomlagsdeponering har blitt benyttet for å påføre de ulike lagene av flerlagsbelegget. Beleggene ble studert i elektronmikroskop og deres korrosjonsmotstand ble testet i et simulert proton-utvekslingsmembranbrenselcellemiljø. Kontaktmotstanden til hver prøve ble målt før og etter korrosjonstester.
Kontaktmotstandsmålinger viste at aluminium belagt med enten titan eller titannitrid og gull, før korrosjonsmålinger, møtte kontaktmotstandsmålet (under 10 mOhm cm^2) utnevnt av det amerikanske energidepartementet. Undersøkelse ved bruk av elektronmikroskopi viste imidlertid at forbehandlingsprosedyren førte til en ujevn overflate med mange groper. Dermed var det vanskelig å oppnå belegg som dekket overflaten helt og var uten defekter, og enkelte deler av aluminiumssubstratet ble eksponert til elektrolytt. De eksponerte delene av aluminiumssubstratet førte til høye strømtettheter og beleggssvikt under lineær sveipevoltammetri og kronoamperometri i pH 3 elektrolytt varmet opp til 70 grader C, ved relevante brenselcellepotensialer. Aluminium belagt med titannitrid viste den høyeste korrosjonsmotstanden med en strømrespons under 1 mikroA/cm^2 etter 24 timer ved 1 V. Denne prøven var imidlertid ikke i stand til å oppnå kontaktmostand innenfor kontaktmotstandsmålet.
Videre arbeid bør fokusere på å videreutvikle titannitridbelegg som viste lovende korrosjonsegenskaper, men høy kontaktmotstand. I tillegg vil det å undersøke forskjellige beleggningsteknikker for å oppnå belegg uten defekter forbedre beleggets levetid. Det å justere testforholdene slik at de samsvarer bedre med de faktiske omgivelsene de bipolare platene utsettes for i en brenselcelle under drift, vil kunne gi et mer realistiske resultater. | |
| dc.description.abstract | The modern world’s biggest challenge is keeping within the limits of acceptable global warming. Hence, the emission of greenhouse gases must be reduced. Air traffic is a massive contributor to greenhouse gas emissions worldwide. One of the most promising green energy solutions is the proton exchange membrane fuel cell. Making this technology the next generation aircraft engines can reduce air traffic pollution considerably. The main challenge is reducing the total fuel cell weight.
In this work, a multilayer coating for aluminium bipolar plates has been developed as a low-weight alternative to traditional stainless steel bipolar plates used in proton exchange membrane fuel cells. Stainless steel bipolar plates can account for up to 80% of the weight of a fuel cell stack, and if fuel cells are to be used in hard-to-decarbonise sectors like aircraft, a large weight reduction is required. Therefore, a light-weight metal such as aluminium is a promising bipolar plate material. However, uncoated aluminium is not stable in the proton exchange membrane fuel cell environment and does not fulfil the conductivity requirement due to oxide formation when exposed to air. Thus, this work has focused on developing corrosion resistant and highly conductive multilayer coatings on aluminium.
Various coating techniques such as electron beam evaporation, magnetron sputtering, and atomic layer deposition have been performed to apply the individual layers of the multilayer coating. The coatings were studied using scanning electron microscopy, and their corrosion resistance was tested in a simulated proton exchange membrane fuel cell environment. The contact resistance of each sample was measured before and after corrosion tests.
Interfacial contact resistance measurements demonstrated that aluminium coated with either titanium or titanium nitride and gold, before corrosion tests, could meet the area specific resistance target (below 10 mOhm cm^2) outlined by the U.S. Department of Energy. However, scanning electron microscopy showed that the pre-treatment procedure led to an uneven surface with multiple pits. Thus, it was hard to obtain complete coating coverage and defect-free coatings. The exposed aluminium substrate led to high current densities and coating failure during linear sweep voltammetry and chronoamperometry in pH 3 electrolyte heated to 70 degree C, at relevant fuel cell potentials. Aluminium coated with titanium nitride showed the highest corrosion resistance with a current response below 1 microA/cm^2 after 24 hours at 1 V. However, this sample did not meet the area specific resistance target.
Further work should focus on further development of titanium nitride coatings, which showed promising corrosion properties but high contact resistances. Additionally, investigating different coating techniques to achieve defect-free coatings would improve the coating longevity. Finally, adjusting the test conditions to more closely match the actual surroundings the bipolar plates experience inside an operating fuel cell would give a more realistic result. | |
