OPTIMIZATION OF ELECTRICAL CONDUCTION AND PASSIVITY PROPERTIES OF STAINLESS STEELS USED FOR PEM FUEL CELL BIPOLAR PLATES
OPTIMISATION DES PROPRIETES DE CONDUCTION ELECTRIQUE ET DE PASSIVITE D'ACIERS INOXYDABLES POUR LA REALISATION DE PLAQUES BIPOLAIRES DE PILE A COMBUSTIBLE DE TYPE PEMFC
Résumé
Among the new technologies for energy for sustainable development, PEM fuel cells offer seducing aspects. However, in order to make this technology fit large scale application requirements, it has to comply with stringent cost, performance, and durability criteria. In such a frame, the goal of this PhD was to optimize electrical conduction properties and passivity of stainless steels for the conception of PEMFC bipolar plates, used instead of graphite, the reference material.
This work presents the possible ways of performance loss when using stainless steels and some methods to solve this problem. Passive film properties were studied, as well as their modifications by low cost industrial surface treatments, without deposition.
Ex situ characterizations of corrosion resistance and electrical conduction were performed. Electrochemical impedance spectroscopy, water analysis, surface analysis by microscopy and photoelectron spectroscopy allowed to study the impact of ageing on two alloys in different states, and several conditions representative of an exposure to PEMFC media. Correlations between semiconductivity properties, composition, and structure of passive layers were considered, but not leading to clear identification of all parameters responsible for electrical conduction and passivity.
The plate industrial state is not convenient for direct use in fuel cell to comply with durability and performance requirements. A surface modification studied improves widely electrical conduction at initial state. The performance is degraded with ageing, but maintaining a level higher than the initial industrial state. This treatment increases also corrosion resistance, particularly on the anode side.
This work presents the possible ways of performance loss when using stainless steels and some methods to solve this problem. Passive film properties were studied, as well as their modifications by low cost industrial surface treatments, without deposition.
Ex situ characterizations of corrosion resistance and electrical conduction were performed. Electrochemical impedance spectroscopy, water analysis, surface analysis by microscopy and photoelectron spectroscopy allowed to study the impact of ageing on two alloys in different states, and several conditions representative of an exposure to PEMFC media. Correlations between semiconductivity properties, composition, and structure of passive layers were considered, but not leading to clear identification of all parameters responsible for electrical conduction and passivity.
The plate industrial state is not convenient for direct use in fuel cell to comply with durability and performance requirements. A surface modification studied improves widely electrical conduction at initial state. The performance is degraded with ageing, but maintaining a level higher than the initial industrial state. This treatment increases also corrosion resistance, particularly on the anode side.
Parmi les nouvelles technologies pour l'énergie inscrites dans un contexte de développement durable, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) présentent des aspects séduisants. Toutefois, pour rendre cette technologie compatible avec une application à grande échelle, elle doit répondre à des exigences strictes en terme de coût, performance, et durabilité. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre, en proposant d'optimiser les propriétés de conduction électrique et de passivité d'aciers inoxydables pour la réalisation de plaques bipolaires pour PEMFC, en remplacement du graphite, le matériau de référence.
Ce travail fait l'inventaire des modes de dégradation de performances possibles lors de l'emploi d'aciers inoxydables et des moyens pour y remédier. Les propriétés des films passifs sur aciers inoxydables ont été étudiées, ainsi que leur modification par des solutions industrielles de traitements de surfaces bas coût, sans revêtement.
Des caractérisations ex situ de la tenue à la corrosion et de la conduction électrique des matériaux envisagés ont été effectuées. La spectroscopie d'impédance électrochimique, la mesure de la teneur en cations métalliques après essai, et des analyses de surface des aciers inoxydables par microscopie et spectroscopie de photoélectrons, ont permis d'étudier le vieillissement de deux nuances d'aciers inoxydables dans différents états et plusieurs conditions représentatives d'une exposition en milieu PEMFC. Des corrélations entre les propriétés semiconductrices, la composition, et la structure des couches passives ont été envisagées, sans toutefois aboutir à une identification claire de tous les paramètres responsables de la conductivité électrique et de la passivité des couches.
L'état industriel de livraison des tôles ne convient pas à un emploi direct en pile pour satisfaire les critères de durabilité et performance pour des conditions classiques de fonctionnement. Une modification de surface étudiée apporte une nette amélioration de la conduction électrique à l'état initial, qui se dégrade au vieillissement, tout en restant à un niveau supérieur à l'état industriel de réception. Ce traitement augmente également la résistance à la corrosion, particulièrement côté anodique.
Ce travail fait l'inventaire des modes de dégradation de performances possibles lors de l'emploi d'aciers inoxydables et des moyens pour y remédier. Les propriétés des films passifs sur aciers inoxydables ont été étudiées, ainsi que leur modification par des solutions industrielles de traitements de surfaces bas coût, sans revêtement.
Des caractérisations ex situ de la tenue à la corrosion et de la conduction électrique des matériaux envisagés ont été effectuées. La spectroscopie d'impédance électrochimique, la mesure de la teneur en cations métalliques après essai, et des analyses de surface des aciers inoxydables par microscopie et spectroscopie de photoélectrons, ont permis d'étudier le vieillissement de deux nuances d'aciers inoxydables dans différents états et plusieurs conditions représentatives d'une exposition en milieu PEMFC. Des corrélations entre les propriétés semiconductrices, la composition, et la structure des couches passives ont été envisagées, sans toutefois aboutir à une identification claire de tous les paramètres responsables de la conductivité électrique et de la passivité des couches.
L'état industriel de livraison des tôles ne convient pas à un emploi direct en pile pour satisfaire les critères de durabilité et performance pour des conditions classiques de fonctionnement. Une modification de surface étudiée apporte une nette amélioration de la conduction électrique à l'état initial, qui se dégrade au vieillissement, tout en restant à un niveau supérieur à l'état industriel de réception. Ce traitement augmente également la résistance à la corrosion, particulièrement côté anodique.