Korrosion metallischer Bipolarplatten in Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen

Weißbecker, Vitali; Mohrdieck, Christian; Lehnert, Werner

doi:10.18154/RWTH-2017-02921

Korrosion metallischer Bipolarplatten in Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen = Corrosion of metallic bipolar plates in high-temperature polymer electrolyte fuel cells

Weißbecker, Vitali

2017

VerantwortlichkeitsangabeVitali Weißbecker

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2017

Umfangviii, 194 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-205-4

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt ; 357

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Druckausgabe: 2017. - Onlineausgabe: 2017. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Lehnert, Werner (Thesis advisor)^RWTH* ; Mohrdieck, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-10-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-02921
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/686687/files/686687.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/686687/files/686687.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Modellierung in der elektrochemischen Verfahrenstechnik (FZ Jülich) (420520)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (frei) ; metallische Bipolarplatten (frei) ; elektrochemische Korrosion (frei) ; Korrosionsstrom (frei) ; Beschichtungskonzepte (frei) ; Schutzschichten (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Mit weltweit zunehmendem Energiebedarf gewinnt die Brennstoffzellentechnologie immer mehr an Bedeutung. Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie eines Energieträgers (z.B. Wasserstoff) direkt in elektrische Energie um und weisen dadurch einen hohen Wirkungsgrad auf. Hauptgegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung des Korrosionsverhaltens von metallischen Werkstoffen für den Einsatz als Bipolarplattenmaterial in Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen. Die Vorteile von metallischen Bipolarplatten sind i) die kostengünstige Fertigung mittels Innenhochdruckumformung bzw. Stanzverfahren, ii) eine Gewichtsersparnis von bis zu 80 % sowie iii) eine Bauraumverringerung über 50 % bei einer Materialstärke von 0,1 mm, vgl. mit 2 mm dicken graphitbasierten Bipolarplatten. Allerdings ergibt sich durch die Betriebstemperatur (140 – 180 °C) sowie die Verwendung von Phosphorsäure-dotierten Polybenzimidazol-Elektrolytmembran auch ein korrosives Umgebungsmilieu, das die Langzeitstabilität nachteilig beeinflusst. Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand zum einen darin, die Oxidations- und Passivierungsvorgänge von metallischen Werkstoffen unter dynamischen Brennstoffzellenbedingungen aufzuklären, und zum anderen wirksame Beschichtungskonzepte aufzuzeigen. Hierfür wurden Auslagerungsversuche bei i) untersättigten und ii) quasi-realistischen Bedingungen sowie elektrochemische Messungen in Abhängigkeit von Elektrolytvolumen, Temperatur und äußerem elektrischen Potential durchgeführt. Bei Temperaturen über 80 °C bilden sich bei Cr/Ni-Legierungen doppellagige Deckschichten aus, die aus einer inneren dichten Cr2O3-Schicht und einer äußeren porösen Metallphosphatschicht bestehen. Dies führt zu einem starken Anstieg des elektrischen Kontaktwiderstandes an der Grenzfläche Bipolarplatte/ Gasdiffusionsschicht. Im Potentialfenster von rund 0,2 – 1,2 V (vs. RHE) bilden sich Passivschichten aus, die den anodischen Korrosionsstrom verringern. Die Korrosionskinetik folgt einem exponentiellen Verlauf nach der temperaturabhängigen Arrhenius-Gleichung. Kohlenstoffbasierte Schutzschichten basierend auf Gasphasenabscheidungsprozesse zeigen verglichen mit keramischen Metallnitriden eine höhere Beständigkeit, wobei Schichtqualität und Homogenität des Beschichtungsverfahrens eine entscheidende Rolle spielen. Die gewonnenen Erkenntnisse haben gezeigt, dass die komplexen Vorgänge an der Grenzfläche Metall/ Beschichtung/Phosphorsäure isoliert untersucht und auf die Degradation von Bipolarplatten in Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen übertragen werden können.

With increasing energy consumption worldwide, fuel cell technology is growing in importance. In essence, fuel cells convert the chemical energy of an energy carrier (e.g., hydrogen) directly into electrical energy at high efficiency. The main object of this work comprises the investigation into the corrosion behavior of metallic materials for use as bipolar plate materials in high-temperature polymer electrolyte fuel cells. The advantages of metallic bipolar plates include i) cost-effective production by means of hydro-forming or die stamping processes, ii) weight-saving of up to 80 % and iii) reduction in the installation space of more than 50 % by using a material thickness of 0.1 mm, compared to 2 mm thick graphitic bipolar plates. However, the operating temperature (140 – 180 °C) and use of phosphoric acid-doped Polybenzimidazole electrolyte membrane also result in a corrosive environmental milieu that adversely affects long-term stability. The aim of this thesis is to elucidate the oxidation and passivation processes of metallic materials under dynamic fuel cell conditions on the one hand and, on the other, to show effective coating concepts. For this purpose, experiments were carried out in i) under-saturated; and ii) quasi-realistic conditions, as well as electrochemical measurements as a function of electrolyte volume, temperature and external electrical potential. At temperatures above 80 °C, Cr/Ni alloys form bilayered passive layers, which consist of an inner dense Cr2O3 layer and an outer porous metal phosphate layer. This leads to a strong increase in the electrical contact resistance at the bipolar plate/gas diffusion layer interface. In the potential window of around 0.2 – 1.2 V (vs. RHE), partially protective passive layers are formed that reduce the anodic corrosion current. Corrosion kinetics follow an exponential progression in accordance with the temperature-dependent Arrhenius equation. Carbon-based protective layers based on physical/chemical vapor deposition techniques show a higher resistance than ceramic metal nitrides, whereas layer quality and the homogeneity of the coating process play a decisive role. The results obtained show that the complex processes at the metal/coating/phosphoric acid interface can be investigated separately and may be transferred to the degradation of bipolar plates in high-temperature polymer electrolyte fuel cells.

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