Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Performance of a PEM fuel cell using electroplated Ni–Mo and Ni–Mo–P stainless steel bipolar plates
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Chemical Engineering and Technology, Applied Electrochemistry.
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Chemical Engineering and Technology, Applied Electrochemistry.
Show others and affiliations
2017 (English)In: Journal of the Electrochemical Society, ISSN 0013-4651, E-ISSN 1945-7111, Vol. 164, no 13, p. F1427-F1436Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The performance and durability of 316L stainless steel bipolar plates (BPP) electroplated with Ni–Mo and Ni–Mo–P coatings are investigated in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), using a commercial Pt/C Nafion membrane electrode assembly (MEA). The effect of the BPP coatings on the electrochemical performance up to 115 h is evaluated from polarization curves, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy together with interfacial contact resistance (ICR) measurements between the coatings and the gas diffusion layer. The results show that all the coatings decrease the ICR in comparison to that of uncoated 316L BPP. The Ni-Mo coated BPP shows a low and stable ICR and the smallest effects on MEA performance, including catalyst activity/usability, cathode double layer capacitance, and membrane and ionomer resistance build up with time. After electrochemical evaluation, the BPPs as well as the water effluents from the cell are examined by Scanning Electron Microscopy, Energy Dispersive and Inductively Coupled Plasma spectroscopies. No significant degradation of the coated surface or enhancement in metal release is observed. However, phosphorus addition to the coating does not show to improve its properties, as deterioration of the MEA and consequently fuel cell performance losses is observed.

Place, publisher, year, edition, pages
Electrochemical Society, 2017. Vol. 164, no 13, p. F1427-F1436
National Category
Other Chemical Engineering
Research subject
Chemical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-215731DOI: 10.1149/2.0771713jesISI: 000418409800166Scopus ID: 2-s2.0-85033682707OAI: oai:DiVA.org:kth-215731DiVA, id: diva2:1149238
Funder
StandUp
Note

QC 20171023

Available from: 2017-10-13 Created: 2017-10-13 Last updated: 2019-10-03Bibliographically approved
In thesis
1. On Gas Contaminants, and Bipolar Plates in Proton Exchange Membrane Fuel Cells
Open this publication in new window or tab >>On Gas Contaminants, and Bipolar Plates in Proton Exchange Membrane Fuel Cells
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The proton exchange membrane (PEM) fuel cell is an electrochemical device that converts chemical energy into electrical energy through two electrocatalytic reactions. The most common catalyst used is platinum on carbon (Pt/C), which has shown the best performance in the fuel cell until now. However, the drawback of this catalyst is that it does not tolerate impurities, and both hydrogen and oxygen may carry small amounts of impurities depending on the production sources. The purpose of this thesis is to understand the effect of two impurities that are less investigated, i.e., ammonia, which may accompany the hydrogen rich reformates from renewable sources, and nitrogen dioxide, which may come from air pollution. The mechanism of contamination and an adequate recovery method for the respective contaminant are studied. Additionally, electroplated bipolar plates with Ni-Mo and Ni-Mo-P coatings were tested as alternatives to stainless steel and carbon materials.

The results show that ammonia not only provokes changes in the polymer membrane but also in the oxygen reduction reaction (ORR), hydrogen oxidation reaction (HOR) and catalyst ionomer in both electrodes. The extent of performance recovery after the contamination depends on the concentration used and the exposure time. In contrast, nitrogen dioxide affects the catalyst in the electrode directly; the contamination is related to side reactions that are produced on the catalyst’s surface. However, NO2 is not attached strongly to the catalyst and it is possible to restore the performance by using clean air. The time the recovery process takes depends on the potential applied and the air flow.

Finally, the evaluation of electroplated Ni-Mo and Ni-Mo-P on stainless steel by ex situ and in situ studies shows that these coatings reduce the internal contact resistance (ICR) and the corrosion rate of the stainless steel considerably. However, the in situ experiments show that phosphorus addition to the coating does not improve the fuel cell performance; thus, the Ni-Mo alloy is found to be a promising choice for electroplating stainless steel bipolar plates.

Abstract [sv]

Polymerelektrolytbränslecellen är en elektrokemisk enhet som omvandlar den kemiskt bundna energin i ett bränsle till elektrisk energi genom två elektrokatalytiska reaktioner. Den vanligaste katalysatorn som används är Pt/C som hittills också har visat bäst prestanda i bränslecellen. Nackdelen med denna katalysator är dock att den inte tolererar föroreningar. Både vätgas och syrgas kan innehålla små mängder av föroreningar beroende på ursprung. Syftet med denna avhandling är att förstå effekten på cellens prestanda av två olika föroreningar som är mindre undersökta: Ammoniak som kan medfölja vid reformering av förnybara råvaror till vätgas, och kvävedioxid som kan komma från luftföroreningar. Mekanismer för förorening av cellen och en adekvat återhämtningsmetod för respektive förorening har studerats. Dessutom, bipolära plattor av rostfritt stål elektrokemiskt belagda med Ni-Mo eller Ni-Mo-P, undersökts som ett alternativ till rent rostfritt stål- och grafit.

Resultaten visar att ammoniak inte bara åstadkommer förändringar i polymermembranet utan också i syrereduktionsreaktionen (ORR), väteoxidationsreaktionen (HOR) och jonomeren i de båda elektroderna. Till vilken grad som försämrad prestanda efter förorening kan återhämtas, beror både på koncentrationen av ammoniak och exponeringstid. När det gäller kvävedioxid så påverkar en bara elektrodens katalysator där försämringen av elektroden är relaterad till sidoreaktioner som sker på katalysatorytan. NO2 är dock inte starkt bunden till katalysatorn och det är möjligt att återhämta prestandan med bara ren luft. Tiden som återhämtningsprocessen tar beror på cellpotentialen och luftflödet.

Utvärderingen av elektropläterade skikt av Ni-Mo och Ni-Mo-P på rostfritt stål, som gjorts genom mätningar ex-situ och in-situ, visar att dessa beläggningar avsevärt minskar det interna kontaktmotståndet (ICR) och korrosionen av rostfritt stål. In-situ-experimenten visar att tillsatsen av  fosfor i beläggningen inte förbättrar bränslecellens prestanda, men att legering av Ni-Mo är ett lovande material att använda vid elektroplätering av skyddande skikt på bipolära plattor av rostfritt stål.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: Kungliga Tekniska högskolan, 2019. p. 58
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2019:6
Keywords
PEM fuel cell, contaminants, ammonia, nitrogen dioxide, degradation, recovery, bipolar plates, electroplating, Ni-Mo, Ni-Mo-P, internal contact resistance, PEM bränslecell, föroreningar, ammoniak, kvävedioxid, degradering, återhämtning, bipolära plattor, elektroplätering, Ni-Mo, Ni-Mo-P, interna kontaktmotståndet
National Category
Other Chemical Engineering
Research subject
Chemical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-241911 (URN)978-91-7873-092-6 (ISBN)
Public defence
2019-02-28, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20190128

Available from: 2019-01-28 Created: 2019-01-25 Last updated: 2019-01-28Bibliographically approved
2. Electrochemical evaluation of new materials in polymer electrolyte fuel cells
Open this publication in new window or tab >>Electrochemical evaluation of new materials in polymer electrolyte fuel cells
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Polymer electrolyte fuel cells (PEFC) convert the chemical energy in hydrogen to electrical energy and heat, with the only exhaust being water. Fuel cells are considered key in achieving a sustainable energy sector. The main obstacles to wide scale commercialization are cost and durability. The aim of this thesis is to evaluate new materials for PEFC to potentially lower cost and increase durability. To lower the amount of expensive platinum catalyst in the fuel cell, the activities of Pt-rare earth metal (REM) alloy catalysts have been tested. To improve the lifetime of the carbon support, the carbon corrosion properties of multi walled carbon nanotubes have been evaluated. To reduce the overall cost of fuel cell stacks, carbon coated and metal coated bipolar plates have been tested. To increase the performance and lifetime of anion exchange membranes, the water transport has been studied.

The results show that the Pt-REM catalysts had at least two times higher specific activity than pure platinum, and even higher activities should be obtainable if the surface structures are further refined.

Multi-walled carbon nanotubes had lower carbon corrosion than conventional carbon Vulcan XC-72. However, once severely corroded their porous structure collapsed, causing major performance losses.

The carbon coated metallic bipolar plates showed no significant increase of internal contact resistance (ICR) by cycling, suggesting that these coatings are stable in fuel cells. The NiMo- and NiMoP coated bipolar plates showed low ICR, however, presence of the coated bipolar plates caused secondary harmful effects on the polymer membrane and ionomer.

Considering the water transport through anion exchange membranes it was found that most membranes showed very similar water transport properties, with more water detected at both the anode and cathode when a current was applied. The most significant factor governing the water transport properties was the membrane thickness, with thicker membranes reducing the backflow of water from anode to cathode.

The results indicate that all of the new tested materials have the capability to improve the lifetime and reduce cost and thereby improve the overall performance of PEFC.

Abstract [sv]

Polymerelektrolytbränsleceller (PEFC) omvandlar den kemiskt bundna energin i vätgas till elektrisk energi och värme, med endast vatten som utsläpp. Bränsleceller ses som en viktig del i att skapa en hållbar energisektor. Det största hindret för kommersialisering är kostnaden och den begränsande livslängden. Syftet med denna avhandling är att utvärdera nya material som skulle kunna sänka kostnaden och öka hållbarheten av PEFC. För att minska mängden dyr platinakatalysator i bränslecellen har aktiviteten av legerade katalysatorer av platina och sällsynta jordartsmetaller testats. För att öka livslängden av bränslecellen har kolkorrosionsegenskaperna av flerväggade kolnanorör (MWCNT) utvärderats. För att kunna minska den totala kostnaden på bränslecellsstacken har kol- och metallbelagda bipolära plattor undersökts. För att öka livslängden och öka prestandan av anjonledande membran har vattentransportegenskaperna av dessa membran studerats.

Resultaten visar att de legerade katalysatorerna hade mer än två gånger högre elektrokemisk aktivitet än ren platina. Ännu högre elektrokemiska aktiviteter bör kunna erhållas om ytstrukturen kan förbättra ytterligare.

För MWCNT var kolkorrosionen lägre än för de konventionella kolpartiklarna av Vulcan XC-72. Efter mycket korrosion, kollapsade dock den porösa strukturen, vilket ledde till stora förluster i prestanda.

De kolbelagda bipolära plattorna uppvisade inga signifikanta ändringar i kontaktmotstånd (ICR) efter de elektrokemiska testerna. Detta betyder att de är stabila i bränsleceller. De NiMo- och NiMoP-belagda bipolära plattorna hade låga ICR-värden, dock ledde beläggningens närvaro till försämringar av membran- och elektrodegenskaper.

Alla testade anjonledande membran uppvisade liknande vattentransportegenskaper, med ökning av vatten på både anoden och katoden under drift. Membranens tjocklek visade sig ha störst påverkan på vattentransporten. Med tjockare membran detekterades mindre vatten på katoden, vilket betyder att tillbakaflödet av vatten hämmas av membranets tjocklek.

Sammanfattningsvis visar resultaten att alla nya testade material i alla fall till viss del kan lösa problemen med den höga kostnaden och korta livslängden och därmed öka den totala prestandan av PEFC.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2019. p. 66
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2019:50
Keywords
Fuel cell, Pt-REM, Alloy catalyst, Multi walled carbon nanotubes, Bipolar plates, Water transport, Bränslecell, Pt-REM, Legerad katalysator, Flerväggade kolnanorör, Bipolära plattor, Vattentransport
National Category
Chemical Engineering
Research subject
Chemical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-261102 (URN)978-91-7873-326-2 (ISBN)
Public defence
2019-11-05, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 2019-10-04

Available from: 2019-10-04 Created: 2019-10-03 Last updated: 2019-10-04Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Eriksson, BjörnLagergren, Carina

Search in DiVA

By author/editor
Rashtchi, HamedAcevedo Gomez, YasnaEriksson, BjörnLagergren, CarinaWreland Lindström, Rakel
By organisation
Applied Electrochemistry
In the same journal
Journal of the Electrochemical Society
Other Chemical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 109 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf