Développement de revêtements et de la fonctionnalisation de surface des plaques bipolaires en titane - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Coatings developement and surface fonctionnalisation of titanium bipolar plates

Développement de revêtements et de la fonctionnalisation de surface des plaques bipolaires en titane

Résumé

The objective of this work is to study the passive film of bipolar plates and develop an original coating that meets the technical specifications of a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Titanium was chosen because its passive film (TiO2) is chemically stable and is less subject to transpassivation than chromium oxide in stainless steels. However, the low electrical conductivity of the passive film leads to a decrease in PEMFC performance. To begin with, annealing a tantalum-doped TiO2 coating, prepared by PVD (Physical Vapor Deposition), activated the dopants and ensured the material's conductivity. The semiconducting properties depend on the tantalum content. Below 9 %at. of tantalum, coatings crystallize and become conductive due to the introduction of free electrons. However, these coatings do not initiate a decrease in interfacial contact resistance (ICR). This decoupling between the material's resistivity and its ICR is attributed to a Schottky diode at the interface between the metallic gas diffusion layer (GDL) and the semiconducting coating, amplified by the surface defects of TiO2 and solubility of tantalum too low. The second proposed approach is to modify the bonding type of the coating. By adding nitrogen to TiO2, it is possible to overcome the Schottky diode issue and achieve a metal-to-metal contact. The impact of oxygen in titanium oxynitride deposits was investigated. A compromise was found between the ionic-covalent bonds, which provide better chemical stability, and the metallic bonds, which increase the conductivity of the coating. These findings demonstrate the importance of the coating's extreme surface and its effect on ICR. Controlling the Schottky barrier would make it possible to use materials that have been previously excluded for this application.
Ce travail a pour objectif l’étude du film passif des plaques bipolaires et le développement d’un revêtement original remplissant les spécifications techniques d’une pile à combustible de type PEMFC. Le choix s’est porté sur le titane car son film passif (TiO2) est stable chimiquement et est moins sensible à la transpassivation que l’oxyde de chrome des aciers inoxydables. Cependant, la faible conductivité électrique du film passif entraine une diminution des performances de la PEMFC. Pour commencer, le recuit d’un revêtement de TiO2 dopé tantale élaboré par dépôt PVD a permis d’activer les dopants et de garantir le caractère conducteur du matériau. Les propriétés semiconductrices dépendent de la teneur en Ta. En-dessous de 9 %at. de Ta, les dépôts cristallisent et deviennent conducteurs grâce l’apport d’électrons libres. Toutefois, ces dépôts ne permettent pas d’amorcer une diminution de la résistance de contact interfaciale (RCI). Cette décorrélation entre la résistivité du matériau et sa RCI est attribuée à une diode de Schottky à l’interface entre la couche de diffusion des gaz (GDL) métallique et le revêtement semiconducteur, amplifiée par les défauts de surface du TiO2 et la solubilité du Ta insuffisante. La deuxième voie proposée consiste à modifier le type de liaisons du revêtement. En ajoutant de l’azote dans le TiO2, il est possible de contourner la problématique de la diode de Schottky en ayant un contact métal/métal. L’impact de l’oxygène dans les dépôts d’oxynitrure de titane a ainsi pu être menée. Un compromis a été trouvé entre les liaisons iono-covalentes qui apportent une meilleure stabilité chimique et les liaisons métalliques qui augmentent la conductivité du dépôt. Ces travaux montrent l’importance de l’extrême surface du revêtement et de son effet sur la RCI. Le contrôle de la barrière de Schottky rendrait possible l’utilisation de matériaux jusqu’à présent écartés pour cette application.
Fichier principal
Vignette du fichier
these.pdf (8.29 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04404798 , version 1 (19-01-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04404798 , version 1

Citer

Clément Cambier. Développement de revêtements et de la fonctionnalisation de surface des plaques bipolaires en titane. Matériaux. INSA de Lyon, 2023. Français. ⟨NNT : 2023ISAL0074⟩. ⟨tel-04404798⟩
56 Consultations
17 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More