Caractérisation des films passifs pour la définition de nouveaux matériaux : application aux plaques bipolaires métalliques des systèmes PEMFCs

[Passive film caracterisation for new materials design] : [application to metallic bipolar plates of PEMFC systems]

• Auteur / Autrice : Olivier Lavigne
• Direction : Bernard Normand, Catherine Dumont-Alemany
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIRIS - Laboratoire d'Informatique en Image et Systèmes d'information (Rhône ; 2003-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitements de surface

Filtres électriques passifs

Acier inoxydable

Couches minces

Matériaux

Piles à combustible

Résumé

L’objectif de ce travail est de déterminer des solutions matériaux pour la réalisation de plaques bipolaires embouties, répondant aux spécifications techniques d’une utilisation en milieu pile à combustible de type PEMFC. Sur la base des propriétés d’usage, l’acier 316L a été proposé comme matériau de référence. Pour autant la conductivité de sa couche passive formée en surface reste faible, et fait ainsi chuter les performances de la pile. La modification de la surface de ce matériau est donc indispensable. La première voie développée dans ce travail a été d’élaborer un dépôt par PVD de type CrN sur cet acier. La structure, ainsi que les propriétés de résistance à la corrosion et de conductivité des couches passives formées sur ces matériaux, dépendent de la teneur en azote du revêtement et de la nature du substrat. La caractérisation ex-situ du revêtement dit ‘haut azote’ élaboré sur acier, montre que celui-ci répond à la problématique posée. Toutefois, ces matériaux induisent un coût supplémentaire dû au process et nécessitent une bonne tenue à l’emboutissage. La deuxième approche de modification de surface a donc été la fonctionnalisation de la couche passive existante sur l’acier 316L. L’ajout par voie électrochimique de Ce dans les couches d’oxydes à permis d’en modifier les propriétés. Ce traitement préserve la résistance à la corrosion du matériau, tout en diminuant la valeur de la résistance de contact interfaciale de 78%. Sur la base du traitement précédent, il a pu être proposé de nouvelles nuances d’aciers intégrant quelques % massique d’éléments dopants (Ce, Ta) dans le but de ‘fonctionnaliser’ le film passif. Les caractérisations physico-chimiques de ces nuances ont montré l’intérêt de tels alliages pour l’application visée. En effet, tout en maintenant de bonnes propriétés de résistance à la corrosion, une diminution importante des valeurs de résistances de contact interfaciale est observée. Bien que certaines spécifications n’atteignent pas encore les valeurs souhaitées, ce travail valide une démarche originale de choix de matériaux

The aim of this work is the determination of materials solutions for stamped bipolar plates used in PEMFCs systems. The 316L SS was chosen as the reference material. However, the conductivity of its passive layer remains low, and leads to a diminution of the fuel cell performances. Surface modifications of this material are thus essential. The first way developed in this work was the physical vapour deposition of chromium nitrides onto the stainless steel. Structure, as well as corrosion resistance and physical properties, of formed passive layers onto these samples, depend on the nitrogen content of the coating and the nature of the substrate. Ex-situ characterisations of ‘high nitrogen’ coating on 316L suggest its suitability for use in the bipolar plates of PEMFCs. However, the coated materials induce supplementary costs (process) and need good mechanical properties for stamping. The second way of surface modification was thus the modification of the existent passive layer formed onto the 316L. Cerium was added within the oxide layer by an electrochemical treatment. This treatment preserves the corrosion resistance of the material, and allows a decrease of the interfacial contact resistance value of 78%. Based on the above treatment, new steels compositions was proposed, including some % in weight of doping elements (Ce, Ta) in order to modify the passive film. Physical and chemical characterisations of these new materials showed their suitability for the targeted application. Indeed, these alloys display good corrosion resistance properties, as well as a great decrease of the interfacial contact resistance. In spite of the fact that these values do not reach the wanted goal, this work validates an original method of material choice.