Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) systems are promising technology for contributing to meet the deficiency of world`s clean and sustainable energy requirements in the near future. Metallic bipolar plate (BPP) as one of the most significant components of PEMFC device accounts for the largest part of the fuel cell`s stack. Corrosion for metallic bipolar plates is a critical issue, which influences the performance and durability of PEMFC. Corrosion causes adverse impacts on the PEMFC`s performance jeopardizing commercialization. This research is aimed at determining the corrosion resistance of metallic BPPs, particularly stainless steels, used in PEMFC from different aspects. Material selection, coating selection, manufacturing process development and cost considerations need to be addressed in terms of the corrosion behavior to justify the use of stainless steels as a BPP material in PEMFC and to make them commercially feasible in industrial applications. In this study, Ti, Ni, SS304, SS316L, and SS 430 blanks, and BPPs comprised of SS304 and SS316L were examined in terms of the corrosion behavior. SS316L plates were coated to investigate the effect of coatings on the corrosion resistance performance. Stamping and hydroforming as manufacturing processes, and three different coatings (TiN, CrN, ZrN) applied via the Physical Vapor Deposition (PVD) method in three different thicknesses were selected to observe the effects of manufacturing processes, coating types and coating thicknesses on the corrosion resistance of BPP, respectively. Uncoated-coated blank and formed BPP were subjected to two different corrosion tests: potentiostatic and potentiodynamic. Some of the substantial results: 1- Manufacturing processes have an adverse impact on the corrosion resistance. 2- Hydroformed plates have slightly higher corrosion resistance than stamped samples. 3- BPPs with higher channel size showed better corrosion resistance. 4- Since none of the uncoated samples meet the 2015 target of the U.S. Department of Energy, surface coating is required. 5- ZrN and CrN coated BPPs exhibited higher corrosion resistance meeting DOE target while TiN coated samples had the lowest corrosion resistance. Higher coating thicknesses improved the corrosion resistance of the BPPs. 6- Process sequence between coating and manufacturing is not significant for hydroforming case (ZrN and CrN) and stamping case (CrN) in terms of the corrosion resistance. In other words, coating the BPP`s substrate material before manufacturing process does not always decrease the corrosion resistance of the BPPs.

Das Fraunhofer IPT untersucht verschiedene Umformverfahren für das Formen metallischer Bipolarplatten wie das Streckziehen, Rubberforming und Hydroforming. Verschiedene Edelstähle wie 1.4301 und 1.4404 sowie Titanwerkstoffe werden dabei berücksichtigt. Durch Simulationen sowie experimentelle Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die auftretenden Normalkräfte und Scherspannungen im Kontakt zwischen Werkzeug und Blech beim Streckziehen größer sind als bei den beiden anderen Verfahren. Dadurch werden bei gleichen Spannungen im Material geringere Umformgrade erreicht. Hinsichtlich des Potenzials für das Upscaling der Produktion ist das Streckziehen im Folgeverbundwerkzeug aufgrund der einfachen Automatisierbarkeit und des Handlings bei geringen Zykluszeiten geeignet. / Fraunhofer IPT analyzes different technologies for the forming of metallic bipolar plates. Among them are stamping, rubberforming and hydroforming. Different materials like stainless steel (1.4301 and 1.4404) and titanium are considered. Numerical simulations and experimental validation show that contact pressure and shear stress in the contact between tool and sheet are larger for stamping processes. This leads to limited grades of deformation. Nevertheless, stamping in progressive die tools is a suitable forming technology for upscaling of the production of metallic bipolar plates as it has short cycle times and handling of the sheets can be automated easily.

A heating technology was combined with forming processes to enlarge the formable channel depth of metallic bipolar plates in two process routes. To apply a rapid heating process, electrical resistance heating was chosen and integrated into a forming tool. With a hot forming as well as a two-stage forming process with annealing, two different process routes are presented. According to the results, the technology of resistance heating is well suited for the improvement of the formable channel depth. For both process routes, an increase in forming depth was demonstrated. In hot forming, the channel depth could be improved by up to 50% depending on geometrical parameters of the tool as well as the state of temperature of the sheet. / Zur Vergrößerung der umformbaren Kanaltiefe von metallischen Bipolarplatten wurde eine Erwärmungstechnologie mit dem Umformprozess kombiniert. Zur Anwendung eines schnellen Erwärmungsprozesses wurde die elektrische Widerstandserwärmung gewählt und in ein Umformwerkzeug integriert. Mit der Warmumformung sowie einem zweistufigen Umformprozess mit Zwischenglühen wurden zwei unterschiedliche Prozessrouten analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Technologie der Widerstandserwärmung für eine Verbesserung der umformbaren Kanaltiefe geeignet ist. Für beide Prozessrouten konnte eine Erhöhung der Umformtiefe nachgewiesen werden. Bei der Warmumformung konnte die Kanaltiefe in Abhängigkeit der geometrischen Parameter des Werkzeugs sowie des Temperaturzustands des Blechs um bis zu 50% verbessert werden.

Le développement de la plaque bipolaire - PB -métallique nécessite une amélioration des propriétés du matériau qui la constitue. L'utilisation de l'acier implique une meilleure compréhension du film passif - FP. En effet, le cahier des charges de la PB demande une bonne conduction électronique ainsi qu'une longue durée de vie. L'amélioration de ces paramètres passe par une meilleure corrélation et compréhension entre les propriétés semi-conductrices et la résistance à la corrosion. La difficulté liée à l'étude de la passivation réside dans les nombreux phénomènes modifiant le comportement du film passif. De nombreux modèles présentés dans la littérature peuvent être utilisés pour caractériser la passivation. L'un des principaux, le Modèle de Défauts Ponctuels de D. D. Macdonald (Point Defect Model - PDM), décrit le FP à partir d'une série de réactions électrochimiques se déroulant à l'interface métal/oxyde et à l'interface oxyde/électrolyte. La réactivité est limitée par le transport de matière à travers l'oxyde. Après une étude bibliographique, ce phénomène semble être un paramètre discriminant dans le choix des modèles. Une méthode de sélection permettant une utilisation de chacun de ces modèles en fonction de leurs spécificités est proposée. Ainsi, cette méthode est basée sur la corrélation entre la mesure du transport de matière à partir des équations du PDM et l'analyse des Spectres d'Impédance Electrochimique (SIE). Le PDM caractérisant le transport de matière indépendamment de la SIE, il devient possible de déterminer le bien-fondé de la prise en compte de celui-ci dans les mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique. L'évolution de la densité du porteur de charge majoritaire avec le potentiel de formation de l'oxyde permet d'accéder au coefficient de transport à partir des équations du PDM. Connaissant l'épaisseur de l'oxyde par des mesures XPS, la constante de temps et la fréquence caractéristique peuvent être déterminées. Sur la base de ces deux valeurs, un modèle descriptif d'analyse des spectres est sélectionné en évitant le sur-paramétrage. Cette méthode est appliquée d’abord à un matériau modèle, le chrome pur exposé à un milieu acide (pH 2), à différentes températures (30°C et 80°C). Elle valide la nécessité de la prise en compte du transport de matière à 80°C ainsi que la présence d'une surface composée d'une couche d'oxyde interne et d'une couche d'hydroxyde externe. Dans un second temps, cette méthode est utilisée sur un matériau industriel, un acier de type AISI 316L, à différents pH (1,2 et 3) et à différentes températures (30°C et 80°C). Elle a permis de décrire l'oxyde en surface comme une jonction p-n prenant en compte une couche riche en chrome interne avec un gradient de concentration de fer. Cette méthode a permis de caractériser de manière approfondie l'acier de type AISI 316L. Bien que ne concernant que le substrat, cette étape est déterminante dans l'amélioration des performances des PB métalliques. / Developments in metallic bipolar plate, to apply more widely fuel cells, require an improved of the constitutive material. The use of stainless steel calls for a good understanding of the passive film. The required specifications are for good electrical conductivity and a long life-time. Those two parameters correspond to a correlation between the semiconductive properties and the good corrosion behavior. Nevertheless, the main problems of the passivity lie on the multiplicity of the phenomena that alter the passive film behavior. Numerous models described in the literature can be used to characterize the passivation. The Point Defect Model (PDM) describes the passivation through electrochemical reactions at the metal / oxide and at the oxide / electrolyte interfaces. The reactivity is limited by mass transport through the oxide. From the literature, those phenomena seems to be a discriminating parameter in the choice of a model. The selective method proposed allows us to use each model taking into account their specifics. This methodology is based on the correlation between the mass transport characterization, thanks to the PDM, and the analysis of the Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The PDM determines the transport coefficient apart from EIS measurements, so to validate the consideration of the mass transport during the analysis of the electrochemical impedance spectra. The evolution of the main charge carrier density as a function of the oxide formation potential allows us to calculate the transport coefficient from PDM equations. Thanks to the thickness of the oxide (determined by X-ray Photoelectron Spectroscopy), the time constant of the mass transport is determined. Based on this value, a descriptive model is used to analyze the EIS data, avoiding overparametrization. This method is applied first on a model material, pure chromium exposed to acidic solution (pH 2) at several temperatures (30°C and 80°C). It shows that the mass transport has to be taken into account at 80°C and the EIS model considers an inner chromium oxide layer and an outer chromium hydroxide. Secondly, the method is used to characterize an industrial material, AISI 316L stainless steel, at several pH (1, 2 and 3) and at several temperatures (30°C and 80°C). In this case, the oxide is describe as a p-n semiconductor junction with an chromium rich inner layer and an outer iron rich layer. The present methodology permits to deeply characterize the AISI 316L stainless steel. Even if this study concerns the substrate, this step is decisive to improve the performances of the metallic bipolar plates