alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2020.07-18.101-114alternative-1930Research ArticleIV. ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА 12. Водородная экономикаIV. HYDROGEN ECONOMY. 12. Hydrogen EconomyИсследование защитных покрытий на титановых биполярных пластинах водородных топливных элементов с твердым полимерным электролитомResearch of Protective Coatings on Titanium Bipolar Plates of Hydrogen Fuel Cells with Solid Polymer ElectrolyteКлимоваМ. А.KlimovaM. A.

Мария Андреевна Климова,аспирант 

д. 14, ул. Красноказарменная, Москва, 111250, Россия  

Mariia Klimova, Postgraduate Student 

14 Krasnokazarmennaya Str., Moscow, 111250, Russia  

https://orcid.org/0000-0001-8432-320XНефедкинС. И.NefedkinS. I.

Сергей Иванович Нефедкин, д-р техн. наук, профессор

д. 14, ул. Красноказарменная, Москва, 111250, Россия  

Sergey Nefedkin, D.Sc.  in Engineering, Professor 

14 Krasnokazarmennaya Str., Moscow, 111250, Russia  

КоломейцеваЕ. А.KolomeytsevaE. A.

Елена Александровна Коломейцева,выпускник аспирантуры

д. 14, ул. Красноказарменная, Москва, 111250, Россия  

Elena Kolomeytseva, Postgraduate Student

14 Krasnokazarmennaya Str., Moscow, 111250, Russia  

ЧижовА. В.ChizhovA. V.

Алексей Вадимович Чижов, магистр  

д. 14, ул. Красноказарменная, Москва, 111250, Россия  

Alexey Chizhov, M.Sc. 

14 Krasnokazarmennaya Str., Moscow, 111250, Russia  

БолдинР. Г.BoldinR. G.

Роман Григорьевич Болдин, магистр  

д. 14, ул. Красноказарменная, Москва, 111250, Россия  

Roman Boldin, M.Sc. 

14 Krasnokazarmennaya Str., Moscow, 111250, Russia  

СимакинС. Б.SimakinS. B.

Сергей Борисович Симакин, д-р техн. наук, генеральный директор

д. 34–38, ул. Б. Ордынка, г. Москва, 119017, Россия 

Sergey Simakin, D.Sc. in Engineering, General Director

34–38 B. Ordynka Str., Moscow, 119017, Russia 

ФокинА. Н.FokinA. N.

Александр Николаевич Фокин, выпускник 

д. 14, ул. Красноказарменная, Москва, 111250, Россия  

Aleksander Fokin, Graduate

14 Krasnokazarmennaya Str., Moscow, 111250, Russia  

Национальный исследовательский университет «МЭИ»РоссияResearch University of MPEIRussian FederationООО «ИОНТЕК-сервис»РоссияIONTEK-service LLCRussian Federation20202008202007-18101114Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20202020Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1930

Рассмотрены различные типы биполярных элементов и материалы, которые используются для их изготовления в технологии  топливных элементов. Биполярные элементы играют важную роль при коммутации отдельных  топливных ячеек в батарее, составляют самую большую долю ее массы (до 80 %), что влияет на удельные массовые мощностные характеристики энергосистемы. Биполярные элементы на основе тонкой титановой фольги и  гофрированного воздуховода имеют высокую механическую прочность при минимальной массе, являются важным элементов батареи  топливных элементов, а их применение позволяет существенно улучшить массовые удельные характеристики энергосистемы на основе топливных элементов с твердым полимерным электролитом и прямой подачей воздуха. Защитные покрытия должны обеспечить низкоомный контакт при коммутации отдельных  топливных ячеек и не допустить его изменение при длительной работе топливного элемента. Нанесение покрытий в магнетронной  установке  позволяет  с  предварительной  ионной  очисткой  на  больших  поверхностях  получать  тонкие покрытия с воспроизводимым составом и свойствами. Для исследований использовались мишени из графита, платины, а также композитные мишени графита с вставками платины в зоне распыления. С помощью общепринятых процедур изучено влияние состава и условий нанесения композитных покрытий на коррозионную стойкость и поверхностное  контактное  сопротивление  биполярных  элементов. Показано, что применение  графитовой мишени и сегментов из платины позволяет получать защитные покрытия, близкие по техническим требованиям к покрытиям по коррозионной устойчивости и поверхностному контактному сопротивлению. Такие покрытия на титане имеют лучшие проводящие и защитные свойства, чем тонкопленочные покрытия на основе платины и тонких пленок золота. Установлено, что защитные покрытия на основе карбидов титана имели высокое поверхностное сопротивление, а на основе нитрида титана более низкие защитные свойства. Таким образом, магнетронная технология может быть рекомендована в качестве промышленной для производства биполярных элементов.

The paper considers the various types of bipolar elements and materials which are used for their manufacture in fuel cell technology. They play an important role in switching individual fuel cells in a battery, and make up the largest fraction of its mass (up to 80%), which affects the specific mass power characteristics of the power system. Bipolar cells based on thin titanium foil and a corrugated duct have high mechanical strength with minimum weight, are important elements of a fuel cell battery, and their use can significantly improve the mass specific characteristics of a power system based on fuel cells with a solid polymer electrolyte and direct air supply. Protective coatings should provide low-resistance contact when switching individual fuel cells and prevent its change during prolonged operation of the fuel cell. Coating in a magnetron setup allows preliminary coatings on large surfaces to produce thin coatings with reproducible composition and properties. For research, we have used graphite and platinum targets, as well as composite graphite targets with platinum inserts in the spray zone. Using generally accepted procedures, we have studied the influence of the composition and conditions of applying composite coatings on the corrosion resistance and surface contact resistance of bipolar elements. The use of a graphite target and segments made of platinum is shown to allow obtaining protective coatings close to the requirements of technical targets for coatings in terms of corrosion resistance and surface contact resistance. Such titanium coatings have better conductive and protective properties than thin-film coatings based on platinum and thin films of gold. The production of protective coatings based on titanium carbides have a high surface resistance, and based on titanium nitride – lower protective properties. Thus, magnetron technology can be recommended as industrial for the production of bipolar elements.

топливные элементыводородтвердый полимерный электролитбиполярные пластинытитанзащитные покрытиямагнетронное распылениеfuel cellssolid polymer electrolytebipolar platestitaniumprotective coatingsmagnetron sputteringReferencesThompson, S.T. Direct hydrogen fuel cell electric vehicle cost analysis: System and high volume manufacturing description, validation, and outlook / S.T. Thompsonetal // Journal of Power Sources. – 2018. – Vol. 399 – P. 304–313.Thompson S.T. Direct hydrogen fuel cell electric vehicle cost analysis: System and high-volume manufacturing description, validation, and outlook. Journal of Power Sources, 2018;399:304–313.Lapeña-Reya, N. A fuel cell powered unmanned aerial vehicle for low altitude surveillance missions/ N. Lapeña-Reya [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42 – P. 6926–6940.Lapeña-Reya N., Blancoa J.A., Ferreyraa E., Lemusa J.L., Pereira S., Serrota E. A fuel cell powered unmanned aerial vehicle for low altitude surveillance missions. International Journal of Hydrogen Energy, 2017;42:6926–6940.Atkinson, R.W. An Open-Cathode Fuel Cell for Atmospheric Flight / R.W. Atkinson [et al.] // Journal of the Electrochemical Society. – 2017. – Vol. 164. – P. 46–54.Atkinson R.W., Hazard M.W., Rodgers J.A., Stroman R. O., Gould B. D. An Open-Cathode Fuel Cell for Atmospheric Flight. Journal of the Electrochemical Society, 2017;1646:46–54.Pan, Z.F. Recent advances in fuel cells based propulsion systems for unmanned aerial vehicles / Z.F. Pan [et al.] // Applied Energy. – 2019. – Vol. 240. – P. 473–485.Pan Z. F., An L., Wen C.Y. Recent advances in fuel cells based propulsion systems for unmanned aerial vehicles. Applied Energy, 2019;240:473–485.Schmitz, A. Influence of cathode opening size and wetting properties of diffusion layers on the performance of air-breathing PEMFCs / A. Schmitz [et al.] // J. Power Sources. – 2006. – Vol. 154. – P. 437–447.Schmitz A., Tranitz M., Eccarius S., Weil A., Hebling C. Influence of cathode opening size and wetting properties of diffusion layers on the performance of airbreathing PEMFCs. J. Power Sources, 2006;154:437–447.Fernández-Moreno, J. A portable system powered with hydrogen and one single air-breathing PEM fuel cell / J. Fernández-Moreno [et al.] // Appl. Energy. – 2013. – Vol. 109. – P. 60–66.Fernández-Moreno J., Guelbenzu G., Martín A., Folgado M., Ferreira-Aparicio P., Chaparro A. A portable system powered with hydrogen and one single airbreathing PEM fuel cell. Appl. Energy, 2013;109:60–66.Gadalla, M. Analysis of a hydrogen fuel cell-PV power system for small UAV / M. Gadalla, S. Zafar // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Vol 41. – P. 6422–6432.Gadalla M., Zafar S. Analysis of a hydrogen fuel cell-PV power system for small UAV. International Journal of Hydrogen Energy, 2016;41:6422–6432.Баранов, И.Е. Самоувлажняющийся портативный топливный элемент для авиации и робототехники / И.Е. Баранов [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 21. – С. 137–144.Baranov I.E., Fateev V.N., Porebsky V.I., Akselkina S.V., Lyutikova E.K. Themselves saturated a portable hydrogen-air fuel cell for aviation and robotics (Samouvlazhnyayushchiisya portativnyi toplivnyi element dlya aviatsii i robototekhniki). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2015;21(185):137–144 (in Russ.).Sasmito, A.P. Optimization of an open-cathode polymer electrolyte fuel cells stack utilizing Taguchi method / A.P. Sasmito [et al.] // Appl. Energy – 2017. – Vol. 185. – P. 1225–1232.Sasmito A.P., Kurnia J.C., Shamim T., Mujumdar A.S. Optimization of an open-cathode polymer electrolyte fuel cells stack utilizing Taguchi method. Appl. Energy, 2017;185:1225–1232.Taherian, R. A review of composite and metallic bipolar plates in proton exchange membrane fuel cell: Materials, fabrication, and material selection / R. Taherian // Journal of Power Sources. – 2014. – Vol. 265. – P. 370–390.Taherian R. A review of composite and metallic bipolar plates in proton exchange membrane fuel cell: Materials, fabrication, and material selection. Journal of Power Sources, 2014;265:370–390.Marcinkoski, J. Progress in the US DOE fuel cell subprogram efforts in polymer electrolyte fuel cells / J. Marcinkoski, J.P. Kopasz, T.G. Benjamin // International Journal of Hydrogen Energy.– 2008. – Vol. 33. – No. 14. –P. 3894–3902.Marcinkoski J., Kopasz J.P., Benjamin T.G. Progress in the US DOE fuel cell subprogram efforts in polymer electrolyte fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 2008;33:3894–3902.Fukutsuka, T. Carbon-coated stainless steel as PEFC bipolar plate material / T. Fukutsuka [et al.] // J. Power Sources. – 2007. – Vol. 174. – No. 1. – P. 199–205.Fukutsuka T, Yamaguchi T, Miyano SI, Matsuo Y, Sugie Y, Ogumi Z. Carbon-coated stainless steel as PEFC bipolar plate material. J. Power Sources, 2007;174(1):199–205.Feng, K. Ni–Cr Co-implanted 316L stainless steel as bipolar plate in polymer electrolyte membrane fuel cells / K. Feng [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – Vol. 35. – No. 2. – P. 690–700.Feng K., Shen Y., Liu D., Chu P.K., Cai X. Ni– Cr Co-implanted 316L stainless steel as bipolar plate in polymer electrolyte membrane fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 2010;35(2):690–700.Григорьев, С.А. Электрохимические системы с твердым полимерным электролитом / С.А. Григорьев // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2014. – № 10. – С. 8–26Grigoryev S.A. Hydrogen electrochemicalsystems with solid polymer electrolyte (Elektrokhimicheskie sistemy s tverdym polimernym elektrolitom). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014;10(150):8–26 (in Russ.).Григорьев, И.С. Справочник «Физические величины» / И.С. Григорьев, Е.З. Мейлихов. – Энергоатомиздат, 1991. – C. 1232.Grigoriev I.S., Meilikhov E.Z. Handbook Physicalquantities (Spravochnik "Fizicheskie velichiny"). Moscow: Energoatomizdat Publ., 1991; 1232 p. (in Russ.).Matsuura, T. Study on metallic bipolar plate for proton exchange membrane fuel cell / T. Matsuura, M. Kato, M. Hori // J. Power Sources. – 2006. – Vol. 161. No. 1. – C. 161.Matsuura T., KatoM., Hori M. Study on metallic bipolar plate for proton exchange membrane fuel cell. J. Power Sources, 2006;161(1):74–78.Hermann, A. Bipolar plates for PEM fuel cells: A review / A. Hermann, T. Chaudhuri, P. Spagnol // International Journal of Hydrogen Energy. – 2005. – Vol. 30. – P. 1297.Hermann A., Chaudhuri T., Spagnol P. Bipolar plates for PEM fuel cells: A review. International Journal of Hydrogen Energy, 2004;30:1297.Tsuchiya, H. Mass production cost of PEM fuel cell by learning curve / H. Tsuchiya, O. Kobayashi // International Journal of Hydrogen Energy. – 2004. – Vol. 29. – No. 10. – P. 985–990.Tsuchiya H., Kobayashi O. Mass production cost of PEM fuel cell by learning curve. International Journal of Hydrogen Energy, 2004;29:985–990.Алексеева, О.К. Применение метода ионного магнетронного распыления для синтеза наноструктурных катализаторов / О.К. Алексеева, В.Н. Фатеев // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – №7. – С. 14–36.Alexeeva O.K., Fateev V.N. Application of the magnetron sputtering for nanostructured electrocatalysts synthesis (Review) (Primenenie metoda ionnogo magnetronnogo raspyleniya dlya sinteza nanostrukturnykh katalizatorov). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2015;7(171):14–36 (in Russ.).DOE Technical Targets for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Components [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.energy.gov/eere/fuelcells/doe-technicaltargets-polymer-electrolyte-membrane-fuel-cellcomponents – (Дата обращения: 14.01.20.).DOE Technical Targets for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Components [E-resource]. Avalable on: https://www.energy.gov/eere/fuelcells/doe-technicaltargets-polymer-electrolyte-membrane-fuel-cellcomponents (01/14/20).Hentall, P.L. New materials for polymer electrolyte membrane fuel cell current collectors / P.L. Hentall [et al.] // J. Power Sources. – 1999. – Vol. 80. – P. 235–241.Hentall P.L., Lakeman J.B., Mepsted G.O., Adcock P.L., Moore J.M. New materials for polymer electrolyte membrane fuel cell current collectors. J. Power Sources, 1999;80:235–41.Scholta, J. Investigations on novel low-cost graphite composite bipolar plates / J. Scholta [et al.] // J. Power Sources. –1999. – Vol. 84. – P. 231–234.Scholta J., Rohland B., Trapp V., Focken U. Investigations on novel low-cost graphite composite bipolar plates. J. Power Sources, 1999;84:231–234.Husby, H., Carbon-polymer composite coatings for PEM fuel cell bipolar plates / H. Husby [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – Vol. 39. – No. 2. – P. 951–957.Husby H., Kongstein O.E., Oedegaard A., Seland F. Carbon-polymer composite coatings for PEM fuel cell bipolar plates. International Journal of Hydrogen Energy, 2014;39(2):951–957.Wang, W.-L. Protective graphite coating on metallic bipolar plates for PEMFC applications / Wang W.L., He S.-M., Lan Ch.-H. // Electrochimica Acta. – 2012. – Vol. 62. – P. 30–35.WangW.-L., He Sh.-M., Lan Ch.-H. Protective graphite coating on metallic bipolar plates for PEMFC applications. Electrochimica Acta, 2012;62:30–35.Tsuchiyaa, H. Mass production cost of PEM fuel cell by learning / H. Tsuchiyaa, Q. Kobayashi // J. Hydrogen Energy. – 2004. – Vol. 29. – P. 985–990.Tsuchiyaa H., Kobayashi O. Mass production cost of PEM fuel cell by learning curve. International Journal of Hydrogen Energy, 2004;29:985–990.Zhang, D. TiN-coated titanium as the bipolar plate for PEMFC by multi-arc ion plating / D. Zhang [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2011. – Vol. 36. – No. 15. – P. 9155–9161.Zhang D., Du L., Guoa L., Wang Z., Zhao J., Tuan Wei-Hsing, Niiharac K. TiN coated titanium as the bipolar plate for PEMFC by multi-arc ion plating. International Journal of Hydrogen Energy, 2011;36(15):9155–9161.Duan, L. Corrosion behavior of TiN-coated titanium as bipolar plates for PEMFC by multi-arc ion plating China / L. Duan [et al.] // J. Nonferrous Metals. – 2011. – Vol. 21. – No. 1. – P. 159–164.Duan L., Zhang D., Guo L., Wang Z. Corrosion behavior of TiN-coated titanium as bipolar plates for PEMFC by multi-arc ion plating. J. Nonferrous Metals, 2011;21(1):159–164.Nefedkin, S.I. Investigation of catalytic vacuum black in the electrodes low-temperature electrochemical devices / S.I. Nefedkin [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. – 2011. – Vol. 291. – No. 1. – P. 012003.Nefedkin S.I., Holichev O.V., Bogomolova A.S., Kiselev I.V., Sedelnikov N.G., Fatyushin A.M., Investigation of catalytic vacuum black in the electrodes low-temperature electrochemical devices. Journal of Physics: Conference Series, 2011;291(1):012003.Nefedkin, S.I. Electrochemical properties of thinfilm Ti/Ir electrodes / S.I. Nefedkin [et al.] // Soviet Electrochemistry. – 1988. – Vol. 24. – No. 3. – P. 371–374.Nefedkin S.I., Korovin N.V., Gladkikh I.P., Mansurov G.N., Petrii O.A, Electrochemical properties of thinfilm Ti/Ir electrodes. Soviet Electrochemistry, 1988;24(3):371–374.Nefedkin, S.I.,Catalytically Active Platinum Blacks Prepared by Magnetron Sputtering in Vacuum and Their Using in Fuel Cells with Solid Polymer Electrolyte / S.I. Nefedkin [et al.] // Russian Journal of Electrochemistry. – 2014. – Vol. 50. – No. 7. – P. 617–624.Nefedkin S.I., Kholichev O.V., Pavlov V.I., Bogomolova A.S., Sedel’nikov N.G., Gerasimova E.V., Dobrovol’skiiYa.A. Catalytically active platinum blacks prepared by magnetron sputtering in vacuum and their using in fuel cells with solid polymer electrolyte. Russian Journal of Electrochemistry, 2014;50(7):617–624.Nefedkin, S.I. Pt- and Ir- based disperse catalysts synthesizes in a magnetron for water electrolyzes with solid polymer electrolyte Russian / S.I. Nefedkin [et al.] // Russian Journal of Electrochemistry. – 2017. – Vol. 53. – No. 3. – С. 284Nefedkin S.I., Klimova M.A., Kolomeitseva E.A., Klochnev M.K., Levin E.E., Petrii O.A., Pt- and Ir –based disperse catalysts synthesizes in a magnetron for water electrolyzes with solid polymer electrolyte, Russian Journal of Electrochemistry, 2017;53(3):284–291.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.