Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Исследование защитных покрытий на титановых биполярных пластинах водородных топливных элементов с твердым полимерным электролитом

https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.07-18.101-114

Полный текст:

Аннотация

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.

Об авторах

М. А. Климова
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия

Мария Андреевна Климова,аспирант 

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



С. И. Нефедкин
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия

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

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



Е. А. Коломейцева
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия

Елена Александровна Коломейцева,выпускник аспирантуры

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



А. В. Чижов
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия

Алексей Вадимович Чижов, магистр  

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



Р. Г. Болдин
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия

Роман Григорьевич Болдин, магистр  

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



С. Б. Симакин
ООО «ИОНТЕК-сервис»
Россия

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

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



А. Н. Фокин
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия

Александр Николаевич Фокин, выпускник 

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



Список литературы

1. Thompson, 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Григорьев, С.А. Электрохимические системы с твердым полимерным электролитом / С.А. Григорьев // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2014. – № 10. – С. 8–26

15. Григорьев, И.С. Справочник «Физические величины» / И.С. Григорьев, Е.З. Мейлихов. – Энергоатомиздат, 1991. – C. 1232.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.).

21. 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.

22. Scholta, J. Investigations on novel low-cost graphite composite bipolar plates / J. Scholta [et al.] // J. Power Sources. –1999. – Vol. 84. – P. 231–234.

23. 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.

24. 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.

25. Tsuchiyaa, H. Mass production cost of PEM fuel cell by learning / H. Tsuchiyaa, Q. Kobayashi // J. Hydrogen Energy. – 2004. – Vol. 29. – P. 985–990.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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. 284


Для цитирования:


Климова М.А., Нефедкин С.И., Коломейцева Е.А., Чижов А.В., Болдин Р.Г., Симакин С.Б., Фокин А.Н. Исследование защитных покрытий на титановых биполярных пластинах водородных топливных элементов с твердым полимерным электролитом. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2020;(7-18):101-114. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.07-18.101-114

For citation:


Klimova M.A., Nefedkin S.I., Kolomeytseva E.A., Chizhov A.V., Boldin R.G., Simakin S.B., Fokin A.N. Research of Protective Coatings on Titanium Bipolar Plates of Hydrogen Fuel Cells with Solid Polymer Electrolyte. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2020;(7-18):101-114. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.07-18.101-114

Просмотров: 32


ISSN 1608-8298 (Print)