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

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.

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