РАЗРАБОТКА МАГНЕТРОННЫХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НИТРИДОВ И КАРБИДОВ ХРОМА НА ТИТАНОВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ПЛАСТИНАХ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ПРОТОНООБМЕННОЙ МЕМБРАНОЙ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты исследования титановых биполярных пластин топливных элементов с протонообменной мембраной с функциональными покрытиями на основе нитрида, карбида и карбонитрида хрома, полученных методом магнетронного распыления хромовой мишени в плазме аргона с различным содержанием азота и пропана. Исследована микроструктура и морфология чистых пленок CrN и CrС на титане и композитных покрытий карбонитрида хрома CrхNyСz. Показано, что защитные пленки карбида хрома, полученные за счет добавления в плазму аргона пропана, показывают повышенное контактное поверхностное сопротивление на границе газодиффузионный электрод/биполярная пластина (CrС: ICR = 119.4 мОм·см2). Однако для покрытий карбонитрида хрома этот показатель составляет всего 1.9 мОм·см2, что ниже, чем на чистых пленках CrС, и значительно ниже, чем для титана без покрытия (Ti: ICR = = 38.9 мОм·см2). Это является важным показателем для использования таких биполярных пластин в энергоустановках на топливных элементах с высокими удельными характеристиками. Коррозионные измерения, проведенные по общепринятым методикам, показали, что ток коррозии для карбонитрида хрома был менее 1 мкА/см2, что лучше, чем на непокрытом титане и чистых пленках CrN и Cr С.

Об авторах

С. И. Нефедкинa

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: nefedkini@mpei.ru
Москва, Россия

Г. В. Качалинa

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: nefedkini@mpei.ru
Москва, Россия

В. Е. Елецкихa

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: nefedkini@mpei.ru
Москва, Россия

О. С. Зиловаa

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: nefedkini@mpei.ru
Москва, Россия

В. А. Касьяненко

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: nefedkini@mpei.ru
Москва, Россия

Список литературы

  1. Papageorgopoulos, D., 2019 Annual Merit Review and Peer Evaluation Meeting. Fuel Cell R&D Overview. U.S. Department of Energy. Fuel Cell Technologies Office, 2019. https://www.hydrogen.energy.gov. Accessed January 14, 2020.
  2. Thompson, S.T., Brian, D.J., Huya-Kouadio, J.M., et al., Direct hydrogen fuel cell electric vehicle cost analysis: System and high-volume manufacturing description, validation, and outlook, J. Power Sources, 2018, vol. 399, p. 304. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.100
  3. Zhang, C., Ma, J., Liang, X., et al., Fabrication of metallic bipolar plate for proton exchange membrane fuel cells by using polymer powder medium based flexible forming, J. Mater. Process, 2018, vol. 262, p. 32. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.06.014
  4. Elyasi, M., Khatir, F.A., and Hosseinzadeh, M., Manufacturing metallic bipolar plate fuel cells through rubber pad forming process, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2016, vol. 89 (9–12), p. 3257. https://doi.org/10.1007/s00170-016-9297-6
  5. Jin, J., Zhang, J., Hu, M., and Li, X., Investigation of high potential corrosion protection with titanium carbonitride coating on 316L stainless steel bipolar plates, Corrosion Sci., 2021, vol. 191, 109757. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109757
  6. Wang, H. and Turner, J.A., Reviewing metallic PEMFC bipolar plates, Fuel Cell, 2010, vol. 10, p. 510. https://doi.org/10.1002/fuce.200900187
  7. Jeong, K.I., Oh, J., Song, S.A., et al., A review of composite bipolar plates in proton exchange membrane fuel cells: electrical properties and gas permeability, Compos. Struct., 2021, vol. 262, p. 113617. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113617
  8. Liu, R., Jia, Q., Zhang, B., et al., Protective coatings for metal bipolar plates of fuel cells: a review, Int. J. Hydrogen Energy, 2022, vol. 47, p. 22915. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.05.078
  9. Jiao, K., Xuan, J., Du, Q., et al., Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells, Nature, 2021, vol. 595, p. 361. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03482-7
  10. Нефедкин, С.И., Гутерман, В.Е., Алексеенко, А.А. и др. Российские технологии и наноструктурные материалы в системах с высокой удельной мощностью на основе водородно-воздушных топливных элементов с открытым катодом. Нанотехнологии в России. 2020. Т. 15. С. 370. [Nefedkin, S.I., Guterman, V.E., Alekseenko, A.A., et al., Russian Technologies and Nanostructural Materials in High Specific Power Systems Based on Hydrogen–Air Fuel Cells with an Open Cathode, Nanotechnol. Russia, 2020, vol. 15, p. 370.] https://doi.org/10.1134/S199507802003009X
  11. Nefedkin, S.I., Klimova, M.A., Glasov, V.S., et al., Effect of the corrugated bipolar plate design on the self-humidification of a high-power density PEMFC stack for UAVs, Fuel Cells, 2021, vol. 21, p. 1. https://doi.org/10.1002/fuce.202000163
  12. Wu, S., Yang, W., Yan, H., et al., A review of modified metal bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells, Int. J. Hydrogen Energy, 2021, vol. 46, p. 8672. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.12.074
  13. DOE Technical Targets for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Components. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/doe-technical-targets-polymer-electrolyte-membrane-fuel-cell-components. Accessed January 14, 2020.
  14. Jeong, K.I., Oh, J., Song, S.A., et al., A review of composite bipolar plates in proton exchange membrane fuel cells: electrical properties and gas permeability, Compos. Struct., 2021, vol. 262, p. 113617. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113617
  15. Zhang, D., Du, L., Guo, L., et al., TiN coated titanium as the bipolar plate for PEMFC by multi-arc ion plating, Int. J. Hydrogen Energy, 2011, vol. 36 (15), p. 9155.
  16. Duan, L., Zhang, D., Guo, L., and Wang, Z., Corrosion behavior of TiN-coated titanium as bipolar plates for PEMFC by multi-arc ion plating, J. Nonferrous Metals, 2011, vol. 21 (1), p. 159.
  17. Liu, W., Jiao, D., Ding, H., et al., Corrosion resistance of CrN film deposited by high-power impulse magnetron sputtering on SS304 in a simulated environment for proton exchange membrane fuel cells, Int. J. Hydrogen Energy, 2023, vol. 48 (66), p. 25901. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.03.265
  18. Li, S., Jin, R., Li, S., et al., High corrosion resistance and conductivity of Al2O3/CrN coating for metal bipolar plates in PEMFCs: Al2O3 hinders CrN columnar crystals growth, Int. J. Hydrogen Energy, 2024, vol. 50, p. 805.
  19. Zhou, H., Jiao, D., Ding, H., et al., Effect of magnetron sputtering C-doped CrN film on the conductivity and corrosion resistance of 304 stainless steel bipolar plates, Surf. Coat. Technol., 2024, vol. 483, 130769. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.130769
  20. Kachalin, G.V., Mednikov, A.F., Tkhabisimov, A.B., and Sidorov, S.V., Study of the wear resistance of ion-plasma coatings based on titanium and aluminum and obtained by magnetron sputtering, J. Phys. Conf. Ser., 2017, vol. 857, p. 012016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/857/1/012016
  21. Нефедкин, C.И. Рябухин, А.В., Елецких, В.Е., Болдин, Р.Г., Михневич В.Д., Климова М.А. Магнетронная технология изготовления электродов электролизеров с протонообменной мембраной. Электрохимия. 2024. Т. 60. С. 221. [Nefedkin, S.I., Ryabukhin, A.V., Eletskikh, V.E., Boldin, R.G., Mikhnevich, V.D., and Klimova, M.A., Magnetron Technology for Manufacturing of Electrodes for Electrolyzers with Proton-Exchange Membranes, Russ. J. Electrochem., 2024, vol. 60, p. 200.] https://doi.org/10.1134/S1023193524030091
  22. Григорьев, И.С., Мейлихов, Е.З. Физические величины: Справочник.: М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с. [Grigoriev, I.S. and Meilikhov, E.Z., Physical quantities, Moscow: Energoatomizdat, 1991. 1232 p.]. ISBN: 5-283-04013-5.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).