DEVELOPMENT OF MAGNETRON PROTECTIVE COATINGS OF CHROMIUM NITRIDES AND CARBIDES ON TITANIUM BIPOLAR PLATES OF A FUEL CELL WITH A PROTON-EXCHANGE MEMBRANE

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

The article presents the results of a study of titanium bipolar plates of fuel cells with a proton-exchange membrane with functional coatings based on chromium nitride, carbide and carbonitride obtained by magnetron sputtering of a chromium target in argon plasma with different nitrogen and propane contents. The microstructure and morphology of pure CrN and CrС films on titanium and composite coatings of chromium carbonitride CrхNyСz were studied. It was shown that protective chromium carbide films obtained by adding propane to argon plasma exhibit increased contact surface resistance at the gas diffusion electrode-bipolar plate interface (CrС: ICR = 119.4 mOhm·cm2). However, for chromium carbonitride coatings this indicator is only 1.9 mOhm·cm2, which is lower than for pure CrС films and significantly lower than for uncoated titanium (Ti: ICR = 38.9 mOhm·cm2). This is an important indicator for using such bipolar plates in fuel cell power plants with high specific characteristics. Corrosion measurements performed using conventional techniques showed that the corrosion current for chromium carbonitride was less than 1 μA/cm2, which is better than uncoated titanium and pure CrN and CrC films.

Sobre autores

S. Nefedkina

MPEI National Research University

Email: nefedkini@mpei.ru
Moscow, Russia

G. Kachalina

MPEI National Research University

Email: nefedkini@mpei.ru
Moscow, Russia

V. Eletskikh

MPEI National Research University

Email: nefedkini@mpei.ru
Moscow, Russia

O. Zilova

MPEI National Research University

Email: nefedkini@mpei.ru
Moscow, Russia

V. Kasyanenko

MPEI National Research University

Email: nefedkini@mpei.ru
Moscow, Russia

Bibliografia

  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.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».