Исследователи научного центра "Передовые цифровые технологии" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и их коллеги из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН разработали уникальное покрытие для титановых пластин топливных элементов, применяемых в водородной энергетике. Покрытия отличаются высокими антикоррозийными свойствами.
Работа была опубликована в научном журнале Vacuum. На сегодняшний день водород является наиболее емким и экологически чистым химическим энергоносителем из всех существующих. Низкотемпературные топливные элементы с протонообменной мембраной выступают эффективными источниками электроэнергии на водородном топливе, но для практического использования водорода требуется существенно улучшить характеристики биполярных пластин, материал которых должен обладать малой плотностью и высокой механической прочностью, а также высокой коррозионной стойкостью.
Обычно в качестве материала для биполярных пластин используется графит из-за его высокой коррозионной стойкости, проводимости и низкого контактного сопротивления, но пластины из этого материала имеют недостаточную механическую прочность и высокую стоимость. Металлические биполярные платы обладают высокой механической прочностью, но их использованию препятствует недостаточная коррозионная стойкость. Эта проблема решается нанесением на поверхность металлических биполярных плат покрытия из различных углеродных и неуглеродных материалов. Наиболее широко исследованы защитные покрытия для нержавеющей стали. Антикоррозионные покрытия для металлов имеют высокое контактное сопротивление, исключение составляют только покрытия из благородных металлов.
Исследователи Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого изучили возможность применить титан со специальными покрытиями в качестве материала для создания биполярных пластин. Титан обладает большей удельной прочностью и почти вдвое меньшей плотностью, если сравнивать с нержавеющей сталью, что позволяет снизить удельную массу топливного элемента и расширить возможные сферы применения. Однако титан не имеет достаточной устойчивости в коррозионных средах в присутствии водорода, поэтому требуются специальные защитные покрытия, позволяющие преодолеть это ограничение. Покрытия, используемые в настоящее время, обладают не очень хорошей адгезией и начинают быстро отслаиваться, что приводит к коррозии пластин и снижению получаемого электрического тока.
Ученые в специальных условиях пучком ускоренных ионов фуллерена (С60) создали на поверхности титанового сплава новые углеродные покрытия. Полученный уникальный углеродный нанокомпозит содержит текстурированные нанокристаллы графита, разделенные твердой прослойкой аморфного алмазоподобного углерода. Титан, покрытый таким нанокомпозитом, демонстрирует высокую коррозионную стойкость и низкое контактное сопротивление, пригодное для применения в водородных топливных элементах. Контактное сопротивление образцов с нанокомпозитным покрытием в значительной мере превышает установленный дорожными картами целевой показатель.
В то же время величина коррозионного тока в 50 раз лучше целевого показателя, а полученный низкий коррозионный ток стабилен в течение длительного времени, что свидетельствует об эффективной защите титана от проникновения ионов из рабочего раствора. Низкое значение контактного сопротивления сохраняется и после коррозионных испытаний в агрессивных средах, моделирующих работу водородного топливного элемента. Кроме того, ученые выявили возможность управления свойствами получаемых углеродных пленок и формирования специальных покрытий. Полученные покрытия позволяют достичь требуемых величин целевых показателей и поддерживать их в течение длительного времени. Это позволит резко увеличить ресурс работы топливного элемента при его эксплуатации. Таким образом, титан со специальным покрытием может заменить нержавеющую сталь с золотым покрытием в качестве основы для биполярных пластин топливных элементов с протонообменной мембраной.
В ближайшем будущем группа исследователей планирует перейти к нанесению новых покрытий на макетные образцы и проверить работу моделей топливных элементов. Специалисты также считают перспективной деятельность, направленную на разработку специализированных источников ионов фуллерена, пригодных для обработки больших площадей, и создание соответствующей вакуумной установки.
