Работа 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 – эффективные источники электроэнергии на водородном топливе. Но для практического использования водорода как источника энергии требуется существенно улучшить характеристики одного из основных компонентов топливных элементов — биполярных пластин. Материал биполярных пластин должен обладать малой плотностью и высокой механической прочностью, а также высокой коррозионной стойкостью.
Традиционно в качестве материала биполярных пластин используется графит из-за его высокой коррозионной стойкости, проводимости, низкого контактного сопротивления с другими углеродными материалами. Но пластины из этого материала имеют недостаточную механическую прочность и высокую стоимость. Металлические биполярные платы обладают высокой механической прочностью, однако, 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 – золото, рутений и так далее).
Исследователи НЦМУ СПбПУ провели исследование возможности применить титан со специальными покрытиями в качестве материала для создания биполярных пластин. Титан обладает большей удельной прочностью и почти вдвое меньшей плотностью по сравнению с нержавеющей сталью, что позволяет снизить удельную массу топливного элемента и расширить возможные сферы применения. Однако титан не имеет достаточной устойчивости в коррозионных средах, особенно в присутствии водорода. Поэтому требуются специальные защитные покрытия, позволяющие преодолеть это ограничение. Покрытия, используемые в настоящее время, обладают не очень хорошей адгезией (способностью одного материала приклеиваться и удерживаться на поверхности другого) и быстро начинают отслаиваться, что приводит к коррозии пластин и снижению получаемого электрического тока.
Исследователи НЦМУ СПбПУ 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 тоже время величина получаемого коррозионного тока в 50 раз лучше целевого показателя, а полученный низкий коррозионный ток стабилен в течение длительного времени, что свидетельствует об эффективной защите титана покрытием 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 нами покрытия позволяют достичь требуемых величин целевых показателей, но 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», – прокомментировал результаты исследования профессор Высшей инженерно-физической школы СПбПУ, главный научный сотрудник НИЛ «Нано- и микросистемной техники» НЦМУ СПбПУ Платон Карасев.
В ближайшем будущем группа исследователей планирует перейти к нанесению новых покрытий на макетные образцы и проверить работу моделей топливных элементов. В то же время специалисты считают перспективным деятельность, направленную на разработку специализированных источников ионов фуллерена, пригодных для обработки больших площадей, и создание соответствующей вакуумной установки.
