Разработка научных основ технологии биполярных пластин для топливных элементов с протонобменной мембраной тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Фаддеев Никита Андреевич

• Фаддеев Никита Андреевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Фаддеев Никита Андреевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Топливные элементы. Виды, принцип работы, устройство

1.2 Материалы биполярных пластин

1.2.1 Графитовые биполярные пластины

1.2.2 Композитные биполярные пластины

1.2.3 Металлические биполярные пластины

1.3 Модификация поверхности биполярных пластин

1.4 Транспортные потоки в биполярных пластинах

1.5 Влияние конструкции БП на характеристики ПОМТЭ

1.6 Методы пластического формования металлических БП

1.7 Системы энергопитания на ПОМТЭ с открытым катодом

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Материалы

2.2 Моделирование процессов в ПОМТЭ

2.3 Методы исследования физико-механических характеристик

2.3.1 Испытания на прочность

2.3.2 Определение микротвердости

2.3.3 Определение межфазного контактного сопротивления

2.4 Методика нанесения покрытий

2.5 Определение адгезии покрытий

2.6 Определение водопоглощения покрытий

2.7 Электрохимические методы исследований

2.7.1 Определение плотности тока коррозии

2.7.2 Потенциодинамические измерения

2.7.3 Потенциостатические измерения

2.7.4 Гальваностатические измерения

2.7.5 Ступенчатая потенциостатическая кулонометрия

2

2.8 Микроскопические исследования

2.9 Изготовление мембранно-электродного блока

2.10 Испытание батареи ПОМТЭ в различных климатических условиях

2.11 Испытание батареи ПОМТЭ в различных режимах эксплуатации

3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ БП

3.1 Выбор материала биполярной пластины

3.2 Влияние геометрии газоподводящих каналов БП на аэродинамические, теплотехнические и электрические характеристики ПОМТЭ

3.3 Работа БП в составе батареи ПОМТЭ

4 РАЗРАБОТКА СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ БП

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И КОРРОЗИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БП

5.1 Исследование физико-механических свойств разработанной БП

5.2 Исследование коррозионных характеристик разработанной БП

5.3 Разработка способа модификации поверхности БП

6 РАБОТА БИПОЛЯРНЫХ ПЛАСТИН В СОСТАВЕ БАТАРЕИ ПОМТЭ

6.1 Изготовление батареи ПОМТЭ

6.2 Исследование влияния внешних условий на эксплуатационные характеристики батареи ПОМТЭ

6.3 Исследование влияния режимов эксплуатации на характеристики батареи ПОМТЭ

Заключение

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ТЭ - топливный элемент

ПОМТЭ - топливный элемент с протонобменной мембраной

ЩТЭ - щелочной топливный элемент

ФКТЭ - фосфорнокислый топливный элемент

РКТЭ - расплавкарбонатный топливный элемент

ТОТЭ - твердооксидный топливный элемент

БП - биполярная пластина

МЭБ - мембранно-электродный блок

ППК - проводящие полимерные композиты

ГДС - газодиффузионный слой

5-ГМФ - 5-гидроксиметилфурфурол

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка научных основ технологии биполярных пластин для топливных элементов с протонобменной мембраной»

Актуальность проблемы

Согласно Энергетической стратегии развития Российской Федерации (РФ) на период до 2035 года, одним из приоритетных направлений является развитие водородных энергетических технологий, основной задачей которых является использование водорода и энергетических смесей на его основе в качестве накопителей и преобразователей энергии для повышения эффективности систем энергоснабжения различного назначения.

Перспективными преобразователями энергии являются топливные элементы с протонобменной мембраной (ПОМТЭ), использующие водород в качестве топлива и кислород в качестве окислителя. Процесс производства электроэнергии в ПОМТЭ проходит в одну стадию без промежуточных преобразований, что делает системы энергопитания на их основе значительно более эффективными по сравнению с традиционными источниками энергии. Более того, использующие водород в качестве топлива ПОМТЭ, обеспечивают нулевую эмиссию СО2, а масштабирование мощности и энергоемкости систем энергопитания на ПОМТЭ для задач потребителей возможно без существенного изменения технологии производства самих источников.

Эффективность процесса преобразования химической энергии в

электрическую в ПОМТЭ зависит не только от эффективности работы

мембранно-электродного блока, но и от качества электрического контакта

между единичными ячейками ПОМТЭ, равномерности распределения

топлива и окислителя, соблюдения водного и теплового балансов,

механической прочности конструкции батареи ПОМТЭ. За выполнение всех

указанных функций в ПОМТЭ отвечает биполярная пластина (БП).

Требования к материалу и конструкции биполярных пластин очень высоки и

учитывают электро- и теплопроводность, газопроницаемость, коррозионную

стойкость. Поэтому разработка технологии биполярных пластин ПОМТЭ,

включая необходимые для этого исследования материалов, конструкций и

5

способов изготовления, уже сегодня является одним из лимитирующих факторов при массовом производстве ПОМТЭ.

Степень разработанности темы исследования.

Перспективы применения топливных элементов с протонообменной мембраной для водородной энергетики рассмотрены в работах Фатеева В.Н. (Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»); Нефедкина С.И. и Григорьева С.А. (Национальный исследовательский университет «МЭИ»). Технологии мобильных источников энергии на основе топливных элементов разрабатываются под руководством Добровольского Ю.А., Левченко А.В. (Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН), а также российскими производителями водородных топливных элементов ООО «Инэнерджи», AT Energy. Однако большая доля топливных элементов и составляющих их компонентов, в том числе биполярные пластины, для использования на территории России либо изготавливаются в малом количестве в лабораторных условиях, либо приобретаются за рубежом у таких крупнейших производителей, как Horizon Energy Systems (США), Pearl Hydrogen Technology Co. Ltd. (Китай) и Jiangsu Ice-City Energy Technology Co. Ltd (Китай), Ballard Power Systems (Канада) и др.

Проблемами в области биполярных пластин для топливных элементов с протонобменной мембранной для мобильных систем энергопитания являются: неоптимальная геометрия газовых каналов биполярной пластичны, что приводит к недостаточному снабжению топливом и окислителем мембранно-электродного блока и малоэффективному тепло- и водоотведению, низкая коррозионная стойкость, высокие массо-габаритные характеристики, отсутствие технологических приемов обработки материалов при изготовлении. Все это в совокупности ограничивает развитие массового производства мобильных систем энергопитания на основе ПОМТЭ, способных конкурировать не только на российском, но и на мировом рынке.

Цель работы

Разработка научных и технологических основ изготовления металлических биполярных пластин для топливных элементов с протонобменной мембраной для мобильных систем энергопитания.

Задачи исследования

1. Исследовать влияние геометрии каналов и конфигурации биполярной пластины в целом на распределение температурных полей и газовых потоков окислителя/хладагента в батарее ПОМТЭ с открытым катодом;

2. Разработать технологические основы изготовления металлических биполярных пластин для ПОМТЭ с открытым катодом для мобильных систем энергопитания.

3. Исследовать эксплуатационные характеристики изготовленных биполярных пластин, их коррозионную стойкость в условиях, моделирующих условия функционирования биполярных пластин в ПОМТЭ.

4. Исследовать систему энергопитания на основе ПОМТЭ с использованием разработанных биполярных пластин в различных условиях эксплуатации.

Научная новизна

1. С применением методов параметрического и имитационного моделирования установлено влияние геометрии каналов и конфигурации титановой биполярной пластины в целом на распределение температурных полей и газовых потоков окислителя/хладагента в батарее ПОМТЭ с открытым катодом мощностью до 1,5 кВт, на основании которых разработаны конструктивные решения металлических биполярных пластин.

2. Установлено, что процессы свободной коррозии титановых БП происходят с кислородной деполяризацией в условиях смешанного контроля процесса. Ток коррозии титановых БП в анодной среде ПОМТЭ выше тока коррозии в катодной среде. Установлен фазовый состав образующихся на

поверхности титана пассивирующих пленок и их влияние на деградацию титановых биполярных пластин в ходе работы ПОМТЭ.

3. Доказано, что в условиях функционирования ПОМТЭ коррозионная стойкость титановой БП снижается с ростом величины возникающих в процессе изготовления профиля БП остаточных механических напряжений, величина которых определяется также толщиной металла.

4. Доказано, что эксплуатация батареи ПОМТЭ с открытым катодом в переходных условиях (плавное увеличение/отключение) позволяет до 5 раз снизить потери мощности по сравнению с потерями в критических режимах (включение/отключение) и повысить эффективность использования батареи.

Практическая значимость

Разработаны конструктивные и технологические решения изготовления металлических биполярных пластин для топливного элемента с протонобменной мембраной для мобильных систем энергопитания мощностью до 1,5 кВт, в том числе:

- Разработана и запатентована конструкция металлической БП, обеспечивающей эффективное снабжение каждого мембранно-электродного бока (МЭБ) - единичного топливного элемента - необходимым количеством топлива и окислителя, и обладающей достаточным запасом прочности и жесткости для создания электрического контакта и герметизации анодного пространства топливного элемента.

- Подобраны и обоснованы технологические режимы обработки титана при изготовлении биполярных пластин. Разработан способ формования каналов катодной части БП путем пошаговой деформации заготовки холодным способом, которая позволяет снизить критическое истончение материала и величину остаточных механических напряжений в нем.

- Разработан и запатентован способ повышения коррозионной стойкости металлических биполярных пластин ПОМТЭ путем нанесения защитного

покрытия на основе сложных олигомеров и полимеров, являющихся побочным продуктом переработки биомассы в 5-гидроксиметилфурфурол. - Исследовано влияние условий эксплуатации в широком диапазоне изменения параметров окружающей среды, реализация которых возможна при эксплуатации беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), на электрические характеристики и стабильность работы батареи ПОМТЭ с открытым катодом.

Результаты диссертационного исследования использованы ООО НПП «Интор» при создании экспериментального образца технологической линии изготовления биполярных пластин для топливных элементов с протонобменной мембраной, предназначенных для энергообеспечения беспилотных воздушных судов.

Созданный экспериментальный образец системы энергопитания на основе топливных элементов с протонобменной мембранной с применением разработанных БП успешно прошел испытания в ООО «Инэнерджи» и показал высокие удельные энергетические характеристики.

Методология и методы, использованные в работе:

Теоретической и методологической основой диссертационной работы являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области создания компонентов ПОМТЭ. Информационную базу составляют монографические работы, материалы научно-технических конференций, объекты интеллектуальной собственности, статьи в периодических изданиях и научных сборниках по исследуемой проблеме.

При проведении исследований использованы методы параметрического и имитационного моделирования; комплекс физико-химических и электрохимических методов экспериментального исследования (вольтамперометрия; ступенчатая потенциостатическая кулонометрия; гальваностатические, потенциостатические и потенциодинамические испытания).

Положения, выносимые на защиту:

1. Данные о влиянии геометрии каналов и конфигурации биполярной пластины на распределение температурных полей и газовых потоков окислителя/хладагента в батарее ПОМТЭ с открытым катодом.

2. Технологические режимы обработки материалов при изготовлении титановых биполярных пластин.

3. Данные о зависимости коррозионной стойкости изготовленных с применением разработанных технологических решений титановых биполярных пластин от наличия в металле остаточных механических напряжений, возникающих в процессе изготовления профиля БП.

4. Способ противокоррозионной защиты металлических биполярных пластин, основанный на использовании сложных олигомеров и полимеров, являющихся побочным продуктом переработки биомассы в 5-гидроксиметилфурфурол, в качестве покрытия.

5. Данные о влиянии условий эксплуатации батареи ПОМТЭ с открытым катодом в широком диапазоне изменения параметров окружающей среды, реализация которых возможна при эксплуатации БПЛА, на электрические характеристики и стабильность работы системы энергопитания.

6. Данные о влиянии профиля нагрузки на производительность батареи ПОМТЭ с открытым катодом.

Степень достоверности результатов проведенных исследований

Достоверность полученных результатов базируется на использовании высокоточных современных химических и физико-химических методов исследования с применением поверенного высокотехнологического оборудования, в том числе в ЦКП «Нанотехнологии» ЮРГПУ (НПИ), НИИ «Нанотехнологии и новые материалы», и высокой воспроизводимости экспериментальных данных в пределах заданной точности; согласованности

результатов экспериментальных исследований с результатами других исследователей, которые работают в данной области. Выводы, сделанные по результатам работы, являются достоверными, научные положения аргументированными и прошли апробацию на международных и всероссийских научных конференциях.

Апробация работы

Результаты диссертационного исследования опубликованы в 17 научных работах (общим объемом 3,23 п.л. и 7,743 Мб, вклад соискателя 2,18 п.л. и 5,062 Мб), из них работ, опубликованных в рецензируемых научных журналах из Перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук - 1; в изданиях, включенных в наукометрические базы данных Scopus и Web of Science - 3; патентов РФ -2; в других научных работах - 2; работ в материалах всероссийских и международных конференций - 9.

Результаты диссертационного исследования докладывались на 8 научных конференциях, в том числе: «Технологии энергообеспечения. Аппараты и машины жизнеобеспечения» (Анапа, 2020); «Водородная маевка» (п. Мезмай, 2022, 2023); Всероссийское совещание «Электрохимия органических соединений» (Новочеркасск, 2022); Всероссийская конференция с международным участием «Водород. Технологии. Будущее» (Казань, 2022); Всероссийская конференция с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе» (Черноголовка, 2020, 2022, 2023).

Личный вклад автора

Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии во всех этапах диссертационного исследования: постановке задач, проведении экспериментальных исследований, получении, интерпретации,

систематизации и апробации результатов экспериментальных и теоретических исследований, подготовке основных публикаций по выполненной работе.

Лично соискателем получены следующие научные результаты:

1. Проведено параметрическое и имитационное моделирование и обоснована оптимальная конфигурация БП, получены данные о распределении температурных полей и газовых потоков окислителя/хладагента в зависимости от геометрии каналов и биполярной пластины в целом в батарее ПОМТЭ с открытым катодом.

2. Подобраны и обоснованы технологические режимы обработки титана при изготовлении биполярных пластин. Разработана конструкция и способ формования каналов катодной части БП.

3. Исследованы физико-механические свойства изготовленных БП.

4. Исследованы процессы коррозии титана и изготовленных БП в условиях, моделирующих функционирование ПОМТЭ с открытым катодом.

5. Проведены комплексные испытания системы энергопитания на основе ПОМТЭ, изготовленной с применением разработанных титановых биполярных пластин, в условиях, реализация которых возможна при эксплуатации БПЛА (широкий диапазон изменения температуры, влажности, критические режимы и переходные условиях эксплуатации).

Коррозионные исследования выполнены при консультативном участии д.т.н. М.С. Липкина. Разработка способа повышения коррозионной стойкости металлических БП выполнена при консультативном участии к.т.н. В.А. Клушина.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованных источников литературы и 2 приложений. Работа изложена на 152 страницах, содержит 59 иллюстраций, 6 таблиц и 268 библиографических наименования.

Плановый характер работы

Работа выполнена в соответствии с Приоритетным направлением развития науки, технологий и техники РФ «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», перечнем критических технологий РФ: «Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику» (согласно Указу Президента РФ от 07.07.2011 г. № 899), научным направлением ЮРГПУ (НПИ) «Теоретические основы ресурсосберегающих химических технологий создания перспективных материалов и способов преобразования энергии», и в рамках реализации Стратегического проекта «Системы водородной энергетики» программы стратегического академического лидерства «ПРИОРИТЕТ-2030».

Работа выполнялась в рамках выполнения государственных контрактов № 075-15-2019-1850 «Мобильные энергоустановки на водородных топливных элементах киловаттного класса мощности: разработка новых материалов, технологий, технологического оборудования» и № FENN-2020-0020 «Энергоустановки на водородных топливных элементах для малых беспилотных аппаратов: моделирование, разработка, исследования при поддержке Минобрнауки России при участии соискателя в качестве исполнителя работ. Работа поддержана Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Фонд содействия инновациям) в рамках выполнения программы «УМНИК» по договору № 15281ГУ/2020 от 14.06.2020 г под руководством соискателя.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Топливные элементы. Виды, принцип работы, устройство

Топливный элемент (ТЭ) - это электрохимическое устройство, в котором осуществляется преобразование химической энергии топлива и окислителя в электрическую энергию в одну стадию без промежуточных преобразований химической энергии в тепловую, тепловой — в механическую, а затем уже в электрическую. Главное отличие всех типов ТЭ от аккумуляторов заключается в том, что токообразующие вещества в ТЭ не закладываются заранее при изготовлении электродов, как для обычных источников тока, а подводятся по мере расходования.

Топливные элементы классифицируют в зависимости от их диапазона рабочих температур: высокотемпературные (850 - 1000°С), среднетемпературные (200—300 °С) и низкотемпературные (<200 °С). В свою очередь к низкотемпературным ТЭ относятся ТЭ с протонобменной мембраной (ПОМТЭ) и щелочные ТЭ (ЩТЭ), к среднетемпературным -фосфорнокислые (ФКТЭ), и к высокотемпературным ТЭ относят расплавкарбонатные (РКТЭ) и твердооксидные ТЭ (ТОТЭ). Каждый из типов ТЭ обладает как своими преимуществами и недостатками. В ЩТЭ не применяются дорогостоящие компоненты, но топливом могут служить только чистый водород и кислород [1, 2]. ФКТЭ предполагает периодическую замену электролита [3, 4]. В РКТЭ, как и в ЩТЭ не предполагается использование дорогостоящей платины, однако время запуска такого ТЭ элемента составляет десятки часов [5]. Высокая рабочая температура ТОТЭ и значительные масса и размеры ЭУ значительно сужает область их применения [6, 7]. ТЭ с протонпроводящей полимерной мембраной присуще такие недостатки, как дороговизна основных компонентов ПОМТЭ, высокая чувствительность катализаторов к примесям в топливе и окислителе. В различных портативных устройствах

целесообразнее использовать энергоустановки на ПОМТЭ [8, 9], так как они обладают рядом преимуществ, среди которых быстрый запуск, высокие мощностные характеристики, низкие рабочие температуры.

Единичная ячейка ПОМТЭ состоит из биполярной пластины (БП) и мембранно-электродного блока (МЭБ), представляющего собой два электрода, разделенных протонпроводящей полимерной мембраной (рисунок 1.1).

Биполярные пластины

Газодиффузионные слои, подвод и распределение газов

Рисунок 1.1 - Схема топливного элемента с протонобменной мембраной

Каждый из электродов представляет собой каталитический слой, нанесенный на углеродную бумагу или ткань (газодиффузионный слой). В процессе работы ПОМТЭ на аноде происходит реакция окисления водорода:

Н2 - 2е = 2И+ (1.1) В ходе реакции образуются 2 протона и 2 электрона. Электроны направляются через внешнюю цепь, тогда как протоны проходят через полимерную мембрану. Протоны и электроны достигают катода, где протекает процесс восстановления кислорода:

О2 + 4И+ + 4е = 2Н2О (1.2)

Таким образом, в составе мембранно-электродного блока основной функцией полимерной мембраны является транспортировка протонов от анода к катоду, процесс происходит за счет наличия сульфо-групп в составе мембраны. Наиболее используемой на сегодняшний день является перфторированная ионообменная мембрана №йоп, представляющая собой сополимер тетрафторэтилена и перфторированного сульфосодержащего мономера [10]. №йоп обладает полукристаллической структурой. Такая структура, подобно тефлону, делает №йоп стабильным в условиях окисления и восстановления.

Катализатор в каталитических слоях мембранно-электронного блока представляет собой наноразмерные частицы металлов нанесенные на пористый углеродный носитель. Наилучшим катализатором, как для реакции окисления водорода, так и для реакции восстановления кислорода (не смотря на большую разницу между этими процессами) до сих пор считается платина [11]. В качестве подложки широко применяют углеродные порошки и нанотрубки [12]. Благодаря малым размерам частиц платины увеличивается площадь контакта катализатора с реагентом, в результате чего снижается загрузка катализатора и увеличивается удельная мощность ТЭ [13].

С помощью газодиффузионного слоя (ГДС) осуществляется токосъем с анодной и катодной сторон. Также благодаря пористой структуре осуществляется подвод реагентов к каталитическому слою и отвод продуктов реакции [14].

Одним из основных и многофункциональных компонентов топливного

элемента являются биполярные пластины, которые составляют до 80% веса

ПОМТЭ и около 30% его стоимости [15]. БП обеспечивает раздельное

снабжение каждого МЭБ топливом и окислителем, предотвращая их

смешивание [16]. Если в качестве окислителя используется не чистый

кислород, а воздух, необходимо обеспечить его непрерывный поток, для

поддержания постоянной концентрации кислорода на рабочей поверхности

мембраны. Поскольку пластина разделяет кислородное и водородное

16

пространство, ее материал должен иметь минимальную газопроницаемость по воздуху и кислороду [17]. Кроме того, газовые пространства должны быть герметизированы по краю пластины. Так же очень важно отметить различия в требованиях к анодной и катодной областям биполярных пластин, вытекающих из различия свойств рабочих газов. БП должна обеспечивать отвод образующейся в результате электрохимической реакции воды со стороны катода, и в тоже время подвод воды для поддержания высокого уровня влажности, необходимого для работы мембраны [18]. Геометрическая точность изготовления БП должна быть достаточно высока для обеспечения надежного электрического контакта с газодиффузионными слоями [19]. Для обеспечения такого контакта материал биполярных пластин должен быть хорошим проводником, а поверхности плоскими и чистыми, с плотным прилеганием [20]. Материал БП должен быть достаточно прочным и жестким для создания необходимого электрического контакта и герметизации давления, не терять механических характеристик при нагреве до рабочих температур ТЭ и обладать достаточно малым коэффициентом теплового расширения для предотвращения разрушения батареи ПОМТЭ при термоциклировании (в процессе запуска, нагрева, остановки, охлаждения) [21].

1.2 Материалы биполярных пластин

В качестве материалов для БП используют графит, полимерные композиты с проводящими наполнителями, металлы с покрытием и без покрытия. К сожалению, любому классу материалов все еще трудно выполнить все требования, предъявляемые к биполярным пластинам. Поэтому исследование существующих и новых материалов с целью достижения необходимых параметров, является первостепенной задачей для исследователей.

1.2.1 Графитовые биполярные пластины

Традиционным материалом, используемым при производстве БП для ТЭ, является графит. Основные его преимущества - это высокая коррозионная стойкость, хорошая электропроводность, химическая стабильность [22]. Кроме того, графитовые БП имеют низкое контактное сопротивление, что благоприятно сказывается на мощностных характеристиках единичной ячейки ТЭ. Однако графитовые БП обладают целым рядом существенных недостатков, таких как низкая механическая прочность, высокая пористость, стоимость. К тому же из-за высокой пористости графитовые биполярные пластины нуждаются в вакуумной пропитке полимерной смолой, чтобы сделать их газонепроницаемыми, что так же является длительным процессом.

Непористые графитовые БП получают методом графитизации смеси углерод (графит) и графитированной смолы при высокой температуре обработки. Температура графитизации достигает 2500 °С, процесс необходимо проводить при строгих процедурах повышения температуры, что отнимает много времени. Кроме того, после графитизации из-за испарения примесей могут появиться новые пустоты, что приводит к пористости от 20 до 30% на поверхности графитовых БП [23]. Присутствие большого количества пор может вызвать утечку в ТЭ, что приведет к снижению концентрации реакционных газов, тем самым уменьшая производительность энергоустановки. Следовательно, графитовые пластины необходимо дополнительно обрабатывать, чтобы уменьшить их пористость и улучшить качество поверхности.

По сравнению с другими видами биполярных пластин графитовые пластины более подвержены разрушению в процессе производства. Ввиду низкой прочности и хрупкости графитовых БП, механический способ обработки не подходит для формирования биполярных пластин толщиной менее 1,5 мм [24]. Высокое трение между режущим инструментом и

графитом приводит к низкой точности размеров и качеству поверхности пластины [25]. Кроме того, обработка каналов подвода реагентов увеличивает общую стоимость пластины. Для повышения качества пластины, в дальнейшем может быть проведена графитизация, но это значительно увеличит стоимость готового изделия. В последнее время для изготовления деталей высокого качества и сложной формы из углеродных и композитных материалов применяют метод литья геля [26]. Пластины, полученные этим методом, обладали более высокими механическими свойствами, электропроводностью и качеством поверхности, по сравнению с пластинами полученными литьем под давлением.

1.2.2 Композитные биполярные пластины

Проводящие полимерные композиты (ППК) можно считать одними из перпективных материалов для биполярных пластин ПОМТЭ. Это связано с их электрическими и механическими свойствами, низкой стоимостью и простотой изготовления. ППК получают путем смешивания изолирующей полимерной матрицы с проводящими наполнителями (измельченным графитом, углеродными волокнами [27], сажей [28], углеродными нанотрубками [29, 30] и др.), способными обеспечивать формирование перколяционных кластеров в полимерной матрице. Независимо от природы полимера, для изготовления БП требуется довольно большая доля наполнителей [31]. В производстве БП могут использоваться как термопластичные, так и термореактивные смолы [32]. Для изготовления БП в основном описаны три типа термореактивных полимеров: эпоксидные [33, 34], фенольные [35, 36] и винилэфирные [37-39] смолы. Другие исследования направлены на изучение термопластов в роли полимерной матрицы композитных БП, в том числе полипропилена [40-42], поливинилиденфторида [43, 44], полифениленсульфида [45, 46].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фаддеев Никита Андреевич, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ferriday T. B., Middleton P. H. Alkaline fuel cell technology-A review //international journal of hydrogen energy. - 2021. - T. 46. - №. 35. - C. 1848918510.

2. Ramaswamy N., Mukerjee S. Alkaline anion-exchange membrane fuel cells: challenges in electrocatalysis and interfacial charge transfer //Chemical reviews. -2019. - T. 119. - №. 23. - C. 11945-11979.

3. Paschos O. et al. A review on phosphate based, solid state, protonic conductors for intermediate temperature fuel cells //Journal of Physics: Condensed Matter. - 2011. - T. 23. - №. 23. - C. 234110.

4. Mathur L. et al. Structural and electrical properties of novel phosphate based composite electrolyte for low-temperature fuel cells //Composites Part B: Engineering. - 2020. - T. 202. - C. 108405.

5. Bischoff M. Molten carbonate fuel cells: A high temperature fuel cell on the edge to commercialization //Journal of Power Sources. - 2006. - T. 160. - №. 2. -C. 842-845.

6. Singh M., Zappa D., Comini E. Solid oxide fuel cell: Decade of progress, future perspectives and challenges //International Journal of Hydrogen Energy. -2021. - T. 46. - №. 54. - C. 27643-27674.

7. Peng J. et al. Solid oxide fuel cell (SOFC) performance evaluation, fault diagnosis and health control: A review //Journal of Power Sources. - 2021. - T. 505. - C. 230058.

8. Wang S., Jiang S.P., Prospects of fuel cell technologies //National Science Review. Prospects of fuel cell technologies -2017. -V.4. -№2. P.163-166

9. Wilberforce T. et al. Advances in stationary and portable fuel cell applications //International journal of hydrogen energy. - 2016. - T. 41. - №. 37. -C. 16509-16522.

10. Kim D. J., Jo M. J., Nam S. Y. A review of polymer-nanocomposite electrolyte membranes for fuel cell application //Journal of Industrial and Engineering Chemistry. - 2015. - T. 21. - C. 36-52.

11. Martínez-Huerta M. V., Lázaro M. J. Electrocatalysts for low temperature fuel cells //Catalysis Today. - 2017. - T. 285. - C. 3-12.

12. Chen J. et al. Recent developments of nanocarbon based supports for PEMFCs electrocatalysts //Chinese Journal of Catalysis. - 2021. - T. 42. - №. 8. -C. 1297-1326.

13. Wang Y. J. et al. Carbon-supported Pt-based alloy electrocatalysts for the oxygen reduction reaction in polymer electrolyte membrane fuel cells: particle size, shape, and composition manipulation and their impact to activity //Chemical reviews. - 2015. - T. 115. - №. 9. - C. 3433-3467.

14. Park J. et al. A review of the gas diffusion layer in proton exchange membrane fuel cells: durability and degradation //Applied Energy. - 2015. - T. 155. - C. 866-880.

15. Li Y., Yang J., Song J. Structure models and nano energy system design for proton exchange membrane fuel cells in electric energy vehicles //Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2017. - T. 67. - C. 160-172.

16. Xu Y. et al. Analysis of the flow distribution for thin stamped bipolar plates with tapered channel shape //International journal of hydrogen energy. - 2016. - T. 41. - №. 9. - C. 5084-5095.

17. Li W. et al. Experimental investigation of expanded graphite/phenolic resin composite bipolar plate //International Journal of Hydrogen Energy. - 2016. - T. 41. - №. 36. - C. 16240-16246.

18. Wang Z. et al. Improvement of PEMFC water management by employing water transport plate as bipolar plate //international journal of hydrogen energy. -2017. - T. 42. - №. 34. - C. 21922-21929.

19. San F. G. B., Okur O. The effect of compression molding parameters on the electrical and physical properties of polymer composite bipolar plates

//International Journal of Hydrogen Energy. - 2017. - T. 42. - №. 36. - C. 2305423069.

20. Kim M. et al. Electrical contact resistance between anode and cathode bipolar plates with respect to surface conditions //Composite Structures. - 2018. -T. 189. - C. 79-86.

21. Eriksson M. Accelerated degradation of bipolar plates in the PEMFC. -2016.

22. K Gautam R., Banerjee S., K Kar K. Bipolar plate materials for proton exchange membrane fuel cell application //Recent Patents on Materials Science. -2015. - T. 8. - №. 1. - C. 15-45.

23. Charon E., Rouzaud J. N., Aléon J. Graphitization at low temperatures (6001200 C) in the presence of iron implications in planetology //Carbon. - 2014. - T. 66. - C. 178-190.

24. Jin C. K., Jung M. G., Kang C. G. Fabrication of Aluminum Bipolar Plates by Semi-Solid Forging Process and Performance Test of TiN Coated Aluminum Bipolar Plates //Fuel Cells. - 2014. - T. 14. - №. 4. - C. 551-560.

25. Feng W., Qin M., Feng Y. Toward highly thermally conductive all-carbon composites: Structure control //Carbon. - 2016. - T. 109. - C. 575-597.

26. Tang D. et al. Research on the performance of tubular cathode for direct ethanol fuel cell //Russian Journal of Electrochemistry. - 2017. - T. 53. - C. 429434.

27. Radzuan N. A. M. et al. The effect of milled carbon fibre filler on electrical conductivity in highly conductive polymer composites //Composites Part B: Engineering. - 2017. - T. 110. - C. 153-160.

28. Zhu J. Carbon black-reinforced 3D and 4D printable conductive polymer composites //3D and 4D Printing of Polymer Nanocomposite Materials. - Elsevier, 2020. - C. 367-385.

29. Sander M. L. et al. Injection Molding of Carbon Nanotube-Filled, Polymer Composite Bipolar Plates //Electrochemical Society Meeting Abstracts aimes2018. - The Electrochemical Society, Inc., 2018. - №. 42. - C. 1440-1440.

30. Prasanna D., Selvaraj V. Cyclophosphazene based conductive polymercarbon nanotube composite as novel supporting material for methanol fuel cell applications //Journal of colloid and interface science. - 2016. - T. 472. - C. 116125.

31. Flandin L. et al. Effect of strain on the properties of an ethylene-octene elastomer with conductive carbon fillers //Journal of Applied Polymer Science. -2000. - T. 76. - №. 6. - C. 894-905.

32. Taherian R. A review of composite and metallic bipolar plates in proton exchange membrane fuel cell: Materials, fabrication, and material selection //Journal of Power Sources. - 2014. - T. 265. - C. 370-390.

33. Kang K. et al. Development of ultralight and thin bipolar plates using epoxy-carbon fiber prepregs and graphite composites //International Journal of Hydrogen Energy. - 2017. - T. 42. - №. 3. - C. 1691-1697.

34. Lee H. S. et al. Evaluation of graphite composite bipolar plate for PEM (proton exchange membrane) fuel cell: Electrical, mechanical, and molding properties //Journal of materials processing technology. - 2007. - T. 187. - C. 425428.

35. Dhakate S. R. et al. Expanded graphite-based electrically conductive composites as bipolar plate for PEM fuel cell //international journal of hydrogen energy. - 2008. - T. 33. - №. 23. - C. 7146-7152.

36. Kakati B. K., Deka D. Differences in physico-mechanical behaviors of resol (e) and novolac type phenolic resin based composite bipolar plate for proton exchange membrane (PEM) fuel cell //Electrochimica Acta. - 2007. - T. 52. - №. 25. - C. 7330-7336.

37. Alo O. A. et al. Materials for bipolar plates in polymer electrolyte membrane fuel cell: performance criteria and current benchmarks //Procedia Manufacturing. -2017. - T. 7. - C. 395-401.

38. Liao S. H. et al. Novel functionalized carbon nanotubes as cross-links reinforced vinyl ester/nanocomposite bipolar plates for polymer electrolyte

membrane fuel cells //Journal of Power Sources. - 2010. - T. 195. - №. 23. - C. 7808-7817.

39. Yen C. Y. et al. Preparation and properties of high performance nanocomposite bipolar plate for fuel cell //Journal of Power Sources. - 2006. - T. 162. - №. 1. - C. 309-315.

40. Rzeczkowski P., Krause B., Pötschke P. Characterization of highly filled PP/graphite composites for adhesive joining in fuel cell applications //Polymers. -2019. - T. 11. - №. 3. - C. 462.

41. Liao S. H. et al. Preparation and properties of functionalized multiwalled carbon nanotubes/polypropylene nanocomposite bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells //Journal of Power Sources. - 2010. - T. 195. - №. 1. - C. 263-270.

42. Adloo A. et al. High performance polymeric bipolar plate based on polypropylene/graphite/graphene/nano-carbon black composites for PEM fuel cells //Renewable Energy. - 2016. - T. 99. - C. 867-874.

43. Hu B. et al. High performance polyvinylidene fluoride/graphite/multi-walled carbon nanotubes composite bipolar plate for PEMFC with segregated conductive networks //International Journal of Hydrogen Energy. - 2021.

44. Li Y. C., Tjong S. C., Li R. K. Y. Electrical conductivity and dielectric response of poly (vinylidene fluoride)-graphite nanoplatelet composites //Synthetic Metals. - 2010. - T. 160. - №. 17-18. - C. 1912-1919.

45. Dushina A. et al. Comparative investigation of polyphenylene sulfide polymer-graphite bipolar plates for fuel cell application //ECS Transactions. -2019. - T. 92. - №. 8. - C. 361.

46. Park H. J., Woo J. S., Park S. Y. Poly (phenylene sulfide)-graphite composites for bipolar plates with preferred morphological orientation //Korean Journal of Chemical Engineering. - 2019. - T. 36. - №. 12. - C. 2133-2142.

47. Li W. et al. Experimental investigation of expanded graphite/phenolic resin composite bipolar plate //International Journal of Hydrogen Energy. - 2016. - T. 41. - №. 36. - C. 16240-16246.

48. Yao K. et al. Highly conductive and strong graphite-phenolic resin composite for bipolar plate applications //Energy & Fuels. - 2017. - T. 31. - №. 12. - C. 14320-14331.

49. Lv B. et al. A novel graphite/phenolic resin bipolar plate modified by doping carbon fibers for the application of proton exchange membrane fuel cells //Progress in Natural Science: Materials International. - 2020. - T. 30. - №. 6. - C. 876-881.

50. Kakati B. K., Guptha K. R., Verma A. Fabrication of composite bipolar plate for proton exchange membrane fuel cell //J Environ Res Dev. - 2009. - T. 4. - C. 202-211.

51. Adloo A. et al. High performance polymeric bipolar plate based on polypropylene/graphite/graphene/nano-carbon black composites for PEM fuel cells //Renewable Energy. - 2016. - T. 99. - C. 867-874.

52. Kakati B. K., Sathiyamoorthy D., Verma A. Electrochemical and mechanical behavior of carbon composite bipolar plate for fuel cell //International journal of hydrogen energy. - 2010. - T. 35. - №. 9. - C. 4185-4194.

53. Antunes R. A. et al. Carbon materials in composite bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells: A review of the main challenges to improve electrical performance //Journal of Power Sources. - 2011. - T. 196. - №. 6. - C. 2945-2961.

54. Taherian R. Development of an equation to model electrical conductivity of polymer-based carbon nanocomposites //ECS Journal of Solid State Science and Technology. - 2014. - T. 3. - №. 6. - C. M26.

55. Du L., Jana S. C. Highly conductive epoxy/graphite composites for bipolar plates in proton exchange membrane fuel cells //Journal of Power Sources. - 2007. - T. 172. - №. 2. - C. 734-741.

56. Chaiwan P., Pumchusak J. Wet vs. dry dispersion methods for multiwall carbon nanotubes in the high graphite content phenolic resin composites for use as bipolar plate application //Electrochimica Acta. - 2015. - T. 158. - C. 1-6.

57. Yui H. et al. Morphology and electrical conductivity of injection-molded polypropylene/carbon black composites with addition of high-density polyethylene //Polymer. - 2006. - T. 47. - №. 10. - C. 3599-3608.

58. Soares da Silva J. P. et al. Double percolation of melt-mixed PS/PBAT blends loaded with carbon nanotube: effect of molding temperature and the non-covalent functionalization of the filler by ionic liquid //Frontiers in Materials. -2019. - T. 6. - C. 191.

59. Lee H. E. et al. Novel fabrication process for carbon fiber composite bipolar plates using sol gel and the double percolation effect for PEMFC //Composite Structures. - 2015. - T. 134. - C. 44-51.

60. Lee H. E., Chung Y. S., Kim S. S. Feasibility study on carbon-felt-reinforced thermoplastic composite materials for PEMFC bipolar plates //Composite Structures. - 2017. - T. 180. - C. 378-385.

61. Mishra V., Yang F., Pitchumani R. Electrical contact resistance between gas diffusion layers and bipolar plates for applications to PEM fuel cells //International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and Technology. - 2004. - T. 41650. - C. 613-619.

62. Kim M. et al. Electrical contact resistance between anode and cathode bipolar plates with respect to surface conditions //Composite Structures. - 2018. -T. 189. - C. 79-86.

63. Avasarala B., Haldar P. Effect of surface roughness of composite bipolar plates on the contact resistance of a proton exchange membrane fuel cell //Journal of Power Sources. - 2009. - T. 188. - №. 1. - C. 225-229.

64. Lim J. W. et al. Carbon composite hybrid bipolar plates with bypass-connected gas diffusion layers for PEM fuel cells //Composite Structures. - 2013. - T. 95. - C. 557-563.

65. Kim B. G. et al. A single-type aluminum/composite hybrid bipolar plate with surface modification for high efficiency PEMFC //International journal of hydrogen energy. - 2011. - T. 36. - №. 4. - C. 3087-3095.

66. Möller M. W. et al. UV-cured, flexible, and transparent nanocomposite coating with remarkable oxygen barrier //Advanced Materials. - 2012. - T. 24. -№. 16. - C. 2142-2147.

67. Blunk R., Zhong F., Owens J. Automotive composite fuel cell bipolar plates: Hydrogen permeation concerns //Journal of power sources. - 2006. - T. 159. - №. 1. - C. 533-542.

68. Cui Y., Kundalwal S. I., Kumar S. Gas barrier performance of graphene/polymer nanocomposites //Carbon. - 2016. - T. 98. - C. 313-333.

69. Xiang C. et al. Functionalized low defect graphene nanoribbons and polyurethane composite film for improved gas barrier and mechanical performances //ACS nano. - 2013. - T. 7. - №. 11. - C. 10380-10386.

70. Layek R. K. et al. Enhancement of physical, mechanical, and gas barrier properties in noncovalently functionalized graphene oxide/poly (vinylidene fluoride) composites //Carbon. - 2015. - T. 81. - C. 329-338.

71. Zheng L. et al. Enhanced gas barrier properties of graphene oxide/rubber composites with strong interfaces constructed by graphene oxide and sulfur //Chemical Engineering Journal. - 2020. - T. 383. - C. 123100.

72. Yu Y. H. et al. High-performance polystyrene/graphene-based nanocomposites with excellent anti-corrosion properties //Polymer Chemistry. -2014. - T. 5. - №. 2. - C. 535-550.

73. Liu H. et al. In situ synthesis of the reduced graphene oxide-polyethyleneimine composite and its gas barrier properties //Journal of materials chemistry a. - 2013. - T. 1. - №. 11. - C. 3739-3746.

74. Wu G. et al. In situ polymerization of modified graphene/polyimide composite with improved mechanical and thermal properties //Journal of Materials Science: Materials in Electronics. - 2017. - T. 28. - №. 1. - C. 576-581.

75. Ma J et al. Poly (vinyl alcohol)/graphene oxide nanocomposites prepared by in situ polymerization with enhanced mechanical properties and water vapor barrier properties. RSC Adv 2016;6(55):49448-58.

76. Shimpalee S. et al. Investigation of bipolar plate materials for proton exchange membrane fuel cells //International journal of hydrogen energy. - 2016. - T. 41. - №. 31. - C. 13688-13696.

77. Ehteshami S. M. M., Taheri A., Chan S. H. A review on ions induced contamination of polymer electrolyte membrane fuel cells, poisoning mechanisms and mitigation approaches //Journal of industrial and engineering chemistry. -2016. - T. 34. - C. 1-8.

78. Brady M. P. et al. Manufacturing and performance assessment of stamped, laser welded, and nitrided FeCrV stainless steel bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells //International journal of hydrogen energy. - 2013. - T. 38. -№. 11. - C. 4734-4739.

79. Bai C. Y., Ger M. D., Wu M. S. Corrosion behaviors and contact resistances of the low-carbon steel bipolar plate with a chromized coating containing carbides and nitrides //International journal of hydrogen energy. - 2009. - T. 34. - №. 16. -C. 6778-6789.

80. Wang H., Turner J. A. Anodic behavior of high nitrogen-bearing steels in PEMFC environments //Journal of Power Sources. - 2008. - T. 180. - №. 2. - C. 791-796.

81. Chanda U. K. et al. Evaluation of Ni-Cr-P coatings electrodeposited on low carbon steel bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cell //International Journal of Hydrogen Energy. - 2018. - T. 43. - №. 52. - C. 2343023440.

82. Mingge W. et al. Effects of metal buffer layer for amorphous carbon film of 304 stainless steel bipolar plate //Thin Solid Films. - 2016. - T. 616. - C. 507-514.

83. Pozio A. et al. Bipolar plate materials for PEMFCs: a conductivity and stability study //Journal of Power Sources. - 2008. - T. 179. - №. 2. - C. 631-639.

84. Tian R. J., Sun J. C., Wang L. Effect of plasma nitriding on behavior of austenitic stainless steel 304L bipolar plate in proton exchange membrane fuel cell //Journal of Power sources. - 2007. - T. 163. - №. 2. - C. 719-724.

85. Nikam V. V. et al. Corrosion resistant low temperature carburized SS 316 as bipolar plate material for PEMFC application //Electrochimica Acta. - 2008. - T. 53. - №. 6. - C. 2743-2750.

86. Myung S. T. et al. Nanoparticle TiN-coated type 310S stainless steel as bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cell //Electrochemistry Communications. - 2008. - T. 10. - №. 3. - C. 480-484.

87. Feng K. et al. Silver implanted 316L stainless steel as bipolar plates in polymer electrolyte membrane fuel cells //Materials Chemistry and Physics. -2011. - T. 126. - №. 1-2. - C. 6-11.

88. Feng K. et al. Carbon coated stainless steel bipolar plates in polymer electrolyte membrane fuel cells //Diamond and Related Materials. - 2010. - T. 19.

- №. 11. - C. 1354-1361.

89. Feng K. et al. An investigation into nickel implanted 316L stainless steel as a bipolar plate for PEM fuel cell //Journal of Power Sources. - 2008. - T. 182. -№. 1. - C. 145-152.

90. Feng K. et al. Conductive amorphous carbon-coated 316L stainless steel as bipolar plates in polymer electrolyte membrane fuel cells //International journal of hydrogen energy. - 2009. - T. 34. - №. 16. - C. 6771-6777.

91. Jannat S. et al. Preparation and performance of nanometric Ti/TiN multilayer physical vapor deposited coating on 316L stainless steel as bipolar plate for proton exchange membrane fuel cells //Journal of Power Sources. - 2019. - T. 435.

- C. 226818.

92. Cui J. et al. Corrosion resistance of a tungsten modified AISI 430 stainless steel bipolar plate for proton exchange membrane fuel cells //RSC advances. -2016. - T. 6. - №. 37. - C. 31367-31373.

93. Lee S. H. et al. Effects of low-temperature nitridation on the electrical conductivity and corrosion resistance of 446M stainless steel as bipolar plates for proton exchange membrane fuel cell //International Journal of Hydrogen Energy. -2010. - T. 35. - №. 2. - C. 725-730.

94. Bi J. et al. Development and evaluation of nitride coated titanium bipolar plates for PEM fuel cells //International Journal of Hydrogen Energy. - 2021. - T. 46. - №. 1. - C. 1144-1154.

95. Wang J. et al. Electrodeposition of graphene nano-thick coating for highly enhanced performance of titanium bipolar plates in fuel cells //International Journal of Hydrogen Energy. - 2019. - T. 44. - №. 31. - C. 16909-16917.

96. Shi J. et al. Investigation on electrochemical behavior and surface conductivity of titanium carbide modified Ti bipolar plate of PEMFC //International Journal of Hydrogen Energy. - 2020. - T. 45. - №. 16. - C. 1005010058.

97. Li T. et al. Surface microstructure and performance of TiN monolayer film on titanium bipolar plate for PEMFC //International Journal of Hydrogen Energy. -2021. - T. 46. - №. 61. - C. 31382-31390.

98. Gao P. et al. Development of Ti bipolar plates with carbon/PTFE/TiN composites coating for PEMFCs //International Journal of Hydrogen Energy. -2018. - T. 43. - №. 45. - C. 20947-20958.

99. Zhang D. et al. TiN-coated titanium as the bipolar plate for PEMFC by multi-arc ion plating //International journal of hydrogen energy. - 2011. - T. 36. -№. 15. - C. 9155-9161.

100. Deyab M. A. Corrosion protection of aluminum bipolar plates with polyaniline coating containing carbon nanotubes in acidic medium inside the polymer electrolyte membrane fuel cell //Journal of Power Sources. - 2014. - T. 268. - C. 50-55.

101. Chen P. et al. Self-assembled graphene film to enable highly conductive and corrosion resistant aluminum bipolar plates in fuel cells //International Journal of Hydrogen Energy. - 2017. - T. 42. - №. 17. - C. 12593-12600.

102. Lee C. H. et al. Electrically conductive polymer composite coating on aluminum for PEM fuel cells bipolar plate //Renewable energy. - 2013. - T. 54. -C. 46-50.

103. Sangeetha S., Kalaignan G. P., Anthuvan J. T. Pulse electrodeposition of self-lubricating Ni-W/PTFE nanocomposite coatings on mild steel surface //Applied Surface Science. - 2015. - T. 359. - C. 412-419.

104. Bi F. et al. Effects of Al incorporation on the interfacial conductivity and corrosion resistance of CrN film on SS316L as bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells //International Journal of Hydrogen Energy. - 2015. - T. 40. -№. 31. - C. 9790-9802.

105. Asri N. F. et al. Coating of stainless steel and titanium bipolar plates for anticorrosion in PEMFC: A review //International Journal of Hydrogen Energy. -

2017. - T. 42. - №. 14. - C. 9135-9148.

106. Mirabedini S. M., Kiamanesh A. The effect of micro and nano-sized particles on mechanical and adhesion properties of a clear polyester powder coating //Progress in Organic Coatings. - 2013. - T. 76. - №. 11. - C. 1625-1632.

107. Akula S. et al. Electrodeposition of conductive PAMT/PPY bilayer composite coatings on 316L stainless steel plate for PEMFC application //International Journal of Hydrogen Energy. - 2021. - T. 46. - №. 34. - C. 1790917921.

108. Li P. et al. Electrochemical synthesis and characterization of polyaniline-coated PEMFC metal bipolar plates with improved corrosion resistance //Ionics. -

2018. - T. 24. - C. 1129-1137.

109. Kumar S. A. et al. Corrosion resistant behaviour of PANI-metal bilayer coatings //Progress in Organic Coatings. - 2008. - T. 62. - №. 3. - C. 285-292.

110. Gonzalez-Rodriguez J. G. et al. Improvement on the corrosion protection of conductive polymers in pemfc environmets by adhesives //Journal of power Sources. - 2007. - T. 168. - №. 1. - C. 184-190.

111. Liu R. et al. Protective coatings for metal bipolar plates of fuel cells: a review //International Journal of Hydrogen Energy. - 2022. - T. 47. - №. 54. - C. 22915-22937.

112. Show Y., Nakashima T., Fukami Y. Anticorrosion coating of carbon nanotube/polytetrafluoroethylene composite film on the stainless steel bipolar plate

131

for proton exchange membrane fuel cells //Journal of Nanomaterials. - 2013. - T. 2013. - №. 2514103. - C. 2-2.

113. Husby H. et al. Carbon-polymer composite coatings for PEM fuel cell bipolar plates //International journal of hydrogen energy. - 2014. - T. 39. - №. 2. -C. 951-957.

114. Jiang L. et al. Electropolymerization of camphorsulfonic acid doped conductive polypyrrole anti-corrosive coating for 304SS bipolar plates //Applied Surface Science. - 2017. - T. 426. - C. 87-98.

115. Liu S. et al. Anti-corrosion and conductivity of the electrodeposited graphene/polypyrrole composite coating for metallic bipolar plates //Progress in Organic Coatings. - 2019. - T. 136. - C. 105237.

116. Tsai S. Y. et al. The fabrication and characteristics of electroless nickel and immersion Au-polytetrafluoroethylene composite coating on aluminum alloy 5052 as bipolar plate //Surface and Coatings Technology. - 2017. - T. 313. - C. 151157.

117. Song Y. et al. Review on current research of materials, fabrication and application for bipolar plate in proton exchange membrane fuel cell //International Journal of Hydrogen Energy. - 2020. - T. 45. - №. 54. - C. 29832-29847.

118. Tian R. Chromium nitride/Cr coated 316L stainless steel as bipolar plate for proton exchange membrane fuel cell //Journal of Power Sources. - 2011. - T. 196. - №. 3. - C. 1258-1263.

119. Zhang H., Yuan J., Zhu M. Preparation and characterization of TiN-SBR coating on metallic bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cell //J. New Mater. Electrochem. Syst. - 2017. - T. 20. - C. 179-183.

120. Omrani M., Habibi M., Birjandi M. S. M. Enhanced electrical conductivity of two layers AlN-TiN coating on SS316L as bipolar plate using plasma focus device //International journal of hydrogen energy. - 2016. - T. 41. - №. 9. - C. 5028-5036.

121. Wang S. et al. Ti/(Ti, Cr) N/CrN multilayer coated 316L stainless steel by arc ion plating as bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells //Journal of energy chemistry. - 2017. - T. 26. - №. 1. - C. 168-174.

122. Zhao Y. et al. Influence of Cr-C film composition on electrical and corrosion properties of 316L stainless steel as bipolar plates for PEMFCs //International Journal of Hydrogen Energy. - 2016. - T. 41. - №. 2. - C. 1142-1150.

123. Bi F. et al. Multilayered Zr-C/aC film on stainless steel 316L as bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells //Journal of Power Sources. -2016. - T. 314. - C. 58-65.

124. Vlaskin M. S. et al. Gold-Plated Titanium Vs Carbon-Implanted Titanium As Material For Bipolar Plates In Pem Fuel Cells //Surface Review and Letters. -2019. - T. 26. - №. 08. - C. 1950038.

125. Mahmoudi A. H., Ramiar A., Esmaili Q. Effect of inhomogeneous compression of gas diffusion layer on the performance of PEMFC with interdigitated flow field //Energy Conversion and Management. - 2016. - T. 110. -C. 78-89.

126. Takalloo P. K., Nia E. S., Ghazikhani M. Numerical and experimental investigation on effects of inlet humidity and fuel flow rate and oxidant on the performance on polymer fuel cell //Energy Conversion and Management. - 2016. -T. 114. - C. 290-302.

127. Wilberforce T. et al. A comprehensive study of the effect of bipolar plate (BP) geometry design on the performance of proton exchange membrane (PEM) fuel cells //Renewable and sustainable energy reviews. - 2019. - T. 111. - C. 236260.

128. Nguyen T. V. A gas distributor design for proton-exchange-membrane fuel cells //Journal of the Electrochemical Society. - 1996. - T. 143. - №. 5. - C. L103.

129. Limjeerajarus N., Charoen-Amornkitt P. Effect of different flow field designs and number of channels on performance of a small PEFC //International Journal of Hydrogen Energy. - 2015. - T. 40. - №. 22. - C. 7144-7158.

130. Zehtabiyan-Rezaie N. et al. Effect of flow field with converging and diverging channels on proton exchange membrane fuel cell performance //Energy Conversion and Management. - 2017. - T. 152. - C. 31-44.

131. Tiss F., Chouikh R., Guizani A. A numerical investigation of the effects of membrane swelling in polymer electrolyte fuel cells //Energy conversion and management. - 2013. - T. 67. - C. 318-324.

132. Kerkoub Y. et al. Channel to rib width ratio influence with various flow field designs on performance of PEM fuel cell //Energy Conversion and Management. -2018. - T. 174. - C. 260-275.

133. Kahraman H., Orhan M. F. Flow field bipolar plates in a proton exchange membrane fuel cell: Analysis & modeling //Energy Conversion and Management.

- 2017. - T. 133. - C. 363-384.

134. Shimpalee S., Greenway S., Van Zee J. W. The impact of channel path length on PEMFC flow-field design //Journal of Power Sources. - 2006. - T. 160.

- №. 1. - C. 398-406.

135. Kuo J. K. et al. The effects of buoyancy on the performance of a PEM fuel cell with a wave-like gas flow channel design by numerical investigation //International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2007. - T. 50. - №. 21-22. -C. 4166-4179.

136. Kuo J. K. et al. Three-dimensional numerical analysis of PEM fuel cells with straight and wave-like gas flow fields channels //Journal of Power Sources. - 2008.

- T. 177. - №. 1. - C. 96-103.

137. Han S. H., Choi N. H., Choi Y. D. Simulation and experimental analysis on the performance of PEM fuel cell by the wave-like surface design at the cathode channel //International journal of hydrogen energy. - 2014. - T. 39. - №. 6. - C. 2628-2638.

138. Ahmed D. H., Sung H. J. Effects of channel geometrical configuration and shoulder width on PEMFC performance at high current density //Journal of Power Sources. - 2006. - T. 162. - №. 1. - C. 327-339.

139. Wang X. D. et al. Numerical analysis on performances of polymer electrolyte membrane fuel cells with various cathode flow channel geometries //international journal of hydrogen energy. - 2012. - T. 37. - №. 20. - C. 1577815786.

140. Kim J. H., Lee G. G., Kim W. T. Comparison of liquid water dynamics in bent gas channels of a polymer electrolyte membrane fuel cell with different channel cross sections in a channel flooding situation //Energies. - 2017. - T. 10. -№. 6. - C. 748.

141. Kim J. H., Kim W. T. Numerical investigation of gas-liquid two-phase flow inside PEMFC gas channels with rectangular and trapezoidal cross sections //Energies. - 2018. - T. 11. - №. 6. - C. 1403.

142. Wang H., Wang Y. Investigation of bipolar plate forming with various die configurations by magnetic pulse method //Metals. - 2019. - T. 9. - №. 4. - C. 453.

143. Lee S. J., Chen Y. P., Huang C. H. Electroforming of metallic bipolar plates with micro-featured flow field //Journal of Power Sources. - 2005. - T. 145. - №. 2. - C. 369-375.

144. McCrabb H. et al. Through-mask electroetching for fabrication of metal bipolar plate gas flow field channels //ECS Transactions. - 2010. - T. 33. - №. 1. -C. 991.

145. Hung J. C., Yang T. C., Li K. Studies on the fabrication of metallic bipolar plates—Using micro electrical discharge machining milling //Journal of Power Sources. - 2011. - T. 196. - №. 4. - C. 2070-2074.

146. Dawson R. J. et al. An investigation into the use of additive manufacture for the production of metallic bipolar plates for polymer electrolyte fuel cell stacks //Journal of applied electrochemistry. - 2015. - T. 45. - C. 637-645.

147. Choi S. W. et al. Improvement of formability for fabricating thin continuously corrugated structures in sheet metal forming process //Journal of mechanical science and technology. - 2012. - T. 26. - C. 2397-2403.

148. Smith T. L. et al. Alloy selection and die design for stamped Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) bipolar plates //Procedia CIRP. - 2014. -T. 14. - C. 275-280.

149. Peker M. F., Cora O. N., Koç M. Investigations on the variation of corrosion and contact resistance characteristics of metallic bipolar plates manufactured under long-run conditions //international journal of hydrogen energy. - 2011. - T. 36. -№. 23. - C. 15427-15436.

150. Huya-Kouadio J. M., James B. D., Houchins C. Meeting cost and manufacturing expectations for automotive fuel cell bipolar plates //ECS Transactions. - 2018. - T. 83. - №. 1. - C. 93.

151. Koo J. Y., Jeon Y. P., Kang C. G. Effect of stamping load variation on deformation behaviour of stainless steel thin plate with microchannel //Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. - 2013. - T. 227. - №. 8. - C. 1121-1128.

152. Hu Q. et al. Investigation of stamping process of metallic bipolar plates in PEM fuel cell—Numerical simulation and experiments //International Journal of Hydrogen Energy. - 2014. - T. 39. - №. 25. - C. 13770-13776.

153. Sudarsan C. et al. Experimental investigations on forming limit diagram of ultrathin SS 304 steel: effect of circular grid size, sheet orientation, punch size and deformation speed //Advances in Materials and Processing Technologies. - 2019. -T. 5. - №. 1. - C. 25-38.

154. Bong H. J. et al. Two-stage forming approach for manufacturing ferritic stainless steel bipolar plates in PEM fuel cell: Experiments and numerical simulations //International Journal of Hydrogen Energy. - 2017. - T. 42. - №. 10. - C. 6965-6977.

155. Bong H. J., Barlat F., Lee M. G. Probing formability improvement of ultra-thin ferritic stainless steel bipolar plate of PEMFC in non-conventional forming process //Metallurgical and Materials Transactions A. - 2016. - T. 47. - C. 41604174.

156. Jin C. K., Koo J. Y., Kang C. G. Fabrication of stainless steel bipolar plates for fuel cells using dynamic loads for the stamping process and performance evaluation of a single cell //International journal of hydrogen energy. - 2014. - Т. 39. - №. 36. - С. 21461-21469.

157. Kim M. J., Jin C. K., Kang C. G. Comparison of formabilities of stainless steel 316L bipolar plates using static and dynamic load stamping //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2014. - Т. 75. -С. 651-657.

158. Chen T. C., Ye J. M. Analysis of stainless steel bipolar plates micro-stamping processes //Prz Elektrotechniczn. - 2012. - Т. 88. - №. 9B. - С. 121-126.

159. Xu S. et al. Numerical investigation of formed residual stresses and the thickness of stainless steel bipolar plate in PEMFC //International Journal of Hydrogen Energy. - 2016. - Т. 41. - №. 16. - С. 6855-6863.

160. Qiu D. et al. Assembly design of proton exchange membrane fuel cell stack with stamped metallic bipolar plates //International journal of hydrogen energy. -2015. - Т. 40. - №. 35. - С. 11559-11568.

161. Chen T. et al. Stamping and springback of PEMFC metal bipolar plate //Advanced Materials Research. - Trans Tech Publications Ltd, 2011. - Т. 215. -С. 1-4.

162. Enjoji N. et al. Press forming apparatus for fuel cell metal separator : пат. 7178374 США. - 2007.

163. Xu S. et al. Unique pre-form design for two-step forming of stainless steel fuel cell bipolar plates : пат. 8778567 США. - 2014.

164. Hirata K. Method for forming metal plate and apparatus for forming metal plate : пат. 10384250 США. - 2019.

165. Turan C., Cora O. N., Ko? M. Effect of manufacturing processes on contact resistance characteristics of metallic bipolar plates in PEM fuel cells //international journal of hydrogen energy. - 2011. - Т. 36. - №. 19. - С. 12370-12380.

166. Peng L., Yi P., Lai X. Design and manufacturing of stainless steel bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells //International Journal of Hydrogen Energy. - 2014. - T. 39. - №. 36. - C. 21127-21153.

167. Peng L. et al. Flow channel shape optimum design for hydroformed metal bipolar plate in PEM fuel cell //Journal of Power Sources. - 2008. - T. 178. - №. 1. - C. 223-230.

168. Mohammadtabar N. et al. Feasibility study of a double-step hydroforming process for fabrication of fuel cell bipolar plates with slotted interdigitated serpentine flow field //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2016. - T. 85. - C. 765-777.

169. Browne D. J., Battikha E. Optimisation of aluminium sheet forming using a flexible die //Journal of materials processing technology. - 1995. - T. 55. - №. 3-4.

- C. 218-223.

170. Lim S. S., Kim Y. T., Kang C. G. Fabrication of aluminum 1050 microchannel proton exchange membrane fuel cell bipolar plate using rubber-pad-forming process //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2013. - T. 65. - C. 231-238.

171. Peng L. et al. Fabrication of metallic bipolar plates for proton exchange membrane fuel cell by flexible forming process-numerical simulations and experiments //Journal of Fuel Cell Science and Technology. - 2010. - T. 7. - №. 3.

172. Jeong M. G. et al. Formability evaluation of stainless steel bipolar plate considering draft angle of die and process parameters by rubber forming //International journal of precision engineering and manufacturing. - 2014. - T. 15.

- C. 913-919.

173. Elyasi M., Ghadikolaee H. T., Hosseinzadeh M. Investigation of dimensional accuracy in forming of metallic bipolar plates with serpentine flow field //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2018.

- T. 96. - C. 1045-1060.

174. Zhang C. et al. Fabrication of metallic bipolar plate for proton exchange membrane fuel cells by using polymer powder medium based flexible forming //Journal of Materials Processing Technology. - 2018. - T. 262. - C. 32-40.

175. Zhi Y. et al. A review on the rolling technology of shape flat products //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2018. - T. 94. -C. 4507-4518.

176. Zhang P. et al. Deformation in micro roll forming of bipolar plate //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2017. - T. 896. - №. 1. - C. 012115.

177. Huang J. et al. Experimental and numerical investigation on thin sheet metal roll forming process of micro channels with high aspect ratio //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2019. - T. 100. - C. 117-129.

178. Abeyrathna B. et al. Micro-roll forming of stainless steel bipolar plates for fuel cells //International Journal of Hydrogen Energy. - 2019. - T. 44. - №. 7. - C. 3861-3875.

179. Bauer A., Härtel S., Awiszus B. Manufacturing of metallic bipolar plate channels by rolling //Journal of Manufacturing and Materials Processing. - 2019. -T. 3. - №. 2. - C. 48.

180. Daehn G. S. et al. Commercialization of fuel cell bipolar plate manufacturing by electromagnetic forming //4th International Conference on High Speed Forming, March 9th-10th 2010 Columbus, Ohio, USA. - Institut für Umformtechnik-Technische Universität Dortmund, 2010.

181. Alo O. A., Otunniyi I. O., Pienaar H. C. Z. Manufacturing methods for metallic bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cell //Materials and Manufacturing Processes. - 2019. - T. 34. - №. 8. - C. 927-955.

182. Ravi Narayan L. Forming of ferritic stainless steel bipolar plates. - 2012.

183. Zhao C. et al. Optimal design of cathode flow channel for air-cooled PEMFC with open cathode //International Journal of Hydrogen Energy. - 2020. -T. 45. - №. 35. - C. 17771-17781.

184. Chen H. et al. A review of durability test protocols of the proton exchange membrane fuel cells for vehicle //Applied energy. - 2018. - T. 224. - C. 289-299.

185. Wang Y. et al. Materials, technological status, and fundamentals of PEM fuel cells-a review //Materials today. - 2020. - T. 32. - C. 178-203.

186. Jeong S. U. et al. A study on cathode structure and water transport in air-breathing PEM fuel cells //Journal of Power Sources. - 2006. - T. 159. - №. 2. -C. 1089-1094.

187. Wu J. et al. An air-cooled proton exchange membrane fuel cell with combined oxidant and coolant flow //Journal of Power Sources. - 2009. - T. 188. -№. 1. - C. 199-204.

188. Chugh S. et al. Experimental and modelling studies of low temperature PEMFC performance //international journal of hydrogen energy. - 2020. - T. 45. -№. 15. - C. 8866-8874.

189. Alink R., Gerteisen D., Oszcipok M. Degradation effects in polymer electrolyte membrane fuel cell stacks by sub-zero operation—An in situ and ex situ analysis //Journal of Power Sources. - 2008. - T. 182. - №. 1. - C. 175-187.

190. Messing M., Kjeang E. Empirical modeling of cathode electrode durability in polymer electrolyte fuel cells //Journal of Power Sources. - 2020. - T. 451. - C. 227750.

191. Jouin M. et al. Degradations analysis and aging modeling for health assessment and prognostics of PEMFC //Reliability Engineering & System Safety. - 2016. - T. 148. - C. 78-95.

192. Kundu S. et al. Degradation analysis and modeling of reinforced catalyst coated membranes operated under OCV conditions //Journal of Power Sources. -2008. - T. 183. - №. 2. - C. 619-628.

193. Quiroga M. A., Malek K., Franco A. A. A multiparadigm modeling investigation of membrane chemical degradation in PEM fuel cells //Journal of The Electrochemical Society. - 2015. - T. 163. - №. 2. - C. F59.

194. BLOOM I. et al. Fuel cell testing protocols: an international perspective. -2013.

195. Buchi F. N. Polymer electrolyte fuel cell durability. - New York : Springer, 2009. - Т. 1. - С. 1829-1841.

196. Inernational A. Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials //ASTM D790-07. -2007.

197. Глазов В. М., Вигдорович В. Н. Микротвердость металлов и полупроводников. Издание второе, исправленное и дополненное. Изд-во «Металлургия», 1969. - 248 с.

198. Lee S. B. et al. Improved corrosion resistance and interfacial contact resistance of 316L stainless-steel for proton exchange membrane fuel cell bipolar plates by chromizing surface treatment //Journal of Power Sources. - 2009. - Т. 1 №. 2. - С. 318-323.

199. Мельников П. С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. - Машиностроение, 1979.

200. Faddeev N., Klushin V., Smirnova N. V. Bio-based anti-corrosion polymer coating for fuel cells bipolar plates //Key Engineering Materials. - 2020. - Т. 869.

- С. 413-418.

201. ГОСТ Р., 54563-2011 (ИСО 2409: 2007). Материалы лакокрасочные. Определение адгезии методом решетчатого надреза //М.: Стандартинформ. -2014.

202. ГОСТ Р., Материалы лакокрасочные. Методы определения водо- и влагопоглощения лакокрасочных пленок //М.: ИПК изд-во стандартов. -1993. 6c.

203. DOE U. S. Fuel Cell Technologies Program: Multi-Year Research, Development, and Demonstration Plan-Planned Program Activities for 2011-2020.

- 2017.

204. Wang J. Theory and practice of flow field designs for fuel cell scaling-up: A critical review //Applied Energy. - 2015. - Т. 157. - С. 640-663.

205. Фаддеев Н.А., Серик А.В. Исследование влияния дизайна и геометрии газоподводящих каналов биполярной пластины на транспортные потоки в

141

стеке ПОМТЭ // Водородная маевка : тез. докл. V Workshop, 26 апр.-1 мая 2023 г., п. Мезмай. - Новочеркасск : изд-во Лик, 2023. - С. 8

206. Leng Y. et al. Stainless steel bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells: Materials, flow channel design and forming processes //Journal of Power Sources. - 2020. - Т. 451. - С. 227783.

207. Amirinejad M., Rowshanzamir S., Eikani M. H. Effects of operating parameters on performance of a proton exchange membrane fuel cell //Journal of Power Sources. - 200б. - Т. 161. - №. 2. - С. 872-S75.

20S. Tu Z. et al. Evaluation of 5 kW proton exchange membrane fuel cell stack operated at 95 C under ambient pressure //Journal of Power Sources. - 2013. - Т. 222. - С. 277-2S1.

209. Péron J. et al. The effect of dissolution, migration and precipitation of platinum in Nafion®-based membrane electrode assemblies during fuel cell operation at high potential //Journal of Power Sources. - 200S. - Т. 185. - №. 2. -С. 1209-1217.

210. Healy J. et al. Aspects of the chemical degradation of PFSA ionomers used in PEM fuel cells //Fuel cells. - 2005. - Т. 5. - №. 2. - С. 302-30S.

211. Petrone R. et al. Accelerated stress test procedures for PEM fuel cells under actual load constraints: State-of-art and proposals //International Journal of Hydrogen Energy. - 2015. - Т. 40. - №. 36. - С. 12489-12505.

212. Kandlikar S. G., Lu Z. Thermal management issues in a PEMFC stack-A brief review of current status //Applied Thermal Engineering. - 2009. - Т. 29. -№. 7. - С. 1276-12S0.

213. Mathan C. et al. Investigation of the influence of Pt/C percentage and humidity on the voltage decay rate of proton exchange membrane fuel cell //Fuel Cells. - 2023. - Т. 23. - №. 1. - С. 29-41.

214. Gerard M. et al. Oxygen starvation analysis during air feeding faults in PEMFC //International Journal of Hydrogen Energy. - 2010. - Т. 35. - №. 22. - С. 12295-12307.

215. Dou M. et al. Behaviors of proton exchange membrane fuel cells under oxidant starvation //Journal of Power Sources. - 2011. - Т. 196. - №. 5. - С. 27592762.

216. Pei P., Chen H. Main factors affecting the lifetime of Proton Exchange Membrane fuel cells in vehicle applications: A review //Applied Energy. - 2014. -Т. 125. - С. 60-75.

217. Taniguchi A. et al. Analysis of degradation in PEMFC caused by cell reversal during air starvation //International Journal of Hydrogen Energy. - 2008. -Т. 33. - №. 9. - С. 2323-2329.

218. Ghanbarian A. et al. Polymer electrolyte membrane fuel cell flow field design criteria-application to parallel serpentine flow patterns //Energy conversion and management. - 2018. - Т. 166. - С. 281-296.

219. Manso A. P. et al. Influence of geometric parameters of the flow fields on the performance of a PEM fuel cell. A review //International journal of hydrogen energy. - 2012. - Т. 37. - №. 20. - С. 15256-15287.

220. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. - Изд. Дом" Бастет", 2010.

221. Anisimov E., Faddeev N., Smirnova N. Data on the thermo-fluid simulation of open-cathode fuel cell stack depending on the location of the oxidizer/cooling supply system //Data in Brief. - 2020. - Т. 31. - С. 105771.

222. Faddeev N. et al. Investigation of the Ambient Temperature Influence on the PEMFC Characteristics: Modeling from a Single Cell to a Stack //Processes. -2021. - Т. 9. - №. 12. - С. 2117.

223. Фаддеев Н.А., Анисимов Е.А. Исследование влияния внешних факторов (температуры, влажности воздуха) на характеристики стека топливных элементов с протонообменной мембраной методами моделирования // Водородная маевка : тез. докл. IV Workshop, 28 апр.-2 мая 2022 г., п. Мезмай. - Новочеркасск : изд-во Лик, 2022. - С. 21-23

224. Фаддеев Н.А., Анисимов Е.А., Беличенко М.А., Смирнова Н.В. Исследование влияния температуры и влажности окружающей среды на

143

характеристики стека топливных элементов с протонообменной мембраной методами моде-лирования // Топливные элементы и энергоустановки на их основе : девятая Всерос. конф. с междунар. участием, г. Черноголовка, 20-23 июня 2022 г. / Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук. - Черноголовка, 2022. - С. 270-271

225. Фаддеев Н.А., Смирнова Н.В. Разработка металлических биполярных пластин для низкотемпературных топливных элементов // Топливные элементы и энергоустановки на их основе : десятая Всерос. конф. с междунар. участием, г. Черного-ловка, 26 - 27 июня 2023 г. / Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук. -Черноголовка, 2023. - С. 157 - 158

226. Патент РФ № 2748853 Смирнова Н.В., Фаддеев Н.А., Горчаков В.В., Биполярная пластина топливного элемента с твердым полимерным электролитом и способ ее изготовления, Опубликовано 17.08.2021 Бюл. № 23.

227. Jin C. K., Kang C. G. Fabrication process analysis and experimental verification for aluminum bipolar plates in fuel cells by vacuum die-casting //Journal of Power Sources. - 2011. - Т. 196. - №. 20. - С. 8241-8249.

228. Фаддеев Н.А., Куриганова А.Б., Молодцова Т.А., Смирнова Н.В. Мобильные энергоустановки на водородных топливных элементах киловаттного класса мощности: разработка новых материалов, технологий, технологического оборудования // Технологии энергообеспече-ния. Аппараты и машины жизнеобеспечения: сб. ст. конф., 17 сен. 2020 г., г Анапа / ФГАУ "Военный инновационный технополис "Эра". - Анапа, 2020. - С. 291293

229. Li G., Tan J., Gong J. Effect of compressive pressure on the contact behavior between bipolar plate and gas diffusion layer in a proton exchange membrane fuel cell //Journal of fuel cell science and technology. - 2014. - Т. 11. - №. 4.

230. Липкин М. С. и др. Применение электрохимических методов

исследования продуктов коррозии в тонких пленках электролита к процессам

деструкции биполярных пластин твердополимерного топливного элемента //Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2020. - №. 2 (206). - С. 109-114.

231. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. - М.: Химия, 1989. -448 с.

232. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник / Под ред. А.А. Потехина и А.И. Ефимова. - Л.: Химия, 1991. - 432 с.

233. Liu G. et al. Process and challenges of stainless steel based bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells //International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. - 2022. - Т. 29. - №. 5. - С. 1099-1119.

234. Pan T. J. et al. Electrodeposited conductive polypyrrole/polyaniline composite film for the corrosion protection of copper bipolar plates in proton exchange membrane fuel cells //Journal of Power Sources. - 2016. - Т. 302. - С. 180-188.

235. Caes B. R. et al. Biomass to furanics: renewable routes to chemicals and fuels //ACS Sustainable Chemistry & Engineering. - 2015. - Т. 3. - №. 11. - С. 2591-2605.

236. Rout P. K. et al. Synthesis of hydroxymethylfurfural from cellulose using green processes: A promising biochemical and biofuel feedstock //Chemical Engineering Science. - 2016. - Т. 142. - С. 318-346.

237. Klushin V. A. et al. Technological aspects of fructose conversion to high-purity 5-hydroxymethylfurfural, a versatile platform chemical //Russian Journal of Organic Chemistry. - 2016. - Т. 52. - С. 767-771.

238. Патент РФ № 2748967 Смирнова Н.В., Фаддеев Н.А., Клушин В.А., Защитное покрытие биполярных пластин топливных элементов с твердым поли-мерным электролитом, Опубликовано 02.06.2021, Бюл. № 16;

239. Фаддеев Н.А., Клушин В.А., Смирнова Н.В. Антикоррозионное полимерное покрытие на основе растительных материалов для биполярных пластин топливных элементов // Седьмая всероссийская конференция с международным участием «топливные элементы и энергоустановки на их

основе», г. Черноголовка, 27 сентября - 01 октября 2020 г. / Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук. -Черноголовка, 2020. - С. 178

240. J. O. Bockris et al. (eds.), Modern Aspects of Electrochemistry. Plenum Press, New York 1982, P. 319-424.

241. Brédas J. L., Silbey R. (ed.). Conjugated polymers: the novel science and technology of highly conducting and nonlinear optically active materials. -Springer Science & Business Media, 2012.

242. Renzi M. et al. An innovative membrane-electrode assembly for efficient and durable polymer electrolyte membrane fuel cell operations //International Journal of Hydrogen Energy. - 2017. - Т. 42. - №. 26. - С. 16686-16694.

243. Leontyev I. et al. New life of a forgotten method: Electrochemical route toward highly efficient Pt/C catalysts for low-temperature fuel cells //Applied Catalysis A: General. - 2012. - Т. 431. - С. 120-125.

244. Kurnia J. C. et al. Progress on open cathode proton exchange membrane fuel cell: Performance, designs, challenges and future directions //Applied Energy. -2021. - Т. 283. - С. 116359.

245. Юрескул А. Г. и др. Система энергоснабжения на основе топливных элементов для беспилотных летательных аппаратов //Морской вестник. -2020. - №. 3. - С. 87-89.

246. Vichard L. et al. Long term durability test of open-cathode fuel cell system under actual operating conditions //Energy Conversion and Management. - 2020. -Т. 212. - С. 112813.

247. Amamou A. A. et al. A comprehensive review of solutions and strategies for cold start of automotive proton exchange membrane fuel cells //Ieee Access. -2016. - Т. 4. - С. 4989-5002.

248. Zhou Y. et al. Modeling of cold start processes and performance optimization for proton exchange membrane fuel cell stacks //Journal of Power Sources. - 2014. - Т. 247. - С. 738-748.

249. Фаддеев Н.А., Беличенко М.А., Серик А.В. Исследование влияния температуры окружающей среды на характеристики стека топливных элементов с протонообменной мембраной // Электрохимия органических соединений "Эхос-2022": сб. тез. XX Всерос. совещ. г. Новочеркасск, 18-22 окт. 2022 г. / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : НОК, 2022. - С. 82

250. Фаддеев Н.А., Беличенко М.А., Серик А.В., Смирнова Н.В. Исследование влияния температуры окружающей среды На характеристики стека твердополимерных топливных элементов // Водород. Технологии. Будущее : третья Всероссийская конференция с международным участием, г. Казань, 25-26 октября 2022 г.

251. Lapena-Rey N. et al. A fuel cell powered unmanned aerial vehicle for low altitude surveillance missions //International Journal of Hydrogen Energy. - 2017. - Т. 42. - №. 10. - С. 6926-6940.

252. Yin C. et al. Positron annihilation characteristics, water uptake and proton conductivity of composite Nafion membranes //Physical Chemistry Chemical Physics. - 2017. - Т. 19. - №. 24. - С. 15953-15961.

253. Фаддеев Н. А. и др. Исследование влияния изменения профиля нагрузки на производительность стека на основе топливных элементов с протонообменной мембраной //ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА. - 2022. - Т. 65. - №. 4. - С. 25-30.

254. Nguyen H. L. et al. Review of the durability of polymer electrolyte membrane fuel cell in long-term operation: Main influencing parameters and testing protocols //Energies. - 2021. - Т. 14. - №. 13. - С. 4048.

255. Aarhaug T. A., Svensson A. M. Degradation rates of PEM fuel cells running at open circuit voltage //ECS Transactions. - 2006. - Т. 3. - №. 1. - С. 775.

256. Shao-Horn Y. et al. Instability of supported platinum nanoparticles in low-temperature fuel cells //Topics in Catalysis. - 2007. - Т. 46. - №. 3. - С. 285-305.

257. Xu K. et al. The review of the degradation mechanism of the catalyst layer of membrane electrode assembly in the proton exchange membrane fuel cell //IOP

147

Conference Series: Earth and Environmental Science. - IOP Publishing, 2020. - Т. 558. - №. 5. - С. 052041.

258. Sugawara Y. et al. Dissolution mechanism of platinum in sulfuric acid solution //Journal of the Electrochemical Society. - 2012. - Т. 159. - №. 11. - С. F779.

259. Ahluwalia R. K. et al. Thermodynamics and kinetics of platinum dissolution from carbon-supported electrocatalysts in aqueous media under potentiostatic and potentiodynamic conditions //Journal of The Electrochemical Society. - 2013. - Т. 160. - №. 4. - С. F447.

260. Wu J. et al. A review of PEM fuel cell durability: Degradation mechanisms and mitigation strategies //Journal of Power Sources. - 2008. - Т. 184. - №. 1. - С. 104-119.

261. Филиппов С. П., Ярославцев А. Б. Водородная энергетика: перспективы развития и материалы //Успехи химии. - 2021. - Т. 90. - №. 6. -С. 627-643.

262. Buchi F. N., Inaba M., Schmidt T. J. (ed.). Polymer electrolyte fuel cell durability. - New York : Springer, 2009. - С. 1-507.

263. Rodgers M. P. et al. Fuel cell perfluorinated sulfonic acid membrane degradation correlating accelerated stress testing and lifetime //Chemical reviews.

- 2012. - Т. 112. - №. 11. - С. 6075-6103.

264. Avakov V. B. et al. Variations in the structure and electrochemical characteristics of membrane electrode assemblies during the endurance testing of hydrogen-air fuel cells //Russian Journal of Physical Chemistry A. - 2015. - Т. 89.

- №. 5. - С. 887-893.

265. Wood D. L., Borup R. L. Estimation of mass-transport overpotentials during long-term PEMFC operation //Journal of the electrochemical society. - 2010. - Т. 157. - №. 8. - С. B1251.

266. Buchi F. N. et al. Handbook of fuel cells. - 2003.

267. Vasyukov I.V. [Computer Models of Pem Fuel Cells for the Study of Transient Modes in Electrical Power Supply Complexes]. Izvestiya Vysshikh

148

Uchebnykh Zavedenii. Elektromekhanika = Russian Electromechanics, 2021, vol. 64, no. 3, pp. 60-67.

268. Vasyukov I.V., Pavlenko A.V., Batishchev D.V. [Review and Analysis of Topologies of Converters of Power Supply Systems on Hydrogen Fuel Cells for Unmanned Aerial Vehicles of Kilowatt Power Class]. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Elektromekhanika = Russian Electromechanics. 2022; 65(2): 19-26

Общество с ограниченной ответственностью «Инэнерджи» (ООО «Инэнерджи»)

УТВЕРЖДАЮ

АКТ № 1 от 28 апреля 2023 г. испытаний батареи топливных элементов с открытым катодом

Комиссия в составе:

Председатель А.В.Клемешова -директор конструкторско-технологического

департамента;

Члены комиссии: А.А.Рынков - руководитель отдела инженерно-технических

решений;

В.И.Павлов - ведущий специалист;

провела испытания батареи водород-воздушных твердополимерных топливных элементов с открытым катодом с биполярной пластиной, разработанной и изготовленной Н.А.Фаддеевым при подготовке диссертационной работы по теме «Разработка научных основ технологии биполярных пластин для топливных элементов с протонобменной мембраной», представляемой на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 2.6.9 - Технология электрохимических процессов и защита от коррозии.

Цель испытаний: исследование удельных мощностных характеристик батареи топливных элементов (БТЭ) с протонобменной мембраной.

Объект испытаний: БТЭ с протонобменной мембраной с открытым катодом.

Условия проведения испытаний: Топливо - водород технический марки А (ГОСТ 302280); окислитель - воздух (кислород); относительная влажность топлива на входе < 1%; температура окружающей среды - 25 °С; влажность окружающей среды - 60%.

Результаты испытаний: Масса БТЭ - 767,4 г; номинальная мощность - 400 Вт; энергоемкость - 521,2 Вт»ч/кг.

Заключение комиссии: разработанная Н.А.Фаддеевым биполярная пластина характеризуется необходимым запасом прочности и жесткости для создания необходимого электрического контакта и герметизации анодного пространства топливного элемента и обеспечивает снабжение мембранно-электродного блока достаточным количеством газов-реагентов. Малая масса биполярной пластины позволяет значительно сократить массу БТЭ и достичь высоких удельных мощностных характеристик. Полученные автором технологические разработки могут быть использованы при проектировании и изготовлении электрохимических генераторов и энергетических установок на основе топливных элементов с протонобменной мембраной для мобильных приложений.

Председатель комиссии

/ А.В.Клемешова /

Члены комиссии: