RU2577860C1 - Method for protection from oxidation of bipolar plates and current collectors of electrolysers and fuel elements with solid polymer electrolyte - Google Patents

Method for protection from oxidation of bipolar plates and current collectors of electrolysers and fuel elements with solid polymer electrolyte Download PDF

Info

Publication number
RU2577860C1
RU2577860C1 RU2015115121/04A RU2015115121A RU2577860C1 RU 2577860 C1 RU2577860 C1 RU 2577860C1 RU 2015115121/04 A RU2015115121/04 A RU 2015115121/04A RU 2015115121 A RU2015115121 A RU 2015115121A RU 2577860 C1 RU2577860 C1 RU 2577860C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coating
layer
ions
ion
thickness
Prior art date
Application number
RU2015115121/04A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Михайлович Никитин
Владимир Игоревич Порембский
Светлана Владимировна Акелькина
Владимир Николаевич Фатеев
Ольга Константиновна Алексеева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2015115121/04A priority Critical patent/RU2577860C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2577860C1 publication Critical patent/RU2577860C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to a method of protection against oxidation bipolar plates of fuel elements and current collectors of electrolytic cells with solid polymer electrolyte (TPE), involving preliminary processing of metal substrate applied on treated metal substrate of electroconductive coating of noble metals by magnetron-ion depositing. Method is characterised by that is applied on the treated substrate electroconductive coating layer with fixation of each layer pulse implantation of oxygen ions or inert gas.
EFFECT: technical result is production of stable coating with service life, in 4 times exceeding the obtained at the prototype, and preserving current-conducting properties.
8 cl, 3 dwg, 1 tbl, 16 ex

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области химических источников тока, а именно к способам создания защитных покрытий металлических коллекторов тока (в случае электролизеров) и биполярных пластин (в случае топливных элементов - ТЭ) с твердым полимерным электролитом (ТПЭ). В процессе электролиза коллекторы тока, изготовленные, как правило, из пористого титана, подвергаются постоянному воздействию агрессивных сред кислорода, озона, водорода, что приводит к образованию на кислородном коллекторе тока (анод) оксидных пленок, в результате увеличивается электрическое сопротивление, снижается электропроводность и производительность электролизера. На водородном коллекторе (катод) тока в результате наводораживания поверхности пористого титана, происходит его коррозионное растрескивание. Работая в таких жестких условиях при постоянной влажности, коллектора тока и биполярные пластины нуждаются в надежной защите от коррозии.The invention relates to the field of chemical current sources, and in particular to methods of creating protective coatings for metal current collectors (in the case of electrolyzers) and bipolar plates (in the case of fuel cells - TE) with a solid polymer electrolyte (TPE). During electrolysis, current collectors made, as a rule, of porous titanium, are constantly exposed to aggressive environments of oxygen, ozone, and hydrogen, which leads to the formation of oxide films on the oxygen collector current (anode), resulting in increased electrical resistance, decreased electrical conductivity and performance electrolyzer. On the hydrogen collector (cathode) of the current as a result of hydrogenation of the surface of porous titanium, its corrosion cracking occurs. When operating in such harsh conditions with constant humidity, current collectors and bipolar plates need reliable corrosion protection.

Основными требованиями к коррозионным защитным покрытиям являются низкое электрическое сопротивление контакта, высокая электропроводность, хорошая механическая прочность, равномерность нанесения по всей площади поверхности для создания электрического контакта, низкая стоимость материалов и затрат на производство.The main requirements for corrosion protective coatings are low electrical contact resistance, high electrical conductivity, good mechanical strength, uniform application over the entire surface area to create electrical contact, low cost of materials and production costs.

Для установок с ТПЭ также важнейшим критерием является химическая стойкость покрытия, невозможность использования металлов, изменяющих степень окисления в процессе работы и испаряющихся, что приводит к отравлению мембраны и катализатора.For plants with TPE, the most important criterion is the chemical resistance of the coating, the inability to use metals that change the oxidation state during operation and evaporate, which leads to poisoning of the membrane and catalyst.

Учитывая все указанные требования, идеальными защитными свойствами обладают Pt, Pd, Ir и их сплавы.Given all these requirements, Pt, Pd, Ir and their alloys have ideal protective properties.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время известно множество различных способов создания защитных покрытий - гальваническое и термическое восстановление, ионная имплантация, физическое осаждение из паровой фазы (PVD методы распыления), химическое осаждение из паровой фазы (CVD методы распыления).Currently, there are many different ways to create protective coatings - galvanic and thermal recovery, ion implantation, physical vapor deposition (PVD spraying methods), chemical vapor deposition (CVD spraying).

Из уровня техники известен способ защиты металлических подложек (патент США US №6887613 на изобретение, опубл. 03.05.2005). Предварительно с поверхности металла удаляли оксидный слой, пассивирующий поверхность, химическим травлением или механической обработкой. На поверхность подложки наносили полимерное покрытие, смешанное с проводящими частицами золота, платины, палладия, никеля и др. Полимер выбирается по его совместимости с металлической подложкой - эпоксидные смолы, силиконы, полифенолы, фторсополимеры и др. Покрытие наносили тонкой пленкой помощью электрофоретического осаждения; кистью; распылением в виде порошка. Покрытие обладает хорошими антикоррозионными свойствами.The prior art method for protecting metal substrates (US patent US No. 6887613 for the invention, publ. 03.05.2005). Previously, the oxide layer passivating the surface was removed from the metal surface by chemical etching or machining. A polymer coating mixed with conductive particles of gold, platinum, palladium, nickel and others was applied to the surface of the substrate. The polymer is selected for its compatibility with the metal substrate — epoxies, silicones, polyphenols, fluoropolymers, etc. The coating was applied with a thin film using electrophoretic deposition; with a brush; powder spray. The coating has good anti-corrosion properties.

Недостатком данного способа является высокое электрическое сопротивление слоя из-за наличия полимерной составляющей.The disadvantage of this method is the high electrical resistance of the layer due to the presence of the polymer component.

Из уровня техники известен способ защиты (см. патент CШA US №7632592 на изобретение, опубл. 15.12.2009), в котором предложено создание антикоррозионного покрытия на биполярных пластинах с использованием кинетического (холодного) процесса распыления порошка платины, палладия, родия, рутения и их сплавов. Распыление проводили пистолетом с помощью сжатого газа, например гелия, который подается в пистолет при высоком давлении. Скорость движения частиц порошка 500-1500 м/с. Ускоренные частицы остаются в твердом и относительно холодном состоянии. В процессе не происходит окисления их и оплавления, средняя толщина слоя 10 нм. Сцепление частиц с подложкой зависит от достаточного количества энергии - при недостаточной энергии наблюдается слабое сцепление частиц, при очень больших энергиях происходит деформация частиц и подложки, создается высокая степень локального нагрева.The prior art method of protection (see US patent US No. 7632592 for the invention, publ. 15.12.2009), which proposed the creation of an anti-corrosion coating on bipolar plates using the kinetic (cold) process of spraying a powder of platinum, palladium, rhodium, ruthenium and their alloys. Spraying was carried out with a gun using compressed gas, for example helium, which is supplied to the gun at high pressure. The velocity of the powder particles is 500-1500 m / s. Accelerated particles remain in a solid and relatively cold state. In the process, their oxidation and fusion do not occur; the average layer thickness is 10 nm. The adhesion of particles to a substrate depends on a sufficient amount of energy - with insufficient energy, weak adhesion of particles is observed, at very high energies, deformation of the particles and the substrate occurs, and a high degree of local heating is created.

Из уровня техники известен способ защиты металлических подложек (см. патент США US №7700212 на изобретение, опубл. 20.04.2010). Предварительно поверхности подложки придавали шероховатость для улучшения сцепления с материалом покрытия. Наносили два слоя покрытия: 1 - из нержавеющей стали, толщина слоя от 0,1 мкм до 2 мкм, 2 - покрывающий слой из золота, платины, палладия, рутения, родия и их сплавов, толщиной не более 10 нм. Слои наносили с помощью термического напыления, используя пистолет, из распылительной форсунки которого выбрасывался поток расплавленных частиц, которые образовывали химическую связь с поверхностью металла, также возможно нанесение покрытия с помощью PVD метода (физическое осаждение из паровой фазы). Наличие 1 слоя снижает скорость коррозии и уменьшает затраты на изготовление, однако его наличие приводит также и к недостатку - из нержавеющей стали образуется пассивный слой из оксида хрома, что приводит к значительному повышению контактного сопротивления антикоррозионного покрытия.The prior art method of protecting metal substrates (see US patent US No. 7700212 for an invention, publ. 04/20/2010). Previously, the surface of the substrate was roughened to improve adhesion to the coating material. Two coating layers were applied: 1 - stainless steel, a layer thickness of 0.1 μm to 2 μm, 2 - a coating layer of gold, platinum, palladium, ruthenium, rhodium and their alloys, with a thickness of not more than 10 nm. The layers were deposited using thermal spraying using a gun, from the spray nozzle of which a stream of molten particles was ejected, which formed a chemical bond with the metal surface, and coating was also possible using the PVD method (physical vapor deposition). The presence of 1 layer reduces the corrosion rate and reduces manufacturing costs, but its presence also leads to a disadvantage - a passive layer of chromium oxide is formed from stainless steel, which leads to a significant increase in the contact resistance of the anticorrosion coating.

Из уровня техники известен способ защиты (см. патент США US №7803476 на изобретение, опубл. 28.09.2010)., в котором предложено создание ультратонких покрытий из благородного металла Pt, Pd, Os, Ru, Ro, Ir и их сплавов, толщина покрытия составляет от 2 до 10 нм, предпочтительно даже одноатомный слой толщиной от 0,3 до 0,5 нм (толщина, равная диаметру атома покрытия). Предварительно на биполярную пластину наносили слой неметалла, имеющего хорошую пористость - уголь, графит в смеси с полимером, или металла - алюминий, титан, нержавеющая сталь. Металлические покрытия наносили электронно-лучевым напылением, электрохимическим осаждением, магнетронно-ионным напылением.The prior art method of protection (see US patent US No. 7803476 for the invention, publ. 09/28/2010)., Which proposed the creation of ultrathin coatings of noble metal Pt, Pd, Os, Ru, Ro, Ir and their alloys, thickness the coating is from 2 to 10 nm, preferably even a monatomic layer with a thickness of 0.3 to 0.5 nm (thickness equal to the diameter of the coating atom). Previously, a layer of non-metal having good porosity — coal, graphite mixed with a polymer, or metal — aluminum, titanium, and stainless steel was applied to a bipolar plate. Metal coatings were applied by electron beam sputtering, electrochemical deposition, magnetron-ion sputtering.

К достоинствам данного способа относятся: исключение стадии травления подложки для удаления окислов, низкое контактное сопротивление, минимальная стоимость.The advantages of this method include: elimination of the etching stage of the substrate to remove oxides, low contact resistance, minimal cost.

Недостатки - в случае наличия неметаллического слоя увеличивается электрическое контактное сопротивление из-за различий в поверхностных энергиях и других молекулярных и физических взаимодействиях; возможно смешение первого и второго слоев, в результате на поверхности могут оказаться неблагородные металлы, подверженные окислению.Disadvantages - in the presence of a non-metallic layer, the electrical contact resistance increases due to differences in surface energies and other molecular and physical interactions; mixing of the first and second layers is possible, as a result, base metals may be exposed to oxidation.

Из уровня техники известен способ защиты металлической подложки (см. патент США US №7150918 на изобретение, опубл. 19.12.2006), включающий: обработку металлической подложки для удаления окислов с ее поверхности, нанесение электропроводящего коррозионно-стойкого металлического покрытия благородных металлов, нанесение электропроводящего коррозионно-стойкого полимерного покрытия.The prior art method of protecting a metal substrate (see US patent US No. 7150918 for invention, publ. 12/19/2006), including: processing a metal substrate to remove oxides from its surface, applying an electrically conductive corrosion-resistant metal coating of noble metals, applying an electrically conductive corrosion resistant polymer coating.

Недостатком указанного способа является высокое электрическое сопротивление при наличии значительного количества связующего полимера, в случае недостаточного количества связующего полимера происходит вымывание электропроводящих частиц сажи из полимерного покрытия.The disadvantage of this method is the high electrical resistance in the presence of a significant amount of a binder polymer, in the case of an insufficient amount of a binder polymer, the electrically conductive soot particles are washed out of the polymer coating.

Из уровня техники известен способ защиты биполярных пластин и коллекторов тока от коррозии - прототип (см. патент США US №8785080 на изобретение, опубл. 22.07.2014), включающий:The prior art method of protecting bipolar plates and current collectors against corrosion is a prototype (see US patent US No. 8785080 for an invention, publ. 07.22.2014), including:

- обработку подложки в кипящей деионизированной воде, или термическую обработку при температуре выше 400°С, или замачивание в кипящей деионизированной воде с целью образования пассивного оксидного слоя толщиной от 0,5 нм до 30 нм,- treating the substrate in boiling deionized water, or heat treatment at a temperature above 400 ° C, or soaking in boiling deionized water to form a passive oxide layer with a thickness of 0.5 nm to 30 nm,

- нанесение электропроводящего металлического покрытия (Pt, Ru, Ir) на пассивный оксидный слой толщиной от 0,1 нм до 50 нм. Покрытие наносили методом магнетронно-ионного напыления, электронно-лучевым испарением или ионным осаждением.- deposition of a conductive metal coating (Pt, Ru, Ir) on a passive oxide layer with a thickness of 0.1 nm to 50 nm. The coating was applied by magnetron-ion sputtering, electron beam evaporation, or ion deposition.

Наличие пассивного оксидного слоя увеличивает коррозионную стойкость металлического покрытия, однако, и приводит к недостаткам - не проводящий слой оксида резко ухудшает токопроводящие свойства покрытий.The presence of a passive oxide layer increases the corrosion resistance of the metal coating, however, and leads to disadvantages - a non-conductive oxide layer sharply affects the conductive properties of the coatings.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение устойчивости покрытия к окислению, повышение коррозийной стойкости и ресурса работы и сохранение токопроводящих свойств, присущих неокисленному металлу.The technical result of the claimed invention is to increase the resistance of the coating to oxidation, increase the corrosion resistance and service life and preserve the conductive properties inherent in non-oxidized metal.

Технический результат достигается тем, что способ защиты от окисления биполярных пластин топливных элементов и коллекторов тока электролизеров с твердым полимерным электролитом (ТПЭ) заключается в том, что предварительно обрабатывают металлическую подложку, наносят на обработанную металлическую подложку электропроводное покрытие благородных металлов методом магнетронно-ионного напыления, при этом электропроводное покрытие наносят послойно с закреплением каждого слоя импульсной имплантацией ионов кислорода или инертного газа.The technical result is achieved by the fact that the method of protection against oxidation of bipolar plates of fuel cells and current collectors of electrolytic cells with solid polymer electrolyte (TPE) is that the metal substrate is pretreated, the conductive coating of the noble metals is applied to the treated metal substrate by magnetron-ion sputtering, wherein the electrically conductive coating is applied layer by layer with the fastening of each layer by pulse implantation of oxygen ions or an inert gas.

В предпочтительном варианте в качестве благородных металлов используют платину, или палладий, или иридий, или их смесь. Импульсную имплантацию ионов производят с постепенным снижением энергии ионов и дозы. Общая толщина покрытия составляет от 1 до 500 нм. Последовательно напыляемые слои имеют толщину от 1 до 50 нм. В качестве инертного газа используют аргон, или неон, или ксенон, или криптон. Энергия имплантируемых ионов составляет от 2 до 15 кэВ, а доза имплантируемых ионов - до 1015 ионов/см2.In a preferred embodiment, platinum, or palladium, or iridium, or a mixture thereof, is used as the noble metal. Pulse ion implantation is performed with a gradual decrease in ion energy and dose. The total coating thickness is from 1 to 500 nm. Sequentially sprayed layers have a thickness of 1 to 50 nm. Argon, or neon, or xenon, or krypton is used as an inert gas. The energy of implanted ions is from 2 to 15 keV, and the dose of implanted ions is up to 10 15 ions / cm 2 .

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами и таблицей, где показано следующее.The features and essence of the claimed invention are explained in the following detailed description, illustrated by drawings and a table, which shows the following.

На фиг. 1 - распределение атомов платины и титана, перемещенных в результате воздействия имплантации аргона (расчет программой SRIM).In FIG. 1 - distribution of platinum and titanium atoms displaced as a result of argon implantation (calculation by the SRIM program).

На фиг. 2 - срез титановой подложки с напыленной платиной до имплантации аргона, гдеIn FIG. 2 is a section of a titanium substrate with deposited platinum prior to implantation of argon, where

1 - титановая подложка;1 - titanium substrate;

2 - слой платины;2 - a layer of platinum;

3 - поры в платиновом слое.3 - pores in the platinum layer.

На фиг. 3 - срез титановой подложки с напыленной платиной после имплантации аргона, где:In FIG. 3 is a section of a titanium substrate with sprayed platinum after implantation of argon, where:

1 - титановая подложка;1 - titanium substrate;

4 - промежуточный титаново-платиновый слой;4 - intermediate titanium-platinum layer;

5 - платиновое покрытие.5 - platinum coating.

В таблице приведены характеристики всех примеров реализации заявленного изобретения и прототипа.The table shows the characteristics of all examples of implementation of the claimed invention and prototype.

Осуществление и примеры реализации изобретенияThe implementation and examples of implementation of the invention

В основе метода магнетронно-ионного напыления лежит процесс, основанный на образовании над поверхностью катода (мишени) кольцеобразной плазмы в результате столкновения электронов с молекулами газа (обычно аргона). Положительные ионы газа, образующиеся в разряде, при подаче отрицательного потенциала на подложку разгоняются в электрическом поле и выбивают атомы (или ионы) материала мишени, которые осаждаются на поверхности подложки, образуя на ее поверхности пленку.The method of magnetron-ion sputtering is based on a process based on the formation of a ring-shaped plasma above the surface of the cathode (target) as a result of collision of electrons with gas molecules (usually argon). Positive gas ions generated in the discharge, when a negative potential is applied to the substrate, are accelerated in an electric field and knock out atoms (or ions) of the target material, which are deposited on the surface of the substrate, forming a film on its surface.

Достоинствами метода магнетронно-ионного напыления являются:The advantages of magnetron-ion sputtering are:

- высокая скорость распыления осаждаемого вещества при низких рабочих напряжениях (400-800 В) и при небольших давлениях рабочего газа (5·10-1-10 Па);- high spraying speed of the deposited substance at low operating voltages (400-800 V) and at low working gas pressures (5 · 10 -1 -10 Pa);

- возможность регулирования в широких пределах скорости распыления и осаждения распыленного вещества;- the ability to control over a wide range of spraying and deposition of sprayed matter;

- малая степень загрязнения осаждаемых покрытий;- low degree of contamination of deposited coatings;

- возможность одновременного распыления мишеней из разного материала и, как следствие, возможность получения покрытий сложного (многокомпонентного) состава.- the possibility of simultaneous sputtering of targets from different materials and, as a consequence, the ability to obtain coatings of complex (multicomponent) composition.

- относительная простота реализации;- relative ease of implementation;

- невысокая стоимость;- low cost;

- простота масштабирования.- ease of scaling.

В то же время, образующееся покрытие отличается наличием пористости, обладает невысокой прочностью и недостаточно хорошим сцеплением с материалом подложки вследствие малой кинетической энергии распыленных атомов (ионов), составляющей примерно 1-20 эВ. Такой уровень энергии не позволяет обеспечить проникновение атомов напыляемого материала в приповерхностные слои материала подложки и обеспечить создание промежуточного слоя с высоким сродством к материалу подложки и покрытия, высокой коррозионной стойкостью и относительно низким сопротивлением даже при образовании оксидной поверхностной пленки.At the same time, the resulting coating is characterized by the presence of porosity, has low strength and insufficiently good adhesion to the substrate material due to the low kinetic energy of atomized atoms (ions), which is about 1-20 eV. This level of energy does not allow the penetration of atoms of the sprayed material into the surface layers of the substrate material and ensures the creation of an intermediate layer with high affinity for the substrate and coating material, high corrosion resistance and relatively low resistance even when an oxide surface film is formed.

В рамках заявленного изобретения задача повышения стойкости и сохранения токопроводящих свойств электродов и защитных покрытий конструкционных материалов решается путем воздействия на покрытие и подложку потока ускоренных ионов, осуществляющих перемещение материала покрытия и подложки на атомном уровне, ведущее к взаимопроникновению материала подложки и покрытия, в результате чего происходит размывание границы раздела покрытия и подложки с образованием фазы промежуточного состава.In the framework of the claimed invention, the task of increasing the resistance and preserving the conductive properties of the electrodes and protective coatings of structural materials is solved by exposing the coating and the substrate to a stream of accelerated ions that move the coating material and the substrate at the atomic level, leading to the interpenetration of the substrate material and the coating, resulting in erosion of the interface between the coating and the substrate with the formation of the phase of the intermediate composition.

Тип ускоренных ионов и их энергия подбирается в зависимости от материала покрытия, его толщины и материала подложки таким образом, чтобы вызывать перемещение атомов покрытия и подложки и их перемешивание на границе раздела фаз при минимальном распылении материала покрытия. Подбор производится с помощью соответствующих расчетов.The type of accelerated ions and their energy are selected depending on the coating material, its thickness and the substrate material in such a way as to cause the movement of the coating and substrate atoms and their mixing at the phase boundary with minimal spraying of the coating material. Selection is made using appropriate calculations.

На фиг. 1 приведены расчетные данные по перемещению атомов покрытия, состоящего из платины толщиной 50А и атомов подложки, состоящей из титана при воздействии ионов аргона с энергией 10 кэВ. Ионы с меньшей энергией на уровне 1-2 кэВ не достигают границы раздела фаз и не обеспечат эффективное перемешивание атомов для такой системы на границе раздела фаз. Однако при энергии свыше 10 кэВ происходит существенное распыление платинового покрытия, что отрицательно влияет на ресурс изделия.In FIG. Figure 1 shows the calculated data on the movement of atoms of a coating consisting of 50A thick platinum and atoms of a substrate consisting of titanium under the influence of argon ions with an energy of 10 keV. Ions with lower energies at the level of 1-2 keV do not reach the phase boundary and will not provide efficient atomic mixing for such a system at the phase boundary. However, at energies above 10 keV, a significant spraying of the platinum coating occurs, which negatively affects the product’s life.

Таким образом, в случае однослойного покрытия большой толщины и большой энергии, требуемой для проникновения имплантируемых ионов до границы раздела фаз, происходит распыление атомов покрытия и потери драгметаллов, в случае небольшой толщины покрытия при оптимальной энергии ионов происходит проникновение атомов покрытия в материал подложки, перемешивание материала подложки и покрытия и увеличение прочности покрытия. Однако такая малая (1-10 нм) толщина покрытия не обеспечивает длительного ресурса изделия. С целью увеличения прочности покрытия, его ресурса и уменьшения потерь при распылении импульсная имплантация ионов производится при послойном (толщина каждого слоя 1-50 нм) нанесении покрытия с постепенным снижением энергии ионов и дозы. Снижение энергии и дозы позволяет практически исключить потери при распылении, но позволяет обеспечить требуемое сцепление наносимых слоев с подложкой, на которую уже нанесен такой же металл (отсутствие раздела фаз) повышает их однородность. Все это также способствует повышению ресурса. Следует отметить, что пленки толщиной 1 нм не дают существенного (требуемого для коллекторов тока) увеличения ресурса изделия, а предлагаемый метод заметно увеличивает их стоимость. Пленки толщиной более 500 нм также следует считать экономически не рентабельными, т.к. существенно растет расход металлов платиновой группы, а ресурс изделия в целом (электролизера) начинает ограничиваться другими факторами.Thus, in the case of a single-layer coating with a large thickness and high energy required for the implantable ions to penetrate to the phase boundary, the coating atoms are sputtered and precious metals are lost, in the case of a small coating thickness with optimal ion energy, the coating atoms penetrate the substrate material, mixing the material substrates and coatings; and an increase in coating strength. However, such a small (1-10 nm) coating thickness does not provide a long product life. In order to increase the strength of the coating, its life and reduce losses during sputtering, pulsed ion implantation is performed by layer-by-layer (thickness of each layer 1-50 nm) coating with a gradual decrease in ion energy and dose. The reduction in energy and dose makes it possible to practically eliminate losses during spraying, but allows to provide the required adhesion of the applied layers to a substrate on which the same metal has already been deposited (lack of phase separation) increases their uniformity. All this also helps to increase the resource. It should be noted that films with a thickness of 1 nm do not give a significant (required for current collectors) increase in product life, and the proposed method significantly increases their cost. Films with a thickness of more than 500 nm should also be considered economically unprofitable, because the consumption of platinum group metals increases significantly, and the life of the product as a whole (electrolyzer) begins to be limited by other factors.

При многократном нанесении слоев покрытия обработка ионами более высокой энергии целесообразна только после нанесения первого слоя толщиной 1-10 нм, а при обработке последующих слоев толщиной до 10-50 нм для их уплотнения достаточно ионов аргона с энергией 3-5 кэВ. Имплантация ионов кислорода при нанесении первых слоев покрытия наряду с решением вышеназванных проблем позволяет создать коррозионно-стойкую оксидную пленку на поверхности, легированную атомами покрытия.For multiple deposition of coating layers, treatment with ions of higher energy is advisable only after applying the first layer with a thickness of 1-10 nm, and when processing subsequent layers with a thickness of 10-50 nm, argon ions with an energy of 3-5 keV are sufficient for compaction. The implantation of oxygen ions during the deposition of the first coating layers, along with the solution of the above problems, makes it possible to create a corrosion-resistant oxide film on the surface doped with coating atoms.

Пример 1 (прототип).Example 1 (prototype).

Образцы титановой фольги марки ВТ1-0 площадью 1 см2, толщиной 0,1 мм и пористого титана марки ТПП-7 площадью 7 см2 помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 450°С 20 минут.Samples of titanium foil VT1-0 brand with an area of 1 cm 2 , a thickness of 0.1 mm and porous titanium grade TPP-7 with an area of 7 cm 2 are placed in an oven and kept at a temperature of 450 ° C for 20 minutes.

Образцы поочередно зажимают в рамку и устанавливают в специальный держатель образца установки магнетронно-ионного распыления МИР-1 со съемной платиновой мишенью. Камеру закрывают. Включают механический насос и производят откачку воздуха из камеры до давления ~10-2 Торр. Откачку воздуха камеры перекрывают и открывают откачку диффузионного насоса и включают его прогрев. Примерно через 30 минут диффузионный насос выходит на рабочий режим. Открывают откачку камеры через диффузионный насос. После достижения давления 6×10-5 Торр открывают напуск аргона в камеру. Натекателем устанавливают давление аргона 3×10-3 Торр. Плавным увеличением напряжения на катоде зажигают разряд, устанавливают мощность разряда 100 Вт, подают напряжение смещения. Открывают заслонку между мишенью и держателем и начинают отсчет времени обработки. Во время обработки контролируют давление в камере и ток разряда. По истечении 10 мин обработки выключают разряд, отключают вращение, перекрывают подачу аргона. Через 30 мин перекрывают откачку камеры. Выключают нагрев диффузионного насоса и после его остывания выключают механический насос. Камеру открывают на атмосферу и производят извлечение рамки с образцом. Толщина напыленного покрытия составила 40 нм.The samples are alternately clamped into a frame and installed in a special sample holder of a MIR-1 magnetron-ion sputter with a removable platinum target. The camera is closed. The mechanical pump is turned on and air is pumped out of the chamber to a pressure of ~ 10 -2 Torr. The chamber air is shut off and the diffusion pump is opened and its heating is turned on. After about 30 minutes, the diffusion pump goes into operation. Open the pumping chamber through a diffusion pump. After reaching a pressure of 6 × 10 -5 Torr open the argon inlet into the chamber. Argon pressure set argon pressure of 3 × 10 -3 Torr. By smoothly increasing the voltage at the cathode, a discharge is ignited, a discharge power of 100 W is set, a bias voltage is applied. Open the shutter between the target and the holder and begin counting the processing time. During processing, the pressure in the chamber and the discharge current are monitored. After 10 minutes of treatment, the discharge is turned off, the rotation is turned off, the argon supply is shut off. After 30 minutes, the pumping chamber was shut off. Turn off the heating of the diffusion pump and after cooling, turn off the mechanical pump. The camera is opened to the atmosphere and the extraction of the frame with the sample. The thickness of the sprayed coating was 40 nm.

Полученные материалы с покрытиями могут использоваться в электрохимических ячейках, в первую очередь в электролизерах с твердым полимерным электролитом, в качестве катодных и анодных материалов (коллектора тока, биполярные пластины). Максимальные проблемы вызывают анодные материалы (интенсивное окисление), в связи с этим ресурсные испытания проводились при их использовании в качестве анодов (то есть при положительном потенциале).The obtained coated materials can be used in electrochemical cells, primarily in electrolyzers with a solid polymer electrolyte, as cathode and anode materials (current collector, bipolar plates). The maximum problems are caused by anode materials (intense oxidation), in connection with this, life tests were carried out when they were used as anodes (that is, with a positive potential).

К полученному образцу титановой фольги методом точечной сварки приваривают токоподвод и помещают в качестве исследуемого электрода в трехэлектродную ячейку. В качестве противоэлектрода используют Pt фольгу площадью 10 см2, в качестве электрода сравнения используют стандартный хлорсеребряный электрод, соединенный с ячейкой через капилляр. В качестве электролита используют раствор 1М H2SO4 в воде. Измерения проводят с помощью прибора АЗРИВК 10-0,05А-6 В (производства ООО «Бустер», Санкт-Петербург) в гальваностатическом режиме, т.е. на исследуемый электрод подают положительный потенциал постоянного тока, необходимый для достижения величины тока 50 мА. Испытания заключаются в измерении изменения потенциала, необходимого для достижения данного тока, во времени. При превышении потенциала выше величины 3,2 В ресурс электрода считается исчерпанным. Полученный образец имеет ресурс 2 часа 15 минут.A current lead is welded to the obtained titanium foil sample by the spot welding method and placed as a test electrode in a three-electrode cell. A 10 cm 2 Pt foil is used as a counter electrode; a standard silver chloride electrode connected to the cell through a capillary is used as a reference electrode. As an electrolyte, a solution of 1M H 2 SO 4 in water is used. The measurements are carried out using the AZRIVK 10-0.05A-6 V device (manufactured by Booster LLC, St. Petersburg) in the galvanostatic mode, i.e. A positive DC potential is applied to the electrode under study, which is necessary to achieve a current value of 50 mA. The tests consist in measuring the change in potential needed to achieve a given current over time. If the potential is exceeded above 3.2 V, the electrode resource is considered exhausted. The resulting sample has a resource of 2 hours 15 minutes.

Примеры 2-16 осуществления заявленного изобретения.Examples 2-16 of the implementation of the claimed invention.

Пример 2.Example 2

Образцы титановой фольги марки ВТ1-0 площадью 1 см2, толщиной 0,1 мм и пористого титана марки ТПП-7 площадью 7 см2 кипятят в изопропиловом спирте в течение 15 минут. Затем спирт сливают и образцы кипятят 2 раза по 15 минут в деионизированной воде со сменой воды между кипячениями. Образцы нагревают в растворе 15%-ной соляной кислоты до 70°С и выдерживают при данной температуре в течение 20 минут. Затем кислоту сливают и образцы кипятят 3 раза по 20 минут в деионизированной воде со сменой воды между кипячениями.Samples of titanium foil grade VT1-0 with an area of 1 cm 2 , a thickness of 0.1 mm and porous titanium grade TPP-7 with an area of 7 cm 2 are boiled in isopropyl alcohol for 15 minutes. Then the alcohol is drained and the samples are boiled 2 times for 15 minutes in deionized water with a change of water between boils. Samples are heated in a solution of 15% hydrochloric acid to 70 ° C and kept at this temperature for 20 minutes. Then the acid is drained and the samples are boiled 3 times for 20 minutes in deionized water with a change of water between boils.

Образцы поочередно помещают в установку магнетронно-ионного распыления МИР-1 с платиновой мишенью и наносят платиновое покрытие. Ток магнетрона 0,1 А, напряжение магнетрона 420 В, газ - аргон с остаточным давлением - 0.86 Па. За 15 минут напыления получают покрытие толщиной 60 нм. Полученное покрытие подвергается действию потока ионов аргона методом плазменной импульсной ионной имплантации.The samples are alternately placed in a MIR-1 magnetron-ion sputter with a platinum target and a platinum coating is applied. The magnetron current is 0.1 A, the magnetron voltage is 420 V, the gas is argon with a residual pressure of 0.86 Pa. After 15 minutes of spraying, a coating with a thickness of 60 nm is obtained. The resulting coating is exposed to the flow of argon ions by plasma pulsed ion implantation.

Имплантация производится в потоке ионов аргона с максимальной энергией ионов 10 кэВ средняя энергия - 5 кэВ. Доза за время воздействия составила 2*1014 ионов /см2. Вид сечения покрытия после имплантации приведен на фиг. 3.Implantation is carried out in a stream of argon ions with a maximum ion energy of 10 keV; the average energy is 5 keV. The dose during the exposure was 2 * 10 14 ions / cm 2 . A cross-sectional view of the coating after implantation is shown in FIG. 3.

Полученный образец испытывают в трехэлектродной ячейке, процесс аналогичен приведенному в примере 1. Полученный образец имеет ресурс 4 часа. Для сравнения данные по ресурсу титановой фольги с исходной напыленной пленкой платины (60 нм) без имплантации аргона составляет 1 час.The resulting sample is tested in a three-electrode cell, the process is similar to that shown in example 1. The resulting sample has a resource of 4 hours. For comparison, the data on the resource of titanium foil with the initial deposited platinum film (60 nm) without argon implantation is 1 hour.

Примеры 3-7.Examples 3-7.

Процесс аналогичен приведенному в примере 2, но варьируют дозу имплантации, энергию ионов и толщину покрытия. Доза имплантации, энергия ионов, толщина покрытия, а также ресурс работы полученных образцов приведены в таблице 1.The process is similar to that shown in example 2, but vary the implantation dose, ion energy and coating thickness. The implantation dose, ion energy, coating thickness, as well as the operating life of the obtained samples are shown in table 1.

Пример 8.Example 8

Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы с толщиной напыленного слоя до 15 нм обрабатывают в потоке криптона с максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозой 6*1014 ионов/см2. Полученный образец имеет ресурс 1 часа 20 минут. По данным электронной микроскопии, толщина слоя платины сократилась до величины 0-4 нм, но при этом образовался слой титана с внедренными в него атомами платины.The process is similar to that shown in example 2 and differs in that samples with a sprayed layer thickness of up to 15 nm are processed in a krypton stream with a maximum ion energy of 10 keV and a dose of 6 * 10 14 ions / cm 2 . The resulting sample has a resource of 1 hour 20 minutes. According to electron microscopy, the platinum layer thickness was reduced to a value of 0-4 nm, but a titanium layer with platinum atoms embedded in it was formed.

Пример 9.Example 9

Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы с толщиной напыленного слоя 10 нм обрабатывают в потоке ионов аргона максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозой 6*1014 ионов/см2. После нанесения второго слоя толщиной 10 нм проводят обработку в потоке ионов аргона с энергией 5 кэВ и дозой 2*1014 ион/см2, а затем 4 раза повторяют напыление с толщиной нового слоя по 15 нм, и каждый последующий слой обрабатывают в потоке ионов аргона с энергией ионов 3 кэВ и дозой 8*1013 ион/см2. Полученный образец имеет ресурс 8 часов 55 минут.The process is similar to that described in example 2 and differs in that samples with a thickness of the deposited layer of 10 nm are treated in a stream of argon ions with a maximum ion energy of 10 keV and a dose of 6 * 10 14 ions / cm 2 . After applying the second layer with a thickness of 10 nm, the argon ion is treated with an energy of 5 keV and a dose of 2 * 10 14 ion / cm 2 , and then spraying is repeated 4 times with a new layer thickness of 15 nm, and each subsequent layer is treated in an ion stream argon with an ion energy of 3 keV and a dose of 8 * 10 13 ion / cm 2 . The resulting sample has a resource of 8 hours 55 minutes.

Пример 10.Example 10

Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы с толщиной напыленного слоя 10 нм обрабатывают в потоке ионов кислорода максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозой 2*1014 ион/см2. После нанесения второго слоя толщиной 10 нм проводят обработку в потоке ионов аргона с энергией 5кэВ и дозой 1*1014 ион/см2, а затем 4 раза повторяют напыление с толщиной нового слоя 15 нм, при этом каждый последующий слой обрабатывают в потоке ионов аргона с энергией ионов 5 кэВ и дозой 8*1013 ион/см2 (чтобы не было распыления!). Полученный образец имеет ресурс 9 часов 10 минут.The process is similar to that described in example 2 and differs in that the samples with a thickness of the deposited layer of 10 nm are treated in a stream of oxygen ions with a maximum ion energy of 10 keV and a dose of 2 * 10 14 ion / cm 2 . After applying a second layer with a thickness of 10 nm, the argon ion is treated with an energy of 5 keV and a dose of 1 * 10 14 ion / cm 2 , and then spraying is repeated 4 times with a new layer thickness of 15 nm, with each subsequent layer being treated in an argon ion stream with an ion energy of 5 keV and a dose of 8 * 10 13 ion / cm 2 (so that there is no sputtering!). The resulting sample has a resource of 9 hours 10 minutes.

Пример 11.Example 11

Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы помещают в установку магнетронно-ионного распыления МИР-1 с иридиевой мишенью и наносят иридиевое покрытие. Ток магнетрона 0,1 А, напряжение магнетрона 440 В, газ - аргон с остаточным давлением - 0.71 Па. Скорость напыления обеспечивает образование покрытия толщиной 60 нм за 18 минут. Полученное покрытие подвергается действию потока ионов аргона методом плазменной импульсной ионной имплантации.The process is similar to that shown in example 2 and differs in that the samples are placed in a MIR-1 magnetron-ion sputter with an iridium target and an iridium coating is applied. The magnetron current is 0.1 A, the magnetron voltage is 440 V, the gas is argon with a residual pressure of 0.71 Pa. The spraying speed provides the formation of a coating with a thickness of 60 nm in 18 minutes. The resulting coating is exposed to the flow of argon ions by plasma pulsed ion implantation.

Образцы с толщиной первого напыленного слоя 10 нм обрабатывают в потоке ионов аргона максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозе 2*1014 ион/см2. После нанесения второго слоя толщиной 10 нм проводят обработку в потоке ионов аргона с энергией 5-10 кэВ и дозой 2*1014 ион/см2, а затем 4 раза повторяют напыление с толщиной нового слоя по 15 нм, каждый последующий слой обрабатывают в потоке ионов аргона с энергией ионов 3 кэВ и дозой 8*1013 ион/см2. Полученный образец имеет ресурс 8 часов 35 минут.Samples with a thickness of the first deposited layer of 10 nm are treated in a stream of argon ions with a maximum ion energy of 10 keV and a dose of 2 * 10 14 ion / cm 2 . After applying a second layer with a thickness of 10 nm, the argon ions are treated with an energy of 5-10 keV and a dose of 2 * 10 14 ion / cm 2 , and then spraying is repeated 4 times with a new layer thickness of 15 nm, each subsequent layer is treated in a stream argon ions with an ion energy of 3 keV and a dose of 8 * 10 13 ion / cm 2 . The resulting sample has a resource of 8 hours 35 minutes.

Пример 12.Example 12

Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы помещают в установку магнетронно-ионного распыления МИР-1 с мишенью из сплава платины с иридием (сплав ПлИ-30 по ГОСТ 13498-79), наносят покрытие, состоящее из платины и иридия. Ток магнетрона 0,1 А, напряжение магнетрона 440 В, газ - аргон с остаточным давлением - 0.69 Па. Скорость напыления обеспечивает образование покрытия толщиной 60 нм за 18 минут. Полученное покрытие подвергается действию потока ионов аргона методом плазменной импульсной ионной имплантации.The process is similar to that shown in example 2 and differs in that the samples are placed in a MIR-1 magnetron-ion sputter with a target made of a platinum-iridium alloy (PlI-30 alloy according to GOST 13498-79), and a coating consisting of platinum and iridium is applied. The magnetron current is 0.1 A, the magnetron voltage is 440 V, the gas is argon with a residual pressure of 0.69 Pa. The spraying speed provides the formation of a coating with a thickness of 60 nm in 18 minutes. The resulting coating is exposed to the flow of argon ions by plasma pulsed ion implantation.

Образцы с толщиной напыленного слоя 10 нм обрабатывают в потоке ионов аргона максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозе 2*1014 ион/см2, а затем 5 раз повторяют напыление с толщиной нового слоя 10 нм. После нанесения второго слоя проводят обработку в потоке ионов аргона с энергией 5-10 кэВ и дозой 2*1014 ион/см2, а каждый последующий слой обрабатывают в потоке ионов аргона с энергией ионов 3 кэВ и дозой 8*1013 ион/см2. Полученный образец имеет ресурс 8 часов 45 минут.Samples with a thickness of the deposited layer of 10 nm are treated in a stream of argon ions with a maximum ion energy of 10 keV and a dose of 2 * 10 14 ion / cm 2 , and then spraying is repeated 5 times with a new layer thickness of 10 nm. After applying the second layer, processing is carried out in a stream of argon ions with an energy of 5-10 keV and a dose of 2 * 10 14 ion / cm 2 , and each subsequent layer is treated in a stream of argon ions with an energy of ions of 3 keV and a dose of 8 * 10 13 ion / cm 2 . The resulting sample has a resource of 8 hours 45 minutes.

Пример 13.Example 13

Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы помещают в установку магнетронно-ионного распыления МИР-1 с палладиевой мишенью и наносят палладиевое покрытие. Ток магнетрона 0,1 А, напряжение магнетрона 420 В, газ - аргон с остаточным давлением - 0.92 Па. За 17 минут напыления получают покрытие толщиной 60 нм. Образцы с толщиной напыленного первого слоя 10 нм обрабатывают в потоке ионов аргона максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозе 2*1014 ион/см2. После нанесения второго слоя толщиной 10 нм проводят обработку в потоке ионов аргона с энергией 5-10 кэВ и дозой 2*1014 ион/см2, а затем 4 раза повторяют напыление с толщиной нового слоя по 15 нм, каждый последующий слой обрабатывают в потоке ионов аргона с энергией ионов 3 кэВ и дозой 8*1013 ион/см2. Полученный образец имеет ресурс 3 часа 20 минут.The process is similar to that shown in example 2 and differs in that the samples are placed in a MIR-1 magnetron-ion sputter with a palladium target and a palladium coating is applied. The magnetron current is 0.1 A, the magnetron voltage is 420 V, the gas is argon with a residual pressure of 0.92 Pa. After 17 minutes of spraying, a coating with a thickness of 60 nm is obtained. Samples with a thickness of the deposited first layer of 10 nm are treated in a stream of argon ions with a maximum ion energy of 10 keV and a dose of 2 * 10 14 ion / cm 2 . After applying a second layer with a thickness of 10 nm, the argon ions are treated with an energy of 5-10 keV and a dose of 2 * 10 14 ion / cm 2 , and then spraying is repeated 4 times with a new layer thickness of 15 nm, each subsequent layer is treated in a stream argon ions with an ion energy of 3 keV and a dose of 8 * 10 13 ion / cm 2 . The resulting sample has a resource of 3 hours 20 minutes.

Пример 14.Example 14

Процесс аналогичен приведенному в примере 2 и отличается тем, что образцы помещают в установку магнетронно-ионного распыления МИР-1 с мишенью, состоящей из платины, включающей 30% углерода, и наносят покрытие состоящее из платины и углерода. Ток магнетрона 0,1 А, напряжение магнетрона 420 В, газ - аргон с остаточным давлением - 0.92 Па. За 20 минут напыления получают покрытие толщиной 80 нм. Образцы с толщиной напыленного слоя 60 нм обрабатывают в потоке ионов аргона максимальной энергией ионов 10 кэВ и дозе 2*1014 ион/см2, а затем 5 раз повторяют напыление с толщиной нового слоя 10 нм. После нанесения второго слоя проводят обработку в потоке ионов аргона с энергией 5-10 кэВ и дозой 2*1014 ион/см2, а каждый последующий слой обрабатывают в потоке ионов аргона с энергией ионов 3 кэВ и дозой 8*1013 ион/см2. Полученный образец имеет ресурс 4 часа 30 минут.The process is similar to that described in example 2 and differs in that the samples are placed in a MIR-1 magnetron-ion sputtering device with a target consisting of platinum, comprising 30% carbon, and a coating consisting of platinum and carbon is applied. The magnetron current is 0.1 A, the magnetron voltage is 420 V, the gas is argon with a residual pressure of 0.92 Pa. After 20 minutes of spraying, a coating with a thickness of 80 nm is obtained. Samples with a sprayed layer thickness of 60 nm are treated in a stream of argon ions with a maximum ion energy of 10 keV and a dose of 2 * 10 14 ion / cm 2 , and then spraying is repeated 5 times with a new layer thickness of 10 nm. After applying the second layer, processing is carried out in a stream of argon ions with an energy of 5-10 keV and a dose of 2 * 10 14 ion / cm 2 , and each subsequent layer is treated in a stream of argon ions with an energy of ions of 3 keV and a dose of 8 * 10 13 ion / cm 2 . The resulting sample has a resource of 4 hours 30 minutes.

Пример 15.Example 15

Процесс аналогичен приведенному в примере 9 и отличается тем, что напыляют 13 слоев, толщина первого и второго по 30 нм, последующих по 50 нм, энергию ионов последовательно снижают от 15 до 3 кэВ, дозу имплантации - от 5·1014 до 8·1013 ион/см2. Полученный образец имеет ресурс 8 часов 50 минут.The process is similar to that shown in example 9 and differs in that 13 layers are deposited, the thickness of the first and second is 30 nm, the subsequent is 50 nm, the ion energy is successively reduced from 15 to 3 keV, the implantation dose is from 5 · 10 14 to 8 · 10 13 ion / cm 2 . The resulting sample has a resource of 8 hours 50 minutes.

Пример 16.Example 16

Процесс аналогичен приведенному в примере 9 и отличается тем, что толщина первого слоя составляет 30 нм, последующих шести слоев по 50 нм, доза имплантации от 2·1014 до 8·1013 ион/см2. Полученный образец имеет ресурс 9 часа 05 минут.The process is similar to that shown in example 9 and differs in that the thickness of the first layer is 30 nm, of the next six layers of 50 nm, the implantation dose is from 2 · 10 14 to 8 · 10 13 ion / cm 2 . The resulting sample has a resource of 9 hours 05 minutes.

Таким образом, заявленный способ защиты от окисления биполярных пластин ТЭ и коллекторов тока электролизеров с ТПЭ позволяет получить устойчивое покрытие с ресурсом работы, в 4 раза превышающим полученный по прототипу, и сохраняющее токопроводящие свойства.Thus, the claimed method of protection against oxidation of bipolar plates of TE and current collectors of electrolyzers with TPE allows to obtain a stable coating with a service life 4 times higher than that obtained from the prototype, and preserving the conductive properties.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Claims (8)

1. Способ защиты от окисления биполярных пластин топливных элементов и коллекторов тока электролизеров с твердым полимерным электролитом (ТПЭ), заключающийся в предварительной обработке металлической подложки, нанесении на обработанную металлическую подложку электропроводного покрытия благородных металлов методом магнетронно-ионного напыления, отличающийся тем, что наносят на обработанную подложку электропроводное покрытие послойно с закреплением каждого слоя импульсной имплантацией ионов кислорода или инертного газа.1. A method of protecting against oxidation of bipolar plates of fuel cells and current collectors of electrolytic cells with solid polymer electrolyte (TPE), which consists in pretreating a metal substrate, applying a noble metal electroconductive coating to a treated metal substrate by magnetron-ion sputtering, characterized in that it is applied to the treated substrate is an electrically conductive coating layer by layer with the fastening of each layer by pulse implantation of oxygen ions or an inert gas. 2. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что в качестве благородных металлов используют платину, или палладий, или иридий, или их смесь.2. The protection method according to claim 1, characterized in that platinum, or palladium, or iridium, or a mixture thereof is used as the noble metals. 3. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что импульсную имплантацию ионов производят с постепенным снижением энергии ионов и дозы.3. The protection method according to claim 1, characterized in that the pulse implantation of ions is carried out with a gradual decrease in ion energy and dose. 4. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что общая толщина покрытия составляет от 1 до 500 нм.4. The protection method according to claim 1, characterized in that the total coating thickness is from 1 to 500 nm. 5. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что последовательно напыляемые слои имеют толщину от 1 до 50 нм.5. The protection method according to claim 1, characterized in that the successively sprayed layers have a thickness of from 1 to 50 nm. 6. Способ защиты по п. 1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон, или неон, или ксенон, или криптон.6. The protection method according to claim 1, characterized in that argon, or neon, or xenon, or krypton is used as an inert gas. 7. Способ защиты по п. 1 отличающийся тем, что энергия имплантируемых ионов составляет от 2 до 15 кэВ.7. The protection method according to claim 1, characterized in that the energy of the implanted ions is from 2 to 15 keV. 8. Способ защиты по п. 1 отличающийся тем, что доза имплантируемых ионов составляет до 1015 ионов/см2. 8. The method of protection according to claim 1, characterized in that the dose of implantable ions is up to 10 15 ions / cm 2 .
RU2015115121/04A 2015-04-22 2015-04-22 Method for protection from oxidation of bipolar plates and current collectors of electrolysers and fuel elements with solid polymer electrolyte RU2577860C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015115121/04A RU2577860C1 (en) 2015-04-22 2015-04-22 Method for protection from oxidation of bipolar plates and current collectors of electrolysers and fuel elements with solid polymer electrolyte

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015115121/04A RU2577860C1 (en) 2015-04-22 2015-04-22 Method for protection from oxidation of bipolar plates and current collectors of electrolysers and fuel elements with solid polymer electrolyte

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2577860C1 true RU2577860C1 (en) 2016-03-20

Family

ID=55648042

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015115121/04A RU2577860C1 (en) 2015-04-22 2015-04-22 Method for protection from oxidation of bipolar plates and current collectors of electrolysers and fuel elements with solid polymer electrolyte

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2577860C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2674748C1 (en) * 2017-09-20 2018-12-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") Method of manufacture of composite hydrogen electrode for oxygen-hydrogen fuel elements
RU194839U1 (en) * 2019-10-16 2019-12-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" OPEN Cathode Regenerative Fuel Cell

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102082277A (en) * 2010-12-24 2011-06-01 上海交通大学 Metal gas diffusion layer used for fuel cell and preparation method thereof
RU2456379C1 (en) * 2011-06-07 2012-07-20 Александр Алексеевич Делекторский Manufacturing method of multipurpose corrosion-proof electrode
US8785080B2 (en) * 2008-01-03 2014-07-22 GM Global Technology Operations LLC Passivated metallic bipolar plates and a method for producing the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8785080B2 (en) * 2008-01-03 2014-07-22 GM Global Technology Operations LLC Passivated metallic bipolar plates and a method for producing the same
CN102082277A (en) * 2010-12-24 2011-06-01 上海交通大学 Metal gas diffusion layer used for fuel cell and preparation method thereof
RU2456379C1 (en) * 2011-06-07 2012-07-20 Александр Алексеевич Делекторский Manufacturing method of multipurpose corrosion-proof electrode

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2674748C1 (en) * 2017-09-20 2018-12-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") Method of manufacture of composite hydrogen electrode for oxygen-hydrogen fuel elements
RU194839U1 (en) * 2019-10-16 2019-12-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" OPEN Cathode Regenerative Fuel Cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2817430B1 (en) Coating with conductive and corrosion resistance characteristics
Yi et al. Corrosion and interfacial contact resistance of 316L stainless steel coated with magnetron sputtered ZrN and TiN in the simulated cathodic environment of a proton-exchange membrane fuel cell
Bi et al. Multilayered Zr–C/aC film on stainless steel 316L as bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells
Feng et al. Nitrogen plasma-implanted titanium as bipolar plates in polymer electrolyte membrane fuel cells
Wang et al. Corrosion behavior of three bipolar plate materials in simulated SPE water electrolysis environment
Mendizabal et al. TaNX coatings deposited by HPPMS on SS316L bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells: Correlation between corrosion current, contact resistance and barrier oxide film formation
Li et al. Investigation of single-layer and multilayer coatings for aluminum bipolar plate in polymer electrolyte membrane fuel cell
JP2008258114A (en) Metallic separator for fuel cell, and manufacturing method therefor
Jin et al. Durability and degradation of CrMoN coated SS316L in simulated PEMFCs environment: High potential polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS)
AU706571B2 (en) Cathode for use in electrolytic cell
CN113249683A (en) MAX phase solid solution composite coating with high conductivity, corrosion resistance and long service life, and preparation method and application thereof
RU2577860C1 (en) Method for protection from oxidation of bipolar plates and current collectors of electrolysers and fuel elements with solid polymer electrolyte
Feng et al. Investigation of multi-coating process treated magnesium alloy as bipolar plate in polymer electrolyte membrane fuel cell
Alekseeva et al. Stationary and pulsed magnetron sputtering technologies for protective/catalyst layer production for PEM systems
PL83268B1 (en)
Li et al. Controlling the compactness and sp2 clusters to reduce interfacial damage of amorphous carbon/316L bipolar plates in PEMFCs
JP4134315B2 (en) Carbon thin film and manufacturing method thereof
CN117012991A (en) Fuel cell metal bipolar plate, preparation method thereof and fuel cell
CN108598497A (en) A kind of nano metal layer and preparation method for fuel battery metal pole plate
US10654034B2 (en) Method of preparing platinum-based catalyst and platinum-based catalyst
CN106784916A (en) A kind of fuel cell long-life bipolar plates with surface titanium molybdenum nickel C film and preparation method thereof
Wang et al. Investigation on the performance of Pt surface modified Ti bipolar plates in proton exchange membrane water electrolyzer
JP4516628B2 (en) Metal separator for fuel cell and manufacturing method thereof
CN106887600A (en) A kind of fuel cell high-performance bipolar plate with surface titanium tantalum C film and preparation method thereof
CN106887599A (en) A kind of fuel cell long-life bipolar plates with surface titanium palladium carbon film and preparation method thereof