一种适合质子交换膜燃料电池双极板的高Ni不锈钢制造技术

一种适合质子交换膜燃料电池双极板的高Ni不锈钢，属于新材料技术领域。本发明专利技术确定了适合燃料电池双极板基体不锈钢材料的理想成分为高的Ni和合适的Cr含量，质量百分比组成为Ni:19～21％，Cr:16.5～18.5％，不可避免的杂质总量小于0.5％，余量为Fe。材料的性能指标为：在0.5mol/L H

【技术实现步骤摘要】
一种适合质子交换膜燃料电池双极板的高Ni不锈钢
本专利技术属于新材料
，涉及到Fe-Cr-Ni新型奥氏体不锈钢的成分，与新能源
的燃料电池双极板材料应用技术相关。
技术介绍
金属材料常常作为导电用途而被应用，其中一种应用是质子交换膜燃料电池双极板。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以氢气为燃料，氧气/空气作为氧化剂，将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的清洁无污染的发电装置，因此期望在节能和环保措施方面引入并普及燃料电池。双极板作为质子交换膜燃料电池的关键部件之一，重量占电堆总重量的70％～80％，生产成本占燃料电池总成本的46％以上。其质量的优劣决定了燃料电池堆的输出功率大小及服役寿命长度。双极板基体材料的功能在于为燃料气体或氧化气体提供流通的流场，排出阴极侧产出的水，以保证有效地从电池向系统外部放电。除此之外，它还必须支撑电池以保持电池堆结构稳定，分隔阳极室与相邻电池的阴极室，收集传导电流，与气体扩散层(阳极，阴极)接触以形成电通路，作为两个相邻单电池之间的电路“连接器”。因此燃料电池双极板在酸性燃料电池环境中必须具有电化学稳定性，必须具有良好的机械性能，必须与石墨之间存在尽可能小的接触电阻，必须具备高的耐蚀性。一般认为金属合金，特别是不锈钢材料制成的双极板的优点在于加工性能优异，并且可以减小隔板的厚度(100～300μm)，从而减小隔板的重量，能大幅提高电堆比功率，是最有竞争力的基板材料。不锈钢具有易加工成型，高导热性，价格低等优点，这使其成为了一种常用的质子交换膜燃料电池双极板基体材料。不锈钢的本身电阻较高，加之服役时表面的氧化物产物的附加电阻，使其与气体扩散层接触时的导电性降低，因此常使用表面改性的方法来克服此问题。但表面改性方法工艺复杂，且表面处理层也容易因物理因素遭到破坏，便对基体材料本身的综合性能也有较高的要求，通过对优化基体材料成分来得到更佳的服役性能变得更为重要。经过对现有技术的文献检索发现，(Daviesetal.)在《JournalofPowerSources》(能源杂志)(2000年1期237-224页)上发表的(“Stainlesssteelasabipolarplatematerialforsolidpolymerfuelcells”)(用于固体聚合物燃料电池双极板的不锈钢材料)和(Andréetal.)在《InternationalJournalofHydrogenEnergy》(国际氢能杂质)(2009年7期3125-3133页)上发表的(ElectricalcontactresistancebetweenstainlesssteelbipolarplateandcarbonfeltinPEFC:Acomprehensivestudy)(质子交换膜燃料电池不锈钢双极板与碳之间的接触电阻：综合研究)指出合金表面氧化膜的化学组成会影响其物理特性，从而导致其电导率变化，总的趋势是，不锈钢合金的界面电阻率会随着镍含量增加而降低。所以使用有效的合金设计方法，寻找适合燃料电池双极板工作环境并具备优良导电性的高Ni不锈钢成分，是需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新的适合质子交换膜燃料电池双极板基体材料的奥氏体不锈钢，采用本专利技术所述的合金，可以替代现有的316L等不锈钢，使双极板具备耐蚀、导电等复合性能，满足作为基体材料在质子交换膜燃料电池中长时服役的要求。一种适合质子交换膜燃料电池双极板的高Ni不锈钢，所述适合质子交换膜燃料电池双极板的高Ni不锈钢成分包括元素Fe、Cr、Ni，精确确定合金成分拥有高Ni和合适的Cr，质量百分比为Ni:19～21％，Cr:16.5～18.5％，不可避免的杂质总量小于0.5％，余量为Fe。本专利技术是通过“团簇加连接原子”设计方法，确定了适合燃料电池双极板基体的不锈钢理想成分，在模型给出的成分框架下，根据Ni的奥氏体稳定化和提高耐蚀性的作用，我们选择与316L参照合金类似的Cr含量，实施了不同Ni含量合金的制备与性能测试，发现合金钝化膜的耐蚀性与导电性随Ni量同步提高，Ni量在20％时最优，当低于此值，耐蚀性与导电性仅略优于316L不锈钢，Ni含量超出20％，耐蚀性与导电性提升效果不再显著，由此确定了成分优化的不锈钢的质量百分比组成为Ni:19～21％，Cr:16.5～18.5％，余量为Fe以及不可避免的杂质，杂质总量小于0.5％。与传统奥氏体不锈钢牌号相比，该配方成分具有如下独特性：1)不含有C、Si、Mn等冶金残余元素；2)属于高纯合金，杂质总量小于0.5％；3)精确确定了高Ni和合适的Cr含量，Ni含量达到了904和310不锈钢的水平，Cr含量与常见的316不锈钢一致，即成分进行了精确优化，主要元素Cr和Ni的含量与现有合金牌号不一致，属于新配方；本专利技术针对燃料电池服役环境研发，专用于双极板基材。本专利技术与目前用于制造双极板的316L不锈钢相比，具有如下优点与特色：本专利技术相比316L不锈钢含有的杂质元素很少，在双极板服役环境(0.5mol/LH2SO4+2ppmHF)中拥有更优异的性能。在硝酸钝化处理后，自腐蚀电位Ecorr高至-224.98mV，自腐蚀电流密度Icorr低至1.68μA/cm2，优于316L不锈钢的耐蚀性能(Ecorr和Icorr分别为-264.47mV和7.51μA/cm2)，0.064MPa下与碳纸的接触电阻ICR低至0.99Ω·cm2，低于316L不锈钢的ICR(1.1Ω·cm2)。本专利技术的效果和益处是：①开发出来一种新的适合燃料电池双极板基体材料的奥氏体不锈钢，精确确定了高Ni和合适的Cr量的成分，合金成分的质量百分比(wt.％)为Ni:19～21％，Cr:16～18％，杂质小于0.5％，Fe：余量；合金无C、N、Si等元素，熔炼工艺简单，采用纯料熔炼即可。②合金具有良好的耐蚀性和低的接触电阻，能够替代316L等不锈钢作为新型性能更优的双极板基体材料。附图说明图1是316L不锈钢和实施例1经过钝化处理后在模拟燃料电池双极板工作环境下的极化曲线示意图，横坐标是电流密度，单位为A/cm2，纵坐标是电位，单位为V，参比电极为Ag/AgCl电极。实线代表316L不锈钢板，虚线代表实施例1成分不锈钢。由图可见，在模拟燃料电池工作环境中，实施例1的自腐蚀电位为-224.98mV，比316L不锈钢的自腐蚀电位(-264.47mV)更高，说明热力学腐蚀倾向要更低。316L不锈钢的自腐蚀电流密度为7.51μA/cm2，实施例1的自腐蚀电流密度为1.68μA/cm2，相比更低。图2是316L不锈钢和实施例1经过钝化处理后在0.064MPa下的接触电阻示意图，横坐标是Ni当量，单位为wt.％；纵坐标是接触电阻ICR，单位为Ω·cm2。由图可见，实施例1的ICR为0.99Ω·cm2，比316L不锈钢的ICR(1.1Ω·cm2)更低。具体实施方式以下结合技术方案详细说明本专利技术的具体实施方式。新的适合质子交换膜燃料电池双极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适合质子交换膜燃料电池双极板的高Ni不锈钢，其特征在于，所述适合质子交换膜燃料电池双极板的高Ni不锈钢成分包括元素Fe、Cr、Ni，其合金成分的质量百分比为Ni:19～21％，Cr:16.5～18.5％，不可避免的杂质总量小于0.5％，余量为Fe。/n

【技术特征摘要】
1.一种适合质子交换膜燃料电池双极板的高Ni不锈钢，其特征在于，所述适合质子交换膜燃料电池双极板的高Ni不锈钢成分包括元素Fe、...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄一川，王清，吴爱民，林国强，董闯，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21