一种燃料电池双极板用不锈钢及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池双极板用不锈钢，其特征在于：该不锈钢的质量百分比组成为C≤0.015％，Si：0.01～0.5％，Mn：0.02～0.5％，P<0.04％，S<0.01％，Cr：26～36％，Ni≤2.0％，Cu：0.05～1.5％，N<0.015％，Mo：0.01～4.0％，Al：0.005～0.05％，RE：0.001～0.30％，Ag：0.001～0.30％以及X，X选自Nb、Ti、V中的至少一种，其中，Nb：0.01～0.5％，Ti：0.01～0.5％，V：0.01～0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。通过在铁素体不锈钢中添加X、RE和Ag元素，降低金属基体表层钝化膜的厚度并提高导电性。该铁素体不锈钢屈服强度≥325Mpa，抗拉强度≥500Mpa，延伸率≥18％，晶粒度等级：5～10，其接触电阻≤15mΩ，在(0.5MH2SO4+5ppmF

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池双极板用不锈钢及其制备方法


[0001]本专利技术属于不锈钢
，具体涉及一种燃料电池双极板用不锈钢及其制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池电源作为一种环保型新能源被认为是未来的主要能源来源之一，主要通过燃料与氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料的化学能转换成电能的动力装置。其燃料来自于氢气、任何能分解出氢气的碳氢化合物，例如天然气、醇、甲烷等。燃料电池可以不像一般非充电电池一样用完就丢弃，也不像充电电池一样，用完须继续充电。燃料电池能够通过稳定供应燃料来源与氧发生化学反应，持续不间断的提供稳定电力。相比较燃油车及其他电力形式，燃料电池汽车的全生命周期排放可以更低，总体上包含汽车制造、电池制造、燃料(汽油、氢)或能源(发电)系统制备、汽车行驶等各个环节。氢燃料主导的新能源电池车，其产业链核心为燃料电池动力系统，包括电堆、空气压缩机、高压储氢罐等多个零部件，而电堆又是动力系统中的核心。
[0003]双极板，也叫流场板，是电堆核心部件之一，主要起到输送和分配燃料、在电堆中隔离阳极阴极气体的作用。目前，广泛采用的双极板材料为石墨板、金属板和复合材料双极板。金属双极板因具有优异的导电、导热性能、机械加工性、致密性、强度高、阻气性好等优势，适合大批量低成本生产，可以更便捷地为汽车应用提供良好的动力密度、低温(
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40℃)启动保障等。石墨双极板具有成本低、导电性与耐蚀性良好等优点，但不利于提高单位体积能量密度。金属板可以加工的更薄(0.075mm甚至更薄)，降低电堆体积，提高比功率系数。金属双极板采用钛合金材料导致成本太高；采用常规不锈钢双极板，在使用条件下的腐蚀问题成为制约其应用的主要因素，同时，不锈钢表面的钝化膜增加了电池内部的接触电阻，会降低燃料电池发电效率。通过化学物理方法，如电镀、磁控溅射、化学气相沉积(CVD)、以及物理气相沉积(PVD)等方法，在不锈钢表面制备导电防腐层，可以有效提高其在燃料电池工作条件下的耐腐蚀性能，同时保持良好的导电性，维持低的接触电阻，但对涂层及工艺提出很高的要求，同时也大大提高了制造成本。
[0004]基于上述双极板材料的自身特性，本专利通过结合燃料电池使用要求，将不锈钢双极板的低接触电阻与高耐蚀性能在不锈钢表面同步实现。即利用化学成分设计获得具有高耐蚀性、高导电率的超纯铁素体不锈钢，用以取代涂层类不锈钢制作燃料电池双极板，降低电堆成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的第一个技术问题是提供一种其自身具有低接触电阻与高耐蚀性能，后期不需要进行表面涂层处理的燃料电池双极板用不锈钢。
[0006]本专利技术解决第一个技术问题所采用的技术方案为：
[0007]一种燃料电池双极板用不锈钢，其特征在于：该不锈钢的质量百分比组成为C≤
0.015％，Si：0.01～0.5％，Mn：0.02～0.5％，P＜0.04％，S＜0.01％，Cr：26～36％，Ni≤2.0％，Cu：0.05～1.5％，N＜0.015％，Mo：0.01～4.0％，Al：0.005～0.05％，RE：0.001～0.30％，Ag：0.001～0.30％以及X，X选自Nb、Ti、V中的至少一种，其中，Nb：0.01～0.5％，Ti：0.01～0.5％，V：0.01～0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
[0008]C：碳固溶在不锈钢中可以提高钢的强度，但过高降低钢的塑性，同时降低耐蚀性。本专利技术控制C含量≤0.015％。
[0009]N：氮在不锈钢中可以提高钢的强度，对钢的成形性不利，因此氮含量控制在0.015％以下。
[0010]Si：硅在铁素体不锈钢冶炼中可以起到脱氧的作用，不锈钢基体中的硅一定程度上增加钢的强度，降低材料的加工性，本专利技术中硅含量控制在0.01～0.5％，优选0.05～0.4％。
[0011]Mn：一定锰含量有利于板卷的酸洗，锰含量过高会产生硫化锰夹杂降低耐蚀性，本专利技术中锰含量在0.02～0.5％，优选0.1～0.5％。
[0012]P、S：磷和硫在不锈钢中被视为有害元素，应尽量控制得越低越好。
[0013]Cr：铬是不锈钢中最重要的合金元素，容易与氧接触形成Cr2O3致密的钝化膜，提高钢的耐蚀性，过低影响耐腐蚀性能，过高Cr会影响高温塑性及难于酸洗，本专利技术中铬含量在26～36％。
[0014]Mo：Mo的加入用以提高耐腐蚀性能，过低达不到提高耐腐蚀性效果，过高会导致热轧过程中析出相生成，影响腐蚀性与加工性。本专利技术选择Mo含量在0.01～4.0％，优选0.05～3.0％，该含量的Mo确保不锈钢的耐腐蚀性能和加工性能满足要求。
[0015]Nb和Ti：在铁素体不锈钢中以固溶态和析出物存在，特别是与C结合可以降低C与Cr结合形成Cr
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C6型析出倾向，改善耐腐蚀性，同时也提高钢的加工性和力学性能。本专利技术中Nb和Ti含量均控制在0.01～0.5％。
[0016]V：钒也具有抑制Cr
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C6型析出倾向作用，还可以提高铁素体不锈钢的强度。少量钒还改善夹杂物的形态，获得细小的接近球状的夹杂物，改善夹杂物的变形加工性能，本专利技术选择0.01～0.3％范围。
[0017]其中Nb、V、Ti作为微合金化元素，是强碳化物形成元素，可优先于铬同碳形成碳化物，防止晶间腐蚀，提高耐蚀性。可以单独添加也可以2种和2种以上的复合添加。单独添加时含量不低于8*(C+N)，复合添加时含量不低于10*(C+N)。
[0018]Al：可以提高铁素体不锈钢的钢质纯净度，提高加工和成形性，但太高含量的Al会形成不良夹杂物，引起性能的不稳定，因此本专利技术选择0.005～0.05％的范围。
[0019]Cu：少量的铜能提高强度和韧性，改善冷加工成形性。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过1.5％塑性显著降低，因此本专利技术选择0.05～1.5％。
[0020]Ag：银具有较高的腐蚀电位，可以提高铁素体不锈钢的耐蚀性，在不影响加工性的条件下，少量的Ag以单质形态在表面钝化层存在，因为具有较高的腐蚀电位，不会对钝化膜的耐蚀性产生负面影响。同时，银还可以起到导电触点作用，显著降低接触电阻。考虑到Ag添加会带来成本提高，其添加量控制在0.001～0.30％。
[0021]Ni：适量的镍含量降低铸坯的韧脆转变温度，在铸坯的修磨运送过程中，不易发生开裂等问题。考虑到镍带来的成本提升，本专利的镍含量上限为2.0％。
[0022]稀土元素如Ce等加入到不锈钢中，可以微量固溶在基体中，净化晶界，变质夹杂物，均匀组织，减少析出物的析出及在晶界的偏聚，从而改善钢的耐腐蚀性和力学性能。稀土元素的氧化物可以增加基体金属与钝化膜之间的附着力，降低钝化膜厚度作用显著。稀土氧化物对基体金属也有钉轧作用，有利于提高零部件加工成材率。
[0023]作为优选，X选自Nb、Ti、V，满足0.05≤0.50*Nb+Ti+V≤1.0，且10≤(0.50*Nb+Ti+V)/(C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池双极板用不锈钢，其特征在于：该不锈钢的质量百分比组成为C≤0.015％，Si：0.01～0.5％，Mn：0.02～0.5％，P<0.04％，S<0.01％，Cr：26～36％，Ni≤2.0％，Cu：0.05～1.5％，N<0.015％，Mo：0.01～4.0％，Al：0.005～0.05％，RE：0.001～0.30％，Ag：0.001～0.30％以及X，X选自Nb、Ti、V中的至少一种，其中，Nb：0.01～0.5％，Ti：0.01～0.5％，V：0.01～0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板用不锈钢，其特征在于：X选自Nb、Ti、V，满足0.05≤0.50*Nb+Ti+V≤1.0，且10≤(0.50*Nb+Ti+V)/(C+N)≤20。3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板用不锈钢，其特征在于：RE选自Ce，Ce的添加量满足：0.01％≤5*Ce≤(2*Si+Mn)≤1.0％。4.根据权利要求1所述的燃料电池双极板用不锈钢，其特征在于：该不锈钢的基材组织为铁素体，基材的表面形成有一层致密的钝化膜，该钝化膜是以Cr2O3为基体，基体上含有单质Ag、稀土和氧化物。5.根据权利要求4所述的燃料电池双极板用不锈钢，其特征在于：所述钝化膜的厚度控制在10nm以下，所述Ag呈散点式分布在Cr2O3基体上，单质Ag尺寸在10nm至30μm之间。6.根据权利要求4所述的燃料电池双极板用不锈钢，其特征在于：所述氧化物包括Si氧化物和Mn氧化物，氧化物的总质量含量控制1％以下。7.根据权利要求1至...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕洪运，张志霞，戴科栋，余海峰，徐锋，黄俊霞，常锷，
申请(专利权)人：宁波宝新不锈钢有限公司，
类型：发明
国别省市：