一种燃料电池双极板用铁素体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铁素体不锈钢，其特征在于：该不锈钢的质量百分比组成为C≤0.015％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.15～0.40％，Cr：27～33％，Ni≤0.6％，Mo：0.5～3.0％，N<0.025％，P<0.04％，S<0.01％，Nb：0.15～0.5％，Ti：0.05～0.2％，Al：0.001～0.03％，Cu：0.1～1.0％，V：0.01～0.10％，W：0.005～2.0％，Sn：0.001～0.15％，余量为Fe和不可避免杂质。通过在铁素体不锈钢中添加Sn、W，改善不锈钢表面钝化膜的导电性，控制钝化膜的厚度，降低表面接触电阻，提高氢燃料电池的功率和使用效率，最终实现该不锈钢的电流密度≤1.0μA/cm2，接触电阻≤15mΩ。接触电阻≤15mΩ。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池双极板用铁素体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]能源是国家生存和发展的基础，在国民经济中占有重要的战略地位。发展新能源， 是解决能源危机的一个重要手段。氢气是未来清洁能源，氢能的应用场景很广。氢燃料 电池是一种主要通过空气或其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转换成电 能的发电装置。最常见的燃料为氢气，其他燃料来源来自于任何的能分解出氢气的碳氢 化合物，例如天然气、醇、和甲烷等。氢燃料电池用在交通运输领域，是目前最主要的 应用场景。氢燃料电池优点在于透过稳定供应氧和燃料来源，即可持续不间断的提供稳 定电力，氢燃料电池动力强劲、续航能力强，而且没有污染。氢燃料电池汽车的全生命 周期排放，即包含汽车制造、电池制造、燃料(汽油、氢)或能源(发电)制备、汽车 行驶全部环节的排放，不仅低于燃油车，也比纯电车更低。
[0003]氢燃料电池电堆又是动力系统中的核心。电堆由多个部分组成。其中双极板，是电 堆核心部件之一，主要起到起输送和分配燃料、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无孔石墨板，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，以及强度高、阻气性好等优势，可以为 汽车应用提供良好的动力密度、低温(
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40℃)启动保障，适合大批量低成本生产。
[0004]目前，欧美和日本已经应用了不锈钢或钛板等金属双极板来生产氢燃料电池。然而， 双极板的成本比较高，钛板比较昂贵，奥氏体不锈钢双极板需要在不锈钢表面制备导电 防腐层，工艺复杂且成本高。为了降低氢燃料电池双极板的成本，本专利通过调整铁素 体不锈钢的化学组成获得具有高耐蚀性、高导电率的超级铁素体不锈钢，用以取代涂层 类奥氏体不锈钢和钛材等价格昂贵的材料来制作氢燃料电池双极板。

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：一种燃料电池双极板用铁素体不 锈钢，其特征在于：该不锈钢的质量百分比组成为C≤0.015％，Si：0.15～0.40％，Mn： 0.15～0.40％，Cr：27～33％，Ni≤0.6％，Mo：0.5～3.0％，N<0.025％，P<0.04％，S<0.01％， Nb：0.15～0.5％，Ti：0.05～0.2％，Al：0.001～0.03％，Cu：0.1～1.0％，V：0.01～0.10％， W：0.005～2.0％，Sn：0.001～0.15％，余量为Fe和不可避免杂质。
[0007]C：碳在钢中存在杂质元素，固溶在不锈钢中可以降低钢的塑性，同时降低耐蚀性， 但考虑到精炼成本，碳不能完全去除，本专利技术控制C≤0.015％。
[0008]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
0.025％ 以下。
[0009]Si：硅在铁素体不锈钢中可以起到脱氧的作用，同时作为合金化元素，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0.15～0.4％。
[0010]Mn：锰具有固定硫的作用，具有改善热加工性的效果。锰含量过高会有损于耐蚀 性，本专利技术中锰含量在0.15～0.4％。
[0011]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。
[0012]Cr：铬是不锈钢中最重要的合金元素，铬含量越高越显示出优异的抗蚀性。铬形成 Cr2O3致密的氧化膜，提高钢的耐蚀性。在铁素体系不锈钢中，Cr含量超过35％时，规 模量产难度高。本专利技术中铬含量在27～33％。
[0013]Mo：钼的加入，用以提高耐腐蚀性能，钼含量太高时，容易产生脆化，使生产困 难。本专利技术选择钼含量在0.5～3.0％，该含量的钼使得不锈钢的耐腐蚀性能和加工性能比 较好。
[0014]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。 本专利技术中铌含量控制在0.15～0.5％，本专利技术中钛含量控制在0.05～0.2％。
[0015]Al：铝作为脱氧元素可以提高铁素体不锈钢的钢质纯净度，提高加工性和成形性， 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0.001～0.03％。
[0016]Cu：少量的铜能提高强度和韧性，缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过 0.5％塑性显著降低，当铜含量小于0.5％对焊接性无影响，因此本专利技术选择0.1～0.5％以 下。
[0017]V：钒可以提高铁素体不锈钢的强度和硬度。少量钒的作用是改善夹杂物的形态， 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0.01～0.10％。
[0018]Sn：锡在不锈钢表面钝化膜中，以金属锡或氧化锡的形式富集，可以提高钝化膜 的再钝化能力。当外层钝化膜遭到破坏，锡离子从内层偏移到表面并与周围的结合水形 成氧化合物，阻止金属的溶解和破坏。同时，Sn氧化物还有助于生成致密的超薄钝化 膜，可降低不锈钢的表面接触电阻。在不影响加工性的条件下，锡的范围控制在0.001～0.15％。
[0019]W：钨在铁素体不锈钢中，形成的含钨析出物具有导电性能，形成于表面上的含钨 析出相存在于表面，分散在钝化膜中，可以提高不锈钢的表面导电性能，对于降低表面 的接触电阻有利。本专利中钨含量控制在0.005～2.0％之间。
[0020]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。镍价格昂贵，镍含量上限为0.6％。
[0021]作为优选，Nb、Ti的添加量满足：10≤(Nb+Ti)/(C+N)≤16。Nb和Ti的加入，可以 稳定碳和氮元素，通过碳氮化物的弥散析出提高不锈钢组织均匀性、成形性和焊接性。 在不锈钢的高温冷却过程中，随冷速的不同，常见的化合物有NbN，NbC或其复合型 析出物，他们与碳氮之间应满足10≤(Nb+Ti)/(C+N)≤16的关系，碳、氮尽可能与Nb、 Ti结合形成碳、氮化物，降低C与Cr结合形成Cr
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C6型析出倾向，从而避免因为在晶 界析出Cr
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C6型化合物导致晶界贫铬带来的耐蚀性下降。以保证这些合金元素的加入使 钢具有良好耐腐蚀性的同时具有高的加工性。
[0022]作为优选，Cr、Mo、Sn、W的添加量满足：Cr+Mo＝20～40(Sn+W)。Cr和Mo元 素可以形
温60～100min后开始轧制，始轧温度大于1130℃，终轧温度控制在980℃以上，轧后水 冷；
[0041]3)均匀化退火：对热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池双极板用铁素体不锈钢，其特征在于：该不锈钢的质量百分比组成为C≤0.015％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.15～0.40％，Cr：27～33％，Ni≤0.6％，Mo：0.5～3.0％，N<0.025％，P<0.04％，S<0.01％，Nb：0.15～0.5％，Ti：0.05～0.2％，Al：0.001～0.03％，Cu：0.1～1.0％，V：0.01～0.10％，W：0.005～2.0％，Sn：0.001～0.15％，余量为Fe和不可避免杂质。2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板用铁素体不锈钢，其特征在于：Nb、Ti的添加量满足：10≤(Nb+Ti)/(C+N)≤16。3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板用铁素体不锈钢，其特征在于：Cr、Mo、Sn、W的添加量满足：Cr+Mo＝20～40(Sn+W)。4.根据权利要求1所述的燃料电池双极板用铁素体不锈钢，其特征在于：还添加有RE：0.001～0.1％。5.根据权利要求1所述的燃料电池双极板用铁素体不锈钢，其特征在于：该不锈钢的基材为铁素体，铁素体的表面形成有一层致密的钝化膜，该钝化膜以Cr2O3为基体，基体上分布有含钨析出相、Sn以及氧化锡。6.根据权利要求5所述的燃料电池双极板用铁素体不锈钢，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志霞，毕洪运，戴科栋，徐锋，黄俊霞，洪流，任晟，李实，
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：