專利名稱：不銹鋼合金和雙極板的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及不銹鋼合金。尤其，本發(fā)明涉及具有良好抗腐蝕性、低接觸電阻、良好成形性以及良好可焊接性的不銹鋼合金。此外，本發(fā)明還涉及由這種合金制備的雙極板。
電化學催化反應(yīng)電池，如燃料電池，可以采用質(zhì)子交換膜。該質(zhì)子交換膜可以在腐蝕性很強的環(huán)境下工作。此外，在鐵污染物存在時該質(zhì)子交換膜會劣化。這種劣化會在燃料電池內(nèi)產(chǎn)生腐蝕性和酸性更強的環(huán)境。
在燃料電池堆中，雙極板通常分離和連接燃料電池，且該雙極板可由不銹鋼制備。然而，許多不銹鋼合金在燃料電池的環(huán)境下不具有足夠的抗腐蝕性能。此外，許多不銹鋼合金不具有適當?shù)目沙尚涡曰蚩珊附有浴?br> 為此，在本領(lǐng)域仍需要具有抗腐蝕性、可成形性和可焊接性的不銹鋼合金。此外，在本領(lǐng)域也仍需要由這種合金制備的雙極板。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，提供了一種改進的雙極板不銹鋼合金。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，該不銹鋼合金包括以重量百分比計約20％至約30％的鉻、約10％至約25％的鎳約1％至約9％的鉬，以及最高約4％的銅，其中鉻加鎳加鉬的重量百分比大于約51％。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，鉻加鉬的重量百分數(shù)比是鎳重量百分數(shù)的大于大約1.66倍。在本發(fā)明的又一實施方式中，鉻當量與鎳當量的比率大于約1.66。
附圖中若干視圖簡述在結(jié)合下述附圖進行閱讀時，可以最好地理解下述對本發(fā)明優(yōu)選實施方式的詳細描述，其中相同的結(jié)構(gòu)用相同的參考數(shù)字表示，且其中

圖1是一部分包含電化學催化反應(yīng)電池的設(shè)備的簡圖。
圖2是具有本發(fā)明所述的燃料工藝系統(tǒng)以及電化學催化反應(yīng)電池的設(shè)備的示意圖。
圖3是具有本發(fā)明所述的燃料工藝系統(tǒng)以及電化學催化反應(yīng)電池的車輛的示意圖。
優(yōu)選實施方式詳述參照圖1，圖示了一部分包含電化學催化反應(yīng)電池的設(shè)備10。設(shè)備10包括多個膜電極組合11，且每個膜電極組合11包括質(zhì)子交換膜12、陽極13、以及陰極14。雙極板16將膜電極組合11相互分離。通常，將第一反應(yīng)物送入陽極13以及第二反應(yīng)物送入陰極14。在陽極13和陰極14分別進行催化反應(yīng)，從而產(chǎn)生質(zhì)子和電子。通常，質(zhì)子遷移穿過質(zhì)子交換膜12，并且電子包括可用于供給負荷動力的電流。例如，第一反應(yīng)物可以是氫氣以及第二反應(yīng)物可以是氧氣。在本發(fā)明中預(yù)想了能利用氫氣產(chǎn)生電流的任何燃料電池結(jié)構(gòu)。
雙極板16通常將一個膜電極組合11的陽極13與相鄰膜電極組合11的陰極14分離。該雙極板16可用作電化學催化反應(yīng)電池10中的集流器，以及該雙極板16可具有將第一和第二反應(yīng)物導入所需位置的流道。在本發(fā)明中可以采用任何適合的雙極板設(shè)計。
該雙極板16包括不銹鋼合金。該不銹鋼合金以重量百分比計包括約20％至約30％的鉻，約10％至約25％的鎳，約3％至約9％的鉬，以及0至約4％的銅。此外，鉻加鎳加鉬的重量百分比大于約51％。鉻加鉬的重量百分數(shù)通常是鎳重量百分數(shù)的大于約1.66倍。
下述表格顯示了本發(fā)明的合金組成(參見目標值wt.％)以及各種常規(guī)不銹鋼合金組成(參考其普通商品名稱或商標)的比較。應(yīng)該注意的是，在下述表格中顯示的合金組成僅作為例子而提出，不應(yīng)該作為本發(fā)明所述合金范圍的定義或限制。在這點上本發(fā)明的范圍應(yīng)當參考后附的權(quán)利要求。
一般調(diào)配本發(fā)明的不銹鋼合金使得該合金對含稀硫酸和稀氫氟酸的溶液具有良好抗腐蝕性。例如，可以調(diào)配本發(fā)明的不銹鋼合金使其抵抗pH值為3，含12.5ppmH2SO4和1.8ppmHF以及溫度為80℃和-0.4VAg/Agcl時icorr小于10-6A/cm2的溶液的腐蝕。可以理解的是，icorr是指在一給定條件下將會發(fā)生腐蝕的臨界電流。在另一個實施例中，可以調(diào)配本發(fā)明的不銹鋼合金使其抵抗pH值為3，含12.5ppm H2SO4和1.8ppm HF以及溫度為80℃和0.6VAg/Agcl時icorr小于10-6A/cm2的溶液的腐蝕?？烧{(diào)配該合金以提供具有約10年的零件壽命并且在80℃時壽命為6000小時的雙極板16。
該合金通常具有可焊接性。為了定義和描述本發(fā)明，“可焊接性”應(yīng)該理解為是指在例如通過激光焊、凸焊等進行焊接時不太可能出現(xiàn)焊接金屬固化裂紋的材料。本發(fā)明合金通常具有可成形性。為了定義和描述本發(fā)明，“可成形性”應(yīng)理解為是指不銹鋼合金具有通過例如沖壓機將0.1mm沖壓至約0.15mm的板形成異型板的能力。例如，合適的合金可以具有最大屈服強度接近約40000psi，最大抗拉強度接近約90000psi，對于2英寸長的制品約55％的最小延伸百分率，在0/45/90度方向其應(yīng)變硬化指數(shù)為約0.35，約190000psi的強度系數(shù)，以及最小平面各向異性為0.95且其Δr為最高約負0.3。
該合金中一般包含的硫加磷的量不超過約0.02wt％。例如，合金可包含不大于約0.001％的硫和不大于約0.019％的磷。低磷和硫含量可提高合金的可焊接性。該合金一般具有的鉻當量和鎳當量的比值大于約1.66。合金中鉻當量可以采用鐵素體穩(wěn)定元素如鉻、鉬、鈮、鈦、硅等等來計算。例如，鉻當量可以根據(jù)下述公式計算Cr當量＝％Cr+(1.37*％Mo)+(1.5*％Si)+(2*％Nb)+(3*％Ti)合金中的鎳當量可以采用奧氏體穩(wěn)定元素如鎳、錳、銅、碳、氮等等來計算。例如，鎳當量可以根據(jù)下述公式計算Ni當量＝％Ni+(0.31*％Mn)+(22*％C)+(14.2*％N)+％Cu鉻當量與鎳當量的比值大于約1.66將提高合金的可焊接性，這是令人期望的。
本發(fā)明的不銹鋼合金進一步包括以重量百分比計約1.0％至約1.5％的硅；約1.0％至約2.0％的鈮；不超過約0.02％的碳；不超過約0.05％的鈦；不超過約0.001％的氮；不超過約2.00％的錳。合金的余量可以包括鐵以及不可避免的雜質(zhì)。為了定義和描述本發(fā)明，“不可避免的雜質(zhì)”應(yīng)理解為是指已知在制備不銹鋼合金過程中會產(chǎn)生的那些雜質(zhì)。
參考圖2，圖示了包括燃料處理系統(tǒng)21以及電化學催化反應(yīng)電池10的例示性設(shè)備。燃料處理系統(tǒng)21為電化學催化反應(yīng)電池10提供了氫源48。例如，燃料處理系統(tǒng)21可以處理烴燃料流22以制備氫氣48。該燃料處理系統(tǒng)21可以是任何合適的燃料處理系統(tǒng)。例如，該燃料處理系統(tǒng)21可以具有自動熱能發(fā)生器、水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器以及最后階段的洗滌器。來自燃料處理系統(tǒng)21的氫氣48和來自氧化劑流36的氧氣在電化學催化反應(yīng)電池10內(nèi)反應(yīng)，為供給負荷38動力而產(chǎn)生電力。
參考圖3，本發(fā)明的設(shè)備可進一步包括車體70和電化學催化反應(yīng)電池10。可以設(shè)計該化學催化反應(yīng)電池10以便至少部分地給該車體70提供動力。車體100也可有燃料處理系統(tǒng)21以便為電化學催化反應(yīng)電池10提供氫氣。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解電化學催化反應(yīng)電池10和燃料處理系統(tǒng)21是示意性示出的，它們可以任何恰當?shù)姆绞讲捎没蚍胖糜谲圀w70中。
除非另有說明，說明書和權(quán)利要求書中所用的所有表示組分、性能如抗拉強度等的量的數(shù)字應(yīng)理解為在一切情況下由詞語“約”進行修飾。因此，除非另有說明，在前面說明書和下述權(quán)利要求中所提出的數(shù)值性能是近似的，其可根據(jù)在本發(fā)明實施方式中所尋求的所需的性能而變化。
在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以進行多種變化對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，它不能認為是對本發(fā)明所描述內(nèi)容的一種限制。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)計用于由第一和第二反應(yīng)物產(chǎn)生電流的設(shè)備，其中，該設(shè)備包括電化學催化反應(yīng)電池；所述電化學催化反應(yīng)電池包括至少一個雙極板；該雙極板包括不銹鋼合金；所述不銹鋼合金包含以重量百分比計約20％至約30％的鉻、約10％至約25％的鎳，約1％至約9％的鉬，以及最多約4％的銅；所述鉻加鎳加鉬的重量百分比大于約51％。
2.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述的不銹鋼合金進一步包含硫加磷的量不大于約0.02wt％。
3.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中鉻加鉬的重量百分數(shù)為鎳重量百分數(shù)的大于約1.66倍。
4.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中鉻當量和鎳當量的比值大于約1.66。
5.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述的不銹鋼合金對含稀硫酸和稀氫氟酸的溶液具有抗腐蝕性。
6.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述的不銹鋼合金具有可成形性。
7.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述的不銹鋼合金具有可焊接性。
8.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述的不銹鋼合金具有對含稀硫酸和稀氫氟酸的溶液的抗腐蝕性、板材可成形性和可焊接性。
9.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述的不銹鋼合金進一步包含以重量百分比計約1.0％至約1.5％的硅；約1.0％至約2.0％的鈮；不超過約0.02％的碳；不超過約0.001％的硫；不超過約0.019％的磷；不超過約0.05％的鈦；不超過約0.001％的氮；不超過約2.00％的錳；余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
10.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述的第一反應(yīng)物包含氫氣，且其中所述的第二反應(yīng)物包含氧氣。
11.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中該設(shè)備進一步包括燃料處理系統(tǒng)以提供氫氣至所述的電化學催化反應(yīng)電池。
12.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中該設(shè)備進一步包括車體，其中所述的電化學催化反應(yīng)電池至少部分地給該車體提供動力；以及為該電化學催化反應(yīng)電提供所述第一反應(yīng)物的燃料處理系統(tǒng)，其中所述第一反應(yīng)物包含氫氣。
13.一種不銹鋼合金，以重量百分比計基本上由下列組分組成約20％至約30％的鉻，約10％至約25％的鎳，約3％至約9％的鉬，其中鉻加鎳加鉬的重量百分數(shù)至少為51％，0至約4％的銅，約1.0％至約1.5％的硅；約1.0％至約2.0％的鈮；不超過約0.02％的碳；不超過約0.001％的硫；不超過約0.019％的磷；不超過約0.05％的鈦；不超過約0.001％的氮；不超過約2.00％的錳；余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
14.一種設(shè)計用于由第一和第二反應(yīng)物產(chǎn)生電流的設(shè)備，其中，該設(shè)備包括電化學催化反應(yīng)電池；所述電化學催化反應(yīng)電池包括至少一個雙極板；該雙極板包括不銹鋼合金；所述不銹鋼合金以重量百分比計基本上由下列組分組成約20％至約30％的鉻，約10％至約25％的鎳，約3％至約9％的鉬，其中鉻加鎳加鉬的重量百分數(shù)至少為51％，0至約4％的銅，約1.0％至約1.5％的硅；約1.0％至約2.0％的鈮；不超過約0.02％的碳；不超過約0.001％的硫；不超過約0.019％的磷；不超過約0.05％的鈦；不超過約0.001％的氮；不超過約2.00％的錳；余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)；在所述不銹鋼合金中鉻加鉬的重量百分比是鎳的重量百分比的大于1.66倍；在所述不銹鋼合金中鉻當量和鎳當量的比值大于約1.66；且所述不銹鋼合對含稀硫酸和稀氫氟酸的溶液具有抗腐蝕性。
全文摘要
一種改進的雙極板不銹鋼合金以重量百分比計包含約20％至約30％的鉻、約10％至約25％的鎳，約1％至約9％的鉬，以及最多約4％的銅；所述鉻加鎳加鉬的重量百分比大于約51％。不銹鋼合金中鉻加鉬的重量百分比可為鎳的重量百分比的大于大約1.66倍；另外，鉻當量和鎳當量的比值可大于約1.66。
文檔編號H01M8/02GK1993849SQ200580020920
公開日2007年7月4日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月25日
發(fā)明者M·K·布丁斯基, K·E·紐曼, G·W·弗利 申請人:通用汽車公司