專利名稱:不銹鋼合金和雙極板的制作方法
發明背景本發明涉及不銹鋼合金。尤其，本發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，本發明還涉及由這種合金制備的雙極板。
電化學催化反應電池，如燃料電池，可以采用質子交換膜。該質子交換膜可以在腐蝕性很強的環境下工作。此外，在鐵污染物存在時該質子交換膜會劣化。這種劣化會在燃料電池內產生腐蝕性和酸性更強的環境。
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的可成形性或可焊接性。
為此，在本領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，在本領域也仍需要由這種合金制備的雙極板。
發明概述根據本發明，提供了一種改進的雙極板不銹鋼合金。根據本發明的一個實施方式，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％。
根據本發明的另一個實施方式，鉻加鉬的重量百分數比是鎳重量百分數的大于大約1.66倍。在本發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合下述附圖進行閱讀時，可以最好地理解下述對本發明優選實施方式的詳細描述，其中相同的結構用相同的參考數字表示，且其中圖1是一部分包含電化學催化反應電池的設備的簡圖。
圖2是具有本發明所述的燃料工藝系統以及電化學催化反應電池的設備的示意圖。
圖3是具有本發明所述的燃料工藝系統以及電化學催化反應電池的車輛的示意圖。
優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電池的設備10。設備10包括多個膜電極組合11，且每個膜電極組合11包括質子交換膜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，將第一反應物送入陽極13以及第二反應物送入陰極14。在陽極13和陰極14分別進行催化反應，從而產生質子和電子。通常，質子遷移穿過質子交換膜12，并且電子包括可用于供給負荷動力的電流。例如，第一反應物可以是氫氣以及第二反應物可以是氧氣。在本發明中預想了能利用氫氣產生電流的任何燃料電池結構。
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物導入所需位置的流道。在本發明中可以采用任何適合的雙極板設計。
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通常是鎳重量百分數的大于約1.66倍。
下述表格顯示了本發明的合金組成(參見目標值wt.％)以及各種常規不銹鋼合金組成(參考其普通商品名稱或商標)的比較。應該注意的是，在下述表格中顯示的合金組成僅作為例子而提出，不應該作為本發明所述合金范圍的定義或限制。在這點上本發明的范圍應當參考后附的權利要求
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一般調配本發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，可以調配本發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生腐蝕的臨界電流。在另一個實施例中，可以調配本發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。可調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明，“可焊接性”應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焊接金屬固化裂紋的材料。本發明合金通常具有可成形性。為了定義和描述本發明，“可成形性”應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度方向其應變硬化指數為約0.35，約190000psi的強度系數，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定元素如鉻、鉬、鈮、鈦、硅等等來計算。例如，鉻當量可以根據下述公式計算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定元素如鎳、錳、銅、碳、氮等等來計算。例如，鎳當量可以根據下述公式計算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。為了定義和描述本發明，“不可避免的雜質”應理解為是指已知在制備不銹鋼合金過程中會產生的那些雜質。
參考圖2，圖示了包括燃料處理系統21以及電化學催化反應電池10的例示性設備。燃料處理系統21為電化學催化反應電池10提供了氫源48。例如，燃料處理系統21可以處理烴燃料流22以制備氫氣48。該燃料處理系統21可以是任何合適的燃料處理系統。例如，該燃料處理系統21可以具有自動熱能發生器、水氣轉換反應器以及最后階段的洗滌器。來自燃料處理系統21的氫氣48和來自氧化劑流36的氧氣在電化學催化反應電池10內反應，為供給負荷38動力而產生電力。
參考圖3，本發明的設備可進一步包括車體70和電化學催化反應電池10。可以設計該化學催化反應電池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21以便為電化學催化反應電池10提供氫氣。本領域技術人員可以理解電化學催化反應電池10和燃料處理系統21是示意性示出的，它們可以任何恰當的方式采用或放置于車體70中。
除非另有說明，說明書和權利要求
書中所用的所有表示組分、性能如抗拉強度等的量的數字應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利要求
中所提出的數值性能是近似的，其可根據在本發明實施方式中所尋求的所需的性能而變化。
在不脫離本發明的范圍內，可以進行多種變化對于本領域技術人員是顯而易見的，它不能認為是對本發明所描述內容的一種限制。
權利要求
1.一種設計用于由第一和第二反應物產生電流的設備，其中，該設備包括電化學催化反應電池；所述電化學催化反應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.權利要求
1所述的設備，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.權利要求
1所述的設備，其中鉻加鉬的重量百分數為鎳重量百分數的大于約1.66倍。
4.權利要求
1所述的設備，其中鉻當量和鎳當量的比值大于約1.66。
5.權利要求
1所述的設備，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.權利要求
1所述的設備，其中所述的不銹鋼合金具有可成形性。
7.權利要求
1所述的設備，其中所述的不銹鋼合金具有可焊接性。
8.權利要求
1所述的設備，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.權利要求
1所述的設備，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。
10.權利要求
1所述的設備，其中所述的第一反應物包含氫氣，且其中所述的第二反應物包含氧氣。
11.權利要求
1所述的設備，其中該設備進一步包括燃料處理系統以提供氫氣至所述的電化學催化反應電池。
12.權利要求
1所述的設備，其中該設備進一步包括車體，其中所述的電化學催化反應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電提供所述第一反應物的燃料處理系統，其中所述第一反應物包含氫氣。
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。
14.一種設計用于由第一和第二反應物產生電流的設備，其中，該設備包括電化學催化反應電池；所述電化學催化反應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；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。
專利摘要
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
發明者M·K·布丁斯基, K·E·紐曼, G·W·弗利 申請人:通用汽車公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan