CN101139676A - 一种质子交换膜燃料电池流场板耐蚀合金材料 - Google Patents

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王涛
张伟
刘向
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Abstract

本发明涉及一种无需任何表面处理，具有极高的化学和物理相容性的一种质子交换膜燃料电池流场板耐蚀合金材料，其特征在于，镍—铬为主要成份，占合金总重量的50w.t.％以上，此外，该材料根据需要可分别添加钼、铜、铝、钛、硅、磷、锰、铌、钕和铈等成分。经在850～1000℃下进行退火工艺处理后，可以获得最稳定的材料特性和最佳的硬度以及结晶细致程度，使材料具有较佳的深冲压特性而不影响材料本身的耐腐蚀性能，也可用做PEM燃料电池中的集流导电端板，替代镀金的金属集流板。

Description

一种质子交换膜燃料电池流场板耐蚀合金材料
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种可以用来制作质子交换膜燃料电池流场板的耐蚀合金材料。
背景技术
燃料电池是一种能够将蕴藏在氢燃料及氧化剂中的化学物质能直接转化为电能及反应产物的发电装置，由于具有较低的操作温度、启动快、稳定、寿命长、适用多种燃料等优点，目前膜燃料电池已成为国内外都在极力发展的一种产业，将其用于航空航天飞行器动力/电源、替代舰船车发动机、分散式电站以及便携式电子设备等。
流场板是PEM燃料电池的关键部件之一，在电池中起到导电、隔离和输送反应剂的重要作用。目前，需要解决的流场板首要技术就是选材问题。因为燃料电池通常采用全氟磺酸性固体聚合物为电解质，铂/炭、铂/钌为催化剂，氢或净化重整气等为燃料，空气或纯氧等为氧化剂，带有反应剂流动通道的流场板。但是，这种流场板占电池堆总重量的70％，成本的60％以上，制造成本昂贵，严重影响燃料电池重量和功率特性。
所以选择适当的材料不但可以降低电池堆的重量和提高其比功率特性，而且可以大幅降低电池堆的制作成本。针对流场板技术的研究正在世界各国广泛进行，研究方向主要为石墨材料和金属基材料。石墨材料研究以在纯石墨和石墨-高分子粘结剂材料为主，研究内容包括原材料优选、流道加工成型、极板导电和透气性能改善等方面。但由于石墨材料本身的多孔透气和机械强度差、不易加工和装配等特性，致使采用石墨流场板的燃料电池堆具有成本高、能量密度低、可靠性差、低温环境启动响应慢等不足，难以适应一些苛刻条件的应用要求。PEM燃料电池流场板技术发展的另一个重要方向是研制开发高性能、低成本金属基材料流场板。与石墨材料相比，金属基材料流场板具有良好的导电和导热性、致密、机械强度高等优势。如采用薄型金属板，不但可以大幅降低PEM燃料电池的重量和体积，而且可以采用冲压或滚压等流场快速成型的方法，具有易加工、可批量生产等技术优势，能大幅度提高电池堆的比功率和降低成本。但是，由于PEM燃料电池内部是一个潮湿、有强氧化剂和强还原剂同时存在的特殊环境，所以金属流场板在实际应用前还必须解决其腐蚀等关键问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种高导电性、低成本的质子交换膜燃料电池流场板耐蚀合金材料。其优点是镍-铬为主要成分，占合金总重量的50w.t.％以上，其耐蚀合金组份如表1组成。
表1本发明耐蚀合金组份
    Ni   Cr     Fe   Mo   Cu   Al   Ti   其它
  成份/w.t.％     35～50   15～25     ＞20   2～4   2～3.5   ＜0.5   0.5～2.5   ＜0.5
此外，视具体情况，还可根据需要添加硅、碳、磷、锰和铌、钕、铈等成份，添加量一般不超过合金总重量的0.5w.t.％。这样可直接用在质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池以及可解决上述技术存在的问题，提高燃料电池流场板的高耐蚀性、工艺上无需做任何表面处理，具有极高的化学和物理相容性。
本发明耐蚀合金材料的合成方法与普通不锈钢的冶炼方法相近，其特征在于；熔点为1200～1500℃。镍-铬为主要成分的高耐蚀性合金，在850～1000℃下进行退火工艺处理。
采用本发明合金所制得的高导电性、低成本的金属材料有益效果是，上述含量的镍可以有效抑制氯离子应力腐蚀；镍与钼和铜共同作用，还提高材料在强还原性环境的耐腐蚀性能，特别是提高材料在含硫酸和磷酸的耐蚀性能；上述含量的铬可以有效提高材料在含硝酸、硝酸盐等强氧化性环境的耐蚀性能；钼可以有效抑制点腐蚀和线腐蚀；钛以及适当的热处理可以起到稳定合金成份和抑制晶间腐蚀的作用，制造成本底，功率特性高，电池重量轻。具有优异抗氧化性和抗还原性。
附图说明
图1是不同流场板材料极化性能比较
图2是耐蚀合金和POCO石墨在含CF-1＝0.0002％H2SO4溶液中、氧气氛下的极化曲线
图3是耐蚀合金和POCO石墨在含CF-1＝0.0002％H2SO4溶液中、氢气氛下的极化曲线
具体实施方式
实施例1
耐蚀合金组份由35～50w.t.％Ni、15～25w.t.％Cr、＞20w.t.％Fe、2～4w.t.％Mo、2～3.5w.t.％Cu、＜0.5w.t.％Al和0.5～2.5w.t.％Ti组成。必要时添加不超过合金总重量的0.5w.t.％硅、碳、磷、锰和铌、钕、铈等成份。在970～990℃进行退火处理，合成步骤采用普通不锈钢的冶炼方法，可以获得最稳定的材料特性和最佳的硬度以及结晶细致程度，使材料具有较佳的深冲压特性而不影响材料本身的耐腐蚀性能。铝和镍在氧气气氛下的极化电流分别为55.9μA/cm2和38.8μA/cm2，而SS316L、SS1Cr18Ni9Ti和钛则表现出一个适中的极化电流，分别为15.8、16.2和12.1μA/cm2。本发明和POCO石墨的极化电流相当，且最低，分别为8.6和9.2μA/cm2。本发明在氢气气氛(0.2V vs.NHE)的极化电流密度约为2.3μA/cm2，氧气气氛(0.9V vs.NHE)的极化电流密度约为8.6μA/cm2，即使在同样条件、同样电位下保持10h后所测的极化电流密度变化也不大，氢气和氧气氛下分别为2.5μA/cm2和9.5μA/cm2。
比较例2
将本发明和金属铝、镍、SS316L、SS1Cr18Ni9Ti、钛、美国POCO石墨在pH＝3，80℃，含有CF -1＝0.0002％的H2SO4溶液中，氢气和氧气气氛下所测的极化电流进行比较所得如下图1，耐蚀性能比较分别列于表2和表3。
表2氢气氛围极化电流比较
  本发明   Al   Ni   SS316L   1Cr18Ni9Ti   Ti   石墨
  氢气氛围极化电流/μA/cm2 2.3 20.6 18.7 7.8 8.1 6.9 2
  与本发明耐蚀性能比较/％ 100 896 813 339 352 300 87
  耐蚀性提高/％ - 796 713 239 252 200 -13
表3氧气氛围极化电流比较
  本发明   Al   Ni   SS316L   1Cr18Ni9Ti   Ti   石墨
  氧气氛围极化电流/μA/cm2 8.6 55.9 38.8 15.8 16.2 12.1 9.2
  与本发明耐蚀性能比较/％ 100 650 451 184 188 141 107
  耐蚀性提高/％ - 550 351 84 88 41 7
比较例3
将本发明和POCO石墨在氧气氛和氢气氛下，80℃，pH＝3，含有CF -1＝0.0002％的H2SO4溶液中比较所得典型极化曲线如下图2或图3。本发明合金材料和POCO石墨在扫描的电位范围内(＜1.0V vs.NHE)测试，在氧气和氢气氛围下分别经历了阴极极化和阳极极化历程，因材料的差异，两者极化性能也有所不同。从图2和图3中可以得出，本发明和POCO石墨材料极化电流均小于10μA/cm2，因而都具有较好的耐蚀性能。图2中，在氧气气氛、较高阳极电位(＞0.9Vvs.NHE)下，本发明的极化电流密度较小值，具有更好的耐蚀性能。图3中，在氢气氛围、0～1.0V vs.NHE阳极电位下，本发明的极化电流明显低于POCO石墨的极化电流，因而表现出更优异的耐蚀性能。
比较例4
燃料电池氧气电极和氢气电极的工作电位区间分别为0.7～1.0V和0～0.2V。从图2中可得出，在氧气氛围和电极电位0.7～1.0V的条件下，本发明合金极化电流变化区间为6.24～10.0μA/cm2，而POCO石墨极化电流变化区间则为3.54～27.0μA/cm2。从图3中可得出，在氢气氛围和电极电位0～0.2V的条件下，本发明合金极化电流变化区间为0.1～0.35μA/cm2，而POCO石墨极化电流变化区间则为0.1～2.1μA/cm2。表明本发明比POCO石墨具有更好的耐蚀性能，因而更适合用作燃料电池流场板材料。
鉴于在具有良好的耐蚀性能，本发明还可用做PEM燃料电池中的集流导电端板，替代镀金的金属集流板使用。

Claims (4)

1.一种质子交换膜燃料电池流场板耐蚀合金材料，其特征在于，镍一铬为主要成份，占合金总重量的50w.t.％以上，其耐蚀合金组份由：
Ni：    35～50w.t.％
Cr：    15～25w.t.％
Fe：    ＞20w.t.％
Mo：    2～4w.t.％
Cu：    2～3.5w.t.％
Al：    ＜0.5w.t.％
Ti：    0.5～2.5w.t.％组成。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池流场板耐蚀合金材料，其特征在于，添加硅、碳、磷、锰和铌、钕、铈元素不超过合金总重量的0.5w.t.％。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池流场板耐蚀合金材料，其特征在于，镍-铬在850～1000℃下进行退火工艺处理熔点为1200～1500℃。
4.根据权利要求1或2所述的一种质子交换膜燃料电池流场板耐蚀合金材料，其特征在于，铌、钕、铈等成份，在970～990℃进行退火工艺处理，熔点为1200～1500℃。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108441703A (zh) * 2018-03-14 2018-08-24 太原钢铁(集团)有限公司 一种耐碱腐蚀镍基合金
CN109790610A (zh) * 2016-10-05 2019-05-21 新日铁住金株式会社 NiCrFe合金
CN113088783A (zh) * 2021-03-15 2021-07-09 南昌大学 一种应用于含氧高温氯腐蚀环境的AlFeNiMoNb改性904L合金的制备方法

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