CN109286022A - 一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料及制造工艺 - Google Patents

一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料及制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料及制造工艺，材料由如下质量百分比的组成成分组成：C≤0.03％；S≤0.02％；P≤0.03％；Si≤0.1％；Cr：21‑25％；Ni：10‑13％；Mn：4‑6％；Nb≤0.2％；W≤1％；N≤0.3％；Fe余量。本发明的双极板材料在熔融碳酸盐环境中具有较好耐腐蚀性能和导电性能，并能有效提高熔融碳酸盐燃料电池的使用寿命，可以广泛应用于能源、船舶、航空等领域，以及高温腐蚀环境下不锈钢耐蚀管、线、板材等。

Description

一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料及制造工艺
技术领域
本发明属于熔融碳酸盐燃料电池材料技术领域，特别涉及一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料及制造工艺。
背景技术
熔融碳酸盐燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其发电方式与传统燃煤火电技术相对，具有效率高、无污染、易维护等优点，因此被称为21世纪洁净的发电技术。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)属于高温燃料电池，工作温度650℃，相对于其他低温燃料电池，具有不使用贵金属催化剂，燃料来源广等优点，并可与蒸汽轮机设备等组成循环发电系统，使得其应用前景更被看好。
目前，应用于熔融碳酸盐燃料电池双极板的材料主要为良好的耐蚀性和低成本的316L、310S不锈钢，但在熔融碳酸盐燃料电池高温环境中，316L、310S不锈钢更容易发生腐蚀，腐蚀导致双极板机械性能下降和加速电解质的消耗，降低了电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料及制造工艺，以解决上述现有不锈钢材料制作的熔融碳酸盐燃料电池双极板所存在的技术问题；该材料具有良好的耐蚀性和导电性，能有效提高熔融碳酸盐燃料电池的使用寿命，推进熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的商业化进程。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料，由如下质量百分比的组成成分组成：
C≤0.03％；
S≤0.02％；
P≤0.03％；
Si≤0.1％；
Cr：21-25％；
Ni：10-13％；
Mn：4-6％；
0<Nb≤0.2％；
0<W≤1％；
0<N≤0.3％；
Fe余量。
进一步的，由如下质量百分比的组成成分组成：C：0.015％；
S：0.005％；
P：0.014％；
Si：0.1％；
Cr：22％；；
Ni：11％；
Mn：4％；
Nb：0.18％；
W：0.88％；
N：0.28％；
Fe余量。
一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料的制造工艺，包括以下步骤：
步骤1：冶炼
将耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料的所有组成成分进行冶炼，获得铸锭；
步骤2：铸锭开坯
将步骤1获得的铸锭采用锻造开坯；
步骤3：热轧及固溶处理
铸锭开坯后进行热轧，热轧后进行固溶处理，获得耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料。
进一步的，步骤1中采用真空感应炉冶炼，真空循环脱气炉精炼，浇注温度控制在1500-1600℃，获得铸锭。
进一步的，步骤2中铸锭开坯采用锻造开坯，加热温度为1150-1300℃，开坯始锻温度为1150-1250℃，终锻温度为950-1100℃。
进一步的，步骤3中铸锭开坯后进行热轧，热轧坯料加热温度为1150-1250℃，开闸温度为1150-1200℃，终轧温度为950-1050℃。
进一步的，热轧后进行固溶处理，固溶温度为1150℃，时间45-60min。
进一步的，固溶处理后采用水冷的冷却方式进行冷却。
进一步的，还包括以下步骤：
步骤4：冷轧和冲压
固溶后的坯料进行冷轧，根据熔融碳酸盐燃料电池双极板厚度尺寸和强度要求，选取冷轧变形量，冷轧后进行冲压获得要求尺寸和形状的熔融碳酸盐燃料电池双极板。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料由于在材料中增加了Cr、Mn含量，并添加了N元素，Cr含量的增加可以使双极板表面在熔融碳酸盐环境中形成一层LiCrO2，阻挡表层金属原子的扩散，减少富Fe氧化物的形成，减少双极板的高温氧化速度。此外，Mn元素增加，可以在双极板表面形成掺杂Mn原子的LiFeO2，掺杂Mn原子的LiFeO2可以在燃料电池长时间运行中降低电导率提高燃料电池使用寿命，N元素的添加是稳定材料的奥氏体组织，降低材料加工过程中相变的影响。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
本发明提供一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料，包括如下质量百分比的组成成分：
C≤0.03％；
S≤0.02％；
P≤0.03％；
Si≤0.1％；
Cr：21-25％；
Ni：10-13％；
Mn：4-6％；
0<Nb≤0.2％；
0<W≤1％；
0<N≤0.3％；
Fe余量。
实施例1，本发明提供一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料，包括如下质量百分比的组成成分：C：0.015％；S：0.005％；P：0.014％；Si：0.1％；Cr：22％；Ni：11％；Mn：4％；Nb：0.18％；W：0.88％；N：0.28％；Fe余量。
实施例1所制备耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料，经650℃熔融碳酸盐400小时浸泡试验失重为14.8mg/cm2(不锈钢316L失重率为286.5mg/cm2；不锈钢310S失重率为15mg/cm2)；实施例1所制备耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料，经100小时和2000小时的电化学测试，面积比电阻分别为135mΩcm2和115mΩcm2。
实施例2，本发明提供一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料，包括如下质量百分比的组成成分：C：0.03％；S：0.01％；P：0.01％；Si：0.05％；Cr：21％；Ni：10％；Mn：6％；Nb：0.2％；W：0.5％；N：0.3％；Fe余量。
实施例3，本发明提供一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料，包括如下质量百分比的组成成分：C：0.01％；S：0.02％；P：0.03％；Si：0.01％；Cr：25％；Ni：13％；Mn：5％；Nb：0.1％；W：1％；N：0.1％；Fe余量。
实施例4，本发明提供一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料，包括如下质量百分比的组成成分：C：0.005％；S：0.005％；P：0.02％；Si：0.02％；Cr：23％；Ni：12％；Mn：5％；Nb：0.05％；W：0.35％；N：0.2％；Fe余量。
上述实施例所述的耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料的制造工艺相同，均包括如下步骤：
步骤1：冶炼
采用真空感应炉冶炼，真空循环脱气炉精炼，浇注温度控制在1500-1600℃；
步骤2：铸锭开坯
铸锭开坯采用锻造开坯，加热温度为1150-1300℃，开坯始锻温度为1150-1250℃，终锻温度为950-1100℃；
步骤3：热轧及固溶处理
铸锭开坯后进行热轧，热轧坯料加热温度为1150-1250℃，开闸温度为1150-1200℃，终轧温度为950-1050℃。热轧后进行固溶处理，固溶温度为1150℃，时间45-60min；固溶处理后采用水冷的冷却方式进行冷却，获得耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料。
步骤4：冷轧和冲压
固溶后的进行冷轧，根据双极板厚度尺寸和强度要求，选取合适冷轧变形量。冷轧后进行冲压合适的尺寸和形状，获得耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板。

Claims (9)

1.一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料，其特征在于，由如下质量百分比的组成成分组成：
C≤0.03％；
S≤0.02％；
P≤0.03％；
Si≤0.1％；
Cr：21-25％；
Ni：10-13％；
Mn：4-6％；
0<Nb≤0.2％；
0<W≤1％；
0<N≤0.3％；
Fe余量。
2.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料，其特征在于，由如下质量百分比的组成成分组成：
C：0.015％；
S：0.005％；
P：0.014％；
Si：0.1％；
Cr：22％；；
Ni：11％；
Mn：4％；
Nb：0.18％；
W：0.88％；
N：0.28％；
Fe余量。
3.权利要求1至2中任一项所述的一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：冶炼
将耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料的所有组成成分进行冶炼，获得铸锭；
步骤2：铸锭开坯
将步骤1获得的铸锭采用锻造开坯；
步骤3：热轧及固溶处理
铸锭开坯后进行热轧，热轧后进行固溶处理；获得耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料。
4.权利要求3所述的一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料的制造工艺，其特征在于，步骤1中采用真空感应炉冶炼，真空循环脱气炉精炼，浇注温度控制在1500-1600℃，获得铸锭。
5.权利要求3所述的一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料的制造工艺，其特征在于，步骤2中铸锭开坯采用锻造开坯，加热温度为1150-1300℃，开坯始锻温度为1150-1250℃，终锻温度为950-1100℃。
6.权利要求3所述的一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料的制造工艺，其特征在于，步骤3中铸锭开坯后进行热轧，热轧坯料加热温度为1150-1250℃，开闸温度为1150-1200℃，终轧温度为950-1050℃。
7.权利要求3所述的一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料的制造工艺，其特征在于，热轧后进行固溶处理，固溶温度为1150℃，时间45-60min。
8.权利要求3所述的一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料的制造工艺，其特征在于，固溶处理后采用水冷的冷却方式进行冷却。
9.权利要求3所述的一种耐腐蚀的熔融碳酸盐燃料电池双极板材料的制造工艺，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤4：冷轧和冲压
固溶后的坯料进行冷轧，根据熔融碳酸盐燃料电池双极板厚度尺寸和强度要求，选取冷轧变形量，冷轧后进行冲压获得要求尺寸和形状的熔融碳酸盐燃料电池双极板。
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