CN114730892A - 用于制造聚合物燃料电池隔离件用不锈钢的方法 - Google Patents

用于制造聚合物燃料电池隔离件用不锈钢的方法 Download PDF

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Abstract

公开了用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法，更具体地，公开了这样的用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法：所述方法能够通过有效去除非导电涂层并形成新涂层而获得低接触电阻和高耐腐蚀性。根据一个实施方案，所公开的用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法包括通过将其表面上具有通过冷轧和光亮退火形成的钝化涂层的不锈钢浸入硫酸溶液中来进行交流电电解，其中所述交流电电解通过施加10A/dm2至30A/dm2的电流密度进行。

Description

用于制造聚合物燃料电池隔离件用不锈钢的方法
技术领域
本公开内容涉及用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法，更具体地，涉及这样的用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法：所述方法能够通过有效去除非导电涂层并形成新涂层而获得低接触电阻和高耐腐蚀性。
背景技术
聚合物电解质膜燃料电池是使用具有氢离子交换特性的聚合物膜作为电解质的燃料电池，并且具有约80℃的较低的工作温度和比其他类型的燃料电池更高的效率。此外，聚合物电解质膜燃料电池可以用于车辆和家庭用途，因为聚合物电解质膜燃料电池使装置快速地启动并具有高的输出功率密度和简单的主体结构。
聚合物电解质膜燃料电池包括这样的单元电池结构：其中气体扩散层和隔离件堆叠在包括电解质、阳极和阴极的膜电极组合件(membrane electrode assembly，MEA)的两侧。复数个单元电池串联连接的结构称为燃料电池堆。
在聚合物电解质膜燃料电池中，隔离件用于防止反应性气体例如氢气和氧气混合，电连接膜电极组合件(MEA)，并支撑MEA以保持燃料电池的形状。因此，隔离件应具有致密的结构以防止两种气体混合，具有优异的导电性以充当导体，并具有足够的机械强度以充当支撑物。
常规地，石墨通常被用作隔离件的材料以承受燃料电池的强腐蚀环境。然而，由于石墨隔离件的制造成本和重量的问题，最近将Ti合金或不锈钢用作隔离件的材料。
在使用不锈钢作为聚合物电解质膜燃料电池的隔离件的情况下，使用厚度为约0.1mm的不锈钢板，这样的不锈钢板是通过冷轧和光亮退火热处理过程制造的。因为光亮退火热处理是在还原气氛中进行的，因此形成了具有数nm厚的具有光滑表面的钝化涂层的不锈钢板，而不是具有在氧化气氛中形成的具有数μm厚的高温氧化皮的表面的不锈钢板。由于通过在还原气氛中进行光亮退火形成的钝化涂层具有高电阻，因此为了将经光亮退火的不锈钢用作燃料电池隔离件，需要用于减小界面接触电阻并增强耐腐蚀性的后处理过程。
作为后处理过程的代表性实例，可以使用在表面上另外涂覆贵金属例如金(Au)或另外涂覆氮化物以减小界面接触电阻的过程。然而，这些方法存在由于另外的涂覆贵金属或氮化物的过程而增加制造成本和制造时间以及因此降低生产率的问题。此外，由于形成的隔离件应单独地涂覆，因此难以大规模生产。
为了解决这些问题，专利文件1公开了使用硝酸溶液对钝化涂层进行酸洗的方法。然而，其缺点在于由于酸洗效率低，后处理过程花费时间长。
专利文件2公开了使用直流电源的两步电解，其中在第一步中使用高电位去除钢的非导电涂层，并在第二步中使用低电位对钢的表面进行改性以防止由高电位引起的铬的洗脱。虽然根据专利文件2通过电解减少了处理时间，但由于两步电解，总的表面改性速率仍然低。此外，可能存在电解后将不锈钢浸入酸洗浴中的过程花费时间长的问题。
(专利文件0001)韩国专利特许公开第10-2014-0081161号
(专利文件0002)韩国专利特许公开第10-2015-0133565号
发明内容
技术问题
为了解决上述问题，本公开内容提供了用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法，所述方法能够通过有效去除存在于经冷轧和光亮退火的不锈钢的表面上的非导电涂层并在其上形成新涂层而获得低接触电阻和高耐腐蚀性。
技术方案
为了实现上述目的，根据本公开内容的一个方面，用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法包括通过将其表面上具有通过冷轧和光亮退火形成的钝化涂层的不锈钢浸入硫酸溶液中来进行交流电电解，其中交流电电解通过施加10A/dm2至30A/dm2的电流密度进行。
在根据本公开内容的一个实施方案的用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法中，所述不锈钢可以包含：按重量百分比(重量％)计，多于0％且不多于0.1％的C、多于0％且不多于0.3％的N、多于0％且不多于0.7％的Si、多于0％且不多于10％的Mn、多于0％且不多于0.04％的P、多于0％且不多于0.02％的S、15％至34％的Cr、25％或更少的Ni，以及剩余部分的Fe和其他不可避免的杂质。
在根据本公开内容的一个实施方案的用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法中，硫酸溶液的浓度可以为50g/l至300g/l。
在根据本公开内容的一个实施方案的用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法中，硫酸溶液的温度可以为40℃至80℃。
在根据本公开内容的一个实施方案的用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法中，施加电流密度的时间可以在10秒以内。
在根据本公开内容的一个实施方案的用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法中，在100N/cm2的接触压力下的接触电阻可以为12mΩ·cm2或更小。
有益效果
根据本公开内容，通过替代常规直流电电解的交流电电解，可以有效地去除存在于经光亮退火的不锈钢表面上的非导电钝化涂层，并且可以形成新的导电涂层。具体地，可以将常规的两步直流电电解简化为一步交流电电解，并且可以省略电解之后进行的浸入混合酸浴的过程。此外，与常规电解所需的时间相比，交流电电解所需的时间可以显著减少。因此，根据本公开内容，可以通过提高用于减小燃料电池隔离件用不锈钢界面的接触电阻的后处理过程的效率来减少制造时间和成本来提高生产率。
此外，根据本公开内容，可以通过利用AC电源在大小和方向上每小时连续交替的特性为不锈钢的表面提供粗糙形状，从而使聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的接触电阻可以因此而进一步减小。
最佳实施方式
根据本公开内容的一个实施方案的用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法包括通过将其表面上具有通过冷轧和光亮退火形成的钝化涂层的不锈钢浸入硫酸溶液中来进行交流电电解，其中交流电电解通过施加10A/dm2至30A/dm2的电流密度进行。
具体实施方式
在下文中，将描述本公开内容的实施方案。本公开内容不限于本文所示的实施方案，而是可以以其他形式实施。提供以下实施方案以向本公开内容所属领域的普通技术人员充分传达本公开内容的精神。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案。因此，以单数形式使用的表述涵盖复数表述，除非它在上下文中具有明显不同的含义。此外，应理解术语例如“包括”或“具有”旨在表明存在本说明书中所公开的特征、操作、功能、构成要素或其组合，并且不旨在排除可能存在或可能添加一个或更多个其他特征、操作、功能、构成要素或其组合的可能性。
同时，除非另有定义，否则本文中使用的所有术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。因此，除非本文明确定义，否则特定术语不应被解释为过于理想化或形式化的含义。例如，单数形式可以包括复数形式，除非它在上下文中具有明显不同的含义。
在整个本说明书中使用的术语“约”、“基本上”等意指当提出在制造中和在物质中的天然允许误差时，这样的允许误差对应于该值或者为与该值近似的值，这样的值旨在用于清楚地理解本发明或防止无意识的侵权者非法使用本发明的公开内容。
根据本公开内容的一个实施方案的聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢可以包括在其表面上的通过冷轧和光亮退火形成的钝化涂层。根据一个实施方案，所述不锈钢可以包含：按重量百分比(重量％)计，多于0％且不多于0.1％的C、多于0％且不多于0.3％的N、多于0％且不多于0.7％的Si、多于0％且不多于10％的Mn、多于0％且不多于0.04％的P、多于0％且不多于0.02％的S、15％至34％的Cr、25％或更少的Ni，以及剩余部分的Fe和其他不可避免的杂质。
在下文中，将描述对本公开内容的实施方案中的合金元素含量进行数值限制的理由。在下文中，除非另有说明，否则单位为重量％。
C：多于0％且不多于0.1％，N：多于0％且不多于0.3％
C和N与钢中包含的Cr结合以形成Cr碳氮化物，并因此可能形成Cr局部耗尽的区域，从而增加耐腐蚀性劣化的风险。因此，优选将这两种元素的含量控制为尽可能低。因此，在本公开内容中对C和N的含量进行控制，使得C含量多于0％且不多于0.1％，N含量多于0％且不多于0.3％。
Si：多于0％且不多于0.7％
Si是对脱氧有效的元素。然而，过量的Si可能使韧性和可成形性劣化，并且在退火过程期间产生的SiO2使导电性和亲水性劣化。考虑到这方面，在本公开内容中将Si含量控制为多于0％且不多于0.7％。
Mn：多于0％且不多于10％
Mn是对脱氧有效的元素。然而，作为Mn夹杂物的MnS使耐腐蚀性降低，因此在本公开内容中将Mn含量控制为多于0％且不多于10％。
P：多于0％且不多于0.04％
由于P不仅使耐腐蚀性劣化，还使韧性劣化，因此在本公开内容中将P含量控制为多于0％且不多于0.04％。
S：多于0％且不多于0.02％
S与钢中包含的Mn结合而形成稳定的MnS，所形成的MnS充当腐蚀的源头而使耐腐蚀性劣化，因此优选将S含量控制为尽可能低。考虑到这方面，在本公开内容中可以将S含量控制为多于0％且不多于0.02％。
Cr：15％至34％
Cr是提高耐腐蚀性的元素。主动地添加Cr以获得在燃料电池的强酸性操作环境中的耐腐蚀性。然而，过量的Cr可能使韧性劣化，因此考虑到这方面，在本公开内容中将Cr含量控制为15％至34％。
Ni：25％或更少
Ni是使奥氏体相稳定并提高耐腐蚀性的元素。此外，Ni通常以多于一定量包含在奥氏体不锈钢和铁素体-奥氏体双相不锈钢中。然而，过量的Ni可能使可加工性劣化，因此考虑到这方面，在本公开内容中将Ni含量控制为25％或更少。
Ni的下限没有特别限制，并且Ni可以根据钢种而适当地包含。例如，奥氏体不锈钢或铁素体-奥氏体双相不锈钢中的Ni含量的下限可以为2.0％或更大。例如，在铁素体不锈钢中，Ni含量的下限可以小于2.0％，优选为1.0％或更小，更优选为0.01％或更小。
此外，根据一个实施方案的不锈钢可以包含选自以下中的至少一者作为任选的合金元素：按重量百分比(重量％)计，多于0％且不多于0.6％的Cu、多于0％且不多于0.6％的V、0.01％至2.5％的Mo、0.01％至0.5％的Ti、和0.01％至0.4％的Nb。然而，需要注意的是，任选的合金元素的组成仅旨在帮助更详细地理解本公开内容，并不旨在限制本公开内容的范围。
Cu：多于0％且不多于0.6％
Cu是提高耐腐蚀性的元素。然而，当添加过量的Cu时，Cu被洗脱而使燃料电池的性能劣化。因此，考虑到这方面，在本公开内容中将Cu含量控制为多于0％且不多于0.6％。
V：多于0％且不多于0.6％
V是通过抑制在燃料电池的操作环境中Fe的洗脱来提高燃料电池寿命的元素。然而，过量的V使韧性劣化，因此考虑到这方面，在本公开内容中将V含量控制为多于0％且不多于0.6％。
Mo：0.01％至2.5％
Mo是提高耐腐蚀性的元素。然而，过量的Mo使可加工性劣化，因此将Mo含量控制为0.01％至2.5％。
Ti：0.01％至0.5％，Nb：0.01％至0.4％
Ti和Nb与钢中包含的C和N结合以形成稳定的碳氮化物并抑制Cr局部耗尽的区域的形成，从而提高耐腐蚀性。然而，过量的Ti和Nb使韧性劣化，因此考虑到这方面，在本公开内容中控制Ti和Nb的含量使得Ti含量在0.01％至0.5％的范围内，Nb含量在0.01％至0.4％的范围内。
本公开内容的组成的剩余组分为铁(Fe)。然而，该组成可能包含从原材料或周围环境中不可避免地并入的非预期杂质，因此不排除其他合金组分的添加。杂质在本公开内容中没有具体提及，因为它们是制造领域技术人员已知的。
在下文中，将详细描述根据本公开内容的一个实施方案的用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法。
根据本公开内容的一个实施方案的用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法可以包括通过将包含上述合金元素的组成并且其表面上具有通过冷轧和光亮退火形成的钝化涂层的不锈钢浸入硫酸溶液中来进行交流电电解。
在这点上，冷轧和光亮退火可以没有限制地以本领域常用的任何方法进行。
例如，冷轧可以通过使用作为冷轧机的Z型轧机将包含上述合金元素的组成的不锈钢冷轧成冷轧钢板来进行。
例如，光亮退火可以通过在包含氢气和氮气的还原气氛中的光亮退火热处理来进行。当在还原气氛中进行光亮退火热处理时，可以形成数nm厚的具有光滑表面的钝化涂层，作为这样的表面钝化涂层，可以形成Cr-Fe氧化物、Mn氧化物、Si氧化物、Nb氧化物等。
经冷轧和光亮退火的不锈钢由于形成在其表面上的数nm厚的钝化涂层而可能具有增加的界面接触电阻。因此，为了将经光亮退火的不锈钢用作燃料电池的隔离件，需要去除存在于表面上的非导电钝化涂层，并应形成新的导电涂层。
在本公开内容中，硫酸溶液的浓度可以为50g/l至300g/l。当硫酸溶液的浓度小于50g/l时，导电性可能降低，使得难以去除非导电钝化涂层。相反，当硫酸溶液的浓度超过300g/l时，去除非导电钝化涂层的效果饱和，因此考虑到经济可行性，优选将硫酸溶液浓度的上限设定为300g/l。
在本公开内容中，硫酸溶液的温度可以为40℃至80℃。当硫酸溶液的温度低于40℃时，非导电钝化涂层的去除效率可能降低。此外，考虑到稳定性，优选将硫酸溶液温度的上限设定为80℃。
在本公开内容中，通过交流电电解，可以有效地去除存在于经光亮退火的不锈钢表面上的非导电钝化涂层，并可以形成新的导电涂层。
在根据现有技术使用DC电源进行电解的情况下，首先，使用高电位完全地去除通过光亮退火形成的非导电涂层。当持续保持高电位时，可能发生副反应，例如氧生成反应，导致改性效率劣化，以及用于获得足够导电性的铬可能在电解期间被洗脱。考虑到这些特性，在完全地去除非导电涂层之后，应利用低电位进行表面改性，因此存在由于两步电解导致改性速率慢的问题。
本发明人发现这些问题可以通过使用AC电源代替DC电源进行电解来解决。交流电流(AC)是随着时间不断反转方向并改变大小的电流。因此，通过适当地控制电位，可以在去除非导电涂层的同时抑制副反应，并且可以通过诱导铁的选择性洗脱同时抑制铬的洗脱来增加不锈钢的表面区域中包含的铬的比率。此外，由于AC电源的电压的大小和方向每小时连续交替的特性，可以为不锈钢表面提供粗糙的形状，因此接触电阻可以由此减小。
为了去除非导电涂层，不锈钢的电位应为1.0VSCE或更高。通过AC电源，在电位为1.0VSCE或更高的阶段中去除非导电涂层。在电位小于1.0VSCE的阶段中，副反应例如氧生成反应由于相对低的电位而被抑制，并且在电解期间铬不被洗脱。因此，通过适当地调节其中电位为1.0VSCE或更高的阶段与其中电位低于1.0VSCE的阶段的比率，可以去除非导电涂层，同时抑制副反应，并且可以对不锈钢的表面进行有效地改性，同时抑制铬洗脱。
另外，基于AC电源的特性，当施加使不锈钢的电位最大值为1.0VSCE或更高的电流密度时，非导电涂层可以被去除，同时抑制副反应，并且包含在不锈钢的表面区域中的铬的比率可以通过诱导铁的选择性洗脱同时抑制铬的洗脱而增加，因此，可以施加与使用DC电源进行的电解相比相对高的电流密度。作为结果，通过交流电电解的不锈钢的表面改性速率可以高于通过直流电电解的不锈钢的表面改性速率。
根据本公开内容的一个实施方案，通过施加10A/dm2或更高的电流密度，电位的最大值可以为1.0VSCE或更高。当施加小于10A/dm2的电流密度时，不锈钢的电位小于1.0VSCE，并因此可能存在无法有效地进行非导电涂层去除的问题。然而，当电流密度太高时，其中电位为1.0VSCE或更高的阶段的比率变得远大于其中电位小于1.0VSCE的阶段的比率，副反应例如氧生成反应活跃地发生，并且铬可能在电解期间被洗脱，从而表面改性效果劣化。因此，将在本文中施加的电流密度的上限设定为30A/dm2。考虑到这些特性，根据本公开内容的一个实施方案，在交流电电解期间施加的电流密度可以在10A/dm2至30A/dm2的范围内。
在本公开内容中，作为AC电源的波形，可以施加所有类型的波形，例如正弦波、方波、三角波和锯齿波，只要适当地控制其中电位为1.0VSCE或更高(以去除非导电涂层)的阶段与其中电位低于1.0VSCE(以通过诱导铁的选择性洗脱同时抑制铬的洗脱来增加不锈钢的表面区域中铬的比例以及抑制副反应)的阶段的比率即可。
在本公开内容中，当AC电源的频率过低时，问题在于被去除的非导电涂层在其中电位为1.0VSCE或更高的阶段中再次形成。此外，当频率过高时，电解效率可能降低。因此，AC电源的频率可以为60Hz至90Hz。
如上所述，根据本公开内容，可以将常规的两步DC电解简化为一步AC电解，并且可以省略电解之后浸入混合酸浴的过程。此外，与常规电解所需的时间相比，交流电电解所需的时间显著减少。根据一个实施方案，在交流电电解中施加电流密度的时间可以在10秒以内。
此外，利用AC电源的电压在大小和方向上每小时连续交替的特性，可以为不锈钢的表面提供粗糙形状，因此接触电阻可以由此而进一步减小。根据本公开内容的一个实施方案的聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢在100N/cm2的接触压力下的接触电阻可以为12mΩ·cm2或更小。
在下文中，将通过实施例更详细地描述本公开内容。然而，需要注意的是，以下实施例仅旨在更详细地说明本公开内容，并不旨在限制本公开内容的范围。这是因为本公开内容的范围由权利要求中描述的事项以及能够由此合理推断的事项来确定。
实施例
使用作为冷轧机的Z型轧机对具有下表1所示合金元素的组成的不锈钢进行冷轧，并使其在包含75体积％的氢气和25体积％的氮气的还原气氛下经受光亮退火热处理以制备厚度为0.1mm的冷轧钢板。
在表1中，钢种A是铁素体不锈钢。
表1
Figure BDA0003668577900000091
将根据上表1制备的冷轧钢板在下表2所示的条件下进行交流电电解。同时，根据现有技术的两步DC电解，使用DC电源使用高电位对表2中的比较例进行5电解，然后使用低电位对其进行电解。
在表2中，接触电阻值通过以下获得：将制备的厚度为0.1mm的冷轧不锈钢板切割成两块，每块面积为25cm2，将作为气体扩散层的面积为4cm2的炭纸(SGL-10BA)布置在冷轧钢板之间，在100N/cm2的接触压力下测量接触电阻四次，并计算测量的接触电阻的平均值。
在表2中，耐腐蚀性通过以下评估：在燃料电池的操作环境下，即在70℃的温度下通过将制备的厚度为0.1mm的冷轧不锈钢板浸入包含硫酸(1M)和氢氟酸(2ppm)的混合酸溶液中，并测量相对于作为参比电极的饱和甘汞电极(saturated calomel electrode，SCE)的电位。当测量的电位为0.4VSCE或更大时，耐腐蚀性评估为良好。当测量的电位小于0.4VSCE时，耐腐蚀性评估为差。
表2
Figure BDA0003668577900000101
参照表1，因为发明例1至8满足本公开内容建议的硫酸溶液浓度、温度和电流密度的范围，因此电流密度的施加时间在10秒以内，在100N/cm2的接触压力下的接触电阻为12mΩ·cm2或更小，并且获得良好的耐腐蚀性。
相反，在比较例1中，硫酸溶液的温度为30℃，超出了本公开内容建议的硫酸溶液的温度范围，并因此在100N/cm2的接触压力下的接触电阻超过12mΩ·cm2。
在比较例2中，电流密度为5A/dm2，超出了本公开内容建议的电流密度范围，并因此通过施加该电流密度持续7秒在100N/cm2的接触压力下测量的接触电阻超过12mΩ·cm2，并且获得了差的耐腐蚀性。因此，确认不锈钢的表面未改性。
在比较例3中，虽然施加了与比较例2的电流密度相同的电流密度持续20秒，但在100N/cm2的接触压力下的接触电阻超过12mΩ·cm2，并且获得了差的耐腐蚀性。因此，确认不锈钢的表面未改性。
在比较例4中，电流密度为40A/dm2，超出了本公开内容建议的电流密度范围，并因此表面改性效果大大劣化，在100N/cm2的接触压力下的接触电阻超过12mΩ·cm2。
在比较例5中，虽然通过施加常规的两步直流电电解完成表面改性，但表面改性过程所需的时间为39秒，比交流电电解的时间慢。
基于发明例和比较例的结果，确认了常规的两步直流电电解可以简化为一步交流电电解，并且可以省略在电解之后浸入混合酸溶液的过程。
特别地，在发明例与比较例5的比较中，与常规直流电电解所需的时间相比，交流电电解所需的时间显著减少。根据本公开内容，可以通过提高用于减小燃料电池隔离件用不锈钢的界面接触电阻的后处理过程的效率来减少制造时间和成本来提高生产率。
尽管已经参照示例性实施方案特别地描述了本公开内容，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的多种改变。
工业适用性
根据本公开内容，可以提供用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法。

Claims (6)

1.一种用于制造聚合物电解质膜燃料电池隔离件用不锈钢的方法，所述方法包括：
通过将其表面上具有通过冷轧和光亮退火形成的钝化涂层的不锈钢浸入硫酸溶液中来进行交流电电解，
其中所述交流电电解通过施加10A/dm2至30A/dm2的电流密度进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述不锈钢包含：按重量百分比(重量％)计，多于0％且不多于0.1％的C、多于0％且不多于0.3％的N、多于0％且不多于0.7％的Si、多于0％且不多于10％的Mn、多于0％且不多于0.04％的P、多于0％且不多于0.02％的S、15％至34％的Cr、25％或更少的Ni，以及剩余部分的Fe和其他不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述硫酸溶液的浓度为50g/l至300g/l。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述硫酸溶液的温度为40℃至80℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述电流密度所需的时间在10秒以内。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在100N/cm2的接触压力下的接触电阻为12mΩ·cm2或更小。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140272668A1 (en) * 2011-11-30 2014-09-18 Jfe Steel Corporation Stainless steel for fuel cell separators
WO2016105070A1 (ko) * 2014-12-26 2016-06-30 주식회사 포스코 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그 제조 방법
CN107925040A (zh) * 2015-09-22 2018-04-17 株式会社Posco 用于燃料电池隔板的不锈钢及其制造方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3792335B2 (ja) * 1997-02-04 2006-07-05 日新製鋼株式会社 ステンレス鋼帯の脱スケールにおける仕上げ電解酸洗方法
GB2358194B (en) * 2000-01-17 2004-07-21 Ea Tech Ltd Electrolytic treatment
IT1317896B1 (it) * 2000-08-10 2003-07-15 Ct Sviluppo Materiali Spa Metodo di decapaggio elettrolitico continuo di prodotti metallici concelle alimentate a corrente alternata.
EP2343763B1 (en) * 2008-10-07 2017-09-06 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Sheet stainless steel for separators in solid polymer fuel cells, and solid polymer fuel cells using the same
KR101258732B1 (ko) * 2009-12-24 2013-04-26 주식회사 포스코 스테인리스 냉연강판의 황산 전해 산세 방법
JP5607450B2 (ja) * 2010-07-26 2014-10-15 日本金属株式会社 塗装皮膜の密着性に優れたステンレス鋼鈑及びその製造方法
JP6144006B2 (ja) * 2011-01-17 2017-06-07 Ｊｆｅスチール株式会社 燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法、燃料電池セパレータ用ステンレス鋼、燃料電池セパレータ、ならびに燃料電池
KR101507940B1 (ko) 2012-12-21 2015-04-07 주식회사 포스코 고분자 연료전지 분리판용 스테리인스강 제조방법
ITMI20130493A1 (it) * 2013-03-29 2014-09-30 Tenova Spa Metodo per trattare in continuo la superficie di un laminato di acciaio inossidabile in una soluzione a base di acido solforico
KR102201746B1 (ko) 2014-05-20 2021-01-12 엘지전자 주식회사 이코노마이저를 포함하는 응축기 및 이를 포함하는 터보 냉동기
JP5961296B2 (ja) * 2015-03-20 2016-08-02 日本冶金工業株式会社 溶接用ステンレス鋼の肉盛方法
KR102020500B1 (ko) * 2018-09-17 2019-09-10 주식회사 포스코 접촉저항이 우수한 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강의 제조방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140272668A1 (en) * 2011-11-30 2014-09-18 Jfe Steel Corporation Stainless steel for fuel cell separators
WO2016105070A1 (ko) * 2014-12-26 2016-06-30 주식회사 포스코 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강 및 그 제조 방법
CN107925040A (zh) * 2015-09-22 2018-04-17 株式会社Posco 用于燃料电池隔板的不锈钢及其制造方法

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