DE60009781T2

DE60009781T2 - Bipolare Platte zur Verwendung in einer Brennstoffzelle mit Polymerelektroden

Info

Publication number: DE60009781T2
Application number: DE60009781T
Authority: DE
Inventors: Yoshio Sanda-shi Hyogo Tarutani; Takashi Kurita-gun Shiga Doi; Akira Ashiya-shi Hyogo Seki; Shinji Amagasaki-shi Hyogo Fukuta
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2020-04-18
Also published as: DE60009781D1; ATE264409T1; ES2218081T3; CA2305839A1; EP1046723A1; KR100361548B1; CA2305839C; CN1271027A; US6379476B1; CN1117882C; EP1046723B1; KR20000071568A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine bipolare Platte mit niedrigem elektrischen Kontaktwiderstand und ein Verfahren zur Herstellung des rostfreien Stahlprodukts. Die Erfindung betrifft eine aus einem rostfreien Stahlprodukt hergestellte bipolare Platte und eine Brennstoffzelle mit Polymerelektroden (kann hier nachstehend mit PEFC abgekürzt sein), die die bipolare Platte enthält.
Beschreibung des Standes der Technik
Rostfreier Stahl weist aufgrund des auf seiner Oberfläche gebildeten passiven Films eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf. Jedoch ist rostfreier Stahl zur Herstellung von elektrisch leitenden Elementen, für die ein niedriger elektrischer Kontaktwiderstand erforderlich ist, nicht geeignet, weil der auf der Oberfläche gebildete passive Film einen hohen elektrischen Widerstand aufweist. Im Allgemeinen ist die Korrosionsbeständigkeit des passiven Films umso besser, je größer dessen elektrischer Widerstand ist.
Daher ermöglicht eine Verringerung des elektrischen Kontaktwiderstandes von rostfreiem Stahl, dass rostfreier Stahl als ein elektrisch leitendes Element, wie zum Beispiel als Anschluss dient, wobei das Element in einer Umgebung verwendet wird, die Korrosionsbeständigkeit erfordert. Ein Beispiel eines elektrisch leitenden Elements, das eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand aufweist, ist eine bipolare Platte (die ebenfalls „Trennelement" genannt wird) einer PEFC.
Eine Brennstoffzelle erzeugt Gleichstrom und Beispiele von Brennstoffzellen umfassen eine Festoxid-Brennstoffzelle (abgekürzt mit SOFC), eine Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (abgekürzt mit MCFC) und eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle (abgekürzt mit PAFC). Diese Brennstoffzellen sind nach einer Materialkomponente eines Elektrolyts benannt, der der wichtigste Teil einer Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzellen, die ein kommerziell zufrieden stellendes Niveau erlangt haben, umfassen derzeit eine PAFC und eine MCFC. Die Betriebstemperaturen einer SOFC, einer MCFC, einer PAFC und einer PEFC betragen näherungsweise 1000 °C, 650 °C, 200 °C, beziehungsweise 80 °C.
Eine PEFC wird bei näherungsweise 80 °C betrieben und es ist einfach, sie in Gang zu setzen und anzuhalten. Ihr erwarteter energetischer Wirkungsgrad beträgt näherungsweise 40 %. Es gibt daher weltweit einen Bedarf an PEFCs, die in einer vor Ort befindlichen Stromquelle, die in einer kleintechnischen Kraftanlage, einer Telefonzelle oder an einem ähnlichen Ort, in einer kleinen vor Ort befindlichen Stromquelle im Haushalt, die als Brennstoff Stadtgas verwendet; und in einer Stromquelle, die in einem abgasarmen elektrischen Kraftfahrzeug, das Wasserstoff, Methanol oder Benzin als Treibstoff verwendet, eingebaut ist, verwendet werden können.
Obwohl die vorstehend erwähnten Brennstoffzellen in die Kategorie Brennstoffzellen eingeteilt sind, das heißt, ihre Namen umfassen den Ausdruck „Brennstoffzelle", müssen sie einzeln betrachtet werden, wenn eine Materialkomponente einer Brennstoffzelle ersinnt wird, weil die für eine Materialkomponente erforderliche Leistungsfähigkeit, insbesondere die Anti-Korrosionswirksamkeit, mit der Art der Brennstoffzelle variiert. Die Leistungsfähigkeit hängt besonders von der Korrosion einer Materialkomponente ab, die durch den verwendeten Elektrolyt, durch die bei der hohen Temperatur, hauptsächlich oberhalb von 380 °C stattfindenden Oxidation; und Sublimation und Wiederabscheidung eines Elektrolyts und Kondensation verursacht wird.
In der Praxis werden eine Vielzahl von Materialien als Materialkomponenten einer Brennstoffzelle verwendet; zum Beispiel Graphitmaterialien, Ni-Plattierung, Legierungen mit einem hohen Gehalt an Legierungselementen und rostfreier Stahl.
Somit können Materialien, die als solche in kommerzialisierten PAFCs und MCFCs verwendet werden, nicht auf eine Materialkomponente von PEFCs angewandt werden.
Die 1A und 1B zeigen die Struktur einer PEFC, das heißt, 1A ist ein auseinander gezogener Perspektivschnitt einer Brennstoffzelle (Membranelektro denaggregate) und 1B ist eine perspektivische Ansicht einer gesamten Brennstoffzelle. Wie in den 1A und 1B gezeigt wird, ist eine Brennstoffzelle 1 eine Zusammenstellung von Membranelektrodenaggregaten. Das Membranelektrodenaggregat umfaßt eine feste Polymerelektrolytmembran 2, eine Brennstoffelektroden (Anode)-Membran 3, die auf eine Oberfläche der festen Polymerelektrolytmembran 2 laminiert ist, und eine Oxidationsmittel-Elektroden (Kathode)-Membran 4, die auf die andere Oberfläche laminiert ist. Die Membran 3 ist weiterhin mit einer bipolaren Platte 5a beschichtet, während die Membran 4 weiterhin mit einer bipolaren Platte 5b beschichtet ist.
Die feste Polymerelektrolytmembran 2 umfaßt eine Protonen-leitende Fluoridmembran mit einer Wasserstoffionen (Protonen)-Austauschergruppe.
Jede einzelne Anodenmembran 3 und Kathodenmembran 4 ist mit einer Katalysatorschicht versehen, die einen körnigen Platinkatalysator, ein Graphitpulver und ein optisches Fluorharz mit einer Wasserstoffionen (Protonen)-Austauschergruppe umfaßt, die mit einem Brennstoffgas oder einem oxidierenden Gas in Kontakt gebracht werden soll.
Ein Brennstoffgas A (Wasserstoff oder ein Wasserstoff-enthaltendes Gas) wird durch Kanäle 6a, die in der bipolaren Platte 5a zur Verfügung gestellt werden, zugeführt, wodurch Wasserstoff zur Anodenmembran zugeführt wird, während ein oxidierendes Gas B, wie zum Beispiel Luft durch die in der bipolaren Platte 5b zur Verfügung gestellten Kanäle 6b zur Zufuhr von Sauerstoff zugeführt wird. Die somit zugeführten Gase verursachen eine elektrochemische Reaktion unter Erzeugung von Gleichstrom.
Die für eine bipolare Platte einer PEFC erforderlichen Funktionen sind folgende:

(1) eine Funktion als Kanal, der ein Brennstoffgas und ein oxidierendes Gas einheitlich in die inneren Ebenen einer Zelle zuführt;
(2) eine Funktion als Kanal, der wirkungsvoll das in den Kathodenteilen gebildete Wasser zusammen mit einem Trägergas, wie zum Beispiel Luft oder Sauerstoff, nach der Reaktion von einer Brennstoffzelle nach außen befördert;
(3) eine Funktion eines elektrischen Anschlusses zwischen den Membranelektrodenaggregaten, um dadurch einen geringen Widerstand und eine für eine Elektrode geeignete hohe Leitfähigkeit über eine lange Zeitdauer hinweg beizubehalten,
(4) eine Funktion als ein Trennelement, das eine Kathodenkammer und eine Anodenkammer in benachbarten Aggregaten trennt, und
(5) eine Funktion eines Trennelements, das die Kühlwasserkanäle isoliert und benachbarte Aggregate trennt.

Bis jetzt hat es eine ernsthaft untersuchte Verwendung einer Kohlenstoffplatte als Material einer bipolaren Platte einer PEFC gegeben. Die Kohlenstoffplatte ist jedoch unvorteilhaft, weil die Platte leicht zerbricht und die Kosten der mechanischen Verarbeitung zur Herstellung einer flachen Oberfläche und zur Bildung von Gaskanälen stark erhöht. Diese fatalen Probleme könnten die Kommerzialisierung einer Brennstoffzelle schwierig machen.
Von den kohlenstoffhaltigen Materialien ist thermisch nachgiebiges Graphit das zur Herstellung einer bipolaren Platte einer PEFC attraktivste Material, weil es besonders billig ist. Damit jedoch die Funktionen der vorstehend erwähnten Trennelemente durch Verringerung der Gasdurchlässigkeit zur Verfügung gestellt werden, muß thermisch nachgiebiges Graphit einer Vielzahl von Schritten der Harzimprägnierung und Feuerung unterzogen werden. Zusätzlich bleibt noch das Problem der Kosten für die mechanische Verarbeitung, um für die Ebenheit der Oberfläche und Bildung von Kanälen zu sorgen, bestehen. Daher wurde eine Kommerzialisierung von thermisch nachgiebigem Graphit noch nicht erreicht.
Im Gegensatz zur Untersuchung der Verwendung von Graphitmaterialien wurde im Hinblick auf eine Kostenverringerung rostfreier Stahl für bipolare Platten verwendet.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 10-228914 offenbart eine bipolare Platte einer Brennstoffzelle, die aus einem metallischen Material gebildet ist, wobei eine Oberfläche der bipolaren Platte, die in Kontakt mit einem Membranelektrodenaggregat steht, direkt mit Gold plattiert ist. Beispiele von metallischen Materialien umfassen rostfreien Stahl, Aluminium und eine Ni-Fe-Legierung, wobei als rostfreier Stahl der Typ 304 verwendet wurde. Gemäß der Offenbarung ist die bipolare Platte mit Gold plattiert, um dadurch den Kontaktwiderstand zwischen der bipolaren Platte und einer Elektrode zu erniedrigen und die elektrische Leitung von der bipolaren Platte zur Elektrode zu erhöhen. Es wird daher angenommen, dass eine Brennstoffzelle, die derartige bipolare Platten enthält, einen hohen Ausgangsstrom erzeugt.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 8-180883 offenbart eine Brennstoffzelle, die bipolare Platten verwendet, die aus einem metallischen Material gebildet sind, das leicht mit einem passiven Film an Luft beschichtet werden kann. Gemäß der Offenbarung ist die metallische Oberfläche der bipolaren Platten vollständig mit einem passiven Film bedeckt, um dadurch die Oberfläche widerstandsfähig gegenüber chemischen Substanzen zu machen. Die Ionisation von in der Brennstoffzelle gebildetem Wasser wird daher verhindert, wodurch eine Erniedrigung des Wirkungsgrades der elektrochemischen Reaktion verhindert wird. Es wird ebenfalls offenbart, dass passiver Film auf einem Teil, der mit einer Elektrodenmembran einer bipolaren Platte in Kontakt steht, entfernt wird und eine Edelmetallschicht gebildet wird, um dadurch den elektrischen Kontaktwiderstand zu verringern.
Die US-A-5624769 offenbart bipolare Platten in Brennstoffzellen, die durch Aufbringen einer TiN-Beschichtung auf einem rostfreien Stahlsubstrat hergestellt werden. Das TiN ist sowohl korrosionsbeständig, elektrisch hoch leitfähig und verliert nicht als Folge von Oxidation signifikant an Leitfähigkeit. Die TiN-Beschichtung auf rostfreiem Stahl ist unvollkommen und es gibt tatsächlich eine passivierende Beschichtung auf der Oberseite des rostfreien Stahls, die für weiteren Schutz sorgt.
Obwohl jedoch die offenbarten metallischen Materialien, wie zum Beispiel mit einem passiven Film bedeckter rostfreier Stahl, als solches angewandt werden, weisen bipolare Platten, die aus den Materialien hergestellt wurden, eine schlechte Korrosionsbeständigkeit auf und sie setzen Metallionen frei. Die freigesetzten Metallionen bilden Korrosionsprodukte, wie zum Beispiel Chromhydroxid und Eisenhydroxid, wodurch der elektrische Kontaktwiderstand der bipolaren Platten unvorteilhaft erhöht wird. Daher werden derzeit bipolare Platten mit einem Edelmetall, wie zum Beispiel Gold trotz dessen Kosten plattiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf das vorstehend gesagte ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle mit Polymerelektroden zur Verfügung zu stellen, dadurch gekennzeichnet, dass die bipolare Platte aus einem rostfreien Stahlprodukt mit einem auf und aus dem rostfreien Stahl auf der Oberfläche gebildeten passiven Film hergestellt ist, wobei mindestens eines aus der Gruppe, bestehend aus leitenden Metallcarbideinschlüssen und leitenden Metallborideinschlüssen, von dem rostfreien Stahl unter dem passiven Film durch die äußere Oberfläche des passiven Films herausragt.
Die Metallcarbideinschlüsse können M₂₃C₆, M₄C, M₂C, MC oder eine beliebige Mischung davon umfassen und die Metallborideinschlüsse können M₂B umfassen.
Ein metallisches Element „M" in den Metallcarbideinschlüssen, die durch M₂₃C₆, M₂C oder MC dargestellt sind, und den Metallborideinschlüssen, die durch M₂B dargestellt sind, kann mindestens eines von Chrom, Molybdän und Wolfram umfassen.
Weiterhin kann die Oberflächenrauhigkeit des rostfreien Stahlprodukts 0,06 bis 5 um sein, wie durch eine arithmetische mittlere Rauhigkeit Ra dargestellt ist.
Das Produkt ist vorzugsweise aus einem ferritischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt:

C: 0,15 % oder weniger,
Si: 0,01-1,5 %,
Mn: 0,01-1,5 %,
P: 0,04 % oder weniger,
S: 0,01 % oder weniger,
N: 0,05 % oder weniger,
Cr: 10-36 %,
Al: 0,001-6 %,
B:0-3,5 %,
Ni: 0-5 %,
Mo: 0-7 %,
Cu: 0-1 %,
V: 0-0,3 %,
Ti: 0 bis 25 x (C% +N%),
Nb: 0 bis 25 x (C% + N%),
Seltenerdelemente: 0-0,1 %,
W: 0-4 %, und
Rest: Fe und Verunreinigungen.

Das Produkt ist jedoch vorzugsweise aus einem ferritischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt:

C: 0,15 % oder weniger,
Si: 0,01 %-1,5 %,
Mn: 0,01-1,5 %,
P: 0,04 % oder weniger,
S: 0,01 % oder weniger,
N: 0,035 % oder weniger,
Cr: 15-36 %,
Al: 0,001-6 %,
B: 0-3,5 %,
Ni: 0-5 %,
Mo: 0-7 %,
Cu: 0-1 %,
Ti: 0 bis 25 × (C% + N%),
Nb: 0 bis 25 × (C% + N%),
Rest: Fe und Verunreinigungen, und
der folgenden Beziehung genügend: 13% ≤ Cr+3 × Mo – 2,5 × B ≤ 50%
wobei jedes Elementsymbol seinen Gehalt in Massenprozent darstellt.

Alternativ dazu ist das Produkt aus einem ferritischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt:

C: 0,01-0,15 %,
Si: 0,01-1,5 %,
Mn: 0,01-1 %,
P: 0,035 % oder weniger,
S: 0,01 % oder weniger,
Cr: 10-35 %,
Ni: 0,01-1 %,
Cu: 0,01-1 %,
N: 0,05 % oder weniger,
V: 0,3 % oder weniger,
Al: 0,001-0,2 %,
Mo: 0-6 %,
W : 0-4 %,
Seltenerdelemente: 0-0,1 %,
Cr + 3 Mo: 13-50 %,
Rest: Fe und Verunreinigungen, und
C, das als ein Cr enthaltendes Carbid abgeschieden worden ist, und das gesamte C in Stahl der folgenden Beziehung genügt: (Massen-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) × 100/(Gesamtmassen-% C im Stahl -0,0015 %) ≥ 80.

Alternativ dazu ist das Produkt weiterhin aus einem ferritischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt:

C: 0,08 % oder weniger,
Si: 0,01-1,5 %,
Mn: 0,01-1 ,5 %,
P: 0,035 % oder weniger,
S: 0,01 % oder weniger,
Cr: 17-36 %,
Al: 0,001-0,2 %,
B: 0,0005-3,5 %,
N: 0,035 % oder weniger,
Ni: 0-5 %,
Mo: 0-7 %,
Cu: 0-1 %,
Rest: Fe und Verunreinigungen, und
der folgenden Beziehung genügend: 13% ≤ Cr+3 x Mo-2,5 x B ≤ 50%
wobei jedes Elementsymbol seinen Gehalt in Massenprozent darstellt, und B in dem
Stahl als eine Abscheidung des Borids M₂B vorliegt.

Alternativ dazu ist das Produkt weiterhin aus einem austenitischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt:

C: 0,005-0,2 %,
Si: 0,01-1,5 %,
Mn: 0,01-2,5 %,
P: 0,04 % oder weniger,
S: 0,01 % oder weniger,
Cr: 17-30 %,
Ni: 7-50 %,
B: 0-3,5 %,
N: 0-0,4 %,
Cu: 0-3 %,
Al: 0-6 %,
Mo: 0-7 %, und
Rest: Fe und Verunreinigungen.

Das Produkt ist typischerweise aus einem austenitischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt:

C: 0,005-0,2 %,
Si: 0,01-1,5 %,
Mn: 0,01-2,5 %,
P: 0,04 % oder weniger,
S: 0,01 % oder weniger
Cr: 17-30 %,
Ni: 7-50 %,
B: 0-3,5 %,
N: 0-0,4 %,
Cu: 0-2 %,
Al: 0-6 %,
Mo: 0-7 %,
Rest: Fe und Verunreinigungen, und
der folgenden Beziehung genügend: 13% ≤ Cr+3 × Mo – 2,5× B ≤ 50%
wobei jedes Elementsymbol seinen Gehalt in Massenprozent darstellt.

Das Produkt ist geeigneterweise aus einem austenitischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt:

C: 0,03 % oder weniger,
Si: 0,01-1,5 %,
Mn: 0,01-2,5 %,
P: 0,035 % oder weniger,
S: 0,01 % oder weniger,
Cr: 17-30 %,
Ni: 7-50 %,
B: 0,0005-3,5 %,
Al: 0,001-0,2 %,
N: 0,3 % oder weniger,
Mo: 0-7 %,
Cu: 0-3 %,
Rest: Fe und Verunreinigungen, und
der folgenden Beziehung genügend: 13% ≤ Cr+3 × Mo – 2,5× B ≤ 50%
wobei jedes Elementsymbol seinen Gehalt in Massenprozent darstellt, und B in dem Stahl als eine Abscheidung des Borids M₂B vorliegt.

Weiterhin ist das Produkt geeigneterweise aus einem austenitischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt:

C: 0,015-0,2 %,
Si: 0,01-1,5 %,
Mn: 0,01-2,5 %,
P: 0,035 % oder weniger,
S: 0,01 % oder weniger,
Cr: 17-30 %,
Ni: 7-50 %,
Cu: 0-3 %,
N: 0,3 % oder weniger,
Mo: 0-7 %,
Al: 0-0,2 %,
Cr + 3 Mo: 13-50 %,
Rest: Fe und Verunreinigungen, und
C das als ein Cr enthaltendes Carbid abgeschieden worden ist, und das gesamte C im Stahl der folgenden Beziehung genügt: (Massen-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) × 100/(Gesamtmassen-% C im Stahl -0,0012 %) ≥ 85.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Platte, wie vorstehend definiert ist. Das Verfahren umfaßt die Schritte:
des Korrodierens der Oberfläche des rostfreien Stahlprodukts durch Verwendung einer wässrigen sauren Lösung, um mindestens eines aus der Gruppe, bestehend aus den leitenden Metallcarbideinschlüssen und den leitenden Metallborideinschlüssen, auf der Oberfläche freizulegen,
des Neutralisierens des Produkts durch Verwendung einer wässrigen alkalischen Lösung mit einem pH-Wert von 7 oder mehr und
des Waschens und Trocknens des Produkts.
In dem vorstehenden Verfahren kann die wässrige saure Lösung 2-20 Massen-% Flusssäure und 5-20 Massen-% Salpetersäure enthalten.
Weiterhin kann eine durchschnittliche Menge an Korrosion durch die wässrige saure Lösung 5-60 g/m² betragen.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Brennstoffzelle mit Polymerelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffgas und ein Oxidationsmitteigas einem Aggregat zugeführt werden, das durch Laminieren einer Mehrzahl von Membranelektrodenaggregaten hergestellt wird, während eine bipolare Platte, wie vorstehend definiert, zwischen die Membranelektrodenaggregate eingefügt wird, um dadurch Gleichstrom zu erzeugen.
Der Ausdruck „ein leitender Metallcarbideinschluß" wie hier verwendet bezieht sich auf einen Einschluß von Metallcarbid, wie zum Beispiel M₂₃C₆, M₄C, M₂C, MC oder jede Mischung davon und der Ausdruck „ ein leitender Metallborideinschluß" bezieht sich auf einen Einschluß von Metallborid, wie zum Beispiel M₂B. Das Symbol „M" stellt ein metallisches Element dar, das nicht auf ein spezielles Metall eingeschränkt ist und jedes Metall sein kann, das eine starke Affinität mit C oder B aufweist. Typischerweise umfaßt M hauptsächlich Cr und Fe und enthält Mikromengen an Ni und Mo. Beispiele von M₂₃C₆-Metalleinschlüssen umfassen Cr₂₃C₆ und (Cr, Fe)₂₃C₆. Beispiele von M₂C-Metalleinschlüssen umfassen Mo₂C. Beispiele von MC-Metalleinschlüssen umfassen WC. Beispiele von M₂B-Metalleinschlüssen umfassen Cr₂B, (Cr, Fe)₂B, (Cr, Fe, Ni)₂B, (Cr, Fe, Mo)₂B und (Cr, Fe, Ni, Mo)₂B, Cr_1,2Fe_0,76Ni_0,04B. Beispiele von M₄B-Metalleinschlüssen umfassen B₄C. Im Prinzip kann jeder Metalleinschluß, der eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit aufweist eine ähnliche Leistungsfähigkeit aufweisen. Die tiefgestellte „2" in „M₂B" bezieht sich auf einen stöchiometrischen Koeffizienten, der durch [(Massen-% von Cr/ Atomgewicht von Cr) + (Massen-% von Fe/Atomgewicht von Fe) + (Massen% von Mo/Atomgewicht von Mo) + (Massen-% von Ni/Atomgewicht von Ni) + (Massen-% von X/Atomgewicht von X)] / (Massen-% von B/Atomgewicht von B) von näherungsweise 2 dargestellt ist, wobei X ein Metallelement darstellt, das ein anderes als Cr, Fe, Mo und Ni ist. Diese Art Ausdruck ist nicht spezifisch, jedoch sehr allgemein.
Zusätzlich umfaßt ein Metallcarbideinschluß, wie zum Beispiel M₂₃C₆, M₄C, M₂C oder MC oder ein Metallborideinschluß, wie zum Beispiel M₂B ebenfalls einen Metalleinschluß, der in der Form, wie nachstehend beschrieben, abgeschieden ist.
Obwohl C und B in den vorstehenden Metalleinschlüssen Kohlenstoff und Bor darstellen, können insbesondere die zwei Elemente gegeneinander ausgetauscht wer den. Zum Beispiel kann ein Metallcarbideinschluß, wie zum Beispiel M₂₃(C, B)₆, M₄(C, B), M₂(C, B) oder M(C, B) und ein Metallborideinschluß, wie zum Beispiel M₂(B, C) abgeschieden werden. Weiterhin kann ein Metallcarbideinschluß, wie zum Beispiel M₂₃C₆, M₄C, M₂C oder MC und ein Metallborideinschluß, wie zum Beispiel M₂B zusammen anstatt einzeln abgeschieden werden.
Obwohl der Metallcarbideinschluß, wie zum Beispiel M₂₃C₆, M₄C, M₂C oder MC oder ein Metallborideinschluß, wie zum Beispiel M₂B jede chemische Form annehmen kann, sind somit in der vorliegenden Erfindung diese Einschlüsse, die eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit aufweisen, dispergiert, um dadurch eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit aufzuweisen.
Im allgemeinen weist eine bipolare Platte die nachstehend beschriebenen fünf Funktionen auf:

a) eine Funktion eines Kanals, der ein Brennstoffgas und ein oxidierendes Gas einheitlich in die inneren Ebenen einer Zelle zuführt;
(b) eine Funktion eines Kanals, der wirkungsvoll das in den Kathodenteilen gebildete Wasser zusammen mit einem Trägergas, wie zum Beispiel Luft oder Sauerstoff nach der Reaktion von einer Brennstoffzelle nach außen befördert;
(c) eine Funktion eines elektrischen Anschlusses zwischen den Membranelektrodenaggregaten, um dadurch einen geringen Widerstand und eine für eine Elektrode geeignete hohe Leitfähigkeit über eine ausgedehnte Zeitdauer beizubehalten,
d) eine Funktion eines Trennelements, das eine Kathodenkammer und eine Anodenkammer in benachbarten Aggregaten trennt, und
(e) eine Funktion eines Trennelements, das die Kühlwasserkanäle isoliert und benachbarte Aggregate abtrennt. In der vorliegenden Erfindung weist die bipolare Platte mindestens die vorstehend erwähnte Funktion c) auf.

Die vorliegenden Erfinder haben eine Vielzahl von Tests durchgeführt, um einen rostfreien Stahl zu entwickeln, der einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist, insbesondere einen rostfreien Stahl, der mit einem Graphitelektrodenmaterial keine Zunahme des elektrischen Kontaktwiderstands aufweist, auch wenn der Stahl in einer PEFC als bipolare Platten während einer langen Zeitdauer dient. Die Erfinder haben die folgenden Ergebnisse erhalten.

(a) Ein auf der Oberfläche von rostfreiem Stahl gebildeter passiver Film zeigt unvermeidlich einen elektrischen Widerstand. Wenn daher ein typischer mit einem passiven Film beschichteter rostfreier Stahl als bipolare Platten in einer PEFC dient, ist es schwierig, den elektrischen Widerstand so gering zu halten, damit eine ausreichende Zellleistungsfähigkeit erhalten wird.
b) Der elektrische Kontaktwiderstand hängt von der Zahl von Kontaktpunkten pro Flächeneinheit, der Gesamtfläche von Kontaktpunkten und dem elektrischen Widerstand von jedem Kontaktpunkt ab.
c) Ein leitender Metallcarbideinschluß und ein leitender Metallborideinschluß sind dispergiert und so freigelegt, dass die Einschlüsse zu der Oberfläche des rostfreien Stahls von dem passiven Film herausragen, um dadurch den elektrischen Kontaktwiderstand drastisch zu erniedrigen und den elektrischen Kontaktwiderstand kontinuierlich niedrig zu halten. In diesem Fall wirken der leitende Metallcarbideinschluß und der leitende Metallborideinschluß als elektrische Leitungswege.
d) Wird rostfreier Stahl in einer PEFC verwendet, weist rostfreier Stahl eine relativ gute Korrosionsbeständigkeit auf. Es werden jedoch Metallelemente gelöst, die zu einer Korrosion führen und es werden Korrosionsprodukte, die hauptsächlich Eisenhydroxid umfassen, gebildet, wodurch der elektrische Kontaktwiderstand erhöht wird und ein in einer Brennstoffzelle eingeschlossener Katalysator beträchtlich beeinflusst wird. Die Zellleistungsfähigkeit, die durch die elektromotorische Kraft dargestellt wird, wird innerhalb einer kurzen Zeitspanne erniedrigt und die Protonenleitfähigkeit einer Proton-leitenden Fluoridion-Austauschermembran mit einer Wasserstoffionen(Protonen)-Austauschergruppe wird verringert.
e) Im Gegensatz dazu ist ein passiver Film zur Sicherstellung der Korrosionsbeständigkeit von rostfreiem Stahl innerhalb einer PEFC wesentlich. Wird jedoch die Dicke des passiven Films zur Verstärkung des passiven Films erhöht, nimmt der elektri sche Kontaktwiderstand unter einer drastischen Erniedrigung des Zellwirkungsgrades zu.
f) Zur Verstärkung des passiven Films und Verhinderung des Freisetzens von metallischen Elementen in eine PEFC wird der Cr-Gehalt und Mo-Gehalt (Cr% + 3 × Mo%) vorzugsweise auf 13 oder höher eingestellt.
g) Wird B zu rostfreiem Stahl gegeben, um absichtlich M₂B-Metallborideinschlüsse abzuscheiden, werden Cr, Mo, Fe und Ni, die als Elemente zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit dienen, aufgebraucht, wodurch die Korrosionsbeständigkeit einer Stahlmatrix, aufgrund einer Erniedrigung der Cr- und Mo-Konzentrationen, drastisch beeinflußt wird. Zur Erhöhung der Cr- und Mo-Konzentrationen in Stahl für die Verstärkung des passiven Films und zur Verhinderung des Freisetzens von metallischen Elementen in eine PEFC wird (Cr + 3Mo -2,5B) daher vorzugsweise auf 13 oder höher eingestellt.
h) Rostfreier Stahl, in dem auf Cr basierendes Carbid abgeschieden wurde, kann ohne Rücksicht auf die Dicke des passiven Films einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand dauerhaft beibehalten. Jedoch genügt die Menge von C, die in den auf Cr basierenden Carbidabscheidungen enthalten ist und der C-Gesamtgehalt in Stahl vorzugsweise den folgenden Bedingungen: [(Massen-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) × 100/{(Gesamtmassen-% C im Stahl) -0,0015 %}] ≥ 80 für ferritischen rostfreien Stahl, und [(Massen-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) × 100/{(Gesamtmassen-% C im Stahl) -0,0012 %}] ≥ 85 für austenitischen rostfreien Stahl.
i) Die absichtliche Zugabe von Mo führt zu einer ausreichenden Korrosionsbeständigkeit. Selbst wenn Mo in die Brennstoffzelle herausgelöst wird, weist Mo eine relativ schwache Wirkung auf die Leistungsfähigkeit der Katalysatoren auf, die in einer Anode und einer Kathode eingeschlossen sind. Der vorgeschlagene Mechanismus besteht darin, dass freigesetztes Mo ein Molybdation bildet, das die Protonenleitung einer Protonen-leitenden Fuoridionen-Austauschermembran mit einer Wasserstoffio nen- (Protonen) Austauschergruppe nicht verhindert. Entsprechend bildet W ein Wolframation und weist eine Wirkung auf, die zu der von Mo ähnlich ist. Weiterhin weist ebenfalls V eine ähnliche Wirkung auf.
j) Zur Freilegung der leitenden Metalleinschlüsse, die in rostfreiem Stahl abgeschieden worden sind, wird ein Verfahren bevorzugt, das das Lösen der Oberfläche von rostfreiem Stahl durch Verwendung einer wässrigen sauren Lösung umfaßt.
k) Wird rostfreier Stahl, der mit Wasser gewaschen und getrocknet wurde, nach Beendigung des Ätzens so belassen wie er ist, so neigt der elektrische Kontaktwiderstand dazu, im Laufe der Zeit zuzunehmen. Dies wird hauptsächlich durch Oxidation aufgrund des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs verursacht. Insbesondere wird eine in den Mikrovertiefungen, die sich in der geätzten Oberfläche gebildet haben, verbleibende Säure verdampft, eingeengt und strömt heraus, wobei sie Korrosion verursacht. Die Oberfläche von rostfreiem Stahl weist unmittelbar nach dem Ätzen einen sehr dünnen passiven Film auf und Hydrat oder Hydroxyionen bildende Wassermoleküle sind an die Oberfläche gebunden. Wird ein derartiger rostfreier Stahl an Luft stehengelassen, dissoziieren und verdampfen Wassermoleküle bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Dann wird Sauerstoff an die Stellen der dissoziierenden Wassermoleküle gebunden, wodurch Korrosionsprodukte abgeschieden werden und der elektrische Kontaktwiderstand erhöht wird. Da ein derartiges Phänomen innerhalb mehrerer Stunden vonstatten geht, nimmt der elektrische Kontaktwiderstand im Laufe der Zeit zu, wenn der rostfreie Stahl als Elektrizitäts-leitende Elemente dient.
l) Wenn jedoch der geätzte rostfreie Stahl mit einer wässrigen alkalischen Lösung behandelt wird, wird die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit deutlich gemildert, insbesondere die Zunahme des elektrischen Kontaktwiderstands in einer korrosiven Umgebung, insbesondere in einer bipolaren Platte.
m) Das Ausmaß der Freilegung und die Höhe der herausragenden leitenden Metalleinschlüsse, die den elektrischen Kontaktwiderstand bestimmen, kann industriell mittels Variieren der durchschnittlichen Korrosionsmenge (Auflösungsmenge) gesteuert werden. Weiterhin befindet sich die durchschnittliche Korrosionsmenge innerhalb eines geeigneten Bereichs, in dem der Kontaktwiderstand minimiert ist. Dies hängt

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt die Struktur einer PEFC und 1B zeigt die gesamte Struktur einer PEFC.
2 zeigt einen Zustand, in dem der Kontakt zwischen der Oberfläche des rostfreien Stahlprodukts, in dem Metalleinschlüsse freigelegt sind, und einer Oberfläche eines anderen elektrisch leitenden Körpers hergestellt wurde.
3 ist eine graphische Darstellung, die ein zweidimensionales Oberflächenrauhigkeitsprofil eines geätzten rostfreien Stahlblechs zeigt.
4 ist eine graphische Darstellung, die ein dreidimensionales Oberflächenrauhigkeitsprofil eines geätzten rostfreien Stahlblechs zeigt.
5A ist eine Mikrophotographie, die M₂B-Metallborideinschlüsse zeigt, die auf der Oberfläche des rostfreien Stahls freigelegt sind, und 5B ist eine Mikrophotographie, die M₂₃C₆-Metallcarbideinschlüsse zeigt, die auf der Oberfläche des rostfreien Stahls freigelegt sind.
6 ist eine Mikrophotographie, die M₂B-Metallborideinschlüsse zeigt, die auf der Oberfläche von ferritischem rostfreien Stahl freigelegt sind.
7 ist eine Mikrophotographie, die M₂B-Metallborideinschlüsse zeigt, die auf der Oberfläche von austenitischem rostfreien Stahl freigelegt sind.
8 ist eine graphische Darstellung zur Beschreibung der mittleren Oberflächenrauhigkeit Ra, entsprechend der Definition von JIS B0601.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Als nächstes werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. Im Nachstehenden bezieht sich das Symbol „%"auf „Massen-%".
Metalleinschluß
Es werden eine oder mehrere Arten aus einer Vielzahl von Feinmetalleinschlüssen von Carbid oder Borid, die elektrisch leitende Einschlüsse sind, so zur Verfügung gestellt, dass sie aus dem Inneren des rostfreien Stahls zur Außenseite des passiven Films durch den Film herausragen, wobei der Film auf der Oberfläche des rostfreien Stahls vorhanden ist. Nachstehend wird ein derartiger Zustand von Metalleinschlüssen als „Dispersion" und „Freilegung" bezeichnet.
Metalleinschlüsse sind auf der Oberfläche von rostfreiem Stahl dispergiert und freigelegt, damit sie dabei helfen, dass die Einschlüsse als ein elektrischer Weg wirken und den elektrischen Kontaktwiderstand verringern.
Bevorzugte Metallcarbideinschlüsse umfassen einen M₂₃C₆-Typ, einen M₄C-Typ, einen M₂C-Typ und einen MC-Typ, und bevorzugte Metallborideinschlüsse umfassen einen M₂B-Typ.
Ein M₂₃C₆-Metallcarbideinschluß in rostfreiem Stahl verringert im allgemeinen die Korrosionsbeständigkeit und daher wird der Einschluß als unerwünscht betrachtet. In der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein M₂₃C₆-Metallcarbideinschluß, der als unerwünscht betrachtet worden ist, in einer großen Menge abgeschieden und als ein „elektrischer Weg" verwendet, der den elektrischen Kontaktwiderstand verringert, der durch die Bildung eines passiven Films erhöht worden ist.
Von den Metallcarbideinschlüssen vom M₂₃C₆-Typ, M₂C-Typ und MC-Typ und einem Metallborideinschluß vom M₂B-Typ wird ein Metalleinschluß, der ein oder mehrere von Chrom, Molybdän und Wolfram, die als ein metallisches Element (M) dienen, aus den nachstehenden Gründen bevorzugt. Die Carbide und Boride solcher Metalle sind als ein Metalleinschluß thermodynamisch stabil und weisen ähnlich zu Matrizen eine hohe Leitfähigkeit und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf. Diese Metalleinschlüsse weisen eine hohe Härte auf und werden somit bevorzugt verwendet, um ein Ziel in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wobei die Einschlüsse in die Oberfläche des rostfreien Stahls mittels Bearbeitungsverfahren, wie zum Beispiel Abstrahlverfahren, Glätten oder Schleifen, so gedrückt werden, dass sie darin bleiben, um dadurch Wirkungen aufzuweisen. Zusätzlich sind selbst wenn diese Metalleinschlüsse gelöst werden, die gelösten Metallionen Korrosionsbeständigkeits-erhöhende Elemente zur Förderung der Passivierung von rostfreiem Stahl. Molybdän und Wolfram bilden üblicherweise Metallionen und können Anionen, wie zum Beispiel Molybdationen und Wolframationen bilden, und diese Metalle beeinflussen selten eine Protonen-leitende Membran, die als eine Elektrolytmembran dient.
Das Folgende sind Verfahren zur Freilegung von Metalleinschlüssen auf der äußeren Oberfläche eines passiven Films, der auf der Oberfläche des rostfreien Stahls gebildet wurde:

(1) ein Verfahren zum Ätzen von rostfreiem Stahl, wobei Metalleinschlüsse abgeschieden werden, um dadurch die Oberfläche des rostfreien Stahls wegzukorrodieren,
(2) ein Verfahren zum Walzen von rostfreien Stahl durch Verwendung einer Walze mit Mikrounregelmäßigkeiten, wobei die Oberfläche einem Bearbeitungsverfahren, wie zum Beispiel Abstrahlen oder Ätzen unterzogen wird (eine derartige Walze wird eine „matte Walze" genannt),
(3) ein Verfahren zum Pressen von metallischem Mikropulver von B₄C, WC oder Mo₂C, das ein elektrisch leitendes Pulver ist, in die Oberfläche des rostfreien Stahls damit es, während der Bearbeitung des Pulvers, wie zum Beispiel Abstrahlen, Glätten oder Schleifen, darin bleibt,
(4) ein Verfahren, das ein Oberflächenbehandlungsverfahren, genannt Oberflächenmodifikation, wie zum Beispiel eine Ablagerung oder Ionenimplantation, kombiniert mit einer thermischen Behandlung zur Abscheidung.

Von diesen zieht das Verfahren vom Typ (4) hohe Kosten nach sich, wenn es industriell angewandt wird, jedoch ist das Verfahren wirkungsvoll, da abgesehen von der äußersten Schicht, die Eigenschaften von rosffreiem Stahl kaum in einer Richtung der Dicke variieren. Unterdessen ist das vorstehend erwähnte Ätzverfahren zur Herstellung von rostfreiem Stahl im industriellen Maßstab geeignet und das Verfahren ist besonders bevorzugt, weil es einfach ausführbar ist. Daher wird das Ätzen zum Freilegen von Metalleinschlüssen beschrieben.
Das Ätzen kann durch Eintauchen der rostfreien Stahlmatrix in eine saure Lösung, die die Matrix lösen kann, oder durch Elektrolysieren der Matrix in der Lösung ausgeführt werden.
Vorzugsweise korrodiert eine zum Ätzen verwendete saure Lösung die rostfreie Stahlmatrix einheitlich und ausschließlich so, dass leitende Metalleinschlüsse zurückbleiben.
Beispiele solcher saurer Lösungen umfassen eine Salpeter-Flußsäurelösung, eine wässrige Schwefelsäure und eine wässrige Salzsäurelösung, die üblicherweise in der Fertigungsstraße von rosffreiem Stahl im industriellen Maßstab verwendet werden. Alternativ dazu kann eine handelsübliche wässrige saure Lösung zum Ätzen von rosffreiem Stahl verwendet werden, wobei die Lösung hauptsächlich eine wässrige Eisenchloridlösung enthält. Falls notwendig, können organische oder anorganische Zusatzstoffe zu einer sauren Lösung gegeben werden, um eine Verschlechterung der Lösung zu verhindern oder um eine korrodierte Oberfläche eben und glatt zu machen.
Die Konzentration der zum Ätzen erforderlichen sauren Komponente in einer wässrigen sauren Lösung variiert mit der Art des rosffreien Stahls und der Temperatur für die Ätzbehandlung. Die Temperatur für die Ätzbehandlung kann innerhalb eines Bereichs von Raumtemperatur bis zum Siedepunkt der Lösung liegen. Die Konzentration und die Temperatur können durch Beobachten des Korrosionszustands von rostfreiem Stahl bestimmt werden. Die Konzentration und Temperatur werden vorzugsweise so eingestellt, dass ein mittlerer Massenverlust von 5-60 g/m² und eine Oberflächenrauhigkeit, das heißt eine arithmetische mittlere Rauhigkeit (Ra) von 0,06-5 µm erhalten wird.
Eine bevorzugte wässrige saure Lösung ist eine wässrige Salpeter-Flußsäurelösung. Die Konzentration der Flußsäure in der Lösung beträgt 2-20 Massen-%, die Konznetration der Salpetersäure in der Lösung beträgt 5-20 Massen-% und die Temperatur der Lösung beträgt 30-90 °C. Ist die Konzentration der Flußsäure oder Salpetersäure unterhalb des unteren Grenzwerts des vorstehenden Bereichs, kann die Ätzleistung verringert sein, übersteigt hingegen die Konzentration den oberen Grenzwert des vorstehenden Bereichs, kann die Oberfläche des rostfreien Stahls beträchtlich angerauter sein, wodurch der elektrische Kontaktwiderstand zunimmt. Eine wässrige Salpeter-Flußsäurelösung ermöglicht die Freilegung leitender Metalleinschlüsse und gleichzeitig die Passivierung der Oberfläche der rostfreien Stahlmatrix, und daher wird die Lösung bevorzugt.
Bei Verwendung einer wässrigen Schwefelsäurelösung kann nach Beendigung des Ätzens ein Korrosionsprodukt an der rostfreien Stahloberfläche haften und daher muß das Produkt durch Verwendung einer sauren Lösung, wie zum Beispiel eine wässrige Salzsäurelösung, die das Produkt löst, entfernt werden. Bei Verwendung einer wässrigen Schwefelsäurelösung beträgt die Konzentration der Lösung 5-25 Massen-%.
Eine Salzsäurelösung, die sich von einer Salpeterlösung unterscheidet, kann die Oberfläche der rostfreien Stahlmatrix nicht passivieren, jedoch beträgt bei Verwendung einer Salzsäurelösung die Konzentration einer Salzsäurelösung vorzugsweise 3-15 Massen-%. Die Temperatur der vorstehenden Lösungen wird vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von Raumtemperatur bis 85 °C eingestellt. Eine Mischung dieser Lösungen kann als Ätzlösung verwendet werden, und sofern notwendig, kann ein handelsüblicher Hemmstoff zu der Lösung gegeben werden, um die Korrosionsgeschwindigkeit geringzuhalten.
Wie vorstehend beschrieben, kann das Ätzen wirkungsvoll durch Eintauchen von rostfreiem Stahl in eine wässrige saure Lösung ausgeführt werden. Alternativ dazu kann das Ätzen durch Bestrahlen, Bespritzen oder Sprühen einer sauren Lösung auf die rostfreie Stahloberfläche ausgeführt werden.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung muß nach Beendigung des Ätzens eine Neutralisationsbehandlung ausgeführt werden. Selbst wenn rostfreier Stahl nach dem Ätzen ausreichend mit Wasser gewaschen wird, kann eine saure Komponente in den Mikrounregelmäßigkeiten der rostfreien Stahloberfläche, in den Räumen zwischen den Metalleinschlüssen und der rostfreien Stahlmatrix und an den Korngrenzen zurückbleiben. In den meisten Fällen wird daher die saure Komponente zusammen mit dem Trocknen der Oberfläche konzentriert. Als Ergebnis kann die Oberflächenkorrosion aufgrund der Konzentration und Dispersion einer Ätzlösung voranschreiten, und der Kontaktwiderstand auf der Oberfläche kann im Laufe der Zeit zunehmen. Wird jedoch eine Neutralisationsbehandlung durch Eintauchen von rostfreiem Stahl in eine wässrige alkalische Lösung mit einem pH-Wert von 7 oder höher, oder durch Aufsprühen einer solchen Lösung auf die rostfreie Stahloberfläche ausgeführt, kann eine Verschlechterung der Eigenschaften des rostfreien Stahls in einem beachtlichen Umfang verhindert werden. In diesem Fall bezieht sich der Ausdruck „Sprühen" ebenfalls auf Bestrahlen oder Spritzen einer wässrigen alkalischen Lösung durch eine Düse.
Eine wässrige in der vorliegenden Erfindung verwendete alkalische Lösung genügt vorzugsweise den folgenden Bedingungen: (1) sie ist wasserlöslich, (2) sie kann gut nach Behandlung mit Wasser abgewaschen werden, (3) der Abfall kann leicht in industriellem Maßstab behandelt werden und (4) sie ist leicht verfügbar und kostengünstig. Ein bevorzugtes Beispiel einer solchen wässrigen alkalischen Lösung ist eine wässrige Lösung mit 3-10 Massen-% Natriumhydroxid.
2 ist eine Querschnittsansicht, die den Fall der Oberfläche eines Leiters, der mit der rostfreien Stahloberfläche der vorliegenden Erfindung, bei der die Metalleinschlüsse freigelegt sind, in Kontakt gebracht wurde, zeigt.
2 zeigt den Zustand, in dem ein passiver Film 12 auf der rostfreien Stahloberfläche 10 gebildet ist und abgeschiedene Metallborideinschlüsse 13 und Metallcarbideinschlüsse 15 und herausragende Metalleinschlüsse 14 auf der rostfreien Stahloberfläche freigelegt sind und diese Einschlüsse in Kontakt mit einer Kohlenstoffplatte 11 gebracht wurden.
Die Oberflächenrauhigkeit von rostfreiem Stahl nach dem Ätzen kann sich auf den elektrischen Kontaktwiderstand auswirken, und daher beträgt die arithmetische mittlere Rauhigkeit von rostfreiem Stahl vorzugsweise 0,06-5 µm. Beträgt die arithmetische mittlere Rauhigkeit (Ra) von rostfreiem Stahl weniger als 0,06 µm, ist die Oberfläche sehr eben und somit wird selbst, wenn leitende Metalleinschlüsse in der Nähe der Oberfläche vorhanden sind, der elektrische Kontaktwiderstand kaum erhöht. Ist die Oberfläche sehr eben, kann nämlich die Zahl der Kontaktpunkte abnehmen. Im Gegensatz dazu nimmt die Zahl der Kontaktpunkte pro Einheitsfläche beträchtlich ab, wenn Ra 5 µm übersteigt, und somit neigt der elektrische Kontaktwiderstand dazu, geringer zu werden. Daher beträgt Ra vorzugsweise 0,06-5 µm, bevorzugter 0,06-2,5 µm.
Die vorstehend beschriebene Oberflächenrauhigkeit, das heißt die „arithmetische mittlere Rauhigkeit Ra" bezieht sich auf einen Wert, der den Rauhigkeitsgrad einer zweidimensionalen Oberfläche darstellt, entsprechend der Definition in JIS B 0601-1982.
Wie in 8 gezeigt ist, ist Ra ein in Mikrometern (µm) gemessener Wert und er wird durch die folgende Gleichung berechnet, wenn ein Teil der Rauhigkeitskurve (y = f(x)) mit einer vorher festgelegten Einheitslänge in Richtung einer mittleren Linie entfernt wird, wobei die X-Achse in der Richtung der mittleren Linie des Teils bereitgestellt wird und die Y-Achse in der Richtung der longitudinalen Vergrößerung des Teils zur Verfügung gestellt wird.
Als nächstes wird eine bevorzugte chemische Zusammensetzung des rostfreien Stahls der vorliegenden Erfindung beschrieben.
C
C ist wie B ein wichtiges Element in der vorliegenden Erfindung. Wird C als hauptsächlich Cr enthaltendes Carbid in rostfreiem Stahl abgeschieden, kann der elektrische Kontaktwiderstand der rostfreien Stahloberfläche, die mit einem passiven Film bedeckt ist, aus den nachstehenden Gründen erniedrigt sein. Cr enthaltendes Carbid weist metallische Eigenschaften auf und weist im Vergleich zum passiven Film eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. In B enthaltendem rostfreien Stahl können B-Elemente in Borid gegen C-Elemente in Carbid ersetzt sein und das Carbid wird abgeschieden.
Im Allgemeinen wird ein sehr dünner passiver Film mit einer Dicke von mehreren Zehn Å auf der rostfreien Stahloberfläche gebildet und der Film weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf. Im Allgemeinen weist ein passiver Film im Vergleich zu einer rostfreien Stahlmatrix jedoch eine niedrige elektrische Leitfähigkeit auf und somit erhöht der Film den elektrischen Kontaktwiderstand. Wird ein passiver Film dünner gemacht, kann der elektrische Widerstand erniedrigt werden. Bei der Verwendung eines rostfreien Stahls in einer PEFC ist es jedoch insbesondere schwierig, einen passiven Film als einen dünnen Film mit einheitlicher Dicke vorhanden sein zu lassen. Wird Cr enthaltendes Carbid, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, nicht mit einem passiven Film bedeckt, sondern direkt auf der Oberfläche des Films freigelegt, wird der elektrische Widerstand der rostfreien Stahloberfläche sehr wirksam über eine ausgedehnte Zeitdauer hinweg erniedrigt. Cr enthaltendes Carbid ist gegenüber Korrosion beständig, und ein passiver Film wird nicht auf der Oberfläche des Carbids gebildet, Daher wird selbst bei einer Zunahme der Dicke eines passiven Films auf der rostfreien Stahloberfläche in einer PEFC, eine gute Leitfähigkeit durch den Eingriff des Cr enthaltenden Carbids, das auf der rostfreien Stahloberfläche freigelegt ist, beibehalten und somit kann der elektrische Kontaktwiderstand auf der rostfreien Stahloberfläche erniedrigt werden. Mit anderen Worten, wirkt ein feines Cr enthaltendes Carbid, das nicht mit einem passiven Film bedeckt ist, sondern auf der rostfreien Stahloberfläche freigelegt ist, als ein „elektrischer Weg" (Nebenschluß) und somit kann der elektrische Kontaktwiderstand erniedrigt werden.
Enthält rostfreier Stahl eine große Menge an C, weist der Stahl im Allgemeinen eine hohe Festigkeit und Härte und eine geringe Verformbarkeit auf, was zu einer schlechten Ertragsfähigkeit führt. Zur Beibehaltung der Verformbarkeit von rostfreiem Stahl, der zur Herstellung einer bipolaren Platte für eine PEFC verwendet wird, wird C in rostfreiem Stahl vorzugsweise als Carbid unter Verringerung der in dem Stahl enthaltenen C-Menge abgeschieden. Bei der Abscheidung von C als Carbid kann die Verformbarkeit von rostfreiem Stahl verbessert werden. Eine wirksame Maßnahme zur Beibehaltung der Verformbarkeit von rostfreiem Stahl ist es nämlich, C im Stahl als Carbid abzuscheiden. Zusätzlich wird die Verformbarkeit von rostfreiem Stahl sehr wirkungsvoll durch Umwandeln von Carbid in eine große Koagulation durch thermische Behandlung verbessert. Wird Carbid über eine ausgedehnte Zeitdauer bewahrt, koaguliert Carbid unter Bildung einer großen Koagulation. Wird vorher mittels Kaltwalzen, Bestrahlen mit feinem Metallpulver, Glätten oder Schleifen eine Restbeanspruchung auf Carbid angewandt, bevor das Carbid einer thermischen Behandlung unter Bildung einer großen Koagulation unterzogen wird, kann die Zeit für die Abscheidung und Koagulation von Carbid verkürzt werden. Selbst wenn offenbar wird, dass eine Sensibilisierung mit der Carbidabscheidung einhergeht, erholt sich zusätzlich die Korrosionsbeständigkeit sofort auf Matrixniveau.
Ist in einem ferritischen rostfreien Stahl C in einer Menge enthalten, die 0,15 % übersteigt, kann die Verformbarkeit des zur Herstellung einer bipolaren Platte in einer PEFC verwendeten Stahls nicht beibehalten werden, und somit ist C vorzugsweise in einer Menge von 0,15 % oder weniger enthalten. Zur Verhinderung der durch die Carbidabscheidung verursachten Sensibilisierung ist ein von der folgenden Formel erhaltener Wert vorzugsweise 80 oder mehr: (Massen% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) × 100/[(Gesamtmassen-% des im Stahl enthaltenen C) – 0,0015 %].
Zum Abscheiden, Dispergieren und Freilegen von Carbid auf der rostfreien Stahloberfläche ist C im Stahl vorzugsweise in einer Menge von 0,01 % oder mehr, bevorzugter 0,04 % oder mehr enthalten. Zur Beschleunigung der Abscheidung von Carbid kann rostfreier Stahl einer thermischen Behandlung bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von 500-950 °C unterzogen werden. Beträgt die Behandlungstemperatur mehr als 950 °C, wird das Cr enthaltende Carbid thermisch instabil und ist wiederum im rostfreien Stahl enthalten. Im Gegensatz dazu diffundieren bei einer Behandlungstemperatur von weniger als 500 °C langsam C und Cr in rostfreiem Stahl und somit ist zur Abscheidung in einer Großproduktion eine längere Zeitdauer erforderlich, die aus der Sicht der industriellen Fertigung unbefriedigend ist. Die Abschei dung des Cr enthaltenden Carbids wird vorzugsweise bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von 650-900 °C, bevorzugter 800-900 °C ausgeführt.
Zum Abscheiden von Carbid in großer Menge in austenitischem Stahl kann C in einer Menge von 0,005-0,2 % enthalten sein. Ist C in einer Menge enthalten, die 0,2 % übersteigt, ist das Beibehalten der Verformbarkeit von rostfreiem Stahl, der zur Herstellung einer bipolaren Platte für eine PEFC verwendet wird, schwierig. Zur Abscheidung von Carbid in großer Menge und zur Dispersion und Freilegung des Carbids auf der Oberfläche des rostfreien Stahls ist C vorzugsweise im Stahl in einer Menge von 0,015 % oder mehr, bevorzugter 0,06 % oder mehr enthalten. Zur Verhinderung der durch die Carbidabscheidung verursachten Sensibilisierung ist ein von der folgenden Formel erhaltener Wert vorzugsweise 85 oder mehr: (Massen% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) × 100/[(Gesamtmassen-% des im Stahl enthaltenen C) – 0,0012 %]. Zur Beschleunigung der Abscheidung von Carbid kann rostfreier Stahl einer thermischen Behandlung bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von 500-950 °C unterzogen werden. Beträgt die Temperatur mehr als 950 °C, wird das Cr enthaltende Carbid thermisch instabil und ist wiederum im rostfreien Stahl enthalten. Im Gegensatz dazu dispergieren bei einer Behandlungstemperatur von weniger als 500 °C langsam C und Cr in rostfreiem Stahl und somit ist zur Abscheidung in einer Großproduktion eine längere Zeitdauer erforderlich, die aus der Sicht der industriellen Fertigung unbefriedigend ist. Die Abscheidung des Cr enthaltenden Carbids wird vorzugsweise bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von 600-900 °C ausgeführt.
Cr enthaltendes Carbid dispergiert und scheidet sich in Stahl fein ab, jedoch neigt es dazu, sich ausschließlich an Korngrenzen abzuscheiden. Zur Erniedrigung des elektrischen Kontaktwiderstands kann Cr enthaltendes Carbid entweder an Korngrenzen oder in Körnchen abgeschieden werden. Aus Sicht der einheitlichen Dispersion von Carbid dispergiert Carbid bevorzugt in Körnchen.
Zur Dispersion des Cr enthaltenden Carbids in Körnchen des rostfreien Stahls wird zuerst das Carbid abgeschieden, und mittels Warmwalzen oder Kaltwalzen innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs und für eine festgelegte Zeit wird der Stahl so beansprucht, dass nicht wiederum das gesamte Carbid im Stahl enthalten ist, das heißt, dass nur ein Teil des Carbids wieder im Stahl enthalten ist. Anschließend wird die Temperatur innerhalb eines Temperaturbereichs gehalten, in dem das Carbid abgeschieden wird, dass heißt 500-950 °C. Die Wirkung der Kaltformung kann durch einen Kaltformungsgrad in der Größe von mehreren % bestätigt werden, jedoch beträgt der Grad vorzugsweise näherungsweise 20-30 % oder mehr. Die Beanspruchung kann nur auf die Nähe einer äußeren Schicht des rostfreien Stahls angewandt werden und das Carbid kann nur in der Nähe der äußeren Schicht abgeschieden werden. C im rostfreien Stahl, das wieder im Stahl enthalten ist, wird unter Verwendung des an den Korngrenzen oder in den Körnchen, die als Nuklei dienen, übrig gebliebenen Carbids unter Bildung einer weiteren Korngrenze und Abscheidung von Carbid in einem weiteren Körnchen, wieder abgeschieden.
Wird eine Beanspruchung nur auf die Nähe der Oberfläche angewandt und wird die Abscheidungsbehandlung nur in der Nähe der Oberfläche ausgeführt, wird es in ferritischem rostfreien Stahl schwierig, einen Wert von 80 oder mehr in der folgenden Formel zu erhalten: (Massen-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) × 100/((Gesamtmassen-% des im Stahl enthaltenen C) – 0,0015 %). Währenddessen ist es in austenitischem rostfreien Stahl schwierig, einen Wert von 85 oder mehr in der folgenden Formel zu erhalten: (Massen-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) × 100/((Gesamtmassen-% des im Stahl enthaltenen C) – 0,0012 %). Es wird jedoch bevorzugt, die vorstehenden Werte in der Oberfläche des rostfreien Stahls zu erhalten, auf der Carbid freigelegt ist.
Wie bei der Abscheidung von Cr enthaltendem Carbid bekannt ist, kann die Korrosionsbeständigkeit einer rostfreien Stahlmatrix durch Sensibilisierung erniedrigt werden. Der Ausdruck „Sensibilisierung" bezieht sich auf die Erniedrigung der Korrosionsbeständigkeit, die durch Bildung einer Cr-verarmten Zone auftritt, die das abgeschiedene Cr enthaltende Carbid umgibt. Die Sensibilisierung kann vermieden oder gemildert werden, indem der rostfreie Stahl in einem Temperaturbereich zwischen 500 °C und 950 °C für eine längere Zeitdauer gehalten wird und der Stahl allmählich abgekühlt wird. Im allgemeinen wird eine langsame Abkühlungsgeschwindigkeit bevorzugt.
Die thermische Behandlungszeit zur Verhinderung der Sensibilisierung variiert jedoch mit der C-Menge im rostfreien Stahl und mit der Behandlungsgeschichte des Materials, und es ist schwierig die zeitlichen Bedingungen zu bestimmen. Die Bedingungen der thermischen Behandlung zur Verhinderung einer Sensibilisierung variieren nämlich mit dem Zustand der Carbidabscheidung, der Menge an Restbeanspruchung oder der Lagertemperatur vor der thermischen Behandlung zur Carbidabscheidung und daher ist es schwierig, die Bedingungen zu bestimmen. Rostfreier Stahl wird zum Beispiel in einem Ofen bei 830 °C während sechs Stunden gekühlt.
Unmittelbar nach Beendigung der Abscheidung und der thermischen Behandlung kann rostfreier Stahl ohne Abkühlen sukzessive einer thermischen Behandlung zur Verhinderung der Sensibilisierung unterzogen werden. Alternativ dazu wird nach dem Abkühlen des rostfreien Stahls der Stahl wieder auf eine Temperatur innerhalb eines Bereichs von 500 °C-950 °C erwärmt, bei dieser Temperatur gehalten und allmählich abgekühlt, um dadurch eine Sensibilisierung zu vermeiden oder zu mildern. Als ein Standard kann in ferritischem rostfreien Stahl ein Wert von 80 oder mehr in der folgenden Formel erhalten werden: (Massen-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) × 100/((Gesamtmassen-% des im Stahl enthaltenen C) – 0,0015 %). In austenitischem rostfreien Stahl kann ein Wert von 85 oder mehr in der folgenden Formel erhalten werden: (Massen-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) × 100/((Gesamtmassen-% des im Stahl enthaltenen C) – 0,0012 %). Ob die Sensibilisierung vermieden wurde, die Sensibilisierung wiederkehrte und die Korrosionsbeständigkeit in rostfreiem Stahl erhalten wurde kann einfach mittels eines Korngrenzen-Korrosionsnachweisverfahrens bestätigt werden, zum Beispiel mit einem „Schwefelsäure-Kupfersulfat-Korrosionstest", beschrieben von JIS G-0575.
Zur Messung des Wertes „Massen-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C" wird ein runder Block mit einem Durchmesser von 8 mm aus einem Testmaterial hergestellt, und der Block wird einer Elektrolyse mit konstantem Strom in einem nicht wässrigen Lösungsmittel unter Verwendung eines AA-Lösungsmittels (10 % Acetylaceton-1 % Tetramethylammoniumchlorid-Methanol (Rest)) unterzogen. Die Cr-Menge in dem so erhaltenen „Extraktionsrückstand" wird quantitativ analysiert und es wird angenommen, dass das gesamte Cr in Cr₂₃C₆ enthalten ist, um dadurch die C-Menge mittels entsprechender Berechnung zu erhalten.
Insbesondere wird ein runder Block einer Elektrolyse mit konstantem Strom in einem nicht wässrigen AA-Lösungsmittel bei einer Stromdichte von 20 mA/cm² für näherungsweise drei Stunden unterzogen, um dadurch den Block in dem Lösungsmittel zu lösen (näherungsweise 0,4 g). Unmittelbar nach der Elektrolyse werden das nicht wässrige AA-Lösungsmittel, das in der Elektrolyse verwendet wurde, und ein nicht wässriges AA-Lösungsmittel, in dem das Elektrolyseprobenstück unter Ultraschall gereinigt worden ist, unter Verwendung von „Nuclepore" mit einem Filterdurchmesser von 0,2 µm (ein Erzeugnis der Coster Scientific Corporation) filtriert, und der Rückstand auf dem Filter wird in Schwefel-Phosphorsäure (Phosphorsäure von hoher Qualität:Schwefelsäure von hoher Qualität:destilliertem Wasser = 1:1:1) gelöst. Die somit erhaltene Lösung wird einer Metallkomponentenanalyse unter Verwendung eines induktiv-gekoppelten Plasmafluoreszenzspektroskopieanalysators (Modell: ICPV-1014, ein Erzeugnis der SHIMADZU CORPORATION) unterzogen, um dadurch die Cr-Konzentration im Cr enthaltenden Carbid zu erhalten.
Die Messung des „Gesamtmassen-% des im Stahl enthaltenen C" wird mittels einem Infrarot-Absorptionsverfahren ausgeführt. Insbesondere wird ein Probenstück unter strömendem Sauerstoff erwärmt und geschmolzen, und der Kohlenstoff im Stahl wird ausreichend zur Bildung von Kohlenstoffdioxid erwärmt. Das somit erhaltene Kohlenstoffdioxid wird zusammen mit Sauerstoff in eine Infrarot-Absorptionszelle befördert und die Kohlenstoffmenge wird auf der Basis der Infrarot-Absorption von Kohlenstoffdioxid gemessen. Derzeit ist dies das üblichste Verfahren zur quantitativen Bestimmung von Kohlenstoff in Stahl.
Si
In rostfreiem Stahl ist Si vorzugsweise in einer Menge von 0,01-1,5 % enthalten. Si, sowie auch Al, ist ein wirksames deoxidierendes Element im Stahl, das im industriellen Maßstab erzeugt wird. Beträgt die Si-Menge in Stahl weniger als 0,01 %, ist die Deoxidation unzureichend, übersteigt hingegen die Menge 1,5 % kann der Stahl in seiner Verformbarkeit schlechter werden.
Mn
In ferritischem rostfreien Stahl ist Mn vorzugsweise in einer Menge von 0,01-1,5 enthalten. Im Allgemeinen wirkt sich Mn auf die Fixierung von S in Stahl unter Bildung eines Mn-Sulfids aus und es wirkt sich auf eine Verbesserung der warmen Verarbeitbarkeit aus. In austenitischem rostfreien Stahl ist Mn in einer Menge von 0,01-2,5 % enthalten. Mn ist ein wirksames die Austenitphase stabilisierendes Element. Mn ist nicht notwendigerweise im Stahl in einer Menge enthalten, die 2,5 % übersteigt.
P
Die Menge an P in Stahl beträgt vorzugsweise 0,04 % oder weniger. In der vorliegenden Erfindung wird P so wie S als eine sehr schädliche Verunreinigung betrachtet. Je kleiner die Menge an P ist, desto vorteilhafter ist es.
S
Die Menge an S in Stahl beträgt vorzugsweise 0,01 % oder weniger. In der vorliegenden Erfindung wird S so wie P als eine sehr schädliche Verunreinigung betrachtet. Je kleiner die Menge an S ist, desto vorteilhafter ist es. Entsprechend der Art der koexistierenden Elemente im Stahl und der Menge an S, ist das meiste S in Stahl als ein Mn enthaltendes Sulfid, Cr enthaltendes Sulfid, Fe enthaltendes Sulfid, als deren Komplexsulfid oder als ein Nichtmetallkomplexeinschluß mit Oxid abgeschieden. Jedoch wirkt in einer bipolaren Platte für eine PEFC jeder zusammengesetzte nichtmetallische Sulfideinschluß in einem gewissen Ausmaß als ein Ursprung für die Korrosion, und der Einschluß wird für die Erhaltung des passiven Films und die Verhinderung der Freisetzung von Korrosionsprodukten nachteilig. Im allgemeinen übersteigt die Menge an S im Stahl, der im industriellen Maßstab hergestellt wird, 0,005 und sie beträgt näherungsweise 0,008 %. Zur Verhinderung der vorstehend erwähnten nachteiligen Wirkungen beträgt die Menge an S in Stahl vorzugsweise 0,002 % oder weniger, bevorzugter weniger als 0,001 % und je kleiner die Menge ist, desto vorteilhafter ist es. In derzeit angewandten Raffiniertechniken kann die Menge an S in Stahl auf weniger als 0,001 % bei der Stahlherstellung im industriellen Maßstab bei einer geringen Steigerung der Produktionskosten, ohne ein Problem aufzuwerfen, verringert werden.
Cr
Cr ist ein sehr wichtiges grundlegendes Legierungselement zur Erhaltung der Korrosionsbeständigkeit einer Matrix. Je größer die Menge an Cr in Stahl ist, desto größer ist die Korrosionsbeständigkeit. Wenn in ferritischem Stahl die Menge an Cr 36 übersteigt, ist die Stahlherstellung in industriellem Maßstab schwierig. Wenn die Menge an Cr in austenitischem Stahl 30 % übersteigt, wird eine Austenitphase durch Anpassung der anderen Legierungskomponenten instabil. Wenn die Menge an Cr in ferritischem Stahl weniger als 10 % beträgt, wird es schwierig, die Korrosionsbeständigkeit, die für einen Stahl, der als eine bipolare Platte verwendet wird, erforderlich ist, beizubehalten, selbst wenn die Mengen der anderen Elemente variiert werden. Alternativ dazu wird es bei einer Menge an Cr von weniger als 17 % in austenitischem Stahl schwierig, die Korrosionsbeständigkeit, die für einen als eine bipolare Platte verwendeten Stahl erforderlich ist, beizubehalten, selbst wenn die Mengen der anderen Elemente variiert werden.
Bei Abscheidung von Borid oder Carbid wird die Menge an dem im Stahl enthaltenen Cr, wobei Cr zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit beiträgt, im Vergleich zu der im geschmolzenen Stahl enthaltenen Cr-Menge verringert, und somit kann die Korrosionsbeständigkeit einer Matrix erniedrigt werden. Im Falle des Stahls der vorliegenden Erfindung, in dem M₂B-Borid abgeschieden wird, genügt die Menge an Cr im Stahl vorzugsweise der folgenden Beziehung: 13 ≤ (Cr% + 3 × Mo% – 2,5 × B%) ≤ 50, damit die Korrosionsbeständigkeit des Stahls in einer PEFC beibehalten wird. Wird übrigens ein M₂₃C₆-Carbid in Stahl abgeschieden, erniedrigt sich die Menge an dem in Stahl enthaltenen Cr entsprechend der Menge an abgeschiedenem Carbid, und somit genügt die Menge an Cr in Stahl vorzugsweise der folgenden Beziehung (Cr% in Stahl – als M₂₃C₆-Carbid abgeschiedenes Cr%) + 3 × Mo% ≥ 13.
Al
Al wird zu geschmolzenem Stahl als ein deoxidierendes Element gegeben. Ist B im Stahl der vorliegenden Erfindung enthalten, ist B in geschmolzenem Stahl fest an Sauerstoff gebunden und daher kann die Sauerstoffmenge in dem Stahl durch Al- Deoxidation erniedrigt werden. Al kann daher in dem Stahl in einer Menge von 0,001-6 % enthalten sein.
B
Falls erforderlich, ist B in Stahl enthalten, und falls B in Stahl enthalten ist, weist B wichtige Wirkungen auf. Die Menge an B in Stahl beträgt vorzugsweise 3,6 % oder weniger. In B enthaltendem Stahl, der Cr und Fe in einer großen Menge und Ni und Mo in einer kleinen Menge enthält, wird bei Abscheidung von B als M₂B-Borid, wie zum Beispiel (Cr, Fe)₂B oder (Cr, Fe, Ni)₂B der elektrische Kontaktwiderstand der Oberfläche des rostfreien Stahls, der mit einem passiven Film bedeckt ist, wirksam erniedrigt. Wird indessen rostfreier Stahl mit feinen B₄C-Teilchen bestrahlt, oder wird B so in den rostfreien Stahl gepresst, dass es während des Glättens und Schleifens darin bleibt, bleibt der elektrische Kontaktwiderstand des Stahls durchgehend niedrig.
Der Grund, warum die vorstehend beschriebenen Phänomene auftreten ist derjenige, dass die vorstehend erwähnten Boride metallische Eigenschaften aufweisen und im Vergleich zu einem passiven Film eine gute Leitfähigkeit aufweisen.
Wird ein Borid mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit nicht mit einem passiven Film bedeckt, sondern direkt auf der Oberfläche des passiven Films freigelegt, wird der elektrische Widerstand der rostfreien Stahloberfläche sehr wirksam für eine ausgedehnte Zeitdauer erniedrigt.
Borid ist wie Carbid gegenüber Korrosion stabil und auf der Boridoberfläche bildet sich kein passiver Film. Daher wird selbst bei einer Zunahme der Dicke eines passiven Films auf der Stahloberfläche in einer PEFC, eine gute Leitfähigkeit durch den Eingriff des Borids, das auf der Stahloberfläche freigelegt ist, beibehalten und somit kann der elektrische Kontaktwiderstand auf der rostfreien Stahloberfläche erniedrigt werden. Mit anderen Worten wirkt ein feines Borid mit metallischen Eigenschaften, wobei das Borid nicht mit einem passiven Film bedeckt ist, sondern auf der Stahloberfläche freigelegt ist, als ein „elektrischer Weg", und somit kann der elektrische Kontaktwiderstand erniedrigt werden.
Enthält rostfreier Stahl eine große Menge an B, weist der Stahl im Allgemeinen eine hohe Festigkeit und Härte und eine geringe Verformbarkeit auf, was zu einer schlechten Ertragsfähigkeit führt. Zur Beibehaltung der Verformbarkeit von rostfreiem Stahl, der zur Herstellung einer bipolaren Platte für eine PEFC verwendet wird, wird in rostfreiem Stahl B vorzugsweise als Borid unter Verringerung der in dem Stahl enthaltenen B-Menge abgeschieden. Bei der Abscheidung von B als Borid kann die Verformbarkeit von rostfreiem Stahl verbessert werden.
Eine wirksame Maßnahme zur Beibehaltung der Verformbarkeit von rostfreiem Stahl ist es nämlich, B in Stahl als Borid abzuscheiden. Zusätzlich wird die Verarbeitbarkeit von rostfreiem Stahl sehr wirkungsvoll durch Umwandeln von Borid in eine große Koagulation durch Verweilen bei einer Temperatur in der Nähe von 1200 °C für eine längere Zeitdauer verbessert. Jedoch ist die Temperatur hoch und daher tendiert das Material zu einer nachteiligen Änderung seiner Form.
Übrigens kann während eines Produktionsprozesses, bei Ausführung einer Warmverarbeitung mit hoher Schmiedegeschwindigkeit, Borid, das eine Verringerung der Verformbarkeit verursacht, gemahlen und fein dispergiert werden. Ist Borid fein gemahlen, kann die Verschlechterung der Zähigkeit verringert werden. Kaltschmieden ist ebenfalls zum feinen Dispergieren von Borid wirksam.
Enthält Stahl B in einer Menge, die 3,5 % übersteigt, ist die Stahlherstellung durch ein herkömmliches Schmelzverfahren schwierig und die Verformbarkeit von Stahl, der zur Herstellung einer bipolaren Platte in einer PEFC verwendet wird, kann bei Umgebungstemperatur nicht beibehalten werden. Daher beträgt die Menge an B in Stahl vorzugsweise 3,5 %.
Wie gut bekannt ist, wird das meiste B in Stahl als Borid abgeschieden. Die Menge an in Stahl enthaltenem Borid beträgt näherungsweise 0,01 % oder weniger bei 1125 °C. Bei niedrigeren Temperaturen wird die Menge an in Stahl enthaltenem B weiter erniedrigt.
Die Abscheidungstemperatur von Borid variiert mit dessen Menge und die Temperatur ist in der Nähe der Verfestigungstemperatur von rostfreiem Stahl. Sobald Borid abgeschieden ist, wird es kaum nochmals im Stahl enthalten sein. Entsprechend der Menge an B wird der Liquidus erniedrigt und somit wird der Bereich zur Heißbearbeitung der schmiedbaren Temperatur nachteilig enger. Zusätzlich ist die Verformbarkeit von Borid sehr schlecht und, wenn die Menge an B im Stahl groß ist und B in großer Menge abgeschieden ist, kommt es daher während der Produktion und Verarbeitung zu Rissen im Stahl, was zu einer schlechten Ertragsfähigkeit führt. Beträgt jedoch die Menge an B in Stahl 3,5 %, kann Stahl im industriellen Maßstab hergestellt werden, obwohl dessen Herstellung sehr schwierig ist.
Wird Borid enthaltender Stahl gewalzt, so wird M₂B-Borid, das kaum verformt wird, wenn es einer Bearbeitung unterzogen wird, in einer Walzrichtung des Stahls gemahlen und dispergiert. Die Verformbarkeit von Stahl hängt von dem Zustand der Dispersion des Borids ab. Der Zustand der Dispersion des Borids in Stahl kann durch die Schmiedebedingungen, Warmwalzen und Kaltwalzen gesteuert werden. Insbesondere kann der Zustand wirksam durch Warmwalzen unter hohem Druck oder durch Kaltwalzen gesteuert werden.
Enthält Stahl B in einer Menge von näherungsweise mehreren zehn ppm, neigt das Borid dazu, sich an den Korngrenzen abzuscheiden. Zur Erniedrigung des elektrischen Kontaktwiderstands kann das Borid entweder an den Korngrenzen oder in Körnchen abgeschieden werden. Damit jedoch die Verarbeitbarkeit von Stahl bei Umgebungstemperatur verbessert wird und Risse im Stahl vermieden werden, wird Borid vorzugsweise einheitlich in Stahl dispergiert.
Bei Abscheidung von Borid in Stahl kann die Korrosionsbeständigkeit einer Matrix erniedrigt werden, da Cr und Mo in der Matrix während der Boridabscheidung aufgebraucht werden. Daher ist es sehr wichtig, dass überschüssiges Cr und Mo in geschmolzenem Stahl im Voraus in Mengen enthalten sind, die den Mengen entsprechen, die während der Boridbildung aufgebraucht werden, damit eine Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit von Stahl verringert wird. Die Auswirkung der Abkühlungsgeschwindigkeit ist relativ gering.
Zur Aufrechterhaltung der Korrosionsbeständigkeit von Stahl in einer PEFC wird vorzugsweise die folgende Beziehung erfüllt: Cr% + 3 × Mo% – 2,5 × B% ≥ 13. In diesem Fall wird ein Koeffizient, der jedem Element entspricht, durch Experimentieren erhalten.
Zur Messung der Menge an B in Stahl wird einrunder Block mit einem Durchmesser von 8 mm aus einem Testmaterial hergestellt und der Block wird einer Elektrolyse mit konstantem Strom in einem nicht wässrigen Lösungsmittel unter Verwendung eines AA-Lösungsmittels (10 % Acetylaceton-1 % Tetramethylammoniumchlorid-Methanol (Rest)) unterzogen. Die Menge an B in dem so erhaltenen „Extraktionsrückstand" wird quantitativ analysiert. Insbesondere wird ein runder Block einer Elektrolyse mit konstantem Strom in einem nicht wässrigen AA-Lösungsmittel bei einer Stromdichte von 20 mA/cm² für näherungsweise drei Stunden unterzogen, um dadurch den Block in dem Lösungsmittel zu lösen (näherungsweise 0,4 g). Unmittelbar nach der Elektrolyse werden das nicht wässrige AA-Lösungsmittel, das in der Elektrolyse verwendet wurde, und ein nicht wässriges AA-Lösungsmittel, in dem das Elektrolyseprobenstück durch Ultraschall gereinigt worden ist, unter Verwendung von „Nuclepore" mit einem Filterdurchmesser von 0,2 µm (ein Erzeugnis der Coster Scientific Corporation) filtriert. Die Menge an B wird durch Verwendung des Rückstands auf dem Filter erhalten. Ist die Boridmenge in Stahl gering und beträgt die Menge eines Rückstands auf dem Filter weniger als 40 µg, wird der Rückstand durch Destillation getrennt und die Menge an B wird durch eine spektroskopische Curcuminanalyse erhalten. Im Gegensatz dazu wird bei einem Rückstand von 40 µg oder mehr der Rückstand in Schwefel-Phosphorsäure (Phosphorsäure von hoher Qualität:Schwefelsäure von hoher Qualitätsdestilliertem Wasser = 1:1:1) gelöst. Die somit erhaltene Lösung wird einer Metallkomponentenanalyse unter Verwendung eines induktiv-gekoppelten Plasmafluoreszenzspektroskopieanalysators (Modell: ICPV-1014, ein Erzeugnis der SHIMADZU CORPORATION) unterzogen, um dadurch die Menge an B, die als Borid abgeschieden ist, zu erhalten.
Der erhaltende Rückstand, der in der vorstehend erwähnten Elektrolyse mit konstantem Strom in einem AA-Lösungsmittel erhalten wurde, wird auf einem Filter als eine M₂B-Verbindung gesammelt. Die Menge an elementarem Metall, das an B in Borid gebunden ist, kann mittels des vorstehend erwähnten Verfahrens unter Verwendung eines induktiv-gekoppelten Plasmafluoreszenzspektroskopieanalysators gemessen werden. Die qualitative Analyse des Metallelements kann durch Röntgenbeugung ausgeführt werden.
N
N ist in ferritischem rostfreien Stahl eine Verunreinigung. Die Menge an N in Stahl beträgt vorzugsweise 0,05 % oder weniger, da N eine Verschlechterung der Festigkeit bei Umgebungstemperatur verursacht. Je niedriger die Menge an N ist, desto vorteilhafter ist es. In der Industrie beträgt die Menge an N in Stahl vorzugsweise 0,007 % oder weniger. In austenitischem rostfreien Stahl ist N ein wirksames Element, das als ein Austenit-bildendes Element zur Einstellung eines Austenitphasengleichgewichts dient. Damit jedoch die Verarbeitbarkeit von Stahl aufrechterhalten bleibt, beträgt die Menge an N in Stahl 0,4 % oder weniger.
Ni
In austenitischem rostfreien Stahl ist Ni ein sehr wichtiges Legierungselement zur Stabilisierung der Austenitphase. In ferritschem rostfreien Stahl weist Ni ebenfalls Wirkungen zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit auf. In austenitischem rostfreien Stahl beträgt die Menge an Ni vorzugsweise 7 % bis 50 %. Beträgt die Menge weniger als 7 %, ist die Stabilisierung der Austenitphase schwierig, hingegen ist bei einer Menge, die 50 % übersteigt, die Stahlherstellung schwierig. In ferritischem rostfreien Stahl beträgt die Ni-Menge vorzugsweise 5 % oder weniger. Übersteigt die Menge 5 % ist die Bildung der ferritischen Struktur schwierig, der Stahl wird von anderen Elementen beeinflusst und es kann eine Zweiphasenstruktur von Ferrit und Austenit gebildet werden. In der Zweiphasenstruktur ist die Verformbarkeit einer dünnen Platte anisotrop und in Stahl, der zur Herstellung einer bipolaren Platte für eine PEFC verwendet wird, kann eine ausreichende Verformbarkeit nicht beibehalten werden.
Mo
Selbst wenn Mo in einer im Vergleich zu Cr kleinen Menge in Stahl enthalten ist, weist Mo Auswirkungen auf die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit auf. Falls notwendig, kann Mo in Stahl in einer Menge von 7 % oder weniger vorhanden sein. Übersteigt die Menge von Mo in Stahl 7 %, ist die Vermeidung der Abscheidung einer Intermetallverbindung, wie zum Beispiel eine Sigmaphase schwierig, und die Stahlherstellung ist aufgrund Versprödung schwierig. Daher beträgt die Menge an Ni vorzugsweise 7 % oder weniger.
Übrigens ist selbst wenn Mo in Stahl durch Korrosion in einer PEFC gelöst ist, die Wirkung von Mo auf die Leistungsfähigkeit eines auf einer Anode oder Kathode geträgerten Katalysators aus den nachstehenden Gründen relativ schwach. Gelöstes Mo kommt nicht als ein Metallkation, sondern als ein Molybdatanion vor und beeinflusst daher kaum die Kationenleitfähigkeit einer Fluorionenaustauscherharzmembran mit einer Protonenaustauschergruppe.
Mo ist ein sehr wichtiges zusätzliches Element zur Erhaltung der Korrosionsbeständigkeit von Stahl, und die Menge an Mo in Stahl genügt vorzugsweise der folgenden Beziehung: (Cr% + 3 × Mo% – 2,5 × B%) ≥ 13.
In Stahl oder an der Stahloberfläche kann Mo als ein Mo₂C-Carbid, als ein Rückstand nach Bearbeitungsverfahren, wie zum Beispiel Abstrahlen, Glätten oder Schleifen, oder als eine Abscheidung enthalten sein. Wird Mo, das als ein leitendes Metall dient, dispergiert und auf der Oberfläche des rostfreien Stahls freigelegt, wird der elektrische Kontaktwiderstand auf der rostfreien Stahloberfläche, die mit einem passiven Film bedeckt ist, wirksam erniedrigt. Der Grund, weshalb derartige Phänomene auftreten, liegt darin, dass Mo enthaltendes Carbid metallische Eigenschaften aufweist und im Vergleich zu einem passiven Film eine gute Leitfähigkeit aufweist. Ist Mo enthaltendes Carbid, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, nicht mit einem passiven Film bedeckt, sondern direkt auf der Oberfläche des Films freigelegt, wird der elektrische Widerstand der Oberfläche des rostfreien Stahl sehr wirksam für eine längere Zeitdauer erniedrigt, da feines Mo enthaltendes Carbid als ein „elektrischer Weg" wirkt.
Unterdessen kann die Mo-Konzentration in der äußeren Schicht des rostfreien Stahls durch Ioneneinspritzung erhöht werden und Mo kann mit C im Stahl mittels thermischer Behandlung unter Bildung von Mo₂C in der Schicht umgesetzt werden, obwohl die industrielle Anwendung dieses Verfahrens hohe Kosten nach sich zieht. Alternativ dazu kann die Konzentration an C in der äußeren Schicht des rostfreien Stahls durch Ionenimplantation erhöht werden, und C kann mit Mo im Stahl mittels thermischer Behandlung unter Bildung von Mo₂C in der Schicht umgesetzt werden.
Cu
Falls notwendig kann Cu in ferritischem rostfreien Stahl in einer Menge von 1 % oder weniger enthalten sein. Übersteigt die Menge an Cu in Stahl 1 % wird die Heißverarbeitbarkeit geringer und eine Stahlproduktion im Industriemaßstab schwierig. In austenitischem rostfreien Stahl beträgt die Cu-Menge vorzugsweise 3 % oder weniger. Cu ist ein wirksames Element zur Stabilisierung einer Austenitphase und es weist Auswirkungen auf die Erhaltung eines passiven Zustands auf. Übersteigt jedoch in austenitischem Stahl die Cu-Menge 2 % wird die Heißverarbeitbarkeit geringer und eine Stahlherstellung im Industriemaßstab schwierig.
Falls notwendig können die folgenden Elemente in ferritischem rostfreien Stahl enthalten sein.
V
Im Allgemeinen ist V als Verunreinigung in einem Cr-Rohmaterial enthalten, das als wesentliches Schmelzrohmaterial während der Schmelzherstellung von rostfreiem Stahl dient, und eine Verunreinigung von Stahl mit V ist bis zu einem gewissen Ausmaß unvermeidlich. Jedoch kann das in einer bipolaren Platte gelöste V die Leistungsfähigkeit eines auf einer Anode oder Kathode geträgerten Katalysators nachteilig beeinflussen. Zur Erhaltung der Eigenschaften einer PEFC beträgt die akzeptable Menge an V in Stahl 0,3 % oder weniger. Je geringer die Menge an V ist, desto vorteilhafter ist es.
Ti, Nb
Ti oder Nb weisen Auswirkungen auf eine Verringerung der Verschlechterung der Festigkeit von ferritischem rostfreien Stahl auf. Falls notwendig, ist jedes im Stahl in einer Menge von 25 × (C% + N%) oder weniger enthalten. Selbst wenn Ti und Nb in Stahl kombiniert enthalten sind, können Auswirkungen auf die Verbesserung der Zähigkeit von Stahl erhalten werden.
REM
Seltenerdelemente (REM)
In geschmolzenem Stahl ist ein Seltenerdelement fest an S gebunden und daher zeigt das Element Auswirkungen auf die Beseitigung einer Vergiftung mit S. Falls notwendig, ist das Element in Stahl in einer Mischmetall-ähnlichen Form enthalten. Selbst wenn das Element in Stahl in einer Menge von 0,1 % oder weniger enthalten ist, können ausreichende Wirkungen erhalten werden.
Ca
In geschmolzenem Stahl ist Ca fest an S gebunden und somit weist Ca Auswirkungen auf die Beseitigung einer Vergiftung mit S auf. Selbst wenn Ca in Stahl in einer Menge von 0,1 % oder weniger enthalten ist, können ausreichende Wirkungen erhalten werden.
W
W zeigt Auswirkungen auf die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Stahl auf dieselbe Art wie Mo, und, falls notwendig, kann W in Stahl enthalten sein. Falls W in Stahl in einer großen Menge enthalten ist, kann die Verarbeitbarkeit schlechter werden, und somit beträgt die Menge an W 4 % oder weniger. Auf dieselbe Art wie Mo, selbst wenn W in Stahl in einer PEFC gelöst ist, ist die Auswirkung von Mo auf die Leistungsfähigkeit eines auf einer Anode oder Kathode geträgerten Katalysators relativ schwach. Zusätzlich beeinflusst W kaum die Kationenleitfähigkeit einer Fluorionenaustauscherharzmembran mit einer Protonenaustauschergruppe.
Die vorliegende Erfindung wird als nächstes ausführlicher anhand spezifischer Beispiele beschrieben.
BEISPIEL 1
Jeder von 16 rostfreien Stahltypen, die die in Tabelle 1 gezeigten chemischen Zusammensetzungen aufweisen, wurde in einem 150 kg Vakuumofen durch Hochfrequenzinduktionserhitzen geschmolzen und in Blöcke gegossen. Zum Schmelzen wurde ein handelsübliches Material verwendet, und die Unreinheiten im Stahl wurden abgestimmt. Eine handelsübliche Fe-B-Ferrolegierung wurde zur Zugabe von Bor verwendet. Die durch die Symbole von „a" bis „i" und „p" dargestellten Stähle sind ferritische rostfreie Stahlproben und die durch die Symbole von „j" bis „o" dargestellten Stahlproben sind austenitische rostfreie Stahlproben.
Tabelle 1 (Gewichts-%, Rest: Fe)
Von jedem Block wurde ein kalt gewalztes Stahlblech gemäß dem folgenden Verfahren hergestellt.
Gußblock → Schmieden → Bearbeiten → Warmwalzen → Glühen → Abkühlen Abbeizen durch Abstrahlen → Ätzen → Kaltwalzen (Glühverfahren) → Glühen → Ätzen Die Einzelheiten von jedem Verfahren zur Herstellung sind die folgenden. Gussblock

[Stahl] [Gussblockform]

a – f, p rund

g – i flaches Quadrat

j-m rund

n, o flaches Quadrat

Schmieden (Druckbehandlung, Erhitzen an Luft)
Bearbeitung
Jede der vorstehenden Platten wurde einer Bearbeitung unterzogen, um den auf einer Oberfläche gebildeten Oxidbelag und Einrisse, die sich an Kanten gebildet hatten, zu erntfernen.

[Stahl] [Enddicke (mm) nach Bearbeitung]

a-f, p 60

g-l 42

j-m 60

n, o 42
Warmwalzen
Nach dem Warmwalzen wurden alle Platten allmählich abgekühlt, wobei sie mit einem wärmeisolierenden Material umwickelt waren, um eine Temperaturhysterese, die unmittelbar nach Beendigung des Warmwalzens im industriellen Maßstab ausgeführt wurde, zu simulieren.
Die durch die Symbole „g" bis „i", „n" und „o" dargestellten Stahlproben enthalten 0,6 % oder mehr Bor. In den Stahlproben scheidet sich Bor unter der Soliduskurve bei ungefähr 1200 °C ab. Da M₂B-Boride eine signifikant verschlechtere Verformbarkeit trotz der Boride, die Intermetallverbindungen sind, bei sowohl normaler Temperatur als auch bei hoher Temperatur aufweisen, wurden Schmieden und Walzen während des Wiederholens des Wiedererhitzens im Temperaturbereich von 1000 °C bis 1200 °C durchgeführt. Da die Temperatur am Ende einer Spule wahrscheinlich geringer wird und Risse verursacht, wurde das Warmwalzen durchgeführt, während die Temperatur eines Spulenendes beibehalten wurde oder das Spulenende dem Bedarf entsprechend erhitzt wurde. Glühen nach Warmwalzen (an Luft)
In allen Fällen betrug die Haltezeit 20 Minuten.
Der auf einer Oberfläche bei hoher Temperatur gebildete Oxidbelag wurde durch ein Abstrahlverfahren, gefolgt von Ätzen entfernt.
Kaltwalzen
Alle Proben wurde mit einer Dicke von 0,3 mm fertiggestellt.
Dem Bedarf entsprechend wurde während des Verlaufs des Kaltwalzens das Glühen bei einer Temperatur von 810 °C und das Ätzen bei 60 °C in 7 % Salpetersäure oder einer 4 % wässrigen Flußsäurelösung durchgeführt, um die in der großtechnischen Produktion angewandten üblichen Bedingungen zu simulieren.
Die kaltgewalzte Spule wurde einem Endglühen bei derselben Temperatur unterzogen, die auch beim Glühen des vorstehend erwähnten warmgewalzten Materials verwendet wurde, um dadurch ein Testmaterial zu erhalten. Entsprechend dem nachstehend beschriebenen Verfahren wurden Metalleinschlüsse dispergiert und auf einer Oberfläche eines rostfreien Stahlblechs freigelegt, gefolgt von einer Behandlung zur Neutralisation.
Die Oberflächenrauhigkeit und der Dispersionsgrad und die Freisetzung von Metalleinschlüssen auf einer Oberfläche eines kaltgewalzten Stahlblechs wurden durch Änderung der Bedingungen in Bezug auf die Ätzlösung (Zusammensetzung der Lösung, Temperatur) und Ätzzeit variiert. Die verwendeten Ätzlösungen waren folgende.

(i) Salpetersäure: 15 %, Flußsäure: 3 %, Wasser: Rest
(ii) Salpetersäure: 10 %, Flußsäure: 8 %, Wasser: Rest
(iii) Salpetersäure: 10 %, Flußsäure: 4 %, Wasser: Rest
(iv)Salpetersäure: 8 %, Flußsäure: 3 %,
Wasser: Rest

Die Ätztemperatur wurde auf 60 °C festgesetzt, wobei die Korrosionsgeschwindigkeit ^` leicht zu kontrollieren ist, wie durch eine Untersuchung bestimmt wurde, die bei variierender Temperatur zwischen Raumtemperatur und dem Siedepunkt der Lösung durchgeführt wurde.
Ein weiteres zur Dispersion und Freilegung von Metalleinschlüssen auf einer Oberfläche eines rostfreien Stahlblechs verwendetes Verfahren war Abstrahlen mit einem leitenden harten feinen WC-, Mo₂C- und B₄C-Pulver. Die Abstrahlungsbedingungen waren folgende.
Die für die Abstrahlung verwendeten feinen Pulver waren alle industriell hergestellt und die mittlere Teilchengröße des Pulvers betrug ungefähr 200 µm. Die für das Abstrahlen verwendeten WC-, Mo₂C- und B₄C-Pulver waren von hoher Reinheit, insbesondere 99 % oder mehr für WC, 90 % oder mehr für Mo₂C und 95 % oder mehr für B₄C, und sie entsprachen dem MC-, M₂C- beziehungsweise M₄C-Carbidtyp. Die Abstrahlungsbedingungen waren folgende.

Schussdruck: 5kg/cm²
Schussabstand: 200 mm
Schussmenge: 5 kg/min
Schusswinkel: 80 Grad

Durch Verwendung der wie vorstehend beschrieben hergestellten Probenstücke wurden die folgenden Tests von (1) bis (4) durchgeführt. (1) Test eines rostfreien Stahlblechs, in dem Metalleinschlüsse durch Abstrahlen mit leitfähigem Pulver auf einem kaltgewalzten Stahlblech dispergiert und freigelegt werden.
Jedes der kaltgewalzten Stahlbleche, die durch die in der Tabelle 2 gezeigten Symbole dargestellt sind, wurde unter den in der Tabelle gezeigten Bedingungen geätzt, mit Wasser gewaschen und getrocknet. Nach dem Abstrahlen mit leitfähigem harten feinen WC-, Mo₂C- oder B₄C-Pulver wurde jedes der Stahlbleche in eine 6 % Natriumhydroxidlösung für 3 Minuten getaucht (Lösungstemperatur: 25 °C, pH-Wert: 9) und einer Ultraschallreinigung unterzogen, gefolgt von einer weiteren Ultraschallreinigung in destilliertem Wasser während 15 Minuten. In einigen Vergleichsproben wurden die Probenstücke keiner Neutralisationsbehandlung unterzogen. Die Neutralisationsbehandlung und Reinigung kann unmittelbar nach dem Ätzen vor dem Abstrahlen ausgeführt werden. Nachdem das behandelte Stahlblech unter Verwendung eines Kaltlufttrockners getrocknet worden war, wurde die Probe einer Messung der Oberflächenrauhigkeit entsprechend der JIS B 0601-1082 (mittlere Rauhigkeit bei einer Mittellinie: Ra, und maximale Rauhigkeit Rmax), des elektrischen Kontaktwiderstands unmittelbar nach Beendigung der Neutralisationsbehandlung und des elektrischen Kontaktwiderstands, nachdem das Stahlblech 500 Stunden an Luft stehen gelassen worden war, unterzogen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. In Tabelle 2 wurden die Stahlproben Nr. 1 bis 13 einem Abstrahlungsverfahren unterzogen, und die Stahlproben Nr. 14 bis 19, die keine freigelegten Metalleinschlüsse aufwiesen, wurden keinem Abstrahlen unterzogen.
Tabelle 2
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
In der mit „Ätzlösung" bezeichneten Spalte entspricht ➀ und ➃ den Ätzlösungsbedingungen i) beziehungsweise iv) in Bezug auf die Beschreibung in Beispiel 1.
Zur Vermeidung des der leitenden M₂₃C₆-Metallabscheidung zugeschriebenen Einflusses, wiesen die Stahlproben Nr. 5 bis 7, die innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen, und die Vergleichsproben Nr. 16 bis 19 einen geringeren Kohlenstoffgehalt auf.
Die M₂₃Cs- und M₂B-Abscheidungen wurden durch ein optisches Mikroskop bestätigt. Die Identifikation wurde durch Analyse der Beugungsbilder, die von einem Transmissionselektronenmikroskop erhalten worden waren, ausgeführt.
Die Messung des elektrischen Kontaktwiderstands wurde auf einem 0,3 mm dicken kaltgewalzten Stahlblech, das dem vorstehend beschriebenen Ätzen unterzogen worden war, und einer 0,6 mm dicken handelsüblichen glasartigen Kohlenstoffplatte („SG3": Produkt der SHOWA DENKO K.K.) ausgeführt. Zur Messung des Kontaktwiderstandes wurde ein Vierpolverfahren verwendet, wobei die Kontaktfläche eines rostfreien Stahlprobenstücks zur Auswertung als 1 cm² definiert wurde. Unmittelbar vor der Bewertung wurde die Oberfläche eines Probenstücks gewaschen. Die Oberflächen der Proben, die nicht geätzt oder bestrahlt worden waren, wurden mit Schmirgelpapier (naß, Nr. 600) geglättet. Zur Messung des elektrischen Kontaktwiderstands wurde eine Belastung von 11,2 kg/cm² angewandt; der elektrische Kontaktwiderstand variiert mit der Belastung und es wurde bestätigt, dass bei Anwendung einer Belastung von 10 kg/cm² oder mehr ein näherungsweise konstanter Wert erhalten wird.
Wie in Tabelle 2 klar gezeigt ist, betrug in jedem Fall der elektrische Kontaktwiderstand 8,45 mΩ·cm² oder weniger, wenn leitendes Pulver in die Oberfläche eines rostfreien Stahlblechs als Ergebnis des Abstrahlens „eingedrungen war und dort blieb". Im Gegensatz dazu betrug in Vergleichsproben, in denen ein rostfreies Stahlblech nicht abgestrahlt worden war, der elektrische Kontaktwiderstand bis zu 107,9 mΩ·cm² oder mehr. Die Proben Nr. 14 und 15 wiesen trotz eines leitenden M₂₃C₆-Metalleinschlusses, der sich in den Stahlblechen abschied, einen hohen elektrischen Kontaktwiderstand auf. Die vermuteten Gründe sind, dass in Probe Nr. 14, weil die arithmetische mittlere Rauhigkeit nur 0,03 µm betrug, was darauf hinwies, dass die Oberfläche ziemlich glatt war, die leitenden Einschlüsse nicht von der Oberfläche herausragten und in Probe Nr. 15, weil die arithmetische mittlere Rauhigkeit 4,54 µm und die maximale Rauhigkeit einen hohen Wert von 56,2 µm aufwies, was darauf hinwies, dass die Oberfläche rau war, die leitenden Einschlüsse in geringer Konzentration an den Kontaktpunkten vorlagen, und daher die leitenden Einschlüsse nicht ausreichend als ein elektrischer Weg wirkten. Die arithmetische mittlere Rauhigkeit, Ra, eines rostfreien Stahlblechs muß innerhalb des Bereichs von 0,05-5 µm liegen.
Das Abstrahlen ist offensichtlich eines der wirksamsten industriellen Mittel, welches den beiden folgenden Bedingungen genügt: (i) leitendes Pulver dringt in die Oberfläche eines rostfreien Stahlblechs ein und bleibt dort, und (ii) die arithmetische mittlere Rauhigkeit eines rostfreien Stahlblechs wird innerhalb des Bereichs von 0,05-5 µm eingestellt. Es wird angenommen, dass die Möglichkeit als elektrischer Weg eines leitenden Pulvers, das aufgrund des Abstrahlens eindringt und verbleibt, nicht im Verlauf der Zeit variiert. Tatsächlich wurde bestätigt, dass ein elektrischer Kontaktwiderstand auf einer Oberfläche eines Stahlblechs nach Verstreichen von 500 Stunden näherungsweise denselben Wert aufweist.
Wie in den Proben Nr. 1 bis 4, 8 bis 10, 12 und 13 gezeigt wird, wird bei leitenden Metalleinschlüssen, wie zum Beispiel eine M₂₃C₆- oder M₂B-Abscheidung, ein ausgezeichneter elektrischer Kontaktwiderstand aufgewiesen. Es wird angenommen, dass die gesteigerten Wirkungen, die den zwei Abscheidungen zuzuschreiben sind, überlappen.
Wie deutlich in den Vergleichsbeispielen Nr. 15 bis 19 gezeigt wird, wird bei keiner Durchführung einer Neutralisationsbehandlung der nach Verlauf von 500 Stunden gemessene elektrische Kontaktwiderstand hoch und eine Wirkung der Neutralisationsbehandlung ist auffällig.
(2) Test eines rostfreien Stahlblechs, in dem Metalleinschlüsse durch deren Abscheidung dispergiert und freigelegt sind.
Zur Bestätigung einer Wirkung, die nur auf abgeschiedene Metalleinschlüsse ohne Abstrahlen mit leitendem feinen Pulver zurückzuführen ist, wurden ein rostfreies Stahlblech, das einen vergleichsweise hohen Kohlenstoffgehalt und M₂₃C₆-Carbidabscheidungen aufwies, und ein rostfreies Stahlblech verwendet, das einen hohen Borgehalt und M₂B-Boridabscheidungen aufwies. Die Bleche wurde Ätzen unter einer Vielzahl von Ätzbedingungen, gezeigt in Tabelle 3, unterzogen, um dadurch die Metalleinschlüsse zu dispergieren und freizulegen.
Nach dem Ätzen wurde jedes der Stahlbleche in eine 6 % Natriumhydroxidlösung (Lösungstemperatur: 25 °C, pH-Wert: 9) während drei Minuten getaucht und einer Ultraschallreinigung, gefolgt von einer Ultraschallreinigung in destilliertem Wasser während 15 Minuten unterzogen. Weiterhin wurde jedes Blech während 15 Minuten unter laufendem Wasser gewaschen, gefolgt von Ultraschallreinigen in destilliertem Wasser während 5 Minuten. In einigen Vergleichsproben wurden Probenstücke nicht einer Neutralisationsbehandlung unterzogen.
Als Vergleichsproben wurden rostfreie Stahlbleche mit einem vergleichsweise geringen Kohlenstoffgehalt und einem vergleichsweise geringen Bongehalt oder ohne Bor dem Ätzen unter denselben Bedingungen unterzogen. Auf dieselbe wie vorstehend beschriebene Weise wurden nach der Ätzbehandlung die kaltgewalzten Stahlbleche einer Messung der Oberflächenrauhigkeit und des elektrischen Kontaktwiderstands unterzogen. Der elektrische Kontaktwiderstand wurde wiederum gemessen, nachdem jedes Stahlblech während 500 Stunden an Luft stehen gelassen worden war. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Wie in Tabelle 3 deutlich gezeigt wird, beträgt in allen Proben, in denen M₂₃C₆- und M₂B-Abscheidungen dispergiert und auf der Oberfläche eines Stahlblechs freigelegt wurden, der elektrische Kontaktwiderstand nur 15,6 mΩ·cm² oder weniger, jedoch wie in den Vergleichsproben gezeigt ist, beträgt der elektrische Kontaktwiderstand bis zu 101,6 mΩ·cm² oder mehr, wenn die Abscheidungen nicht dispergiert und auf der Oberfläche eines Stahlblechs freigelegt sind, selbst wenn die Oberflächenrauhigkeit eines Stahlblechs innerhalb des durch die vorliegende Erfindung definierten Be reichs liegt. Die Wirkung, die auf die dispergierten Abscheidungen zurückzuführen ist, ist signifikant. Es wird angenommen, dass die gesteigerten Wirkungen, die den M₂₃C₆-Carbid und M₂B-Boriiden zuzuschreiben sind, überlappen.
(3) Test eines rostfreien Stahlblechs, das dispergierte und freigelegte Metalleinschlüsse aufweist, und wobei die Oberflächenrauhigkeit innerhalb eines breiten Bereichs liegt.
Wie in Tabelle 4 gezeigt ist, wurde die Oberflächenrauhigkeit jedes Stahlblechs durch Änderung der Ätzbedingungen auf verschiedene Arten variiert.
Nach dem Ätzen wurde jedes Stahlblech in eine 6 % Natriumhydroxidlösung bei einer Lösungstemperatur von 25 °C während drei Minuten getaucht und einer Ultraschallreinigung, gefolgt von einer Ultraschallreinigung in destilliertem Wasser während 15 Minuten unterzogen. Weiterhin wurde jedes Blech während 15 Minuten unter laufendem Wasser gewaschen, gefolgt von Ultraschallreinigen in destilliertem Wasser während 5 Minuten. In einigen Vergleichsproben wurden Probenstücke keiner Neutralisationsbehandlung unterzogen. Jedes Probenstück wurde einer Messung der Oberflächenrauhigkeit und des elektrischen Kontaktwiderstands unmittelbar nach der Neutralisationsbehandlung unterzogen. Der elektrische Kontaktwiderstand wurde wiederum gemessen, nachdem jedes Stahlblech während 500 Stunden an Luft stehen gelassen worden war. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Wie in Tabelle 4 gezeigt ist wird in manchen Fällen, selbst wenn M₂₃C₆- und M₂B-Abscheidungen dispergiert und auf einem rostfreien Stahlblech freigelegt waren, der elektrische Kontaktwiderstand aufgrund der Oberflächenrauhigkeit hoch.
Dies bedeutet, dass der Kontakt nicht auf der gesamten Oberfläche eines Stahlblechs zur Verfügung gestellt wird und daher wird, selbst wenn eine Oberfläche ziemlich glatt ist, der Kontakt nur an mehreren Punkten zur Verfügung gestellt. Mit anderen Worten gibt es bei einer ziemlich glatten Oberfläche eines Stahlblechs wenig Kontaktpunkte und es wird kein ausreichender Kontakt durch die leitenden Meta leinschlüsse, die auf der Oberfläche eines Stahlblechs freigelegt sind, erhalten, was zu einem hohen elektrischen Kontaktwiderstand führt.
Die 3 und 4 zeigen die Oberflächenrauhigkeit eines durch das Symbol „n" (Tabelle 1) dargestellten Stahls, der mit Schmirgelpapier (naß, Nr. 600) geglättet worden war, entsprechend der Messung nach Ätzen in 10 % Salpetersäure – 3 % Flusssäure während 5 Minuten. 3 zeigt die zweidimensionalen Messergebnisse und 4 zeigt die dreidimensionalen Messergebnisse. Die Ra betrug 0,2133 µm in 3 und 0,2147 µm in 4. Es wurde ein handelsübliches Messinstrument für die Rauhigkeit verwendet.
5A ist eine Mikrophotographie (× 1000) eines Stahlblechs, das durch das Symbol „n" (in Tabelle 1) dargestellt ist. Darauf wird das M₂B-Borid in einer Dispersionsphase durch Umschließen mit einer weißen Linie gezeigt. Die Mikrophotographie zeigt den Querschnitt eines unter einem Rasterelektronenmikroskop beobachteten Stahlblechs, und es kann beobachtet werden, dass M₂B-Abscheidungen auf der Oberfläche, von der sie herausragen, dispergiert sind.
5B ist eine Mikrophotographie (× 2000) eines durch das Symbol „o" in Tabelle 1 dargestellten Stahlblechs. M₂₃C₆-Carbidabscheidungen werden auf der Oberfläche von M₂B-Boridabscheidungen beobachtet.
(4) Test eines Trennelements, das aus einem rostfreien Stahl hergestellt wurde, auf dem Metalleinschlüsse dispergiert und freigelegt sind, wobei das Trennelement in einer Polymer-Brennstoffzelle befestigt ist.
Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit eines Trennelements, das aus dem rostfreien Stahl der vorliegenden Erfindung hergestellt ist und in einer Polymer-Brennstoffzelle befestigt ist, wurde eine gerippte Trennelementplatte aus einem kaltgewalzten Stahlblech hergestellt, das einem Endglühen unterzogen worden war. Jedes Blech ist aus einem Stahl hergestellt, der durch ein in Tabelle 5 gezeigtes Symbol dargestellt ist.
Eine Trennelementplatte weist eine in 1 gezeigte Form auf. Beide Seiten (eine Anodenelektrodenseite, eine Kathodenelektrodenseite) sind mit einer Trennelement platte versehen, die einen Gasdurchflusskanal (Kanalbreite: 2 mm, Kanaltiefe: 1 mm) aufweist, der durch Bearbeitungsverfahren geschnitten worden war, und einer elektrischen Entladung unerzogen worden war. Die Bewertung wurde in einem solchen Zustand durchgeführt, wobei eine Trennelementplatte im Inneren eines PEFC-Membranelektrodenaggregats befestigt wurde. Nach Verstreichen von einer Stunde nach Einführung von Brennstoffgas in eine Zelle, wurde die Spannung des Membranelektrodenaggregats gemessen und durch Vergleich mit der Anfangsspannung wurde der Spannungsabfall bezüglich einer Bewertung der Leistungsfähigkeit untersucht. Das Verhältnis des Spannungsabfalls wurde entsprechend der folgenden Formel berechnet: 1- (nach Ablauf von 1 Stunde gemessene Spannung/Anfangsspannung).
Die Bewertung verwendete ein PEFC-Membranelektrodenaggregat, das ausgehend von einer handelsüblichen Zelle (FC50, Produkt der Electrochem, USA) umgestaltet worden war.
Wasserstoffgas mit einer Reinheit von 99,9999 % wurde als Brennstoff an einer Anode verwendet und Luft wurde als Kathodengas verwendet. Die gesamte Zelle wurde auf einer Temperatur von 78 ± 2 °C gehalten, und die Feuchtigkeit innerhalb der Zelle wurde an der Gaseingangsstelle geregelt, auf der Basis der Messung des Wassergehalts eines Abgases bei einer Gasausgangsstelle der Zelle. Der Druck innerhalb der Zelle betrug eine Atmosphäre. Der Einführungsdruck des Wasserstoffgases und der Luft in eine Zelle wurde innerhalb der Bereichs von 0,04-0,20 bar eingestellt. Wurde ein spezifisches Niveau von 500 ± 20 mA/cm²-0,62 ± 0,04 V bestätigt, wurde die Messung durchgehend unter Bewertung der Leistungsfähigkeit der Zelle ausgeführt.
Ein Brennstoffzellenmesssystem, das von einem Produkt der 890 Serie (SCRIBNER ASSOCIATES Inc., USA) umgestaltet worden war, wurde zur Messung der Leistungsfähigkeit des Membranelektrodenaggregats verwendet. Es wird angenommen, dass die Betriebsbedingungen einer Zelle die Leistungsfähigkeit der Zelle beeinflussen. Unter denselben Bedingungen wurden vergleichende Bewertungen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt.
Wie in Tabelle 5 deutlich gezeigt ist, konnte der rostfreie Stahl der vorliegenden Erfindung einen niedrigen elektrischen Kontaktwiderstand beibehalten, selbst bei Verwendung als Material für ein Trennelement, das in einer PEFC befestigt war.
Tabelle 5
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
In der mit „Ätzlösung" bezeichneten Spalte entspricht ➁,➂ , ➃ und ➃ den Ätzlösungsbedingungen ii), iii) beziehungsweise iv) in Bezug auf die Beschreibung in Beispiel 1.
1. Das Symbol „-„ bezieht sich auf eine durch Verwendung eines #600 Schmirgels unter Nassbedingungen geglättete Oberfläche.
BEISPIEL 2
Die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung werden aus den folgenden Ausführungsbeispielen offenbar werden.
Jede der 21 ferritischen Stahlproben mit den in Tabelle 6 gezeigten chemischen Zusammensetzungen wurde in einem 150 kg Vakuumschmelzofen durch Hochfrequenzinduktionserhitzen geschmolzen. Zur Herstellung einer Schmelze wurden handelsübliche Rohmaterialien verwendet und die Mengen an Verunreinigungen in dem Stahl wurden eingestellt.
Tabelle 6 (Gewichts-%, Rest: Fe)
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Jeder rostfreie Stahl wurde in Blöcke mit einem runden Querschnitt gegossen. Die Blöcke wurden bei 1280 °C während drei Stunden an Luft erhitzt und mittels einer Druckschmiedevorrichtung heiß geschmiedet. Von den Blöcken wurden zwei Arten von Platten zum Testen mit den folgenden Abmessungen hergestellt:

(1) 30 mm Dicke, 100 mm Breite 120 mm Länge und
(2) 70 mm Dicke, 380 mm Breite, 55 mm Länge.

Die Platte (1) wurde zu einem Stahlblech mit einer Dicke von 6 mm warmgewalzt und das Stahlblech wurde langsam unter Walzbedingungen mit thermischer Isolation abgekühlt, was eine Temperaturhysterese, die unmittelbar nach dem Warmwalzen während der tatsächlichen Produktion ausgeführt wird, simulierte. Anschließend wurde das warmgewalzte Stahlblech in einem Heizofen (konstant 800 °C an Luft) wäh rend 16 Stunden liegen gelassen und in dem Ofen während 48 Stunden unter Herstellung einer Probe geglüht (nachstehend als Material A bezeichnet).
Die Platte (2) wurde einer Bearbeitung zur Entfernung des Oxidbelags unterzogen, um dabei eine Platte mit einer Dicke von 62 mm herzustellen. Die Platte wurde an Luft bei 1200 °C erhitzt und unter Herstellung eines Stahlblechs mit einer Dicke von 4 mm warmgewalzt. Auf eine zur Behandlung der Platte (1) ähnliche Art wurde das Stahlblech langsam unter Walzbedingungen mit thermischer Isolation abgekühlt, was eine Temperaturhysterese, die unmittelbar nach dem Warmwalzen während der tatsächlichen Produktion ausgeführt wird, simulierte. Anschließend wurde das warmgewalzte Stahlblech in einem Heizofen (konstant 800 °C, an Luft) während 16 Stunden liegen gelassen und in dem Ofen während 48 Stunden geglüht. Das resultierende Stahlblechs wurde geätzt und mittels einer Kaltwalze unter Herstellung eines kaltgewalzten Blechs mit einer Dicke von 0,3 mm kaltgewalzt (nachstehend als Material B bezeichnet).
Von jedem warmgewalzten Stahlblechs (Material A) und kaltgewalzten Stahlblech (Material B) wurden Probenstücke hergestellt, das heißt, (1) Probenstücke zur Messung des elektrischen Kontaktwiderstands, (2) Probenstücke zur Bildung einer bipolaren Platte einer PEFC, (3) Korngrenzen-Korrosionsprobenstücke, und (4) Probenstücke zur Messung des C-Gehalts. Jedes Probenstück wurde einer Cr-Carbidabscheidungsbehandlung, unter den mit „Bedingungen der Abschlußwärmebehandlung" bezeichneten Spalten in den Tabelle 7 und 8, unterzogen und einem oder mehreren der vorstehenden Tests unterzogen. Die Merkmale der Probenstücke und Testbedingungen sind beschrieben, wie folgt. Wurde eine bipolare Platte aus einem Material B hergestellt, wurde die Cr-Carbidabscheidungsbehandlung ausgeführt, bevor das Material in die bipolare Gestalt kaltgewalzt wurde.
(1) Messung des elektrischen Kontaktwiderstands
Abmessungen der Probenstücke: 3 mm oder 0,3 mm Dicke, 40 mm Breite, 40 mm Länge.
Der elektrische Kontaktwiderstand wurde folgendermaßen gemessen. Jedes Probenstück wurde (Kontaktfläche 1 cm²) mit einer handelsüblichen glasartigen Kohlenstoffplatte, die eine Dicke von 0,6 mm aufwies und als Elektrode diente, in Kontakt gebracht. Der Widerstand wurde durch ein Vierpolverfahren gemessen. Die Messung wurde an zwei verschiedenen Seiten je Probenstück ausgeführt. Die Oberfläche des Probenstücks wurde mittels Schmirgelpapier (naß, Nr. 600) geglättet und unmittelbar vor der Messung gewaschen. Eine Belastung von 12 kg/cm² wurde angewandt. Obwohl der elektrische Kontaktwiderstand mit der Belastung variierte wurde der Widerstand beinahe konstant, als die Belastung auf 12 kg/cm² eingestellt wurde.
(2) Bewertung der Merkmale einer bipolaren Platte, die in eine PEFC eingebaut war
Die aus den Materialien A und B hergestellten Platten und die der Bewertung unterzogen worden waren, weisen die folgenden Merkmale auf.

a) Form der bipolaren Platten Aus Material A 5 mm Dicke, 80 mm Länge × 80 mm Breite Gaskanäle: 0,8 mm Höhe Abstand zwischen den Riefen 1,2 mm (Entladungsverfahren) Aus Material B 0,3 mm Dicke, 80 mm Länge × 80 mm Breite Gaskanäle: 0,8 mm Höhe, Abstand zwischen den Riefen 1,2 mm (gerillt)
(b) Endbehandlung der Oberfläche von bipolaren Platten

Die Endbehandlung betraf die Schritte des:
Mechanischen Glättens einer Oberfläche unter Verwendung von SiC-Schleifteilchen zum Abstrahlen, Waschens in einer 5 % HNO₃, 3 % HF-Lösung bei 40 °C während 15 Minuten unter Anwendung von Ultraschall, Neutralisierens mit einem Alkali, Entfettens unmittelbar vor dem Testen, durch Besprühen mit einer wässrigen 6 % Natriumhydroxidlösung, Vorwaschens unter laufendem Wasser, dreimaliges Tränkens in einem Batchbehälter, der destilliertes Wasser zum Waschen enthielt, Besprühens mit destilliertem Wasser während vier Minuten zum Waschen, und Trocknens mit nicht erwärmter Luft mittels eines Trockners.
Die Merkmale einer bipolaren Platte, die in ein Membranelektrodenaggregat einer PEFC eingebaut ist, wurde durch Messen der Spannung eines Membranelektrodenaggregats eine Stunde, nachdem ein Brennstoffgas in die Brennstoffzelle eingeführt worden war, und durch Vergleich der Spannung mit der Anfangsspannung bewertet, um dadurch das Spannungsabfallverhältnis zu erhalten, das durch die folgende Formel berechnet wurde: 1 – (Spannung nach einer Stunde V/ Anfangsspannung V).
Eine handelsübliche Brennstoffzelle (Zelle FC50, Produkt der Electrochem (US)) wurde modifiziert, um dadurch als eine in der Bewertung verwendete PEFC zu dienen. Wasserstoff (99,9999 % Reinheit) wurde als Brennstoffgas in einer Anode verwendet, während Luft als Kathodengas verwendet wurde. Die gesamte Zelle wurde bei 78 °C ± 2 °C gehalten und die Feuchtigkeit in der Zelle wurde am Eingangsteil der Zelle auf der Basis der Messung des Wassergehalts von Abgas bei einer Ausgangsstelle der Zelle kontrolliert. Der Druck innerhalb der Zelle betrug eine Atmosphäre. Der Druck des in die Zelle eingeführten Wasserstoffs und der Luft wurde auf 0,04-0,20 bar eingestellt. Wurde ein spezifisches Niveau von 500 ± 100 mA/cm²-0,62 ± 0,03 V bestätigt, wurde die Messung durchgehend unter Bewertung der Leistungsfähigkeit der Zelle ausgeführt.
Ein System zur Messung der Merkmale einer auf einem handelsüblichen System basierenden Brennstoffzelle (Serie 800, Produkt der SCRIBNER ASSOCIATES Inc.) wurde modifiziert, um dadurch als ein System zur Messung der Merkmale eines Membranelektrodenaggregats zu dienen. Da es scheint, dass die Merkmale in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Zelle variieren, wurde die Messung unter denselben Bedingungen ausgeführt.
(3) Korngrenzenkorrosionstest
Die Korngrenzenkorrosionsbeständigkeit wurde auf der Basis des Strauss-Tests untersucht. Ein Schwefelsäure-Kupfersulfatkorrosionstest wurde gemäß der JIS G 0575 ausgeführt.
(4) Analyse des C-Gehalts
Es wurde die Abscheidung von Cr-Carbid in den Materialien A und B bewirkt. Zur Analyse wurden Probenstücke durch Schneiden der Materialien hergestellt. Die Menge an C, die in abgeschiedenem Cr enthaltendem Carbid enthalten war, und die Gesamtmenge an C in Stahl wurden auf die folgende Art erhalten. Die aus den Ergebnissen erhaltenen I-Werte sind in den Tabelle 7 und 8 gezeigt.
Tabelle 7
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
WQ: Wasserabschreckung, OQ: Ölabschreckung, AC: Luftkühlung, FC: Ofenkühlung
Tabelle 8
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
WQ: Wasserabschreckung, OQ: :Ölabschreckung, AC: Luftkühlung, FC: Ofenkühlung A: Warmgewalzter Stahl, B: Kaltgewalzter Stahl
Die Menge an (Gewichts-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) wurde auf der Basis der Ergebnisse der quantitativen Bestimmung von Cr im Extraktionsrückstand quantitativ bestimmt, der nach Durchführung einer Elektrolyse mit geregeltem Strom eines Probenstücks in einer nicht wässrigen Lösung, das heißt einer AA-Lösung (10 % Acetylaceton-1 % Tetramethylammoniumchlorid-Rest Methanol) erhalten wurde. Insbesondere wurde ein Probenstück in einer nicht wässrigen AA- Lösung bei einer Stromdichte von 20 mA/cm² für näherungsweise 3-5 Stunden unter Auflösen von näherungsweise 0,4 g davon elektrolysiert. Unmittelbar nach Beendigung der Elektrolyse wurde das Probenstück in einer nicht wässrigen AA-Lösung unter Anwendung von Ultraschall gewaschen. Die zwei AA-Lösungen wurden vereinigt und durch einen Filter (0,2 µm) (Nucleopore, Produkt der Coster Scientific Corporation) filtriert. Der Rückstand auf dem Filter wurde in einer Schwefelsäure-Phosphorsäuremischung (Schwefelsäure (Sonderqualität):Phosphorsäure (Sonderqualität):destilliertem Wasser = 1:1:1) gelöst. Die Cr-Konzentration wurde durch Analyse mittels eines induktiv gekoppelten Plasmaemissionsspektrometers (ICPV-1014, Produkt der SHIMADZU CORPORATION) quantitativ bestimmt. Der C-Gehalt wurde unter der Annahme, dass das gesamte Chrom die Form von Cr₂₃C₆ annahm, berechnet. Die Menge an (Gewichts-% des gesamten C im Stahl) wurde durch eine üblicherweise verwendete Infrarotabsorptionsspektrometrietechnik quantitativ bestimmt.
Die Testergebnisse sind in den Tabellen 7 und 8 gezeigt.
Wie aus den Tabellen 7 und 8 offensichtlich ist, weisen Probenstücke, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, einen elektrischen Kontaktwiderstand von nur 0,21 Ω·cm² oder weniger auf, wohingegen Vergleichsprobenstücke einen elektrischen Kontaktwiderstand von bis zu 0,33-1,12 Ω·cm² aufweisen.
Obwohl die Stahlbleche dieselbe chemische Zusammensetzung aufweisen, variiert der Abscheidungszustand von Carbiden in Abhängigkeit von den Bedingungen für das Warmwalzen, Abkühlen nach dem Warmwalzen und der Wärmebehandlung zur Abscheidung der Cr-Carbide. Daher variieren die Korrosionsbeständigkeit, der elektrische Kontaktwiderstand und die Leistungsfähigkeit einer PEFC mit dem Umfang der Bildung einer Chrom-Verarmungsschicht.
Die Stahlproben Nr. 13 bis 15 und 18 bis 21 mit einem C-Gehalt von weniger als 0,01 % weisen aufgrund eines geringen Grades der Carbidabscheidung einen hohen elektrischen Kontaktwiderstand auf.
Je höher der I-Wert ist, desto größer ist die Menge des von C in Stahl abgeschiedenen Cr-Carbids. Ist der I-Wert kleiner als 80, ist der elektrische Kontaktwiderstand mit einer Kohlenstoffplatte und die Leistungsfähigkeit einer PEFC unbefriedigend. Die Ergebnisse zeigen, dass der Beitrag des I-Wertes signifikanter wird, wenn der C-Gehalt in Stahl gering ist, und dass ein niedriger I-Wert zu einer schlechten Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle führt.
Bei der Bewertung der Merkmale einer in eine PEFC eingebauten bipolaren Platte zeigen alle Proben, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, ein Spannungsabfallverhältnis das kleiner als 0,05 ist, wohingegen die Vergleichsproben mit einer chemischen Zusammensetzung, die außerhalb des Umfangs der Erfindung liegen, ein ziemlich hohes Spannungsabfallverhältnis von 0,2 bis 0,8 zeigen.
BEISPIEL 3
Jede der 21 ferritischen rostfreien Stahlproben mit den in Tabelle 9 gezeigten chemischen Zusammensetzungen wurde in einem 150 kg Vakuumschmelzofen durch Hochfrequenzinduktionserhitzen geschmolzen. Zur Herstellung einer Schmelze wurden handelsübliche Rohmaterialien verwendet und die Mengen an Verunreinigungen in dem Stahl wurden angepasst, und eine handelsübliche Fe-B-Legierung wurde zum Hinzufügen von B zu dem Stahl verwendet.
Tabelle 9 (Gewichts-%, Rest: Fe)
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Jeder rostfreie Stahl wurde in Blöcke mit einem runden Querschnitt gegossen. Jeder Block wurde bei 1180 °C während drei Stunden an Luft erhitzt und mittels einer Druckschmiedevorrichtung unter Herstellung von sechs Stahlplatten, die Abmessungen mit 20 mm Dicke, 100 mm Breite und 150 mm Länge aufwiesen, heiß geschmiedet. Jeder der Platten wurde einer Bearbeitung zur Entfernung von Oxidbelag und Einrissen an Kanten unter Herstellung einer Platte mit einer Dicke von 15 mm unterzogen. Die Platte wurde bei 1180 °C an Luft erhitzt und unter Herstellung eines Stahlblechs mit einer Dicke von 4 mm warmgewalzt. Das Stahlblech wurde langsam unter Walzbedingungen mit thermischer Isolation abgekühlt, was eine Temperaturhysterese, die unmittelbar nach dem Warmwalzen während der tatsächlichen Produktion ausgeführt wird, simulierte.
Obwohl eine M₂B-Boridverbindung eine Intermetallverbindung ist, weist die Verbindung bei Umgebungs- und hoher Temperatur eine sehr schlechte Verformbarkeit auf und kann das Reißen eines Stahlprodukts während der Warmbearbeitung verursachen. Daher wurden Schmieden und Walzen innerhalb eines Temperaturbereichs von 1000-1180 °C unter wiederholtem Erwärmen ausgeführt. Da die Temperatur an beiden Enden einer Spule leicht unter Verursachung von Kanteneinrissen erniedrigt werden kann, wurde das Warmwalzen ausgeführt, während die Enden der Spule erwärmt wurden.
Das warmgewalzte Material wurde bei 810 °C an Luft geglüht, an Luft abgekühlt, geätzt und mittels eines Kaltwalzwerks kaltgewalzt. Optional wurde eine Spule mit einer dazwischenliegenden Plattendicke einem Erweichen bei 810 °C und Ätzen, dem Bedarf entsprechend, unterzogen. Zum Schluß wurde das Kaltwalzen unter Herstellung einer Spule mit einer Zieldicke von 0,3 mm beendet.
Die kaltgewalzte Spule wurde bei 810 °C an Luft unter Herstellung einer Probe geglüht und geätzt. Nach Beendigung des Ätzens war das Aussehen der Oberfläche der Spule völlig identisch mit demjenigen von üblichem ferritischen rostfreien Stahl entsprechend der Beurteilung mit dem bloßen Auge.
6 zeigt die metallurgische Mikrostruktur (x 200) eines kaltgewalzten Blechs. Die Dispersionsphase umfaßt eine M₂B-Boridverbindung.
Der B-Gehalt der Stahlstücke wurde folgendermaßen quantitativ bestimmt.
Insbesondere wurde, während der Strom geregelt wurde, ein Probenstück in einer nicht wässrigen AA-Lösung (10 % Acetylaceton-1 % Tetramethylammoniumchlroid-Rest Methanol) bei einer Stromdichte von 20 mA/cm₂ für näherungsweise 3 Stunden unter Auflösung von näherungsweise 0,4 g davon elektrolysiert. Unmittelbar nach Beendigung der Elektrolyse wurde das Probenstück in einer nicht wässrigen AA-Lösung unter Anwendung von Ultraschall gewaschen. Die zwei AA-Lösungen wurden vereinigt und durch ein Filter (0,2 µm) (Nucleopore, Produkt der Coster Scientific Corporation) filtriert. Eine auf dem Filter zurückbleibende M₂B-Verbindung wurde analysiert.
Enthielt der Stahl eine kleine Menge eines Borids und betrug der Rückstand auf dem Filter 40 µg oder weniger, wurde die vereinigte AA-Lösung destilliert und durch eine spektroskopische Curcumin-Absorptionsanalyse quantitativ bestimmt. Betrug der Rückstand 40 µg oder mehr, wurde der Rückstand auf dem Filter in einer Schwefelsäure-Phosphorsäuremischung (Schwefelsäure (Sonderqualität):Phosphorsäure (Sonderqualität):destilliertem Wasser = 1:1:1) gelöst. Die Konzentrationen der Metallkomponenten in der Boridabscheidung wurden durch eine Analyse mittel eines induktiv gekoppelten Plasmaemissionsspektrometers (ICPV-1014, Produkt der SHIMADZU CORPORATION) quantitativ bestimmt, um dadurch die Menge an B zu erhalten. Dieses Verfahren wird typischerweise zur quantitativen Bestimmung von B verwendet.
Der elektrische Kontaktwiderstand mit einer Kohlenstoffplatte wurde folgendermaßen gemessen. Jedes Probenstück wurde (Kontaktfläche 1 cm²) mit einer handelsüblichen glasartigen Kohlenstoffplatte, die eine Dicke von 0,6 mm aufwies in Kontakt gebracht und der Widerstand wurde durch ein Vierpolverfahren gemessen. Die Oberfläche des Probenstücks wurde mittels Schmirgelpapier (naß, Nr. 600) geglättet und unmittelbar vor der Messung gewaschen. Eine Belastung von 12 kg/cm² wurde zur Messung des elektrischen Kontaktwiderstands angewandt. Obwohl der elektrische Kontaktwiderstand mit der Belastung variierte, wurde der Widerstand beinahe konstant, als die Belastung auf 12 kg/cm² eingestellt wurde.
Die Einzelheiten bipolarer Platten, die eine gerippte Form aufwiesen und zur Bewertung von deren Leistungsfähigkeit in einer Brennstoffzelle verwendet wurden, werden wie folgt beschrieben. Von den Stahlproben bereitete die Stahlprobe Nr. 5 Schwierigkeiten bei der Bearbeitung zu einem dünnen Blech bei Umgebungstemperatur. Daher wurde eine warmgewalzte Spule mit einer Dicke von 4 mm mechanisch unter Bildung von Gaskanälen bearbeitet. Das Aussehen der bipolaren Platten war zu dem in 1 gezeigten ähnlich. Auf beiden Seiten wurden Rillen mit einer Breite von 2 mm und einer Tiefe von 1 mm unter Bildung einer Anodenseite und einer Kathodenseite zur Verfügung gestellt.
(1) Form der bipolaren Platten

Aus einem Stahlblech mit einer Dicke von 3 mm
0,3 mm Dicke, 80 mm Länge × 80 mm Breite
Gaskanäle: 0,8 mm Höhe,
Abstand zwischen den Riefen 1,2 mm (gerillt)

(2) Endbehandlung der Oberfläche von bipolaren Platten
Die Endbehandlung betraf die Schritte des: Mechanischen Glättens einer Oberfläche unter Verwendung von SiC-Schleifteilchen zum Abstrahlen, und Waschens in einer 5 % HNO₃, 3 % HF-Lösung bei 40 °C während 15 Minuten unter Anwendung von Ultraschall, Entfettens unmittelbar vor dem Testen, durch Besprühen mit einer wässrigen 6 % Natriumhydroxidlösung, Vorwaschen unter laufendem Wasser, dreimaliges Tränkens in einem Batchbehälter, der destilliertes Wasser zum Waschen enthielt, Besprühens mit destilliertem Wasser während vier Minuten zum Waschen, und Trocknens mit nicht erwärmter Luft mittels eines Trockners.
Die Merkmale einer bipolaren Platte, die in ein Membranelektrodenaggregat einer PEFC eingebaut ist, wurden durch Messen der Spannung eines Membranelektrodenaggregats eine Stunde, nachdem ein Brennstoffgas in die Brennstoffzelle eingeführt worden war, und durch Vergleich der Spannung mit der Anfangsspannung bewertet, um dadurch das Spannungsabfallverhältnis zu erhalten, das durch die folgende Formel berechnet wurde: 1 – (Spannung nach einer Stunde V/ Anfangsspannung V).
Eine handelsübliche Brennstoffzelle (Zelle FC50, Produkt der Electrochem (US)) wurde modifiziert, um dadurch als eine in der Bewertung verwendete PEFC zu dienen.
Wasserstoff (99,9999 % Reinheit) wurde als Brennstoffgas in einer Anode verwendet, während Luft als Kathodengas verwendet wurde. Die gesamte Zelle wurde bei 78 °C ± 2 °C gehalten und die Feuchtigkeit in der Zelle wurde am Eingangsteil der Zelle auf der Basis der Messung des Wassergehalts von Abgas in einem Ausgangsteil davon kontrolliert. Der Druck innerhalb der Zelle betrug eine Atmosphäre.
Der Druck des in die Zelle eingeführten Wasserstoffs und der Luft wurde auf 0,04-0,20 bar eingestellt. Wurde ein spezifisches Niveau von 500 ± 20 mA/cm²-0,62 ± 0,04 V bestätigt, wurde die Messung durchgehend unter Bewertung der Leistungsfähigkeit der Zelle ausgeführt.
Ein System zur Messung der Merkmale einer auf einem handelsüblichen System basierenden Brennstoffzelle (Serie 800, Produkt der SCRIBNER ASSOCIATES Inc.) wurde modifiziert, um dadurch als ein System zur Messung der Merkmale eines Membranelektrodenaggregats zu dienen. Da es scheint, dass die Merkmale in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Zelle variieren, wurde die Messung unter denselben Bedingungen ausgeführt. Die Messergebnisse sind in Tabelle 10 gezeigt.
Wie aus Tabelle 10 offensichtlich ist, weisen bei der Bewertung der Merkmale einer in eine PEFC eingebauten bipolaren Platte alle Proben, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, ein Spannungsabfallverhältnis von weniger als 0,05 auf, wohingegen Vergleichsproben mit einer chemischen Zusammensetzung, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen, ein Spannungsabfallverhältnis in einer beachtlichen Höhe von mehr als 0,8 aufweisen. Proben, die innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen, weisen einen elektrischen Kontaktwiderstand von 0,13 Ω·cm² oder weniger auf, wohingegen Vergleichsproben einen elektrischen Kontaktwiderstand von bis zu 0,53-0,96 Ω·cm² aufweisen.
Tabelle 10
BEISPIEL 4
Jede der 21 ferritischen rostfreien Stahlproben mit den in Tabelle 11 gezeigten chemischen Zusammensetzungen wurde in einem 150 kg Vakuumschmelzofen durch Hochfrequenzinduktionserhitzen geschmolzen. Zur Herstellung einer Schmelze wurden handelsübliche Rohmaterialien verwendet, die Mengen an Verunreinigungen in dem Stahl wurden eingestellt, und eine handelsübliche Fe-B-Legierung wurde zum Hinzufügen von B zu dem Stahl verwendet.
Tabelle 11 (Gewichts-%, Rest: Fe)
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Jeder rostfreie Stahl wurde in Blöcke mit einem runden Querschnitt gegossen. Jeder Block wurde bei 1180 °C während drei Stunden an Luft erhitzt und mittels einer Druckschmiedevorrichtung unter Herstellung von Stahlplatten, die Abmessungen mit 70 mm Dicke, 380 mm Breite und 550 mm Länge aufwiesen, heiß geschmiedet. Jede der Platten wurde einer Bearbeitung zur Entfernung von Oxidbelag und Einrissen an Kanten unter Herstellung einer Platte mit einer Dicke von 60 mm unterzogen. Die Platte wurde bei 1180 °C an Luft erhitzt und unter Herstellung eines Stahlblechs mit einer Dicke von 4 mm warmgewalzt. Das Stahlblech wurde langsam unter Walzbedingungen mit thermischer Isolation abgekühlt, was eine Temperaturhysterese, die unmittelbar nach dem Warmwalzen während der tatsächlichen Produktion ausgeführt wird, simulierte.
Obwohl eine M₂B-Boridverbindung eine Intermetallverbindung ist, weist die Verbindung bei Umgebungs- und hoher Temperatur eine sehr schlechte Verformbarkeit auf und kann das Reißen eines Stahlprodukts während der Warmbearbeitung verursachen. Daher wurden Schmieden und Walzen innerhalb eines Temperaturbereichs von 1000-1200 °C unter wiederholtem Erwärmen ausgeführt. Da die Temperatur an beiden Enden einer Spule unter Verursachung von Kanteneinrissen leicht erniedrigt wird, wurde das Warmwalzen ausgeführt, während die Enden der Spule erwärmt wurden.
Das warmgewalzte Material wurde bei 1080 °C an Luft geglüht, an Luft abgekühlt, geätzt und mittels eines Kaltwalzwerks kaltgewalzt. Optional wurde eine Spule mit einer dazwischenliegenden Plattendicke einem Erweichen bei 1080 °C und Ätzen dem Bedarf entsprechend unterzogen. Zum Schluß wurde das Kaltwalzen unter Herstellung einer Spule mit einer Zieldicke von 3 mm beendet.
Die kaltgewalzte Spule wurde bei 810 °C an Luft unter Herstellung einer Probe geglüht und geätzt. Nach Beendigung des Ätzens war das Aussehen der Oberfläche der Spule völlig identisch mit demjenigen von üblichem austenitischen rostfreien Stahl entsprechend der Beurteilung mit dem bloßen Auge.
Der B-Gehalt der Stahlstücke wurde folgendermaßen quantitativ bestimmt.
Insbesondere wurde, während der Strom geregelt wurde, ein Probenstück in einer nicht wässrigen AA-Lösung (10 % Acetylaceton-1 % Tetramethylammoniumchlorid-Rest Methanol) bei einer Stromdichte von 20 mA/cm² für näherungsweise 3 Stunden unter Auflösung von näherungsweise 0,4 g davon elektrolysiert. Unmittelbar nach Beendigung der Elektrolyse wurde das Probenstück in einer nicht wässrigen AA-Lösung unter Anwendung von Ultraschall gewaschen. Die zwei AA-Lösungen wurden vereinigt und durch ein Filter (0,2 µm) (Nucleopore, Produkt der Coster Scientific Corporation) filtriert. Eine auf dem Filter zurückbleibende M₂B-Verbindung wurde analysiert.
Enthielt der Stahl eine kleine Menge eines Borids und betrug der Rückstand auf dem Filter 40 µg oder weniger, wurde die vereinigte AA-Lösung destilliert und einer quan titativen Bestimmung durch spektroskopische Curcumin-Absorptionsanalyse unterzogen. Betrug der Rückstand 40 µg oder mehr, wurde der Rückstand auf dem Filter in einer Schwefelsäure-Phosphorsäuremischung (Schwefelsäure (Sonderqualität):Phosphorsäure (Sonderqualität):destilliertem Wasser = 1:1:1) gelöst. Die Konzentrationen der Metallkomponenten in der Boridabscheidung wurden durch eine Analyse mittel eines induktiv gekoppelten Plasmaemissionsspektrometers (ICPV-1014, Produkt der SHIMADZU CORPORATION) quantitativ bestimmt, um dadurch die Menge an B zu erhalten. Dieses Verfahren wird typischerweise zur quantitativen Bestimmung von B verwendet.
7 zeigt die metallurgische Mikrostruktur (x 200) eines kaltgewalzten Blechs. Die Dispersionsphase umfaßt eine M₂B-Boridverbindung.
Der elektrische Kontaktwiderstand mit einer Kohlenstoffplatte wurde folgendermaßen gemessen. Jedes Probenstück wurde (Kontaktfläche 1 cm²) mit einer handelsüblichen glasartigen Kohlenstoffplatte, die eine Dicke von 0,6 mm aufwies, in Kontakt gebracht und der Widerstand wurde durch ein Vierpolverfahren gemessen. Die Oberfläche des Probenstücks wurde mittels Schmirgelpapier (naß, Nr. 600) geglättet und unmittelbar vor der Messung gewaschen. Eine Belastung von 12 kg/cm² wurde zur Messung des elektrischen Kontaktwiderstands angewandt. Obwohl der elektrische Kontaktwiderstand mit der Belastung variierte, wurde der Widerstand beinahe konstant, als die Belastung auf 12 kg/cm² eingestellt wurde.
Die Einzelheiten bipolarer Platten, die eine gerillte Form aufwiesen und zur Bewertung von deren Leistungsfähigkeit in einer Brennstoffzelle verwendet wurden, werden wie folgt beschrieben. Von den Stahlproben bereitete die Stahlprobe Nr. 5 Schwierigkeiten bei der Bearbeitung zu einem dünnen Blech bei Umgebungstemperatur. Daher wurde eine warmgewalzte Spule mit einer Dicke von 4 mm mechanisch unter Bildung von Gaskanälen bearbeitet. Das Aussehen der bipolaren Platten war zu dem in 1 gezeigten ähnlich. Auf beiden Seiten wurden Rillen mit einer Breite von 2 mm und einer Tiefe von 1 mm unter Bildung einer Anodenseite und einer Kathodenseite zur Verfügung gestellt.
(1) Form der bipolaren Platten

Aus einem Stahlblech mit einer Dicke von 0,3 mm
0,3 mm Dicke, 80 mm Länge × 80 mm Breite
Gaskanäle: 0,8 mm Höhe,
Abstand zwischen den Riefen 1,2 mm (gerillt)

(2) Endbehandlung der Oberfläche von bipolaren Platten
Die Endbehandlung betraf die Schritte des:
mechanischen Glättens einer Oberfläche unter Verwendung von SiC-Schleifteilchen zum Abstrahlen, und Waschens in einer 5 % HNO₃, 3 % HF-Lösung bei 40 °C während 15 Minuten unter Anwendung von Ultraschall, Entfettens unmittelbar vor dem Testen, durch Besprühen mit einer wässrigen 6 % Natriumhydroxidlösung, Vorwaschens unter laufendem Wasser, dreimaliges Tränkens in einem Batchbehälter, der destilliertes Wasser zum Waschen enthielt, Besprühens mit destilliertem Wasser während vier Minuten zum Waschen, und Trocknens mit nicht erwärmter Luft mittels eines Trockners.
Die Merkmale einer bipolaren Platte, die in ein Membranelektrodenaggregat einer PEFC eingebaut ist, wurden durch Messen der Spannung eines Membranelektrodenaggregats eine Stunde, nachdem ein Brennstoffgas in die Brennstoffzelle eingeführt worden war, und durch Vergleich der Spannung mit der Anfangsspannung bewertet, um dadurch das Spannungsabfallverhältnis zu erhalten, das durch die folgende Formel berechnet wurde: 1 – (Spannung nach einer Stunde V/ Anfangsspannung V).
Eine handelsübliche Brennstoffzelle (Zelle FC50, Produkt der Electrochem (US)) wurde modifiziert, um dadurch als eine in der Bewertung verwendete PEFC zu dienen.
Wasserstoff (99,9999 % Reinheit) wurde als Brennstoffgas in der Anode verwendet, während Luft als Kathodengas verwendet wurde. Die gesamte Zelle wurde bei 78 °C ± 2 °C gehalten und die Feuchtigkeit in der Zelle wurde am Eingangsteil der Zelle auf der Basis der Messung des Wassergehalts von Abgas in einem Ausgangsteil davon kontrolliert. Der Druck innerhalb der Zelle betrug eine Atmosphäre. Der Druck des in die Zelle eingeführten Wasserstoffs und der Luft wurde auf 0,04-0,20 bar eingestellt. Wurde ein spezifisches Niveau von 500 ± 20 mA/cm²-0,62 ± 0,04 V bestätigt, wurde die Messung durchgehend unter Bewertung der Leistungsfähigkeit der Zelle ausgeführt.
Ein System zur Messung der Merkmale einer auf einem handelsüblichen System basierenden Brennstoffzelle (Serie 800, Produkt der SCRIBNER ASSOCIATES Inc.) wurde modifiziert, um dadurch als ein System zur Messung der Merkmale eines Membranelektrodenaggregats zu dienen. Da es scheint, dass die Merkmale in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Zelle variieren, wurde die Messung unter denselben Bedingungen ausgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 12 gezeigt.
Wie aus Tabelle 12 offensichtlich ist, weisen bei der Bewertung der Merkmale einer in eine PEFC eingebauten bipolaren Platte alle Proben, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, ein Spannungsabfallverhältnis von weniger als 0,05 auf, wohingegen Vergleichsproben mit einer chemischen Zusammensetzung, die ausßerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen, ein ziemlich hohes Spannungsabfallverhältnis von 0,3 oder mehr aufweisen. Proben, die innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen, weisen einen elektrischen Kontaktwiderstand von 0,12 Ω·cm² oder weniger auf, wohingegen Vergleichsproben einen elektrischen Kontaktwiderstand von bis zu 0,41-0,96 Ω·cm² aufweisen.
Tabelle 12
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
BEISPIEL 5
Jede der 21 ferritischen rostfreien Stahlproben mit den in Tabelle 13 gezeigten chemischen Zusammensetzungen wurde in einem 150 kg Vakuumschmelzofen durch Hochfrequenzinduktionserhitzen geschmolzen. Zur Herstellung einer Schmelze wur den handelsübliche Rohmaterialien verwendet und die Mengen an Verunreinigungen in dem Stahl wurden eingestellt.
Tabelle 13 (Gewichts-%, Rest: Fe)
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Jeder rostfreie Stahl wurde in Blöcke mit einem runden Querschnitt gegossen. Jeder Block wurde bei 1280 °C während drei Stunden an Luft erhitzt und mittels einer Druckschmiedevorrichtung heiß geschmiedet. Aus den Blöcken wurden zwei Arten von Platten zum Testen mit den folgenden Abmessungen hergestellt:

(1) 30 mm Dicke, 100 mm Breite 120 mm Länge und
(2) 70 mm Dicke, 380 mm Breite, 550 mm Länge.

Die Platte (1) wurde zu einem Stahlblech mit einer Dicke von 6 mm warmgewalzt und das Stahlblech wurde langsam unter Walzbedingungen mit thermischer Isolation abgekühlt, was eine Temperaturhysterese simulierte, die unmittelbar nach dem Warmwalzen während der tatsächlichen Produktion ausgeführt wird. Anschließend wurde das warmgewalzte Stahlblech in einem Heizofen (konstant 800 °C an Luft) während 16 Stunden liegen gelassen und in dem Ofen während 48 Stunden unter Herstellung einer Probe geglüht (nachstehend als Material A bezeichnet).
Die Platte (2) wurde einer Bearbeitung zur Entfernung des Oxidbelags unterzogen, um dadurch eine Platte mit einer Dicke von 62 mm herzustellen. Die Platte wurde an Luft bei 1200 °C erhitzt und unter Herstellung eines Stahlblechs mit einer Dicke von 4 mm warmgewalzt. Auf eine zur Behandlung der Platte (1) ähnliche Art wurde das Stahlblech langsam unter Walzbedingungen mit thermischer Isolation abgekühlt, was eine Temperaturhysterese simulierte, die unmittelbar nach dem Warmwalzen während der tatsächlichen Produktion ausgeführt wird. Anschließend wurde das warmgewalzte Stahlblech in einem Heizofen (konstant 800 °C, an Luft) während 16 Stunden liegen gelassen und in dem Ofen während 48 Stunden geglüht. Das resultierende Stahlblech wurde geätzt und mittels einer Kaltwalze bei einer Walzreduktion von 80 % unter Herstellung eines kaltgewalzten Blechs mit einer Dicke von 0,3 mm (nachstehend als Material B bezeichnet) kaltgewalzt.
Von jedem warmgewalzten Stahlblech (Material A) und kaltgewalzten Stahlblech (Material B) wurden Probenstücke hergestellt, das heißt, (1) Probenstücke zur Messung des elektrischen Kontaktwiderstands, (2) Probenstücke für eine bipolare Platte einer PEFC, und (3) Korngrenzenkorrosionsprobenstücke. Jedes Probenstück wurde einer Behandlung zur Cr-Carbidabscheidung unter den in den Spalten der Tabellen 2 und 3 gezeigten Bedingungen der Abschlusswärmebehandlung unterzogen und einem oder mehreren der vorstehenden Tests unterzogen. Die Merkmale der Probenstücke und Testbedingungen sind wie folgt beschrieben. Wurde eine bipolare Platte aus einem Material B hergestellt, wurde die Behandlung zur Cr- Carbidabscheidung ausgeführt, bevor das Material in eine bipolare Form kaltgewalzt wurde.
(1) Messung des elektrischen Kontaktwiderstands
Abmessungen der Probenstücke: 3 mm oder 0,3 mm Dicke, 40 mm Breite, 40 mm Länge.
Der elektrische Kontaktwiderstand wurde folgendermaßen gemessen. Jedes Probenstück wurde (Kontaktfläche 1 cm²) mit einer handelsüblichen glasartigen Kohlenstoffplatte, die eine Dicke von 0,6 mm aufwies und als Elektrode diente, in Kontakt gebracht. Der Widerstand wurde durch ein Vierpolverfahren gemessen. Die Messung wurde an zwei verschiedenen Seiten je Probenstück ausgeführt. Die Oberfläche des Probenstücks wurde mittels Schmirgelpapier (naß, Nr. 600) geglättet und unmittelbar vor der Messung gewaschen. Eine Belastung von 12 kg/cm² wurde zur Messung des elektrischen Kontaktwiderstands angewandt. Obwohl der elektrische Kontaktwiderstand mit der Belastung variierte, wurde der Widerstand beinahe konstant, als die Belastung auf 12 kg/cm² eingestellt wurde.
(2) Bewertung der Merkmale einer bipolaren Platte, die in eine PEFC eingebaut war
Die bipolaren Platten, die aus dem Material B hergestellt und der Bewertung unterzogen worden waren, weisen die folgenden Merkmale auf.

a) Form der bipolaren Platten Aus Material A 5 mm Dicke, 80 mm Länge × 80 mm Breite Gaskanäle: 0,8 mm Höhe Abstand zwischen den Riefen 1,2 mm (mechanische Bearbeitung) Aus Material B 0,3 mm Dicke, 80 mm Länge × 80 mm Breite Gaskanäle: 0,8 mm Höhe, Abstand zwischen den Riefen 1,2 mm (gerillt)
(b) Endbehandlung der Oberfläche von bipolaren Platten

Die Endbehandlung betraf die Schritte des: mechanischen Glättens einer Oberfläche unter Verwendung von SiC-Schleifteilchen zum Abstrahlen, Waschen in einer 5 % HNO₃, 3 % HF-Lösung bei 40 °C während 15 Minuten unter Anwendung von Ultraschall, Neutralisieren mit einem Alkali, Entfetten unmittelbar vor dem Testen durch Besprühen mit einer wässrigen 6 % Natriumhydroxidlösung, Vorwaschen unter laufendem Wasser, dreimaliges Tränken in einem Batchbehälter, der destilliertes Wasser zum Waschen enthielt, Besprühen mit destilliertem Wasser während vier Minuten zum Waschen, und Trocknen mit nicht erwärmter Luft mittels eines Trockners.
Die Merkmale einer bipolaren Platte, die in ein Membranelektrodenaggregat einer PEFC eingebaut ist, wurde durch Messen der Spannung eines Membranelektrodenaggregats eine Stunde, nachdem ein Brennstoffgas in die Brennstoffzelle eingeführt worden war, und durch Vergleich der Spannung mit der Anfangsspannung bewertet, um dadurch das Spannungsabfallverhältnis zu erhalten, das durch die folgende Formel berechnet wurde: 1 – (Spannung nach einer Stunde V/ Anfangsspannung V).
Eine handelsübliche Brennstoffzelle (Zelle FC50, Produkt der Electrochem (US)) wurde modifiziert, um dadurch als eine in der Bewertung verwendete PEFC zu dienen.
Wasserstoff (99,9999 % Reinheit) wurde als Brennstoffgas in der Anode verwendet, während Luft als Kathodengas verwendet wurde. Die gesamte Zelle wurde bei 78 °C ± 2 °C gehalten und die Feuchtigkeit in der Zelle wurde am Eingangsteil der Zelle auf der Basis der Messung des Wassergehalts von Abgas bei einer Ausgangsstelle davon kontrolliert. Der Druck innerhalb der Zelle betrug eine Atmosphäre. Der Druck des in die Zelle eingeführten Wasserstoffs und der Luft wurde auf 0,04-0,20 bar eingestellt. Wurde ein spezifisches Niveau von 500 ± 100 mA/cm²-0,62 ± 0,03 V bestätigt, wurde die Messung durchgehend unter Bewertung der Leistungsfähigkeit der Zelle ausgeführt.
Ein System zur Messung der Merkmale einer auf einem handelsüblichen System basierenden Brennstoffzelle (Serie 800, Produkt der SCRIBNER ASSOCIATES Inc.) wurde modifiziert, um dadurch als ein System zur Messung der Merkmale eines Membranelektrodenaggregats zu dienen. Da es scheint, dass die Merkmale in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Zelle variieren, wurde die Messung unter denselben Bedingungen ausgeführt.
(3) Korngrenzenkorrosionstest
Die Korngrenzenkorrosionsbeständigkeit wurde auf der Basis des Strauss-Tests untersucht. Ein Schwefelsäure-Kupfersulfatkorrosionstest wurde gemäß der JIS G 0575 ausgeführt.
Die Testergebnisse sind in den Tabelle 14 und 15 gezeigt.
Tabelle 14
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
AC: Luftkühlung, FC: Ofenkühlung A: Warmgewalzter Stahl, B: kaltgewalzte Stähle Tabelle 15
Das Symbol „*" bezieht sich auf Bedingungen, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
AC: Luftkühlung
A: Warmgewalzter Stahl, B: Kaltgewalzter Stahl
Zur Messung des elektrischen Kontaktwiderstands wurde die Cr-Carbidabscheidung durch Wärmebehandlung in Probenstücken bewirkt. Zur Analyse wurden neue Probenstücke durch Schneiden der Probenstücke für die Messung des elektrischen Kontaktwiderstands hergestellt. Die Menge an C, das in dem Cr enthaltendem Carbid abgeschieden war und die Gesamtmenge an C in Stahl wurden folgendermaßen erhalten. Die I-Werte, die aus den Ergebnissen erhalten wurden, sind in den Tabellen 2 und 3 gezeigt.
Die Menge an (Gewichts-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) wurde auf der Basis der Ergebnisse der quantitativen Bestimmung von Cr im Extraktionsrückstand quantitativ bestimmt, der nach Durchführung einer Elektrolyse mit geregeltem Strom eines Probenstücks in einer nicht wässrigen Lösung, das heißt einer AA-Lösung (10 % Acetylaceton-1 % Tetramethylammoniumchlorid-Rest Methanol) erhalten wurde. Insbesondere wurde ein Probenstück in einer nicht wässrigen AA-Lösung bei einer Stromdichte von 20 mA/cm² für näherungsweise 3 Stunden unter Auflösen von näherungsweise 0,4 g davon elektrolysiert. Unmittelbar nach Beendigung der Elektrolyse wurde das Probenstück in einer nicht wässrigen AA-Lösung unter Anwendung von Ultraschall gewaschen. Die zwei AA-Lösungen wurden vereinigt und durch einen Filter (0,2 µm) (Nucleopore, Produkt der Coster Scientific Corporation) filtriert. Der Rückstand auf dem Filter wurde in einer Schwefelsäure-Phosphorsäuremischung (Schwefelsäure (Sonderqualität):Phosphorsäure (Sonderqualität):destilliertem Wasser = 1:1:1) gelöst. Die Cr-Konzentration wurde durch Analyse mittels eines induktiv gekoppelten Plasmaemissionsspektrometers (ICPV-1014, Produkt der SHIMADZU CORPORATION) quantitativ bestimmt. Der C-Gehalt wurde unter der Annahme, dass das gesamte Chrom die Form von Cr₂₃C₆ annahm, berechnet. Die Menge an (Gewichts-% des gesamten C im Stahl) wurde durch eine üblicherweise verwendete Infrarotabsorptionsspektrometrietechnik quantitativ bestimmt.
Die Testergebnisse sind in den Tabelle 7 und 8 gezeigt.
Selbst wenn Stahlbleche dieselbe chemische Zusammensetzung aufweisen, variiert der Abscheidungszustand von Carbiden in Abhängigkeit von den Bedingungen für das Warmwalzen, das Abkühlen nach dem Warmwalzen und der Wärmebehandlung zur Abscheidung der Cr-Carbide. Daher variieren die Korrosionsbeständigkeit, der elektrische Kontaktwiderstand und die Leistungsfähigkeit einer PEFC mit dem Umfang der Bildung einer Chrom-Verarmungsschicht.
Alle Proben, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, weisen einen elektrischen Kontaktwiderstand von nur 0,2 Ω·cm² oder weniger auf, wohingegen die Vergleichsproben einen ziemlich hohen elektrischen Kontaktwiderstand von 0,41-0,96 Ω·cm² aufweisen. Die Stahlproben Nr. 13, 14 und 15 mit einem C-Gehalt von weniger als 0,01 % weisen aufgrund einer kleinen Menge an Carbidabscheidung einen hohen elektrischen Kontaktwiderstand auf.
Je höher der I-Wert ist, desto größer ist die Menge des von C in Stahl abgeschiedenen Cr-Carbids. Ist der I-Wert kleiner als 80, sind der elektrische Kontaktwiderstand mit einer Kohlenstoffplatte und die Leistungsfähigkeit einer PEFC unbefriedigend. Die Ergebnisse zeigen, dass der Beitrag des I-Wertes signifikanter ist, wenn der C-Gehalt in Stahl gering ist, und dass ein niedriger I-Wert zu einer schlechten Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle führt.
Bei der Bewertung der Merkmale einer in eine PEFC eingebauten bipolaren Platte zeigen alle Proben, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, ein Spannungsabfallverhältnis das kleiner als 0,05 ist, wohingegen die Vergleichsproben mit einer chemischen Zusammensetzung, die außerhalb des Umfangs der Erfindung liegen, ein ziemlich hohes Spannungsabfallverhältnis von 0,2 bis > 0,8 zeigen.
Die in der Tabelle 3 gezeigten Stahlproben Nr. 20 und 21 bildeten während des Warmwalzens von einer Seitenkante ausgehende Risse. Solche Einrisse werden „Einrisse an der Kante" genannt. Als eine Maßnahme zur Verhinderung von Einrissen an der Kante ist das Geringhalten der Menge an S in Stahl als wirkungsvoll bekannt. Beide Stahlproben Nr. 20 und 21 wiesen jedoch eine S-Menge in Stahl von näherungsweise 0,001 % auf, was in der industriellen Fertigung als ziemlich niedrig angesehen wird. Daher werden Einrisse während des Warmwalzens durch eine große Menge an P oder Si verursacht.
Die Stahlprobe Nr. 19 ist ein rostfreier Duplexstahl mit sowohl ferritischen als auch austenitischen metallurgischen Strukturen. Obwohl ein rostfreier Duplexstahl eine relativ hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist, weist er bei der Verarbeitbarkeit bei Umgebungstemperatur eine anisotrope Spezifität auf. Es ist daher schwierig den Stahl zu einer bipolaren Platte, die aus einem dünnen Blech gebildet werden muß, zu bearbeiten. Die in Tabelle 3 gezeigten Stahlproben, die einer Wärmebehandlung unterzogen worden sind, das heißt Liegenlassen bei 830 °C während 24 Stunden und Abkühlen, weisen eine zufriedenstellende Korrosionsbeständigkeit auf, jedoch weisen sie aufgrund der Abscheidung einer α-Phase eine signifikante Versprödung auf. Zusätzlich weisen die Proben eine hohe Härte auf und das Glätten und Bearbeiten dieser Proben ist ziemlich schwierig.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Der rostfreie Stahl zur Herstellung elektrisch leitender Elemente behält über eine lange Zeitdauer selbst in einer korrosiven Umgebung einen indirekten elektrischen Kontaktwiderstand bei. Insbesondere ist der Stahl zur Herstellung einer bipolaren Platte einer PEFC geeignet und trägt zur kostengünstigen Herstellung von PEFCs bei.

Claims

Bipolare Platte für eine Brennstoffzelle mit Polymerelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolare Platte aus einem rostfreien Stahlprodukt mit einem auf und aus dem rostfreien Stahl gebildeten passiven Film hergestellt ist, wobei mindestens eines aus der Gruppe, bestehend aus leitenden Metallcarbideinschlüssen und leitenden Metallborideinschlüssen, von dem rostfreien Stahl unter dem passiven Film durch die äußere Oberfläche des passiven Films herausragt.
Bipolare Platte nach Anspruch 1, wobei die Metallcarbideinschlüsse M₂₃C₆, M₄C, M₂C, MC oder jegliches Gemisch davon umfassen und die Metallborideinschlüsse M₂B umfassen.
Bipolare Platte nach Anspruch 2, wobei ein metallisches Element „M" in den Metallcarbideinschlüssen, welche durch M₂₃C₆, M₂C oder MC dargestellt sind, und den Metallborideinschlüssen, welche durch M₂B dargestellt sind, mindestens eines von Chrom, Molybdän und Wolfram umfaßt.
Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Oberflächenrauhigkeit des rostfreien Stahlprodukts 0,06 bis 5 µm ist, wie durch eine arithmetische mittlere Rauhigkeit Ra dargestellt.
Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Produkt aus einem ferritischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt ist: C: 0,15% oder weniger, Si: 0,01 bis 1,5%, Mn: 0,01 bis 1,5%, P: 0,04% oder weniger, S: 0,01 % oder weniger, N: 0,05% oder weniger, Cr: 10 bis 36%, Al: 0,001 bis 6%, B: 0 bis 3,5%, Ni: 0 bis 5%, Mo: 0 bis 7%, Cu: 0 bis 1 %, V: 0 bis 0,3%, Ti: 0 bis 25 x (C% + N%), Nb: 0 bis 25 x (C% + N%), Seltenerdelemente: 0 bis 0,1%, W: 0 bis 4%, und Rest: Fe und Verunreinigungen.
Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Produkt aus einem ferritischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt ist: C: 0,15% oder weniger, Si: 0,01 bis 1,5%, Mn: 0,01 bis 1,5%, P: 0,04% oder weniger, S: 0,01 % oder weniger, N: 0,035% oder weniger, Cr: 15 bis 36%, Al: 0,001 bis 6%, B: 0 bis 3,5%, Ni: 0 bis 5%, Mo: 0 bis 7%, Cu: 0 bis 1 %, Ti: 0 bis 25 x (C% + N%), Nb: 0 bis 25 x (C% + N%), Rest: Fe und Verunreinigungen, und der folgenden Beziehung genügend: 13% ≤ Cr+3 × Mo-2,5 × B ≤ 50% wobei jedes Elementsymbol seinen Gehalt in Massenprozent darstellt.
Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Produkt aus einem ferritischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt ist: C: 0,01 bis 0,15%, Si: 0,01 bis 1,5%, Mn: 0,01 bis 1 %, P: 0,035% oder weniger, S: 0,01 % oder weniger, Cr: 10 bis 35%, Ni: 0,01 bis 1 %, Cu: 0,01 bis 1 %, N: 0,05% oder weniger, V: 0,3% oder weniger, Al: 0,001 bis 0,2%, Mo: 0 bis 6%, W: 0 bis 4%, Seltenerdelemente: 0 bis 0,1 %, Cr + 3Mo: 13 bis 50%, Rest: Fe und Verunreinigungen, und C, welches als ein Cr enthaltendes Carbid abgeschieden worden ist, und das gesamte C im Stahl der folgenden Beziehung genügen: (Massen-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) × 100/(Gesamtmassen-% C im Stahl – 0,0015%) ≥ 80.
Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Produkt aus einem ferritischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt ist: C: 0,08% oder weniger, Si: 0,01 bis 1,5%, Mn: 0,01 bis 1,5%, P: 0,035% oder weniger, S: 0,01 % oder weniger, Cr: 17 bis 36%, Al: 0,001 bis 0,2%, B: 0,0005 bis 3,5%, N: 0,035% oder weniger, Ni: 0 bis 5%, Mo: 0 bis 7%, Cu: 0 bis 1 %, Rest: Fe und Verunreinigungen, und der folgenden Beziehung genügend: 13% ≤ Cr+3 × Mo-2,5 × B ≤ 50% wobei jedes Elementsymbol seinen Gehalt in Massenprozent darstellt, und B in dem Stahl als eine Abscheidung des Borids M₂B vorliegt.
Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Produkt aus einem austenitischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt ist: C: 0,005 bis 0,2%, Si: 0,01 bis 1,5%, Mn: 0,01 bis 2,5%, P: 0,04% oder weniger, S: 0,01 % oder weniger, Cr: 17 bis 30%, Ni: 7 bis 50%, B: 0 bis 3,5%, N: 0 bis 0,4%, Cu: 0 bis 3%, Al: 0 bis 6%, Mo: 0 bis 7%, und Rest: Fe und Verunreinigungen.
Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Produkt aus einem austenitischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt ist: C: 0,005 bis 0,2%, Si: 0,01 bis 1,5%, Mn: 0,01 bis 2,5%, P: 0,04% oder weniger, S: 0,01 % oder weniger, Cr: 17 bis 30%, Ni: 7 bis 50%, B: 0 bis 3,5%, N: 0 bis 0,4%, Cu: 0 bis 2%, Al: 0 bis 6%, Mo: 0 bis 7%, Rest: Fe und Verunreinigungen, und der folgenden Beziehung genügend: 13% ≤ Cr+3 × Mo-2,5 × B ≤ 50% wobei jedes Elementsymbol seinen Gehalt in Massenprozent darstellt.
Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Produkt aus einem austenitischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt ist: C: 0,03% oder weniger, Si: 0,01 bis 1,5%, Mn: 0,01 bis 2,5%, P: 0,035% oder weniger, S: 0,01 % oder weniger, Cr: 17 bis 30%, Ni: 7 bis 50%, B: 0,0005 bis 3,5%, Al: 0,001 bis 0,2%, N: 0,3% oder weniger, Mo: 0 bis 7%, Cu: 0 bis 3%, Rest: Fe und Verunreinigungen, und der folgenden Beziehung genügend: 13% ≤ Cr+3 × Mo-2,5 × B ≤ 50% wobei jedes Elementsymbol seinen Gehalt in Massenprozent darstellt, und B in dem Stahl als eine Abscheidung des Borids M₂B vorliegt.
Bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Produkt aus einem austenitischen rostfreien Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent hergestellt ist: C: 0,015 bis 0,2%, Si: 0,01 bis 1,5%, Mn: 0,01 bis 2,5%, P: 0,035% oder weniger, S: 0,01 % oder weniger, Cr: 17 bis 30%, Ni: 7 bis 50%, Cu: 0 bis 3%, N: 0,3% oder weniger, Mo: 0 bis 7%, Al: 0 bis 0,2%, Cr + 3Mo: 13 bis 50%, Rest: Fe und Verunreinigungen, und C, welches als ein Cr enthaltendes Carbid abgeschieden worden ist, und das gesamte C im Stahl der folgenden Beziehung genügen: (Massen-% des als Cr enthaltendes Carbid abgeschiedenen C) × 100/(Gesamtmassen-% C im Stahl – 0,012%) ≥ 85.
Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Verfahren die Schritte des Korrodierens der Oberfläche des rostfreien Stahlprodukts durch Verwendung einer wäßrigen sauren Lösung, um mindestens eines aus der Gruppe, bestehend aus den leitenden Metallcarbideinschlüssen und den leitenden Metallborideinschlüssen, auf der Oberfläche freizulegen, des Neutralisierens des Produkts durch Verwendung einer wäßrigen alkalischen Lösung mit einem pH von 7 oder mehr und des Waschens und Trocknens des Produkts umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die wäßrige saure Lösung 2 bis 20 Massen-% Flußsäure und 5 bis 20 Massen-% Salpetersäure enthält.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei eine durchschnittliche Menge an Korrosion durch die wäßrige saure Lösung 5 bis 60 g/m² beträgt.
Brennstoffzelle mit Polymerelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenngas und ein Oxidationsmittel einem Aggregat zugeführt werden, das durch das Laminieren einer Mehrzahl von Membranelektrodenaggregaten, während eine bipolare Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zwischen die Membranelektrodenaggregate eingefügt wird, hergestellt ist, um dadurch Gleichstrom zu erzeugen.