ES2218081T3 - Placa bipolar para su uso en celdas de combustible de electrodos de polimero. - Google Patents
Placa bipolar para su uso en celdas de combustible de electrodos de polimero.Info
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Abstract
Placa bipolar para una celda de combustible de electrodos de polímero, caracterizada en que la placa bipolar está fabricada a partir de un producto de acero inoxidable que presenta una película pasiva formada sobre la superficie de acero inoxidable y desde la misma, en el que a través de la superficie exterior de la película pasiva desde el acero inoxidable debajo de la película pasiva sobresalen inclusiones metálicas de carburo y/o inclusiones metálicas de boruro.
Description
Placa bipolar para su uso en celdas de
combustible de electrodos de polímero.
La presente invención se refiere a una placa
bipolar que presenta una baja resistencia eléctrica de contacto, y
a un procedimiento para producir el producto de acero inoxidable.
La invención se refiere a una placa bipolar producida a partir de
un producto de acero inoxidable y a una celda de combustible de
electrodos de polímero (abreviada, de aquí en adelante, como PEFC)
que contiene la placa bipolar.
El acero inoxidable tiene una excelente
resistencia a la corrosión debido a la película pasiva formada
sobre su superficie. Sin embargo, el acero inoxidable no resulta
apropiado para la producción de elementos conductores eléctricos
que requieren una baja resistencia eléctrica de contacto, debido a
que la película pasiva formada sobre la superficie presenta una
elevada resistencia eléctrica. En general, contra más excelente sea
la resistencia a la corrosión de la película pasiva mayor será su
resistencia eléctrica.
Por lo tanto, la reducción de la resistencia
eléctrica de contacto del acero inoxidable permite que el acero
inoxidable sirva como elemento conductor eléctrico tal como un
terminal, utilizándose el elemento en una circunstancia que
requiera resistencia a la corrosión. Un ejemplo de un elemento
conductor eléctrico que presenta una excelente resistencia a la
corrosión y una baja resistencia eléctrica de contacto es una placa
bipolar (también denominada "separador") de una PEFC.
Una celda de combustible genera corriente
continua, y ejemplos de celda de combustible incluyen una celda de
combustible de óxido sólido (abreviada como SOFC), una celda de
combustible de carbonatos fundidos (abreviada como MCFC), y una
celda de combustible de ácido fosfórico (abreviada como PAFC). Estas
celdas de combustible se nombran después de un material componente
de un electrolito, que es la parte más importante de una celda de
combustible.
Actualmente, las celdas de combustible que han
alcanzado un nivel comercialmente satisfactorio incluyen una PAFC y
una MCFC. Las temperaturas de funcionamiento aproximadas de una
SOFC, una MCFC, una PAFC, y una PEFC son 1000°C, 650°C, 200°C, y
80°C, respectivamente.
Una PEFC funciona a aproximadamente 80°C y es
fácil de iniciar y detener. El rendimiento energético esperado de
la misma es aproximadamente de un 40%. Por esta razón, existe una
demanda mundial de PEFCs, que pueden emplearse prácticamente en una
fuente de alimentación in situ utilizada en una central
eléctrica a pequeña escala, una oficina telefónica, o sitio
similar; una pequeña fuente de alimentación doméstica in
situ que haga uso de gas ciudad como combustible; y una fuente
de alimentación incorporada en un automóvil eléctrico de baja
contaminación que utilice hidrógeno, metanol, o gasolina como
combustible.
Aunque las celdas de combustible mencionadas
anteriormente están clasificadas como celdas de combustible, es
decir, sus nombres incluyen el término "combustible", deben
considerarse individualmente cuando se designa un material
componente de una celda de combustible, debido a que el rendimiento
requerido para un material componente, en particular el rendimiento
anticorrosión, varía con el tipo de celda de combustible. En
particular, el rendimiento depende de la corrosión de un material
componente producido por un electrolito utilizado; la oxidación a
elevada temperatura que se produce predominantemente por encima de
aproximadamente 380°C; y la sublimación y la redeposición de un
electrolito, y la condensación.
En la práctica, se emplea una variedad de
materiales como materiales componentes de una celda de
combustible; por ejemplo, materiales de grafito, revestimiento de
Ni, aleaciones que presentan un elevado contenido de elemento de
aleación, y acero inoxidable.
De este modo, los materiales en sí empleados en
PAFCs y MCFCs comercializadas no pueden aplicarse a un material
componente de PEFCs.
Las figuras n° 1A y 1B muestran la estructura de
una PEFC; es decir, la figura n° 1A es una vista en explosión de
una celda de combustible (conjuntos de electrodos de membrana) y la
figura n° 1B es una vista en perspectiva de una celda de
combustible completa. Tal como se muestra en las figuras n° 1A y
1B, una celda de combustible (1) es un conjunto de conjuntos de
electrodos de membrana. El conjunto de electrodos de membrana
comprende una membrana de electrolito polimérico sólido (2), una
membrana de electrodo combustible (ánodo) (3) que se lamina sobre
una superficie de la membrana de electrolito polimérico sólido (2)
y una membrana de electrodo agente oxidante (cátodo) (4) que se
lamina sobre la otra superficie. La membrana (3) está
estratificada, además, con una placa bipolar (5a), mientras que la
membrana (4) está estratificada, además, con una placa bipolar
(5b).
La membrana de electrolitos de polímero sólido
(2) comprende una membrana de fluoruro conductor de protones que
presenta un grupo de intercambio hidrógeno-ión
(protón).
La membrana ánodo (3) y la membrana cátodo (4)
está provista cada una de una capa catalizadora que comprende un
polvo de platino granular y grafito catalizador y una fluororesina
opcional que presenta un grupo de intercambio
hidrógeno-ión (protón), que ha de disponer en
contacto con un gas combustible o un gas oxidante.
A través de unos canales (6a) dispuestos en la
placa bipolar (5a) se introduce un gas oxidante (A) (hidrógeno o un
gas que contenga hidrógeno) para, de este modo, suministrar
hidrógeno a la membrana ánodo, mientras se introduce un gas
oxidante (B) tal como aire a través de unos canales (6b) dispuestos
en la placa bipolar (5b) para, de este modo, suministrar, oxígeno.
Los gases así suministrados inducen una reacción electroquímica,
para generar, de esta manera, corriente continua.
Las funciones requeridas de una placa bipolar de
una PEFC son como sigue:
(1) función de canal que suministra un gas
combustible y un gas oxidante uniformemente en unos planos
interiores de una celda;
(2) función de canal que descarga eficazmente
agua formada en unas zonas del cátodo al exterior de una celda de
combustible junto con un gas portador tal como aire u oxígeno tras
la reacción;
(3) función de conector eléctrico entre los
conjuntos de electrodos de membrana para así mantener una baja
resistencia y una alta conductividad apropiadas para un electrodo
durante un período de tiempo prolongado;
(4) función de separador que separa una cámara
del cátodo y una cámara del ánodo en conjuntos adyacentes; y
(5) función de separador que aísla los canales de
agua de refrigeración y separa los conjuntos adyacentes.
Hasta ahora ha existido una aplicación
seriamente investigada de una lámina de carbono como material de
una placa bipolar de una PEFC. Sin embargo, una lámina de carbono
es un inconveniente ya que la lámina se rompe con facilidad y eleva
drásticamente el coste del procesamiento mecánico para la
producción de una superficie plana y la formación de canales de
gas. Estos problemas fatales podrían hacer difícil la
comercialización de una celda de combustible.
Entre los materiales carbonosos, el grafito
térmicamente expansible ha sido el material más atractivo para la
producción de una placa bipolar de una PEFC, ya que el grafito es
considerablemente económico. Sin embargo, con el fin de
proporcionar las funciones de los separadores citados anteriormente
por medio de la reducción de la permeabilidad a los gases, el
grafito térmicamente expansible tiene que someterse a una
pluralidad de etapas de impregnación de resina y de quemado.
Además, siguen existiendo los problemas del coste del procesamiento
mecánico para asegurar que la superficie sea plana y asegurar la
formación de canales. De este modo, no se ha conseguido todavía la
comercialización de grafito térmicamente expansible.
A diferencia de la investigación de la aplicación
de materiales de grafito, el acero inoxidable se ha aplicado a una
placa bipolar, en vista de la reducción de coste.
La solicitud de patente Japonesa puesta a
disposición del público (kokai) n° 10-228914
describe una placa bipolar de celdas de combustible que está
formada de un material metálico, en la que una superficie de la
placa bipolar que hace contacto con un conjunto de electrodos de
membrana se recubre directamente con oro. Ejemplos de materiales
metálicos incluyen acero inoxidable, aluminio, y aleación
Ni-Fe, utilizándose Tipo 304 como acero inoxidable.
De acuerdo con la descripción, la placa bipolar queda recubierta
con oro para, de este modo, reducir la resistencia de contacto
entre la placa bipolar y un electrodo y mejorar la conducción
eléctrica desde la placa bipolar hacia el electrodo. De este modo,
una celda de combustible que contenga dichas placas bipolares se
considera que genera una elevada potencia de salida.
La solicitud de patente Japonesa puesta a
disposición del público (kokai) n° 8-180883
describe una PEFC que emplea placas bipolares formadas de un
material metálico que se recubre fácilmente con una película pasiva
en aire. De acuerdo con la descripción, la superficie metálica de
las placas bipolares está recubierta completamente con una película
pasiva para, de este modo, hacer que la superficie sea resistente a
las sustancias químicas. De este modo se suprime la ionización del
agua formada en la celda de combustible para, de este modo,
suprimir el descenso de la eficacia de la reacción electroquímica.
Se describe también que se elimina la película pasiva en una zona
que hace contacto con una membrana de electrodos de una placa
bipolar y se forma una capa de un metal noble para, de este modo,
reducir la resistencia eléctrica de contacto.
US-A-5624769
describe placas bipolares en celdas de combustible las cuales se
fabrican aplicando un revestimiento de TiN sobre un substrato de
acero inoxidable. El TiN es resistente a la corrosión y es
altamente conductor eléctrico y no pierde una significativa
conductividad como resultado de la oxidación. El revestimiento de
TiN sobre el acero inoxidable es imperfecto y existe, de hecho, un
revestimiento pasivante en la parte superior del acero inoxidable
que proporciona una protección adicional.
Sin embargo, si bien se utilizan en sí los
materiales metálicos descritos tales como el acero inoxidable
cubiertos por una película pasiva, las placas bipolares producidas
a partir de los materiales presentan una baja resistencia a la
corrosión y liberan iones metálicos. Los iones metálicos liberados
forman productos de corrosión tales como el hidróxido de cromo y el
hidróxido de hierro para, de este modo, elevar de manera
desventajosa, la resistencia eléctrica de contacto de las placas
bipolares. De este modo, actualmente las placas bipolares se
recubren con un material noble tal como oro, a pesar de su
coste.
En vista de lo anterior, un objetivo de la
presente invención es disponer una placa bipolar para una celda de
combustible de electrodos de polímero, caracterizada en que la
placa bipolar está fabricada a partir de un producto de acero
inoxidable que presenta una capa pasiva formada sobre la superficie
de acero inoxidable y desde la misma, en el que a través de la
superficie exterior de la película pasiva desde el acero inoxidable
debajo de la película pasiva sobresalen inclusiones metálicas de
carburo y/o inclusiones metálicas de boruro.
Las inclusiones metálicas de carburo pueden
comprender M_{23}C_{6}, M_{4}C, M_{2}C, MC, o cualquier
mezcla de los mismos y las inclusiones metálicas de boruro
comprenden M_{2}B.
Un elemento metálico "M" de las inclusiones
metálicas de carburo que se representan por M_{23}C_{6},
M_{2}C, o MC, y las inclusiones metálicas de boruro que se
representan por M_{2}B puede comprender por lo menos cromo,
molibdeno o tungsteno.
Además, la rugosidad superficial del producto de
acero inoxidable puede ser de 0,06-5 \mum tal como
se representa por una rugosidad media aritmética (Ra).
Preferiblemente, el producto está fabricado de
un acero inoxidable ferrítico que presenta la siguiente
composición, en porcentaje de masa:
C: 0,15% o menos,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-1,5%,
P: 0,04% o menos,
S: 0,001% o menos,
N: 0,05% o menos,
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 a 25 x (%C + %N),
Nb: 0 a 25 x (%C + %N),
elementos de tierras raras:
0-0,1%
W: 0-4%, y
el resto: Fe e impurezas.
Preferiblemente todavía, el producto está
fabricado en un acero inoxidable ferrítico que presenta la
siguiente composición, en porcentaje en masa:
C: 0,15% o menos,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-1,5%,
P: 0,04% o menos,
S: 0,01% o menos,
N: 0,035% o menos,
Cr: 15-36%,
Al: 0,001-6%,
B: 0-3,5%,
Ni: 0-5%,
Mo: 0-7%,
Cu: 0-1%,
Ti: 0 a 25 x (%C + %N),
Nb: 0 a 25 x (%C + %N),
el resto: Fe e impurezas; y
cumpliendo la siguiente relación:
13% \leq Cr + 3 x Mo - 2,5
x B \leq
50%
en la que cada símbolo elemental representa su
contenido en porcentaje en
masa.
Alternativamente, el producto está fabricado en
un acero inoxidable ferrítico que presenta la siguiente
composición, en porcentaje en masa:
C: 0,01-0,15%,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-1%,
P: 0,035% o menos,
S: 0,01% o menos,
Cr: 10-35%,
Ni: 0,01-1%,
Cu: 0,01-1%,
N: 0,05% o menos,
V: 0,3% o menos,
Al: 0,001-0,2%,
Mo: 0-6%,
W: 0-4%,
elementos de tierras raras:
0-0,1%
Cr + 3Mo: 13-50%,
el resto: Fe e impurezas; y
C que ha precipitado como carburo que contiene Cr
y el C total en el acero cumplen la siguiente relación:
(% de masa de C precipitado como carburo que
contiene Cr) x 100 / (% de
masa de C total en el acero -
0,0015%) \geq
80.
Alternativamente todavía, el producto está
fabricado en un acero inoxidable ferrítico que presenta la
siguiente composición, en porcentaje en masa:
C: 0,08% o menos,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-1,5%,
P: 0,035 o menos,
S: 0,01% o menos,
Cr: 17-36%,
Al: 0,001-0,2%,
B: 0,0005-3,5%,
N: 0,035% o menos,
Ni: 0-5%,
Mo: 0-7%,
Cu: 0-1%,
el resto: Fe e impurezas; y cumpliendo la
siguiente relación:
13% \leq Cr + 3 x Mo - 2,5
x B \leq
50%
en la que cada símbolo elemental representa su
contenido en porcentaje en masa; y B en el acero está presente como
un precipitado de boruro
M_{2}B.
Alternativamente todavía, el producto está
fabricado en un acero inoxidable austenítico que presenta la
siguiente composición, en porcentaje en masa:
C: 0,005-0,2%,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-2,5%,
P: 0,04 o menos,
S: 0,01% o menos,
Cr: 17-30%,
Ni: 7-50%,
B: 0-3,5%,
N: 0-0,4%,
Cu: 0-3%,
Al: 0-6%,
Mo: 0-7%, y
el resto: Fe e impurezas.
Típicamente, el producto está fabricado en un
acero inoxidable austenítico que presenta la siguiente composición,
en porcentaje en masa:
C: 0,005-0,2%,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-2,5%,
P: 0,04 o menos,
S: 0,01% o menos,
Cr: 17-30%,
Ni: 7-50%,
B: 0-3,5%,
N: 0-0,4%,
Cu: 0-2%,
Al: 0-6%,
Mo: 0-7%,
el resto: Fe e impurezas; y
cumpliendo la siguiente relación:
13% \leq Cr + 3 x Mo - 2,5
x B \leq
50%
en la que cada símbolo elemental representa su
contenido en porcentaje en
masa.
Apropiadamente, el producto está fabricado en un
acero inoxidable austenítico que presenta la siguiente composición,
en porcentaje en masa:
C: 0,03% o menos,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-2,5%,
P: 0,035% o menos,
S: 0,01% o menos,
Cr: 17-30%,
Ni: 7-50%,
B: 0,0005-3,5%,
Al: 0,001-0,2%,
N: 0,3% o menos,
Mo: 0-7%,
Cu: 0-3%,
el resto: Fe e impurezas; y
cumpliendo la siguiente relación:
13% \leq Cr + 3 x Mo - 2,5
x B \leq
50%
en la que cada símbolo elemental representa su
contenido en porcentaje en masa, y B en el acero está presente como
un precipitado de boruro
M_{2}B.
Apropiadamente todavía, el producto está
fabricado en un acero inoxidable austenítico que presenta la
siguiente composición, en porcentaje en masa:
C: 0,015-0,2%,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-2,5%,
P: 0,035% o menos,
S: 0,01% o menos,
Cr: 17-30%,
Ni: 7-50%,
Cu: 0-3%,
N: 0,3% o menos,
Mo: 0-7%,
Al: 0-0,2%,
Cr + 3Mo: 13-50%,
el resto: Fe e impurezas; y
C que ha precipitado como carburo que contiene Cr
y el C total en el acero cumplen la siguiente relación:
(% de masa de C precipitado como carburo que
contiene Cr) x 100 / (% de
masa de C total en el acero -
0,012%) \geq
85.
La invención también se refiere a un
procedimiento para la producción de una placa bipolar tal como se
ha definido anteriormente. El procedimiento comprende las etapas
de:
corroer la superficie del producto de acero
inoxidable utilizando una solución ácida acuosa para así exponer
por lo menos uno del grupo que consiste en las inclusiones
metálicas conductoras de carburo y las inclusiones metálicas de
boruro conducto en la superficie;
neutralizar el producto utilizando una solución
alcalina acuosa que tiene un pH de 7 o más; y
lavar y secar el producto.
En el procedimiento anterior, la solución ácida
acuosa puede contener 2-20 de % en masa de ácido
fluorhídrico y 5-20 de % en masa de ácido
nítrico.
Además, una cantidad promedio de corrosión por la
solución ácida acuosa puede ser de 5-60
g/m^{2}.
La invención también se refiere a una celda de
combustible de electrodos de polímero, caracterizada en que se
suministra un gas combustible y un gas agente oxidante a un
conjunto producido por la laminación de una pluralidad de conjuntos
de electrodos de membrana mientras se inserta una placa bipolar
como la definida anteriormente entre los conjuntos de electrodos de
membrana para generar así corriente continua.
Tal como se utiliza aquí, el término "una
inclusión metálica conductora de carburo" se refiere a una
inclusión metálica de carburo tal como M_{23}C_{6}, M_{4}C,
M_{2}C, MC, o cualquier mezcla de los mismos y el término "una
inclusión metálica conductora de boruro" se refiere a una
inclusión metálica de boruro tal como M_{2}B. El símbolo
"M" representa un elemento metálico, el cual no queda limitado
a un metal específico y puede ser cualquier metal que presente una
fuerte afinidad con C o B. Típicamente, M comprende
predominantemente Cr y Fe y contiene microcantidades de Ni y Mo.
Ejemplos de inclusiones metálicas de M_{23}C_{6} incluyen
Cr_{23}C_{6} y (Cr, Fe)_{23}C_{6}. Ejemplos de
inclusiones metálicas de M_{2}C incluyen Mo_{2}C. Ejemplos de
inclusiones metálicas de MC incluyen WC. Ejemplos de inclusiones
metálicas de M_{2}B incluyen Cr_{2}B, (Cr, Fe)_{2}B,
(Cr, Fe, Ni)_{2}B, (Cr, Fe, Mo)_{2}B, y (Cr, Fe,
Ni, Mo)_{2}B,
Cr_{1},_{2}Fe_{0},_{76}Ni_{0},_{04}B. Ejemplos de
inclusiones metálicas de M_{4}B incluyen B_{4}C. En principio,
cualquier inclusión metálica que presente una buena conductividad
eléctrica puede presentar un comportamiento similar.
El subíndice "2" en "M_{2}B" se
refiere a un coeficiente estequiométrico representado por [(% masa
de Cr / peso atómico del Cr) + (% masa de Fe / peso atómico del
Fe) + (% masa de Mo / peso atómico del Mo) + (% masa de Ni / peso
atómico del Ni) + (% masa de X / peso atómico de X)] / (% masa de B
/ peso atómico del B) de aproximadamente 2, en el que X representa
un elemento metálico excepto Cr, Fe, Mo, y Ni. Este estilo de
expresión no es específico, sino muy general.
Además, una inclusión metálica de carburo tal
como M_{23}C_{6}, M_{4}C, M_{2}C, o MC o una inclusión
metálica de un boruro tal como M_{2}B también comprende una
inclusión metálica precipitada en la forma que se describe a
continuación.
En particular, aunque el C y el B de las
inclusiones metálicas citadas anteriormente representan carbono y
boro, los dos elementos pueden sustituirse entre sí. Por ejemplo,
puede precipitar una inclusión metálica de carburo tal como
M_{23}(C, B)_{6}, M_{4}(C, B),
M_{2}(C, B), o M (C, B) y una inclusión metálica de boruro
tal como M2(B, C). Además, una inclusión metálica de carburo
tal como M_{23}C_{6}, M_{4}C, M_{2}C, o MC y una inclusión
metálica de boruro tal como M_{2}B pueden coprecipitar juntas en
lugar de individualmente.
De este modo, en la presente invención, aunque
la inclusión metálica de carburo tal como M_{23}C_{6},
M_{4}C, M_{2}C, o MC o la inclusión metálica de boruro tal como
M_{2}B pueden tomar cualquier forma química, estas inclusiones
que presentan una excelente conductividad eléctrica se dispersan
para presentar, de este modo, un rendimiento excelente.
En general, una placa bipolar presenta las cinco
funciones que se describen a continuación:
a) función de canal que suministra un gas
combustible y un gas oxidante uniformemente en unos planos
interiores de una celda;
b) función de canal que descarga eficazmente agua
formada en unas zonas del cátodo al exterior de una celda de
combustible junto con un gas portador tal como aire u oxígeno tras
la reacción;
c) función de conector eléctrico entre los
conjuntos de electrodos de membrana para así mantener durante un
período de tiempo prolongado una baja resistencia y una alta
conductividad apropiadas para un electrodo;
d) función de separador que separa una cámara del
cátodo y una cámara del ánodo en conjuntos adyacentes; y
e) función de separador que aísla los canales de
agua de refrigeración y separa los conjuntos adyacentes. En la
presente invención, la placa bipolar presenta por lo menos la
función c) citada anteriormente.
Los presentes inventores han realizado una serie
de pruebas para desarrollar un acero inoxidable que presenta una
baja resistencia eléctrica de contacto y una excelente resistencia
a la corrosión, en particular un acero inoxidable que no presenta
un aumento de la resistencia eléctrica de contacto con un material
de electrodo de grafito incluso cuando el acero sirve como placas
bipolares en una PEFC durante un período de tiempo prolongado. Los
inventores han obtenido las siguientes conclusiones.
a) Una película pasiva formada sobre la
superficie de acero inoxidable presenta inevitablemente una
resistencia eléctrica. Por esta razón, cuando el acero inoxidable
típico cubierto con una película pasiva sirve como placas bipolares
en una PEFC es difícil mantener baja la resistencia eléctrica para
obtener así un rendimiento suficiente de la celda.
b) La resistencia de eléctrica de contacto
depende del número de puntos de contacto por unidad de superficie;
el área total de los puntos de contacto; y la resistencia eléctrica
de cada punto de contacto.
c) Una inclusión metálica conductora de carburo
y una inclusión metálica conductora de boruro se dispersan y se
exponen de manera que las inclusiones sobresalen de la superficie
del acero inoxidable desde la película pasiva para, de esta manera,
reducir drásticamente la resistencia eléctrica de contacto y
mantener continuamente baja la resistencia eléctrica de contacto. En
este caso, la inclusión metálica conductora de boruro funciona como
trayectorias de conducción eléctrica.
d) Si se utiliza acero inoxidable en una PEFC,
el acero inoxidable presenta una resistencia a la corrosión
relativamente buena. Sin embargo, los elementos metálicos se
disuelven para producir corrosión, y se forman productos de
corrosión que comprenden predominantemente hidróxido de hierro,
para elevar así la resistencia eléctrica de contacto y afectar de
manera considerable a un catalizador incluido en una celda de
combustible. De este modo, el rendimiento de la celda representado
por la fuerza electromotriz se reduce en un corto período de
tiempo, y se reduce la conductividad de los protones de una
membrana de fluoruro conductora de protones y de intercambio de
iones que presenta un grupo de intercambio
hidrógeno-ión (protón).
e) En cambio, una película pasiva es esencial
para asegurar la resistencia a la corrosión del acero inoxidable en
una PEFC. Sin embargo, cuando se aumenta el espesor de la película
pasiva para reforzar así la película pasiva, la resistencia
eléctrica de contacto aumenta para reducir drásticamente, de este
modo, el rendimiento de la celda.
f) Con el fin de reforzar la película pasiva y
evitar la liberación de elementos metálicos a una PEFC, el
contenido de Cr y el contenido de Mo (%Cr + 3 x %Mo) se controla
preferiblemente a 13 o mayor.
g) Cuando se añade B al acero inoxidable para
así precipitar de manera intencionada inclusiones metálicas de
boruro M_{2}B, el Cr, Mo, Fe y Ni que sirven como elementos de
mejora de la resistencia a la corrosión se consumen para, de este
modo, afectar drásticamente a la resistencia a la corrosión de una
matriz de acero debido a una reducción de las concentraciones de Cr
y Mo. Por lo tanto, con el fin de elevar las concentraciones de Cr y
Mo en el acero para reforzar la capa pasiva y para evitar la
liberación de elementos metálicos a la PEFC, (Cr + 3 x Mo - 2,5B)
se controla preferiblemente a 13 o mayor.
h) El acero inoxidable en el cual precipita el
carburo a base de Cr puede mantener continuamente una baja
resistencia eléctrica de contacto, con independencia del espesor de
la placa pasiva. Sin embargo, la cantidad de C contenido en el
carburo a base de Cr precipita y el contenido total de C en el
acero cumple preferiblemente las siguientes condiciones:
[(% en masa de C precipitada como carburo que
contiene Cr) x 100/ {/% en masa total de C en
el acero) -
0,0015%}] \geq 80 para acero inoxidable ferrítico,
y
[(% en masa de C precipitada como carburo que
contiene Cr) x 100/ {/% en masa total de C en
el acero) -
0,012%}] \geq 85 para acero inoxidable
austenítico.
i) La adición intencionada de Mo produce una
suficiente resistencia a la corrosión. Si bien el Mo se disuelve en
una celda de combustible, el Mo presenta unos efectos relativamente
débiles sobre el rendimiento del catalizador incluido en un ánodo y
un cátodo. El mecanismo supuesto es tal que el Mo liberado forma un
ión de molibdato, lo cual no evita la conducción de protones en
una membrana de fluoruro conductora de protones y de intercambio de
iones que presente un grupo de intercambio
hidrógeno-ión (protón). De manera similar, el W
forma un ión de volframato y presenta un efecto similar al del Mo.
Además, el V también presenta un efecto
similar.
j) Con el fin de exponer las inclusiones
metálicas conductoras que precipitan en el acero inoxidable, es
preferible un procedimiento que comprenda disolver la superficie
del acero inoxidable utilizando una solución ácido acuosa.
k) Si el acero inoxidable que se lava con agua y
se seca tras la finalización del decapado se deja como está, la
resistencia eléctrica de contacto es susceptible de aumentar con el
paso del tiempo. Esto se produce predominantemente por la oxidación
debido al oxígeno contenido en el aire. En particular, un ácido que
permanece en unas microcavidades formadas en la superficie decapada
se evapora, se concentra, y sale a chorros, para producir, de este
modo, la corrosión. La superficie del acero inoxidable,
inmediatamente tras el decapado, presenta una película pasiva muy
delgada, y las moléculas de agua que forman un hidrato o iones
hidroxinium se unen a la superficie.
Cuando dicho acero inoxidable se deja al aire,
las moléculas de agua se disocian y se evaporan hasta que alcanzan
un estado de equilibrio. El oxígeno se enlaza entonces a los sitios
disociados de moléculas de agua para depositar así los productos de
la corrosión y elevar la resistencia eléctrica de contacto. Debido
a que dicho fenómeno sigue en varias horas, la resistencia
eléctrica de contacto aumenta una vez que el acero inoxidable actúa
como elementos conductores eléctricos.
l) Sin embargo, cuando el acero inoxidable
decapado se trata con una solución alcalina acuosa, el deterioro
del rendimiento se atenúa de manera excepcional; en particular, un
aumento de la resistencia eléctrica de contacto en un entorno
corrosivo, particularmente en una placa bipolar.
m) La extensión de la exposición y la altura del
resalte de las inclusiones metálicas conductoras que determinan la
resistencia eléctrica de contacto pueden controlarse
industrialmente por medio de la variación de la cantidad de
corrosión media (cantidad de disolución). Además, la cantidad de
corrosión media se encuentra dentro de un margen apropiado en el
cual la resistencia de contacto se minimiza. Esto está relacionado
con el número de puntos de contacto y la rugosidad superficial, lo
cual determina la resistencia eléctrica de contacto.
La figura n° 1A muestra la estructura de una
PEFC, y la figura n° 1B muestra la estructura global de una
PEFC.
La figura n° 2 muestra un estado en el cual se
establece el contacto entre la superficie de un producto de acero
inoxidable en el que se exponen las inclusiones metálicas y una
superficie de otro cuerpo conductor eléctrico.
La figura n° 3 es una gráfica que muestra un
perfil de rugosidad superficial bidimensional de una lámina de
acero inoxidable decapada.
La figura n° 4 es una gráfica que muestra un
perfil de rugosidad superficial tridimensional de una lámina de
acero inoxidable decapada.
La figura n° 5A es una microfotografía que
muestra inclusiones metálicas de boruro M_{2}B expuestas sobre la
superficie del acero inoxidable, y la figura n° 5B es una
microfotografía que muestra inclusiones metálicas de carburo
M_{23}C_{6} expuestas sobre la superficie del acero
inoxidable.
La figura n° 6 es una microfotografía que muestra
inclusiones metálicas de boruro M_{2}B expuestas sobre la
superficie del acero inoxidable ferrítico.
La figura n° 7 es una microfotografía que muestra
inclusiones metálicas de boruro M_{2}B expuestas sobre la
superficie del acero inoxidable austenítico.
La figura n° 8 es una gráfica para describir la
rugosidad superficial media Ra tal como se define en JIS B0601.
Se describirán ahora en detalla unas
realizaciones de la presente invención. En lo sucesivo, el símbolo
"%" se refiere a "% en masa".
Se disponen uno o más tipos de una variedad de
inclusiones metálicas finas de carburo y boruro, cuyas inclusiones
son conductoras eléctricas para que sobresalgan desde el interior
del acero inoxidable hacia el exterior de una película pasiva a
través de la película, cuya película se encuentra presente en la
superficie del acero inoxidable. En lo sucesivo, dicho estado de
las inclusiones metálicas se denominará "dispersión" y
"exposición".
Las inclusiones metálicas se dispersan y se
exponen sobre la superficie del acero inoxidable con el fin de
ayudar a la función de las inclusiones como trayectoria eléctrica y
reducir la resistencia eléctrica de contacto.
Las inclusiones metálicas de carburo preferibles
incluyen un tipo M_{23}C_{6}, un tipo M_{4}C, un tipo
M_{2}C, y un tipo MC, y las inclusiones metálicas de boruro
preferibles incluyen un tipo M_{2}B.
En general, una inclusión metálica de carburo de
tipo M_{23}C_{6} en el acero inoxidable reduce la resistencia a
la corrosión y, de este modo, la inclusión se considera no
deseable. Sin embargo, en la presente invención, una inclusión
metálica de carburo de tipo M_{23}C_{6}, que se ha considerado
no deseable, se precipita en una gran cantidad y se emplea como
"trayectoria eléctrica" que reduce la resistencia eléctrica de
contacto que ha aumentado mediante la formación de una película
pasiva.
De las inclusiones metálicas de carburo de tipo
M_{23}C_{6}, M_{2}C, y MC, y la inclusión metálica de boruro
de tipo M_{2}B, es preferible una inclusión metálica que contenga
uno o más de cromo, molibdeno, y tungsteno que actúe como elemento
metálico (M), por las razones que describen a continuación. Los
carburos y los boruros de dichos metales son termodinámicamente
estables como inclusión metálica y, similar a las matrices,
presentan una elevada conductividad y una excelente resistencia a
la corrosión. Estas inclusiones metálicas presentan una elevada
dureza y, de este modo, se utilizan preferiblemente para conseguir
un objetivo en una realización de la presente invención, en el que
las inclusiones se prensan hacia la superficie del acero inoxidable
para permanecer así en la misma, mediante procedimientos de
mecanización tales como granallado, pulido, o rectificado, para
presentar así las funciones. Además, incluso cuando las inclusiones
metálicas se disuelven, los iones metálicos disueltos son elementos
que mejoran la resistencia a la corrosión para favorecer la
pasivación del acero inoxidable. El molibdeno y el tungsteno forman
habitualmente iones metálicos, y pueden formar aniones tales como
iones de molibdato e iones de volframato y, de este modo, estos
metales raramente afectan a la membrana conductora de protones que
sirve como membrana electrolítica.
Los siguientes son procedimientos para exponer
inclusiones metálicas en la superficie exterior de una película
pasiva formada sobre la superficie de un acero inoxidable:
(1) un procedimiento para decapar el acero
inoxidable en el cual las inclusiones metálicas precipitan, para
así corroer la superficie del acero inoxidable;
(2) un procedimiento para laminar acero
inoxidable utilizando un laminador que presenta micro
irregularidades en el cual la superficie se somete a procesos de
mecanizado tales como granallado o ataque químico (dicho laminado
se denomina "laminado mate");
(3) un procedimiento de prensado del micro polvo
metálico de B_{4}C, WC, o Mo_{2}C, cuyo polvo es conductor
eléctrico, en la superficie del acero inoxidable para que
permanezca en la misma, durante el mecanizado del polvo tal como
granallado, pulido o rectificado;
(4) un procedimiento que combina un procedimiento
de tratamiento superficial denominado modificación superficial tal
como la deposición por implantación de iones con un tratamiento
térmico para la precipitación.
De éstos, un procedimiento de tipo (4) supone un
elevado coste si se utiliza industrialmente, pero el procedimiento
es eficaz ya que, excepto en la capa más exterior, las propiedades
del acero inoxidable raramente varían en una dirección del espesor.
Mientras tanto, el procedimiento de decapado citado anteriormente
resulta apropiado para producir acero inoxidable a escala
industrial, y el procedimiento es más preferible ya que se realiza
con facilidad. Por lo tanto, se describirá el decapado para la
exposición de las inclusiones metálicas.
El decapado puede llevarse a cabo a través de la
inmersión de la matriz de acero inoxidable en una solución ácida
que pueda disolver la matriz, o mediante la electrolización de la
matriz en la solución.
Preferiblemente, una solución ácida utilizada en
el decapado corroe la matriz de acero inoxidable de manera uniforme
y exclusivamente de manera que las inclusiones metálicas
conductoras permanecen.
Ejemplos de tales inclusiones metálicas incluyen
una solución acuosa de ácido nítrico fluorhídrico, una solución
acuosa de ácido sulfúrico, y una solución acuosa de ácido
clorhídrico, las cuales se utilizan habitualmente en una línea de
producción de acero inoxidable a escala industrial.
Alternativamente, puede utilizarse una solución ácida acuosa
disponible en el mercado para atacar químicamente el acero
inoxidable, cuya solución contenga predominantemente una solución
acuosa de cloruro férrico. Si es necesario, pueden añadirse
aditivos orgánicos o inorgánicos a una solución ácida con el fin de
suprimir el deterioro de la solución o para realizar una superficie
corroída uniforme y lisa.
La concentración del componente ácido en una
solución ácida acuosa necesaria para el decapado varía con el tipo
de acero inoxidable y la temperatura para el tratamiento de
decapado. La temperatura del tratamiento de decapado puede
encontrarse dentro de un margen de temperatura ambiente hasta el
punto de ebullición de la solución. La concentración y la
temperatura pueden determinarse observando el estado corrosión del
acero inoxidable. La concentración y la temperatura se regulan
preferiblemente para así obtener una pérdida de masa media de
5-60 g/m^{2}, y una rugosidad superficial; es
decir, una rugosidad media aritmética (Ra), de
0,06-5 \mum.
Una solución ácida acuosa preferible es una
solución acuosa de ácido fluorhídrico. La concentración de ácido
fluorhídrico en la solución es de un 2-20 en % de
masa, la concentración de ácido nítrico en la solución es de un
5-20 en % de masa, y la temperatura de la solución
es de 30-90°C. Cuando la concentración de ácido
fluorhídrico o ácido nítrico se encuentra por debajo del límite
inferior del margen anterior, el rendimiento del decapado puede
reducirse, mientras que si la concentración es superior al límite
superior del margen anterior, la superficie del acero inoxidable
puede ser considerablemente rugosa para, de este modo, aumentar la
resistencia eléctrica de contacto. Una solución acuosa de ácido
nítrico fluorhídrico permite la exposición de inclusiones metálicas
conductoras y la conservación de la superficie de la matriz del
acero inoxidable simultáneamente y, de esta manera, la solución es
preferible.
Si se utiliza una solución acuosa de ácido
sulfúrico, tras la finalización del decapado puede adherirse un
producto de la corrosión a la superficie del acero inoxidable y, de
este modo, el producto puede eliminarse utilizando una solución de
ácido que disuelva el producto, tal como una solución acuosa de
ácido fluorhídrico. Si se utiliza una solución acuosa de ácido
sulfúrico, la concentración de la solución es de un
5-25 en % de masa.
Un ácido clorhídrico, que es distinto del ácido
nítrico, no puede pasivizar la superficie de la matriz del acero
inoxidable, pero si se utiliza un ácido clorhídrico, la
concentración de una solución acuosa de ácido clorhídrico es
preferiblemente de un 3-16 en % de masa. La
temperatura de las soluciones anteriores se regula preferiblemente
dentro del margen de temperatura ambiente a 85°C. Puede utilizarse
una mezcla de estas soluciones como solución decapado y, si es
necesario, puede añadirse un inhibidor disponible en el mercado a
la solución con el fin de contener la velocidad de corrosión.
Tal como se ha descrito anteriormente, el
decapado puede llevarse a cabo eficazmente mediante la inmersión de
acero inoxidable en una solución ácida acuosa. Alternativamente, el
decapado puede llevarse a cabo mediante inyección, rociado o
pulverizado de una solución ácida sobre la superficie del acero
inoxidable.
En el procedimiento de producción de la presente
invención, el tratamiento de neutralización puede llevarse a cabo
tras la finalización del decapado. Incluso si el acero inoxidable
se ha lavado suficientemente con agua tras el decapado, un
componente ácido puede permanecer en las micro irregularidades de
la superficie del acero inoxidable, en los espacios entre
inclusiones metálicas y la matriz de acero inoxidable, y en los
bordes de los granos. De este modo, en muchos casos, el componente
ácido se concentra según el secado de la superficie. Como
resultado, la corrosión de la superficie puede continuar debido a
la concentración y la dispersión de una solución de decapado y la
resistencia de contacto sobre la superficie puede aumentar con el
paso del tiempo. Sin embargo, cuando se lleva a cabo un tratamiento
de neutralización mediante la inmersión de acero inoxidable en una
solución alcalina acuosa que tiene un pH de 7 o mayor, o mediante
el pulverizado de dicha solución sobre la superficie del acero
inoxidable, el deterioro de las propiedades del acero inoxidable
puede evitarse en una medida considerable. En este caso, el término
"pulverizado" también se refiere a la inyección o rociado de
una solución alcalina acuosa a través de una boquilla.
Una solución alcalina acuosa utilizada en la
presente invención cumple preferiblemente las siguientes
condiciones: (1) soluble en agua; (2) capaz de limpiarse bien con
agua tras el tratamiento; (3) los desechos pueden tratarse con
facilidad a escala industrial; y (4) puede conseguirse fácilmente y
es económica. Un ejemplo preferible de dicha solución alcalina
acuosa es una solución acuosa de un 3-10 en % de
masa de hidróxido sódico.
La figura n° 2 es una vista en sección
transversal que muestra el caso en el que la superficie de un
conductor se dispone en contacto con la superficie del acero
inoxidable de la presente invención en la cual se exponen las
inclusiones metálicas.
La figura n° 2 muestra el estado en el cual se
forma una película pasiva (12) sobre la superficie del acero
inoxidable (10), y en el cual precipitan las inclusiones metálicas
de boruro (13) y las inclusiones metálicas de carburo (15) y en el
cual se exponen, sobre la superficie del acero inoxidable, las
inclusiones metálicas (14) que sobresalen, y estas inclusiones se
disponen en contacto con una placa de carbono (11).
La rugosidad superficial del acero inoxidable
tras el decapado puede afectar a la resistencia eléctrica de
contacto y, de este modo, la rugosidad media aritmética del acero
inoxidable es preferiblemente de 0,06-5 \mum.
Cuando la rugosidad media aritmética (Ra) del acero inoxidable es
menor de 0,06 \mum, la superficie es muy uniforme y, de este
modo, incluso si las inclusiones metálicas conductoras están
presentes en las inmediaciones de la superficie, la resistencia
eléctrica de contacto raramente se mejora. Es decir, cuando la
superficie es muy uniforme, el número de puntos de contacto puede
disminuir. En cambio, cuando Ra es superior a 5 \mum, el número
de puntos de contacto por unidad de superficie disminuye
considerablemente y, de este modo, la resistencia eléctrica de
contacto tiende a reducirse. Por esta razón, Ra es preferiblemente
0,06-5 \mum., más preferiblemente
0,06-2,5 \mum.
La rugosidad superficial descrita anteriormente;
es decir, la "rugosidad media aritmética, Ra", se refiere a un
valor que representa el grado de rugosidad superficial
bidimensional tal como se define en JIS B
0601-1982.
Tal como se muestra en la figura n° 8, Ra es un
valor medido en micrómetros (µm) y se calcula a través de la
siguiente ecuación, cuando se elimina una parte de la curva de
rugosidad (y= f(x)) que presenta una unidad de longitud
predeterminada en la dirección de una línea media, el eje X se
dispone en la dirección de la línea media de la zona, y el eje Y se
dispone en la dirección del aumento longitudinal de la zona:
(l: longitud estándar)Ra =
\frac{1}{l}\int
\limits^{1}_{0}|f(x)|dx
Se describirá a continuación una composición
química preferible de acero inoxidable de la presente
invención.
C es un elemento importante en la presente
invención, como lo es B. Cuando C se dispersa y precipita como
carburo que contiene predominantemente Cr en el acero inoxidable, la
resistencia eléctrica de contacto de la superficie del acero
inoxidable que está cubierta con una película pasiva puede
reducirse, por las razones que se describen a continuación. El
carburo que contiene Cr presenta unas propiedades metálicas, y
presenta una buena conductividad eléctrica en comparación con la
película pasiva. En el acero inoxidable que contiene B, los
elementos B del boruro pueden sustituirse por los elementos C del
carburo, y el carburo precipita.
En general, se forma una película pasiva muy fina
que presenta un espesor de decenas de \ring{A} sobre la
superficie del acero inoxidable, y la película presenta una
excelente resistencia a la corrosión. Sin embargo, en general, una
película pasiva presenta una baja conductividad eléctrica en
comparación con una matriz de acero inoxidable y, de este modo, la
película aumenta la resistencia eléctrica de contacto. Cuando una
película pasiva se hace más delgada, la resistencia eléctrica puede
reducirse. Sin embargo, en particular si se utiliza acero
inoxidable en una PEFC, resulta difícil permitir que una película
pasiva se encuentre presente como película delgada de espesor
uniforme. Si un carburo que contiene Cr que presenta una elevada
conductividad eléctrica no se cubre con una película pasiva sino
que se expone directamente sobre la superficie de la película la
resistencia eléctrica de la superficie del acero inoxidable se
reduce eficazmente durante un período de tiempo prolongado. El
carburo que contiene Cr es estable contra la corrosión, y no se
forma una película pasiva sobre la superficie del carburo. Por lo
tanto, incluso si una película pasiva sobre la superficie del acero
inoxidable se hace más gruesa en una PEFC, se mantiene una buena
conductividad mediante la intervención de carburo que contiene Cr
el cual queda expuesto sobre la superficie del acero inoxidable y,
de este modo, la resistencia eléctrica de contacto de la superficie
del acero inoxidable puede reducirse. En otras palabras, el carburo
que contiene Cr fino que no se cubre con una película pasiva sino
que se expone sobre la superficie del acero inoxidable actúa de
"trayectoria eléctrica" (bypass) y, de este modo, puede
reducirse la resistencia eléctrica
\hbox{de
contacto.}
En general, cuando el acero inoxidable contiene
una gran cantidad de C, el acero presenta una resistencia y una
dureza elevada y una baja ductilidad, lo cual tiene como resultado
una baja conductividad. Con el fin de mantener la formabilidad del
acero inoxidable utilizado para producir una placa bipolar de una
PEFC, el C del acero inoxidable precipita preferiblemente como
carbonato para reducir, de este modo, la cantidad de C contenido en
el acero. Si el C precipita como carbonato, la formabilidad del
acero inoxidable puede mejorarse. Es decir, una medida efectiva
para mantener la formabilidad del acero inoxidable es precipitar el
C en el acero como carbonato. Además, la formabilidad del acero
inoxidable se mejora eficazmente mucho convirtiendo el carburo en
una gran coagulación a través de un tratamiento térmico. Si el
carburo se mantiene durante un período prolongado de tiempo, el
carburo se coagula para formar, de este modo, una gran coagulación.
Si se aplica una tensión residual al carburo con antelación
mediante laminado en frío, granallado con polvo metálico fino,
pulido, o rectificado antes de que el carburo se someta a un
tratamiento térmico para así formar una gran coagulación, puede
reducirse el tiempo de precipitación y coagulación del carburo.
Además, incluso si se revela una sensibilización de acuerdo con la
precipitación de carburo, la resistencia a la corrosión se recupera
inmediatamente al nivel de una matriz.
En el acero inoxidable ferrítico, cuando se
contiene C en una cantidad superior a un 0,15%, la formabilidad del
acero utilizado para producir una placa bipolar de una PEFC no puede
mantenerse y, por esta razón, se contiene C en una cantidad de un
0,15% o menos. Con el fin de evitar la sensibilización producida
por la precipitación del carburo, un valor obtenido a partir de la
siguiente fórmula es preferiblemente 80 o más: (% de masa de C
precipitado como carburo que contiene Cr) x (100/[/% de masa total
de C contenido en el acero) - 0,0015%].
Para precipitar, dispersar, y exponer el carburo
sobre la superficie del acero inoxidable, el acero contiene C
preferiblemente en una cantidad de un 0,1% o más, más
preferiblemente 0,04% o más. Para acelerar la precipitación del
carburo, el acero inoxidable puede someterse a un tratamiento
térmico a una temperatura dentro de un margen de
500-950°C. Cuando la temperatura de tratamiento es
mayor de 950°C, el carburo que contiene Cr se convierte en
térmicamente inestable y queda contenido de nuevo en el acero
inoxidable. En cambio, cuando la temperatura de tratamiento es
menor de 500°C, el C y el Cr del acero inoxidable se difunden
lentamente y, de este modo, se requiere un período de tiempo
prolongado para la precipitación en la producción a gran escala, lo
cual es insatisfactorio desde un punto de vista de producción
industrial. La precipitación del carburo que contiene Cr se lleva a
cabo preferiblemente a una temperatura dentro del intervalo de
650-900°C, más preferiblemente de
800-900°C.
En el acero inoxidable austenítico, para
precipitar el carburo en una gran cantidad, puede existir un
contenido de C de un 0,005-0,2%. Si existe un
contenido de C superior a un 0,2% resulta difícil mantener la
formabilidad del acero inoxidable para producir una placa bipolar
para una PEFC. Con el fin de precipitar el carbono en una gran
cantidad, y para dispersar y exponer el carburo sobre la superficie
del acero inoxidable, el acero contiene C preferiblemente en una
cantidad de un 0,015% o más, más preferiblemente 0,06% o más. Para
evitar la sensibilización producida por la precipitación del
carburo, un valor obtenido a partir de la siguiente fórmula es
preferiblemente 85 o más: (% de masa de C precipitado como carburo
que contiene Cr) x (100/[/% de masa total de C contenido en el
acero) - 0,012%]. Para acelerar la precipitación del carburo, puede
someterse el acero inoxidable a un tratamiento térmico a una
temperatura dentro de un intervalo de 500-950°C. Si
la temperatura es mayor de 950°C, el carburo que contiene Cr se
convierte en térmicamente inestable y queda contenido de nuevo en
el acero inoxidable. En cambio, cuando la temperatura de
tratamiento es menor de 500°C, el C y el Cr del acero inoxidable se
difunden lentamente y, de este modo, se requiere un período de
tiempo prolongado para la precipitación en la producción a gran
escala, lo cual es insatisfactorio desde un punto de vista de
producción industrial. La precipitación del carburo que contiene Cr
se lleva a cabo preferiblemente a una temperatura dentro del
intervalo de 600-900°C.
El carburo que contiene Cr se dispersa
exclusivamente y precipita finamente en el acero, pero tiende a
precipitar exclusivamente en los bordes de los granos. Para reducir
la resistencia eléctrica de contacto, el carburo que contiene Cr
puede precipitar en los bordes de los granos o bien en los granos.
Sin embargo, desde el punto de vista de la dispersión uniforme del
carburo, el carburo se dispersa preferiblemente también en los
granos.
Para dispersar el carburo que contiene Cr en los
granos del acero inoxidable, en primer lugar el carburo precipita y
se aplica una tensión al acero por medio de laminado en caliente o
laminado en frío en un determinado intervalo de temperatura y
durante un período de tiempo especificado de manera que no todo el
carburo quede contenido en el acero de nuevo; es decir, solamente
una parte del carburo queda contenido en el acero de nuevo. A
continuación, la temperatura se mantiene en un intervalo de
temperaturas en el que el carburo precipita; es decir,
500-950°C. El efecto del trabajo en frío puede
confirmarse mediante un grado de trabajo en frío del orden de
varios %, pero preferiblemente el grado es aproximadamente de un
20-30% o más. La tensión puede aplicarse solamente a
las proximidades de una capa exterior de acero inoxidable, y el
carburo puede precipitar solamente en las proximidades de la capa
exterior. El C del acero inoxidable, que queda contenido de nuevo
en el acero de nuevo, vuelve a precipitar utilizando el carburo que
residual de los bordes de los granos o de los granos, el cual sirve
como núcleos para, de este modo, formar otro borde de grano y
precipitar el carburo en otro grano.
En el acero inoxidable ferrítico, cuando se
aplica una tensión solamente en las proximidades de la superficie y
el tratamiento de precipitación se lleva a cabo solamente en las
proximidades de la superficie, llega a ser difícil obtener un valor
de 80 o más en la siguiente fórmula: (% de masa de C precipitado
como carburo que contiene Cr) x (100/[/% de masa total de C
contenido en el acero) - 0,0015%]. Mientras tanto, en el acero
inoxidable austenítico es difícil obtener un valor de 85 o más en
la siguiente fórmula: (% de masa de C precipitado como carburo que
contiene Cr) x (100/[/% de masa total de C contenido en el acero) -
0,012%]. Sin embargo, es preferible obtener los valores anteriores
en la superficie del acero inoxidable sobre la cual se expone el
carburo.
Tal como es conocido, en la precipitación del
carburo que contiene Cr, la resistencia a la corrosión de una
matriz de acero inoxidable puede reducirse debido a la
sensibilización. El término "sensibilización" se refiere a la
reducción de la resistencia a la corrosión, la cual se produce por
la formación de una zona agotada de Cr que rodea el carburo que
contiene Cr. La sensibilización puede reducirse o atenuarse
manteniendo el acero inoxidable en un margen de temperaturas entre
500°C y 950°C durante un período de tiempo prolongado y enfriando
gradualmente el acero. En general, es preferible una velocidad de
enfriamiento lenta.
Sin embargo, el tiempo de tratamiento térmico
para contener la sensibilización varía con la cantidad de C en el
acero inoxidable y el historial de tratamiento del material, y es
difícil determinar las condiciones para el tiempo. Es decir, las
condiciones de tratamiento térmico para contener la sensibilización
varían con el estado de precipitación del carburo, la cantidad de
tensión residual, o, la temperatura de mantenimiento antes del
tratamiento térmico para la precipitación del carburo y, de este
modo, es difícil determinar las condiciones. Por ejemplo, el acero
inoxidable se enfría en un horno a 830°C durante seis horas.
Inmediatamente tras la finalización de la
precipitación y el tratamiento térmico, sin enfriamiento, el acero
inoxidable puede someterse sucesivamente a un tratamiento térmico
para contener la sensibilización. Alternativamente, después de que
enfriar el acero inoxidable, el acero se calienta de nuevo a una
temperatura en un margen de 500°C-950°C, se
mantiene a la temperatura, y se enfría gradualmente para evitar o
atenuar así la sensibilización. Como estándar, en el acero
inoxidable ferrítico, puede obtenerse un valor de 80 o más en la
fórmula siguiente: (% de masa de C precipitado como carburo que
contiene Cr) x (100/[/% de masa total de C contenido en el acero) -
0,0015%]. En el acero inoxidable austenítico puede obtenerse un
valor de 85 o más en la fórmula siguiente: (% de masa de C
precipitado como carburo que contiene Cr) x (100/[/% de masa total
de C contenido en el acero) - 0,012%]. Si la sensibilización se
evita, la sensibilización se recupera, y la resistencia a la
corrosión se mantiene en el acero inoxidable puede confirmarse
fácilmente a través de un procedimiento de detección de la
corrosión del borde de los granos; por ejemplo, la "prueba de la
corrosión de ácido sulfúrico - sulfato de cobre" especificada en
JIS G-0575.
Para medir el valor de "% de masa de C
precipitado como carburo que contiene Cr", se produce una barra
redonda que tiene un diámetro de 8 mm a partir de un material de
prueba, y se somete la barra a una electrolisis de corriente
constante en un disolvente no acuoso utilizando un disolvente AA
(10% acetilacetona- 1% cloruro de tetrametil amonio- metanol
(resto)). La cantidad de Cr en el "residuo del extracto"
obtenido de esta manera se analiza cuantitativamente, y se supone
que todo el Cr está contenido en Cr_{23}C_{6}, para obtener así
la cantidad de C mediante el cálculo equivalente.
En particular, se somete una barra redonda a una
electrolisis de corriente constante en un disolvente no acuoso AA a
una densidad de corriente de 20 mA/cm^{2} durante aproximadamente
tres horas para, de este modo, disolver la barra (aproximadamente
0,4 g) en el disolvente. Inmediatamente después de la electrólisis,
el disolvente no acuoso AA utilizado en la electrolisis y un
disolvente no acuoso AA en el cual la probeta de la electrolisis se
limpia por ultrasonidos se filtran utilizando un "Nucleoporo"
que tiene un diámetro de filtro de 0,2 \mum (producto de Coster
Scientific Corporation), y en el filtro se disuelve un residuo en
ácido sulfúrico - fosfórico (ácido fosfórico de alta calidad: ácido
sulfúrico de alta calidad: agua destilada= 1: 1: 1). La solución
así obtenida se somete a un análisis de componente metálico
utilizando un analizador espectroscópico de fluorescencia de plasma
de acoplamiento inductivo (modelo: ICPV-1014,
producto de SHIMADZU CORPORATION), para obtener así la
concentración de Cr en el carburo que contiene Cr.
La medición de "% de masa total de C contenido
en el acero" se lleva a cabo mediante un procedimiento de
absorción de infrarrojos. En particular, se calienta una probeta y
se funde bajo un flujo de oxígeno, y el carbono del acero se
calienta lo suficientemente para formar dióxido de carbono. El
dióxido de carbono obtenido de este modo se transporta a una celda
de absorción de infrarrojos con oxígeno y la cantidad de carbono se
mide en base a la absorción de infrarrojos del dióxido de carbono.
Actualmente éste es el procedimiento más común para cuantificar el
carbono en el acero.
En el acero inoxidable, el Si está contenido
preferiblemente en una cantidad de un 0,01-1,5%. El
Si es un elemento desoxidante eficaz, como lo es el Al, en el
acero que se produce a escala industrial. Cuando la cantidad de Si
en el acero es menor de 0,01%, la desoxidación es insuficiente,
mientras que si la cantidad es superior a 1,5%, la formabilidad del
acero puede deteriorarse.
En el acero inoxidable ferrítico, el Mn está
contenido preferiblemente en una cantidad de un
0,01-1,5%. En general, el Mn presenta unos efectos
sobre la fijación del S en el acero para formar un sulfuro de tipo
Mn, y efectos sobre la mejora de la capacidad de procesamiento en
caliente. En el acero inoxidable austenítico, el Mn está contenido
en una cantidad de un 0,01-2,5%. El Mn es un eficaz
elemento estabilizador de la fase austenita. El Mn no está
contenido necesariamente en el acero en una cantidad que supere un
2,5%.
La cantidad de P en el acero es preferiblemente
de un 0,04% o menos. En la presente invención, el P se considera
una impureza muy nociva, como lo es el S. Contra menor sea la
cantidad de P, más preferible será.
La cantidad de S en el acero es preferiblemente
de un 0,01% o menos. En la presente invención, el S se considera
una impureza muy nociva, como lo es el P. Contra menor sea la
cantidad de S, más preferible será. De acuerdo con el tipo de
elementos que coexisten en el acero y la cantidad de S, se
precipita mucho S en el acero como sulfuro que contiene Mn, sulfuro
que contiene Cr, sulfuro que contiene Fe, sulfuro complejo del
mismo, o inclusión no metálica compleja con óxido. Sin embargo, en
una placa bipolar para una PEFC, cualquier inclusión de sulfuro no
metálica composicional actúa, en cierta medida, como origen de la
corrosión, y la inclusión se vuelve perjudicial para el
mantenimiento de una película pasiva y la contención de la
liberación de los productos de corrosión. En general, la cantidad
de S en el acero que se produce a escala industrial supera un
0,005%, y aproximadamente un 0,008%. Con el fin de evitar los
efectos desventajosos citados, la cantidad de S en el acero es
preferiblemente de un 0,002% o menos, más preferiblemente menos de
0,001%, y contra menor sea la cantidad, más preferible será. En la
técnica de refinado utilizada actualmente, la cantidad de S en el
acero puede reducirse a menos de un 0,001% en una producción de
acero a escala industrial con un pequeño aumento en el coste de
producción, sin representar ningún problema.
El Cr es un elemento de aleación básico muy
importante para mantener la resistencia a la corrosión de una
matriz. Contra mayor sea la cantidad de Cr en el acero mayor será
la resistencia a la corrosión. En el acero ferrítico, cuando la
cantidad de Cr supera un 36%, la producción a escala industrial del
acero resulta difícil. En el acero austenítico, cuando la cantidad
de Cr supera un 30%, una fase austenita se vuelve inestable mediante
la regulación de otros componentes de aleación. En el acero
ferrítico, cuando la cantidad de Cr es menor de un 10%, resulta
difícil mantener la resistencia al a corrosión requerida del acero
utilizado como placa bipolar incluso si se varían las cantidades de
otros elementos. Alternativamente, cuando la cantidad de Cr es
menor de un 17% en el acero austenítico, llega a ser difícil
mantener la resistencia a la corrosión requerida del acero
utilizado como placa bipolar incluso si se varían las cantidades de
otros elementos.
Cuando el boruro o el carburo precipita, la
cantidad de Cr contenido en el acero se reduce, contribuyendo el Cr
a la mejora de la resistencia a la corrosión, si se compara con la
cantidad de Cr contenido en el acero fundido y, de este modo, puede
reducirse la resistencia a la corrosión de una matriz. En el caso
del acero de la presente invención en el que un boruro de tipo
M_{2}B precipita con el fin de mantener la resistencia a la
corrosión del acero en una PEFC, la cantidad de Cr en el acero
cumple preferiblemente la siguiente relación:
\hbox{13 \leq
(%Cr + 3 x %Mo - 2,5 x %B) \leq 50.} Casualmente, cuando el
carburo de tipo M_{23}C_{6} precipita en el acero, la cantidad
de Cr contenido en el acero disminuye de acuerdo con la cantidad de
carburo precipitado y, de este modo, la cantidad de Cr en el acero
cumple preferiblemente la siguiente relación: (%Cr en el acero -
%Cr precipitado como carburo de tipo M_{23}C_{6}) + 3 x %Mo
\geq 13.
El Al se añade al acero fundido como elemento
desoxidante. Si el acero de la presente invención contiene B, el B
se enlaza fuertemente al oxígeno en el acero fundido y, de este
modo, la cantidad de oxígeno en el acero puede reducirse por
desoxidación de Al. Por esta razón, el acero puede contener Al en
una cantidad de un 0,001-6%.
El acero contiene B si es necesario, y si el
acero contiene B, el B presenta efectos importantes. La cantidad de
B en el acero es preferiblemente un 3,5% o menos. En el acero que
contiene B y que contiene Cr y Fe en una gran cantidad y Ni y Mo en
una pequeña cantidad, si B precipita como boruro de tipo M_{2}B
tal como (Cr, Fe)_{2}B o (Cr, Fe, Ni)_{2}B, la
resistencia eléctrica de contacto de la superficie del acero
inoxidable que está cubierta con una película pasiva se reduce
eficazmente. Mientras tanto, si el acero inoxidable es granallado
con finas partículas de B_{4}C, o si el B se prensa sobre el
acero inoxidable para así permanecer en el mismo durante el pulido
y el rectificado, la resistencia eléctrica de contacto del acero se
mantiene continuamente baja.
La razón por la cual se producen los fenómenos
descritos anteriormente es que los boruros citados anteriormente
presentan propiedades metálicas, y presentan una buena
conductividad en comparación con una película pasiva.
Si un boruro que presenta una buena conductividad
eléctrica no se cubre con una película pasiva sino que se expone
directamente sobre la superficie de la película pasiva, la
resistencia eléctrica de la superficie del acero inoxidable se
reduce eficazmente mucho durante un período de tiempo
prolongado.
El boruro es estable contra la corrosión, como lo
es el carburo, y no se forma ninguna película pasiva sobre la
superficie del boruro. Por esta razón, incluso cuando una película
pasiva sobre la superficie del acero se espesa en una PEFC, se
mantiene una buena conductividad mediante la intervención de un
boruro que se expone en la superficie del acero y, de este modo,
puede reducirse la resistencia eléctrica de contacto de la
superficie del acero inoxidable. En otras palabras, un boruro fino
que presenta propiedades metálicas, cuyo boruro no está cubierto con
una película pasiva sino que está expuesto sobre la superficie del
acero, funciona como "trayectoria eléctrica" y, de este modo,
puede reducirse la resistencia eléctrica de contacto.
En general, si un acero inoxidable contiene una
gran cantidad de B, el acero presenta una resistencia y una dureza
elevada y una baja ductilidad, lo cual produce una baja
productividad. Para mantener la formabilidad del acero inoxidable
utilizado para producir una placa bipolar para una PEFC, el B del
acero precipita preferiblemente como boruro para reducir así la
cantidad de B contenida en el acero. Si B precipita como boruro, la
formabilidad del acero puede mejorarse.
Es decir, una medida efectiva para mantener la
formabilidad del acero inoxidable es precipitar el B en el acero
como boruro. Además, la capacidad de procesamiento del acero se
mejora eficazmente mucho si el boruro se convierte en una gran
coagulación a través de la retención a una temperatura cercana a
1200°C durante un período prolongado de tiempo. Sin embargo, la
temperatura es elevada y, por ello, el material tiende a cambiar
desfavorablemente de forma.
Casualmente, durante un proceso de producción,
cuando no se está llevando a cabo trabajo en caliente en un
elevado índice de forjado, el boruro que provoca la reducción de la
formabilidad puede rectificarse y dispersarse finamente. Cuando el
boruro se rectifica finamente puede reducirse el deterioro de la
tenacidad. El forjado en frío también es eficaz para dispersar
finamente el boruro.
Si el acero contiene B en una cantidad superior a
un 3,5%, la producción de acero a través de un procedimiento de
fusión convencional resulta difícil, y la formabilidad del acero
utilizado para producir una placa bipolar para una PEFC no puede
mantenerse a temperatura ambiente. Por consiguiente, la cantidad de
B en el acero es preferiblemente de un 3,5%.
Tal como es bien conocido, la mayoría del B
precipita como boruro. La cantidad de B contenida en el acero es
aproximadamente de un 0,01% o menos a 1125°C. A bajas temperaturas,
la cantidad de B contenido en el acero se reduce más.
La temperatura de precipitación del boruro varía
con la cantidad del mismo, y la temperatura se encuentra cerca de
la temperatura de solidificación del acero inoxidable. Una vez que
el boruro ha precipitado, raramente vuelve a contenerse en el
acero. De acuerdo con la cantidad de B, el liquidus se
reduce y, de este modo, el margen de temperatura forjable en el
trabajo en caliente se estrecha desfavorablemente. Además, la
formabilidad del boruro es muy baja y, por lo tanto, cuando la
cantidad de B en el acero es grande y B precipita en una gran
cantidad, se producen grietas durante la producción y el
procesamiento, lo cual produce una baja productividad. Sin embargo,
cuando la cantidad de B en el acero es de un 3,5%, el acero puede
producirse a escala industrial, si bien la producción del mismo es
muy difícil.
Cuando el acero que contiene el boruro se lamina,
el boruro de tipo M_{2}B, que raramente se deforma cuando se
somete al trabajo, se rectifica y se dispersa en una dirección de
laminado del acero. La formabilidad del acero depende del estado de
dispersión del boruro. El estado de dispersión del boruro en el
acero puede controlarse mediante las condiciones de forjado,
laminado en caliente, y laminado en frío. En particular, el estado
puede controlarse eficazmente mediante laminado en caliente bajo
elevada presión o laminado en frío.
Cuando el acero contiene B en una cantidad de
aproximadamente decenas de ppm, el boruro tiende a precipitar en
los bordes de los granos. Para reducir la resistencia eléctrica de
contacto, el boruro puede precipitar en los borde de los granos o
bien en los granos. Sin embargo, para mejorar la capacidad de
procesamiento del acero a temperatura ambiente y para evitar
grietas en el acero, el boruro se dispersa preferiblemente de
manera uniforme en el acero.
Cuando el boruro se precipita en el acero, puede
reducirse la resistencia a la corrosión de una matriz, ya que el Cr
y el Mo de la matriz se consumen durante la precipitación del
boruro. Por lo tanto, es muy importante que el exceso de Cr y Mo
estén contenidos en el acero fundido con antelación en cantidades
que correspondan a las cantidades que se consumen durante la
formación del boruro, con el fin de reducir el deterioro de la
resistencia corrosiva del acero. El efecto de la velocidad de
enfriamiento es relativamente pequeño.
Para mantener la resistencia a la corrosión del
acero en una PEFC, se cumple preferiblemente la siguiente relación:
%Cr + 3 x %Mo - 2,5 x %B \geq 13. En este caso, mediante
experimentación se obtiene un coeficiente que corresponde a cada
elemento.
Para medir la cantidad de B en el acero, se
produce una barra redonda que tiene un diámetro de 8 mm a partir de
un material de prueba, y se somete la barra a una electrolisis de
corriente constante en un disolvente no acuoso utilizando un
disolvente AA (10% acetilacetona- 1% cloruro de tetrametil amonio-
metanol (resto)). La cantidad de B en el "residuo del
extracto" obtenido de esta manera se analiza cuantitativamente.
En particular, se somete una barra redonda a una electrolisis de
corriente constante en un disolvente no acuoso AA a una densidad de
corriente de 20 mA/cm^{2} durante aproximadamente tres horas
para, de este modo, disolver la barra (aproximadamente 0,4 g) en el
disolvente. Inmediatamente después de la electrólisis, el
disolvente no acuoso AA utilizado en la electrolisis y un disolvente
no acuoso AA, en el cual la probeta de la electrolisis se limpia
por ultrasonidos, se filtran utilizando un "Nucleoporo" que
tiene in diámetro de filtro de 0,2 \mum (producto de Coster
Scientific Corporation). La cantidad de B se obtiene utilizando el
residuo sobre el filtro. Si la cantidad de boruro en el acero es
pequeña y la cantidad de residuo sobre el filtro es menor que 40
\mug, el residuo se separa por destilación, y la cantidad de B se
obtiene a través de un análisis espectroscópico de Curcumin. En
cambio, si el residuo es de 40 \mug o más, el residuo se disuelve
en ácido sulfúrico - fosfórico (ácido fosfórico de alta calidad:
ácido sulfúrico de alta calidad: agua destilada= 1: 1: 1). La
solución obtenida de esta manera se somete a un análisis de
componente metálico utilizando un analizador espectroscópico de
fluorescencia de plasma de acoplamiento inductivo (modelo:
ICPV-1014, producto de SHIMADZU CORPORATION), para
obtener así la cantidad de B que precipita como boruro.
El residuo obtenido en la electrólisis de
corriente constante citada anteriormente en un disolvente AA se
recoge en un filtro como compuesto M_{2}B. La cantidad de metal
elemental unido al B en el boruro puede medirse a través del
procedimiento citado anteriormente haciendo uso de un analizador
espectroscópico de fluorescencia de plasma de acoplamiento
inductivo. El análisis cualitativo del elemento metálico puede
realizarse a través de difracción de rayos X.
En el acero inoxidable ferrítico, el N es una
impureza. La cantidad de N en el acero es preferiblemente de un
0,05% o menos, ya que el N produce un deterioro de la tenacidad a
temperatura ambiente. Contra menor sea la cantidad de N, más
preferible será. Industrialmente, la cantidad de N en el acero es
preferiblemente de un 0,007% o menos. En el acero inoxidable
austenítico, N es un elemento eficaz que sirve como elemento de
formación de austenita para la regulación de un equilibrio de fase
austenítica. Sin embargo, para mantener la capacidad de
procesamiento del acero, la cantidad e N en el acero es de un 0,4%
o menos.
En el acero inoxidable austenítico, el Ni es un
elemento de aleación muy importante para la estabilización de una
fase austenítica. También, en el acero inoxidable ferrítico, el Ni
presenta efectos en la mejora de la resistencia a la corrosión y la
tenacidad. En el acero inoxidable austenítico, la cantidad de Ni es
preferiblemente de un 7% a un 50%. Si la cantidad es menor de un
7%, la estabilización de una fase austenítica resulta difícil,
mientras que si la cantidad supera el 50%, la producción del acero
resulta difícil. En el acero inoxidable ferrítico, la cantidad de
Ni es preferiblemente de un 5% o menos. Si la cantidad supera el
5%, la estructura ferrítica es difícil de formar, el acero queda
afectado por otros elementos y puede formarse una estructura de
ferrita y austenita de dos fases. En la estructura de dos fases, la
formabilidad de una placa fina es anisotrópica, y no puede
mantenerse una formabilidad suficiente en el acero utilizado para
producir una placa bipolar para una PEFC.
Incluso si el acero contiene Mo en una pequeña
cantidad en comparación con el Cr, el Mo presenta un efecto de
mejora de la resistencia a la corrosión. Si es necesario, el acero
puede contener Mo en una cantidad de un 7% o menos. Si la cantidad
de Mo en el acero supera el 7%, es difícil evitar la precipitación
de un compuesto intermetálico tal como una fase sigma, y la
producción del acero resulta difícil, debido a la fragilidad. Por
esta razón, la cantidad de Ni es preferiblemente de un 7% o
menor.
Casualmente, incluso si el Mo del acero se
disuelve por la corrosión en una PEFC, el efecto del Mo sobre el
rendimiento de un catalizador dispuesto en un ánodo o en un cátodo
es relativamente débil, por las razones
que se describen a continuación. El Mo existe no como catión metálico sino como anión molibdato y, por esta
razón, raramente afecta a la conductividad del catión de una membrana de resina de intercambio de iones de tipo flúor.
que se describen a continuación. El Mo existe no como catión metálico sino como anión molibdato y, por esta
razón, raramente afecta a la conductividad del catión de una membrana de resina de intercambio de iones de tipo flúor.
El Mo es un elemento aditivo importante para
mantener la resistencia a la corrosión del acero, y la cantidad de
Mo en el acero cumple preferiblemente la siguiente relación: (%Cr +
3 x %Mo - 2,5 x %B) \geq 13.
En el acero, o en la superficie del acero, el Mo
puede estar contenido como carburo de tipo Mo_{2}C; un residuo
tras el procesamiento de mecanizado tal como granallado, pulido o
rectificado; o precipitado. Cuando el Mo actúa como metal conductor
se dispersa y se expone sobre la superficie del acero inoxidable,
la resistencia eléctrica de contacto de la superficie del acero
inoxidable que está cubierta con una película pasiva se reduce
eficazmente. La razón por la cual se producen dichos fenómenos es
que el carburo que contiene Mo presenta propiedades metálicas, y
presenta una buena conductividad en comparación con una película
pasiva. Si el carburo que contiene Mo que presenta una buena
conductividad eléctrica no se cubre con una película pasiva sino
que se expone directamente sobre la superficie de la película
pasiva, la resistencia eléctrica de la superficie del acero
inoxidable se reduce eficazmente mucho durante un período de tiempo
prolongado, ya que el carburo que contiene Mo fino actúa de
"trayectoria eléctrica".
Mientras tanto, la concentración de Mo en la capa
exterior del acero inoxidable puede aumentarse mediante inyección
de iones, y puede hacerse reaccionar el Mo con C en el acero por
medio de un tratamiento térmico para así formar Mo_{2}C en la
capa, si bien la utilización industrial de este proceso supone un
coste elevado. Alternativamente, la concentración de C en la capa
exterior del acero inoxidable puede aumentarse por implantación de
iones, y puede hacerse reaccionar el C con Mo en el acero
inoxidable por medio de un tratamiento térmico para formar así
Mo_{2}C en la capa.
En el acero inoxidable ferrítico, si es
necesario, el Cu puede estar contenido en una cantidad de un 1% o
menos. Si la cantidad de Cu en el acero supera el 1%, se reduce la
capacidad de procesamiento en caliente, y la producción a escala
industrial del acero resulta difícil. En el acero inoxidable
austenítico, la cantidad de Cu es preferiblemente de un 3% o menos.
El Cu es un elemento eficaz para la estabilización de una fase
austenita, y presenta efectos
sobre el mantenimiento de un estado pasivo. Sin embargo, en el acero inoxidable austenítico, si la cantidad de Cu supera el 2%, la capacidad de procesamiento en caliente se reduce, y la producción de acero a escala industrial se hace difícil.
sobre el mantenimiento de un estado pasivo. Sin embargo, en el acero inoxidable austenítico, si la cantidad de Cu supera el 2%, la capacidad de procesamiento en caliente se reduce, y la producción de acero a escala industrial se hace difícil.
Si es necesario, pueden estar presentes los
siguientes elementos en el acero inoxidable austenítico.
En general, el V está contenido, como impureza,
en un material de partida de Cr que actúa como material de partida
de fusión esencial durante la producción por fusión de acero
inoxidable, y la contaminación del acero con V es inevitable en
cierta medida. Sin embargo, el V disuelto en una placa bipolar
puede afectar desfavorable-
mente al rendimiento de un catalizador dispuesto en un ánodo o cátodo. Para mantener las propiedades de una
PEFC, la cantidad aceptable de V en el acero es de un 0,3% o menos. Contra menor sea la cantidad de V, más preferible es.
mente al rendimiento de un catalizador dispuesto en un ánodo o cátodo. Para mantener las propiedades de una
PEFC, la cantidad aceptable de V en el acero es de un 0,3% o menos. Contra menor sea la cantidad de V, más preferible es.
El Ti o el Nb presentan efectos sobre la
reducción del deterioro de la tenacidad del acero inoxidable
ferrítico. Si es necesario, el acero puede contener cada uno de
ellos en una cantidad de 25 x (%C + %N) o menos. Incluso si el
acero contiene Ti y Ni en combinación, pueden obtenerse efectos
sobre la mejora en la tenacidad del acero.
Un elemento de tierras raras se enlaza
fuertemente al S en el acero fundido y, de este modo, el elemento
presenta efectos sobre la eliminación de intoxicación con S. Si es
necesario, el acero contiene el elemento en forma de tipo
"misch metal". Incluso si el acero contiene el elemento
en una cantidad de un 0,1% o menos, pueden obtenerse efectos
suficientes.
El Ca se enlaza fuertemente al S en el acero
fundido y, de este modo, el Ca presenta efectos sobre la
eliminación de la intoxicación con S. Incluso si el acero contiene
Ca en una cantidad de un 0,1% o menos, pueden obtenerse efectos
suficientes.
El W presenta efectos sobre la mejora de la
resistencia a la corrosión del acero de la misma manera que el Mo
y, si es necesario, el acero puede contener W. Si el acero contiene
W en gran cantidad, la capacidad de procesamiento puede
deteriorarse y, de este modo, la cantidad de W es de un 4% o menos.
Del mismo modo que el Mo, incluso si el W del acero se disuelve en
una PEFC, el efecto del Mo sobre el rendimiento de un catalizador
dispuesto en un ánodo o cátodo es relativamente débil. Además, el W
raramente afecta a la conductividad de cationes de una membrana de
resina de intercambio de iones de tipo flúor que presente un grupo
de intercambio de protones.
La presente invención se describirá a
continuación con mayor detalle a modo de ejemplos concretos.
Cada uno de los 16 tipos de acero inoxidable que
presentan composiciones químicas que se muestran en la Tabla 1 se
fundió en un horno de vacío de 150 Kg mediante calentamiento de
inducción de alta frecuencia, y se moldearon en barras. Se utilizó
un material disponible en el mercado para la fusión, y se regularon
las impurezas en el acero. Se utilizó una ferroaleación
Fe-B disponible en el mercado para la adición de
boro. Los aceros representados por los símbolos de "a" a
"i" y "p" son muestras de acero inoxidable ferrítico, y
las muestras de acero representadas por los símbolos de "j" a
"o" son muestras de acero inoxidable austenítico.
\newpage
\hskip7.9cm(% en peso; el resto Fe)
De cada barra se produjo una lámina de acero
laminada en frío de acuerdo con el siguiente proceso:
barra\rightarrow forjado\rightarrow
mecanizado\rightarrow laminado en caliente\rightarrow
recocido\rightarrow enfriamiento\rightarrow desincrustación
mediante granallado\rightarrow decapado\rightarrow laminado en
frío (recocido intermedio)\rightarrow recocido\rightarrow
decapado.
Se dan a continuación los detalles de cada
proceso:
| [Acero] | [Forma de la barra] | |
| a - f, p | : | redonda |
| g- j | : | cuadrada plana |
| j - m | : | redonda |
| n, o | : | cuadrada plana |
| [Acero] | [temperatura de ca- | [período de calen- | [tamaño de acabado (mm) | |||
| lentamiento (ºC)] | tamiento (h)] | Espesor | Anchura | Longitud] | ||
| a - f, p | : | 1220 | 3 | 70 | 400 | 600 |
| g- j | : | 1180 | 3 | 50 | 400 | 600 |
| j - m | : | 1260 | 3 | 70 | 400 | 600 |
| n, o | : | 1180 | 3 | 50 | 600 | 600 |
Cada uno de los bloques anteriores se sometió a
un mecanizado con el fin de eliminar la escoria de óxido sobre una
superficie y el desgarramiento formado en los bordes.
| [Acero] | [Espesor de acabado (mm) | |
| tras el mecanizado] | ||
| a - f, p | : | 60 |
| g- j | : | 42 |
| j - m | : | 60 |
| n, o | : | 42 |
| [Acero] | [Temperatura (°C) de un boque en el aire] | [Espesor de acabado (mm)] | |
| a - f, p | : | 1220 | 3,8 |
| g- j | : | 1180 | 2,6 |
| j - m | : | 1260 | 3,8 |
| n, o | : | 1180 | 2,6 |
Tras el laminado en caliente, todos los bloques
se enfriaron gradualmente, quedando envueltos por un material
aislante térmico con el fin de simular una histéresis de
temperatura realizada inmediatamente tras la finalización del
laminado en caliente a escala industrial.
Las muestras de acero representadas por los
símbolos de "g" a "i", "n" y "o" contienen un
0,6% o más de boro. En las muestras acero, el boro precipita bajo
la curva del sólido, a aproximadamente 1200°C. Debido a que los
boruros de tipo M_{2}B presentan una deformabilidad
significativamente deteriorada tanto a temperatura normal como a
alta temperatura a pesar de los boruros sean compuestos
intermetálicos, el forjado y el laminado se realizaron mientras se
repetía el recalentamiento en el intervalo de temperaturas de
1000°C a 1200°C. Debido a que es probable que la temperatura en un
extremo de la bobina descienda e induzca la formación de grietas,
se llevó a cabo laminado en caliente mientras la temperatura de un
extremo de la bobina se mantenía o el extremo de la bobina se
calentaba de acuerdo con las necesidades.
| [Acero] | [Temperatura de recocido (°C)] | [Enfriamiento] | |
| a, e, f, g, h, i, p | : | 840 | Enfriamiento con aire |
| b | : | 925 | Temple con agua |
| c, d | : | 1000 | Temple con agua |
| j, k, 1, m, n, o | : | 1080 | Enfriamiento con aire |
El tiempo de mantenimiento fue de 20 minutos en
todos los casos.
La escoria de óxido formada sobre la superficie a
alta temperatura se eliminó a través de un procedimiento de
granallado, seguido del decapado.
Todas las muestras se acabaron a un espesor de
0,3 mm. Según las necesidades, en el curso del laminado en frío, se
llevó a cabo un recocido a una temperatura de 810°C y un decapado a
60°C en ácido nítrico al 7% o una solución acuosa al 4% de ácido
fluorhídrico para, de este modo, simular las condiciones normales
utilizadas en la producción a escala industrial.
La bobina laminada en frío se sometió a un
recocido final a la misma temperatura que se utilizó en el recocido
del material laminado en caliente citado anteriormente para
obtener, de este modo, un material de prueba. De acuerdo con el
procedimiento tal como se describe a continuación, se dispersaron
inclusiones metálicas y se expusieron sobre una superficie de una
lámina de acero inoxidable, seguido de un tratamiento de
neutralización.
La rugosidad superficial, y el grado de
dispersión y de exposición de las inclusiones metálicas sobre una
superficie de una lámina de acero laminada en frío se variaron
modificando las condiciones respecto a la solución de decapado
(composición de la solución, temperatura), y tiempo de decapado.
Las soluciones de decapado utilizadas fueron como sigue:
- (i)
- ácido nítrico: 15%, ácido fluorhídrico: 3%, agua: el resto
- (ii)
- ácido nítrico: 10%, ácido fluorhídrico: 8%, agua: el resto
- (iii)
- ácido nítrico: 10%, ácido fluorhídrico: 4%, agua: el resto
- (iv)
- ácido nítrico: 8%, ácido fluorhídrico: 3%, agua: el resto
La temperatura de decapado se estableció a 60°C,
en la que la velocidad de corrosión se controla con facilidad, tal
como se determinó por medio de un examen realizado variando la
temperatura entre temperatura ambiente y el punto de ebullición de
la solución.
Otro procedimiento utilizado para la dispersión y
exposición de inclusiones metálicas sobre una superficie de una
lámina de acero inoxidable era el granallado con polvo fino duro
conductor de WC, Mo_{2}C, y B_{4}C. Las condiciones de
granallado fueron como sigue.
Los polvos finos utilizados para el granallado se
produjeron todos industrialmente, y el tamaño de partícula medio
del polvo fue de aproximadamente 200 \mum. Los polvos de WC,
Mo_{2}C, y B_{4}C utilizados para el granallado eran de una
elevada pureza; en concreto de un 99% o más para el WC, un 90% o
más para el Mo_{2}C, y un 95% o más para el B_{4}C, y
corresponden a carburo de tipo MC, de tipo M_{2}C y tipo M_{4}C,
respectivamente. Las condiciones de granallado fueron como
sigue.
- Presión de disparo: 5 Kg/cm^{2}
- Distancia de disparo: 200 mm
- Cantidad de disparo: 5 Kg/min
- Ángulo de disparo: 80 grados
Utilizando las probetas preparadas tal como se ha
descrito anteriormente, se llevaron a cabo las siguientes pruebas
de (1) a (4).
(1) Prueba de una lámina de acero inoxidable en
la cual se dispersan y se exponen inclusiones metálicas mediante
granallado con polvo conductor sobre una lámina laminada en
frío.
Cada una de las láminas de acero laminadas en
frío representadas por los símbolos mostrados en la Tabla 2 se
decapó bajo las condiciones mostradas en la Tabla, se lavó con agua
y se secó. Después de haber sido decapada con polvo fino duro
conductor de WC, Mo_{2}C, o B_{4}C, cada una de las láminas de
acero se sumergió en una solución al 6% de hidróxido sódico
(temperatura de la solución: 25°C, pH: 9) durante tres minutos y se
sometió a lavado por ultrasonidos, seguido de otro lavado por
ultrasonidos en agua destilada durante 15 minutos. En algunas
muestras comparativas, las probetas no fueron sometidas a
tratamiento de neutralización. El tratamiento de neutralización y la
limpieza pueden realizarse inmediatamente después de llevar a cabo
el decapado antes del tratamiento de granallado. Después de que la
lámina de acero tratada se había secado utilizando un secador de
agua fría, la muestra se sometió a la medición de la rugosidad
superficial, de acuerdo con JIS B 0601-1982
(rugosidad media en una línea central: Ra, y rugosidad máxima:
Rmax); la resistencia eléctrica de contacto inmediatamente tras la
finalización del tratamiento de neutralización; y la resistencia
eléctrica de contacto después de que la lámina de acero se había
dejado al aire durante 500 horas.
Los resultados se muestran en la Tabla 2. En la
Tabla 2, las muestras de acero n° 1 a 13 se sometieron a
granallado; y las muestras de acero n° 14 a 19, que no tenían
inclusiones metálicas expuestas, no se sometieron a granallado.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Para evitar la influencia que se atribuye al
precipitado metálico conductor de tipo M_{23}C_{6}, la muestra
de acero n° 5 a 7, que se encuentran dentro del ámbito de la
presente invención, y las muestras comparativas n° 16 a 19
presentaban un bajo contenido en carbono.
Los precipitados de tipo M_{23}C_{6} y de
tipo M_{2}B se confirmaron a través de un microscopio óptico. La
identificación se realizó a través de un análisis de imágenes de
difracción obtenidas bajo un microscopio electrónico de
transmisión.
La medida de la resistencia eléctrica de contacto
se llevó a cabo en una lámina de acero laminado en frío de 0,3 mm
de espesor que se sometió al decapado citado anteriormente y en una
placa de carbono cristalino disponible en el mercado de 0,6 mm de
espesor ("SG3": producto de SHOWA DENKO K.K.). Se utilizó un
procedimiento de cuatro terminales para medir la resistencia
eléctrica de contacto, definiéndose la superficie de contacto de
una probeta de acero inoxidable para la evaluación como 1 cm^{2}.
Inmediatamente antes de la evaluación se lavó la superficie de una
probeta. Las superficies de las muestras que no habían sido
decapadas o granalladas se pulieron con papel de lija (húmeda, n°
600). Se aplicó una carga de 11,2 kg/cm^{2} para la medición de
la resistencia eléctrica de contacto; la resistencia eléctrica de
contacto varía con la carga, y se ha confirmado que se obtiene un
valor aproximadamente constante bajo la aplicación de una carga de
10 kg/cm^{2} o más.
Tal como se muestra claramente en Tabla 2, cuando
el polvo conductor había "penetrado y permanecido" en la
superficie de una lámina de acero inoxidable como resultado del
granallado, en cada caso la resistencia eléctrica de contacto era
de 8,45 m\cdotcm^{2} o menor. En cambio, en muestras
comparativas en las que la lámina de acero inoxidable no fue
granallada, la resistencia eléctrica de contacto era tan alta como
107,9 m\cdotcm^{2} o más. Las muestras n° 14 y 15 presentan una
elevada resistencia eléctrica de contacto a pesar del
M_{23}C_{6}, una inclusión metálica conductora, que precipita
en las láminas de acero. Las razones que se suponen son que en la
muestra n° 14, debido a que la rugosidad media aritmética era tan
baja como 0,03 \mum, lo que indica que la superficie era
considerablemente lisa, las inclusiones conductoras no se
proyectaban desde la superficie, y en la muestra n° 15, debido a que
la rugosidad media aritmética era de 4,54 \mum y la rugosidad
máxima era tan alta como 56,2 \mum, lo que indica que la
superficie era rugosa, las inclusiones conductoras existen en una
baja concentración en los puntos de contacto y, por lo tanto, las
inclusiones conductoras no actuaban suficientemente de trayectoria
eléctrica. La rugosidad media aritmética, Ra, de una lámina de
acero inoxidable debe encontrarse dentro del intervalo de
0,05-5 \mum. El granallado es claramente uno de
los medios industriales más eficaces que cumple ambas de las
condiciones siguientes: (i) el polvo conductor penetra y permanece
sobre la superficie de una lámina de acero inoxidable; y (ii) la
rugosidad media aritmética Ra de una lámina de acero inoxidable se
regula dentro del intervalo de 0,05-5 \mum. Se
considera que la capacidad para actuar como trayectoria eléctrica
del polvo conductor que penetra y permanece en virtud del
granallado no varía con el paso del tiempo. Realmente, se ha
confirmado que la resistencia eléctrica de contacto sobre una
superficie de una lámina metálica presenta aproximadamente el mismo
valor incluso después de un período de tiempo de 500 horas.
También, tal como se muestra en las muestras n° 1
a 4, 8 a 10, 12, y 13, cuando unas inclusiones metálicas
conductoras tales como M_{23}C_{6} o M_{2}B precipitan en una
lámina de acero se obtiene una excelente resistencia eléctrica de
contacto. Se considera que los efectos mejorados que se atribuyen a
los dos precipitados se superponen.
Tal como se muestra claramente en las muestras
comparativas n° 15 a 19, cuando no se llevó a cabo el tratamiento
de neutralización, la resistencia eléctrica de contacto medida tras
un período de tiempo de 500 horas se vuelve alta, y se hace
manifiesto un efecto del tratamiento de neutralización.
(2) Análisis de una lámina de acero inoxidable en
la cual se dispersan y se exponen inclusiones metálicas por
precipitación de las mismas. Con el fin de confirmar un efecto
atribuido solamente a las inclusiones metálicas precipitadas sin
granallado con polvo fino conductor, se utilizó una lámina de acero
inoxidable que presentaba un contenido en carbono comparativamente
elevado y precipitados de carburo de tipo M_{23}C_{6}, y una
lámina de acero inoxidable que presenta un elevado contenido en
boro y precipitados de boruro de tipo M_{2}B. Las láminas se
sometieron a decapado bajo una variedad de condiciones de decapado
mostradas en la Tabla 3, para así dispersar y exponer las
inclusiones metálicas.
Tras el decapado, cada una de las láminas de
acero se sumergió en una solución al 6% de hidróxido sódico
(temperatura de la solución: 25°, pH: 9) durante tres minutos y se
sometió a lavado por ultrasonidos, seguido de lavado por
ultrasonidos en agua destilada durante 15 minutos. Además, cada
lámina se lavó en agua corriente durante 15 minutos, seguido de
lavado por ultrasonidos en agua destilada durante cinco minutos. En
algunas de las muestras comparativas, las probetas no se sometieron
a tratamiento de neutralización.
Como muestras comparativas, se sometieron a
decapado bajo las mismas condiciones unas láminas de acero
inoxidable que tienen un contenido en carbono comparativamente bajo
y un contenido en boro comparativamente bajo o sin boro. De la
misma manera que se ha descrito anteriormente, tras el tratamiento
de decapado, las láminas de acero laminadas en frío se sometieron a
la medición de la rugosidad superficial y la resistencia eléctrica
de contacto. La resistencia eléctrica de contacto se midió de nuevo
después de que cada lámina de acero se dejara al aire durante 500
horas. Los resultados se muestran en la Tabla 3.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Tal como se muestra claramente en la Tabla 3, en
todas las muestras en las que los precipitados de tipo
M_{23}C_{6} y M_{2}B se dispersaron y se expusieron sobre la
superficie de una lámina de acero, la resistencia eléctrica de
contacto es tan baja como 15,6 m\cdotcm^{2} o menor, pero tal
como se muestra en las muestras comparativas, cuando los
precipitados no están dispersados y se exponen sobre la superficie
de una lámina de acero, la resistencia eléctrica de contacto es tan
alta como 101,6 m\cdotcm^{2} o mayor, incluso si la rugosidad
superficial de una lámina de acero se encuentra dentro del intervalo
definido por la presente invención. El efecto que se atribuye a los
precipitados dispersados es importante. Se considera que los
efectos mejorados que se atribuyen al carburo de tipo
M_{23}C_{6} y a los boruros de tipo M_{2}B se superponen.
(3) Prueba de una lámina de acero inoxidable que
presenta inclusiones metálicas dispersas y expuestas, y una
rugosidad superficial que se encuentra dentro de un amplio
intervalo.
Tal como se muestra en la Tabla 4, la rugosidad
superficial de cada lámina de acero se varió modificando las
condiciones de diversas maneras.
Tras el decapado, cada lámina de acero se
sumergió en una solución al 6% de hidróxido sódico a una
temperatura de solución de 25°C durante tres minutos y se sometió a
lavado por ultrasonidos, seguido de lavado por ultrasonidos en agua
destilada durante 15 minutos. Además, cada lámina se lavó en agua
corriente durante 15 minutos, seguido de lavado por ultrasonidos en
agua destilada durante cinco minutos. En algunas muestras
comparativas, las probetas no se sometieron a tratamiento de
neutralización. Cada probeta se sometió a la medición de rugosidad
superficial y la resistencia eléctrica de contacto tras el
tratamiento de neutralización. La resistencia eléctrica de contacto
se midió después de que la lámina de acero se había dejado al aire
durante 500 horas. Los resultados se dan en la Tabla 4.
Tal como se muestra en la Tabla 4, en algunos
casos, si bien los precipitados de tipo M_{23}C_{6} y M_{2}B
se dispersaron y se expusieron sobre una superficie de una lámina
de acero, la resistencia eléctrica de contacto llega a ser elevada
debido a la rugosidad superficial.
Esto significa que el contacto no se produce en
todo el área superficial de una lámina de acero y, por lo tanto,
aunque una superficie se considere lisa, el contacto se produce
solamente en varios puntos. En otras palabras, si la superficie de
una lámina de acero es considerablemente lisa, son pocos los puntos
de contacto y no se obtiene suficiente contacto a través de las
inclusiones metálicas que están expuestas sobre la superficie de
una lámina de acero, lo que produce una elevada resistencia
eléctrica de contacto.
Las figuras n° 3 y 4 muestran la rugosidad
superficial de una lámina de acero representada por el símbolo
"n"
\hbox{(Tabla 1)} que había sido pulida con papel
de lija (húmedo, n° 600), tal como se midió tras el decapado en
ácido nítrico al 10% - ácido fluorhídrico al 3% durante cinco
minutos. La figura n° 3 muestra los resultados de medición
bidimensional, y la figura n° 4 muestra los resultados de medición
tridimensional. El Ra fue de 0,2133 \mum en la figura n° 3 y de
0,2147 \mum en la figura n° 4. Se utilizó un medidor de rugosidad
disponible en el mercado.
La figura n° 5A es una microfotografía (x 1000)
de una lámina de acero representada por el símbolo "n" (en la
\hbox{Tabla 1).} El boruro de tipo M_{2}B en una fase
de dispersión se muestra en la misma por una línea blanca. La
microfotografía muestra la sección transversal de una lámina de
acero observada bajo un Microscopio Electrónico de Barrido, y puede
observarse que los precipitados de tipo M_{2}B se dispersan sobre
la superficie, en la que se proyectan hacia arriba.
La figura n° 5B es una microfotografía (x 2000)
de una lámina de acero representada por el símbolo "o" en la
Tabla 1. Los precipitados del carburo de tipo M_{23}C_{6} se
observan sobre los precipitados la superficie de los precipitados
de los boruros de tipo M_{2}B.
(4) Prueba de un separador fabricado en acero
inoxidable sobre el cual se dispersan y se exponen inclusiones
metálicas, quedando montado el separador en una celda de
combustible de tipo polímero.
Para evaluar el rendimiento de una separador que
está fabricado en acero inoxidable de la presente invención y está
montado en una celda de combustible de tipo polímero, se produjo
una placa separadora corrugada a partir de una lámina de acero
laminado en frío que había sido sometida a recocido final. Cada
lámina está fabricada en un acero representado por el símbolo
mostrado en la Tabla 5.
Una placa separadora presenta una forma mostrada
en la Figura n° 1. En ambos lados (un lado del electrodo ánodo, un
lado del electrodo cátodo) se dispone una placa separadora que
tiene un canal de flujo de gas (anchura del canal: 2 mm;
profundidad del canal: 1 mm) que se había cortado mediante
mecanizado, y se había sometido a descarga eléctrica. La evaluación
se realizó en un estado tal que se montón una placa separadora
dentro de un conjunto de membrana de PEFC. Tras el transcurso de
una hora tras la introducción de gas combustible en una celda, la
tensión del conjunto de electrodo de membrana se midió y por
comparación con la tensión inicial, el índice de caída de tensión
se examinó durante la evaluación del rendimiento. El índice de
caída de tensión se calculó de acuerdo con la fórmula siguiente: 1
- (tensión medida tras el paso de 1 hora/tensión inicial).
La evaluación utilizó un conjunto de electrodo de
membrana remodelado a partir de una celda disponible en el mercado
(FC50; producto de Electrochem, USA).
Se utilizó gas hidrógeno con una pureza de un
99,9999% como combustible en un ánodo, y se utilizó aire como gas
cátodo. Toda la celda se mantuvo a una temperatura de 78 \pm 2C,
y la humedad en el interior de la celda se controló en un lado de
entrada de gas, en base a la medida del contenido de agua de un gas
de escape en un lado de salida del gas de la celda. La presión en
el interior de la celda era de una atmósfera. La presión de
introducción del gas hidrógeno en el aire hacia una celda se reguló
dentro del intervalo de 0,04-0,20 bar. Cuando se
confirmó un nivel específico de 500 \pm 20 mA/cm^{2} - 0,62
\pm 0,04 V, la medición se llevó a cabo de manera continua para,
de este modo, evaluar el rendimiento de la celda.
Se utilizó un sistema de medición de celdas de
combustible remodelado a partir de un producto de las serie 890
(SCRIBNER ASSOCIATES Inc., USA) para medir el rendimiento del
conjunto de electrodo de membrana. se considera que las condiciones
de accionamiento de una celda influyen en el rendimiento de la
celda. Se realizaron evaluaciones comparativas bajo las mismas
condiciones. Los resultados se muestran en la Tabla 5.
Tal como se muestra claramente en la Tabla, el
acero inoxidable de la presente invención podía mantener baja la
resistencia eléctrica de contacto incluso si se utilizaba como
material para un separador montado en una PEFC.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Los efectos de la presente invención resultarán
evidentes a partir de la siguientes Ejemplos de trabajo.
Cada una de las 21 muestras de acero inoxidable
ferrítico que presentaban las composiciones químicas que se
muestran en la Tabla 6 se fundió en un horno de vacío de 150 Kg
mediante calentamiento de inducción de alta frecuencia. Se
utilizaron materiales disponibles en el mercado para producir una
fusión, y se regularon las impurezas en el acero.
\hskip8cm(% en peso; el resto Fe)
Cada acero inoxidable se moldeó en barras de
sección transversal circular. Las barras se calentaron a 1280°C
durante tres horas en aire y se forjaron en caliente por medio de
una máquina de forjado por compresión. A partir de las barras se
produjeron los dos tipos de bloques de prueba que presentaban las
siguientes dimensiones:
(1) espesor de 30 mm, anchura de 100 mm, longitud
de 120 mm, y
(2) espesor de 70 mm, anchura de 380 mm, longitud
de 550 mm.
El bloque (1) se laminó en caliente produciendo
una lámina de acero que presentaba un espesor de 6 mm, y la lámina
de acero se enfrió lentamente bajo unas condiciones de laminado de
un aislante térmico que simulaba una histéresis de temperatura
realizada inmediatamente tras el laminado en caliente durante la
misma producción. Posteriormente, la lámina de acero laminada en
caliente se mantuvo en un horno de calentamiento (800°C constantes,
bajo aire) durante 16 horas, y fue recocida en el horno más de 48
horas, para preparar así una muestra (en lo sucesivo denominado
material A).
El bloque (2) se sometió a mecanizado con el fin
de eliminar la escoria de óxido para, de este modo, preparar un
bloque que tiene un espesor de 62 mm. El bloque se calentó a 1200°C
en aire, y se laminó el caliente para preparar así una lámina de
acero que presenta un espesor de 4 mm. De manera similar al
tratamiento del bloque (1), la lámina de acero se enfrió lentamente
bajo unas condiciones de laminado de un aislante térmico que
simulaba una histéresis de temperatura realizada inmediatamente
tras el laminado en caliente durante la misma producción.
Posteriormente, la lámina de acero laminada en caliente se mantuvo
en un horno de calentamiento (800°C constantes, bajo aire) durante
16 horas, y fue recocida en el horno más de 48 horas. La lámina de
acero resultante fue decapada y laminada en frío mediante un
laminador en frío, para preparar así una muestra que presenta un
espesor de 0,3 mm (en lo sucesivo denominado material B).
A partir de la lámina de acero laminado en
caliente (material A) y la lámina de acero laminado en frío
(material B), se produjeron unas probetas; es decir, (1) unas
probetas para medir la resistencia eléctrica de contacto; (2) unas
probetas para formar una placa bipolar de una PEFC; (3) unas
probetas de corrosión del límite de los granos; y (4) unas probetas
para medir el contenido en C. Cada probeta se sometió a un
tratamiento de precipitación de carburo con Cr bajo las columnas
marcadas como "condiciones de tratamiento térmico finales" de
las Tablas 7 y 8, y se sometió a una o más de las pruebas
anteriores. A continuación se describen las características de las
probetas y las condiciones de análisis. Cuando una placa bipolar se
produjo a partir de material B, se llevó a cabo un tratamiento por
precipitación de carburo con Cr antes de que el material se
laminara en frío en forma bipolar.
(1) Medición de la resistencia eléctrica de
contacto. Dimensiones de las probetas: espesor 3 mm o 0,3 mm;
anchura 40 mm; longitud 40 mm. La resistencia eléctrica de contacto
se midió de la siguiente manera. Cada probeta se dispuso en
contacto (superficie de contacto 1 cm^{2}) con una lámina de
carbono cristalina disponible en el mercado que tenía un espesor de
0,6 mm y actuaba de electrodo. La resistencia se midió a través de
un procedimiento de cuatro terminales. La medición se llevó a cabo
en dos sitios diferentes para cada probeta. La superficie de la
probeta se pulió utilizando papel de lija (húmedo, n° 600) y se
lavó inmediatamente antes del tratamiento. Se aplicó una carga de
12 kg/cm^{2}. Aunque la resistencia eléctrica de contacto variaba
con la carga, la resistencia llegó a ser casi constante cuando la
carga se reguló a 12 kg/cm^{2}.
Las placas bipolares producidas a partir de
materiales A y B y sometidas a evaluación presentan las siguientes
características.
| A partir de material A |
| espesor 5 mm, longitud 80 mm x anchura 80 mm |
| canales de gas: altura 0,8 mm, |
| \hskip1.4cm intervalo entre resaltes 1,2 mm (proceso de descarga) |
| A partir de material B |
| espesor 0,3 mm, longitud 80 mm x anchura 80 mm |
| canales de gas: altura 0,8 mm, |
| \hskip1.4cm intervalo entre resaltes 1,2 mm (corrugado) |
El tratamiento de acabado supone la etapas de:
pulir mecánicamente una superficie utilizando partículas de pulido
de SiC para granallado; lavado en una solución de HNO_{3} al 5%,
HF al 3% a 40°C durante 15 minutos bajo la aplicación de
ultrasonidos, neutralizar con álcali; desengrasar inmediatamente
antes de la prueba, rociando una solución acuosa al 6% de hidróxido
sódico; prelavar con un flujo de agua; impregnar tres veces en un
depósito de carga que contiene agua destilada para el lavado;
rociar agua destilada durante cuatro minutos de lavado; y secar con
aire no calentado mediante un secador.
Se evaluaron las características de una placa
bipolar incorporada en un conjunto de electrodo de membrana de una
PEFC midiendo la tensión de un conjunto de electrodo de membrana
una hora después de que el gas combustible se introdujera en la
celda de combustible y comparando el índice de caída de tensión
para obtener, de este modo, el índice de caída de tensión, el cual
se calculó mediante la siguiente fórmula: 1 - (tensión una hora
después V/ tensión inicial V).
Se modificó una celda de combustible disponible
en el mercado (Celda FC50, producto de Electrochem (US)) para que
actuara, de este modo, como una PEFC utilizada en la evaluación. Se
utilizó gas hidrógeno (con una pureza de un 99,9999%) como
combustible en un ánodo, y se utilizó aire como gas cátodo. Toda la
celda se mantuvo a una temperatura de 78 \pm 2C, y la humedad en
el interior de la celda se controló en un lado de entrada de gas en
base a la medida del contenido de agua de un gas de escape en un
lado de salida del gas en una zona de salida de la misma. La
presión en el interior de la celda era de una atmósfera. La presión
de introducción del gas hidrógeno en el aire hacia una celda se
controló a 0,04-0,20 bar. Cuando se confirmó un
nivel específico de 500 \pm 20 mA/cm^{2} - 0,62 \pm 0,03 V,
la medición se llevó a cabo de manera continua para, de este modo,
evaluar el rendimiento de la celda.
Se modificó un sistema de medición de una celda
de combustible, en base a un sistema disponible en el mercado
(Serie 800, producto de SCRIBNER ASSOCIATES Inc.) para actuar, de
este modo, como sistema para medir las características de un
conjunto de electrodo de membrana. Debido a que las características
parecían variar en función de las condiciones de funcionamiento de
la celda, la medición se realizó bajo las mismas condiciones.
Se investigó la resistencia de la corrosión
intergranular en base a la prueba de Strauss. Se llevó a cabo una
prueba de corrosión de ácido sulfúrico-sulfato de
cobre de acuerdo con JIS G 0575.
Se provocó que el carburo de Cr precipitase en
los materiales A y B. Se prepararon probetas para el análisis
cortando los materiales. La cantidad de C contenida en el carburo
que contenía Cr precipitado y la cantidad total de C en el acero se
obtuvieron de la siguiente manera. En las Tablas 7 y 8 se muestran
los valores I obtenidos a partir de los resultados.
La cantidad (% en peso de C contenido en carburo
que contiene Cr precipitado) se determinó cuantitativamente en base
a los resultados de la determinación cuantitativa de Cr en el
residuo de extracción, que se obtuvo después de la actuación de una
electrólisis de corriente controlada de una probeta en una solución
no acuosa; es decir, una solución AA (10% acetilacetona- 1% cloruro
de tetrametil amonio- metanol resto). En particular, se electrolizó
una probeta en una solución AA no acuosa a una densidad de
corriente de 20 mA/cm^{2} durante aproximadamente
3-5 horas, para así disolver aproximadamente 0,4 g
de la misma. Inmediatamente tras la finalización de la
electrólisis, la probeta se lavó con una solución AA no acuosa bajo
la aplicación de ultrasonidos. Las dos soluciones acuosas AA se
combinaron, y se filtraron a través de un filtro (0,2 \mum)
(Nucleopore, producto de Coster Scientific Corporation). El residuo
del filtro se disolvió en una mezcla de ácido sulfúrico - ácido
fosfórico (ácido sulfúrico (calidad especial): ácido fosfórico
(calidad especial): agua destilada = 1: 1: 1). La concentración de
Cr se determinó cuantitativamente a través de un análisis mediante
un espectrómetro de emisión de plasma de acoplamiento inductivo
(ICPV-1014, producto de SHIMADZU CORPORATION). El
contenido de C se calculó bajo la suposición de que todo el Cr
adoptaba la forma de Cr_{23}C_{6}. La cantidad (s en peso de
todo el C en el acero) se determinó cuantitativamente a través de
una técnica de espectrometría de absorción de infrarrojos empleada
habitualmente.
Los resultados de la prueba se muestran en las
Tablas 7 y 8.
Tal como se muestra claramente en las Tablas 7 y
8, las probetas que se encuentran dentro del ámbito de la presente
invención presentan una resistencia eléctrica de contacto tan baja
como 0,21 \cdotcm^{2} o menor, mientras que las probetas
comparativas presentan una resistencia eléctrica de contacto tal
alta como 0,33-1,12 \cdotcm^{2}.
Si bien las láminas de acero presentan la misma
composición, el estado de precipitación de los carburos varía en
función de las condiciones de laminado en caliente, enfriamiento
tras el laminado en caliente, y tratamiento térmico para precipitar
los carburos de Cr. De este modo, la resistencia a la corrosión, la
resistencia eléctrica de contacto, y el rendimiento de una PEFC
varía con la medida de la formación de una capa de reducción de
cromo.
Las muestras n° 13 a 15 y 18 a 21 que presentan
un contenido en C menor de un 0,01% presentan una elevada
resistencia eléctrica de contacto, lo cual se debe a un bajo grado
de precipitación de carburo.
Contra mayor sea el valor I, mayor es la cantidad
de carburo de Cr precipitado del C en el acero. Cuando el valor I
es menor que 80, la resistencia eléctrica de contacto con una
lámina de carbono y el rendimiento de una PEFC son
insatisfactorios. Los resultados muestran que la contribución del
valor I es más importante cuando el contenido de C en el acero es
bajo, y que un valor I bajo produce un bajo rendimiento de una
celda de combustible.
En la evaluación de las características de una
placa bipolar incorporada en una PEFC, todas las muestras que se
encuentran dentro del ámbito de la presente invención muestran un
índice de caída de tensión menor de 0,05, mientras que las muestras
comparativas que presentan una composición química que se encuentra
fuera del ámbito de la presente invención muestran un índice de
caída de tensión tan considerablemente elevado como 0,2 a 0,8.
Cada una de las 21 muestras de acero inoxidable
ferrítico que presentaban las composiciones químicas que se
muestran en la Tabla 9 se fundió en un horno de vacío de 150 Kg
mediante calentamiento de inducción de alta frecuencia. Se
utilizaron materiales disponibles en el mercado para producir una
fusión, se regularon las impurezas en el acero, y se utilizó una
aleación Fe-B disponible en el mercado para así
añadir B al acero.
\hskip8.1cm(% en peso; el resto Fe)
Cada acero inoxidable se moldeó en barras de
sección transversal circular. Las barras se calentaron a 1180°C
durante tres horas en aire y se forjaron en caliente por medio de
una máquina de forjado por compresión para preparar, de este modo,
seis de bloques que presentaban las dimensiones de 20 mm de
espesor, 100 mm de ancho, y 150 mm de largo. Cada uno de los
bloques se sometió a mecanizado para así eliminar la escoria de
óxido y el desgarramiento de los bordes, para preparar así un
bloque que presentaba un espesor de 15 mm. El bloque se calentó a
1180°C en aire, y se laminó en caliente para preparar así una
lámina de acero que presentaba un espesor de 4 mm. La lámina de
acero se enfrió lentamente bajo unas condiciones de laminado de un
aislante térmico que simulan una histéresis de temperatura
realizada inmediatamente después de la laminación en caliente
durante la presente producción.
Aunque un componente de boruro M_{2}B es un
compuesto intermetálico, el compuesto presenta una formabilidad muy
baja a temperatura ambiente y a temperatura elevada, y puede
producir el desgarramiento de un producto de acero durante el
trabajo en caliente. Por lo tanto, el forjado y el laminado se
realizaron dentro de un intervalo de temperaturas de
1000-1180°C con calentamiento repetido. Debido a
que la temperatura de ambos extremos de una bobina se reduce
fácilmente para provocar así el desgarramiento del borde, el
laminado en caliente se realizó mientras los extremos de la bobina
se calentaban.
El material laminado en caliente fue recocido a
810°C en aire, enfriado en aire, decapado, y laminado en frío
mediante un laminador en frío. Opcionalmente, una bobina que tiene
un espesor de lámina intermedio se sometió a ablandamiento a 810°C
y a decapado según las necesidades. Finalmente, se completó el
laminado en frío para, de este modo, preparar una bobina que
presenta un espesor de destino de 0,3 mm.
La bobina laminada en frío fue recocida a 810°C
en aire y decapada para, de este modo, preparar una muestra. Tras
la finalización del decapado, la apariencia superficial de la
bobina era completamente idéntica a la del acero inoxidable
ferrítico habitual, tal como se aprecia a simple vista.
La figura n° 6 muestra la microestructura
metalúrgica (x 200) de una lámina laminada en frío. La fase de
dispersión comprende un compuesto de boruro M_{2}B.
El contenido en B de las piezas de acero se
determinó cuantitativamente de la siguiente manera.
En particular, mientras se controlaba la
corriente, se electrolizó una probeta en una solución AA no acuosa
(10% acetilacetona- 1% cloruro de tetrametil
amonio-resto metanol) a una densidad de corriente de
20 mA/cm^{2} durante aproximadamente 3 horas para disolver, de
este modo, aproximadamente 0,4 g de la misma. Inmediatamente
después de la finalización de la electrólisis, la probeta se lavó en
una solución AA no acuosa bajo la aplicación de ultrasonidos. Las
dos soluciones AA se combinaron y se filtraron a través de un
filtro (0,2 \mum) (Nucleopore, producto de Coster Scientific
Corporation). Se analizón un compuesto de M_{2}B residual en el
filtro.
Cuando al acero contenía una pequeña cantidad de
un boruro y el residuo en el filtro era de 40 \mug o menor, la
solución AA combinada se destiló y se determinó cuantitativamente a
través de un análisis espectroscópico de absorción de Curcumin.
Cuando el residuo era de \mug o más, el residuo en el filtro se
disolvió en una mezcla de ácido sulfúrico - ácido fosfórico (ácido
sulfúrico (calidad especial): ácido fosfórico (calidad especial):
agua destilada =
\hbox{1: 1: 1).} Las concentraciones de
los componentes metálicos en la precipitación del boruro se
determinaron cuantitativamente a través de análisis mediante un
espectrómetro de emisión de plasma de acoplamiento inductivo
(ICPV-1014, producto de SHIMADZU CORPORATION) para
obtener así la cantidad de B. Este procedimiento se utiliza
típicamente para la determinación cuantitativa de B.
Se midió la resistencia eléctrica de contacto con
una lámina de carbono de la manera siguiente. Cada probeta se
dispuso en contacto (superficie de contacto 1 cm^{2}) con una
lámina de carbono cristalina disponible en el mercado que tenía un
espesor de 0,6 mm y la resistencia se midió a través de un
procedimiento de cuatro terminales. La superficie de la probeta se
pulió utilizando papel de lija (húmedo, n° 600) y se lavó
inmediatamente antes de la medición. Se aplicó una carga de 12
kg/cm^{2} para la medición de la resistencia eléctrica de
contacto. Aunque la eléctrica de contacto variaba con la carga, la
resistencia llegó a ser casi constante cuando la carga se reguló a
12 kg/cm^{2}.
Se describen a continuación los detalles de las
placas bipolares que presentaban forma corrugada y que se emplearon
para evaluar su rendimiento en una celda de combustible. Entre las
muestras de acero, la muestra de acero n° 5 fue difícil de trabajar
a una lámina delgada a temperatura ambiente. De este modo, la
bobina laminada en caliente que presentaba un espesor de 4 mm se
trabajó mecánicamente para así formar canales de gas. La apariencia
de las placas bipolares fue similar a la mostrada en la figura n°
1. Se formaron en ambos lados ranuras de una anchura de 2 mm y 1 mm
de profundidad para, de este modo, formar un lado ánodo y un lado
cátodo.
A partir de una lámina de acero que presenta un
espesor de 0,3 mm:
- espesor de 0,3 mm, longitud 80 mm x anchura 80 mm
- canales de gas: altura 0,8 mm,
- intervalo entre resaltes 1,2 mm (corrugado)
El tratamiento de acabado supuso las etapas
de:
pulir mecánicamente una superficie utilizando
partículas abrasivas de SiC para granallado; y lavado con una
solución de HNO_{3} al 5%, HF al 3% a 40°C durante 15 minutos
bajo la aplicación de ultrasonidos; desengrasado inmediatamente
antes de la prueba, rociando una solución acuosa al 6% de hidróxido
sódico; prelavar con un flujo de agua; impregnar tres veces en un
depósito de carga que contiene agua destilada para el lavado;
rociar agua destilada durante cuatro minutos de lavado; y secar con
aire no calentado mediante un secador.
Se evaluaron las características de una placa
bipolar incorporada en un conjunto de electrodo de membrana de una
PEFC midiendo la tensión de un conjunto de electrodo de membrana
una hora después de que el gas combustible se introdujera en la
celda de combustible y comparando el índice de caída de tensión
para obtener, de este modo, el índice de caída de tensión, el cual
se calculó mediante la siguiente fórmula: 1 - (tensión una hora
después V/ tensión inicial V).
Se modificó una celda de combustible disponible
en el mercado (Celda FC50, producto de Electrochem (US)) para que
actuara, de este modo, como una PEFC utilizada en la
evaluación.
Se utilizó gas hidrógeno (con una pureza de un
99,9999%) como combustible en un ánodo, y se utilizó aire como gas
cátodo. Toda la celda se mantuvo a una temperatura de 78 \pm 2C,
y la humedad en el interior de la celda se controló en una zona de
entrada de la celda en base a la medida del contenido de agua de un
gas de escape en una zona de salida de la misma. La presión en el
interior de la celda era 1 atm. La presión del hidrógeno y el aire
introducido dentro de la celda se controló a
0,04-0,20 bar. Cuando se confirmó un nivel
específico de 500 \pm 20 mA/cm^{2} - 0,62 \pm 0,04 V, la
medición se llevó a cabo de manera continua para, de este modo,
evaluar el rendimiento de la celda.
Se modificó un sistema de medición de las
características de una celda de combustible, el cual se basó en un
sistema disponible en el mercado (Serie 800, producto de SCRIBNER
ASSOCIATES Inc.) para actuar, de este modo, como sistema para medir
las características de un conjunto de electrodo de membrana. Debido
a que las características parecían variar en función de las
condiciones de funcionamiento de la celda, la medición se realizó
bajo las mismas condiciones. Los resultados de la medición de
muestran en la Tabla 10.
Tal como se muestra claramente en la Tabla 10, en
la evaluación de las características de una placa bipolar
incorporada en una PEFC, todas las muestras que se encontraban
dentro del ámbito de la presente invención presentaban una relación
de caída de tensión menor de 0,05, mientras que las muestras
comparativas que presentan una composición química que se encuentra
fuera del ámbito de la presente invención presentan un índice de
caída de tensión tan considerablemente elevado como más de 0,8. Las
muestras que se encuentran dentro del ámbito de la presente
invención presentan una resistencia eléctrica de contacto de 0,13
\Omega\cdotcm^{2} o menor, mientras que las muestras
comparativas presentan una resistencia eléctrica de contacto tan
elevada como 0,53-0,96 \Omega\cdotcm^{2}.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
\vskip1.000000\baselineskip
Cada una de las 21 muestras de acero inoxidable
ferrítico que presentaban las composiciones químicas que se
muestran en la Tabla 1 se fundió en un horno de vacío de 150 Kg
mediante calentamiento de inducción de alta frecuencia. Se
utilizaron materiales disponibles en el mercado para producir una
fusión, se regularon las impurezas en el acero, y se utilizó una
aleación Fe-B disponible en el mercado para así
añadir B al acero.
\newpage
\hskip8.1cm(% en peso; el resto Fe)
\vskip1.000000\baselineskip
Cada acero inoxidable se moldeó en barras de
sección transversal circular. Cada barra se calentó a 1180°C
durante tres horas en aire y se forjó en caliente por medio de una
máquina de forjado por compresión para preparar, de este modo, unos
bloques que presentaban las dimensiones de 70 mm de espesor, 380 mm
de ancho, y 550 mm de largo. Cada uno de los bloques se sometió a
mecanizado para así eliminar la escoria de óxido y el
desgarramiento de los bordes, para preparar así un bloque que
presentaba un espesor de 60 mm. El bloque se calentó a 1180°C en
aire, y se laminó en caliente para preparar así una lámina de
acero que presentaba un espesor de 4 mm. La lámina de acero se
enfrió lentamente bajo unas condiciones de laminado de aislamiento
térmico que simulan una histéresis de temperatura realizada
inmediatamente después de la laminación en caliente durante la
presente producción.
Aunque el compuesto boro M_{2}B es un compuesto
intermetálico, el compuesto presenta una formabilidad muy baja a
temperatura ambiente y a alta temperatura, y puede producir
desgarramiento de un producto de acero durante el trabajo en
caliente. Por lo tanto, el forjado y el laminado se llevaron a cabo
dentro de un intervalo de temperaturas de aproximadamente
1000-1200°C con calentamiento repetido. Debido a
que la temperatura de ambos extremos de una bobina se reduce con
facilidad para así producir el desgarro del borde, el laminado en
caliente se realizó mientras se calentaban los extremos de la
bobina.
El material laminado en caliente fue recocido a
1080°C en aire, enfriado en aire, decapado, y laminado en frío
mediante un laminador en frío. Opcionalmente, se sometió una bobina
que presentaba un espesor de lámina intermedio a ablandamiento a
1080°C y decapado según las necesidades. Finalmente, el laminado en
frío se completó para preparar, de este modo, una bobina que
presentaba un espesor de destino de 3 mm.
La bobina laminada en frío fue recocida a 810°C
en aire y decapada para preparar así una muestra. Tras la
finalización del decapado, la apariencia superficial de la bobina
era completamente idéntica que la del acero inoxidable austenítico
habitual, tal como se aprecia a simple vista.
El contenido B de las piezas de acero se
determinó cuantitativamente de la siguiente manera.
En particular, mientras se controlaba la
corriente, se electrolizó una probeta en una solución AA no acuosa
(10% acetilacetona- 1% cloruro de tetrametil
amonio-resto metanol) a una densidad de corriente de
20 mA/cm^{2} durante aproximadamente 3 horas, para disolver así
aproximadamente 0,4 de la misma. Inmediatamente después de la
electrólisis, la probeta se lavó en una solución no acuosa AA bajo
la aplicación de ultrasonidos. Las dos soluciones AA se combinaron,
y se filtraron mediante un filtro (0,2 \mum) (Nucleopore,
producto de Coster Scientific Corporation). Se analizó la cantidad
de M_{2}B residual que quedó en el filtro.
Si el acero contenía una pequeña cantidad de
boruro y el residuo en el filtro era 40 \mug o menor, la solución
AA combinada se destilaba y se sometía a una determinación
cuantitativa a través del análisis espectroscópico de absorción de
Curcumin. Si el residuo era de 40 \mug o más, el residuo del
filtro se disolvía en ácido sulfúrico - fosfórico (ácido fosfórico
de alta calidad: ácido sulfúrico de alta calidad: agua destilada=
1: 1: 1). Las concentraciones de componentes metálicos en la
precipitación de boruro se determinaron cuantitativamente a través
de análisis mediante un espectrómetro de emisión de de plasma de
acoplamiento inductivo (modelo: ICPV-1014, producto
de SHIMADZU CORPORATION), para obtener así la cantidad de B. Este
procedimiento se utiliza típicamente para la determinación
cuantitativa de B
La figura n° 7 muestra la microestructura (x 200)
de una lámina laminada en frío. La fase de dispersión comprende un
compuesto de boruro M_{2}B.
La resistencia eléctrica de contacto con una
lámina de carbono se midió de la siguiente manera. Cada probeta se
dispuso en contacto (superficie de contacto 1 cm^{2}) con una
lámina de carbono cristalina disponible en el mercado que tenía un
espesor de 0,6 mm, y se la resistencia se midió a través de un
procedimiento de cuatro terminales. La superficie de la probeta se
pulió utilizando papel de lija (húmedo, n° 600) y se lavó
inmediatamente antes del tratamiento. Se aplicó una carga de 12
kg/cm^{2} para la medición de la resistencia eléctrica de
contacto. Aunque la resistencia eléctrica de contacto variaba con
la carga, la resistencia llegó a ser casi constante cuando la carga
se reguló a 12 kg/cm^{2}.
Se describen a continuación los detalles de las
placas bipolares que presentaban forma corrugada y que se emplearon
para evaluar su rendimiento en una celda de combustible. Entre las
muestras de acero, la muestra de acero n° 5 fue difícil de trabajar
a una lámina delgada a temperatura ambiente. De este modo, la
bobina laminada en caliente que presentaba un espesor de 4 mm se
trabajó mecánicamente para así formar canales de gas. La apariencia
de las placas bipolares fue similar a la mostrada en la figura n°
1. Se formaron en ambos lados ranuras de una anchura de 2 mm y 1 mm
de profundidad para, de este modo, formar un lado ánodo y un lado
cátodo.
A partir de una lámina de acero que presenta un
espesor de 0,3 mm:
- espesor de 0,3 mm, longitud 80 mm x anchura 80 mm
- canales de gas: altura 0,8 mm,
- intervalo entre resaltes 1,2 mm (corrugado)
El tratamiento de acabado supuso las etapas
de:
pulir mecánicamente una superficie utilizando
partículas abrasivas de SiC para granallado; y lavado con una
solución de HNO_{3} al 5%, HF al 3% a 40°C durante 15 minutos
bajo la aplicación de ultrasonidos; desengrasado inmediatamente
antes de la prueba, rociando una solución acuosa al 6% de hidróxido
sódico; prelavar con un flujo de agua; impregnar tres veces en un
depósito de carga que contiene agua destilada para el lavado;
rociar agua destilada durante cuatro minutos de lavado; y secar con
aire no calentado mediante un secador.
Se evaluaron las características de una placa
bipolar incorporada en un conjunto de electrodo de membrana de una
PEFC midiendo la tensión de un conjunto de electrodo de membrana
una hora después de que el gas combustible se introdujera en la
celda de combustible y comparando el índice de caída de tensión
para obtener, de este modo, el índice de caída de tensión, el cual
se calculó mediante la siguiente fórmula: 1 - (tensión una hora
después V/ tensión inicial V).
Se modificó una celda de combustible disponible
en el mercado (Celda FC50, producto de Electrochem (US)) para que
actuara, de este modo, como una PEFC utilizada en la
evaluación.
Se utilizó gas hidrógeno (con una pureza de un
99,9999%) como combustible en un ánodo, y se utilizó aire como gas
cátodo. Toda la celda se mantuvo a una temperatura de 78 \pm 2C,
y la humedad en el interior de la celda se controló en una zona de
entrada de la celda en base a la medida del contenido de agua de un
gas de escape en una zona de salida de la misma. La presión en el
interior de la celda era 1 atm. La presión del hidrógeno y el aire
introducido dentro de la celda se controló a
0,04-0,20 bar. Cuando se confirmó un nivel
específico de 500 \pm 20 mA/cm^{2} - 0,62 \pm 0,04 V, la
medición se llevó a cabo de manera continua para, de este modo,
evaluar el rendimiento de la celda.
Se modificó un sistema de medición de las
características de una celda de combustible, el cual se basó en un
sistema disponible en el mercado (Serie 800, producto de SCRIBNER
ASSOCIATES Inc.) para actuar, de este modo, como sistema para medir
las características de un conjunto de electrodo de membrana. Debido
a que las características parecían variar en función de las
condiciones de funcionamiento de la celda, la medición se realizó
bajo las mismas condiciones. Los resultados de la medición de
muestran en la Tabla 12.
Tal como se muestra claramente en la Tabla 12, en
la evaluación de las características de una placa bipolar
incorporada en una PEFC, todas las muestras que se encontraban
dentro del ámbito de la presente invención presentaban una relación
de caída de tensión menor de 0,05, mientras que las muestras
comparativas que presentan una composición química que se encuentra
fuera del ámbito de la presente invención presentan un índice de
caída de tensión tan considerablemente elevado como 0,3 o más. Las
muestras que se encuentran dentro del ámbito de la presente
invención presentan una resistencia eléctrica de contacto de 0,12
\Omega\cdotcm^{2} o menor, mientras que las muestras
comparativas presentan una resistencia eléctrica de contacto tan
elevada como 0,41-0,96 \Omega\cdotcm^{2}.
Cada una de las 21 muestras de acero inoxidable
ferrítico que presentaban las composiciones químicas que se
muestran en la Tabla 13 se fundió en un horno de vacío de 150 Kg
mediante calentamiento de inducción de alta frecuencia. Se
utilizaron materiales disponibles en el mercado para producir una
fusión, y se regularon las impurezas en el acero.
\hskip7.9cm(% en peso; el resto Fe)
\vskip1.000000\baselineskip
Cada acero inoxidable se moldeó en barras de
sección transversal circular. Las barras se calentaron a 1280°C
durante tres horas en aire y se forjaron en caliente por medio de
una máquina de forjado por compresión. A partir de las barras se
produjeron los dos tipos de bloques de prueba que presentaban las
siguientes dimensiones:
(1) espesor de 30 mm, anchura de 100 mm, longitud
de 120 mm, y
(2) espesor de 70 mm, anchura de 380 mm, longitud
de 550 mm.
El bloque (1) se laminó en caliente produciendo
una lámina de acero que presentaba un espesor de 6 mm, y la lámina
de acero se enfrió lentamente bajo unas condiciones de laminado de
un aislante térmico que simulaba una histéresis de temperatura
realizada inmediatamente tras el laminado en caliente durante la
misma producción. Posteriormente, la lámina de acero laminada en
caliente se mantuvo en un horno de calentamiento (800°C constantes,
bajo aire) durante 16 horas, y fue recocida en el horno más de 48
horas, para preparar así una muestra (en lo sucesivo denominado
material A).
El bloque (2) se sometió a mecanizado para
eliminar la escoria de óxido para, de este modo, preparar, un
bloque que tiene un espesor de 62 mm. El bloque se calentó a 1200°C
en aire, y se laminó el caliente para preparar así una lámina de
acero que presenta un espesor de 4 mm. De manera similar al
tratamiento del bloque (1), la lámina de acero se enfrió lentamente
bajo unas condiciones de laminado de un aislante térmico que
simulaba una histéresis de temperatura realizada inmediatamente
tras el laminado en caliente durante la misma producción.
Posteriormente, la lámina de acero laminada en caliente se mantuvo
en un horno de calentamiento (800°C constantes, bajo aire) durante
16 horas, y fue recocida en el horno más de 48 horas. La lámina de
acero resultante fue decapada y laminada en frío mediante un
laminador en frío, para preparar así una muestra que presenta un
espesor de 0,3 mm (en lo sucesivo denominado material B).
A partir de la lámina de acero laminado en
caliente (material A) y la lámina de acero laminado en frío
(material B), se produjeron probetas; es decir, (1) unas probetas
para medir la resistencia eléctrica de contacto; (2) unas probetas
para formar una placa bipolar de una PEFC; y (3) unas probetas de
corrosión intergranular. Cada probeta se sometió a un tratamiento
de precipitación de carburo con Cr bajo las condiciones de
tratamiento térmico finales mostradas en las Tablas 2 y 3, y se
sometió a una o más de las pruebas anteriores. A continuación se
describen las características de las probetas y las condiciones de
análisis. Cuando una placa bipolar se produjo a partir de material
B, se llevó a cabo un tratamiento por precipitación de carburo con
Cr antes de que el material se laminara en frío en forma
bipolar.
(1) Medición de la resistencia eléctrica de
contacto. Dimensiones de las probetas: espesor 3 mm o 0,3 mm;
anchura 40 mm; longitud 40 mm. La resistencia eléctrica de contacto
se midió de la siguiente manera. Cada probeta se dispuso en
contacto (superficie de contacto 1 cm^{2}) con una lámina de
carbono cristalina disponible en el mercado que tenía un espesor de
0,6 mm y que actuaba de electrodo. La resistencia se midió a través
de un procedimiento de cuatro terminales. La medición se llevó a
cabo en dos sitios diferentes para cada probeta. La superficie de
la probeta se pulió utilizando papel de lija (húmedo, n° 600) y se
lavó inmediatamente antes del tratamiento. Se aplicó una carga de
12 kg/cm^{2}. Aunque la resistencia eléctrica de contacto variaba
con la carga, la resistencia llegó a ser casi constante cuando la
carga se reguló a 12 kg/cm^{2}.
Las placas bipolares producidas a partir de
materiales A y B y sometidas a evaluación presentan las siguientes
características.
| A partir de material A |
| espesor 5 mm, longitud 80 mm x anchura 80 mm |
| canales de gas: altura 0,8 mm, |
| \hskip1.4cm intervalo entre resaltes 1,2 mm (proceso de descarga) |
| A partir de material B |
| espesor 0,3 mm, longitud 80 mm x anchura 80 mm |
| canales de gas: altura 0,8 mm, |
| \hskip1.4cm intervalo entre resaltes 1,2 mm (corrugado) |
El tratamiento de acabado supone la etapas de:
pulir mecánicamente una superficie utilizando partículas de pulido
de SiC para granallado; lavado en una solución de HNO_{3} al 5%,
HF al 3% a 40°C durante 15 minutos bajo la aplicación de
ultrasonidos, neutralizar con álcali; desengrasar inmediatamente
antes de la prueba, rociando una solución acuosa al 6% de hidróxido
sódico; prelavar con un flujo de agua; impregnar tres veces en un
depósito de carga que contiene agua destilada para el lavado;
rociar agua destilada durante cuatro minutos de lavado; y secar con
aire no calentado mediante un secador.
Se evaluaron las características de una placa
bipolar incorporada en un conjunto de electrodo de membrana de una
PEFC midiendo la tensión de un conjunto de electrodo de membrana
una hora después de que el gas combustible se introdujera en la
celda de combustible y comparando el índice de caída de tensión
para obtener, de este modo, el índice de caída de tensión, el cual
se calculó mediante la siguiente fórmula: 1 - (tensión una hora
después V/ tensión inicial V).
Se modificó una celda de combustible disponible
en el mercado (Celda FC50, producto de Electrochem (US)) para que
actuara, de este modo, como una PEFC utilizada en la
evaluación.
Se utilizó gas hidrógeno (con una pureza de un
99,9999%) como combustible en un ánodo, y se utilizó aire como gas
cátodo. Toda la celda se mantuvo a una temperatura de 78 \pm 2C,
y la humedad en el interior de la celda se controló en una zona de
entrada de la celda en base a la medida del contenido de agua de un
gas de escape en una zona de salida de la misma. La presión en el
interior de la celda era de una atmósfera. La presión de
introducción del gas hidrógeno en el aire hacia una celda se
controló a 0,04-0,20 bar. Cuando se confirmó un
nivel específico de 500 \pm 100 mA/cm^{2} - 0,62 \pm 0,03 V,
la medición se llevó a cabo de manera continua para, de este modo,
evaluar el rendimiento de la celda.
Se modificó un sistema de medición de una celda
de combustible, en base a un sistema disponible en el mercado
(Serie 800, producto de SCRIBNER ASSOCIATES Inc.) para actuar, de
este modo, como sistema para medir las características de un
conjunto de electrodo de membrana. Debido a que las características
parecían variar en función de las condiciones de funcionamiento de
la celda, la medición se realizó bajo las mismas condiciones.
Se investigó la resistencia de la corrosión
intergranular en base a la prueba de Strauss. Se llevó a cabo una
prueba de corrosión de ácido sulfúrico-sulfato de
cobre de acuerdo con JIS G 0575.
Los resultados de la prueba se muestran en las
Tablas 14 y 15.
Por medio de un tratamiento térmico en las
probetas se provocó que el Cr precipitara para medir la resistencia
eléctrica de contacto. Se prepararon nuevas probetas para el
análisis cortando las probetas para medir la resistencia eléctrica
de contacto. La cantidad de C contenida en el carburo que contiene
Cr precipitado y la cantidad total de C en el acero se obtuvieron
de la siguiente manera. Los valores 1 obtenidos a partir de los
resultados se muestran en las Tablas 2 y 3.
La cantidad (% en peso de C contenido en carburo
que contiene Cr precipitado) se determinó cuantitativamente en base
a los resultados de la determinación cuantitativa de Cr en el
residuo de extracción, que se obtuvo después de la actuación de una
electrólisis de corriente controlada de una probeta en una solución
no acuosa; es decir, una solución AA (10% acetilacetona- 1% cloruro
de tetrametil amonio- metanol resto). En particular, se electrolizó
una probeta en una solución AA no acuosa a una densidad de
corriente de 20 mA/cm^{2} durante aproximadamente 3 horas, para
así disolver aproximadamente 0,4 g de la misma. Inmediatamente tras
la finalización de la electrólisis, la probeta se lavó con una
solución AA no acuosa bajo la aplicación de ultrasonidos. Las dos
soluciones acuosas AA se combinaron, y se filtraron a través de un
filtro (0,2 \mum) (Nucleopore, producto de Coster Scientific
Corporation). El residuo del filtro se disolvió en una mezcla de
ácido sulfúrico - ácido fosfórico (ácido sulfúrico (calidad
especial): ácido fosfórico (calidad especial): agua destilada = 1:
1: 1). La concentración de Cr se determinó cuantitativamente a
través de análisis mediante un espectrómetro de emisión de plasma
de acoplamiento inductivo (ICPV-1014, producto de
SHIMADZU CORPORATION). El contenido de C se calculó bajo la
suposición de que todo el Cr adoptaba la forma de
Cr_{23}C_{6}.
La cantidad (% en peso de todo el C en el acero)
se determinó cuantitativamente a través de una técnica de
espectrometría de absorción de infrarrojos empleada
habitualmente.
Incluso cuando las láminas de acero presentan la
misma composición, el estado de precipitación de los carburos varía
en función de las condiciones de laminado en caliente, enfriamiento
tras el laminado en caliente, y tratamiento térmico para precipitar
los carburos de Cr. De este modo, la resistencia a la corrosión, la
resistencia eléctrica de contacto, y el rendimiento de una PEFC
varía con la medida de la formación de una capa de reducción de
cromo.
Todas las muestras que se encuentran dentro del
ámbito de la presente invención presentan una resistencia eléctrica
de contacto tan baja como 0,2 \cdotcm^{2} o menor, mientras que
las probetas comparativas presentan una resistencia eléctrica de
contacto tal alta como 0,41-0,96 \cdotcm^{2}. La
muestra de acero n° 13, 14 y 15 que presentan un contenido en C
menor de 0,01% presentan una resistencia eléctrica de contacto
particularmente elevada debido a una pequeña cantidad de
precipitación de carburo.
Contra mayor sea el valor I, mayor es la cantidad
de carburo de Cr precipitado del C en el acero. Cuando el valor I
es menor que 80, la resistencia eléctrica de contacto con una
lámina de carbono y el rendimiento de una PEFC son
insatisfactorios. Los resultados muestran que la contribución del
valor 1 es más importante cuando el contenido de C en el acero es
bajo, y que un valor 1 bajo produce un bajo rendimiento de una
celda de combustible.
En la evaluación de las características de una
placa bipolar incorporada en una PEFC, todas las muestras que se
encuentran dentro del ámbito de la presente invención muestran un
índice de caída de tensión menor de 0,05, mientras que las muestras
comparativas que presentan una composición química que se encuentra
fuera del ámbito de la presente invención muestran un índice de
caída de tensión tan considerablemente elevado como 0,2 a
>0,8.
Las muestras n° 20 y 21 muestran en la Tabla 3 un
desgarramiento generado desde un borde lateral durante el laminado
en caliente. Dicho desgarramiento se denomina "desgarramiento del
borde". Como medida para evitar el desgarramiento del borde, se
sabe que la supresión de la cantidad de S en el acero es efectiva.
Sin embargo, ambas muestras de acero n° 20 y 21 presentan una
cantidad de S en el acero de aproximadamente 0,001%, lo cual se
estima considerablemente bajo en la producción industrial. Por
esta razón, el desgarramiento durante el laminado en caliente está
producido por una gran cantidad de P o Si.
La muestra de acero n° 19 es un acero inoxidable
dúplex que presenta una estructura metalúrgica tanto ferrítica como
austenítica. Aunque el acero inoxidable dúplex presenta una
resistencia a la corrosión relativamente alta, éste tiene una
especificidad anisotrópica en la capacidad de procesamiento a
temperatura ambiente. Por esta razón, el acero es difícil de
trabajar en una placa bipolar, que se tiene que formar a partir de
una lámina delgada. Las muestras de acero mostradas en la Tabla 3
sometidas a tratamiento térmico; es decir, mantenimiento a 830°C
durante 24h y enfriamiento, presentan una resistencia a la
corrosión satisfactoria, pero presentan una considerable fragilidad
debido a la precipitación de la fase a. Además, las muestras
presentan una elevada dureza, y el pulido y mecanizado de las
mismas es considerablemente difícil.
El acero inoxidable para producir elementos
conductores eléctricos mantiene una resistencia eléctrica de
contacto directo durante un largo período de tiempo incluso en un
ambiente corrosivo. En particular, el acero resulta apropiado para
producir una placa bipolar de una PEFC y contribuye a la producción
de PEFCs a un bajo coste.
Claims (16)
1. Placa bipolar para una celda de combustible
de electrodos de polímero, caracterizada en que la placa
bipolar está fabricada a partir de un producto de acero inoxidable
que presenta una película pasiva formada sobre la superficie de
acero inoxidable y desde la misma, en el que a través de la
superficie exterior de la película pasiva desde el acero inoxidable
debajo de la película pasiva sobresalen inclusiones metálicas de
carburo y/o inclusiones metálicas de boruro.
2. Placa bipolar según la reivindicación 1,
caracterizada en que las inclusiones metálicas de carburo
comprenden M_{23}C_{6}, M_{4}C, M_{2}C, MC, o cualquier
mezcla de los mismos y las inclusiones metálicas de boruro
comprenden M_{2}B.
3. Placa bipolar según la reivindicación 2,
caracterizada en que un elemento metálico "M" de las
inclusiones metálicas de carburo que se representan por
M_{23}C_{6}, M_{2}C, o MC, y las inclusiones metálicas de
boruro que se representan por M_{2}B puede comprender por lo
menos cromo, molibdeno o tungsteno.
4. Placa bipolar según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada en que la rugosidad
superficial del producto de acero inoxidable es
0,06-5 \mum tal como se representa por una
rugosidad media aritmética Ra.
5. Placa bipolar según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada en que el producto
está fabricado en un acero inoxidable ferrítico que presenta la
siguiente composición, en porcentaje en masa:
C: 0,15% o menos,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-1,5%,
P: 0,04% o menos,
S: 0,001% o menos,
N: 0,05% o menos,
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 a 25 x (%C + %N),
Nb: 0 a 25 x (%C + %N),
elementos de tierras raras:
0-0,1%
W: 0-4%, y
el resto: Fe e impurezas.
6. Placa bipolar según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada en que el producto
está fabricado en un acero inoxidable ferrítico que presenta la
siguiente composición, en porcentaje en masa:
C: 0,15% o menos,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-1,5%,
P: 0,04% o menos,
S: 0,01% o menos,
N: 0,035% o menos,
Cr: 15-36%,
Al: 0,001-6%,
B: 0-3,5%,
Ni: 0-5%,
Mo: 0-7%,
Cu: 0-1%,
Ti: 0 a 25 x (%C + %N),
Nb: 0 a 25 x (%C + %N),
el resto: Fe e impurezas; y
cumpliendo la siguiente relación:
13% \leq Cr + 3 x Mo - 2,5
x B \leq
50%
en la que cada símbolo elemental representa su
contenido en porcentaje en
masa.
7. Placa bipolar según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada en que el producto
está fabricado en un acero inoxidable ferrítico que presenta la
siguiente composición, en porcentaje en masa:
C: 0,01-0,15%,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-1%,
P: 0,035% o menos,
S: 0,01% o menos,
Cr: 10-35%,
Ni: 0,01-1%,
Cu: 0,01-1%,
N: 0,05% o menos,
V: 0,3% o menos,
Al: 0,001-0,2%,
Mo: 0-6%,
W: 0-4%,
elementos de tierras raras:
0-0,1%
Cr + 3Mo: 13-50%,
el resto: Fe e impurezas; y
C que ha precipitado como carburo que contiene Cr
y el C total en el acero cumplen la siguiente relación:
(% de masa de C precipitado como carburo que
contiene Cr) x 100 / (% de
masa de C total en el acero -
0,0015%) \geq
80.
8. Placa bipolar según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada en que el producto
está fabricado en un acero inoxidable ferrítico que presenta la
siguiente composición, en porcentaje en masa:
C: 0,08% o menos,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-1,5%,
P: 0,035 o menos,
S: 0,01% o menos,
Cr: 17-36%,
Al: 0,001-0,2%,
B: 0,0005-3,5%,
N: 0,035% o menos,
Ni: 0-5%,
Mo: 0-7%,
Cu: 0-1%,
el resto: Fe e impurezas; y
cumpliendo la siguiente relación:
13% \leq Cr + 3 x Mo - 2,5
x B \leq
50%
en la que cada símbolo elemental representa su
contenido en porcentaje en masa; y B en el acero está presente como
un precipitado de boruro
M_{2}B.
9. Placa bipolar según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada en que el producto
está fabricado en un acero inoxidable austenítico que presenta la
siguiente composición, en porcentaje en masa:
C: 0,005-0,2%,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-2,5%,
P: 0,04% o menos,
S: 0,01% o menos,
Cr: 17-30%,
Ni: 7-50%,
B: 0-3,5%,
N: 0-0,4%,
Cu: 0-3%,
Al: 0-6%,
Mo: 0-7%, y
el resto: Fe e impurezas.
10. Placa bipolar según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada en que el producto
está fabricado en un acero inoxidable austenítico que presenta la
siguiente composición, en porcentaje en masa:
C: 0,005-0,2%,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-2,5%,
P: 0,04% o menos,
S: 0,01% o menos,
Cr: 17-30%,
Ni: 7-50%,
B: 0-3,5%,
N: 0-0,4%,
Cu: 0-2%,
Al: 0-6%,
Mo: 0-7%,
el resto: Fe e impurezas; y
cumpliendo la siguiente relación:
13% \leq Cr + 3 x Mo - 2,5
x B \leq
50%
en la que cada símbolo elemental representa su
contenido en porcentaje en
masa.
11. Placa bipolar según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada en que el producto
está fabricado en un acero inoxidable austenítico que presenta la
siguiente composición, en porcentaje en masa:
C: 0,03% o menos,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-2,5%,
P: 0,035% o menos,
S: 0,01% o menos,
Cr: 17-30%,
Ni: 7-50%;
B: 0,0005-3,5%,
Al: 0,001-0,2%,
N: 0,3% o menos,
Mo: 0-7%,
Cu: 0-3%,
el resto: Fe e impurezas; y
cumpliendo la siguiente relación:
13% \leq Cr + 3 x Mo - 2, 5
x B \leq
50%
\newpage
en la que cada símbolo elemental representa su
contenido en porcentaje en masa, y B en el acero está presente como
un precipitado de boruro
M_{2}B.
12. Placa bippolar según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada en que el producto
está fabricado en un acero inoxidable austenítico que presenta la
siguiente composición, en porcentaje en masa:
C: 0,015-0,2%,
Si: 0,01-1,5%,
Mn: 0,01-2,5%,
P: 0,035% o menos,
S: 0,01% o menos,
Cr: 17-30%,
Ni: 7-50%,
Cu: 0-3%,
N: 0,3% o menos,
Mo: 0-7%,
Al: 0-0,2%,
Cr + 3Mo: 13-50%,
el resto: Fe e impurezas; y
C que ha precipitado como carburo que contiene Cr
y el C total en el acero cumplen la siguiente relación:
(% de masa de C precipitado como carburo que
contiene Cr) x 100 / (% de
masa de C total en el acero -
0,012%) \geq
85.
13. Procedimiento para producir una placa
bipolar según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12,
comprendiendo el procedimiento las etapas de:
corroer la superficie del producto de acero
inoxidable utilizando una solución ácida acuosa para así exponer
por lo menos uno del grupo que consiste en las inclusiones
metálicas conductoras de carburo y las inclusiones metálicas de
boruro conducto en la superficie;
neutralizar el producto utilizando una solución
alcalina acuosa que tiene un pH de 7 o más; y
lavar y secar el producto.
14. Procedimiento según la reivindicación 13,
caracterizado en que la solución ácida acuosa contienen
2-20 de % en masa de ácido fluorhídrico y
5-20 de % en masa de ácido nítrico.
15. Procedimiento según la reivindicación 13 ó
14, caracterizado en que una cantidad media de corrosión
por la solución ácida acuosa es de 5-60
g/m^{2}.
16. Celda de combustible de electrodos de
polímero, caracterizada en que se suministra un gas
combustible y un gas agente oxidante a un conjunto producido por la
laminación de una pluralidad de conjuntos de electrodos de membrana
mientras se inserta una placa bipolar según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12 entre los conjuntos de electrodos de
membrana para generar así corriente continua.
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