[发明专利]一种适合质子交换膜燃料电池双极板的高Ni不锈钢

说明书

一种适合质子交换膜燃料电池双极板的高Ni不锈钢，属于新材料技术领域。本发明确定了适合燃料电池双极板基体不锈钢材料的理想成分为高的Ni和合适的Cr含量，质量百分比组成为Ni:19～21％，Cr:16.5～18.5％，不可避免的杂质总量小于0.5％，余量为Fe。材料的性能指标为：在0.5mol/L H₂SO₄+2ppm环境下，自腐蚀电位高至‑224.98mV，自腐蚀电流密度I_corr低至1.68μA/cm²，0.064MPa下与碳纸接触电阻为0.99Ω·cm²。可以实现优异的防腐蚀性能和导电性以及与气体扩散层之间优异的低接触电阻性能，并赋予燃料电池优异的质量与耐久性。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及到Fe-Cr-Ni新型奥氏体不锈钢的成分，与新能源技术领域的燃料电池双极板材料应用技术相关。

背景技术

金属材料常常作为导电用途而被应用，其中一种应用是质子交换膜燃料电池双极板。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以氢气为燃料，氧气/空气作为氧化剂，将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的清洁无污染的发电装置，因此期望在节能和环保措施方面引入并普及燃料电池。双极板作为质子交换膜燃料电池的关键部件之一，重量占电堆总重量的70％～80％，生产成本占燃料电池总成本的46％以上。其质量的优劣决定了燃料电池堆的输出功率大小及服役寿命长度。

双极板基体材料的功能在于为燃料气体或氧化气体提供流通的流场，排出阴极侧产出的水，以保证有效地从电池向系统外部放电。除此之外，它还必须支撑电池以保持电池堆结构稳定，分隔阳极室与相邻电池的阴极室，收集传导电流，与气体扩散层(阳极，阴极)接触以形成电通路，作为两个相邻单电池之间的电路“连接器”。因此燃料电池双极板在酸性燃料电池环境中必须具有电化学稳定性，必须具有良好的机械性能，必须与石墨之间存在尽可能小的接触电阻，必须具备高的耐蚀性。

一般认为金属合金，特别是不锈钢材料制成的双极板的优点在于加工性能优异，并且可以减小隔板的厚度(100～300μm)，从而减小隔板的重量，能大幅提高电堆比功率，是最有竞争力的基板材料。不锈钢具有易加工成型，高导热性，价格低等优点，这使其成为了一种常用的质子交换膜燃料电池双极板基体材料。不锈钢的本身电阻较高，加之服役时表面的氧化物产物的附加电阻，使其与气体扩散层接触时的导电性降低，因此常使用表面改性的方法来克服此问题。但表面改性方法工艺复杂，且表面处理层也容易因物理因素遭到破坏，便对基体材料本身的综合性能也有较高的要求，通过对优化基体材料成分来得到更佳的服役性能变得更为重要。

经过对现有技术的文献检索发现，(Davies et al.)在《Journal of PowerSources》(能源杂志)(2000年1期237-224页)上发表的(“Stainless steel as a bipolarplate material for solid polymer fuel cells”)(用于固体聚合物燃料电池双极板的不锈钢材料)和(André et al.)在《International Journal of Hydrogen Energy》(国际氢能杂质)(2009年7期3125-3133页)上发表的(Electrical contact resistance betweenstainless steel bipolar plate and carbon felt in PEFC:A comprehensive study)(质子交换膜燃料电池不锈钢双极板与碳之间的接触电阻：综合研究)指出合金表面氧化膜的化学组成会影响其物理特性，从而导致其电导率变化，总的趋势是，不锈钢合金的界面电阻率会随着镍含量增加而降低。

所以使用有效的合金设计方法，寻找适合燃料电池双极板工作环境并具备优良导电性的高Ni不锈钢成分，是需要解决的问题。

发明内容