專利名稱：用于燃料電池元件的導(dǎo)電板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于燃料電池元件的導(dǎo)電板。
背景技術(shù)：
多年來(lái)所進(jìn)行的研究都著眼于開(kāi)發(fā)一種新型的能源生產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可 抵制石油儲(chǔ)備的穩(wěn)定消耗，同時(shí)考慮目前和將來(lái)對(duì)抗污染及相關(guān)氣候變化的 需求。
就這一點(diǎn)而言，燃料電池構(gòu)成了非污染的電源，它們是當(dāng)前電化學(xué)型的 發(fā)電機(jī)，其操作原理在于一種燃料(通常為氫)通過(guò)陽(yáng)極，在催化劑(如鉑) 存在下產(chǎn)生質(zhì)子，之后通過(guò)電解質(zhì)如聚合物膜與在陰極產(chǎn)生的氧化劑(通常 為氧)接觸，以便產(chǎn)生水，與同樣來(lái)自陽(yáng)極的電子結(jié)合。隨著熱量產(chǎn)生，水 從系統(tǒng)排出。電子從陽(yáng)極到陰極的循環(huán)產(chǎn)生電。
燃料電池所用的氫構(gòu)成一種幾乎取之不竭的全球性元素。它可通過(guò)可再 生能源的手段例如水力電氣能、風(fēng)能或太陽(yáng)能，或借助核能源，由水的電解 產(chǎn)生。此外，它還可通過(guò)天然氣重整或者通過(guò)生物質(zhì)的氣化，然后熱化學(xué)重 整產(chǎn)生。
燃料電池具有各種用途，尤其用于開(kāi)發(fā)"潔凈"車輛，即那些車輛不排 放二氧化碳或其它對(duì)環(huán)境或人類健康造成潛在危害的污染物；或者開(kāi)發(fā)低功 耗便攜系統(tǒng)如移動(dòng)電話和便攜式電腦。
通常，燃料電池包括堆棧的若干電池元件，每個(gè)都包括一種電解質(zhì)，例 如質(zhì)子交換膜或PEM，夾在陽(yáng)極和陰極之間，整個(gè)裝配組成一個(gè)活性核或 MEA (膜/電極裝配)，其本身處于兩個(gè)導(dǎo)電板之間。在堆棧的電池元件末端 提供集流器。
導(dǎo)電板包括用于喂料氣流進(jìn)和水排出的通道，其可以是單極或雙極型。 術(shù)語(yǔ)"單極"應(yīng)理解為表示每個(gè)電池元件包括一個(gè)陽(yáng)極板和一個(gè)陰極板，與 各自相鄰電池元件的陰極和陽(yáng)極板直接接觸(或通過(guò)包含波紋狀金屬導(dǎo)電板的分離器接觸)。術(shù)語(yǔ)"雙極"應(yīng)理解為表示每個(gè)板包括一個(gè)陽(yáng)極面和一個(gè)陰 極面，其本身保證了兩個(gè)相近電池元件之間的連接。通常，冷凍劑在雙極板
或兩個(gè)相鄰單極板之間形成的通道或分離器板提供的其它通道中循環(huán)。
包含導(dǎo)電纖維的氣體擴(kuò)散層或GDL，原則上插在每個(gè)電極和對(duì)應(yīng)的板之間。
常規(guī)地，導(dǎo)電板由石墨或碳/聚合物復(fù)合材料，或金屬板制成。 石墨可以實(shí)現(xiàn)良好的性能，由于它的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性高，且接觸阻力低。 而且石墨易于加工，為優(yōu)化通過(guò)它的通道的幾何形狀提供了可能。最后，它 的抗蝕性高，保證電池元件核的使用壽命長(zhǎng)。然而，無(wú)論生產(chǎn)量多大，加工 石墨工序耗時(shí)長(zhǎng)，費(fèi)用高，其目前被保留用于實(shí)驗(yàn)室電池元件和幾種原型。 碳/聚合物復(fù)合材料可通過(guò)模制法得到板，大大降低成本。然而，盡管其
比同樣規(guī)格的石墨板便宜10 20倍，但碳/聚合物復(fù)合板對(duì)大眾市場(chǎng)，如汽車
市場(chǎng)來(lái)說(shuō)仍然太重。而且，這種材料的性能比石墨差，因?yàn)樗鼈鲗?dǎo)性較低， 且不利于通道成幾何形狀，而成為制約生產(chǎn)的結(jié)果。
實(shí)際上，不銹鋼構(gòu)成適合燃料電池大批量生產(chǎn)的最佳材料，其成本比碳/
聚合物復(fù)合材料少5-10倍。它使得生產(chǎn)的板提供良好的電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)，而 且電池元件有令人滿意的機(jī)械強(qiáng)度。它還具有質(zhì)量輕，占據(jù)體積小，能適合 許多被證明的裝配技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
然而，不銹鋼仍具有某些需要克服的缺點(diǎn)，艮[I:
這種材料的表面電阻，由于金屬表面存在氧化層(或鈍化膜)而 固有的，它降低電池元件的性能。這是導(dǎo)電板和氣體擴(kuò)散層之間的界面發(fā)生 歐姆損耗造成的結(jié)果。
金屬，特別是鉻，在燃料電池的酸性還原劑中腐蝕，釋放陽(yáng)離子，
污染電池膜，而限制它們的壽命；禾口
限制了板的幾何形狀最佳化，因?yàn)椴牧想y以成形。
專利申請(qǐng)US2002/0172849已經(jīng)提出，用鎳-鉻奧氏體(austenitic)合金
制造傳導(dǎo)性高和抗蝕性好的雙極板。這些合金包括至少50%重量的鉻和鎳， 優(yōu)選以鎳為主。與常規(guī)推薦使用的316不銹鋼相比，這些合金的最佳性質(zhì)歸 因于它們的鎳含量高。
6而且，D.P.Davies等人發(fā)表的"不銹鋼作為雙極板材料用于固體聚合物 燃料電池"(Journal of Power Source 86 (2000)， 237-242) —文中已經(jīng)對(duì)具有 不同化學(xué)成分的雙極板性能進(jìn)行比較。在測(cè)試的316、 310和904L不銹鋼板 中，含有18 25。/。鉻和12 25。/。鎳制成的904L不銹鋼，被證明其功率密度 (power density)接近石墨板，明顯優(yōu)于316不銹鋼。904L板的較好性能歸 因于其中含有較高比例的鎳和鉻，該性能被認(rèn)為是氧化層較薄，因此電阻率 較低的結(jié)果。
此外，專利申請(qǐng)F(tuán)R2860104提出，燃料電池構(gòu)造使單極板和相應(yīng)擴(kuò)散層 之間獲得高的接觸表面積成為可能，因此降低兩個(gè)元件之間的電子接觸阻力， 目的是改善電池的效能和動(dòng)力以達(dá)到給定電流密度。為了達(dá)到目的，通過(guò)噴 沙、銼或磨蝕使板的表面變得粗糙，以便適合、甚至是與擴(kuò)散層的表面相匹 配。這種后處理潛在地比本發(fā)明的"天然"處理更加昂貴。
然而，仍需要將不銹鋼導(dǎo)電板用于燃料電池元件的生產(chǎn)，該燃料電池元 件的性能和壽命，與包含機(jī)加工的石墨板的電池元件相比，仍然比較便宜。
現(xiàn)在，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)使用一種特定的合金級(jí)(alloy grade),根據(jù)ASTM標(biāo) 準(zhǔn)稱之為A286，可以使該需求得到滿足；還開(kāi)發(fā)了制造導(dǎo)電板，即滿足該需 求的工藝。
合金級(jí)A286在專利申請(qǐng)CA518181中已有描述。這是一種含有鉻、鎳 和鈦的奧氏體類型的含鐵合金，其延展性好，高溫時(shí)機(jī)械強(qiáng)度高，這些性質(zhì) 可被開(kāi)發(fā)用于制造暴露于高壓，尤其是熱應(yīng)力(thermal stresses)下的飛機(jī)引 擎。這種合金可在溫度接近980°C (1800°F)時(shí)進(jìn)行固溶熱處理(solution heat treatment),接著回火工序(temperingoperation),并經(jīng)久硬化(age-harden)。 最近，有人提出將A286級(jí)合金用于航空領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域(渦輪部件，排氣 歧管)，能源領(lǐng)域(渦輪)和石油工業(yè)的各種用途。
然而，根據(jù)申請(qǐng)人的知識(shí)，從未有人提出將該合金級(jí)用于制造燃料電池。 對(duì)申請(qǐng)人來(lái)說(shuō)很明顯，這種材料表面電阻低，并且抗蝕性好，成本經(jīng)濟(jì)，與 設(shè)想的用途相一致。

發(fā)明內(nèi)容
因此根據(jù)第一種實(shí)施方式，本發(fā)明的主題是，將至少一種合金用于制造作為燃料電池元件的單極或雙極導(dǎo)電板，所述合金按重量比例計(jì)包括
24.0 27.0%的鎳； 13.5 16.0%的鉻； 1.90 2.35%的鈦；
1.0 1.5%的鉬；
0.10 0.50%的釩；
最多0.08%的碳； 最多2.0%的錳； 最多1.0%的硅； 最多0.35%的鋁； 最多0.03%的硫；和
最多0.01%的硼，
余量的鐵和雜質(zhì)。
上述合金參考ASTM標(biāo)準(zhǔn)定義，與A286級(jí)不銹鋼相對(duì)應(yīng)，也可根據(jù)UNS 標(biāo)準(zhǔn)參考S66286，以及根據(jù)WNr標(biāo)準(zhǔn)參考1.4943。
術(shù)語(yǔ)"雜質(zhì)"根據(jù)本發(fā)明的目的應(yīng)理解為表示不可避免地存在和合金生 產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的元素。它們尤其是指氮、磷、硒、銅、鋯、鈰和/或鑭。
本發(fā)明優(yōu)選使用的合金包含
24.0 25.5%的鎳；
14.0 16.0%的鉻；
2.00 2.30%的鈦；
1.2 1.5%的鉬；
0.10 0.50%的釩；
最多0.06%的碳； 最多2.0%的錳； 最多0.3%的硅； 最多0.25%的鋁； 最多0.01%的硫；和
最多0.01%的硼，
余量的鐵和雜質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明第二種實(shí)施方式，本發(fā)明另一主題是，包括上述至少一種合
金的薄板，其特征在于，該薄板至少一個(gè)面上的算術(shù)平均粗糙度Sa為0.12 或更高，最大高度幅度(maximum height amplitude) St小于4pm，優(yōu)選土也， 展開(kāi)面積(developed area) Sdr大于0.2%。
術(shù)語(yǔ)"薄板"在本發(fā)明中應(yīng)理解為表示薄板形式的碾軋產(chǎn)品，其大體上 具有平整表面和矩形橫截面。
具有這些特征的薄板在之后的描述中將被定義為"刨光薄板surfaced
參數(shù)Sa， St和Sdr為就平均平面定義的三維表面處理參數(shù)，通過(guò)矯正， 通過(guò)所測(cè)表面的平均平方的刨平，然后確定平均高度的中心。它們可通過(guò)記 錄表面形貌來(lái)確定，尤其可通過(guò)觸覺(jué)感受器得到。三維中表面形貌的結(jié)構(gòu)通 過(guò)測(cè)量一系列N平行輪廓完成，該N平行輪廓由M點(diǎn)組成，間隔均勻，為 的是涵蓋矩形表面。記錄得到高度z ，它是輪廓中位置x和表面輪廓的位置 y的函數(shù)。
表述"算術(shù)平均粗糙度Sa"應(yīng)理解為從平均數(shù)中得到的偏差的算術(shù)平均
值
根據(jù)本發(fā)明的薄板的算術(shù)平均粗糙度，優(yōu)選大于0.12pm， 一般小于 0.36,。
表述"最大高度幅度St"應(yīng)理解為表面的總高度，由最高峰的高度和
最深處的深度之間的差值定義。該參數(shù)通過(guò)外推二維參數(shù)確定。根據(jù)本發(fā)明
的薄板的最大高度幅度St優(yōu)選小于4pm， 一般大于1.5pm。
表述"展開(kāi)表面面積Sdr"應(yīng)理解為表面界面區(qū)的增量與測(cè)試區(qū)的比率:<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，M為每個(gè)輪廓內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目，N為輪廓數(shù)目，Ai,j代表界面區(qū)，定 義如下優(yōu)選地，平面的Sdr為0M，根據(jù)本發(fā)明的薄板的展開(kāi)表面面積Sdr優(yōu)選 大于0.2%， 一般小于1%。 有利地，上述刨光薄板可通過(guò)包括下述連續(xù)歩驟的工藝制造
(a) 將選自薄板或者熱軋薄板的半成品進(jìn)行冷軋?zhí)幚恚?br> (b) 步驟(a)所得薄板在氧化氣氛中連續(xù)退火，溫度為900 120(TC， 時(shí)間為10秒 30分鐘；和
(c) 通過(guò)在溫度40。C 10(TC與至少一種無(wú)機(jī)酸接觸，酸洗歩驟(b)所 得的退火板。
因此，如上所述，本發(fā)明的主題也是一種用來(lái)刨光基于前述合金的薄板 的工藝。
已經(jīng)證明，該工藝出人意料的產(chǎn)生表面形貌以及形成新型鈍化層(passive layer)，該被動(dòng)層不同于其他標(biāo)準(zhǔn)處理手段所得，例如在還原氣氛中(&，或 H2/N2)光亮退火，同時(shí)有利于獲得低表面電阻的物質(zhì)，在設(shè)想的應(yīng)用中是可 取的。
上述軋輥、退火和酸洗步驟構(gòu)成該領(lǐng)域?qū)I(yè)人員所熟知的冶金學(xué)工序。 例如，燃燒爐可用于實(shí)現(xiàn)在氧化氣氛中退火。尤其優(yōu)選的是保持氧含量接近 8.0%。
冷軋可以在例如厚度為2 5mm的不銹鋼條上進(jìn)行。其可以是一塊厚板， 通過(guò)從漏斗通過(guò)噴嘴傾倒熔化合金到具有冷卻表面的模里，在模里金屬產(chǎn)品 開(kāi)始固化。模的壁可以是固定的銅或銅合金，或者繞彼此反向旋轉(zhuǎn)的巻，或 者環(huán)形帶。作為一個(gè)變量，上述工藝使用的條形物可用上述提及的厚板進(jìn)行 熱軋制得。例如，冷軋條厚度可以為0.05mm 1.5mm。
酸洗步驟所用的酸尤其選自硫酸、硝酸、氫氟酸及其混合物，優(yōu)選傾向 于pH等于2或者更小的溶液。酸可以與退火薄板進(jìn)行接觸，尤其通過(guò)噴灑， 或?qū)l形物通過(guò)含有酸溶液的容器、或通過(guò)一串含有相同或不同酸溶液的容 器(優(yōu)選3個(gè)容器，例如罐)。
上述刨光工藝可包括除上述提及以外的其它步驟，可以在上述任一歩驟，尤其是附加的電解酸洗步驟之前或之后進(jìn)行。總之，它進(jìn)一步包括優(yōu)選使用水進(jìn)行的漂洗歩驟，和隨后干燥酸化薄板。
本發(fā)明的主題還包括上述刨光薄板的應(yīng)用，優(yōu)選通過(guò)上述工藝得到的刨光板，用來(lái)制造一種用于燃料電池元件的導(dǎo)電板(無(wú)論是單極或雙極型)。
根據(jù)本發(fā)明的用于制造導(dǎo)電板所使用的薄板(無(wú)論刨光與否)有利地經(jīng)歷特有的冷成形過(guò)程，使其有可能在不損壞板的抗蝕性和導(dǎo)電性的情況下，得到用于預(yù)期用途的最佳板幾何形狀，尤其是期望的通道輪廓。
因此，本發(fā)明的主題還涉及一種制造用于燃料電池元件的導(dǎo)電板的工藝，包括通過(guò)上述工藝刨光包含以上定義的合金的薄板，所述工藝進(jìn)一步包括至少以下步驟
一所述薄板厚度為0.05 0.5mm，尤其是0.1mm 0.2mm，用第一工具經(jīng)過(guò)一階變形作用，從而得到波紋坯體；和
一所述波紋坯體通過(guò)第二工具進(jìn)行二階、切向變形。
優(yōu)選地， 一階和二階連續(xù)變形使薄板與初始薄板長(zhǎng)度相比，至少延長(zhǎng)25% 35%。
本發(fā)明的主題還包括由此制得的板。
該工藝使用至少兩種不同形狀的工具，在液壓機(jī)或者機(jī)械壓力機(jī)中進(jìn)行。作為一種變體，它可使用一種稱作"following"的工具進(jìn)行，該工具應(yīng)用至少兩個(gè)連續(xù)壓痕(下一個(gè)壓痕應(yīng)用在前一個(gè)上面)在薄板上，例如尺寸為10X20cm的薄板。
該工藝中施于薄板的延長(zhǎng)作用的表達(dá)是通過(guò)薄板的初始展開(kāi)長(zhǎng)度，沿著它的中心部分測(cè)量。這是一個(gè)平均延長(zhǎng)，在薄板的某些范圍內(nèi)，變形作用比其他范圍明顯。
該冷卻成形工藝，使其有可能向各個(gè)方向分布由金屬承受的變形作用，并遍及初始薄板的最大面積，以便最佳使用金屬的延展性。這為即將形成的氣體通道產(chǎn)生了一個(gè)輪廓，該氣體通道與燃料電池工序是兼容的(尤其是，令人滿意的壽命和緊湊性)。而且，該工藝使得薄板和其后與薄板相關(guān)的氣體進(jìn)入、排出的裝配、密封和連接方式保持一致成為可能。應(yīng)該注意到，該方法并不損壞薄板的表面構(gòu)造，也就是說(shuō)它具有的任何特定的粗糙度，均不損壞其低電阻。最后，與液壓成形相比，這是一種更簡(jiǎn)單、更廉價(jià)的方法。本發(fā)明進(jìn)一步的主題是包含至少一個(gè)單電極或雙電極導(dǎo)電板的燃料電池，該導(dǎo)電板包含至少一種以上定義的合金，優(yōu)選如上所述的刨光薄板或者導(dǎo)電板。這樣的電池元件通常包含，除了所述板， 一陽(yáng)極， 一陰極以及一電解質(zhì)，有利地還包含至少一擴(kuò)散層。該電極常規(guī)地由碳、鈾，或如厚度為10
15pm的聚合物層組成。 一種優(yōu)選電解質(zhì)由質(zhì)子交換聚合物膜組成，例如該膜厚度為20 50jrni。具體地，可能使用一種"編制(woven)"型擴(kuò)散層，如由W丄.Gore和Associate銷售的CARBEL CL，或者一種"毪(felt)" 型擴(kuò)散層，如由SGL銷售的30BC?？傊@是一種包含直徑為5 40pm碳纖維的多孔物質(zhì)。
然后本發(fā)明的另一個(gè)主題是一種包含該電池元件的燃料電池，尤其是PEMFC(質(zhì)子交換膜燃料電池)型。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池可用于車輛供電，如摩托車，或者電信用途，如中繼天線或移動(dòng)電話。
因此，本發(fā)明的另一個(gè)主題是以上定義的燃料電池的應(yīng)用，用于車輛供電，如摩托車，或者電信用途，如中繼天線或者移動(dòng)電話。


現(xiàn)參考附圖1 14對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，其中一圖1說(shuō)明了燃料電池的操作原理；
一圖2為根據(jù)本發(fā)明工藝制造的不銹鋼薄板表面的格子狀表示；一圖3為經(jīng)包括在還原氣氛中退火的工藝制造的不銹鋼薄板的格子狀表
示；
一圖4說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明制造的不銹鋼薄板通過(guò)掃描電子顯微鏡顯示的表面形貌；
一圖5說(shuō)明經(jīng)包括在還原氣層中退火的工藝制造的不銹鋼薄板通過(guò)掃描電子顯微鏡顯示的表面形貌；
一圖6和7為曲線圖，說(shuō)明由不同化學(xué)組成的不銹鋼薄板制造的導(dǎo)電板的接觸電阻是施加于板/GDL接觸區(qū)壓力的函數(shù)；
一圖8為曲線圖，說(shuō)明由不同工藝制備的不銹鋼薄板的接觸電阻，是施加于板/GDL接觸區(qū)壓力的函數(shù)；一圖9說(shuō)明包含不同類型導(dǎo)電板的燃料電池元件的極化曲線；一圖10說(shuō)明由不同化學(xué)組分的不銹鋼薄板制造的燃料電池元件的極化曲線，以及
—圖11說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的燃料電池元件的一種"便攜式發(fā)電機(jī)"循環(huán)耐受測(cè)試。
具體實(shí)施例方式
圖1說(shuō)明了一種常規(guī)的燃料電池元件。所述的電池元件1包括插入在陽(yáng)
極3和陰極4之間的電解質(zhì)2，陽(yáng)極3和陰極4分別與陽(yáng)極板5以及陰極板6相接觸。電池包含堆棧的電池元件1，如圖1所說(shuō)明，元件1與兩個(gè)集流器相連接，其中之一的集流器7在圖中顯示。
閱讀下述實(shí)施例將更清楚的理解本發(fā)明，提供的實(shí)施例僅為說(shuō)明，并不用來(lái)限制本發(fā)明。
實(shí)施例1:根據(jù)本發(fā)明制造刨光合金薄板
用來(lái)自Imphy Alloys公司的合金SUPERIMPHY SY286制造刨光薄板，其精確的組成為
24.43%的鎳
14.79%的鉻
2.41%的鈦
1.46%的鉬
0.306%的釩
0.037%的碳
1.71%的錳
0.085%的硅
0.168%的鋁
最多0.0005%的硫
0.015%的磷
為此，使用厚度為4mm的熱軋板，該熱軋板通過(guò)幾個(gè)步驟進(jìn)行冷軋，每個(gè)冷軋之間有中間退火處理，以便得到厚度約0.2mm的條狀物。在最后的
13冷軋步驟后，根據(jù)本發(fā)明該條狀物于1080°C，在長(zhǎng)度為27m、運(yùn)轉(zhuǎn)速度為
20m/min的敞口連續(xù)燃燒爐進(jìn)行退火，其中還原氣氛中氧含量約為8.0%。然
后將所得條狀物通過(guò)三個(gè)連續(xù)浴進(jìn)行酸洗
一浴1:在150g/l的磷酸鈉浴中溫度75。C直接極化進(jìn)行電解酸洗，一浴2:在70g/l的硝酸浴中溫度4(TC進(jìn)行電解酸洗，和一浴3: 100g/l硝酸和20g/l氫氟酸的混合液，溫度5(TC。所得薄板的厚度為0.2mm，算術(shù)平均粗糙度Sa為0.23pm。計(jì)算的St和
Sdr {直分別為2.16pm和0.344%。
實(shí)施例2:評(píng)估作為薄板制造工藝函數(shù)的表面處理
圖2說(shuō)明了在實(shí)施例1相似條件下所制薄板的表面處理，其顯示由大量凸起組成。它的表面由以下表征算術(shù)平均粗糙度Sa為0.186nm，最大高度幅度St為2.16pm，展開(kāi)表面面積Sdr為0.344%。作為對(duì)比，圖3說(shuō)明了用相同的SUPERIMPHY SY286合金，經(jīng)過(guò)包括在還原氣氛中退火步驟的工藝所制造的薄板，其表面具有連續(xù)凸起。薄板表面進(jìn)一步表征為算術(shù)平均粗糙度Sa為0.106pm，最大高度幅度St為1.04pm，展開(kāi)表面面積Sdr為0.0767%.
而且，從圖4和圖5可明顯看出，根據(jù)本發(fā)明制造的薄板以及在還原氣氛(H》中退火制得的薄板，通過(guò)掃描電子顯微鏡顯示的表面形貌明顯不同。
因此表明本發(fā)明的工藝進(jìn)行刨光的SY286合金薄板具有特征性的粗糙表面，其不能由常規(guī)的在還原氣氛中退火工藝得到。
實(shí)施例3:評(píng)估作為天然合金的函數(shù)的表面電阻
分別由合金級(jí)F17TNb， A286 (合金SY286)和316L組成的三種刨光合金板，經(jīng)過(guò)相同的表面處理，其接觸電阻為施加于這些薄板上將其整合到相同的擴(kuò)散層的裝配壓力的函數(shù)。
圖6的結(jié)果顯示，根據(jù)本發(fā)明所用的A286合金薄板具有最低接觸電阻，因此具有最好的傳導(dǎo)能力。
使用非刨光、包含相似鎳含量的SY286合金薄板和904L合金薄板，進(jìn)行相似的測(cè)量。
14圖7顯示，對(duì)于兩種不同類型的氣體擴(kuò)散層(GDL)，合金SY286的接觸電阻此處再次顯示最低。
從這些實(shí)驗(yàn)可以清楚地看出，比起現(xiàn)有技術(shù)的合金，根據(jù)本發(fā)明所使用的合金是制造燃料電池導(dǎo)電板的更好的候選合金。
實(shí)施例4:評(píng)估作為薄板制造過(guò)程函數(shù)的表面電阻
比較根據(jù)實(shí)施例2所描述的兩種SY286合金薄板的表面接觸電阻，該表
面接觸電阻是施加于這些板上將其整合到相同的r^散層的裝配壓力的函數(shù)。
如圖8所示，與在H2中退火的常規(guī)工藝制得的板相比，根據(jù)本發(fā)明的刨光工藝可得到傳導(dǎo)性更好的板。
實(shí)施例5:比較基于不同合金電池的性能
性能，即作為電流密度函數(shù)的電池電壓，進(jìn)行對(duì)比。就組成它們導(dǎo)電板材料的化學(xué)性質(zhì)而言，燃料電池彼此互不相同。該實(shí)驗(yàn)在大氣壓為l.lbar，H2壓為1.25bar，電池溫度60。C條件下進(jìn)行。
從圖9可明顯看出，根據(jù)本發(fā)明的刨光SY286合金板，用包含至少兩個(gè)冷成形步驟的工藝為特征，所得燃料電池的電性能可與基于加工石墨的電池相當(dāng)(無(wú)顯著區(qū)別)，以及優(yōu)于基于碳/聚合物復(fù)合材料的電池。
此外，圖10顯示在上述條件下進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的電性能優(yōu)于作為參考的由316L合金板制得的電池。
實(shí)施例6:長(zhǎng)期循環(huán)測(cè)試
長(zhǎng)期循環(huán)測(cè)試進(jìn)行超過(guò)500h，以便模擬(在實(shí)施例6的條件下，電流密度為0.6A/cm2)根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的應(yīng)力方式，便攜發(fā)電機(jī)是它的代表性用途。
在圖11中測(cè)試結(jié)果顯示了根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電板對(duì)于在燃料電池介質(zhì)中氧化的化學(xué)穩(wěn)定性。在測(cè)量精度范圍內(nèi)，對(duì)于石墨板或者碳/聚合物復(fù)合材料板，所觀測(cè)到的單位時(shí)間的還原性相同。
權(quán)利要求
1. 至少一種含有下述成分的合金在制造用于燃料電池元件的單極或雙極導(dǎo)電板中的應(yīng)用，所述合金按重量比例包含24. 0～27.0％的鎳；13. 5～16.0％的鉻；1. 90～2.35％的鈦；1. 0～1.5％的鉬；0. 10～0.50％的釩；最多0. 08％的碳；最多2. 0％的錳；最多1. 0％的硅；最多0. 35％的鋁；最多0. 03％的硫；和最多0. 01％的硼，余量的鐵和雜質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，所述合金包含24.0 25.5%的鎳； 14.0 16.0%的鉻； 2.00 2.30%的鈦；1.2 1.5%的鉬；0.10 0.50%的釩；最多0.06%的碳； 最多2.0%的錳； 最多0.3%的硅； 最多0.25%的鋁； 最多0.01%的硫；禾口最多0.01%的硼，余量的鐵和雜質(zhì)。
3. 包含至少一種根據(jù)權(quán)利要求1或2所定義的合金的薄板，其特征在于，該薄板至少一個(gè)面的算數(shù)平均粗糙度Sa為0.12pm或更高，最大高度幅度St小于4pm，優(yōu)選地，展開(kāi)表面面積Sdr大于0.2%。
4. 基于權(quán)利要求1或2所定義合金的薄板的刨光工藝，包括下述連續(xù)歩驟(a) 將選自薄板或熱軋薄板半處理的產(chǎn)品冷軋?zhí)幚恚?b) 將步驟(a)所得薄板在氧化氣氛中連續(xù)退火，溫度為900 1200°C，時(shí)間為10~30分鐘；和(c) 通過(guò)在溫度4(TC 10(TC與至少一種無(wú)機(jī)酸接觸，酸洗步驟(b)所得的退火板。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的工藝，其特征在于，該工藝進(jìn)一步包括電解酸洗步驟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的工藝，其特征在于，該工藝進(jìn)一步包括優(yōu)選用水進(jìn)行漂洗，然后干燥酸洗板的歩驟。
7. 薄板，其特征在于，該薄板可根據(jù)權(quán)利要求4至6任一項(xiàng)所述的工藝制造。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的薄板在制造作為燃料電池元件的導(dǎo)電板中的應(yīng)用。
9. 用于燃料電池元件的導(dǎo)電板的制造工藝，包括根據(jù)權(quán)利要求4至6所定義的工藝，刨光含有權(quán)利要求1或2定義的合金的薄板，其特征在于，該工藝進(jìn)一步包括至少以下步驟一所述薄板厚度為0.05 0.5mm，尤其是0.1 0.2mm,用第一工具進(jìn)行一階變形，從而得到波紋坯體；和_所述波紋坯體用第二工具進(jìn)行二階、切向變形。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的工藝，其特征在于， 一階和二階變形的相繼進(jìn)行使得薄板與初始薄板長(zhǎng)度相比，至少延長(zhǎng)了 25% 35%。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的工藝，其特征在于，該薄板為權(quán)利要求3或7所定義的薄板。
12. 用于燃料電池元件的導(dǎo)電板，其特征在于，該薄板可通過(guò)權(quán)利要求9至11任一項(xiàng)所述的工藝制得。
13. 燃料電池元件，其包含至少一個(gè)單極或雙極導(dǎo)電板，該導(dǎo)電板包含至少一種權(quán)利要求1或2所述的合金。
14. 燃料電池元件，其包含至少一個(gè)單極或雙極導(dǎo)電板，該導(dǎo)電板包含權(quán)利要求3和7所述的任一薄板。
15. 燃料電池元件，其包括至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求12所述的單極或雙極導(dǎo)電板。
16. 燃料電池，尤其是PEMFC (質(zhì)子交換膜燃料電池)型，包含根據(jù)權(quán)利要求13至15任一項(xiàng)所述的電池元件。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述燃料電池的應(yīng)用，該燃料電池可用于車輛供電，如摩托車；或通信手段，如中繼天線或移動(dòng)電話。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用A286合金級(jí)用于制造薄板，可選擇地為刨光板，以便制造用于燃料電池元件的單極或雙極型導(dǎo)電板。本發(fā)明還涉及該可選的刨光處理工藝，其包括冷軋步驟，接著在氧化氣氛中連續(xù)退火步驟，和酸洗步驟。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101485021SQ200780024753
公開(kāi)日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者克勞德·魯賽爾, 吉利斯·普拉滕, 埃里克·克勞德, 理查德·布斯凱 申請(qǐng)人:喬治·克勞德液體空氣工藝研究開(kāi)發(fā)股份有限公司;安賽樂(lè)米塔爾-不銹鋼及鎳合金有限公司;阿爾法拉瓦爾股份有限公司