专利名称：低成本锰稳定化奥氏体不锈钢合金、包含该合金的双极板和包括该双极板的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及适合用作为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的双极板材料的锰稳定 化奥氏体不锈钢合金、涉及包含该合金的双极板、并涉及包括该双极板的PEM燃料电池。
背景技术：
通常，将PEM燃料电池组件构建为多个燃料电池组成的电池堆。电池堆中的各个 燃料电池分别由流场板隔开，流场板的一侧用作一个燃料电池的阳极，而相对侧用作相邻 燃料电池的阴极。因此，通常将这样的流场板称作双极板。PEM燃料电池的双极板在酸性燃料电池环境下必须是电化学稳定的、必须具有可 靠的机械性能、并且必须容易形成为在板的两侧具有分配(传送)通路的薄的装置。另外， 它们必须与气体扩散介质具有最小接触电阻，气体扩散介质用于将反应气体分配到燃料电 池内的催化剂层。最小接触电阻通常通过选择具有高耐腐蚀性和不利于钝化层形成的材料 来实现。重要的是，双极板必须是有成本效益的，以实现PEM燃料电池的大规模商业化。通常金属合金尤其是奥氏体不锈钢，被视为用于双极板的潜在材料候选者。与包 含诸如碳复合材料之类的材料的双极板相比，包含诸如奥氏体不锈钢之类的合金的双极板 提供了包括重量减轻和体积功率密度提高的优点。然而，高镍奥氏体不锈钢的成本在过去 的一些年期间大幅增加，部分原因是在诸如印度和中国的新兴市场中对商用的低成本不锈 钢的空前需求。因此，需要在奥氏体不锈钢中部分地或完全地替代昂贵的镍成分，以降低成 本并实现PEM燃料电池的大规模商业化。向不锈钢加入镍，以使奥氏体相稳定。如果在奥氏体不锈钢中减少或替代镍，则必 须加入其它奥氏体稳定剂，以使奥氏体结构稳定。碳、铜、氮、锰和钴也是奥氏体稳定剂，但 必须小心地选择各自加入的比例。例如，作为奥氏体稳定剂加入的碳能够导致晶粒界周围 的铬的损耗，由此能够使得合金对于腐蚀变得敏感。在这样的情况下，铜的加入能够减轻腐 蚀敏感性，但铜也是相对昂贵的金属。另一方面，锰较为便宜，但是就用于稳定奥氏体相来 说其有效性只是镍的大约一半。这样，除非存在另一种奥氏体稳定剂例如氮或铜，否则替代 给定重量的镍通常将需要两倍重量的锰。锰奥氏体不锈钢在本领域中是已知的。锰奥氏体不锈钢的标准等级属于由美国钢 铁协会(AISI)分类的“200-系列”合金。属于该系列的合金通常会包含少量的镍。然而， 为了在具有代替镍的锰的钢中保持奥氏体结构，通常需要相应地减少铬。例如，如果锰代替 大量的镍，并且钢的所有其它成分保持不变，则将奥氏体不锈钢中的镍含量从12wt. % (重 量百分比)减少至Iwt. %会需要将铬含量从18wt. %减少至大约15wt. %，以保持奥氏体结 构。因为铬有益于在所有种类的不锈钢中提高耐腐蚀性，所以，由此得出由于具有较少的铬 对耐腐蚀性造成的损害会超过使用较少的镍带来的优点。当将锰加入到铁-铬系统例如不锈钢时，氮的固液溶解度充分地增加，从而允许 氮用作有效的奥氏体稳定剂。例如，当以合金例如具有18%铬的316不锈钢开始，并且消
4除正常存在的12%镍时，大约12%锰和0. 5%氮代替镍将足以使奥氏体稳定，而无需相应 地减少铬的量。然而，根据用于合金组成物的浇铸方法，过量的氮能够导致形成不利于最终 合金组成物的接触电阻的各种铁或铬氮化物钝化层。因此，重要的是，选择氮含量要足够地 高，以使奥氏体相稳定，同时要足够地低，以避免氮化物钝化层的不合期望的增多。具有较少的M但相当可观数量的其它奥氏体稳定剂的替代性奥氏体不锈钢的示 例是来自 Allegheny Ludlum 的 201 (5. 50-7. 50wt. % 猛和 3. 50-5. 50wt. %镍)、来自 AK Steel 的Nitronic 30(7. 0-9. Owt. %猛和 1. 5-3. Owt. %镍)和来自 Carpenter Technology 的 204-Cu(6. 50-9. OOwt. %猛，2. 00-4. OOwt. %铜和 1. 50-3. 50wt. %镍)。然而，这些钢 的用途局限于需要高强度但只需中等耐腐蚀性的应用。此外，由于低需求或由于在生产过 程中常常遇到的技术问题，这些合金的生产还没有达到镍基奥氏体不锈钢的规模。富锰合 金通常对于在高腐蚀环境中使用是不合需求的，因为在合金中即使少量存在的硫仍能够与 锰结合，从而形成已知作为腐蚀活性部位的锰硫化物。在使用锰来代替镍作为奥氏体稳定剂时，可以显著减少用于PEM燃料电池的不锈 钢双极板的材料成本。因此，需要能够在高腐蚀环境中表现良好的低成本、锰稳定化奥氏体 不锈钢合金。
发明内容
这种需求通过本发明的若干实施例来满足。根据本发明的第一实施例，提供了一 种双极板。所述双极板包括阴极面和阳极面。所述阴极面可以限定用于至少一种第一反应 物的至少一个第一流量分配通路。所述阳极面可以限定用于至少一种第二反应物的至少 一个第二流量分配通路。所述双极板的阴极面和阳极面中的至少一个可以包含奥氏体不 锈钢合金，所述奥氏体不锈钢合金包含，以基于所述合金的总重量的重量百分比计，4-35% 的锰、0. 5-1. 5%的镍、17-20%的铬、0. 2-0. 5%的氮、0. 5-1. 0%的硅、至多0. 的铝、少于 0. 075%的碳、少于0. 005%的硫、最少量的附随的杂质例如磷以及余量的铁。可选地，所述合金可以包含9.0_25wt. %的锰。可选地，所述合金可以包含 14-25wt. %的锰。可选地，所述合金可以包含19-25wt. %的锰。可选地，所述合金可以包含 21wt. %的锰，并可以包含0. 05-0. 06wt. %的碳、大约18wt. %的铬、大约1. Owt. %的镍、大 约0. 6wt. %的硅和0. 3-0. 4wt. %的氮。可选地，所述合金还可以包含至多5. Owt. %的铜。所述双极板还可以包括高导电金属的薄层，其可以包括金、钼、铱、钌、铑或含有这 些金属中的一种或多种的合金。所述薄层可以具有大约2-50nm的厚度。可选地，所述奥氏体不锈钢合金可以作为薄层设置在基板上。所述基板可以包含 诸如更低等级的奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、碳钢或铝之类的材料。在这样的布置中，所 述奥氏体不锈钢的薄层可选地涂覆有诸如金、钼、铱、钌、铑或含有这些金属中的一种或多 种的合金之类的高导电金属的薄层。所述薄层可以具有大约2-50nm的厚度。根据本发明的另一实施例，提供了一种制造双极板的方法。在这样的方法中，提供 锰稳定化奥氏体不锈钢合金。所述合金可以包含，以基于所述合金的总重量的重量百分比 计，4-35%的锰、0. 5-1. 5%的镍、17-20%的铬、0. 2-0. 5%的氮、0. 5-1. 0%的硅、至多 0. 1% 的铝、少于0. 075%的碳、少于0. 005%的硫、最少量的附随的的杂质例如磷以及余量的 铁。
可选地，所述合金可以经历诸如热处理之类的精炼步骤。所述热处理可以包括固 熔退火(solution annealing)。然后，将所述合金制成薄板结构。随后，将诸如流量分配通 路之类的特征形成在薄板结构中，以生产出适合于用作为双极板的工件。可选地，所述工件 涂覆有高导电金属层，所述高导电金属层可以包含金、钼、铱、钌、铑或这些金属中的任何金 属的合金。在本发明的另一实施例中，提供了一种燃料电池系统。所述燃料电池系统包括具 有第一面和第二面的质子交换膜；阴极催化剂层，其覆盖所述质子交换膜的第一面；结合 到所述阴极催化剂层的阴极扩散层；覆盖所述阴极扩散层的阴极；阳极催化剂层，其覆盖 所述质子交换膜的第二面；结合到所述阳极催化剂层的阳极扩散层；覆盖所述阳极扩散层 的阳极。所述阴极包括用于第一反应物的第一流路。所述阳极包括用于第二反应物的第二 流路。根据本发明的其它实施例中的任何实施例，所述流路中的至少一个形成在双极板中。根据本发明的另一实施例，用于制造双极板的方法包括提供基板以及将所述基 板形成为薄板结构。在所述板上形成流量分配通路。所述基板可以包含诸如奥氏体不锈钢、石墨不锈钢或碳复合材料之类的材料。在形成所述板期间或之后，施加锰稳定化奥氏体不锈钢合金薄层。所述合金可以 包含，以基于所述合金的总重量的重量百分比计，4-35 %的锰、0. 5-1. 5 %的镍、17-20 %的 铬、0. 2-0. 5%的氮、0. 5-1. 0%的硅、至多0. 的铝、少于0. 075%的碳、少于0. 005%的 硫、最少量附随的杂质例如磷以及余量的铁。所述锰稳定化奥氏体不锈钢合金薄层可以具 有大约0. 1-20 μ m的厚度。可选地，可以通过诸如电弧熔化、物理气相沉积或离子束沉积之类的技术来施加 所述锰稳定化不锈钢合金。可选地，可以对所述不锈钢层的表面施加额外的薄层，该薄层包含高导电金属，例 如金、钼、铱、钌、铑或包含这些金属中的任何金属的合金。所述薄层可以具有大约2-50nm 的厚度。根据本发明的一个实施例，提供了奥氏体不锈钢合金，其中，显著量的锰作为奥 氏体结构的稳定元素存在。所述合金包含，以基于所述合金的总重量的重量百分比计， 4-35 % 的锰、0. 5-1. 5 % 的镍、17-20 % 的铬、0. 2-0. 5 % 的氮、0. 5-1. 0 % 的硅、至多 0. 1 % 的铝、少于0. 075%的碳、少于0. 005%的硫、最少量的附随的杂质例如磷以及余量的铁。 合金中的4-35wt. %的锰被提供为镍的低成本替代品，以使奥氏体结构稳定。将铬含量 保持在大约18wt. %，以促进高耐腐蚀性。有意地将合金的碳含量保持为低，优选地低于 0. 075wt. %，以避免形成不利地影响延展性的碳化物沉淀物。同样，使用低硫原料铸造合 金，从而产生非常低的最终硫含量，优选地低于0. 005wt. %的硫。该合金展现出可靠的机械 性能、易成型性和可加工性、在酸性环境中的电化学稳定性，并且在气体扩散介质中展现出 最小的接触电阻。这样，该合金特别适合于用在高腐蚀环境例如在PEM燃料电池内常常出 现的环境中。在其它实施例中，所述合金可以包含9. 0-25wt. %的锰、14_25wt. %或19_25衬.% 的锰。在另一实施例中，所述合金可以包含21wt. %的锰，并且还可以包含0. 05-0. 06wt. % 的碳、大约18wt. %的铬、大约1. Owt. %的镍、大约0. 6wt. %的硅和0. 3-0. 4wt. %的氮。可 选地，所述合金还可以包含至多5. Owt. %的铜。
本发明还提供如下方案方案1. 一种双极板，包括阴极面，所述阴极面限定出用于至少一种第一反应物的至少一个第一流量分配通 路；以及阳极面，所述阳极面限定出用于至少一种第二反应物的至少一个第二流量分配通 路，其中，所述阴极面和所述阳极面中的至少一个包含奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢包 含，以重量百分比计4. 0 至 35 的锰；0. 5 至 1. 5 的镍；17 至 20 的铬；0.2 至 0.5 的氮；至多0. 075的碳；0. 5 至 1. 0 的硅；至多0. 1的铝；0至0. 005的硫；以及余量的铁和随附的杂质。方案2.如方案1所述的双极板，其特征在于，所述奥氏体不锈钢包含9. 0到25重 量百分比的锰。方案3.如方案2所述的双极板，其特征在于，所述奥氏体不锈钢包含14到25重 量百分比的锰。方案4.如方案3所述的双极板，其特征在于，所述奥氏体不锈钢包含19到23重 量百分比的锰。方案5.如方案1所述的双极板，其特征在于，还包括设置在所述奥氏体不锈钢上 的导电材料层。方案6.如方案5所述的双极板，其特征在于，所述导电材料选自于由金、金合金、 钼、钼合金、铱、铱合金、钌、钌合金、铑、铑合金和这些物质中的任何物质的混合物组成的组。方案7.如方案1所述的双极板，其特征在于，还包括基板，其中，所述奥氏体不锈 钢作为薄层设置在所述基板上。方案8.如方案7所述的双极板，其特征在于，所述基板包含从由奥氏体不锈钢、铁 素体不锈钢、碳钢和铝组成的组中选择的材料。.方案9.如方案8所述的双极板，其特征在于，还包括设置在所述奥氏体不锈钢薄 层上的导电材料层。方案10.如方案9所述的双极板，其特征在于，所述导电材料选自于由金、金合金、 钼、钼合金、铱、铱合金、钌、钌合金、铑、铑合金和这些物质中的任何物质的混合物组成的组。方案11. 一种制造双极板的方法，所述方法包括提供包含奥氏体不锈钢的基板，所述钢包含，以重量百分比计4. 0 至 35 的锰；
0. 5 至 1. 5 的镍；17 至 20 的铬；0.2 至 0.5 的氮;至多0. 075的碳；0. 5 至 1. 0 的硅；至多0. 1的铝；0至0. 005的硫；以及余量的铁和随附的杂质；以及将所述基板形成为包括第一面、第二面和位于所述面的至少一个面上的多个流 量分配通路的板结构。方案12.如方案11所述的方法，其特征在于，还包括将所述基板进行热处理。方案13.如方案12所述的方法，其特征在于，所述热处理包括固熔退火。方案14.如方案12所述的方法，其特征在于，还包括将导电涂层沉积到所述板结 构的至少一个面上。方案15.如方案14所述的方法，其特征在于，所述导电涂层选自于由金、金合金、 钼、钼合金、铱、铱合金、钌、钌合金、铑、铑合金和这些物质中的任何物质的混合物组成的组。方案16. —种燃料电池系统，包括具有第一面和第二面的质子交换膜；覆盖所述质子交换膜的所述第一面的阴极催化剂层；结合到所述阴极催化剂层的阴极扩散层；覆盖所述阴极扩散层的阴极双极板；覆盖所述质子交换膜的所述第二面的阳极催化剂层；结合到所述阳极催化剂层的阳极扩散层；和覆盖所述阳极扩散层的阳极双极板，其中，所述阴极双极板限定出用于至少一种 第一反应物的至少一个第一流路，所述阳极双极板限定出用于至少一种第二反应物的至少 一个第二流路，并且其中，所述双极板包含奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢包含，以重量 百分比计4. 0 至 35 的锰；0. 5 至 1. 5 的镍；17 至 20 的铬；0. 2 至 0. 5 的氮；至多0. 075的碳；0. 5 至 1. 0 的硅；至多0. 1的铝；0至0. 005的硫；以及余量的铁和随附的杂质。方案17.如方案16所述的燃料电池，其特征在于，所述双极板中的至少一个还包 括设置在所述奥氏体不锈钢上的导电材料的涂层。方案18.如方案17所述的燃料电池，其特征在于，所述导电材料的涂层选自于金、金合金、钼、钼合金、铱、铱合金、钌、钌合金、铑、铑合金和这些物质中的任何物质的混合物 组成的组。方案19.如方案16所述的燃料电池，其特征在于，所述双极板中的至少一个还包 括基板，并且其中，所述奥氏体不锈钢作为薄层设置在所述基板上。方案20.如方案19所述的燃料电池，其特征在于，所述基板包括从由奥氏体不锈 钢、石墨不锈钢和碳复合材料组成的组中选择的材料。方案21.如方案20所述的燃料电池，其特征在于，还包括设置在所述奥氏体不锈 钢薄层上的导电材料的涂层。方案22.如方案21所述的燃料电池，其特征在于，所述导电材料的涂层选自于由 金、金合金、钼、钼合金、铱、铱合金、钌、钌合金、铑、铑合金和这些物质中的任何物质的混合 物组成的组。
当结合下面的附图阅读时，能够最好地理解本发明的特定实施例的以下详细描 述，其中，示出了作为燃料电池组件的一部分的根据本发明各个方面制得的双极板。图1是根据本发明的一个或多个实施例的燃料电池堆的局部立体图。图2是根据本发明的一个或多个实施例的燃料电池堆的局部立体图，其中，双极 板涂覆有高导电材料层。图3是根据本发明的一个或多个实施例的燃料电池堆的局部立体图，其中，双极 板包括涂覆有根据本发明实施例的锰稳定化奥氏体不锈钢层的经济型材料，所述钢层还涂 覆有高导电材料的薄层。
具体实施例方式本发明的合金的组分选择成以提供具有奥氏体结构和低镍含量的耐腐蚀性、电化 学稳定的不锈钢合金。这些特征通过降低镍的量并代替使用用于使奥氏体结构稳定的锰和 氮来满足。通常，合金包括，以基于合金的总重量的重量百分比计，4-35%的锰、0. 5-1. 5% 的镍、17-20%的铬、0. 2-0. 5%的氮、0. 5-1. 0%的硅、至多0. 的铝、少于0. 075%的碳、 少于0.005%的硫、最少量的随附的杂质例如磷以及余量的铁。如在示例中描述的，本发明 的特定的非限制性的合金组分由具有期望的耐腐蚀性和电化学稳定性来表征，并且具有大 约的低镍含量。这些合金适合于用在涉及暴露于高腐蚀环境的各种应用中。虽然在本发明的实施 例中具体考虑了将合金作为双极板用在PEM燃料电池的腐蚀环境中，但还预想到该合金也 可以作为高镍含量不锈钢的替代品用在其它应用中。这些应用包括，但不限于结构建筑材 料；汽车部件；燃气轮机部件；化学反应器部件；航海应用，例如船体、浮标、船坞结构或脱 盐装置；飞机部件；航天器部件；室外装饰结构；管材和管件；和生物医学或牙齿植体。对于奥氏体不锈钢合金在燃料电池中的使用，首先考虑的是高耐腐蚀性，其中，高 腐蚀性气体，例如氢，在高温和高压下存在。为此，本发明的合金包含大约18wt. %的铬。高 铬含量和奥氏体结构的维持通过选择一定量的碳和氮作为额外奥氏体稳定剂加入在合金 中来实现。
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在本发明的合金中，有意地将碳含量保持为低，优选地低于0. 075wt. %。尽管碳具 有使奥氏体相稳定的能力，但是碳的存在会通过形成碳化物相来不利地影响耐腐蚀性。特 别地，当碳化铬相形成时，能够从合金表面上的晶粒界消耗铬。铬从晶粒界的消耗继而降低 合金的耐腐蚀性。在本发明的合金中，有意地将氮含量选择为相对地高，优选地在0. 2-0. 5wt. %的 范围内。因为氮自身使奥氏体相稳定，所以氮的加入准许在本发明的奥氏体不锈钢合金中 存在大约18wt. %的较高铬含量。氮给合金带来更高强度的附加优点。然而，高氮含量还会 导致氮化物相例如氮化铁的形成，这会较大程度地降低所形成的合金的耐腐蚀性。此外，氮 化物能够作为钝化层出现在合金表面上，并能够减小用于需要低接触电阻的应用的钢表面 上的接触电阻。合金组成(组分)对氮化物形成的敏感性很大程度上依赖于浇铸方法。因 此，在浇铸方法的选择上必须谨慎，以控制合金中的氮化物形成的过程。例如，可以将氮加 入到包括氮化的FeCr的炉料中的合金中。在本发明的合金中，有意地将硫含量保持为尽可能地低，优选地低于 0. 0050wt. % (50ppm)。硫具有与锰结合以形成硫化锰的倾向，并且硫化锰作用为钢中的点 状腐蚀的活性部位是已知的。合金的硫含量与用于生产合金的原料中的硫含量直接相关。 这样，必须格外谨慎地选择原料，以避免将硫引入到合金中。通常，即使轻微的硫污染对高 锰奥氏体钢的耐腐蚀性的影响就已经阻碍了对将锰钢的应用扩展到诸如在燃料电池或航 海环境中存在的极端腐蚀环境的追求。本发明的合金避免了这个问题，在于它们包含非常 低的硫含量。由于合金组分的仔细选择，本发明的合金展现出非常高的耐腐蚀性。本发明的合 金的耐腐蚀性优于诸如304L不锈钢之类的合金、包含至多IOwt. %的镍且在现有技术中用 作为PEM燃料电池的双极板的合金的耐腐蚀性。根据本发明实施例制得的锰稳定化奥氏体不锈钢合金展现出电化学稳定性和低 接触电阻。对于本发明的锰奥氏体不锈钢在诸如PEM燃料电池的双极板之类的应用中的使 用来说，低接触电阻是所必需的。双极板的作用是在用于从诸如氢和氧之类的燃料产生能 量的电化学反应中作为阳极和阴极。这样，需要恒定的电连续性在燃料介质和外部电路之 间穿过双极板以传输电子并提供功率。在一定程度上，接触电阻会随着耐腐蚀性提高而增大。有助于合金中的高耐腐蚀 性的一种因素包括在合金的表面上形成钝化层例如氮化物或氧化物。与裸金属相比，钝化 层自然地具有较小的导电性。本发明的锰稳定化奥氏体不锈钢可以表现出钝化层，最普遍 的是包括复合氧化物，例如(Fe，Si)0和(Fe，Si，Cr，Mn)0。在被设计用于在本发明的合金 上生长钝化层的受控实验条件下，观测到钝化层的厚度随着合金的锰含量的增加而增加。 合金的接触电阻随着钝化层的厚度的增加而增大。然而，所测量到的穿过形成于本发明的 合金上的钝化层的钝化电流与在经受相同钝化膜生长条件的304L不锈钢上所测量到的钝 化电流相当。本发明的锰稳定化奥氏体不锈钢合金展现出适合于诸如PEM燃料电池的双极板 之类的各种用途的延展性。在制造双极板的技术中，期望的是，使用包含延伸百分率(延展 性的一个度量)为至少31-39%优选地大于40%的材料的板。这种水平的延展性使得可以 在双极板内形成更多种嵌套设计和流路图案，其中，双极板可以在燃料电池系统中用作为堆叠布置的一部分。当浇铸没有任何后处理时，本发明的锰稳定化奥氏体不锈钢合金展现出大约17% 至大约30%范围内的延伸率。为了将延伸率值提高至大于40%阈值并达到50-60%，可以 采用热处理，例如固熔退火。热处理使得沉淀物例如金属碳化物溶解到合金基质中。因为沉 淀物通常阻止晶粒界位错，所以，当消除沉淀物时，合金得到强化，并获得更高的耐拉伸性。 可选地，可以通过向合金加入至多5wt. %的铜来提高本发明的合金的延展性。然而，铜自身 是相对昂贵的金属，铜的加入会削弱使用减少量的镍带来的经济优势。在用于制造包含本发明的锰稳定化奥氏体不锈钢合金的双极板的方法中，首先提 供基板。基板可以包含奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢包含，以重量百分比计，4. 0至35的锰； 0. 5至1. 5的镍；17至20的铬；0. 2至0. 5的氮；至多0. 075的碳；0. 5至1. 0的硅；至多 0. 1的铝；0至0. 005的硫；余量的铁和随附的杂质。然后，将基板形成为包括第一面、第二 面和位于至少一个所述面上的多个流量分配通路的薄板结构。可选地，该方法可以包括基板的热处理，以减少或消除会不利地影响基板的延展 性的诸如碳化物和氮化物沉淀物之类的相。优选地，热处理可以包括固熔退火。在另一选 择中，该方法还可以包括将从由金、金合金、钼、钼合金、铱、铱合金、钌、钌合金和这些物质 中的任意物质的混合物组成的组中所选择的材料所构成的导电涂层沉积到基板上。导电层 确保足够低的接触电阻，并抵制会在基板上形成的钝化层的作用。可选地，该方法可以包括提供基板，该基板还包含经济型材料，例如奥氏体不锈 钢、铁素体不锈钢、碳钢或铝。该基板上的锰稳定化奥氏体不锈钢可以作为薄层存在。该方 法还可以包括将从由金、金合金、钼、钼合金、铱、铱合金、钌和钌合金组成的组中所选择的 材料所构成的导电涂层沉积到锰稳定化奥氏体不锈钢的薄层上。参照图1，在根据本发明的一个实施例的燃料电池系统中，该系统可以包括具有 第一面和第二面的质子交换膜12 ；覆盖质子交换膜12的第一面的阴极催化剂层16 ；结合 到阴极催化剂层16的阴极扩散层20 ；覆盖阴极扩散层20的阴极双极板40 ；覆盖质子交换 膜12的第二面的阳极催化剂层14 ；结合到阳极催化剂层14的阳极扩散层18 ；和覆盖阳极 扩散层18的阳极双极板30。阴极双极板40可限定出用于至少一种第一反应物的至少一个 第一流路42。阳极双极板30可限定出用于至少一种第二反应物的至少一个第二流路32。 双极板30、40可以包含根据本发明至少一个实施例的锰稳定化奥氏体不锈钢。燃料电池系统还可以包括具有如图1所示的多个布置的垂直堆叠，使得阴极双极 板40可以作用为用于一个燃料电池的阴极，并作用为用于相邻燃料电池的阳极。同样，阳 极双极板30可以作用为用于一个燃料电池的阳极，并作用为用于相邻燃料电池的阴极。参照图2，根据本发明另一实施例的燃料电池系统与图1所示的系统的不同之处 在于，阳极双极板30可选地涂覆有第一导电材料层50，阴极双极板40可选地涂覆有第二导 电材料层55，第二导电材料层55可以与第一导电材料层50相同或不同。导电层50、55可 以包含从由金、金合金、钼、钼合金、铱、铱合金、钌、钌合金和这些物质中的任意物质的混合 物组成的组中所选择的材料。导电涂层50、55可以提高燃料电池系统的耐腐蚀性，并可以 减小阳极双极板30与阳极扩散层18之间的接触电阻、阴极双极板40与阴极扩散层20之 间的接触电阻或者二者的接触电阻。燃料电池系统还可以包括具有如图2所示的多个布置的垂直堆叠，使得阴极双极
11板40可以作用为用于一个燃料电池的阴极，并作为用于相邻燃料电池的阳极。同样，阳极 双极板30可以作用为用于一个燃料电池的阳极，并作为用于相邻燃料电池的阴极。参照图3，根据本发明另一实施例的燃料电池系统包括双极板35、45，双极板35、 45中的任一者或两者可以由经济型材料的基板形成，该经济型材料可以包括例如较低等级 的奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、碳钢或铝。阳极双极板35可以涂覆有薄层60，所述薄层60 包含根据本发明至少一个实施例的锰稳定化奥氏体不锈钢。阴极双极板45可以涂覆有薄 层65，所述薄层65包含根据本发明至少一个实施例的锰稳定化奥氏体不锈钢。可选地，阳 极双极板35上的锰稳定化奥氏体不锈钢的薄层60还可以涂覆有导电材料层50。可选地， 阴极双极板45上的锰稳定化奥氏体不锈钢的薄层65还可以涂覆有导电材料层55。燃料电池系统还可以包括具有如图3所示的多个布置的垂直堆叠，使得阴极双极 板45可以作用为用于一个燃料电池的阴极，并作用为用于相邻燃料电池的阳极。同样，阳 极双极板35可以作用为用于一个燃料电池的阳极，并作用为用于相邻燃料电池的阴极。示锣 Ij锰稳定化奥氏体不锈钢的样品锭在通过空气熔化感应炉坩埚送料的50kg钢容量 的铸铁铰链式铸型中制造。首先基于组分估计合金的熔点，但加入50-150°C的过热，以便浇 铸。炉料由纯铁和钢屑、FeCr以及FeNi组成。氮以氮化的FeCr的形式加入。从熔融物取 得样品(销)，以进行化学分析。如果销样品具有多孔性，则向熔融物中加入铝，以使钢脱 氧。在表1中示出了铸件的组成。表1 锰稳定化奥氏体不锈钢的组成
权利要求
一种双极板，包括阴极面，所述阴极面限定出用于至少一种第一反应物的至少一个第一流量分配通路；以及阳极面，所述阳极面限定出用于至少一种第二反应物的至少一个第二流量分配通路，其中，所述阴极面和所述阳极面中的至少一个包含奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢包含，以重量百分比计4.0至35的锰；0.5至1.5的镍；17至20的铬；0.2至0.5的氮；至多0.075的碳；0.5至1.0的硅；至多0.1的铝；0至0.005的硫；以及余量的铁和随附的杂质。
2.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述奥氏体不锈钢包含9.0到25重量百 分比的锰。
3.如权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述奥氏体不锈钢包含14到25重量百分 比的锰。
4.如权利要求3所述的双极板，其特征在于，所述奥氏体不锈钢包含19到23重量百分 比的锰。
5.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，还包括设置在所述奥氏体不锈钢上的导 电材料层。
6.如权利要求5所述的双极板，其特征在于，所述导电材料选自于由金、金合金、钼、钼 合金、铱、铱合金、钌、钌合金、铑、铑合金和这些物质中的任何物质的混合物组成的组。
7.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，还包括基板，其中，所述奥氏体不锈钢作 为薄层设置在所述基板上。
8.如权利要求7所述的双极板，其特征在于，所述基板包含从由奥氏体不锈钢、铁素体 不锈钢、碳钢和铝组成的组中选择的材料。
9.一种制造双极板的方法，所述方法包括提供包含奥氏体不锈钢的基板，所述钢包含，以重量百分比计`4. 0至35的锰；`0. 5至1. 5的镍；17至20的铬；`0. 2至0. 5的氮；至多0. 075的碳；`0. 5至1. 0的硅；至多0. 1的铝；0至0. 005的硫；以及 余量的铁和随附的杂质；以及将所述基板形成为包括第一面、第二面和位于所述面的至少一个面上的多个流量分配 通路的板结构。
10. 一种燃料电池系统，包括具有第一面和第二面的质子交换膜；覆盖所述质子交换膜的所述第一面的阴极催化剂层；结合到所述阴极催化剂层的阴极扩散层；覆盖所述阴极扩散层的阴极双极板；覆盖所述质子交换膜的所述第二面的阳极催化剂层；结合到所述阳极催化剂层的阳极扩散层；和覆盖所述阳极扩散层的阳极双极板，其中，所述阴极双极板限定出用于至少一种第一 反应物的至少一个第一流路，所述阳极双极板限定出用于至少一种第二反应物的至少一个 第二流路，并且其中，所述双极板包含奥氏体不锈钢，所述奥氏体不锈钢包含，以重量百分 比计·4. 0至35的锰； 0. 5至1. 5的镍； 17至20的铬； 0. 2至0. 5的氮； 至多0. 075的碳； 0. 5至1. 0的硅； 至多0. 1的铝； 0至0. 005的硫；以及 余量的铁和随附的杂质。
全文摘要
本发明涉及低成本锰稳定化奥氏体不锈钢合金、包含该合金的双极板和包括该双极板的燃料电池系统。具有低镍含量的耐腐蚀性锰稳定化奥氏体不锈钢用在双极板、用于制造该双极板的方法和包括该双极板的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中。所述双极板由高锰奥氏体不锈钢形成，所述高锰奥氏体不锈钢包含，以重量百分比计，4.0至35的锰、0.5至1.5的镍、17至20的铬、0.2至0.5的氮、至多0.075的碳、0.5至1.0的硅、至多0.1的铝、0至0.005的硫和余量的铁以及随附的杂质。所述钢展现出用于高腐蚀应用例如用于PEM燃料电池的双极板材料的适当耐腐蚀性、接触电阻和机械性能。所述双极板可以包括所述钢的实体板，可选地涂覆有高导电材料。可选地，所述双极板可以包括涂覆有所述钢的经济型基板，可选地还涂覆有高导电材料。
文档编号H01M8/10GK101950807SQ20101022893
公开日2011年1月19日 申请日期2010年7月9日 优先权日2009年7月10日
发明者A·T·莫雷尔斯, M·H·阿布德埃尔哈米德 申请人:通用汽车环球科技运作公司