нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью, для применения в топливном элементе, и способ ее производства

Классы МПК:C22C38/28 с титаном или цирконием
C22C38/26 с ниобием или танталом
C21D9/46 листового металла 
H01M8/02 конструктивные элементы
Автор(ы):, , , , , , ,
Патентообладатель(и):ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН (JP)
Приоритеты:
подача заявки:
2010-07-26
публикация патента:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению листа нержавеющей стали для сепаратора топливного элемента. Сталь имеет состав, мас.%: С: 0,01% или менее, Si: 1,0% или менее, Mn: 1,0% или менее, S: 0,01% или менее, Р: 0,05% или менее, Al: 0,20% или менее, N: 0,02% или менее, Cr: от 20 до 40%, Мо: 4,0% или менее и по крайней мере один элемент, выбранный из Nb, Ti и Zr: от 0,05 до 0,60% в сумме, и Fe и неизбежные примеси остальное. Подвергнутый холодной прокатке лист, имеющий толщину 200 µм или менее, охлаждают при регулировании скорости охлаждения R (°С/с) в зависимости от толщины t (µм) стального листа по меньшей мере до 500°С после отжига так, чтобы скорость охлаждения R удовлетворяла формуле: нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832 . На 100 µм2 присутствует по меньшей мере одно выделение, имеющее эквивалентный диаметр окружности 0,1 µм или более, а отношение толщины t (µм) листа к максимальному диаметру Dmax выделений, удовлетворяет следующей формуле: нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832 . Нержавеющая сталь обладает высокими проводимостью и пластичностью, что позволяет ее использовать при производстве листов для сепараторов топливных элементов. 2 н.з.п. ф-лы., 2 ил., 2 табл., 1 пр.

нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832 нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832

Формула изобретения

1. Лист нержавеющей стали для сепаратора топливного элемента, имеющий следующий состав, мас.%:

С: 0,01% или менее, Si: 1,0% или менее, Mn: 1,0% или менее, S: 0,01% или менее, Р: 0,05% или менее, Al: 0,20% или менее, N: 0,02% или менее, Cr: от 20 до 40%, Мо: 4,0% или менее и по крайней мере один элемент, выбранный из Nb, Ti и Zr: от 0,05 до 0,60% в сумме, Fe и неизбежные примеси остальное, причем на 100 µм2 присутствует по меньшей мере одно выделение, имеющее эквивалентный диаметр окружности 0,1 µм или более, а отношение толщины t (µм) листа к максимальному диаметру Dmax выделений удовлетворяет следующей формуле:

нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832

причем толщина листа равна 200 µм или менее.

2. Способ производства листа нержавеющей стали для сепаратора топливного элемента, включающий охлаждение подвергнутого холодной прокатке листа нержавеющей стали при регулировании скорости охлаждения R (°С/с) в зависимости от толщины t (µм) стального листа по меньшей мере до 500°С после отжига так, чтобы скорость охлаждения R удовлетворяла формуле:

нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832

причем подвергнутый холодной прокатке лист нержавеющей стали имеет толщину 200 µм или меньше и следующий состав, мас.%: С: 0,01% или менее, Si: 1,0% или менее, Mn: 1,0% или менее, S: 0,01% или менее, Р: 0,05% или менее, Al: 0,20% или менее, N: 0,02% или менее, Cr: от 20 до 40%, Мо: 4,0% или менее и по крайней мере один элемент, выбранный из Nb, Ti и Zr: от 0,05 до 0,60% в сумме, и Fe и неизбежные примеси остальное.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к нержавеющей стали, обладающей хорошими проводимостью и пластичностью, для применения в топливном элементе.

Уровень техники

В последние годы в связи с проблемой защиты глобальной окружающей среды ускорилось разработка топливных элементов, которые обладают высокой эффективностью генерирования энергии и не выделяют диоксида углерода. Топливный элемент представляет собой устройство, которое генерирует энергию путем создания условий для реакции между водородом и кислородом. Базовая структура топливного элемента похожа на сэндвич и состоит из электролитной мембраны (т.е. ионообменной мембраны), двух электродов (т.е. топливного электрода и воздушного электрода), диффузионного слоя для диффузии водорода и кислорода (воздуха) и двух сепараторов. Фосфорнокислотные топливные элементы, топливные элементы с расплавленным карбонатом, топливные элементы на твердых оксидах, щелочные топливные элементы, топливные элементы с протонообменной мембраной и т.п. были разработаны в соответствии с типом используемого электролита.

Из этих топливных элементов топливные элементы с протонообменной мембраной имеют, в частности, следующие преимущества перед топливными элементами с расплавленным карбонатом, фосфорнокислотными топливными элементами и т.п.:

(a) Рабочая температура является существенно низкой, т.е. примерно 80°С.

(b) Возможно уменьшение веса и размеров главного корпуса топливного элемента.

(c) Малое время запуска и высокие кпд по топливу и выходная мощность.

Соответственно, топливные элементы с протонообменной мембраной являются одними из наиболее перспективных топливных элементов для бортовых источников энергии для электрических транспортных средств и компактно размещаемых силовых систем бытового назначения (компактный электрогенератор стационарного типа).

Топливный элемент с протонообменной мембраной основан на принципе извлечения энергии из водорода и кислорода через полимерную мембрану и имеет структуру, показанную на фиг.1, на которой мембранно-электродное устройство 1 включает в себя штабелированные газодиффузионные слои 2 и 3 типа углеродных полотен и сепараторы 4 и 5, которые образуют единый структурный элемент (называемый также моноэлементом). Электродвижущая сила генерируется между сепараторами 4 и 5.

Мембранно-электродная сборная конструкция (называется также МЕА) выполняется путем совместной сборки полимерной мембраны и электродного материала типа сажи с нанесенным на нее платиновым катализатором, в процессе чего электродный материал помещается на передней и задней лицевых поверхностях полимерной мембраны. Толщина мембранно-электродной сборной конструкции 1 составляет от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров. В мембранно-электродную сборную конструкцию 1 часто встраивают газодиффузионные слои 2 и 3.

Когда топливные элементы с протонообменной мембраной используют для названных выше применений, от нескольких десятков до нескольких сотен описанных выше элементов соединяют последовательно с образованием топливно-элементного блока и используют в виде такого топливно-элементного блока.

Сепараторы 4 и 5 необходимы для выполнения следующих функций:

(A) функция разделителя, разделяющего моноэлементы;

(B) функция проводника, который переносит генерируемые электроны;

(C) функция канала для кислорода (воздуха) и водорода (воздушные каналы 6 и водородные каналы 7 на фиг.1) и

(D) функция разгрузочного канала для выгрузки образуемых воды и газа (в качестве этого разгрузочного канала служат также воздушные каналы 6 и водородные каналы 7).

Для использования топливного элемента с протонообменной мембраной на практике должны использоваться сепараторы, обладающие высокими долговечностью и проводимостью.

Предполагаемая долговечность должна быть порядка 5000 часов для топливных элементов для электрических транспортных средств и порядка 40000 часов для электрогенераторов постоянного типа, используемых как компактно размещаемые силовые системы для бытового применения и т.п.

В топливных элементах с протонообменной мембраной было введено в практику использование в качестве сепараторов углеродных материалов. Однако поскольку углеродные сепараторы легко разбиваются при ударе, это не только затрудняет уменьшение размера, но при этом высока также и стоимость процесса образования каналов. В частности, именно проблема стоимости оказывает наибольшее влияние на распространение топливных элементов.

По этой причине предпринимались попытки использовать в качестве материала для сепараторов вместо углеродных материалов какой-либо металлический материал, в частности нержавеющую сталь.

Как уже указывалось выше, сепараторы выполняют функцию проводника для переноса генерируемых электронов и должны обладать проводимостью. Что касается проводимости в случаях, когда в качестве сепараторов используется нержавеющая сталь, доминантным становится контактное сопротивление между сепараторами и газодиффузионными слоями. Вследствие этого возникает потребность в способах снижения контактного сопротивления.

Например, в публикации, не прошедшей экспертизу, японской патентной заявки № 2007-254794 раскрыта нержавеющая сталь, имеющая на поверхности 1011 фаз Лавеса с диаметром зерна 0,3 µм или более на 1 квадратный метр.

Раскрытие изобретения

Техническая проблема

Хотя раскрытый в патентном документе JP 2007-254794 способ пригоден для снижения контактного сопротивления, он требует длительной обработки старения, что снижает производительность. Кроме того, осадки описанного выше типа, которые выделяются в результате длительной обработки старения, являются крупными и их влияние на пластичность не было замечено. Таким образом, необходимая для сепараторов обрабатываемость (технологичность) не была удовлетворительной.

Целью настоящего изобретения является решение проблемы описанного выше уровня техники и создание нержавеющей стали, обладающей высокими проводимостью и пластичностью для применения в сепараторах топливных элементов. Предложен также способ ее изготовления.

Решение проблемы

Авторы изобретения широко исследовали влияние выделений на проводимость и пластичность.

В результате этого они обнаружили, что хорошая проводимость может быть получена, если допустить существование при определенной плотности распределения не только фаз Лавеса (А2В, где А обозначает Fe, Cr, Si и т.п., а В обозначает Nb, Mo, W и т.п.), но также и осадков особого размера, содержащих интерметаллические композиты, такие как сигма-фазы, хи-фазы и мю-фазы, карбиды, нитриды, карбонитриды и их смеси.

Авторами изобретения также обнаружено, что пластичность значительно снижается, когда отношение максимального диаметра осадков к толщине имеет определенное или более высокое значение. Это противоречит традиционному представлению об уменьшении пластичности, вызываемому дисперсионным твердением зерен, и означает, что существует вероятность поломки из-за разницы в поведении пластической деформации между выделениями и родительской фазой, когда присутствуют выделения, не способствующие упрочнению, а отношение выделений к толщине является большим.

Эти данные указывают на то, что, согласно способу поддержания проводимости с использованием выделений, является исключительно важным, чтобы сепараторы, для которых часто используют тонкие листы из нержавеющей стали, имели интерметаллические композиты, карбиды, нитриды, карбонитриды и их смеси, выделяющиеся в такой степени, которая бы не ухудшала пластичность. Настоящее изобретение выполнено на основе этих данных. Раскрытие настоящего изобретения включает в себя следующее:

(1) Нержавеющая сталь для применения в сепараторе топливного элемента, которая имеет состав (мас. %): С: 0,01% или менее, Si: 1,0% или менее, Mn: 1,0% или менее, S: 0,01% или менее, Р: 0,05% или менее, Al: 0,20% или менее, N: 0,02% или менее, Cr: от 20 до 40%, Мо: 4,0% или менее и по крайней мере один элемент, выбранный из Nb, Ti и Zr: от 0,05 до 0,60% в сумме, и Fe, и неизбежные примеси остальное, причем на 100 µм2 присутствует по меньшей мере одно выделение, имеющее эквивалентный диаметр окружности 0,1 µм или более, отношение толщины t (µм) к максимальному диаметру Dmax выделений, удовлетворяет следующей формуле (1):

нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832

и толщина равна 200 µм или менее.

Упомянутые в описании выделения включают не только фазы Лавеса (А2В, где А обозначает Fe, Cr, Si и т.п., а В обозначает Nb, Мо, W и т.п.), но также и интерметаллические композиты, такие как сигма-фазы, хи-фазы и мю-фазы, карбиды, нитриды, карбонитриды и их смеси.

(2) Способ производства нержавеющей стали для применения в сепараторе топливного элемента, включающий охлаждение подвергнутого холодной прокатке листа нержавеющей стали при регулировании скорости охлаждения R (°С/с) в зависимости от толщины t (µм) до по меньшей мере 500°С после отжига так, чтобы скорость охлаждения R удовлетворяла приведенной ниже формуле (2), причем подвергнутый холодной прокатке лист нержавеющей стали имеет толщину 200 µм или меньше и следующий состав (в масс %): С: 0,01% или менее, Si: 1,0% или менее, Mn: 1,0% или менее, S: 0,01% или менее, Р: 0,05% или менее, Al: 0,20% или менее, N: 0,02% или менее, Cr: от 20 до 40%, Мо: 4,0% или менее и по крайней мере один элемент, выбранный из Nb, Ti и Zr: от 0,05 до 0,60% в сумме, и Fe и неизбежные примеси остальное:

нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832

Результат изобретения

Согласно настоящему изобретению можно стабильно получать нержавеющую сталь, обладающую хорошими проводимостью и пластичностью, для применения в сепараторе топливного элемента.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематический вид, показывающий базовую структуру топливного элемента.

Фиг.2 - график, демонстрирующий влияние скорости охлаждения на пластичность нержавеющей стали.

Осуществление изобретения

Согласно настоящему изобретению проводимость нержавеющей стали, используемой в качестве базового материала сепаратора топливного элемента, поддерживается с использованием выделений. В частности, чрезвычайно важно существование интерметаллических композитов, карбидов, нитридов, карбонитридов и их смесей, выделившиеся до такой степени, которая бы не ухудшала пластичность. Для достижения этой цели предпочтительна ферритная нержавеющая сталь, у которой легко контролируется морфология осадков.

Прежде всего описаны причины, по которым состав ферритной нержавеющей стали, т.е. исходного материала, ограничен указанными выше пределами в настоящем изобретении. Заметим, что «%» по отношению к компонентам, если не указано иное, означает масс %.

С: 0,01% или менее

Углерод связывается с Cr в стали и снижает стойкость к коррозии, вследствие чего предпочтительно, чтобы содержание С было как можно более низким. Стойкость к коррозии не снижается заметным образом до тех пор, пока содержание углерода составляет 0,01% или менее. Согласно настоящему изобретению содержание С ограничивается до 0,01% или менее. Хотя углерод связывается, как это описано ниже, по крайней мере с одним из Nb, Ti и Zr с образованием карбидов, карбонитридов и их смесей и улучшает при этом проводимость, такой эффект проявляется тогда, когда содержание С равно 0,001% или более, что является предельным уровнем декарбюризации в масштабах массового производства. По этой причине нижний предел для содержания С не устанавливают.

Si: 1,0% или менее

Кремний является элементом, используемым для раскисления, но в избыточно большом количестве он ухудшает пластичность. По этой причине содержание Si ограничивают до 1,0% или менее, преимущественно до 0,5% или менее.

Mn: 1,0% или менее

Марганец связывается с S с образованием MnS и снижает стойкость к коррозии. По этой причине содержание Mn ограничивают до 1,0% или менее, преимущественно до 0,8% или менее.

S: 0,01% или менее

Как уже отмечалось выше, S связывается с Mn, образуя MnS, и снижает стойкость к коррозии. По этой причине содержание S ограничивают до 1,0% или менее, преимущественно до 0,008% или менее.

Р: 0,05% или менее

Фосфор ухудшает пластичность и, следовательно, содержание Р должно быть как можно более низким. Пластичность в значительной степени не снижается до тех пор, пока содержание Р составляет 0,05% или менее. По этой причине содержание Р ограничивают до 0,05% или менее, преимущественно до 0,04% или менее.

Al: 0,20% или менее

Алюминий является элементом, используемым для раскисления, но при его содержании в чрезмерно большом количестве он ухудшает пластичность. По этой причине содержание Al ограничивают до 0,20% или менее, преимущественно до 0,15% или менее.

N: 0,02% или менее

Азот связывается в стали с Cr и снижает стойкость к коррозии, по причине чего предпочтительно, чтобы содержание N было как можно более низким. Стойкость к коррозии в значительной степени не снижается до тех пор, пока содержание N составляет 0,02% или менее. По этой причине содержание N ограничивают до 0,02% или менее, преимущественно до 0,015% или менее. Хотя азот связывается, как это описано ниже, по крайней мере с одним из Nb, Ti и Zr с образованием нитридов, карбонитридов или их смесей и улучшает проводимость, этот эффект проявляется до тех пор, пока содержание N равно 0,002% или более, что является предельным уровнем денитрификации в масштабах массового производства. По этой причине низший предел для содержания N не установлен.

Cr: от 20 до 40%

Хром является существенным элементом для поддержания стойкости к коррозии нержавеющей стали, при этом значительной стойкости к коррозии не достигают при содержании Cr менее 20%. Однако если содержание Cr превосходит 40%, ухудшается пластичность. По этой причине содержание Cr ограничивают диапазоном от 20 до 40%, преимущественно от 24 до 35%.

Мо: 4,0% или менее

Молибден является элементом, пригодным для улучшения стойкости к коррозии, в частности стойкости к локальной коррозии. Для достижения этого эффекта предпочтительно добавлять 0,02% или более Мо. Однако если содержание Мо превышает 4,0%, пластичность уменьшается, содержание Мо ограничивают 4,0% или менее, преимущественно 2,0% или менее.

По крайней мере один элемент, выбранный из Nb, Ti и Zr, в сумме от 0,05 до 0,60%.

Все элементы Nb, Ti и Zr являются полезными элементами, которые улучшают проводимость в результате образования карбидов, нитридов, карбонитридов, их смесей и интерметаллических композитов. Однако, если их содержание ниже 0,05%, то указанный эффект полностью не проявляется. С другой стороны, если это содержание превышает 0,60%, ухудшается пластичность. Таким образом, содержание названных элементов, добавляемых как по отдельности, так и в сочетании, ограничивают пределами от 0,05 до 0,60%, преимущественно от 0,10 до 0,50%.

В настоящем изобретении может содержаться по 1% или менее каждого из Ni, Cu, V, W, Та и Со с целью повышения стойкости к коррозии и по 0,1% или менее каждого из Са, Mg, РЗМ (редкоземельные металлы) и В для улучшения пригодности к горячей обработке.

Элементами, отличными от тех, которые указаны выше, являются в балансе железо и неизбежные примеси. Из неизбежных примесей преимущественно содержится кислород (О) в количестве 0,02% или менее.

Хотя выше приведен состав компонентов настоящего изобретения не достаточно, чтобы состав удовлетворял лишь этим указанным пределам. Определяющими являются размер и плотность распределения выделений.

Тип выделений

Выделения включают в себя не только фазы Лавеса (А2В, где А обозначает Fe Cr Si и т.п., а В обозначает Nb, Мо, W и т.п.), но также и другие интерметаллические композиты, такие как сигма-фазы, хи-фазы и мю-фазы, карбиды, нитриды, карбонитриды и их смеси. На 100 µм2 присутствует по меньшей мере одно выделение, имеющее эквивалентный диаметр окружности 0,1 µм или более.

Регулирование плотности распределения выделений, имеющих определенный или больший размер, является способом, который лежит в основе настоящего изобретения при поддержании проводимости. Те из выделений, которые имеют эквивалентный диаметр окружности, меньший 0,1 µм, не способствуют улучшению проводимости и, соответственно, в качестве объекта контроля выбирают выделения, имеющие эквивалентный диаметр окружности 0,1 µм или более. Если количество выделений этого размера меньше одного на 100 µм2, проводимость является недостаточной. Поэтому эта величина составляет 1 или больше и предпочтительно 3 или больше на 100 µм.

- Отношение толщины t (µм) к максимальному диаметру Dmax (µм) выделений: 20нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832 t/Dmax

Регулировка максимального диаметра Dmax выделений относительно толщины t для того, чтобы избежать неблагоприятного действия на пластичность, является центральным моментом настоящего изобретения. Если t/Dmax меньше 20, пустоты, создаваемые разницей в поведении пластической деформации между выделениями и родительской фазой, быстро приводят к поломке, тем самым значительно ухудшая пластичность. Соответственным образом, Dmax в настоящем изобретении ограничен до 20<t/Dmax, преимущественно до 25нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832 t/Dmax.

Далее приведено описание способа производства нержавеющей стали настоящего изобретения.

Способ производства вплоть до производства холоднокатаных листов нержавеющей стали в какой бы то ни было степени не ограничен и может быть использован любой известный способ для ферритной нержавеющей стали. Предпочтительные производственные условия являются следующими.

Сляб, имеющий состав, доведенный до описанных выше предпочтительных пределов, нагревают до температуры 1150°С или выше, подвергают горячей прокатке, отжигу при температуре от 1000 до 1100°С и затем холодной прокатке.

В результате образуется лист нержавеющей стали толщиной 200 µм или менее.

В настоящем изобретении толщина нержавеющей стали ограничена 200 µм или менее по следующим причинам. При толщине сверх 200 µм поломка, обусловленная разницей в поведении пластической деформации между выделениями и родительской фазой, происходит с затруднением. Толщина преимущественно составляет 200 µм или меньше, поскольку, когда лист используется в качестве части топливного элемента, достигают уменьшения веса и размера.

После этого холоднокатаный лист отжигается при температуре от 950 до 1100°С и затем охлаждается. В настоящем изобретении регулирование скорости охлаждения до по меньшей мере 500°С в диапазоне -17,27×ln(t)+92нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832 Rнержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832 70 является обязательным для регулирования отношения t/Dmax и выделений, имеющих особый или больший размер.

Исходная точка для расчета скорости охлаждения равна 950°С. Причина этого в том, что согласно интервалам композиции настоящего изобретения диапазон температур, в котором количество выделений значительно возрастает, лежит ниже 950°С. Если скорость охлаждения R низка, происходит не только увеличение t/Dmax, но происходит также уменьшение плотности распределения выделений, имеющих определенный или больший размер. Иными словами, если толщина t становится большей, возрастает также и верхний предел t/Dmax, который снижает нижний предел для R. Обратное будет иметь место при уменьшении t.

На фиг.2 показаны результаты изучения влияния скорости охлаждения на пластичность листа нержавеющей стали при разной толщине t (µм).

График показывает, что хорошая пластичность может быть достигнута в том случае, когда скорость охлаждения R равна (-17,27×ln(t)+92)°С/сек или выше. Если R превышает 70°С/с, необходимая для поддержания пластичности плотность распределения выделений получена быть не может.

Соответственно, в настоящем изобретении скорость охлаждения по меньшей мере до 500°С ограничена до -17,27×ln(t)+92нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832 Rнержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832 70 в зависимости от ее толщины t (µм).

Состояние выделений определяет лишь R, поскольку в интервалах композиции настоящего изобретения, в то время как температурный диапазон, в котором значительно увеличивается количество выделений составляет ниже 950°С, предпочтительный диапазон температур отжига составляет от 950°С и выше, и, таким образом, большая часть выделений появляется в процессе охлаждения.

Кроме того, в настоящем изобретении контактное сопротивление преимущественно снижается при проведении электролитической обработки, погружения в кислоту и т.п. после указанной выше операции охлаждения. Электролитическая обработка, обработка погружением в кислоту и т.п. могут проводиться до, после или в средней части операции обработки.

Пример 1

Сталь, имеющую химический состав, показанный в таблице 1, выплавляют в вакуумной плавильной печи и формуют в стальные слитки. Стальные слитки нагревают до 1150°С или выше и подвергают горячей прокатке с образованием горячекатаных листов толщиной 5 мм. Горячекатаные листы отжигают при 1000-1100°С и протравливают, удаляя окалину. После этого проводят последовательно холодную прокатку, отжиг и травление, получая холоднокатаные отожженные листы толщиной от 50 до 100 µм. Полученные холоднокатаные листы выдерживают 1 мин при температуре от 1000 до 1050°С и охлаждают со скоростью 5°С/с, 20°С/с, 50°С/с или 100°С/с до 500°С. Некоторые из холоднокатаных отожженных листов были для сравнения подвергнуты операции старения в течение 10 час при 800°С, как в патентном документе JP 2007-254794.

Чтобы обнажить поверхности выделений, полученные холоднокатаные отожженные листы очищают от окалины в водном растворе сульфата натрия (1,4 моль/л) при 80°С, используя анодный электролиз при 6 А/дм 2 в течение 60 с, и подвергают затем анодному электролизу при 5 А/дм2 в течение 60 с в 5 мас. %-ной серной кислоте при 80°С. Результаты изучения t/Dmax, плотности распределения выделений, имеющих эквивалентный диаметр окружности 0,1 µм или больше, и полученные таким образом контактное сопротивление и полное удлинение листов нержавеющей стали приведены в таблицах 2-1 и 2-2.

Ниже описаны методы для измерения t/Dmax, плотности распределения выделений, имеющих эквивалентный диаметр окружности 0,1 µм или больше, контактного сопротивления и полного удлинения:

- t/Dmax и плотности распределения выделений, имеющих эквивалентный диаметр окружности 0,1 µм или больше

Поверхность нержавеющей стали визуально изучают с помощью сканирующего электронного микроскопа и произвольно собирают с каждого образца двадцать видов х20000-фотографий. На каждом изображении измеряют сфотографированный эквивалентный диаметр окружности каждого зерна выделений (интерметаллических композитов, карбидов, нитридов, карбонитридов и их смесей) и подсчитывают число зерен, имеющих эквивалентный диаметр окружности, равный 0,1 µм или больше на 100 µм. Эквивалентный диаметр окружности наибольшего из выделений определяют как Dmax. Оксиды типа продуктов раскисления не включаются в выделения. Идентификацию выделений проводят с использованием энергодисперсионного рентгеновского спектроскопа, служащего вспомогательным устройством в сканирующем электронном микроскопе.

- Контактное сопротивление.

От каждого образца берут по два листа нержавеющей стали (50 мм×50 мм), получаемых в одних и тех же условиях, и в чередующемся порядке укладывают один на другой между тремя листами копировальной бумаги (50 мм×50 мм TGP·H·120 производитель Torray Industries, Inc.). Полученный блок вводят в контакт с электродами, выполненными из позолоченных медных листов по обеим сторонам блока, и подают электрический ток под давлением 0,98 МПа (10 кгс/см2) для измерения разности потенциалов между листами из нержавеющей стали и проведения на основании этого измерения расчета электросопротивления. Для определения контактного сопротивления полученное выше значение умножают на площадь поверхности контакта и делят на число контактных поверхностей (=2). Образцы с контактным сопротивлением 20 мнержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832 ·см2 или ниже оцениваются как хорошие, а образцы с контактным сопротивлением, превышающим 20 мнержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832 - см2, оцениваются как брак. Хотя контактное сопротивление может быть улучшено повышением давления во время измерения, давление было установлено на 0,98 МПа, равным давлению реальной окружающей среды.

- Полное удлинение

От каждого образца листов нержавеющей стали взяты по два образца типа JIS 13В, оговоренных в JIS Z 2201 (направление растяжения совпадало с направлением прокатки) и проведено испытание на растяжение при скорости деформации 10 мм/мин. Определено среднее значение полного удлинения для двух образцов. Образцы со средним полным удлинением равным 20% или более оцениваются как хорошие, а образцы с менее чем 20% как брак.

Таблицы 2-1, 2-2 и 2-3 показывают, что в примерах, которые имеют состав, удовлетворяющий требованиям настоящего изобретения в отношении распределения плотности и размера выделений, достигнуты как высокая проводимость, так и хорошая пластичность.

Применимость в промышленности

Согласно настоящему изобретению может быть получена обладающая хорошими проводимостью и пластичностью нержавеющая сталь для применения в топливных элементах, в которые могут быть установлены недорогие сепараторы из нержавеющей стали вместо используемых в настоящее время дорогостоящих углеродных или позолоченных сепараторов. Благодаря этому распространение топливных элементов может быть ускорено.

Таблица 1
Тип сталиХимические компоненты (мас. %)Ссылка
СSi MnРS AlNCr МоNbTi Zr
А0,002 0,340,19 0,0250,0040,11 0,01125,2 1,810,48- -Предпочтительная сталь
В 0,0040,240,16 0,0260,002 0,110,00630,2 1,970,17 --Предпочтительная сталь
С 0,0030,220,17 0,0220,003 0,100,00929,4 1,52- 0,13-Предпочтительная сталь
D 0,0040,150,23 0,0220,004 0,080,00730,0 1,89- -0,18Предпочтительная сталь
Е 0,0070,270,21 0,0230,003 0,090,01030,2 -0,32 --Предпочтительная сталь
F 0,0040,220,18 0,0220,004 0,090,00925,6 1,280,28 0,11-Предпочтительная сталь
G 0,0040,210,20 0,0240,005 0,090,00730,8 1,18- 0,150,13Предпочтительная сталь
Н 0,0040,180,19 0,0230,004 0,080,00930,1 1,580,02 --Предпочтительная сталь
I 0,0040,200,22 0,0280,003 0,100,01025,1 1,23- 0,03-Сравнительная сталь
J 0,0031,120,20 0,0240,003 0,090,01029,8 1,520,15 --Сравнительная сталь
К 0,0040,220,21 0,0530,003 0,090,00829,4 1,830,22 --Сравнительная сталь
L 0,0030,240,18 0,0260,004 0,310,00930,1 1,780,19 --Сравнительная сталь
М 0,0030,230,22 0,0250,004 0,110,00940,7 1,780,16 --Сравнительная сталь
N 0,0040,250,15 0,0240,005 0,090,00830,3 4,080,17 --Сравнительная сталь
0 0,0040,230,19 0,0250,004 0,080,00925,5 1,530,68 --Сравнительная сталь
Р 0,0030,210,18 0,0220,004 0,090,00825,1 1,29- 0,61-Сравнительная сталь
Q 0,0040,190,20 0,0230,005 0,090,00830,6 1,84- -0,62Сравнительная сталь

нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832

нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832

нержавеющая сталь, обладающая хорошими проводимостью и пластичностью,   для применения в топливном элементе, и способ ее производства, патент № 2518832

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2518832

patent-2518832.pdf

Класс C22C38/28 с титаном или цирконием

нержавеющая сталь с хорошей коррозионной стойкостью для топливного элемента и способ ее получения -  патент 2528520 (20.09.2014)
способ производства проката из низколегированной стали для изготовления элементов конструкций нефтегазопроводов -  патент 2500820 (10.12.2013)
ферритная нержавеющая сталь, характеризующаяся высокой жаростойкостью -  патент 2458175 (10.08.2012)
способ производства листов из низколегированной трубной стали класса прочности х60 -  патент 2458156 (10.08.2012)
сталь -  патент 2445395 (20.03.2012)
штамповая сталь -  патент 2445394 (20.03.2012)
ферритная нержавеющая сталь с превосходной жаростойкостью и вязкостью -  патент 2443796 (27.02.2012)
коррозионно-стойкая сталь для насосно-компрессорных и обсадных труб и нефтегазодобывающего оборудования -  патент 2437955 (27.12.2011)
коррозионно-стойкая сталь для нефтегазодобывающего оборудования -  патент 2437954 (27.12.2011)
термостойкая ферритная нержавеющая сталь -  патент 2429306 (20.09.2011)

Класс C22C38/26 с ниобием или танталом

Класс C21D9/46 листового металла 

способ получения листа из неориентированной электротехнической стали -  патент 2529258 (27.09.2014)
способ изготовления высокопрочного холоднокатаного стального листа с превосходной обрабатываемостью -  патент 2528579 (20.09.2014)
холоднокатаный стальной лист, обладающий превосходной сгибаемостью и способ его производства -  патент 2524021 (27.07.2014)
способ термомеханической обработки -  патент 2519343 (10.06.2014)
горячекатаный стальной лист и способ его изготовления -  патент 2518830 (10.06.2014)
способ производства холоднокатаной ленты из низкоуглеродистой стали для вырубки монетной заготовки -  патент 2516358 (20.05.2014)
способ производства текстурованного трасформаторного листа из тонкого сляба -  патент 2515978 (20.05.2014)
холоднокатаный стальной лист, обладающий превосходной формуемостью, и способ его производства -  патент 2511000 (10.04.2014)
электротехническая листовая сталь с ориентированными зернами и способ ее производства -  патент 2509814 (20.03.2014)
высокопрочный холоднокатаный стальной лист с превосходной формуемостью и способ его изготовления -  патент 2507274 (20.02.2014)

Класс H01M8/02 конструктивные элементы

полимерный протонпроводящий композиционный материал -  патент 2529187 (27.09.2014)
способ получения твердооксидного топливного элемента с двухслойным несущим катодом -  патент 2523693 (20.07.2014)
металлическая сепараторная пластина для топливного элемента, имеющая покровную пленку на поверхности, и способ изготовления такой пластины -  патент 2521077 (27.06.2014)
способ и устройство для изготовления сепаратора для полимерэлектролитного топливного элемента. -  патент 2516342 (20.05.2014)
биполярная пластина топливного элемента круглой формы -  патент 2516245 (20.05.2014)
интерконнектор для топливных элементов и способ производства интерконнектора для топливных элементов -  патент 2507643 (20.02.2014)
способ изготовления электрохимического преобразователя энергии и электрохимический преобразователь энергии -  патент 2502158 (20.12.2013)
устройство для использования в батарее топливных элементов, способ его изготовления и батарея топливных элементов -  патент 2485636 (20.06.2013)
материал для углеродного электрода -  патент 2482575 (20.05.2013)
материал для углеродного электрода -  патент 2482574 (20.05.2013)
Наверх