用于燃料电池双极板的不锈钢成分优化

摘要

利用团簇式方法,通过对Fe-Cr-Ni合金进行成分精修,在保持合金良好耐蚀性的同时,提升不锈钢的导电性。首先,解析316L不锈钢的成分,获得其Fe-Cr-Ni基础成分的理想团簇式[Ni-Fe11Ni1]Cr3,进而,固定Cr3,将Ni含量(质量分数)从6.63%变到32.74%,得到符合团簇成分通式[Ni-Fe13-xNix-1]Cr3=Fe13-xNixCr3(x=1~5)的合金成分。利用真空电弧熔炼并铜模浇注成直径10 mm试棒,随后进行固溶及水淬处理。实验结果表明,在模拟双极板服役环境(0.5 mol/L H2SO4+2×10^(-6) HF)下,随着Ni含量提高,在酸钝化后,自腐蚀电流密度由14.39μA/cm^(2)降低至1.00μA/cm^(2),在电化学氮化后,由1.03μA/cm^(2)降低至0.29μA/cm^(2)。这些数据均优于参照合金316L不锈钢(分别为7.51和0.47μA/cm^(2)),甚至低于0.5μA/cm^(2)的目前产业目标。在0.064 MPa压力下接触电阻逐渐减小(酸钝化后,从1.16Ω·cm^(2)减至0.98Ω·cm^(2),电化学氮化后,从1.07Ω·cm^(2)减至1.03Ω·cm^(2)),优于316L不锈钢的1.1Ω·cm^(2).上述实验结果表明,Ni含量的持续添加能够提升合金作为双极板的使役性能,最佳的不锈钢成分配方为[Ni-Fe10Ni2]Cr3,可以作为替代316L的新型不锈钢。电化学氮化处理方法在提升合金耐蚀性的同时,保持了相当高的接触电阻,是较好的不锈钢双极板表面处理方法。