Acero inoxidable para separadores de celda de combustible que tienen excelente conductividad eléctrica y ductilidad, y proceso para la producción del mismo.

Una lámina de acero inoxidable enrollada en frio para uso en un separador de celda de combustible,

la lámina de acero inoxidable consiste de, en términos de % en masa:

C: entre 0,001% o más y 0,01% o menos, Si: 1,0% o menos, Mn: 1,0% o menos, S: 0,01% o menos, P: 0,05% o menos, Al: 0,20% o menos, N: entre 0,002% o más y 0,02% o menos, Cr: 20 a 40%, Mo: opcionalmente entre 0,02% o más y 4,0% o menos, y al menos uno seleccionado de Nb, Ti, y Zr: 0,05 a 0,60% en total, opcionalmente 1% o menos de cada uno de Ni, Cu, V, W, Ta y Cu, opcionalmente 0,1% o menos de cada uno de Ca, Mg, metales de tierras raras y B, siendo el balance Fe y las impurezas inevitables, en donde al menos un precipitado que tenga un diámetro de circulo equivalente de 0,1 μm o más está presente por 100 μm2, una proporción de un grosor de t (μm) de lámina de acero inoxidable enrollada en frío al diámetro de circulo equivalente Dmax (μm) del precipitado más grande satisface la formula (1) de adelante.

≤ t/Dmax ...(1)

y el grosor es 200 μm o menos

en donde dichos precipitados se seleccionan de intermetálicos tales como fases Laves, fases sigma, fases chi, y fases mu, y también carburos, nitruros, carbonitruros y mezclas de los mismos.

Acero inoxidable para separadores de celda de combustible que tienen excelente conductividad eléctrica y ductilidad, y proceso para la producción del mismo.

Campo Técnico

La presente invención se relaciona con una lámina de acero inoxidable que tiene buena conductividad y ductilidad para uso en una celda de combustible.

Técnica Anterior

En años recientes, el desarrollo de las celdas de combustible que ofrecen una alta eficiencia de generación de energía y no emiten dióxido de carbono se han promovido desde el punto de vista que preservan el ambiente global. 1 Una celda de combustible es un dispositivo que genera energía al hacer que el hidrógeno y el oxígeno reaccionen el uno con el otro. Una estructura básica de una celda de combustible se asemeja a un emparedado y está constituido por una membrana de electrolito (es decir, una membrana de intercambio de ion), dos electrodos (es decir, un electrodo de combustible y un electrodo de aire), una capa de difusión para difundir el hidrógeno y el oxígeno (aire) y dos separadores. Las celdas de combustible de ácido fosfórico, las celdas de combustible de carbonato fundido, las 15 celdas de combustible de óxido sólido, las celdas de combustible alcalinas, las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, y similares han sido desarrolladas de acuerdo con el tipo de electrolito utilizado.

De estas celdas de combustible, las celdas de combustible de membrana de Intercambio de protones en particular tienen las siguientes ventajas sobre las celdas de combustible de carbonato fundido, las celdas de combustible de ácido fosfórico, y similares:

(a) la temperatura de operaciones significativamente baja, es decir, aproximadamente 8°C.

(b) es posible la reducción del peso y el tamaño del cuerpo principal de la celda de combustible.

(c) el tiempo tomado para el inicio es corto y la eficiencia del combustible y la densidad de salida son altas.

De acuerdo con esto, las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones son unas de las celdas de combustible con más potencial para suministros de energía a bordo para vehículos eléctricos y portátiles y sistemas 25 de energía dispersados compactos para uso en el hogar (generadores eléctricos compactos tipo estacionario).

La celda de combustible de membrana de intercambio de protones está basada en el principio de extraer energía del hidrógeno y el oxígeno a través de una membrana de polímero que tiene una estructura como se muestra en la Flg. 1, en la cual el montaje de membrana - electrodo 1 está en forma de emparedado por las capas de difusión de gas 2 y 3 tal como paños de carbono y los separadores 4 y 5 para formar un elemento constituyente único (también 3 conocido como una celda única). La fuerza electromotriz se genera entre los separadores 4 y 5.

El montaje de membrana-electrodo 1 también es conocido como MEA y se hace al integrar una membrana de polímero y un material de electrodo tal como negro de humo que soporta un catalizador de platino, el material del electrodo se suministra en las superficies frontal y trasera de la membrana de polímero. El grosor del montaje de membrana - electrodo 1 tiene varias decenas a varias centenas de micrómetros. Las capas de difusión de gas 2 y 3 35 están frecuentemente integradas con el montaje de electrodo membranal

Cuando las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones son aplicadas a los usos descritos anteriormente varias decenas a varias centenas de celdas únicas descritas anteriormente se conectan en serie para formar una pila de celda de combustible, y se utiliza la pila de celda de combustible.

Se requiere que los separadores 4 y 5 tengan las siguientes funciones:

(A) una función de un separador que separa entre las celdas únicas;

(B) una función de un conductor que lleva los electrones generados;

(C) una función de un canal para el oxígeno (aire) y el hidrógeno (canales de aire 6 y canales de hidrógeno 7 en la Fig. 1); y

(D) una función de un canal de descarga para descargar el agua y el gas generado (canales de aire 6 y canales de hidrógeno 7 también sirven como este canal de descarga).

Con el fin de utilizar una celda de combustible de membrana de intercambio de protones en la aplicación práctica, se deben utilizar los separadores que tienen buena durabilidad y conductividad.

La durabilidad esperada es de aproximadamente 5 horas para las celdas de combustible para vehículos eléctricos y de aproximadamente 4 horas para los generadores eléctricos tipo estacionarios utilizados como sistemas de energía dispersados compactos para el uso en el hogar y similares.

Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones que han sido puestas en práctica utilizan materiales de carbono como separadores. Sin embargo, ya que estos separadores son susceptibles de fracturarse al impacto, no solo es difícil la reducción en tamaño sino que también es alto el costo del proceso para formar los canales. En particular, el problema del costo ha sido el mayor impedimento para propagar las celdas de combustible.

En respuesta, se han hecho intentos de utilizar material metálico, en particular, acero inoxidable, en lugar de materiales de carbono como los materiales para separadores.

Como se discutió anteriormente los separadores tienen una función de un conductor que lleva los electrones generados y deben tener conductividad. Con respecto a la conductividad en los casos en donde se utiliza el acero inoxidable como separadores, la resistencia al contacto entre los separadores y las capas de difusión se vuelve dominante. Así, se ha buscado una técnica para reducir la resistencia al contacto.

Por ejemplo, el PTL 1 describe acero inoxidable que incluye 111 fases laves que tienen un diámetro de grano de ,3 pm o más en la superficie por metro cuadrado.

Lista de Citas

Literatura de Patentes

PTL 1: Publicación de la Solicitud de Patente Japonesa no examinada No. 27 -254794.

Resumen de la Invención Problema Técnico

Aunque la técnica descrita en el PTL 1 es efectiva para reducir la resistencia al contacto, ésta requiere un largo tratamiento de envejecimiento y la productividad ha sido baja. Más aún, los precipitados tal como aquellos descritos anteriormente se precipitaron mediante un largo tratamiento de envejecimiento los cuales son gruesos y su efecto en la ductilidad no ha sido abordado. Así mismo no se ha satisfecho la capacidad de procesamiento (o facilidad de trabajo) requerida por los separadores.

Un objeto de la presente invención es abordar el problema de la técnica relacionada descrita anteriormente y suministrar acero inoxidable que tenga una conductividad y ductilidad para uso en los separadores de celda de combustible. También se suministra un método de producción para el mismo.

Solución al Problema

Los inventores han estudiado de manera extensa los efectos de los precipitados sobre la conductividad y la ductilidad.

Como resultado, ellos han encontrado que se puede obtener una buena conductividad al permitirle a los precipitados de tamaño particular que contienen, no solo intermetálicos tales como las fases laves (A2B donde A representa Fe, Cr, Si, o similares y B representa Nb, Mo, W, o similares), las fases sigma, las fases chi, las fases mu, sino también carburos nitruros, carbonitruros, y una mezcla de los mismos a existir en una densidad de distribución particular.

Ellos también han encontrado que la ductilidad disminuye significativamente cuando la proporción del diámetro máximo del precipitado al grosor es un valor particular o mayor. Esto es contrario a la disminución convencional en ductilidad originada por el endurecimiento de la dispersión de grano y significa que, posiblemente, puede ocurrir una fractura debido a la diferencia en el comportamiento de la deformación plástica entre los precipitados y la fase padre cuando están presentes los precipitados gruesos que no contribuyen al endurecimiento y la proporción de los precipitados con respecto al grosor es grande.

Estos hallazgos indican que de acuerdo a una técnica para mantener la conductividad al utilizar los precipitados, es crucial para los separadores que se utilicen frecuentemente láminas de acero inoxidable delgadas que tengan intermetálicos, carburos, nitruros, carbonitruros y mezclas de los mismos precipitadas en una proporción que no disminuya la ductilidad.

La presente invención se ha hecho con base en estos hallazgos.

El resumen de la presente invención es como sigue:

(1) Una lámina de acero inoxidable enrollada en frió para uso en un separador de celda de combustible, la lámina de acero... [Seguir leyendo]

1. Una lámina de acero inoxidable enrollada en frío para uso en un separador de celda de combustible, la lámina de acero inoxidable consiste de, en términos de % en masa:

C: entre ,1% o más y ,1% o menos, Si: 1,% o menos, Mn: 1,% o menos, S: ,1% o menos, P: ,5% o 5 menos, Al: ,2% o menos, N: entre ,2% o más y ,2% o menos, Cr: 2 a 4%, Mo: opcionalmente entre ,2% o más y 4,% o menos, y al menos uno seleccionado de Nb, Ti, y Zr: ,5 a ,6% en total, opcionalmente 1% o menos de cada uno de Ni, Cu, V, W, Ta y Cu, opcionalmente ,1% o menos de cada uno de Ca, Mg, metales de tierras raras y B, siendo el balance Fe y las impurezas inevitables, en donde al menos un precipitado que tenga un diámetro de circulo equivalente de ,1 pm o más está presente por 1 pm2, una proporción de un grosor de t (pm) 1 de lámina de acero inoxidable enrollada en frío al diámetro de circulo equivalente Dmax (pm) del precipitado más grande satisface la formula (1) de adelante.

< t/Dmax...(1)

y el grosor es 2 pm o menos

en donde dichos precipitados se seleccionan de intermetálicos tales como fases Laves, fases sigma, fases chi, y 15 fases mu, y también carburos, nitruros, carbonltruros y mezclas de los mismos.

2. Método para producir una lámina de acero Inoxidable para uso en un separador de celda de combustible, el método comprende enrollar en frió y recocer en un rango de temperatura de 95 a 11°C seguido por enfriamiento de la lámina enrollada en frío de acero Inoxidable al controlar la tasa de enfriamiento R (°C/s) con relación a un grosor t (pm) de 95°C al menos por debajo de 5°C después de recocer de tal manera que la tasa de enfriamiento

R satisface la formula (2) de adelante, la lámina enrollada en frío de acero inoxidable que tiene un grosor de 2 pm o menos y que consiste de, en términos de % en masa, C: entre ,1% o más y ,1% o menos, Si: 1,% o menos, Mn: 1,% o menos, S: ,1% o menos, P: ,5% o menos, Al: ,2% o menos, N: entre ,2% o más y ,2% o menos, Cr: 2 a 4%, Mo: opcionalmente entre ,2% o más y 4,% o menos y al menos uno seleccionado de Nb, Ti, y Zr: ,5 a ,6% en total, opcionalmente 1% o menos de cada uno de Ni, Cu, V, W, Ta y Co, opcionalmente 25 ,1% o menos de cada uno de Ca, Mg, metales de tierras raras y B, siendo el balance Fe y las impurezas

Inevitables:

-17, 27 x ln(t) + 92 < R < 7...(2)