一种耐腐蚀钛合金双极板及其制备方法与流程

一种耐腐蚀钛合金双极板及其制备方法与流程

燃料电池是未来能源领域的重要发展方向，而双极板作为燃料电池的关键组件，其性能直接影响燃料电池的效率和寿命。本文介绍了一种新型耐腐蚀钛合金双极板及其制备方法，通过优化材料成分和制备工艺，显著提升了双极板在高腐蚀性环境中的耐蚀性能，为燃料电池技术的发展提供了新的解决方案。

背景技术

双极板又称集流板，是燃料电池中至关重要的组件之一。其主要功能包括提供气体流道、防止电池气室内氢气与氧气的混合，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路。根据材料种类，双极板主要分为石墨双极板、复合材料双极板和金属材料双极板，这几类双极板各有优势和不足。

石墨双极板具有优异的耐腐蚀性和导电性，但高昂的加工成本限制了其在市场上的广泛应用。复合材料双极板在成本上具有显著优势，并且在耐腐蚀性方面表现良好，但当前复合材料双极板的导电性仍然较低，尚未完全达到双极板的性能要求。金属材料双极板在确保良好导电性的同时，显著增强了耐腐蚀性能，从而显著延长了燃料电池系统的使用寿命。此外金属材料的制备工艺已相当成熟，可通过冲压、压铸和激光成形等工艺加工出高精度的复杂流场结构，便于实现大规模生产，金属材料已成为制备质子交换膜燃料电池双极板的主要选择。

在现有技术中，常用的金属双极板的基体材料主要包括不锈钢、铝和钛合金。其中钛作为金属双极板的基材具有许多独特的优势。首先，钛的比强度是普通不锈钢的3.5倍，这意味着在确保双极板强度的同时，可以显著降低燃料电池的整体重量，从而提高燃料电池的比功率和效率。其次，钛与铝一样，其表面会形成一层致密的氧化膜，这层氧化膜具备良好的绝缘性能，大大提高了钛材料的耐腐蚀性，能够在燃料电池工作环境中保持稳定的性能。此外，在燃料电池的运行过程中，钛离子的析出对膜电极内的铂催化剂的污染影响较小，有助于延长燃料电池的使用寿命和保持其高效的电化学性能。随着钛材料及其加工工艺的不断改进和优化，预期其在燃料电池领域的应用将进一步扩大，为推动燃料电池技术的商业化和普及发挥关键作用。

然而，使用现有技术常用的钛合金制得的双极板在含氟离子的硫酸溶液环境下，耐蚀性能尚不能满足燃料电池长寿命运行的要求。尽管钛合金在多个领域表现出优异性能，但其在燃料电池中的应用仍面临挑战，尤其是在高腐蚀性环境中的耐蚀性不足，无法确保燃料电池在苛刻条件下的稳定运行和长寿命。

技术实现思路

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种耐腐蚀钛合金双极板及其制备方法。

第一方面，本发明提供一种耐腐蚀钛合金双极板，包括铌、锆和钽元素；所述耐腐蚀钛合金双极板按质量含量计，其中铌为1418%、锆为812%、钽为3~7%，余量为钛元素和不可避免的杂质。

进一步优选，其中铌为16%、锆为10%、钽为3~7%，余量为钛元素和不可避免的杂质。

优选地，所述耐腐蚀钛合金双极板的金相包括主相和第二相；主相为细小的等轴β相；第二相为细小的次生针状α相。

第二方面，本发明提供一种耐腐蚀钛合金双极板的制备方法，包括如下步骤：

1. 将合金原料熔铸后得到铸态合金坯；
2. 将铸态合金进行高温开坯处理，随后进行热轧、退火、冷轧处理，制得致密化钛合金薄板；其中，冷轧工艺包括多个轧程，每个轧程结束都均退火处理；
3. 将致密化钛合金薄板进行热处理，得到耐腐蚀钛合金双极板；

其中，合金原料中含钛原料为OA级海绵钛；其他元素原料为高纯铌、高纯锆和高纯钽；合金原料中以质量含量计，铌为1418%、锆为812%、钽为3~7%，余量为钛和不可避免的杂质。

优选地，熔炼时，使用真空自耗电极电弧熔炼炉反复熔炼合金原料24次。熔炼温度为18001900℃。

优选地，开胚前，先将钛合金坯料加热保温，然后进行热锻开坯或热轧开坯。钛合金坯料开胚610次。每次开胚后均需再次加热坯料并保温。开胚前，加热温度为9501060℃，保温时间为3~5h。

优选地，将完成开胚后的板材加热保温一段时间后依次热轧、退火、空冷、冷轧。开胚后的板材加热温度为800850℃，保温时间为6080min。

优选地，热轧包括多个道次，热轧的每个道次的变形量控制在3050%；当板材的厚度为3.05.0mm结束热轧。热轧后的退火温度为750800℃，退火时间为6080min。

优选地，冷轧包括410个轧程；每个轧程总变形量为4060%。按照轧程顺序每个轧程总变形量逐渐递减510％。冷轧的每个轧程结束后板材均在高温真空或高温惰性气体的条件下退火，然后空冷或采用惰性气体气冷。高温真空退火时，真空度≤10Pa；退火温度为600650℃；退火时间为40~60min。

优选地，制得致密化钛合金薄板的厚度为1mm。

优选地，热处理时，先将板材进行固溶处理，然后将板材水淬降至室温，再进行人工时效处理，然后将板材油冷至室温。固溶处理时，温度为800850℃，升温速率为812℃/min，保温时间为120180min。人工时效处理时，温度为550650℃，保温时间为3~7h。

技术效果

本发明提供的一种或多种技术方案至少具备以下有益效果：

1. 该钛合金双极板在高腐蚀性环境中的耐蚀性良好，使燃料电池可在苛刻条件下的稳定运行，提高燃料电池的使用寿命。此外，还公开了上述耐腐蚀钛合金双极板的制备方法，将合金原料熔铸后经热轧、退火、冷轧、热处理，从而能够轧制出组织均匀、表面光滑、无缺陷、厚度为1mm的钛合金薄板材。

2. 本发明提出了一种钛合金板材的制备方法，冷轧工艺中每个轧程结束后均进行充分退火，使得合金的晶界上均匀析出第二相，制备出的致密化钛合金薄板具有细小的晶粒结构，从而改善钛合金的室温塑性及冷轧成形性能，从而能够轧制出组织均匀、表面光滑、无缺陷、厚度为1mm的钛合金薄板材。细小晶粒保证薄板材的塑性性能，使其满足燃料电池用钛合金双极板在后续冲压成形过程中对塑性的要求。并且均匀的金相结构可避免冷轧缺陷（微观裂纹和孔洞等缺陷），从而提升双极板的性能。

技术特征

1. 一种耐腐蚀钛合金双极板，其特征在于，包括铌、锆和钽元素；所述耐腐蚀钛合金双极板按质量含量计，其中铌为1418%、锆为812%、钽为3~7%，余量为钛和不可避免的杂质。

2. 如权利要求1所述的耐腐蚀钛合金双极板，其特征在于，所述耐腐蚀钛合金双极板的金相包括主相和第二相；主相为细小的等轴β相；第二相为细小的次生针状α相。

3. 一种耐腐蚀钛合金双极板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4. 如权利要求3所述的耐腐蚀钛合金双极板的制备方法，其特征在于，步骤1中，熔炼时，使用真空自耗电极电弧熔炼炉反复熔炼合金原料24次；熔炼温度为18001900℃；合金原料中含钛原料为OA级海绵钛；其他元素原料为高纯铌、高纯锆和高纯钽。

5. 如权利要求3所述的耐腐蚀钛合金双极板的制备方法，其特征在于，步骤2中，开胚前，先将钛合金坯料加热保温，然后进行热锻开坯或热轧开坯；钛合金坯料开胚610次；每次开胚后均需再次加热坯料并保温，加热温度为9501060℃，保温时间为3~5h。

6. 如权利要求3或5所述的耐腐蚀钛合金双极板的制备方法，其特征在于，步骤2中，将铸态合金加热至800850℃并保温6080min后进行热轧；热轧包括多个道次，热轧的每个道次的变形量控制在3050%；当板材的厚度为3.05.0mm结束热轧。

7. 如权利要求3或5所述的耐腐蚀钛合金双极板的制备方法，其特征在于，步骤2中，热轧后的退火温度为750800℃，退火时间为6080min。

8. 如权利要求3所述的耐腐蚀钛合金双极板的制备方法，其特征在于，步骤2中，冷轧包括410个轧程；每个轧程的总变形量为4060%；进一步优选，冷轧工艺中，按照轧程顺序每个轧程总变形量逐渐递减5~10％。

9. 如权利要求3或7所述的耐腐蚀钛合金双极板的制备方法，其特征在于，冷轧的每个轧程结束后板材均在高温真空或高温惰性气体的条件下退火，然后空冷或采用惰性气体气冷，退火温度为600650℃；退火时间为4060min。

10. 如权利要求3所述的耐腐蚀钛合金双极板的制备方法，其特征在于，步骤3中，热处理时，先将板材进行固溶处理，然后将板材水淬降至室温，再进行人工时效处理，然后将板材油冷至室温。

技术总结

本发明属于钛合金及燃料电池领域，公开了一种耐腐蚀钛合金双极板，包括铌、锆和钽元素；所述耐腐蚀钛合金双极板按质量含量计，其中铌为1418%、锆为812%、钽为3~7%，余量为钛元素和不可避免的杂质，该钛合金双极板在高腐蚀性环境中的耐蚀性良好，使燃料电池可在苛刻条件下的稳定运行，提高燃料电池的使用寿命。此外，还公开了上述耐腐蚀钛合金双极板的制备方法，将合金原料熔铸后经热轧、退火、冷轧、热处理，从而能够轧制出组织均匀、表面光滑、无缺陷、厚度为1mm的钛合金薄板材。

技术研发人员：刘玉敬,程义,赵子博,余红,黄细微
受保护的技术使用者：长沙海铱雷克氢能科技有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/10