(57)【要約】【解決手段】改善された二極式プレートのステンレス鋼合金は、約２０重量％から約３０重量％のクロミウムと、約１０重量％から約２５重量％のニッケルと、約１重量％から約９重量％のモリブデンと、約４重量％以内の銅と、を含み、前記クロミウムと、前記ニッケルと、前モリブデンとの総重量パーセンテージは、約５１重量％よりも大きい。前記クロミウムとモリブデンとの総重量パーセンテージは、前記ニッケルの重量パーセンテージの約１．６６倍よりも大きい。更には、クロミウム当量のニッケル当量に対する比率は、約１．６６よりも大きい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反応物及び第２の反応物から電流を発生するように構成された装置であって、
前記装置は、電気化学的触媒反応電池を備え、
前記電気化学的触媒反応電池は、少なくとも１つの二極式プレートを備え、
前記二極式プレートは、ステンレス鋼合金を含み、
前記ステンレス鋼合金は、約２０重量％から約３０重量％のクロミウムと、約１０重量％から約２５重量％のニッケルと、約１重量％から約９重量％のモリブデンと、約４重量％以内の銅と、を含み、
前記クロミウムと前記ニッケルと前モリブデンとの総重量パーセンテージは、約５１重量％よりも大きい、装置。
【請求項２】
前記ステンレス鋼合金は、約０．０２重量％以下である、硫黄と燐とを更に含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記クロミウムとモリブデンとの総重量パーセンテージは、前記ニッケルの重量パーセンテージの約１．６６倍よりも大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
クロミウム当量のニッケル当量に対する比率は、約１．６６よりも大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ステンレス鋼合金は、希釈硫酸及び希釈フッ化水素酸を含む溶液に対して腐食耐性を示す、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ステンレス鋼合金は、成形性を示す、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ステンレス鋼合金は、溶接性を示す、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ステンレス鋼合金は、希釈硫酸及び希釈フッ化水素酸を含む溶液に対する腐食耐性、シート成形性、及び、溶接性を示す、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記ステンレス鋼合金は、
約１．０重量％から約１．５重量％のシリコンと、
約１．０重量％から約２．０重量％のニオビウムと、
約０．０２重量％以下の炭素と、
約０．００１重量％以下の硫黄と、
約０．０１９重量％以下の燐と、
約０．０５重量％以下のチタニウムと、
約０．００１重量％以下の窒素と、
約２．００重量％以下のマンガンと、
残りの鉄及び付随的な不純物と、
を更に含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の反応物は、水素ガスを含み、前記第２の反応物は酸素を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置は、水素ガスを前記電気化学的触媒反応電池に提供するための燃料処理システムを更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記装置は、
車両ボディであって、前記電気化学的触媒反応電池は、前記車両ボディに動力を少なくとも部分的に提供する、前記車両ボディと、
前記電気化学的触媒反応電池に、水素ガスを含む前記第１の反応物を提供するための燃料処理システムと、
を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
約２０重量％から約３０重量％のクロミウムと、約１０重量％から約２５重量％のニッケルと、約３重量％から約９重量％のモリブデンと、から事実上構成され、前記クロミウムと前記ニッケルと前モリブデンとの総重量パーセンテージは、少なくとも約５１重量％を占める、ステンレス鋼合金であって、
前記ステンレス鋼合金は、
０から約４％の銅と、
約１．０重量％から約１．５重量％のシリコンと、
約１．０重量％から約２．０重量％のニオビウムと、
約０．０２重量％以下の炭素と、
約０．００１重量％以下の硫黄と、
約０．０１９重量％以下の燐と、
約０．０５重量％以下のチタニウムと、
約０．００１重量％以下の窒素と、
約２．００重量％以下のマンガンと、
残りの鉄及び付随的な不純物と、
を更に含んでいる、ステンレス鋼合金。
【請求項１４】
第１及び第２の反応物から電流を発生するように構成された装置であって、
前記装置は、電気化学的触媒反応電池を備え、
前記電気化学的触媒反応電池は、少なくとも１つの二極式プレートを備え、
前記二極式プレートは、ステンレス鋼合金を含み、
前記ステンレス鋼合金は、
約２０重量％から約３０重量％のクロミウムと、約１０重量％から約２５重量％のニッケルと、約３重量％から約９重量％のモリブデンと、から事実上構成され、前記クロミウムと前記ニッケルと前モリブデンとの総重量パーセンテージは、少なくとも約５１重量％を占め、
前記ステンレス鋼合金は、更に、
０から約４％の銅と、
約１．０重量％から約１．５重量％のシリコンと、
約１．０重量％から約２．０重量％のニオビウムと、
約０．０２重量％以下の炭素と、
約０．００１重量％以下の硫黄と、
約０．０１９重量％以下の燐と、
約０．０５重量％以下のチタニウムと、
約０．００１重量％以下の窒素と、
約２．００重量％以下のマンガンと、
残りの鉄及び付随的な不純物と、
を含み、
前記クロミウムとモリブデンとの総重量パーセンテージは、前記ニッケルの重量パーセンテージの約１．６６倍よりも大きく、
クロミウム当量のニッケル当量に対する比率は、約１．６６よりも大きく、
前記ステンレス鋼合金は、希釈硫酸及び希釈フッ化水素酸を含む溶液に対して腐食耐性を示す、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼合金に関する。より詳しくは、本発明は、良好な腐食耐性、低い接触抵抗、良好な成形性、及び、良好な溶接性を示すステンレス鋼合金に関する。更には、本発明は、そのような合金から作られた二極式プレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば燃料電池等の電気化学式触媒反応電池は、陽子交換膜を用いることができる。陽子交換膜は、非常に腐食性の環境で作動する。加えて、陽子交換膜材料は、鉄の汚染の存在で劣化を被り得る。この劣化は、燃料電池内でよりいっそう腐食性で酸性の環境を形成し得る。
【０００３】
二極式プレートは、燃料電池スタック内でしばしば燃料電池を分離すると共に電気接続する。この二極式プレートは、ステンレス鋼から作ることができる。しかし、多くのステンレス鋼合金は、燃料電池環境内で適切な腐食耐性を示さない。加えて、多くのステンレス鋼合金は、適切な成形性も溶接性も示さない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上の通り、腐食耐性、低い接触抵抗、成形性及び溶接性を示すステンレス鋼合金が当該技術分野で依然として必要とされている。更には、そのような合金から作られた二極式プレートのための技術が依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、改善された二極式プレートのステンレス鋼合金が提供される。本発明の一実施態様によれば、ステンレス鋼合金は、約２０重量％から約３０重量％のクロミウムと、約１０重量％から約２５重量％のニッケルと、約１重量％から約９重量％のモリブデンと、約４重量％以内の銅と、を含み、前記クロミウムと前記ニッケルと前モリブデンとの総重量パーセンテージは、約５１重量％よりも大きい。
【０００６】
本発明の別の実施態様によれば、前記クロミウムとモリブデンとの総重量パーセンテージは、前記ニッケルの重量パーセンテージの約１．６６倍よりも大きい。本発明の更に別の実施態様によれば、クロミウム当量のニッケル当量に対する比率は、約１．６６よりも大きい。
【０００７】
本発明の好ましい実施例の次の詳細な説明は、添付図面と関連して読まれるとき、最も良く理解することができる。これらの図面では、同様の構成要素は、同様の参照番号を用いて指し示されている。
【実施例】
【０００８】
図１を参照すると、電気化学式触媒反応電池を備える装置１０の一部が示されている。本装置１０は、複数の膜電極アッセンブリ１１を備え、各々の膜電極アッセンブリ１１は、陽子交換膜１２、アノード１３及びカソード１４を備える。二極式プレート１６は、膜電極アッセンブリ１１を互いから分離している。一般に、第１の反応物は、アノード１３へ供給され、第２の反応物はカソード１４に供給される。触媒反応は、アノード１３及びカソード１４で各々発生し、陽子及び電子が生成される。一般に、陽子は、陽子交換膜１２を通って拡散し、電子は、負荷にパワーを供給するため使用することができる電流を構成する。例えば、第１の反応物は、水素ガスであり、第２の反応物は酸素であってもよい。電気を生成する際に水素が利用される任意の燃料電池構成が、本発明では意図されている。
【０００９】
二極式プレート１６は、隣接する膜電極アッセンブリ１１のカソード１４から一つの膜電極アッセンブリ１１のアノード１３を分離する。二極式プレート１６は、電気化学触媒反応電池１０における電流コレクターとして機能すると共に、二極式プレート１６は、第１及び第２の反応物を所望の位置へ差し向けるための流れチャンネルを持つことができる。任意の適切な二極式プレートの設計を本発明で使用することができる。
【００１０】
二極式プレート１６は、ステンレス鋼合金から構成される。ステンレス鋼合金は、重量パーセントにして、約２０％乃至約６０％のクロミウム、約１０％から約２５％のニッケル、約３％から約９％のモリブデン、並びに、０から約４％の銅を含んでいる。加えて、クロミウムとニッケルとモリブデンの総重量パーセンテージは、約５１重量％よりも大きい。クロミウムとモリブデンとの総重量パーセンテージは、一般に、ニッケルの重量パーセンテージの約１．６６倍よりも大きい。
【００１１】
次の表は、本発明に係る合金組成（「目標重量％」参照）と、様々な従来のステンレス鋼合金組成（それらの市販名又は商標名を参照して称されている）との比較結果を与えている。なお、以下の表で与えられた合金組成は、単なる一例にしかすぎず、本発明により想到される合金の範囲の定義又は制限として読まれるべきではない。この点において、添付した請求の範囲で画定された本発明の範囲が参照されるべきである。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
本発明のステンレス鋼合金は、一般に、当該合金が希釈硫酸及び希釈フッ化水素酸を含む溶液に対して良好な腐食耐性を示すように処方される。例えば、本発明のステンレス鋼合金は、８０℃の温度で、かつ、−０．４ＶAG/AGCLにおいて１０−６Ａ／ｃｍ２より小さいｉcorrで、１２．５ｐｐｍのＨ２ＳＯ４と、１．８ｐｐｍのＨＦとを含む、ｐＨ３を有する溶液中で腐食耐性を持つように処方することができる。ｉcorrは、与えられた組の条件に対して腐食が発生し得る臨界電流を指していることが理解されよう。更なる例では、本発明のステンレス鋼合金は、８０℃の温度で、かつ、０．６ＶAG/AGCLにおいて１０−６Ａ／ｃｍ２より小さいｉcorrで、１２．５ｐｐｍのＨ２ＳＯ４と、１．８ｐｐｍのＨＦとを含む、ｐＨ３を有する溶液中で腐食耐性を持つように処方することができる。これらの合金は、８０℃で６０００時間の寿命で、約１０年の部品寿命を有する二極式プレート１６を提供するように処方することができる。
【００１４】
合金は、一般に、溶接性を示す。本発明を定義し、説明するという目的のため、「溶接性」は、例えば、レーザー溶接、プロジェクション溶接結合等による溶接の間に、溶接金属個化によるひび割れを示しそうもない材料を指すものとして理解される。本発明の合金は、一般に成形性を示す。本発明を定義し、説明するという目的のため、「成形性」は、例えば、パンチプレス機を介して、０．１ｍｍから約０．１５ｍｍ打ち抜き加工することにより、輪郭成形されたプレートへと成形することができる能力を示すステンレス鋼合金を指すものとして理解される。例えば、適切な合金は、約２７６Ｍｐａ（約４０，０００ｐｓｉ）に達する最大降伏強度、約６２１Ｍｐａ（約９０，０００ｐｓｉ）に達する最大応力強度、約５．１ｃｍ（２インチ）長さの物品に対して約５５％の最小パーセントの伸張度、０／４５／９０°において約０．３５の応力ひずみ硬化指数、約１３１０Ｍｐａ（約１９０，０００ｐｓｉ）の強度係数、及び、約−０．３以内のΔｒで０．９５の最小の平坦面異方性を持ち得る。
【００１５】
合金は、一般に、約０．０２重量％以下の硫黄及び燐を含んでいる。例えば、合金は、約０．００１％以下の硫黄と、約０．０１９％以下の燐と、を含んでいてもよい。低い燐及び硫黄の含有量は、合金の溶接性を改善する。合金は、一般に、約１．６６より大きい、ニッケル当量に対するクロミウム当量の比率を有する。合金のクロミウム当量は、クロミウム、モリブデン、ニオビウム、チタニウム、シリコン等のフェライト安定化元素を使用して計算することができる。例えば、クロミウム当量は、次の公式に従って計算することができる。
【００１６】
クロミウム当量＝％Ｃｒ＋（１．３７＊％Ｍｏ）＋（１．５＊％Ｓｉ）＋（２＊％Ｎｂ）＋（３＊％Ｔｉ）
合金のニッケル当量は、例えば、ニッケル、マンガン、銅、炭素、窒素等のオーステナイト安定化元素を使用して計算することができる。例えば、ニッケル当量は、次の公式に従って計算することができる。
【００１７】
ニッケル当量＝％Ｎｉ＋（０．３１＊％Ｍｎ）＋（２２＊％Ｃ）＋（１４．２＊％Ｎ）＋％Ｃｕ
約１．６６より大きい、ニッケル当量に対するクロミウム当量の比率は、合金の溶接性を改善すると考えられる。
【００１８】
本発明のステンレス鋼合金は、約１．０重量％から約１．５重量％のシリコン、約１．０重量％から約２．０重量％のニオビウム、約０．０２重量％以下の炭素、約０．０５重量％以下のチタニウム、約０．００１重量％以下の窒素、約２．００重量％以下のマンガンを更に含むことができる。合金の残余物は、鉄及び付随的な不純物を含んでいてもよい。本発明を定義し説明するという目的のため、「付随的な不純物」は、ステンレス鋼合金を製造するプロセスの間に発生することが知られている不純物に言及するものとして理解される。
【００１９】
図２を参照すると、燃料処理システム２１及び電気化学触媒反応電池１０を備える一例としての装置が示されている。燃料処理システム２１は、水素の源４８を電気化学触媒反応電池１０を提供する。例えば、燃料処理システム２１は、水素ガス４８が生成されるように炭化水素燃料の流れ２２を処理することができる。例えば、燃料処理システム２１は、自家熱反応器、水ガスシフト反応器、及び、最終段階のスクラバーと、を持つことができる。燃料処理システム２１からの水素４８及び酸化剤流れ３６からの酸素とは、電気化学触媒反応電池１０内で反応し、負荷３８をパワー供給するための電気を生成する。
【００２０】
図３を参照すると、本発明の装置は、車両ボディ７０と、電気化学的触媒反応電池１０とを更に備えることができる。電気化学的触媒反応電池１０は、車両ボディ７０に動力を少なくとも部分的に提供するように構成することができる。車両ボディ１００は、電気化学的触媒反応電池１０に水素を供給するため燃料処理システム２１を持つこともできる。電気化学的触媒反応電池１０及び燃料処理システム２１が概略的に示され、車両ボディ７０内で任意の適切な態様で使用され又は配置することができることが当業者によって理解されよう。
【００２１】
他の仕方で示されていない限り、本願明細書及び請求の範囲に使用されるような、成分の量、応力強度等の特性等を表す全ての数は、全ての例で用語「約」によって変更されるものとして理解されるべきである。従って、他の仕方で示されない限り、前述した明細書及び請求の範囲に記載された数値特性は、近似値であり、該近似値は、本発明の実施例で得られることが求められる所望の特性に依存して変わり得る。
【００２２】
様々な変更が、本発明の範囲から逸脱すること無くなし得ることが当業者には明らかであり、本発明の範囲は、明細書に記載されたものを限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、電気化学触媒反応電池を備える装置の一部の図である。
【図２】図２は、本発明に係る、燃料処理システム及び電気化学式触媒反応電池を有する装置の概略図である。
【図３】図３は、本発明に係る、燃料処理システム及び電気化学式触媒反応電池を有する車両の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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