一种燃料电池双极板用钛带材的加工工艺研究

供稿|张少辉，母果路，杨永福，李长亮，卢金武

内容导读

钛应用于燃料电池双极板具有诸多优点。通过对双极板用钛带冷轧工艺的研究，以及不同热处理条件下的力学性能，特别是延伸率，杯突等数据的检测，进一步对其微观组织进行了验证分析，成功制备出一种满足要求的厚0.12 mm、宽240 mm 的TA1 带材，获得了一种较为成熟制备双极板用钛带材的生产工艺。

双极板又称集流板，是目前燃料电池的重要部件之一。其主要作用是提供气体流道，防止电池气室中的氢气与氧气串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路[1−2]。现流行的双极板材料主要有金属、石墨及复合材料3 种，其中金属双极板材料主要有不锈钢、铝、钛及钛合金几种，钛金属因其具有密度小、比强度高、耐蚀性强等优异特性具有很广的应用领域[3]。

目前已有研究表明：从重量、强度及涂层后的电阻率、耐蚀性等综合性能比较，相比不锈钢和铝，钛更适合作为燃料电池双极板的基体材料[4]。

实验材料与方法

实验采用普通TA1 冷轧钛带，规格：0.55 mm×260 mm，采用两轧程轧制。第一轧程在二十辊冷轧机上轧至0.25 mm 厚，轧后在氩气作为保护气氛的连续退火炉中，在680 °C 下以4 m/min 速度进行中间退火，退火后再进行第二轧程，轧至0.12 mm厚，切边后成品宽度为240 mm。然后取样，分别在700、725、750、780 °C 温度下，以4 m/min 进行热处理实验，并制备金相组织照片。实验所用钛带主要化学成分见表1。

表1 实验用钛带主要化学成分（质量分数） %

铁、氧元素在钛材中作为杂质元素，会产生晶格畸变，增高钛材强度，使钛材轧制抗力较大，因此极薄钛材的轧制选取低铁、低氧的母卷钛材生产。

轧制及道次变形量

工业纯钛的屈强比较高，在冷变形时有产生裂纹的倾向，弹性模量小，约为铁的一半，冷成形时回弹大，成形困难，因此轧制时应以遵循“多道次，小变形”的原则。同时由于钛的导热率低，相比不锈钢，在轧制冷却液浓度不变的情况下，应适当降低轧制速度，以免轧制温度过高而发生粘辊现象[5]，此外，降低轧制速度还有利于轧制过程中的板形控制。实验中两个轧程基本都采用了初始道次较大变形量，成品道次小变形的压下设计，具体见表2。

表2 两个轧程道次厚度及变形率

结果与分析

室温力学性能对比

钛在高温条件下性质比较活泼，特别容易氧化，因此，钛的退火一般是在真空或惰性气体保护气氛中进行。目前，钛带的连续退火普遍采用氩气作为保护气氛，本实验热处理均在氩气保护条件下，且炉内氧质量分数低于0.003%。表3 是不同热处理温度下钛带的力学性能数据。

表3 TA1 不同热处理温度的力学性能

从表3 可以看到：随着退火温度的升高，钛带的横、纵向抗拉和屈服强度总体呈下降趋势，而延伸率在750 °C 退火达到最好。杯突主要用来反映双极板用钛带的冲压性能，以上所测不同退火温度下的杯突值均满足客户技术要求。

钛带板形表面质量总体良好，厚度0.115~0.120 mm，满足GB/T3622—2012《钛及钛合金带、箔材》标准要求，低铁、低氧的化学成分有助于实现相对较低的强度与较高延伸率的匹配，符合双极板的冲压成型要求。

微观组织对比

图1是横向试样分别在700、725、750 和780 °C温度下以4 m/min 退火后的金相组织照片。

图1 不同热处理温度下试样横向金相组织：（a）700 °C；（b）725 °C；（c）750 °C；（d）780 °C

从金相照片可以看出：从700~750 °C 退火的微观组织主要是由等轴晶和拉长等轴晶组成，随着退火温度不断升高，晶粒尺寸逐渐增大，而且均含有孪晶。而780 °C 退火组织中晶粒急剧变大，同样含有孪晶，晶粒形状也变得极不规则，这主要是退火温度升高，晶粒迅速长大所致。

结束语

在双极板用钛带制备实验的基础上，对原料化学成分，轧制变形量，性能数据以及微观组织进行了归纳、分析，此类钛带原料化学成分应选用低铁、低氧类；成品轧制的最后几个道次变形量应不大于10%；氩气保护气氛下750 °C、4 m/min 连续退火可获得良好的综合性能和金相组织。本文的实验探索能够为双极板用钛带大批量生产提供一定的经验借鉴和现实指引。