PL224024B1 - Sposób wytwarzania spiekanych kompozytów, zwłaszcza na okładki ogniw paliwowych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania spiekanych kompozytów, zwłaszcza na okładki ogniw paliwowych, mający zastosowanie w konstrukcji niskotemperaturowych ogniw paliwowych.

Znany jest, do tego celu, z amerykańskiego opisu patentowego nr US2004005502 komponent przewodzący i sposób wytwarzania komponentów przewodzących dla ogniw elektrochemicznych, zwłaszcza na bipolarne okładki w ogniwie paliwowym. Przewodzące komponenty uzyskane tym sposobem składają się z części metalicznej domieszkowanej powłokami diamentu lub powłokami diamentowo-węglowymi. Składniki, z których wykonane są powłoki są tanie, posiadają wysoką odporność na korozję i wysokie przewodnictwo w środowisku pracy ogniwa paliwowego. Sposób wytwarzania komponentu przewodzącego, zawierającego część metalową domieszkowaną powłoką diamentową i/lub powłokami diamentowo-węglowymi, charakteryzuje się tym, że powłokę wytwarza się w co najmniej jednym procesie CVD lub PVD.

Znany jest także z amerykańskiego opisu patentowego nr US5758253 sposób wytwarzania spieku tytanowo-grafitowego o podwyższonej odporności na zużycie i niskim współczynniku tarcia. Sposób wytwarzania kompozytów tytanu i grafitu zapewnia strukturę trójfazową o kontrolowanej porowatości, oraz obecności warstwy smarującej w postaci grafitu. Sposób wytwarzania obejmuje przygotowanie mieszaniny tytanu i grafitu, w której procent zawartości proszku grafitowego może zmieniać się od 4 do 8%, i spiekaniu w temperaturze od około 800°C do 1600°C przy czasie określonym do 2 godzin, oraz pod ciśnieniem zagęszczania od 0,17 do 0,62 MPa. Kompozyty uzyskane tym sposobem mają zastosowanie w inżynierii biomedycznej oraz innych dziedzinach inżynierii w związku z ich biozgodnością, wytrzymałością i podwyższoną odpornością na ścieranie.

Znany jest również z polskiego opisu patentowego nr 184 175 sposób wytwarzania spiekanych kompozytów polegający na tym, że miesza się proszek stali szybkotnącej z proszkiem miedzi fosforowej w ilości 3-50% wagowych i uziarnieniu do 63 μm, a następnie po wymieszaniu składników mieszankę poddaje się prasowaniu i spiekaniu w atmosferze ochronnej znanymi metodami metalurgii proszków. Z kolei alternatywny sposób otrzymywania spiekanych kompozytów polega na tym, że proszek stali szybkotnącej miesza się z proszkiem węglików metali w ilości 5-30% wagowych oraz z proszkiem miedzi fosforowej w ilości 3-50% wagowych. Sposób wytwarzania spiekanych kompozytów pozwala na otrzymanie kształtek o gotowych wymiarach i kształcie, odznaczających się dużą odpornością na ścieranie oraz o kontrolowanej porowatości.

Celem wynalazku było opracowanie sposobu wytwarzania spiekanych, hydrofobowych kompozytów o gotowym kształcie i niewymagających dalszej obróbki, które posiadałyby niską gęstość i rozszerzalność cieplną oraz wysoką wytrzymałość mechaniczną.

Sposób według wynalazku polega na tym, że proszek grafitowy o rozdrobnieniu od 35 μm do 150 μm i proszek stalowy o rozdrobnieniu od 35 μm do 150 μm miesza się do ujednorodnienia we wzajemnych proporcjach wagowych od 20% do 80%, a uzyskaną jednorodną mieszaninę umieszcza się w matrycy i prasuje jednoosiowo przy ciśnieniu na jej powierzchnię od 200 MPa do 700 MPa, a następnie podgrzewa w piecu w temperaturze od 900°C do 1300°C w czasie od 0,5 godziny do 2 godzin, po czym chłodzi z szybkością od 0,5°C/min do 5°C/min.

Dzięki zastosowanemu sposobowi możliwe jest uzyskanie spiekanych kompozytów na okładki ogniwa paliwowego, które charakteryzują się niską gęstością, pożądaną porowatością, wykazują lepsze właściwości mechaniczne w porównaniu do grafitu stosowanego jako materiał w komercyjnych ogniwach paliwowych, posiadają wysoką odporność na korozję i wykazują właściwości hydrofobowe. Spiekane kompozyty wytworzone sposobem według wynalazku wykazują niską rezystancję międzypowierzchniową, co umożliwia znaczne podwyższenie sprawności niskotemperaturowego ogniwa paliwowego oraz wydłużenie jego żywotności.

P r z y k ł a d 1

Do wytworzenia spieku kompozytowego, przeznaczonego do budowy okładek niskotemperaturowego ogniwa paliwowego, wykorzystano proszek grafitowy o minimalnym rozdrobnieniu 35 μm oraz proszek stali austenitycznej o maksymalnym rozdrobnieniu 150 μm. Oba proszki zostały ze sobą zmieszane w ilości: 20% proszku grafitowego i 80% proszku stalowego. Uzyskaną jednorodną mieszaninę o wadze 10 g umieszczono następnie w matrycy i jednoosiowo sprasowano stemplem o sile nacisku na powierzchnię równej ciśnieniu 200 MPa. Poprzez prasowanie mieszanina uległa przekształceniu w wypraskę o żądanym kształcie okładki niskotemperaturowego ogniwa paliwowego.

PL 224 024 B1

Następnie wypraskę umieszono w piecu próżniowym i poddawano spiekaniu. Wypraska była spiekana w temperaturze 900°C w czasie 0,5 godziny, po czym chłodzona z szybkością 0,5°C/min.

Uzyskany spiek kompozytowy charakteryzował się następującymi parametrami użytkowymi:

- gęstość: 6,93 ± 0,34 g cm^-3,

- średnia średnica ziarna: 0,048 mm,

- porowatość otwarta: 14,43%,

- kąt zwilżania: 83 ± 0,23°,

- parametry geometrii: Ra: 7,12 μm, Rz: 76,5 μm,

- opór kontaktu międzypowierzchniowego przy nacisku 140 N cm^-2 (parametr obligatoryjny wg ₂

Ministerstwa Energii w USA): 75 mQ cm ,

- szybkość korozji: w atmosferze O₂ przy potencjale 0,6 V wzgl. NEK: 0,128 A cm^- , w atmosferze H₂ przy potencjale -0,1 V wzgl. NEK: 0,004 A cm^- .

P r z y k ł a d 2

Do wytworzenia spieku kompozytowego, przeznaczonego do budowy okładek niskotemperaturowego ogniwa paliwowego, wykorzystano proszek grafitowy o maksymalnym rozdrobnieniu 150 μm oraz proszek stali austenitycznej o minimalnym rozdrobnieniu 35 μm. Oba proszki zostały ze sobą zmieszane w ilości: 80% proszku grafitowego i 20% proszku stalowego. Uzyskaną jednorodną mieszaninę o wadze 10 g umieszczono następnie w matrycy i jednoosiowo sprasowano stemplem o sile nacisku na powierzchnię równej ciśnieniu 600 MPa. Poprzez prasowanie mieszanina uległa przekształceniu w wypraskę o żądanym kształcie okładki niskotemperaturowego ogniwa paliwowego. Następnie wypraskę umieszczono w piecu próżniowym i poddawano spiekaniu. Wypraska była spiekana w temperaturze 1300°C w czasie 2 godzin, po czym chłodzona z szybkością 5°C/min.

Uzyskany spiek kompozytowy charakteryzował się następującymi parametrami użytkowymi:

- gęstość: 2,35 ± 0,11 g cm^-3,

- średnia średnica ziarrna: 0,055 mm,

- porowatość otwarta: 11,09%,

- kąt zwilżania: 97 ± 0,32°,

- parametry geometrii: Ra: 6,04 μm, Rz: 65,4 μm,

- opór kontaktu międzypowierzchniowego przy nacisku 140 N cm^-2 (parametr obligatoryjny wg ₂

Ministerstwa Energii w USA): 70 mQ cm ,

- szybkość korozji: w atmosferze O₂ przy potencjale 0,6 V wzgl. NEK: 0,017 A cm^- , w atmosferze H₂ przy potencjale -0,1 V wzgl. NEK: 0,002 A cm^- .

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób wytwarzania spiekanych kompozytów, zwłaszcza na okładki ogniw paliwowych, polegający na przygotowaniu mieszaniny, uformowaniu z niej wyrobu, a następnie prasowaniu i spiekaniu, znamienny tym, że proszek grafitowy o rozdrobnieniu od 35 μm do 150 μm i proszek stalowy o rozdrobnieniu od 35 μm do 150 μm miesza się do ujednorodnienia we wzajemnych proporcjach wagowych od 20% do 80%, a uzyskaną jednorodną mieszaninę umieszcza się w matrycy i prasuje jednoosiowo przy ciśnieniu na jej powierzchnię od 200 MPa do 700 MPa, a następnie podgrzewa w piecu w temperaturze od 900°C do 1300°C w czasie od 0,5 godziny do 2 godzin, po czym chłodzi z szybkością od 0,5°C/min do 5°C/min.