燃料电池堆的焊接技术

HEATS

　　“通过实现高生产力、高完整性和低操作成本的焊接，光纤激光器为燃料电池制造商提供了一种有吸引力的“绿色制造”技术。主流燃料电池制造商的研究结果表明，光纤激光器焊接将推动燃料电池技术从有前途的想法发展成解决世界能源短缺问题的商业方案，而且将在其中扮演至关重要的角色。”

5 I; c; K7 A7 _/ t

　　燃料电池(fuel cell)技术是目前最被看好的能源解决方案之一，它将极大地影响到能源短缺和全球性变暖等问题。燃料电池提供干净的能源，可用于环保汽车，还可广泛应用到太空、海洋、能源、化工、制造、医药和电子等多种产业。

+ h. J( b0 g2 b" t1 \/ _" }/ C

　　全世界都已经认识到这项技术的巨大潜力。2003年，布什总统发起成立了氢燃料启动基金，至今美国政府已经投入了超过1.8亿美元用于支持燃料电池技术的研发。再加上来自本田、现代等公司的私人初创资金，全美在这项技术上的投入已经超过2.8亿美元。

/ j6 l( N: @' f5 j0 ]. M; c3 B

　　要想发挥出燃料电池的最大潜能，关键是必须在未来的5-10年内实现大规模的商业生产。2002年，燃料电池电源输出每千瓦电能的典型成本在1000美元左右。为了能够与其它技术竞争，燃料电池的制造成本必须大幅下降。

　　制造燃料电池堆

5 U X' y; q6 k& s. z2 U( H

　　燃料电池是一种电化学能量转换器件，它利用外部添加的燃料(阳极端)和氧化剂(阴极端)来发电。这种电化学反应在电解液中进行并产生能量。

+ l! |0 C7 q6 o9 W( }2 M$ A& { / E7 v7 R5 S. L4 X6 p 0 A0 W$ X0 u6 ?5 x& P" s& V% ^

　　通常一个燃料电池单元所产生的电压值小于1V，所以在实际应用中通常是将它们成串堆叠起来以得到所需的电压。典型的燃料电池一般是由许多不锈钢薄片构成的，这些薄片必须焊接在一起来形成如图所示的燃料电池堆。

: ~8 E0 H2 J7 y7 P J6 L; G" J

　　燃料电池的拉伸视图

' S/ r- d$ m4 g7 o0 c) j4 F1 O

　　良好的焊接能够优化电池的功能区，并使每个独立金属板的形变最小以控制整个燃料电池堆的形变。

) [' b* G5 l+ o - A6 q' A; P9 s, w# Y. L' ~: S2 y- i

　　目前在燃料电池的制造过程中，金属板的焊接是最耗时的工艺：燃料电池堆中的每块金属板所需的焊接长度都在1米左右，而每辆环保汽车的焊接长度则达到约400米。优化焊接工艺能够大大节约燃料电池的制造成本。

　　这里存在的问题都可以归结为传统的激光焊接技术很难以合理的生产速率进行小尺寸、清洁和可靠的焊接。为解决这些问题，主流燃料电池制造商们正在关注光纤激光器焊接技术。

( c3 v1 j& f3 `) h+ \ : ^1 a) A" H8 Z/ j9 {

　　经济的密封焊接

& f3 U1 N# L1 \: ^+ G( R2 e. ^

　　与其它激光焊接技术相比，光纤激光器焊接的主要优点在于光束质量、输出能量和功率稳定性都很高，功率密度和控制幅度更大，以及总拥有成本较低。光纤激光器的光束质量高，所以光束的聚焦点很小，相应的能量密度也很高。这样就可以进行非常快速、有效的加工，从而能够进行大深宽比的焊接。与其它激光源相比，光纤激光器能够在低得多的热输入条件下进行焊接，从而使被焊金属板的形变较小。光纤激光器的能量稳定性高(通常为±0.5%)，可以使焊点轮廓保持一致，容易焊透，而且焊根的多孔性极低。

% n0 ~) S! g. G) P! O( C 4 N' n; e6 m7 A7 n* o+ ^ v/ _

　　其它的激光技术也能够实现这样的焊接，不过光纤激光器能够在更低的运行成本下进行速度更快和质量更高的焊接。我们认为，标准的200瓦光纤激光器焊接技术的低成本特性，使其能够用于未来的燃料电池生产中，以降低成本。

6 g8 J: p- U6 y$ Z/ v8 Y * z$ c$ `( Q% K3 S9 a% H

　　为使燃料电池金属板的热输入最小，以保持其形变在可接受的范围内，需要进行大深宽比的焊接(通常为3:1或4:1)。光纤激光器焊接的过人之处在于很容易就能在小于200mm的焊点尺寸下达到这个要求。因此金属板的形变，这一当金属板被堆叠起来时可能出现的积累性问题，能够得以最小化。

　　“关键孔”和大深宽比焊接的金相学分析经常会发现焊接的多孔性问题，特别是在焊根处。在燃料电池应用中，焊接的完整性至关重要，完全密封性是首要的要求。低质量的焊接会严重降低燃料电池的使用寿命，甚至会出现氢气或其它流体的泄漏。经验表明，光纤激光器在工件上具有异常高的能量密度，特别适用于燃料电池，能进行一贯可靠的、非多孔的焊接。

, D& f) g7 M3 ]* j

　　另一个由某些制造商指出的问题是，当使用钇铝石榴石(YAG)或CO2激光器进行高生产速率的焊接时，可能会出现“凸峰”现象。这是由高速焊接时金属熔池内流体的固有不稳定性所造成的。因为它会限制生产速率，所以被某些制造商视为一个难题。但如果使用标准的200瓦光纤激光器，即便是在每分钟5到6米的焊接速度下也不会出现这种问题，相当于每年的焊接长度超过2500公里。

　　在生产环境中，光纤激光器的优势还在于极高的累计工作时间，而且不象其它的激光光源那样需要耗材，比如Nd:YAG激光器需要定期更换闪光灯，而CO2激光器则需要不断供给消耗性气体。此外，光纤激光器的电效率很高，耗电量还不到Nd:YAG激光器的1/10，这可大大降低焊接的运行成本。它们可按要求进行“实时”焊接，而不用象其它一些类型的激光器那样要先预热，从而进一步地减少了能量的消耗和无效的工作时间。因为光纤激光器是密封的元件，无需更换照明灯和重新调整反射镜，所以维护费用很低，每台光纤激光器每年可以节约数千美元。

$ v" ~( [+ Z( _0 Y3 N A# ?2 B2 G! k2 Q/ t! z

　　结论

　　通过实现高生产力、高完整性和低操作成本的焊接，光纤激光器为燃料电池制造商提供了一种有吸引力的“绿色制造”技术。

" A/ P8 {- |+ J" {% U+ {2 \

　　主流燃料电池制造商的研究结果表明，光纤激光器焊接将推动燃料电池技术从有前途的想法发展成解决世界能源短缺问题的商业方案，而且将在其中扮演至关重要的角色。

4 _' u. m5 Z- Z9 E+ a% y