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燃料電池堆的焊接
更新時間:2019-1-14 15:57:12        【打印此頁】  【關閉

制造燃料電池堆

燃料電池是一種電化學能量轉換器件,它利用外部添加的燃料(陽極端)和氧化劑(陰極端)來發電。這種電化學反應在電解液中進行并產生能量。

通常一個燃料電池單元所產生的電壓值小于1V,所以在實際應用中通常是將它們成串堆疊起來以得到所需的電壓。典型的燃料電池一般是由許多不銹鋼薄片構成的,這些薄片必須焊接在一起來形成如圖所示的燃料電池堆。

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燃料電池的拉伸視圖

良好的焊接能夠優化電池的功能區,并使每個獨立金屬板的形變最小以控制整個燃料電池堆的形變。

目前在燃料電池的制造過程中,金屬板的焊接是最耗時的工藝:燃料電池堆中的每塊金屬板所需的焊接長度都在1米左右,而每輛環保汽車的焊接長度則達到約400米。優化焊接工藝能夠大大節約燃料電池的制造成本。

這里存在的問題都可以歸結為傳統的激光焊接技術很難以合理的生產速率進行小尺寸、清潔和可靠的焊接。為解決這些問題,主流燃料電池制造商們正在關注光纖激光器焊接技術。

經濟的密封焊接

與其它激光焊接技術相比,光纖激光器焊接的主要優點在于光束質量、輸出能量和功率穩定性都很高,功率密度和控制幅度更大,以及總擁有成本較低。光纖激光器的光束質量高,所以光束的聚焦點很小,相應的能量密度也很高。這樣就可以進行非??燜?、有效的加工,從而能夠進行大深寬比的焊接。與其它激光源相比,光纖激光器能夠在低得多的熱輸入條件下進行焊接,從而使被焊金屬板的形變較小。光纖激光器的能量穩定性高(通常為±0.5%),可以使焊點輪廓保持一致,容易焊透,而且焊根的多孔性極低。

其它的激光技術也能夠實現這樣的焊接,不過光纖激光器能夠在更低的運行成本下進行速度更快和質量更高的焊接。我們認為,標準的200瓦光纖激光器焊接技術的低成本特性,使其能夠用于未來的燃料電池生產中,以降低成本。

為使燃料電池金屬板的熱輸入最小,以保持其形變在可接受的范圍內,需要進行大深寬比的焊接(通常為3:1或4:1)。光纖激光器焊接的過人之處在于很容易就能在小于200mm的焊點尺寸下達到這個要求。因此金屬板的形變,這一當金屬板被堆疊起來時可能出現的積累性問題,能夠得以最小化。

“關鍵孔”和大深寬比焊接的金相學分析經?;岱⑾趾附擁畝囁仔暈侍?,特別是在焊根處。在燃料電池應用中,焊接的完整性至關重要,完全密封性是首要的要求。低質量的焊接會嚴重降低燃料電池的使用壽命,甚至會出現氫氣或其它流體的泄漏。經驗表明,光纖激光器在工件上具有異常高的能量密度,特別適用于燃料電池,能進行一貫可靠的、非多孔的焊接。

另一個由某些制造商指出的問題是,當使用釔鋁石榴石(YAG)或CO2激光器進行高生產速率的焊接時,可能會出現“凸峰”現象。這是由高速焊接時金屬熔池內流體的固有不穩定性所造成的。因為它會限制生產速率,所以被某些制造商視為一個難題。但如果使用標準的200瓦光纖激光器,即便是在每分鐘5到6米的焊接速度下也不會出現這種問題,相當于每年的焊接長度超過2500公里。

在生產環境中,光纖激光器的優勢還在于極高的累計工作時間,而且不象其它的激光光源那樣需要耗材,比如Nd:YAG激光器需要定期更換閃光燈,而CO2激光器則需要不斷供給消耗性氣體。此外,光纖激光器的電效率很高,耗電量還不到Nd:YAG激光器的1/10,這可大大降低焊接的運行成本。它們可按要求進行“實時”焊接,而不用象其它一些類型的激光器那樣要先預熱,從而進一步地減少了能量的消耗和無效的工作時間。因為光纖激光器是密封的元件,無需更換照明燈和重新調整反射鏡,所以維護費用很低,每臺光纖激光器每年可以節約數千美元。

結論

通過實現高生產力、高完整性和低操作成本的焊接,光纖激光器為燃料電池制造商提供了一種有吸引力的“綠色制造”技術。

主流燃料電池制造商的研究結果表明,光纖激光器焊接將推動燃料電池技術從有前途的想法發展成解決世界能源短缺問題的商業方案,而且將在其中扮演至關重要的角色。

燃料電池(fuel cell)技術是目前最被看好的能源解決方案之一,它將極大地影響到能源短缺和全球性變暖等問題。燃料電池提供干凈的能源,可用于環保汽車,還可廣泛應用到太空、海洋、能源、化工、制造、醫藥和電子等多種產業。

全世界都已經認識到這項技術的巨大潛力。2003年,布什總統發起成立了氫燃料啟動基金,至今美國政府已經投入了超過1.8億美元用于支持燃料電池技術的研發。再加上來自本田、現代等公司的私人初創資金,全美在這項技術上的投入已經超過2.8億美元。

要想發揮出燃料電池的最大潛能,關鍵是必須在未來的5-10年內實現大規模的商業生產。2002年,燃料電池電源輸出每千瓦電能的典型成本在1000美元左右。為了能夠與其它技術競爭,燃料電池的制造成本必須大幅下降。

 


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