燃料電池堆的焊接

製造燃料電池堆

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並產生能量。

通常一個燃料電池單元所產生的電壓值小於1V
，所suo以yi在zai實shi際ji應ying用yong中zhong通tong常chang是shi將jiang它ta們men成cheng串chuan堆dui疊die起qi來lai以yi得de到dao所suo需xu的de電dian壓ya。典dian型xing的de燃ran料liao電dian池chi一yi般ban是shi由you許xu多duo不bu鏽xiu鋼gang薄bo片pian構gou成cheng的de
，這zhe些xie薄bo片pian必bi須xu焊han接jie在zai一yi起qi來lai形xing成cheng如ru圖tu所suo示shi的de燃ran料liao電dian池chi堆dui。

燃料電池的拉伸視圖

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

目前在燃料電池的製造過程中，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製造成本。

這裏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，主流燃料電池製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於光束質量
、shuchunenglianghegonglvwendingxingdouhengao，gonglvmiduhekongzhifudugengda

，yijizongyongyouchengbenjiaodi。guangxianjiguangqideguangshuzhilianggao，suoyiguangshudejujiaodianhenxiao，xiangyingdenengliangmiduyehengao。zheyangjiukeyijinxingfeichangkuaisu、有you效xiao的de加jia工gong
，從cong而er能neng夠gou進jin行xing大da深shen寬kuan比bi的de焊han接jie。與yu其qi它ta激ji光guang源yuan相xiang比bi，光guang纖xian激ji光guang器qi能neng夠gou在zai低di得de多duo的de熱re輸shu入ru條tiao件jian下xia進jin行xing焊han接jie
，從cong而er使shi被bei焊han金jin屬shu板ban的de形xing變bian較jiao小xiao。光guang纖xian激ji光guang器qi的de能neng量liang穩wen定ding性xing高gao（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

，使其能夠用於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範圍內，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於很容易就能在小於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(he)大(da)深(shen)寬(kuan)比(bi)焊(han)接(jie)的(de)金(jin)相(xiang)學(xue)分(fen)析(xi)經(jing)常(chang)會(hui)發(fa)現(xian)焊(han)接(jie)的(de)多(duo)孔(kong)性(xing)問(wen)題(ti)，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)焊(han)根(gen)處(chu)。在(zai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)應(ying)用(yong)中(zhong)，焊(han)接(jie)的(de)完(wan)整(zheng)性(xing)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)，完(wan)全(quan)密(mi)封(feng)性(xing)是(shi)首(shou)要(yao)的(de)要(yao)求(qiu)。低(di)質(zhi)量(liang)的(de)焊(han)接(jie)會(hui)嚴(yan)重(zhong)降(jiang)低(di)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)
，甚(shen)至(zhi)會(hui)出(chu)現(xian)氫(qing)氣(qi)或(huo)其(qi)它(ta)流(liu)體(ti)的(de)泄(xie)漏(lou)。經(jing)驗(yan)表(biao)明(ming)
，光(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)器(qi)在(zai)工(gong)件(jian)上(shang)具(ju)有(you)異(yi)常(chang)高(gao)的(de)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)，特(te)別(bie)適(shi)用(yong)於(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)
，能(neng)進(jin)行(xing)一(yi)貫(guan)可(ke)靠(kao)的(de)、非多孔的焊接。

另一個由某些製造商指出的問題是，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(xian)象(xiang)。這(zhe)是(shi)由(you)高(gao)速(su)焊(han)接(jie)時(shi)金(jin)屬(shu)熔(rong)池(chi)內(nei)流(liu)體(ti)的(de)固(gu)有(you)不(bu)穩(wen)定(ding)性(xing)所(suo)造(zao)成(cheng)的(de)。因(yin)為(wei)它(ta)會(hui)限(xian)製(zhi)生(sheng)產(chan)速(su)率(lv)，所(suo)以(yi)被(bei)某(mou)些(xie)製(zhi)造(zao)商(shang)視(shi)為(wei)一(yi)個(ge)難(nan)題(ti)。但(dan)如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)標(biao)準(zhun)的(de)200瓦光纖激光器，即便是在每分鍾5到6米的焊接速度下也不會出現這種問題，相當於每年的焊接長度超過2500公裏。

在生產環境中

，光纖激光器的優勢還在於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han接jie
，而er不bu用yong象xiang其qi它ta一yi些xie類lei型xing的de激ji光guang器qi那na樣yang要yao先xian預yu熱re，從cong而er進jin一yi步bu地di減jian少shao了le能neng量liang的de消xiao耗hao和he無wu效xiao的de工gong作zuo時shi間jian。因yin為wei光guang纖xian激ji光guang器qi是shi密mi封feng的de元yuan件jian，無wu需xu更geng換huan照zhao明ming燈deng和he重zhong新xin調tiao整zheng反fan射she鏡jing，所suo以yi維wei護hu費fei用yong很hen低di，每mei台tai光guang纖xian激ji光guang器qi每mei年nian可ke以yi節jie約yue數shu千qian美mei元yuan。

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製造商提供了一種有吸引力的“綠色製造”技術。

主(zhu)流(liu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)製(zhi)造(zao)商(shang)的(de)研(yan)究(jiu)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，光(guang)纖(xian)激(ji)光(guang)器(qi)焊(han)接(jie)將(jiang)推(tui)動(dong)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)從(cong)有(you)前(qian)途(tu)的(de)想(xiang)法(fa)發(fa)展(zhan)成(cheng)解(jie)決(jue)世(shi)界(jie)能(neng)源(yuan)短(duan)缺(que)問(wen)題(ti)的(de)商(shang)業(ye)方(fang)案(an)，而(er)且(qie)將(jiang)在(zai)其(qi)中(zhong)扮(ban)演(yan)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)角(jiao)色(se)。

燃料電池（fuel cell）jishushimuqianzuibeikanhaodenengyuanjiejuefanganzhiyi，tajiangjidadiyingxiangdaonengyuanduanquehequanqiuxingbiannuandengwenti。ranliaodianchitigongganjingdenengyuan，keyongyuhuanbaoqiche，haikeguangfanyingyongdaotaikong、海洋、能源、化工、製造、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1.8億美元用於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
，燃料電池的製造成本必須大幅下降。