克服瓶頸
，提升燃料電池製造

 研究人員報告了在避免焊縫表麵隆起缺陷的同時，激光焊接速度提高了近四倍。

     賓夕法尼亞州大學公園分校——燃料電池為多個領域提供清潔能源
，尤其在車輛中，它們不產生排放，因此備受關注。燃料電池的生產需要快速的激光焊接工藝；然而
，焊接速度過快會導致焊縫表麵出現隆起缺陷。

     賓(bin)夕(xi)法(fa)尼(ni)亞(ya)州(zhou)大(da)學(xue)的(de)研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)通(tong)過(guo)觀(guan)察(cha)和(he)分(fen)析(xi)建(jian)模(mo)，識(shi)別(bie)出(chu)了(le)高(gao)激(ji)光(guang)焊(han)接(jie)速(su)度(du)下(xia)產(chan)生(sheng)隆(long)起(qi)缺(que)陷(xian)的(de)條(tiao)件(jian)，並(bing)調(tiao)整(zheng)了(le)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)了(le)焊(han)接(jie)速(su)度(du)，同(tong)時(shi)避(bi)免(mian)了(le)表(biao)麵(mian)不(bu)規(gui)則(ze)現(xian)象(xiang)。他(ta)們(men)的(de)研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)已(yi)發(fa)表(biao)在(zai)《Nature Communications》雜誌上。

     “我們希望提高激光焊接速度，以增加燃料電池雙極板的生產速度，雙極板是燃料電池中用於能源生成的重要組成部分。” 研究通訊作者
、賓夕法尼亞州大學工業與製造工程學教授李晶晶表示。

     雙(shuang)極(ji)板(ban)是(shi)通(tong)過(guo)將(jiang)兩(liang)個(ge)麵(mian)板(ban)焊(han)接(jie)在(zai)一(yi)起(qi)形(xing)成(cheng)的(de)。雙(shuang)極(ji)板(ban)中(zhong)的(de)通(tong)道(dao)是(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)能(neng)源(yuan)生(sheng)成(cheng)所(suo)必(bi)需(xu)的(de)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)。由(you)於(yu)焊(han)接(jie)速(su)度(du)的(de)限(xian)製(zhi)，雙(shuang)極(ji)板(ban)的(de)生(sheng)產(chan)速(su)度(du)曾(zeng)受(shou)到(dao)限(xian)製(zhi)

，以(yi)避(bi)免(mian)出(chu)現(xian)焊(han)接(jie)表(biao)麵(mian)的(de)隆(long)起(qi)。

     “以前
，焊接速度的上限是每分鍾20米不鏽鋼材料，如果超過這個速度
，就會出現隆起。” 論文第一作者、材料科學與工程係博士生Zen-Hao Lai表示，“通過我們的研究，我們將這個速度上限提高到了每分鍾75米。”

     Zen-Hao Lai表示，每分鍾75米的生產速度大約相當於每年生產8萬個燃料電池
，每個燃料電池由兩個焊接的雙極板組成。汽車用雙極板的尺寸通常在8×8英寸到12×12英寸之間。

  為了提高焊接速度的上限，研究人員首先需要深入了解造成隆起缺陷的原因。通過使用高速同步輻射X射she線xian成cheng像xiang
，團tuan隊dui以yi前qian所suo未wei有you的de細xi節jie觀guan察cha了le焊han接jie過guo程cheng。隨sui後hou
，他ta們men設she計ji了le一yi種zhong數shu值zhi仿fang真zhen模mo型xing
，與yu實shi驗yan觀guan察cha結jie果guo相xiang對dui應ying
，並bing開kai發fa了le一yi個ge方fang程cheng，將jiang缺que陷xian與yu工gong藝yi參can數shu聯lian係xi起qi來lai。通tong過guo調tiao整zheng焊han接jie條tiao件jian，研yan究jiu人ren員yuan可ke以yi在zai高gao速su度du下xia模mo擬ni不bu同tong的de工gong藝yi參can數shu，甚shen至zhi在zai不bu產chan生sheng焊han縫feng隆long起qi的de情qing況kuang下xia實shi現xian焊han接jie。

     具(ju)體(ti)而(er)言(yan)，當(dang)焊(han)接(jie)速(su)度(du)過(guo)高(gao)時(shi)
，焊(han)接(jie)材(cai)料(liao)會(hui)形(xing)成(cheng)較(jiao)大(da)的(de)熔(rong)池(chi)，這(zhe)些(xie)熔(rong)池(chi)會(hui)導(dao)致(zhi)隆(long)起(qi)現(xian)象(xiang)。研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)意(yi)識(shi)到(dao)
，熔(rong)池(chi)需(xu)要(yao)被(bei)穩(wen)定(ding)，而(er)這(zhe)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)應(ying)用(yong)保(bao)護(hu)氣(qi)體(ti)或(huo)調(tiao)整(zheng)激(ji)光(guang)束(shu)的(de)形(xing)狀(zhuang)來(lai)實(shi)現(xian)。通(tong)過(guo)他(ta)們(men)的(de)新(xin)方(fang)程(cheng)識(shi)別(bie)出(chu)的(de)這(zhe)些(xie)簡(jian)單(dan)調(tiao)整(zheng)，將(jiang)生(sheng)產(chan)速(su)度(du)從(cong)每(mei)分(fen)鍾(zhong)20米提高到了每分鍾75米
，且沒有產生隆起。

     “通過理解與工藝參數相關的隆起方程，我們能夠調整參數設置，減少隆起。” Zen-Hao Lai表示
，“這項工作的影響不僅僅是提高了基礎理解，還解決了生產過程中的技術難題。”

     研究人員表示

，他們計劃繼續改進這一工藝，以實現更高速度的無隆起焊接。

李晶晶表示
，這項工作挑戰了人們對工業與製造工程領域的傳統認知。

     “對我來說，這項工作的一個激動人心之處在於
，它向人們展示了這種類型的工程不僅僅與實際製造相關。” 李晶晶說

，“這項工作還很好地展示了如何將傳統製造與基礎研究相結合，如何通過基礎知識來改進工藝和解決現實問題。”

     通用汽車的Siguang Xu以及阿貢國家實驗室的Samuel J. Clark和Kamel Fezzaa也ye參can與yu了le該gai論lun文wen的de合he作zuo。李li晶jing晶jing還hai隸li屬shu於yu賓bin夕xi法fa尼ni亞ya州zhou大da學xue工gong程cheng學xue院yuan的de工gong程cheng科ke學xue與yu力li學xue係xi以yi及ji地di球qiu與yu礦kuang物wu科ke學xue學xue院yuan的de材cai料liao科ke學xue與yu工gong程cheng係xi。

     這項研究得到了美國能源部能源效率與可再生能源辦公室的資助支持。

翻譯人/高豐言

來源：

https://fuelcellsworks.com/2025/01/22/energy-development/getting-over-the-hump-to-improve-fuel-cell-manufacturing