光纤激光为燃料电池生产带来曙光 - 文章

光纤激光为燃料电池生产带来曙光

作者：英国SPI激光有限公司

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介绍

燃料电池技术是一项十分有效的应对世界能源消耗和全球气候变暖的措施之一。燃料电池所产生的清洁能源可广泛用于生态汽车、航空航天、海洋监测、化工、医疗以及电子等诸多领域。

燃料电池技术的应用前景得到了世界的认可。现任美国总统布什于2003年批准了氢燃料启动方案，表示美国政府将从政府经费中拨出1.8亿美元用于研究和开发燃料电池技术。如果加上大财团，如Honda, Hyundai和其他企业的投入，全美用于燃料电池技术研究和开发的总投入高达2.8亿美元。

在未来的5到10年里，燃料电池技术成功应用的关键在于是否可以实现商业化大规模量产。2002年的统计，燃料电池能源成本为每千瓦电力输出1000美元。这表明只有有效降低燃料电池制造成本才能使该技术在各项能源技术中脱颖而出。

在此文章中，SPI 激光公司的Tony Hoult博士和Jo
hn Tinson先生对先进的光纤激光焊接技术用于燃料电池的生产进行了讨论，并展示了光纤激光技术是如何有效地降低燃料电池的生产成本的。

燃料电池的制造

燃料电池是一种电化学能量转换装置，外置燃料（阳极端）和氧化剂（阴极端）通过电解质的反应产生电能。

通常一个燃料电池单元所产生的电量不足1伏特，因此在应用时，将许多燃料电池单元并排地叠加以便得到足够的电伏。因此，通常一个燃料电池是由许多层薄板构件（通常为薄不锈钢片）组成，不锈钢片必须被焊接在一起组成燃料电池堆。

在燃料电池的制造过程中，薄板构件的焊接是一项费时的工艺，组成燃料电池堆的每一片薄板构件需要约1米长的焊接，一辆生态汽车所需的燃料电池的总焊接长度可达400米。因此，优化焊接工艺是降低燃料电池生产成本的关键。

用传统的焊接技术，在较经济的的焊接速度下，实现小尺寸，光洁牢固的焊接难度很大。为解决这一难题，领先的制造商正诉诸于光纤激光焊接技术。

图1 燃料电池结构示意图

精细焊接使得燃料电池单元的功能得到最大的发挥，同时使得单独的薄板构件的变形降到最小，从而使得整个燃料电池堆由于焊接所引发的变形得到有效的控制。

量产速度下的低成本，密封焊接

光纤激光较其他激光技术的主要优势在于其高质量的光束模式，稳定的能量及输出功率，从而可得到较高的能量密度和较大的调控范围，另外较低的使用成本也是其优势之一。高质量的光纤激光模式可使光束聚焦为能量密度很高的小光斑，使得高速，高效，高产出的焊接工艺得以实现。同其他激光光源相比，光纤激光器可有效地降低焊接过程中所产生的热效应，从而有效地减少了被焊接薄板构件的变形。能量及输出功率的高稳定性，一般为+/-0.5%，极大地减少了焊接部分的气孔含量，保证了焊缝宽度和深度的一致性。

虽然其他激光技术也可对燃料电池进行焊接，但光纤激光可为此项技术提供快速，高焊接质量，较低运行成本的解决方案。John Tinson先生说：“我们相信SPI公司200瓦光纤激光器优良的性价比将成为未来降低燃料电池生产成本的首选方案”。

为最大限度地减少焊接所产生的热效应以保证变形控制在可接受的范围内，燃料电池的焊接要求高熔池深宽比(aspect ratio)焊接（一般为3:1 或 4:1）。光纤激光器的优势在于通过其小于200mm的光斑直径，焊接所需的熔池深宽比完全可以达到要求。因此，薄板构件的变形，以及整个燃料电池堆变形问题降到最小的程度。

通过对”深熔焊接(key-hole)” 以及熔池深宽比的金相分析，可以对焊接部分质量问题（如气孔，特别是在焊接底部）进行检测。在燃料电池的焊接过程中，焊接部分同母体材料的一致性至关重要，完全密封焊接是基本的要求。质量低的焊接往往严重影响燃料电池的工作性能和使用寿命，甚至导致氢或其它液体的泄漏。实验表明，由于光纤激光器极高的能量密度，对燃料电池的焊接可实现无孔焊接，另外，焊接的一致性也极其出色。

另一个困扰以YAG 或CO2 作为焊接源的燃料电池生产商们的问题是当用激光进行高速焊接时，有可能产生焊接“驼峰”（‘humping’ of the weld）。这一现象的产生是由于高速焊接时，液态溶池的不稳定性造成的，这一现象极大地影响了焊接速度。但用SPI的200瓦光纤激光器焊接时，这一问题可完全消除，焊接速度可达每分钟5-6米，以此计算，每年焊接长度可达2500公里。

在生产环境下，光纤激光具有很高的运行效率，无需运行耗材，不像Nd:YAG 激光需定期更换灯源，CO2激光需要提供消耗气体。另外其高效的能量转换率（10倍于灯泵Nd:YAG激光器）可大大降低耗电量，降低运行成本。光纤激光器可即开即用，无需预热，从而进一步降低能耗，提高了效率。由于光纤激光器内没有可拆除的光学器件，如反射镜等，无需调准，且完全密封，因此运行维护费用极低，每年每台激光器可节约数千美元运行维护费。

结论

光纤激光器为燃料电池的生产商提供了“绿色制造” 技术，为燃料电池的生产商提供了高效率，高质量，低成本的解决方案。

结果显示，在燃料电池从鼓舞人心的解决世界能源问题的概念到实际的商业成功的道路上，光纤激光焊接技术将发挥举足轻重的作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/12/2007)


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