CN102581487A - 一种燃料电池双极板的激光胶焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池双极板的激光胶焊方法，该方法是将胶粘工艺与激光焊接工艺相结合应用于燃料电池双极板连接，即用常温固化胶将燃料电池双极板焊接区域粘接，之后进行激光焊接完成燃料电池双极板的连接。与现有技术相比，本发明用胶粘的方法使燃料电池极板紧密贴合，消除了激光焊接中，因装配间隙带来的脱焊、焊缝破裂现象，提高了激光焊接质量，焊缝机械强度高、耐腐蚀；胶层在激光束的高热量输入下迅速挥发，对涂胶位置的要求降低；采用常温固化胶，避免了高温固化带来的二次热输入；胶接的引入使得焊接夹具、焊接路径、焊接参数的设计更为灵活、简单，便于大规模生产。

Description

一种燃料电池双极板的激光胶焊方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池双极板连接方法，尤其是涉及一种燃料电池双极板的激光胶焊方法。
背景技术
燃料电池(FC)是一种利用电化学原理，将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它具有能量转换效率高，有害气体、噪音排放低，可靠性高等优点，是世界公认的有前途的新型发电技术。质子交换膜燃料电池(PEMFC)除了一般燃料电池的优点外，还具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便、适合于实现产品微型化等优点，因而成为研究领域内倍受关注的焦点。
质子交换膜燃料电池的结构主要包括双极板、质子交换膜、催化剂等。其中双极板是一个重要的多功能组件，在燃料电池中起到收集电流、气体分配以及水管理、热管理的作用，其重量占到电堆总重量的80％以上，制造成本占到总成本的30％左右。现有技术下，双极板一般由石墨或金属等材料制成。石墨双极板具有导电率高，耐腐蚀，密度低等优点，但是石墨脆性较大、机械加工性能较差，难以大批量生产，成本偏高。金属双极板具有良好的导电性、导热性和加工性能，可以加工成极薄板从而大大降低双极板的体积和重量。此外，其加工成本低廉，易实现大规模生产。虽然目前金属双极板仍须解决耐腐蚀的问题，但随着金属防腐技术的不断发展，金属双极板仍然是燃料电池领域非常有前途的发展方向。
目前，金属双极板的制造一般是先用金属薄板(厚度小于0.2mm)分别制成阳极和阴极流场板，然后将二者连接在一起，两板中间形成冷却液流道。目前，双极板连接的方法一般有粘接，电阻焊接，激光焊等。
经文献搜索，美国专利号：US 6,942,941，名称为：金属双极板胶粘连接(Adhesive bonds for metallic bipolar plates)，该方法主要是：用导电胶粘接金属双极板，之后高温固化。该发明的核心是采用导电胶连接，虽然可以控制热输入量和双极板变形，但双极板粘接处在燃料电池环境中，耐高温性差、易产生老化，难以保证双极板长时间可靠连接，易形成冷却液泄露。
经文献搜索，美国专利号：US 7,009,136，名称为：一种极板装配方法(Methodof fabricating a bipolar plate assembly)，该方法主要是：使阳极单极板和阴极单极板的冷却剂一侧贴合，将冷却剂通道抽成真空，在气压作用下两极板紧密贴合，之后通过激光焊接形成金属双极板。该发明的特点是：采用激光焊接，焊缝强度高，耐腐蚀；装配紧密，无间隙，保证了激光焊接稳定性；但双极板连接质量依赖冷却通道的真空度，采用这种工艺需要复杂的抽真空过程，导致生产效率低下，生产成本较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够提高激光焊接质量、连接可靠性高、便于大规模生产的燃料电池双极板的激光胶焊方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池双极板的激光胶焊方法，该方法是将胶粘工艺与激光焊接工艺相结合应用于燃料电池双极板连接，即用常温固化胶将燃料电池双极板焊接区域粘接，之后进行激光焊接完成燃料电池双极板的连接。
所述的常温固化胶的涂胶宽度范围为0.5mm-1mm，胶层厚度为0.05-0.1mm，但不仅限于此尺寸，可根据接头布置、板厚、激光光斑直径做出调整。
所述的常温固化胶包括环氧树脂类结构胶或环氧树脂类导电胶，但不仅限于此类胶。
所述的激光焊接的热源包括CO2激光、YAG激光或光纤激光，但不限与上述激光。
所述的激光焊接的工艺参数为：激光功率为100W-300W，焊接速度为30mm/s-800mm/s，保护气流量2-10L/min，但参数不仅限于此，可根据材料、板厚、激光类型做出调整。
所述的激光焊接过程中还配合使用焊接夹具。
所述的双极板包括金属双极板或其他薄板。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)与胶接、压焊相比，本发明采用激光焊接，激光焊接的焊缝机械强度大，耐腐蚀性好，连接可靠性高。
(2)传统激光焊接要采用焊接夹具对金属双极板进行装夹，极板流道、焊接夹具、焊接路径这三者在装配过程中必须精确配合，一旦出现装配间隙，则会造成激光焊接质量的波动；与传统激光焊接比较，本发明将金属双极板进行胶接，保证了上下层金属极板的紧密配合，可以有效提高激光焊接的稳定性与质量。
(3)一般胶接用胶层作为金属双极板的连接承载结构，胶层须要精确分布于连接路径处，涂胶后需进行高温固化，胶层耐腐蚀性差、易老化，导致金属双极板连接可靠性低；而本发明采用的是常温固化胶，无需高温固化，减少了热输入，工艺过程简单，本发明中的结构胶在激光焊接过程中受高温分解挥发，不会堵塞流道，与传统胶接相比，对胶层涂覆位置精确要求不高。
(4)本发明中的胶接可与利用焊接夹具装夹的方法配合使用，在结构复杂区域采用胶接，一般焊接区域采用夹具装夹，简化焊接夹具设计，使一套夹具可以焊接不同设计方案的金属双极板。
附图说明
图1为一种燃料电池金属双极板的结构示意图；
图2为图1中A-A剖面图；
图3为另一种燃料电池金属双极板的结构示意图；
图4为图3中A-A剖面图；
图5为图3中B-B剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1-2所示，一种燃料电池薄型金属双极板，包括金属单极板1a、金属单极板1b、焊接路径2和焊接接头3，其中，所述的焊接路径2是根据燃料电池金属双极板密封要求设计的热源移动轨迹，焊接接头3是双层金属薄板的叠接接头。
上述燃料电池薄型金属双极板的激光胶焊方法的具体工作过程是：首先将常温固化胶涂覆于金属单极板1a、金属单极板1b接触面上的焊接路径2处，形成胶层5，胶层5的宽度为0.5mm，胶层厚度为0.05mm；然后用焊接夹具6将金属单极板1a、金属单极板1b定位、压紧；通过激光焊接热源4，一次焊接成形，实现连续致密的焊接，激光焊接的工艺参数为：激光功率为100W，焊接速度为30mm/s，保护气流量2L/min。
上述激光焊接是将高强度激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使焊接接头3处金属熔化形成焊缝。金属双极板的焊接接头3的形式是叠接接头。高能激光束照射在上层极板表面，使金属极板迅速熔化、下陷，热量不断向下传递，下层金属极板熔化，凝固后形成焊缝，使上下层极板紧密连接。
本实例的优点是：焊接路径2处无夹具干扰，便于路径设计与激光定位。焊接夹具6是激光焊接中用于固定金属双极板的夹具，只起到定位和固定的作用，无需考虑与流道的配合，结构简单。同一套焊接夹具可通过选择不同的涂胶位置，适用于不同流道设计形式的极板。此外，该工艺对涂胶的要求低，简便易行。易于实现自动化，适用于大规模生产。
实施例2
如图3-5所示，一种燃料电池薄型金属双极板，包括金属单极板1a、金属单极板1b、焊接路径2a、焊接路径2b和焊接接头3，其中，所述的焊接路径2a根据燃料电池金属双极板密封要求设计的热源移动轨迹，焊接路径涂胶。焊接路径2a往往是焊接路径上，多段路径的交汇区域、路径急转弯的区域、装夹力分配不均匀的区域、临近的焊接夹具有磨损的焊接路径，但也不仅限于上述区域；所述的焊接路径2b是根据燃料电池金属双极板密封要求设计的热源移动轨迹，焊接路径不涂胶；焊接接头3是双层金属薄板的叠接接头。
上述燃料电池薄型金属双极板的激光胶焊方法的具体工作过程是：首先将常温固化胶涂覆于金属单极板1a、金属单极板1b接触面上的焊接路径2a处，形成胶层5，胶层5的宽度为1mm，胶层厚度为0.1mm；然后用焊接夹具6将金属单极板1a、金属单极板1b定位、压紧；采用激光焊接热源4，当热源移动至焊接路径2a时，采用的激光胶焊工艺参数为：激光功率为300W，焊接速度为800mm/s，保护气流量10L/min，当热源移动至焊机路径2b时，采用适用于一般激光焊接的工艺参数，一次焊接成型，实现连续致密的焊接。
本实例的优点是：当由于装夹力分布不均匀、焊接夹具6出现磨损、焊接路径复杂等原因导致装配间隙难以控制，焊接质量不稳定时，可以在间隙频繁出现处涂胶，这样无需改变原有焊接夹具及焊接路径，也可以实现高质量的焊接。

Claims (7)

1.一种燃料电池双极板的激光胶焊方法，其特征在于，该方法是将胶粘工艺与激光焊接工艺相结合应用于燃料电池双极板连接，即用常温固化胶将燃料电池双极板焊接区域粘接，之后进行激光焊接完成燃料电池双极板的连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的激光胶焊方法，其特征在于，所述的常温固化胶的涂胶宽度范围为0.5mm-1mm，胶层厚度为0.05-0.1mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池双极板的激光胶焊方法，其特征在于，所述的常温固化胶包括环氧树脂类结构胶或环氧树脂类导电胶。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的激光胶焊方法，其特征在于，所述的激光焊接的热源包括CO2激光、YAG激光或光纤激光。
5.根据权利要求1或4所述的一种燃料电池双极板的激光胶焊方法，其特征在于，所述的激光焊接的工艺参数为：激光功率为100W-300W，焊接速度为30mm/s-800mm/s，保护气流量2-10L/min。
6.根据权利要求1或4所述的一种燃料电池双极板的激光胶焊方法，其特征在于，所述的激光焊接过程中还配合使用焊接夹具。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板的激光胶焊方法，其特征在于，所述的双极板包括金属双极板。
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