燃料電池金屬雙極板連接技術(shù)研究現(xiàn)狀*

郭朋彥，魏新敬，康王冠，任 赟，程 文，曾鑫昊

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；2.河南省新能源車(chē)輛熱流電化學(xué)系統(tǒng)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450045）

燃料電池可以直接通過(guò)內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化為電能，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、可利用多種燃料等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、潛艇等領(lǐng)域。其中，以氫氣作為燃料質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）具有啟動(dòng)快、噪聲低、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，受到各國(guó)政府和企業(yè)的高度重視。

質(zhì)子交換膜燃料電池主要由膜電極組件（MEA）和雙極板兩部分組成[2]。雙極板作為質(zhì)子交換膜燃料電池的核心組件，在燃料電池中起到均勻分配氣流、收集電流、冷卻和支撐等作用[3]，對(duì)燃料電池的電堆性能有著非常重要的影響。目前，雙極板的制造材料主要有石墨、金屬以及復(fù)合材料，與另外兩種材料制造的雙極板相比，金屬雙極板具有體積功率密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)、易于批量制造、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是制造燃料電池雙極板的最佳材料。

通常來(lái)說(shuō)，金屬雙極板是先將0.1mm的超薄金屬板沖壓成陰陽(yáng)單極板，然后由兩塊單極板通過(guò)連接工藝對(duì)應(yīng)連接而成，為了防止隔氧化劑和還原劑以及冷卻液三者互相干擾，雙極板的連接工藝需要達(dá)到一定的工藝要求，包括良好的氣密性、足夠強(qiáng)的接頭強(qiáng)度以及連接后流道通暢不被堵塞，連接接頭具有一定的耐腐蝕性，以保證燃料電池的壽命[4]。因此，金屬雙極板連接技術(shù)的研究對(duì)提高燃料電池性能和使用壽命，降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

本文通過(guò)對(duì)金屬雙極板連接技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，討論了金屬雙極板連接技術(shù)存在的問(wèn)題，指明了金屬雙極板連接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 金屬雙極板連接技術(shù)研究現(xiàn)狀

在過(guò)去的研究中，為了實(shí)現(xiàn)金屬雙極板的有效連接，國(guó)內(nèi)外金屬雙極板連接領(lǐng)域的研究者，研究了包括膠粘、釬焊、電阻縫焊、攪拌摩擦焊、超聲焊接、激光焊接等在內(nèi)的多種工藝，并分別從生產(chǎn)效率、變形控制、接頭品質(zhì)等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.1 金屬雙極板連接技術(shù)國(guó)外研究現(xiàn)狀

Fuss等人[5]發(fā)明了一種通過(guò)導(dǎo)電粘合劑粘結(jié)陰陽(yáng)極單極板制造燃料電池雙極板的方法。Newman等人[6]發(fā)明了一種高效制造涂覆雙極板燃料電池的方法，將已涂覆傳導(dǎo)涂層的單個(gè)金屬板焊接在一起以形成用于燃料電池的雙極板。Neutzler等人[7]提出了對(duì)燃料電池金屬雙極板進(jìn)行釬焊連接，對(duì)釬料的選擇方法、釬焊的工藝步驟等進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

Gholami Omid等人[8]以焊縫強(qiáng)度和抗泄露性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了電極壓力、焊接能量、電極速度等電阻縫焊的焊接工藝參數(shù)對(duì)304不銹鋼燃料電池金屬雙極板焊接品質(zhì)的影響，根據(jù)影響規(guī)律優(yōu)化了電阻縫焊工藝參數(shù)，得到了焊接能量為14ws、電極壓力為20N和電極速度為300mm/min的最佳電阻縫焊工藝參數(shù)。

Harald等人[9]發(fā)明了一種真空夾持激光焊接燃料電池金屬雙極板的方法，該方法結(jié)合了激光焊接和真空夾持的優(yōu)點(diǎn)：焊縫的熱輸入集中、強(qiáng)度高、夾持緊密，焊接過(guò)程穩(wěn)定，但是焊接條件較為苛刻，不適于批量生產(chǎn)。

韓國(guó)的柳成弼等人[10]發(fā)明了一種采用攪拌摩擦焊進(jìn)行雙極板的焊接的方法，攪拌摩擦焊的設(shè)備如圖1所示，雙極板的待焊接部分為V型結(jié)構(gòu)。攪拌摩擦單元在焊接時(shí)壓在雙極板V型結(jié)構(gòu)的兩個(gè)側(cè)面上并快速旋轉(zhuǎn)，摩擦部位由于摩擦熱或塑性流動(dòng)產(chǎn)生的熱而軟化或熔化，最終兩個(gè)單板以塑性流動(dòng)的狀態(tài)結(jié)合。攪拌摩擦焊的熱輸入量較少，導(dǎo)致的熱變形也較小，可以有效地控制焊接變形。

圖1 金屬雙極板攪拌摩擦焊裝置

韓國(guó)的金榮建等人[11]發(fā)明了一種用于燃料電池金屬雙極板連接的超聲焊接裝置，該焊接裝置通過(guò)超聲振動(dòng)來(lái)粘合由金屬材料制成的燃料電池的金屬陽(yáng)極板和金屬陰極板，可以減少雙極板的焊接變形，并且不會(huì)由于壓痕而產(chǎn)生裂紋。

1.2 金屬雙極板連接技術(shù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

大連交通大學(xué)的徐洪峰等人[12]發(fā)明了一種新型的雙極板焊接方法，該方法首先將壓制好的帶有流場(chǎng)和進(jìn)出口的陰陽(yáng)極單極板需要焊接的部位涂覆上低熔點(diǎn)的合金焊料，厚度約為40~60μm，然后將有焊料的面相互接觸，疊放在一起，放入平板熱壓機(jī)中，在150~180℃焊料熔化溫度和0.5~1MPa壓力下，熱壓1~8min，熱壓后涂敷的低熔點(diǎn)焊料融化并將兩塊單極板連接到一起形成雙極板。該方法焊接工藝簡(jiǎn)單，制得的雙極板不變形、平整、強(qiáng)度好、性能均一。

大連交通大學(xué)的翟長(zhǎng)峰[13]提出采用真空釬焊技術(shù)對(duì)金屬雙極板進(jìn)行連接，并與激光焊接金屬雙極板進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：釬焊不銹鋼雙極板的最佳釬料為T(mén)S-4AgSn，使用該釬料釬焊的最佳工藝參數(shù)為釬焊溫度250℃、釬焊保溫時(shí)間15min、真空度10e-2Pa。與激光焊接相比，真空釬焊技術(shù)可以有效降低不銹鋼雙極板的變形，但是該方法需要在真空條件下進(jìn)行，對(duì)焊接環(huán)境的要求較高，不利于批量生產(chǎn)。

大連交通大學(xué)的姚宇新等人[14]把雙極板視為薄板，通過(guò)對(duì)薄板失穩(wěn)的分析，確定薄板失穩(wěn)的最小臨界壓應(yīng)力和薄板焊接加熱、冷卻過(guò)程中的最大壓應(yīng)力，進(jìn)而確定控制雙極板焊接變形的預(yù)拉應(yīng)力。

彭林法等人[15]提出了一種電輔助固態(tài)焊接工藝，并通過(guò)試驗(yàn)研究了電流和工藝條件對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)固態(tài)焊接相比，電輔助固態(tài)焊接可以大大提高固態(tài)焊接的性能。

胡唯[16]建立了針對(duì)燃料電池金屬雙極板整體焊接變形的評(píng)價(jià)方法，基于該方法研究了激光膠焊工藝參數(shù)對(duì)極板整體變形的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：與激光焊接工藝相比，激光膠焊工藝中膠層的引入，促進(jìn)了熱量自上層板向下層板的傳遞，減小了由于熱量橫向擴(kuò)散引起的變形，膠層的連接力保證了上下層板始終保持連接，裝夾約束小，進(jìn)而使得焊接變形小。

易培云等人[17]基于固有應(yīng)變理論建立了雙極板橫向變形分析模型。同時(shí)，提出了一種基于熔池幾何形狀的角度變形評(píng)估模型。最后，基于前面的預(yù)測(cè)模型，提出了一個(gè)計(jì)算雙道焊BPP焊接誘導(dǎo)形狀誤差的公式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了公式的正確性。

杜祥永[18]進(jìn)行了基于單模激光器的燃料電池金屬雙極板焊接工藝研究，建立了單模激光焊接金屬雙極板的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，比較了單模激光相對(duì)于多模激光焊接金屬超薄板的優(yōu)勢(shì)與特性，同時(shí)驗(yàn)證了單模激光實(shí)現(xiàn)對(duì)0.1mm厚316L不銹鋼薄板高速焊接的可行性，并通過(guò)單模激光高速焊接工藝實(shí)驗(yàn)，得到了焊接工藝參數(shù)對(duì)起收焊點(diǎn)和轉(zhuǎn)彎路徑處焊縫形態(tài)的影響規(guī)律，獲得了改善高速焊接起收焊點(diǎn)和轉(zhuǎn)彎路徑處焊縫品質(zhì)的工藝參數(shù)范圍。

華中科技大學(xué)的王夢(mèng)然[19]采用脈沖激光焊接的方式對(duì)304不銹鋼雙極板進(jìn)行試驗(yàn)研究，在輸出電流為70A、脈寬1.3ms、頻率20Hz、速度200mm/min的焊接參數(shù)下，可得到符合品質(zhì)要求的雙極板。

許等人[20]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)不銹鋼雙極板釬焊焊接接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，研究了夾緊壓力、釬焊間隙和釬料類(lèi)型等工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：夾緊壓力對(duì)不銹鋼雙極板釬焊接頭殘余應(yīng)力的影響不大，殘余應(yīng)力隨著釬焊間隙的增大而減小，應(yīng)選擇0.03mm的釬焊間隙，以節(jié)約釬料，SAC305作為不銹鋼BBP的焊料。

劉峰等人[21]對(duì)金屬雙極板的激光焊接位置和順序進(jìn)行了優(yōu)化，提出了一種先焊接極板中間部分，再焊接極板次外圍，接下來(lái)焊接極板次中間，最后焊接極板最外圍的焊接方法。焊接結(jié)果表明，采用該方法焊接后的金屬雙極板的翹曲度可以保持在1~2mm。

湖南理工大學(xué)的肖朝陽(yáng)[22]采用脈沖光纖激光器對(duì)0.15mm厚的不銹鋼雙極板進(jìn)行疊焊試驗(yàn)研究，綜合考慮了焊縫表面缺陷以及雙極板為熔透的焊接要求，得到了金屬雙極板最佳未熔透工藝參數(shù)為激光焊接功率80W，焊接速度40mm/s，離焦量為0mm，脈沖寬度為50ns。

張曉龍等人[23]采用單模光纖激光焊對(duì)0.1mm厚316L不銹鋼雙極板進(jìn)行搭接焊工藝研究，觀察焊接接頭正面以及截面組織形貌，并分析不同工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形以及接頭力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，焊縫表面品質(zhì)良好，焊接接頭可達(dá)到熔透連接，焊縫的熔深和熔寬與激光功率成正比，與焊接速度成反比；在熔透連接的情況下，焊縫強(qiáng)度滿(mǎn)足雙極板的強(qiáng)度要求。焊接接頭顯微硬度呈“M”型分布。

2 金屬雙極板連接技術(shù)存在的問(wèn)題以及發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外金屬雙極板連接技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，膠粘、釬焊、電阻縫焊、攪拌摩擦焊、超聲焊接等連接方法都能實(shí)現(xiàn)金屬雙極板的有效連接，但是以上方法或多或少地存在變形大、效率低、成本高等問(wèn)題，從而影響燃料電池電堆的性能、成本和使用壽命。相比之下，激光焊接工序簡(jiǎn)單，焊接速度快，易于建立批量化生產(chǎn)系統(tǒng)，被認(rèn)為是雙極板連接工藝中最為高效和低廉的連接方式。

然而，在過(guò)去的研究和生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)金屬雙極板激光焊接過(guò)程中存在焊縫品質(zhì)缺陷（焊穿和虛焊）以及焊后變形大等問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。針對(duì)焊縫品質(zhì)缺陷問(wèn)題，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法優(yōu)化激光焊接工藝參數(shù)，避免出現(xiàn)焊縫品質(zhì)缺陷。針對(duì)焊后變形大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)合理的夾具以及研究適合的變形控制方法，減少金屬雙極板激光焊接產(chǎn)生的變形，從而提高金屬雙極板生產(chǎn)的成品率，降低金屬雙極板的生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)金屬雙極板的快速批量制造。

3 總結(jié)

金屬雙極板連接技術(shù)的研究對(duì)于提高燃料電池性能和壽命，降低燃料電池成本具有重大意義。本文分析了金屬雙極板連接技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，討論了金屬雙極板連接技術(shù)存在的問(wèn)題，指明了金屬雙極板焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為中國(guó)金屬雙極板連接技術(shù)的研究提供了一定的理論參考。