CN102049601A - 电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种焊接设备技术领域的电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置及其方法。装置包括：电源、两个电极、致动器、上焊头和下焊头。其中，致动器与上、下焊头机械连接；待焊的双极板置于上下焊头之间；电源正负极分别与两个电极相连，第一电极与上焊头或上单极板相连，第二电极与下焊头或下单极板相连。方法为电源产生电流经过双极板从而加热焊接区域，继而进行压焊；压焊完成后冷却至室温，检测双极板气密性，达到不漏水不漏气即得到成品双极板。本发明采用直接电流加热压焊，热效率高，焊接工艺简单，制得的双极板平整度好，性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种焊接设备技术领域的压焊装置及其方法，具体是一种电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置及其方法。
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，重量轻等优点，但是石墨机械加工性能较差，难以大批量生产，成本偏高，此外由于石墨脆性较大，也不适于较恶劣如车载工况下的使用。经过表面改性的金属双极板具有良好的导电性、导热性和加工性能，可以加工成超薄双极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。
目前，金属双极板的制造一般是先用金属薄板分别制成阳极和阴极流场板，然后将二者连接在一起，两板中间为冷却液流道。连接单极板的方法一般有粘接，电阻焊，激光焊等。
经文献搜索，美国专利号：US20050252892，名称为：带有导电涂层金属双极板的激光连接方法(Laser welding of conductive coated metallic bipolar plates)，该发明主要提出了金属双极板激光连接和焊后重新涂层方法。激光焊接导致金属双极板表面涂层破坏，使得金属暴露在恶劣环境下容易生锈而污染燃料电池内部环境。针对这个问题，该发明提出在连接区域重新镀上涂层方法。虽然该发明解决了激光连接容易导致金属双极板耐腐蚀性下降的问题，但却没有解决激光连接高热量导致金属板变形从而影响装配精度的问题。而且需要采用昂贵的激光焊接设备，不利于金属双极板的低成本生产。
又经文献搜索，中国专利公开号：CN101143395，名称为：一种不锈钢双极板连接方法，该方法将压制好的阳极单极板和阴极单极板的冷却剂一侧涂敷上低熔点合金焊料，并将有焊料的面相互接触，叠放在一起，放入平板热压机中，热压若干时间随后向热压机的散热通道内通人散热介质，冷却至室温后即得到双极板。该发明可以保证制得的双极板不变形、平整、强度好，但对工艺较为复杂、效率低，对焊料涂覆均匀度难以控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有燃料电池双极板焊技术中的上述不足，提出一种电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置及其方法。本发明不需额外的加热设备，有利于设备的简化，方便设备使用和维护；不需粘接剂等其他材料，工艺简单，在燃料电池工作温度范围连接强度稳定；实现了燃料电池金属超薄双极板的高效高精度连接。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及的电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置，包括：电源、控制模块、两个电极、致动器、散热系统、上焊头和下焊头，待连接的双极板置于上下焊头之间，电源正负极分别与第一、第二两个电极相连，第一电极与上焊头或上单极板相连，第二电极与下焊头或下单极板相连，从而形成回路对双极板通电加热；致动器与上、下焊头机械连接；控制模块与电源、致动器相连传输控制信息。
所述的机械相连是接触连接、螺栓连接或铆接。
所述的上、下焊头与致动器之间存在绝缘绝热层。
所述的焊头是点焊头、扁焊头、辊压焊头。
所述的散热系统是风冷系统。
所述的控制模块包括：控制系统和三个传感器，其中：第一传感器与致动器相连采集致动器的位移或者压力信息，第二传感器与上焊头或者上单极板相连采集温度信息，第三传感器与下焊头或下单极板相连采集温度信息，控制系统分别与三个传感器相连接收采集的信息，并控制电源、致动器和散热系统工作。
本发明还涉及如上所述的电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置的压焊方法，包括如下步骤：
①首先根据燃料电池双极板的流道形状设计所需要连接的区域，继而选择根据焊接区域设计的焊头。
②然后将焊头连接致动器，在连接过程中焊头控制在极板的待连接区域内；将固定在致动器工作台上极板满足上下焊头对准其待连接位置。
③然后对致动器施予预压力，对连接的电极通电，通过调节电流密度、电压实现对材料的电塑性和温度的控制。
所述的材料温度是通过温度传感器数据并调节电源和散热系统，以防止双极板产生熔化现象。
④接下来致动器将压力升高至焊接压力，完成焊接；
⑤最后切断电流，致动器回升，散热系统迅速冷却，完成连接的双极板，最后取出双极板。
本发明区别于现有技术的电阻焊之处在于：后者利用焊头之间高电流放电使得待连接工件在接触面熔化形成熔核，实现材料间的相互连接；本发明控制电流使得待连接材料表面温度不高于金属熔点，最终不形成熔核，是固相连接，不会产生飞溅等缺陷，且工件表面保存较好，抗腐蚀性较好。本发明区别于一般热压焊工艺之处在于，后者采用的加热方式为间接加热，即通过辐射对流传热方式将热量传递到工件，要求设备比较复杂，且辐射能量散射大，效率低；本发明直接对待连接的金属工件进行通电，综合利用通电材料产生的电塑性和热量，提高材料的塑性，连接效果好，加热效率高。
本发明压焊工艺是在足够大压力下使基体材料发生显著塑性变形，导致材料之间的接触面面积扩大使得金属表面原来阻碍连接的保护膜破裂，从而使待连接材料次表层纯净金属基体可以穿过表面保护膜紧密接触产生原子间的结合，从而实现材料间连接的一种固态连接工艺。按照对待压焊工件是否施加热，可将其分为冷压焊和热压焊。常温下的压焊一般称为冷压焊。由于某些金属在常温下硬度高，塑性较差，导致冷压焊所需压力大，甚至连接难以实现。因此一般将这些金属加热至一定温度(低于金属熔化温度)以提高其塑性再进行压焊，这称为热压焊。本发明采用电流直接局部加热来辅助压焊工艺。在压焊过程中直接对金属极板施以电流，所产生的电子风能够向金属的位错施加一个作用力，降低势垒，促进位错的滑移开动，减少位错的缠结，从而提高材料塑性，这种现象称为电塑性。本发明就是利用电流对材料的这种电塑性以及电流产生热效应的综合作用，再附以较小的压力，实现燃料电池金属超薄双极板的高质量连接。本发明采用的压焊工艺是固相连接，极板在焊接过程中不会产生熔化现象，从而使得极板表面质量保持较好，降低了后期表面改性的困难，提高了极板的耐腐蚀性能；本发明采用的材料电塑性和电流加热的综合作用来提高材料的塑性，需要温度低，且控制均匀，降低了由于焊接区域集中受热导致的热应力，使得极板翘曲较小，提高了极板的平整度；本发明利用材料的电塑性效应，提高材料的塑性，促进了薄板材料的连接效果，有利于提高压焊的连接质量；本发明采用的采用电辅助连接技术不需额外的加热设备，有利于设备的简化，方便设备使用和维护；此外，本发明不需粘接剂等其他材料，工艺简单，在燃料电池工作温度范围连接强度稳定。
图1是实施例1的组成连接示意图；
图2是实施例2的组成连接示意图；
图3是实施例2的组成连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方案作进一步描述：以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：电源1，第一电极2a，第二电极2b，上焊头3a，下焊头3b，双极板4，第一传感器5a，第二传感器5b，第三传感器5c，控制器、致动器7、绝缘绝热层8和散热系统9。在本实施例中，电源1与第一电极2a、第二电极2b相连，第一电极2a与上焊头3a相连，第二电极2b与下焊头3b相连，从而形成回路。第二传感器5b和第三传感器5c分别采集靠近连接区域上、下表面的温度，第一传感器5a采集致动器7的压力信息，第一、第二、第三传感器都向控制器6传输数据。控制器6根据传感器的数据产生控制信号控制电源1的电流以及致动器7的压力、位移等。绝缘绝热层8保证焊头3与致动器7之间的绝缘绝热。散热系统9可以调节温度，保证其在压焊所需的范围内。
所述的电源1为大电流可控恒流源。
所述的第一电极2a以及第二电极2b为导电性好的材料，如铜电极等。
所述的第一传感器5a为压力传感器，第二传感器5b、第三传感器5c为温度传感器。
所述的上焊头3a以及下焊头3b为高强钢制造的按照双极板待连接区域设计的压焊头。
所述的双极板4为不锈钢燃料电池双极板。
所述的致动器7是加载机构，例如液压压力机等。
所述的绝缘绝热层8是石棉。
所述的散热系统9是风冷装置。
本实施例压焊方法实施方案如下：首先致动器7通过上、下焊头给予双极板一定预压力(1-2MPa)使其接触良好，然后电源1向电极通以恒定电流(10-100A)使材料产生电塑性并加热双极板，经温度传感器5b及5c检测，当双极板温度达到指定值(100-400℃)时，增大压力致动器压力(1000-2000MPa)完成连接过程。继而断开电源1，冷却并使得致动器上升，取出双极板。
本实施例的优点是：直接电阻加热效率高，结构简单，易于控制；直接采用按照双极板焊接区域设计的焊头，易于大规模快速生产；电流同时加热焊头和板材，温度分布较均匀。
实施例2
如图2所示，本实施例包括：电源1，第一电极2a，第二电极2b，上焊头3a，下焊头3b，双极板4，第一传感器5a，第二传感器5b，第三传感器5c，控制器6、致动器7、绝缘绝热层8和散热系统9。在本实施例中，电源1与第一电极2a、第二电极2b相连，第一电极2a连接在双极板一侧，第二电极2b连接在双极板另一侧，使得整个双极板都可以通过电流。第二传感器5b和第三传感器5c分别采集靠近焊接区域上、下表面的温度，第一传感器5a采集致动器7的压力信息，第一、第二、第三传感器都向控制器6传输数据。控制器6根据传感器的数据产生控制信号控制电源1的电流以及致动器7的压力、位移等。绝缘绝热层8保证焊头3与致动器7之间的绝缘绝热。散热系统9可以调节温度，保证其在压焊所需的范围内。
所述的电源1是大电流可控恒流源。
所述的第一电极2a以及第二电极2b为导电性好的材料，如铜电极等。
所述的第一传感器5a为压力传感器，第二传感器5b、第三传感器5c为温度传感器。
所述的上焊头3a以及下焊头3b为高强钢制造的按照双极板焊接区域设计的压焊头。
所述的双极板4为不锈钢燃料电池双极板。
所述的致动器7是加载机构，例如液压压力机等。
所述的绝缘绝热层8是石棉。
所述的散热系统9是风冷装置。
本实施例压焊方法实施方案如下：首先电源1向电极通以恒定电流(10-100A)使材料产生电塑性并加热双极板，经温度传感器5b及5c检测，当双极板温度达到指定值(100-400℃)时，致动器7下压，压力达到1000-2000MPa时完成焊接。继而断开电源1，冷却并使得致动器上升，取出双极板。
本实施例的优点是：直接电阻加热效率高，结构简单，易于控制；直接采用按照双极板焊接区域设计的焊头，易于大规模快速生产；加热迅速，效率高，利于快速生产；双极板加热均匀，不易翘曲。
实施例3
如图3所示，本实施例包括：电源1，第一电极2a，第二电极2b，上焊头3a，下焊头3b，双极板4，第一传感器5a，第二传感器5b，第三传感器5c，控制器6、致动器7、绝缘绝热层8和散热系统9。在本实施例中，电源1与第一电极2a、第二电极2b相连，第一电极2a与上单极板相连，第二电极2b与下焊头相连，形成回路。第二传感器5b和第三传感器5c分别采集靠近焊接区域上、下表面的温度，第一传感器5a采集致动器7的压力信息，第一、第二、第三传感器都向控制器6传输数据。控制器6根据传感器的数据产生控制信号控制电源1的电流以及致动器7的压力、位移等。绝缘绝热层8保证焊头3与致动器7之间的绝缘绝热。散热系统9可以调节温度，保证其在压焊所需的范围内。
所述的电源1是大电流可控恒流源。
所述的第一电极2a以及第二电极2b为导电性好的材料，如铜电极等。
所述的第一传感器5a为压力传感器，第二传感器5b、第三传感器5c为温度传感器。
所述的上焊头3a以及下焊头3b为高强钢制造的按照双极板焊接区域设计的压焊头。
所述的双极板4为不锈钢燃料电池双极板。
所述的致动器7是加载机构，例如液压压力机等。
所述的绝缘绝热层8是石棉。
所述的散热系统9是风冷装置。
本实施例压焊方法实施方案如下：首先致动器7给予双极板一定预压力(1-2MPa)使其接触良好，然后电源1向电极通以恒定电流(10-100A)使材料产生电塑性并加热双极板，经温度传感器5b及5c检测，当双极板温度达到指定值(100-400℃)时，增大压力致动器压力(1000-2000MPa)完成焊接过程。继而断开电源1，冷却并使得致动器上升，取出双极板。
本实施例的优点是：直接电阻加热效率高，结构简单，易于控制；直接采用按照双极板焊接区域设计的焊头，易于大规横快速生产；加热迅速，效率高，利于快速生产；电极不随致动器运动，降低了设备复杂程度。
Claims (7)
1.一种电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置，其特征在于，包括：电源、控制模块、两个电极、致动器、散热系统、上焊头和下焊头，待连接的双极板置于上下焊头之间，电源正负极分别与第一、第二两个电极相连，第一电极与上焊头或上单极板相连，第二电极与下焊头或下单极板相连，从而形成回路对双极板通电加热；致动器与上、下焊头机械连接，控制模块与电源、致动器相连传输控制信息；
所述的控制模块包括：控制系统和三个传感器，其中：第一传感器与致动器相连采集致动器的位移或者压力信息，第二传感器与上焊头或者上单极板相连采集温度信息，第三传感器与下焊头或下单极板相连采集温度信息，控制系统分别与三个传感器相连接收采集的信息，并控制电源、致动器和散热系统工作。
2.根据权利要求1所述的电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置，其特征是，所述的机械相连是接触连接、螺栓连接或铆接。
3.根据权利要求1所述的电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置，其特征是，所述的上、下焊头与致动器之间存在绝缘绝热层。
4.根据权利要求1所述的电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置，其特征是，所述的焊头是点焊头、扁焊头、辊压焊头。
5.根据权利要求1所述的电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置，其特征是，所述的散热系统是风冷系统。
6.一种根据权利要求1所述的电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置的压焊方法，其特征在于，包括如下步骤：
①首先根据燃料电池双极板的流道形状设计所需要连接的区域，继而选择根据焊接区域设计的焊头；
②然后将焊头连接致动器，在连接过程中焊头控制在极板的待连接区域内；将固定在致动器工作台上极板满足上下焊头对准其待连接位置；
③然后对致动器施予预压力，对连接的电极通电，通过调节电流密度、电压实现对材料的电塑性和温度的控制；
④接下来致动器将压力升高至焊接压力，完成焊接；
⑤最后切断电流，致动器回升，散热系统迅速冷却，完成连接的双极板，最后取出双极板。
7.根据权利要求6所述的电流辅助的燃料电池超薄金属双极板的压焊方法，其特征是，所述的材料温度是通过温度传感器数据并调节电源和散热系统，以防止双极板产生熔化现象。
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