CN111451638B - 一种燃料电池金属双极板及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池金属双极板及其焊接方法，该焊接方法包括以下步骤：将金属双极板中的两片单极板进行定位，其中阳极板在上层，阴极板在下层，并使阳极板和阴极板流道紧密贴合；激光束依次沿金属双极板流道中间、金属双极板外圈、金属双极板流道次中间、金属双极板最外围的焊接轨迹进行位移，并且将金属双极板正反面先后顺序焊接，利用金属双极板激光焊接热变形的特性，对原始焊接方法造成的不规则变形进行校正，最终达到较高的翘曲度要求，得到的燃料电池金属双极板的翘曲度为1～2mm。

Description

一种燃料电池金属双极板及其焊接方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池金属双极板及提高其平整度的焊接方法。

背景技术

目前，金属双极板是氢氧燃料电池堆中最重要的组成部分，金属双极板用于分配反应物、导电、导热和支撑膜电极以及为排除反应生成的水提供流道。金属双极板激光焊接后的翘曲度能否达到要求决定了装堆后密封圈、膜电极接触压力各处是否均匀，进而影响电堆工作稳定性、发电效率。

现今燃料电池金属双极板焊接多采用激光焊机沿双极板四周焊接路径进行焊接的工艺，这种工艺方法不能避免激光热输入造成的焊接后冷缩变形，尤其是两层极板的吸收热量相差较大、极板外围和极板中间收缩量不同，使双极板流道隆起，裙带形成破浪型翘曲，这种变形轻则降低金属双极板与膜电极的接触面积，增加接触电阻，重则降低燃料电池堆的密封性，影响燃料电池的运行性能。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种燃料电池金属双极板及其焊接方法，解决了现今燃料电池金属双极板焊接后因冷缩变形、流道隆起和裙带形成破浪型翘曲等变形而导致的电阻增加和运行性能差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的一种燃料电池金属双极板的焊接方法，包括以下步骤：

(1)将金属双极板中的两片单极板进行定位，其中阳极板在上层，阴极板在下层，并使阳极板和阴极板流道紧密贴合；激光束沿金属双极板流道中间的焊接轨迹进行位移，按顺序完成流道中间的多个焊接路径；

(2)将步骤(1)中焊接完的金属双极板翻转，使阳极板在下层，阴极板在上层，并压紧使阳极板和阴极板的焊接轨迹紧密贴合；激光束沿金属双极板外圈的焊接轨迹进行移动，按顺序完成金属双极板外圈的多个焊接路径；

(3)将步骤(2)中焊接完的金属双极板翻转，使阳极板在上层，阴极板在下层，并压紧使阳极板和阴极板的流道紧密贴合；激光束沿金属双极板流道次中间的焊接轨迹进行位移，按顺序完成流道次中间的多个焊接路径；

其中所述流道次中间的焊接轨迹位于所述流道中间的焊接轨迹和所述外圈的焊接轨迹之间；

(4)将步骤(3)中焊接完的金属双极板翻转，使阳极板在下层，阴极板在上层，并压紧使阳极板和阴极板的焊接轨迹紧密贴合；激光束沿金属双极板最外围的焊接轨迹进行移动，按顺序完成金属双极板最外围的多个焊接路径，使金属双极板中的两片单极板熔融接合。

优选地，每条焊接路径均由金属双极板中心点向两端方向焊接，将焊接金属双极板的热膨胀量向金属双极板两端延伸。

优选地，金属双极板流道中间的焊接轨迹包括第一条焊接路径至第十四条焊接路径的14个焊接路径。

优选地，金属双极板外圈的焊接轨迹包括第十五条焊接路径至第二十六条焊接路径的12个焊接路径。

优选地，所述第十五条焊接路径至第二十条焊接路径的焊接顺序为以金属双极板中心为基准沿逆时针方向焊接，所述第二十一条焊接路径至第二十四条焊接路径的焊接顺序为对角焊接。

优选地，金属双极板流道次中间的焊接轨迹包括第二十七条焊接路径至第四十四条焊接路径的18条焊接路径。

优选地，金属双极板最外围的焊接轨迹包括第四十五条焊接路径至第六十七条焊接路径的23个焊接路径。

进一步地，所述激光束在实施所述焊接路径之前还实施焊接起始缓冲路径，在完成所述焊接路径之后还实施焊接终止缓冲路径。

本发明还提供一种燃料电池金属双极板，使用上述焊接方法进行焊接，所述燃料电池金属双极板的翘曲度为1～2mm。

本发明提供的一种燃料电池金属双极板及其焊接方法，具有如下有益效果：

1、每条焊接路径均由流道中心点向金属双极板两端方向焊接，以此方式将金属双极板的焊接热膨胀量向金属双极板两端延伸，能避免激光热输入造成的焊接后冷缩变形；

2、激光束为低功率高频率脉冲激光束，其作用是降低了金属双极板的形变量，增大了双极板和膜电极的接触面积，提高了电堆的性能；

3、设置焊接起始缓冲路径和焊接终止缓冲路径是为了确保激光束在焊接路径上的输出功率一致，保证双极板焊接的平整度；

4、本方法通过将金属双极板正反面先后顺序焊接，利用金属双极板激光焊接热变形的特性，对原始焊接方法造成的不规则变形进行校正，最终达到较高的翘曲度要求，金属双极板翘曲度达到1～2mm，通过提升金属双极板的翘曲度，装堆时膜电极各处压力均衡，压缩量趋近一致，提高了金属双极板与膜电极的有效接触面积，降低了在装堆时装堆压力在水平方向上对焊缝产生的剪切力，降低了因金属双极板变形累积导致的局部压力过大而压漏的可能性，提高了焊缝的密封可靠性。

附图说明

图1为本具体实施方式中燃料电池金属双极板的焊接轨迹示意图。

附图中：1至67分别为第一条焊接路径至第六十七条焊接路径。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的一种燃料电池金属双极板的焊接方法，提升燃料电池金属双极板的平整度，包括以下步骤：

1、将金属双极板的两片单极板(阳极板和阴极板)放置在治具上进行定位，其中阳极板在上层，阴极板在下层，保持阳极板、阴极板和焊接工装三者的相对位置不变，并放置压紧工装使阳极板流道和阴极板流道紧密贴合。

用激光束沿金属双极板流道中间的焊接轨迹进行相对位移，按顺序完成图1中第一条焊接路径1、第二条焊接路径2、第三条焊接路径3直至第十四条焊接路径14的焊接；每条焊接路径均由流道中心点向金属双极板两端方向焊接，以此方式将金属双极板的焊接热膨胀量向金属双极板两端延伸，能避免激光热输入造成的焊接后冷缩变形。

2、将步骤1中焊接完的金属双极板翻转，使阳极板在下层，阴极板在上层，并放置好压紧工装使阳极板和阴极板起到密封作用的焊接轨迹紧密贴合。

用激光束沿金属双极板外圈焊接轨迹进行相对移动，按顺序完成图1中第十五条焊接路径15至第二十六条焊接路径26。其中第十五条焊接路径15至第二十条焊接路径20，焊接顺序为以金属双极板的中心为基准沿逆时针方向焊接。其中第二十一条焊接路径21至第二十四条焊接路径24，焊接顺序为对角焊接；每条焊接路径均由流道中心点向金属双极板两端方向焊接，以此方式将金属双极板的焊接热膨胀量向极板两端延伸。

3、将步骤2中焊接完的金属双极板再次翻转，使阳极板在上层，阴极板在下层，放置在夹具上进行定位，并放置压紧工装使阳极板流道和阴极板流道紧密贴合。

用激光束沿金属双极板流道中间的焊接轨迹进行相对位移，按顺序完成图1中第二十七条焊接路径27、第二十八条焊接路径28至第四十四条焊接路径44的焊接；每条焊接路径均由流道中心向金属双极板两端方向焊接，以此方式将金属双极板的焊接热膨胀量向极板两端延伸。

该过程要求焊接工装定位准确，确保阳极板和阴极板的流道脊背对位准确，否则极易造成因流道脊背对位不准，激光焊接热量累积，导致金属双极板被焊穿，还要确保激光器焊接路径准确，否则激光焊接热量累积，导致金属双极板被焊穿。

4、将步骤3中焊接完的金属双极板翻转，使阴极板在上层，阳极板在下层，放置在焊接工装上进行定位，并放置压紧工装使阳极板和阴极板起到密封作用的焊接轨迹紧密贴合。

用激光束沿金属双极板最外围的焊接轨迹进行相对位移，按顺序完成图1中第四十五条焊接路径45、第四十六条焊接路径46、第四十七条焊接路径47至第六十七条焊接路径67的焊接。完成以上焊接路径，使两片单极板(阳极板和阴极板)熔融接合。

将阳极板和阴极板进行定位是指将二者根据在金属双极板中的使用状态进行固定，并使用夹具将两片单极板贴合紧密，在此状态下，阳极板和阴极板预先设置好的部位贴合紧密；激光束沿金属极板的焊接轨迹与金属板进行相对移动，焊接轨迹指的是若干步骤的焊接路径的总和，完成若干个焊接路径，使两片单极板熔融接合。

上述步骤1至步骤4中，激光束为低功率高频率脉冲激光束，其作用是降低了金属双极板的形变量，增大了双极板和膜电极的接触面积，提高了电堆的性能，激光器的功率调节是按照激光器的功率的百分比实现的，其中，在一些优秀的实施例中，激光束输出功率为10-100W，脉冲频率为500-3000Hz。并且激光束在开始焊接路径之前还需具有用于待激光束输出功率逐渐达到工艺要求范围的焊接起始缓冲路径，在完成焊接路径之后还需具有待激光束输出功率降低至安全范围的焊接终止缓冲路径，使得激光束的能量输出为起点缓升和终点缓降，设置焊接起始缓冲路径和焊接终止缓冲路径是为了确保激光束在焊接路径上的输出功率一致，保证双极板焊接的平整度，在一些优选的实施例中，焊接起始缓冲路径和焊接终止缓冲路径的距离为小于或等于1cm。此外还要求焊接工装定位准确，确保阳阴两极板流道脊背对位准确，否则极易造成因流道脊背对位不准，激光焊接热量累积，导致金属双极板被焊穿。还要确保激光器焊接路径准确，否则激光焊接热量累积，导致金属双极板被焊穿。

本方法通过将金属双极板正反面先后顺序焊接，利用金属双极板激光焊接热变形的特性，对原始焊接方法造成的不规则变形进行校正，最终达到较高的翘曲度要求，通过提升金属双极板的翘曲度，降低了在装堆时装堆压力在水平方向上对焊缝产生的剪切力，提高了焊缝的密封可靠性。

焊接时环境温度保持在18～40℃之间，在相同温度条件下，本方法将金属双极板翘曲度由原来的3～7mm，优化到1～2mm。装堆时膜电极各处压力均衡，提高了金属双极板与膜电极的有效接触面积，同时降低了因金属双极板变形累积导致的局部压力过大而压漏的可能性。

使得整个密封垫各处压力得到均衡，压缩量趋近一致，降低了因金属双极板变形累积导致的密封垫局部压力过小而产生泄漏的可能，从而提高了密封圈的密封可靠性。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池金属双极板的焊接方法，将金属双极板中的两片单极板进行定位，并在焊接前使阳极板和阴极板流道紧密贴合；

其特征在于，所述焊接方法包括以下焊接步骤：

在金属双极板为阳极板在上层、阴极板在下层时，使激光束沿金属双极板流道中间的焊接轨迹进行位移，按顺序完成流道中间的多个焊接路径；

在将按顺序完成流道中间的多个焊接路径的金属双极板翻转到阳极板在下层、阴极板在上层时，使激光束沿金属双极板外圈的焊接轨迹进行移动，按顺序完成金属双极板外圈的多个焊接路径；

将按顺序完成金属双极板外圈的多个焊接路径的金属双极板翻转到阳极板在上层、阴极板在下层时，使激光束沿金属双极板流道次中间的焊接轨迹进行位移，按顺序完成流道次中间的多个焊接路径；

将按顺序完成流道次中间的多个焊接路径的金属双极板翻转到阳极板在下层、阴极板在上层时，使激光束沿金属双极板最外围的焊接轨迹进行移动，按顺序完成金属双极板最外围的多个焊接路径，使金属双极板中的两片单极板熔融接合；

其中，所述流道次中间的焊接轨迹位于所述流道中间的焊接轨迹和所述外圈的焊接轨迹之间。

2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，每条焊接路径均由金属双极板中心点向两端方向焊接，将焊接金属双极板的热膨胀量向金属双极板两端延伸。

3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，金属双极板流道中间的焊接轨迹包括第一条焊接路径至第十四条焊接路径的14个焊接路径。

4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，金属双极板外圈的焊接轨迹包括第十五条焊接路径至第二十六条焊接路径的12个焊接路径。

5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述第十五条焊接路径至第二十条焊接路径的焊接顺序为以金属双极板中心为基准沿逆时针方向焊接，第二十一条焊接路径至第二十四条焊接路径的焊接顺序为对角焊接。

6.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，金属双极板流道次中间的焊接轨迹包括第二十七条焊接路径至第四十四条焊接路径的18条焊接路径。

7.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，金属双极板最外围的焊接轨迹包括第四十五条焊接路径至第六十七条焊接路径的23个焊接路径。

8.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述激光束在实施所述焊接路径之前还实施焊接起始缓冲路径，在完成所述焊接路径之后还实施焊接终止缓冲路径。

9.一种燃料电池金属双极板，其特征在于，使用权利要求1-8任一项所述的焊接方法进行焊接，所述燃料电池金属双极板的翘曲度为1～2mm。

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