CN117102652A - 一种燃料电池用金属双极板的超声波焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池用金属双极板的超声波焊接方法，燃料电池用金属双极板包括上下两层叠放的第一金属板和第二金属板，所述超声波焊接方法包括以下步骤：(1)将第一金属板和第二金属板进行清洗并烘干；(2)将第一金属板和第二金属板上下叠放后进行超声波焊接。金属双极板焊接时，第一金属板与第二金属板叠加在一块，且在第一金属板和第二金属板之间形成焊缝，而金属双极板两侧外表面完整无焊渣，不会造成预涂层的破坏，便于实现预涂层双极板的批量化生产。
Description
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用金属双极板的超声波焊接方法。
背景技术
在节能减排大环境下，具有绿色能源特性的燃料电池技术受到人们的关注，在抑制二氧化碳排放方面具有明显的优势。当前燃料电池处于技术导入期，燃料电池公交车、物流车、工程车、无人机等应用场景已经进行了大规模的示范运行。但是，当前燃料电池还面临着许多的问题，制造成本高昂、使用寿命短、体积大、系统复杂等问题。
金属双极板是燃料电池的核心组件之一。金属双极板由两块表面有流道的单板组成，将两块单板固定在一起形成两板三腔的结构。双极板通常采用先焊接后涂层或者先涂层后焊接两种工艺。现有的工艺采用激光焊接机进行激光焊接，激光由上部开始熔融与下部的双极板进行焊接，这种焊接方法很容易造成上部双极板过渡熔融，在上表面形成焊渣，破坏预涂层，或者造成后续涂层制备在焊线出结合力不佳，形成薄弱点。特别是在流场区的点焊加固点，更容易发生腐蚀对双极板和膜电极造成不可逆损伤。同时，焊接过程中较多的热量也会造成焊接过程中应力增大，影响接触电阻和装配稳定性。
比如，公开号为CN108637476A的发明公开了一种燃料电池双极板的激光焊接电磁吸附夹持装置，包括焊接机架、焊接底座、焊接辅助盖板、焊接盖板和焊接固定板；焊接机架上设有导向输送装置，将放置在焊接底座上的双极板导向输送到焊接机架上的待焊接位置的下方；待焊接位置的下方设有升降装置，升降装置与焊接辅助盖板相配合来提供焊接路径外侧的机械夹持；焊接底座上设有第一电磁力发生装置，第一电磁力发生装置电磁吸附焊接盖板上的第一磁铁对焊接路径内侧电磁吸附夹持。
超声波焊接不需要焊剂和外加热，不因受热而变形，没有残余应力，对焊件表面的焊前处理要求不高。不但同类金属，而且异类金属之间也可以焊接。可以将薄片或细丝焊接在厚板上。超声焊接良导电体的能量比电流焊接少的多，常用于晶体管或集成电路的引线的焊接。适用于镍氢电池镍氢电池镍网与镍片互熔与镍片互熔、锂电池、聚合物电池铜箔与镍片互熔，铝箔与铝片互熔、电线互熔，偏结成一条与多条互熔、电线与名种电子元件、接点、连接器互熔等。
超声波金属焊接机“开敞性”比较差，其伸入尺寸被严格限定在焊接所允许的范围内，并且其焊接形式仍然只限于搭接接头，无法进行长距离连续性焊接。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供了一种燃料电池用金属双极板的超声波焊接方法。
一种燃料电池用金属双极板的超声波焊接方法，燃料电池用金属双极板包括上下两层叠放的第一金属板和第二金属板，所述超声波焊接方法包括以下步骤：
(1)将第一金属板和第二金属板进行清洗并烘干；
(2)将第一金属板和第二金属板上下叠放后进行超声波焊接。
优选的，步骤(1)中，清洗时先进行除油清洗，除油清洗完成后在纯水中进行超声清洗；然后再将第一金属板和第二金属板放入乙醇中进行超声清洗，之后再放入纯水中进行超声清洗，然后烘干。除油清洗使用质量体积浓度为5％～30％的纯碱或烧碱清洗或者用纯净的碳氢清洗剂进行除油清洗。
优选的，步骤(2)中，焊接过程中超声波焊接头保持不变，金属双极板移动进行连续焊接。
为了进一步较少焊接过程中的焊缝，超声波焊接头采用圆锥形震头。
优选的，声波焊接的超声波频率为15～40KHz。更优选的，超声波焊接的超声波频率为20KHz。
优选的，超声波焊接的速度为50～400mm/min。更优选的，超声波焊接的速度为200mm/min。
所述燃料电池用金属双极板包括中间的流场区域以及沿长度方向两侧的入口区、出口区，
超声波焊接为波浪递推式焊接，先焊接燃料电池用金属双极板长度方向的一侧，再依次焊接宽度方向两侧，然后焊接流场区域，最后焊接长度方向的另一侧。使用这种焊接方式可以波浪递推式焊接，是指点焊接过程中按照预设焊接点逐点焊接相邻点，减少两块板焊接过程中板之间的形变和内应力积累。
超声波焊接时在惰性气氛保护下焊接。惰性气氛可以是氮气、氦气。
本发明的有益效果：
本发明采用超声波焊接金属双极板，金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将线框振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及有限的温升。接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接。金属双极板焊接时，第一金属板与第二金属板叠加在一块，且在第一金属板和第二金属板之间形成焊缝，而金属双极板两侧外表面完整无焊渣，不会造成预涂层的破坏，便于实现预涂层双极板的批量化生产。
附图说明
图1为金属双极板激光焊接与超声波焊接示意图。
图2为金属双极板的结构示意图。
图3为双极板焊接波浪式焊接分区图。
图4为金属双极板除流场区域外的焊接线位置示意图。
具体实施方式
图1所示为金属双极板激光焊接与超声波焊接的比较，可以看到使用激光焊接时，由于金属双极板朝向激光焊接装置的一面(即金属双极板的上表面)接收的能量更大，在上表面形成焊渣；而使用超声波焊接时，在金属双极板的上下两层之间形成焊缝，而金属双极板两侧外表面完整无焊渣，不会造成预涂层的破坏。
如图2所示为金属双极板的结构示意图，金属双极板的整体形状为长方形的薄板结构，由两层金属板叠放并通过超声波焊接而成，上、下两个外表面用于分别形成氢气流场所在面和空气流场所在面，两块金属板夹持的中间为冷却通道。金属双极板包括中间的流场区域以及沿长度方向两侧的入口区、出口区。超声波焊接时先焊接燃料电池用金属双极板长度方向的一侧，再依次焊接宽度方向两侧，然后焊接流场区域，最后焊接长度方向的另一侧。如图3所示为将金属双极板进行区域划分，其中A区和E区分别为金属双极板长度方向的两侧，B区和C区分别为金属双极板宽度方向的两侧，D区为流场区域，焊接时可以按照A区→B区→C区→D区→E区顺序进行焊接，当然，A区和E区先后顺序可以互换，B区和C区也可以互换。图4为金属双极板除流场区域外的焊接线位置示意图。
超声波焊接前，先将两层金属板进行清洗并烘干。清洗时先进行除油清洗，除油清洗使用质量体积浓度为5％～30％的纯碱或烧碱清洗或者用纯净的碳氢清洗剂进行除油清洗。除油清洗完成后进行超声清洗；然后再将两层金属板放入乙醇中进行超声清洗，之后再放入纯水中进行超声清洗，然后烘干。
超声焊接过程中超声波焊接头保持不变，金属双极板移动进行连续焊接。超声焊接时使用圆锥形震头，以进一步较少焊接过程中的焊缝。超声波焊接的超声波频率为15～40KHz，超声波焊接的速度为10～1000mm/min。
超声波焊接时在惰性气氛保护下焊接。惰性气氛可以是氮气、氦气。
实施例1
两块尺寸为20mm×100mm×0.1mm的316L涂层不锈钢金属单极板(两块叠加后成双极板)，将带涂层金属单极板先进行除油清洗10min，除油清洗使用质量体积浓度为5％的纯碱清洗。除油完成后将基材进行超声水洗，然后再放入乙醇中进行超声清洗，之后再放入纯水中进行超声清洗，然后烘干。
将两块清洗后的用于制备金属双极板的不锈钢板叠加后放置在超声波焊接机夹具上进行固定。双极板及其夹具固定在伺服电机带动的导轨上。按照既定的焊接路线，双极板随导轨边移动边进行焊接，超声焊接时，开启超声波焊接机，通氮气，开启冷却水，设定超声波频率为20KHZ、焊接速度为200mm/min，按照A区→B区→C区→D区→E区顺序进行焊接。焊接完成后进行气密性检测水腔无泄漏、氢腔无泄漏、氧腔无泄漏。焊接完成后进行气密性检测水腔无泄漏、氢腔无泄漏、氧腔无泄漏，对双极板进行接触电阻测试为2mΩ·cm2。
实施例2
两块尺寸为20mm×100mm×0.1mm的316L涂层不锈钢金属单极板(两块叠加后成双极板)，其余步骤与实施例1方法相同，设定超声波频率为20KHZ，焊接速度为50mm/min进行焊接。焊接完成后进行接触电阻测试为2.3mΩ·cm2。
实施例3
两块尺寸为20mm×100mm×0.1mm的316L涂层不锈钢金属单极板(两块叠加后成双极板)，其余步骤与实施例1方法相同，设定超声波频率为20KHZ，焊接速度为400mm/min进行焊接。焊接完成后进行接触电阻测试为2.3mΩ·cm2。
实施例4
两块尺寸为20mm×100mm×0.1mm的316L涂层不锈钢金属单极板(两块叠加后成双极板)，其余步骤与实施例1方法相同，设定超声波频率为15KHZ，焊接速度为200mm/min进行焊接。焊接完成后进行接触电阻测试为3.1mΩ·cm2。
实施例5
两块尺寸为20mm×100mm×0.1mm的316L涂层不锈钢金属单极板(两块叠加后成双极板)，其余步骤与实施例1方法相同，设定超声波频率为40KHZ，焊接速度为200mm/min进行焊接。焊接完成后进行接触电阻测试为3.8mΩ·cm2。
对比例1
两块尺寸为20mm×100mm×0.1mm的316L涂层不锈钢金属单极板(两块叠加后成双极板)，将带涂层金属双极板先进行除油清洗10min，除油清洗使用质量体积浓度为5％的纯碱清洗。除油完成后将基材进行超声水洗，然后再放入乙醇中进行超声清洗，之后再放入纯水中进行超声清洗，然后烘干。
将两层单极板叠放后，放入夹具中并进行固定。开启双极板激光焊接机，设定激光焊接机功率为35w，焊接速度为20mm/s，按照倒入焊接路径进行激光焊接。焊接完成后进行气密性检测水腔无泄漏、氢腔无泄漏、氧腔无泄漏，对双极板进行接触电阻测试为8.5mΩ·cm2。
从实施例1～5及对比例1数据可以看出，使用本发明超声波焊接方法制备的双极板接触电阻均较常规的激光焊接方式制备的双极板要小。超声波频率及焊接速度均不是越快越好或者越慢越好，而是在最合适的条件下具有较好的效果。
实施例6
两块尺寸为20mm×100mm×0.1mm的316L涂层不锈钢金属板(未压制流道，用于测试超声波焊接后的抗拉强度)，清洗方法同实施例1。
将两层金属板头部1/4部分进行叠加后放置在超声波焊接机夹具上进行固定。双极板及其夹具固定在伺服电机带动的导轨上。按照既定的焊接路线，双极板随导轨边移动边进行焊接，超声焊接时，开启超声波焊接机，通氮气，开启冷却水，设定超声波频率为20KHZ、焊接速度为50mm/min进行十字焊接。
焊接完成后在万能压力机上对两片金属板进行抗拉测试，测得抗拉强度为82MPa。
实施例7
其余步骤与实施例6方法相同，设定超声波频率为20KHZ，焊接速度为400mm/min进行十字焊接。焊接完成后在万能压力机上对两片金属板进行抗拉测试，测得抗拉强度为74MPa。
实施例8
其余步骤与实施例6方法相同，设定超声波频率为15KHZ，焊接速度为200mm/min进行十字焊接。焊接完成后在万能压力机上对两片金属板进行抗拉测试，测得抗拉强度为65MPa。
实施例9
其余步骤与实施例6方法相同，设定超声波频率为40KHZ，焊接速度为200mm/min进行十字焊接。焊接完成后在万能压力机上对两片金属板进行抗拉测试，测得抗拉强度为80MPa。
从实施例6～9数据可以看出，使用超声波焊接方法得到的金属双极板抗拉强度较高，并且，超声波频率及焊接速度均不是越快越好或者越慢越好，而是在最合适的条件下具有较好的效果。
Claims (8)
1.一种燃料电池用金属双极板的超声波焊接方法，燃料电池用金属双极板包括上下两层叠放的第一金属板和第二金属板，其特征在于，所述超声波焊接方法包括以下步骤：
(1)将第一金属板和第二金属板进行清洗并烘干；
(2)将第一金属板和第二金属板上下叠放后进行超声波焊接。
2.根据权利要求1所述燃料电池用金属双极板的超声波焊接方法，其特征在于，步骤(1)中，清洗时先进行除油清洗，除油清洗完成后在纯水中进行超声清洗；然后再将第一金属板和第二金属板放入乙醇中进行超声清洗，之后再放入纯水中进行超声清洗，然后烘干。
3.根据权利要求1所述燃料电池用金属双极板的超声波焊接方法，其特征在于，步骤(2)中，焊接过程中超声波焊接头保持不变，金属双极板移动进行连续焊接。
4.根据权利要求1所述燃料电池用金属双极板的超声波焊接方法，其特征在于，超声波焊接头采用圆锥形震头。
5.根据权利要求1所述燃料电池用金属双极板的超声波焊接方法，其特征在于，超声波焊接的超声波频率为15～40KHz。
6.根据权利要求1所述燃料电池用金属双极板的超声波焊接方法，其特征在于，超声波焊接的速度为50～400mm/min。
7.根据权利要求1所述燃料电池用金属双极板的超声波焊接方法，其特征在于，所述燃料电池用金属双极板包括中间的流场区域以及沿长度方向两侧的入口区、出口区，
超声波焊接为波浪递推式焊接，先焊接燃料电池用金属双极板长度方向的一侧，再依次焊接宽度方向两侧，然后焊接流场区域，最后焊接长度方向的另一侧。
8.根据权利要求1所述燃料电池用金属双极板的超声波焊接方法，其特征在于，超声波焊接时在惰性气氛保护下焊接。
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2023
- 2023-08-25 CN CN202311079404.XA patent/CN117102652A/zh active Pending
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