CN1298778A - 燃料电池带动的焊机 - Google Patents

Abstract

一种由多个液体有机燃料电池带动的电弧焊机。该燃料电池采用甲醇/水混合物作为有机供料。燃料电池产生二氧化碳作为反应生成物,该反应生成物在电弧焊接过程中作为保护气体使用。燃料电池是叠堆在一起的,以便在焊极和工件之间产生要求的电弧电压和电流。该电弧焊机包括焊接电流以控制通过焊极的电流波形,从而控制或提高通过焊极的电压。

Description

燃料电池带动的焊机

本发明涉及电弧焊接技术，特别涉及由燃料经济并可携带的电源带动的电弧焊机，尤其涉及至少部分由燃料电池带动的电弧焊机。

本发明结合使用在美国专利US5599638、US5656388、US5773162、US5795496、US5888665和US5928806以及PCT申请WO9822989、WO9845694、WO9916137和WO9939841中公开的一般类型燃料电池。这里还结合这些专利和专利申请以说明燃料电池部件的制造和该燃料电池的工作。这里还结合美国专利US4861965、US4972064、US5148001和US5961863，说明可以和燃料电池一起使用的几种焊机。

本发明涉及电弧焊接领域，特别涉及结合燃料电池作为电弧焊机部分电源的改进电弧焊机。

一般通过将电弧焊机插入电源插座或给电弧焊机装备气体发电机而向电弧焊机供电。所设计的由电源插座供电的电弧焊机局限于在具有电源插座的某个位置使用，该电源插座以额定值供应使电弧焊机工作的所需电流。这种电弧焊机的操作者需要延长电线以提高这种电弧焊机的灵活性。当电弧焊机在很远位置或处于不易于得到电源插座或得不到需要额定电流电源插座的位置时，电弧焊机本身必须装备有电源如气体发电机以向电弧焊机供应所需电流。气体发电机一般由标准石油燃料源如汽油启动。在许多工作环境中，这两种用于电弧焊机的电源装置足以满足电弧焊机的动力的需要。

在焊接工作中，在部分或全部封闭或通风不好的较远位置使用的电弧焊机会需要特殊装备。在这种位置，使用气体带动的发电机而向电弧焊机带动。在气体带动的发电机工作中要产生废气，如果吸入的废气过浓会有害于健康。此外，气体带动的发电机在工作中产生噪音。当电弧焊机在小的封闭环境中长时间工作时，该噪音会造成暂时听力损失。除了考虑到操作者的健康外，气体带动的发电机的工作还产生对环境有害和/或有不利影响的污染物。这些污染物包括噪声污染和由气体带动的发电机的燃料燃烧产生的燃烧生成物。由于一般由煤燃烧发电机和核动力电厂来发电，两种发电方式会危害环境，因此电带动的电弧焊机也会有污染问题。除能源涉及的污染外，能量的消耗持续增加。由于世界范围的油供应和煤供应紧缺，汽油的成本和由煤燃烧发电机发电的成本会持续强劲增长。能源成本提高一般会放慢和阻碍工业部门的发展。

尽管这些问题已经存在一段时间了，但是至今为止除了使用电弧焊机的气体带动发动机或由外接电源带动电弧焊机外别无选择。电池带动的电弧焊机非常笨重而且有寿命非常有限。此外，一旦电池放电，则必须处理该电池，这会影响其本身所处的环境。此外，许多电池需要高浓度酸，如果呼吸了该酸冒出的气或如果该酸沾到人皮肤上则是非常有害的。该酸还是环境污染物，需要进行特殊的、花费很高的处理。太阳能电源是另一种电源，但不适于用在电弧焊机上。特别是在小环境中，由于必须能产生需要功率值的太阳能电池板尺寸过大而不能使用。此外，太阳能电池板需要阳光，这样在阴天或封闭环境中，太阳能电池就不能产生需要的电能。太阳能电池板还非常昂贵，因此在成本上也阻碍了其用在电弧焊机上。由于风力发动机结构笨重而且需要风力，因此也不适用。电池、太阳能电池板和风力发动机比较笨重更突出了电弧焊机的尺寸问题。焊机中的电路由电弧焊机的功率要求限制到一定尺寸。需要保护气体的电弧焊机必须包括大气罐以提供保护气体。大的保护气体罐与笨重的电源组合则使电弧焊机不能在许多环境中广泛使用。

由于考虑到与电弧焊机选择的电源有关的问题，因此需要改进电源，使其有益于环境，可以在各种场所使用，并且结构简单，可安全工作。

本发明涉及一种电弧焊接金属板的方法和设备，特别涉及包括采用燃料电池作为能源以全部或部分带动电弧焊机的电弧焊接方法和设备。

根据本发明最佳实施例，提供一种燃料电池电源，具有正极端子和负极端子、供应穿过焊极和工件的焊接电流的焊接电流电路。燃料电池是电化学电池，其中由燃料氧化反应产生的自由能改变转换成电能。在一个实施例中，使用有机/空气燃料电池使有机燃料氧化在阳极形成二氧化碳，同时在阴极使空气或氧气还原为水。由于有机燃料具有高的特殊能量，因此采用有机燃料的燃料电池极具吸引力。在另一实施例中，燃料电池是“间接”或“重整装置”燃料电池或“直接氧化”燃料电池。在间接燃料电池中，燃料是经催化改良和处理的。对于有机燃料，将燃料催化改良和处理成一氧化碳-游离氢，在燃料电池的阳极使氢氧化。在直接氧化燃料电池中，将燃料直接送入燃料电池而不作任何预先化学改性，燃料在阳极氧化。直接氧化燃料电池不需要燃料处理阶段。因此，直接氧化燃料电池一般不复杂，尺寸上比间接燃料电池小。

根据本发明另一方面，燃料电池包括高-表面-面积电-催化阳极和/或阴极。在一个实施例中，燃料电池结构包括高-表面-面电解-载体的金属粉末阳极和/或阴极。在该实施例的一方面，与TEFLON粘结剂结合的合金粉末应用在碳纤维一基载体上以产生气体散布阳极和/或阴极。在另一实施例中，阳极和/或阴极用于气体和/或液体供料。在另一实施例中，阳极和/或阴极是可浸透的，以便使微孔适当浸润。

根据本发明另一实施例，燃料电池的阳极和/或阴极由提高焊极浸润性的物质覆盖。根据本发明这一特定方面，包括全氟化磺酸(perfluorinated sulfonic acid)的化合物覆盖在阳极和/或阴极上以提高阳极和/或阴极的浸润性。这种覆盖降低了液体/催化剂界面的面际张力，并导致阳极和/或阴极微孔和颗粒由液体燃料熔液更加均匀浸润，提高了电催化剂的利用。这种覆盖还可提供与固体电解质薄膜的离子连续性，并使由燃料氧化反应产生的质子或水合氢离子进行足够传递。这种覆盖还可便于从阳极和/或阴极的微孔中释放二氧化碳。通过使用全氟化磺酸，在阳极和/或阴极/电解质界面上不强烈吸收阳离子群。因此，甲醇的电-氧化的动力学比磺酸电解质中的动力学更容易。可以使用或与全氟化磺酸结合使用的其它具有要求性能的亲水性质子-导电添加剂，包括蒙脱粘土、烷氧基纤维素、环状糊精、沸石混合物、和/或锆氢磷酸盐。

根据本发明另一方面，液体燃料用于燃料电池中。在一个实施例中，液体燃料在燃料电池中经过清洁和有效的电化学氧化反应。对于直接氧化燃料电池，通过有机化合物在燃料电池中的阳极氧化而容易控制有机燃料的有效利用。在一个实施例中，有机电池包括甲醇、甲醛、甲酸、二甲基甲烷(dimethoxymethane)、三甲基甲烷(trimethoxymethane)和/或三氧杂环己烷。

根据本发明另一方面，燃料电池是不需要酸电解质的直接型液体供料燃料电池。在一个实施例中，固体聚合物电解质薄膜与多孔的并能浸润燃料的电池-型阳极结合使用。在另一实施例中，电池-型阳极结构和阴极结合在固体聚合物电解质薄膜的任一侧。有机供料的溶液基本没有酸，该溶液循环通过组件的阳极侧。固体聚合物薄膜具有极好的电化学和机械稳定性、高离子导电性，并起电解质和分离片的作用。此外，当采用有机供料如甲醇时，与阳极和/或阴极/磺酸界面相比，在阳极和/或阴极/薄膜-电解质界面有机供料的电氧化和空气或氧气的电还原的动力学更容易。在另一实施例中，固体聚合物电解质是质子-导电阳离子-交换薄膜。在该实施例的一特定方面，薄膜包括四氟乙烯、全氟化磺酸聚合物、聚苯乙烯磺酸、多聚物(亚乙烯基氟化物)、聚氢碳磺酸和/或四氟乙烯和全氟化乙烯醚的共聚物。在该实施例的另一特定方面，可以使用的改良全氟化磺酸聚合物、聚氢碳磺酸构成的薄膜包括但不限于磺酸盐聚醚酮醚(sulfonated polyether ether ketone)和/或多聚物(亚苯基醚砜)。在另一实施例中，交换薄膜由两种或多种不同种类的质子交换薄膜组成的。在又一实施例中，薄膜允许燃料电池工作在至少120℃以上的温度下。在另一实施例中，由于没有酸性电解质，因此燃料电池基本没有燃料电池中的昂贵抗腐蚀部件。在另一实施例中，薄膜厚度大约为0.05至1mm。

根据本发明另一方面，燃料电池的阳极由昂贵的铂-基合金和非昂贵金属的高表面面积颗粒构成。在一个实施例中，可将两种或三种元素成分用于有机燃料的电-氧化。在另一实施例中，铂合金构成阳极，铂合金的铂成分在10％至90％变化。在该实施例的一特定方面，铂合金包括钌、锡、铱、锇和/或铼。在另一实施例中，铂合金中的所有或部分铂由钯、钨、铑、铁、钴、钛、铱、铬、锰、钼、铌、锆、锇、氧化钛和/或镍替换。在另一实施例中，铂合金颗粒呈细金属粉末形式，即“无载体的”，和/或支撑在高表面面积材料上。在一特定方面，高表面面积材料包括碳材料。在另一实施例中，铂合金加在电催化剂层内，大约在0.05至4.0mg/cm²的范围内。在另一实施例中，氧化钛、铱和/或锇添加到铂合金中以改进燃料电池性能。在另一实施例中，阳极上的颗粒的平均颗粒大小大约为0.5至8微米。

根据本发明另一方面，燃料电池的阴极由颗粒构成，该颗粒包括铂，该铂用能透过质子的薄膜作为载体或不用其作为载体。在一个实施例中，铂颗粒支撑在含碳材料上。在另一实施例中，阴极包括提高阴极的疏水性的材料。在该实施例的一个方面，提高疏水性的该材料包括四氟乙烯。在另一实施例中，铂颗粒加在电催化剂层中，大约在0.05至4.0mg/cm²的范围内。在另一实施例中，阴极上颗粒的平均颗粒大小约为0.5至8微米。

根据本发明另一方面，燃料电池是再生燃料电池。在一个实施例中，燃料电池将二氧化碳还原成氧化的碳氢化合物和氧气。在另一实施例中，氧化的碳氢化合物包括甲基碳、甲酸甲酯、甲醛和/或甲酸。

根据本发明另一方面，多个燃料电池叠堆在一起以提高由燃料电池产生的电压和/或电流。在一个实施例中，多个燃料电池并联在一起。在另一实施例中，多个燃料电池串联在一起。

根据本发明另一方面，一个或多个燃料电池的生成物至少部分用做电弧焊机的保护气体。在一个实施例中，由燃料电池产生的保护气体包括二氧化碳和/或一氧化碳。在另一实施例中，在把产生的气体传递到焊池中去之前，使用干燥器、凝结器和/或除气器将不需要的气体和/或液体从产生的气体中去除。在另一实施例中，保护气体控制器用于调节传递到工件的保护气体量和/或控制传递到工件的保护气体压力。

根据本发明另一方面，焊接电极是自耗焊极。在一个实施例中，该自耗焊极是焊剂有芯焊极，包括在有芯焊极内的焊剂系统，焊接过程中提供保护气体和/或要求的熔渣。在该实施例的一个方面，自耗有芯焊极包括芯内的合金金属，从而获得焊道成分，该焊道成分基本类似于要焊接在一起的工件的成分。具有匹配工件成分的焊道形成结实、持久的高质量焊道。在另一实施例中，自耗焊极是焊剂覆盖焊极或实心金属焊极。

根据本发明的另一方面，焊接电路设计成在短路电弧焊机中使用。在一个实施例中，焊接电路包括控制短路状态中的电流的第一电路，其中自耗有芯焊极端部的熔融金属通过表面张力作用由转移(transfer)电流首先转移到熔融金属池中。在该实施例的一个特定方面，该转移电流包括穿过缩短的熔融金属的高电流收缩(pinch)脉冲，有助于熔融金属从焊极转移到焊池中去。在另一实施例中，焊接电流电路包括第二电路以产生熔融电流。在该实施例的一个特定方面，熔融电流是穿过电弧的高电流脉冲。最好，该高电流脉冲具有预选能量值或瓦数，用于在焊极与焊池隔开时，熔融自耗焊极端部的相对恒定体积的金属。在另一实施例中，焊接电流电路的第二电路在起弧状态下提供高能量增压。在该实施例的一个特定方面，该高能量增压具有用于在焊丝与焊池隔开时熔融自耗焊丝端部相对恒定体积的金属的预选I(t)面积或能量。在该实施例的另一特定方面，在高电流增压或等离子体增压中产生的能量足以产生直径不超过焊丝直径两倍的球形金属球。在另一实施例中，在初始高电流增压后，使高电流保持一预选时间间隔，接着降低，使得在焊极上作用要求的能量值或瓦数以熔融要求体积的焊极。在该实施例的一个特定方面，高电流的降低是在以使电流在一段时间间隔内衰减的形式进行的。在另一实施例中，焊接电流电路限制传递到焊极的能量值，以便防止工件端部不必要的熔融。

根据本发明的另一方面，焊接电流电路包括产生本底电流的电路。在一个实施例中，该本底电流是低水平电流，该低水平电流是在短路状态结束后维持刚好高于必须保持电弧的水平。在另一实施例中，在整个焊接循环中保持本底电流，从而确保在焊接中不会偶然灭弧。

根据本发明的另一方面，焊接电路包括在焊接过程中在极性之间切换的控制器。在一个实施例中，在单个焊接循环中的正极性和负极性脉冲的持续时间是相同的。在另一实施例中，在单个焊接循环中的正极性和负极性脉冲的持续时间是不同的。在另一实施例中，在单个焊接循环中发生正极性脉冲，在另一焊接循环中发生负极性脉冲。在另一实施例中，控制器是由软件控制的。

根据本发明的另一方面，使用的是林肯电器公司(Lincoln ElectricCompany)的STT焊机或进行STT短路焊接过程。在一个实施例中，STT过程使用有芯焊极。在另一实施例中，STT过程使用自耗焊极并使焊极为负极性。当使用STT焊机的焊极负极性过程时，工件熔融部分是热的，该熔融部分的冷却需要时间以便将焊道拉回。在该实施例的一个方面，本底电流降低以便降低熔融部分的热度。该电流调整减少了整个焊接过程的热量。通过使STT焊机的极性反向成焊极正极性状态，可使工件熔融部分变得过冷。为克服焊接熔融部分变冷，在整个焊接过程中，STT焊机或过程在标准焊极负极性和焊极正极性之间进行变换。热量以这种方式得到控制而不改变本底电流水平。通过调整负焊极对正焊极焊接的比率而控制熔融部分的热量以便选择温度。

根据本发明的另一实施例，焊极是非自耗焊极，在一个实施例中，非自耗焊极包括钨。

根据本发明的另一方面，焊接电路设计成TIG焊接。在一个实施例中，在焊接过程中焊接电路变换极性。在另一实施例中，在焊接过程中的正极性脉冲和负极性脉冲的持续时间是不同的。在另一实施例中，在焊接过程中的正极性脉冲和负极性脉冲的持续时间是相同的。在另一实施例中，焊接电路将直流电转换成交流电。在该实施例的一个特定方面，由高速电源开关实现电流变化，至少使一个开关为导电的同时而另一开关为非导电的，反之亦然。在该实施例的另一特定方面，焊接电路包括具有第一部分和第二部分的高电抗反应器或扼流器，第一部分在负极性方向连接穿过电源进行热循环，接着通过在反方向使反应器或扼流器的第二部分穿过工件而使该过程反向。在该实施例的另一特殊方面，通过软件控制实现电流变化。

根据本发明的另一实施例，焊接电流包括增压-大容量电路以提高从焊接电源到焊极的电压。

本发明的首要目的是提供一种在两金属板之间形成高质量焊道的电弧焊接系统和方法。

本发明的另一目的是提供一种包括至少部分提供在焊极和工件之间产生电弧的电源的燃料电池的电弧焊接系统和方法。

本发明的另一目的是提供一种有益于环境的电弧焊接系统和方法。

本发明的另一目的是提供一种降低工作中的噪声和/或空气污染的电弧焊接系统和方法。

本发明的另一目的是提供一种便携式的并能在各种环境中使用的电弧焊接系统和方法。

本发明的另一目的是提供一种包括直接氧化燃料电池的电弧焊接系统和方法。

本发明的另一目的是提供一种包括燃料电池电弧焊接系统和方法，该燃料电池产生一种或多种至少部分用作保护气体的生成物气体。

本发明的另一目的是提供一种包括使用有机液体供料的燃料电池的电弧焊接系统和方法。

本发明的另一目的是提供一种包括多个叠堆的燃料电池的电弧焊接系统和方法。

本发明的另一目的是提供一种在工件焊接中准确跟踪要求的电流外形轮廓的电弧焊接系统和方法。

本发明的另一目的是提供一种包括燃料电池的电弧焊接系统和方法，该燃料电池具有至少一个位于燃料电池的阳极和阴极之间的质子导电薄膜。

本发明的另一目的是提供一种包括燃料电池的电弧焊接系统和方法，该燃料电池具有至少一个质子导电薄膜，防止通过燃料的有机供料薄膜的迁移。

本发明的另一目的是提供一种短路电弧焊接系统和方法，用于向焊极上施加控制的能量值以在工件上形成焊道。

本发明的另一目的是提供一种产生焊道的电弧焊接系统和方法，该焊道具有的成分基本类似于工件成分。

本发明的另一目的是提供一种采用有芯焊极形成高质量焊道的电弧焊接系统和方法。

本发明的另一目的是提供一种改变焊接过程中的焊接电流的电弧焊接系统和方法。

本发明的另一目的是提供一种通过调节焊极正向电流与焊极负向电流比率而控制焊接熔融部分热量的电弧焊机系统和方法。

本发明的另一目的在于提供一种提高焊极电压的电弧焊接系统和方法。

通过阅读下面由附图公开的最佳实施例的说明，这些和其它目的、优点对本领域技术人员来说是显而易见的。

现在参照附图，附图给出了本发明所采用的结构形式、一定的部件和部件设置的各种实施例，其中：

图1给出了由燃料电池带动的电弧焊机示意图，其中根据本发明最佳实施例由燃料电池向电弧焊机提供保护气体；

图2给出了电弧焊机示意图，该电弧焊机由采用多个液体供料有机燃料电池(liquid feed organic fuel cell)的多电池燃料系统带动并包括控制焊极电流和/或电压的焊接电路；

图3是图1中的液体供料燃料电池的电压与电流密度关系特性曲线图；

图4是图1中液体供料燃料电池的功率密度与电流密度关系特性曲线图；

图5是图1中液体供料燃料电池的加载控制特性随瞬态响应时间变化曲线图；

图6给出图2所示电弧焊机的示意图，其中显示的焊接电路包括焊接控制器和大功率转换器(bulk power converter)；

图7给出了图2所示电弧焊机的示意图，其中显示的焊接电流包括焊接控制器和增大功率转换器；

图8至10是显示图1的焊接电路的其他实施例的简化的电路图，控制通过电弧焊机焊极的电流波形；

图11是另一实施例简化的电路图，显示了包括在图1的焊接电路中的倒相器。

现在参照附图，其中附图只是用于显示本发明最佳实施例而不是为了对本发明进行限制，图1显示了将两个或多个工件30焊接在一起的电弧焊机20。电弧焊机20包括焊头40和焊接体50。焊头40包括焊嘴42。焊嘴42用于将焊极指向工件。自耗焊极60从线辊70上绕出来下并送入焊接体50内。自耗焊极穿过焊接体50，通过焊头40，然后由焊嘴42引导指向工件30。没有显示在焊接过程中控制焊极输送速度的焊丝输送器。由连接到保护气体源80的气管82向焊接体50供应保护气体。没有显示保护气体控制器，该保护气体控制器在焊接过程中控制保护气体如二氧化碳流向工件的流速。电弧焊机由电源90带动。如图1所示，电源90只是一燃料电池100；但是，燃料电池100可以结合多个燃料电池和/或其它电源使用以向电弧焊机供电。燃料电池产生由燃料电池正负焊极所示的直流电。负极102通过导线104连接工件30。正极106通过导线108连接焊接体50。最好，可以使燃料电池100产生可变电流。所示燃料电池100产生由气管84导向保护气体源的反应生成物。下面会进一步说明由燃料电池100产生的反应生成物。电弧焊机的基本部件即焊极、焊头、焊接体是标准焊机部件，因此这里就不作进一步的说明了。

燃料电池100设计成作为电弧焊机20的部分或全部电源，并且还在工件30的电弧焊接中提供必要保护气体。燃料电池最好设计成与产生电弧焊机电源中生成的有机供料生成物和对环境无害的反应生成物一起使用。这样选择有机供料，使得在电弧焊接工作中至少使用一种反应生成物作为保护气体源。结果，使用燃料电池具有便于携带、有益于环境、降低空气和噪声污染并减少了其它保护气体源的优点。减少其它保护气体源则降低与保护气体相关的成本以及减少获得这种气体所受到的分配限制。液体供料燃料电池将燃料的化学能直接转换成电能而不用燃烧燃料。燃料电池具有优于普通电源的许多优点，如燃料电池的燃料是普遍使用的与水混合的物质，如甲醇(还称为木酒精)。甲醇很便宜，易于由煤或天然气制得。燃料电池的另一优点是其在较低温度(水的沸点以下)下工作并且结构小巧。低温度工作避免为减轻安全危害性而进行的特殊高融化材料的笨重隔热和结构加强。燃料电池也不产生有毒副生成物。甲醇燃料完全转换成二氧化碳(CO₂)和水。燃料电池制造起来很简单并且较便宜，只不过包括一覆盖有铂或其它贵金属的薄膜。电池本身没有移动部件。其贵金属少量使用并在装置寿命终止后可以完全再利用和回收。没有移动部件使燃料电池在工作中无噪声。燃料电池还将燃料理论能量值的34％转换成有效功率，这是现有汽油发动机效率的两倍。

现在参照附图2，更详细显示了电能源90。所示的电能源90包括电池100的叠堆(stack)110。没有显示每个电池，每个电池包括阳极、阴极和固体聚合物质子导电阳离子交换电解质薄膜。阳极、阴极和固体聚合物电解质薄膜最好是单个的多层复合结构，这里指的是薄膜焊极总成。在US5599638中公开了对每个电池100的详细具体说明，这里结合它作为参考。泵120被提供用于将有机燃料和水溶液泵进燃料电池的阳极室。通过叠堆110上的出口112抽回有机燃料和水的混合物，并通过循环箱130使其再循环。在燃料电池的阳极室中形成的二氧化碳通过出口114排出。设置氧化剂供给源140向燃料电池的阴极室内输送氧气和/或空气。由氧化剂供给源140供应的氧气和/或空气可以是瓶装氧气供应源、吹风扇和/或空气压缩机。通过出口114从叠堆110抽回空气和水和/或氧气和水的混合物并将其传送到水回收装置150。水回收装置150进行工作，从水中分离出空气和/或氧气。由装置150分离出的一部分空气和/或氧气返回到氧化剂供给源140以便再进入叠堆110。由氧化剂供给源140将新鲜空气和/或氧气加入到返回的空气和/或氧气中。将装置150分离的水送入燃料和水注入装置160，燃料和水注入装置160还接收来自储存罐170的有机燃料如甲醇。注入装置160将来自回收装置150的水和来自罐170的有机燃料混合，通过使燃料溶解到水中而形成燃料和水溶液。

将注入装置160提供的燃料和水溶液送入循环罐130。通过出口112将包含二氧化碳的燃料和水混合物从叠堆110中抽回，并通过热交换器180送入循环罐130。因此，循环罐130接收来自注入装置160的燃料和水溶液以及来自热交换器180的包含二氧化碳气体的燃料和水溶液。循环罐130从燃料和水混合物中分离出二氧化碳并通过排气口84放出二氧化碳。将所得到的燃料和水溶液通过泵120送入叠堆110。循环罐130还可以位于叠堆110和热交换器180之间，以便在热交换器之前去除二氧化碳，由此改进热交换器的性能。没有显示可以在混合物送入到燃料电池的叠堆之前加热甲醇/水混合物的放热器。没有显示可以在混合物开始流向叠堆之前加热甲醇/水混合物的冷启动加热器。没有显示可以检测甲醇浓度以保持混合物中要求的浓度的甲醇传感器。没有显示可以检测氧气浓度以保持燃料电池中的要求浓度的氧气传感器，。

现在将更详细说明图2中显示的各个部件的工作。循环罐130最好是具有大头部空间的塔。将从注入装置160接收的液体燃料和水混合物加入到塔的顶部。将具有二氧化碳的燃料和水混合物送入塔的底部。从燃料和水混合物中释放的二氧化碳气体聚集在头部空间，最后通过CO2处理装置80排出并通过管路82送入电弧焊机20。二氧化碳处理装置80可包括没有显示的洗涤装置、压缩机、干燥机和/或冷凝器以净化来自循环罐130的CO2和/或使其增压。另外，包含二氧化碳的燃料和水混合物可以穿过一系列微孔材料管，使气体通过微孔材料的管壁释放，同时液体燃料沿管轴向流动。

可以在叠堆110的阳极室内采用静态再循环系统(未示)以从燃料和水混合物中分离出二氧化碳，使得不需要设置外部循环罐。由于具有这样一种系统，其固有的浮力使二氧化碳气泡在阳极室内垂直上升。由二氧化碳气体气泡包围的液体燃料混合物的粘性相互作用将液体燃料在出口114方向向上带起。液体一出阳极室就释放气体并与周围环境交换热量并冷却，因此，比电池中的液体更浓。将更浓的液体通过进口送入阳极室底部。静态再循环系统不消耗泵上的电能，而是利用电池中产生的热和气体。上述过程形成静态再循环系统的基础。

在采用燃料电池给电弧焊机通电之前，燃料电池叠堆的阳极室充满有机燃料和水混合物，阴极室充满空气或氧气。在工作中，有机燃料循环通过阳极，同时氧气或空气循环通过阴极。当电路200连接在叠堆的阳极和阴极之间时，在阳极发生有机燃料的电氧化，在阴极发生氧气的电还原。阳极和阴极发生的不同反应提高了两焊极之间的电压差。由阳极的电氧化产生的电子通过焊接电路200传导并且最后由阴极俘获。阳极产生的氢离子或质子穿过薄膜直接传递到阴极。由通过薄膜的离子流和通过焊接电路的电子维持电流。

现在简要说明燃料电池的阳极、阴极和薄膜的构成。阳极、阴极和薄膜构成合成分层结构。在最佳实施例中，薄膜由全氟化质子交换薄膜材料如四氟乙烯和全氟化乙烯醚磺酸的共聚物构成。也可以使用其它薄膜材料。例如可以使用改良的全氟化磺酸聚合物、聚氢碳(polyhydrocarbon)磺酸的薄膜和两种或多种质子交换薄膜的合成物。薄膜设计成在燃料电池工作中穿过的燃料为最小并允许质子穿过薄膜。

阳极是由铂-钌合金颗粒构成，该合金颗粒既可作为纯金属粉末，即“无载体的(unsupported)”，也可分散在高表面区域碳上，即“有载体的(supported)”。可以采用碳纤维层垫板以与电催化剂的颗粒电接触。另外，可以通过化学方法置备无载体和有载体的电催化剂，氟化物聚合物粘合剂和散布的或在碳纸上上墨以产生阳极。可使用铂-基合金而不是铂-钌，其中的第二金属是锡、铱、锇和铼。一般，合金的选择要根据在燃料电池中使用燃料。铂-钌最好是用于甲醇的电氧化。对于铂-钌来说，在电催化剂层中的合金颗粒的加载最好在大约0.05-4.0mg/cm²的范围内。在较高加载水平而不是低加载水平实现更有效的电氧化。阳极结构是多孔的并能浸湿液体燃料。此外，阳极结构必须具有电子或离子导电性以有效将电子传递到阳极集电器(碳纸)并将氢离子/水合氢离子传递到电解质薄膜。此外，阳极结构必须有助于实现阳极的良好气体离析(evolving)特性。

阳极的电催化剂层和碳纤维载体最好用亲水性质子-导电聚合物添加剂浸润。在阳极内部分地提供该添加剂，以使由电氧化反应产生的质子和水合氢离子有效传递。离子键(ionomeric)添加剂还促进由燃料/水溶液对焊极微孔的均匀浸湿，并更好利用电催化剂。还改进了通过降低阳离子吸收的甲醇电氧化动力性。此外，离子键添加剂的使用有助于实现阳极的良好气体离析特性。添加剂应该是亲水性的、质子-导电的、电化学稳定的，并且不应该阻碍液体燃料的氧化动力性。可以使用的亲水性质子-导电添加剂包括碳氟化物聚合物和碳氟化物磺酸聚合物的共聚物、蒙脱粘土、沸石、烷氧基纤维素、环状糊精和/或锆氢磷酸盐。要求0.05至0.5mg/cm²的加载。具有超过10％的添加剂的焊极组成可导致燃料电池内阻抗升高和与固体聚合物电解质薄膜的不良粘接。具有低于2％添加剂的组成一般不会提高焊极性能。

阴极是气体散布焊极，其中铂颗粒粘接到薄膜的一侧。阴极最好由粘接到与阳极相对的薄膜一侧的无载体和有载体的铂构成。由于具有阳极，阴极金属颗粒最好安装在碳垫板材料上。电催化剂颗粒在碳垫板上的加载最好在0.5至4.0mg/cm²范围内。电催化剂合金和碳纤维垫板最好包括氟化物聚合物以提供需要产生三相边界的疏水性和获得由氧气的电衰减产生的水的有效移动。

在工作中，在浓度范围大约为0.5至3.0摩尔/升的燃料和水的混合物(最好包含非酸性或飞碱性电解质)循环通过阳极。最好，流速采用在10至500毫升/分钟范围内。当燃料和水混合物循环过阳极时，发生下面释放电子的甲醇电池电化学反应：

阳极： 。

通过出口114将由上述反应产生的二氧化碳与燃料和水一起抽出，并在气体-液体分离器150中将其与溶液分离。燃料和水溶液接着由泵120再循环进电池。

阳极电化学反应的同时，在阴极发生另一俘获电子的包括氧气电衰减的电化学反应。

阴极： 。

由方程1和2描述的单独焊极反应产生由下式给出的甲醇燃料电池整个反应：

燃料电池： 。

在燃料的足够高浓度下，可以维持电流密度大于500mA。已经发现在低电流密度下最好进行低流速甲醇供料，在高电流密度下工作时最好进行高流速甲醇供料，以提高有机燃料大量传递到阳极的速度，以及除去由电化学反应产生的二氧化碳。

最好氧气和空气在0至30磅/英寸²范围的压力下循环通过阴极。压力高于环境可促进氧气大量传递到电化学反应的位置，特别是在高电流密度下。在阴极的电化学反应产生的水通过出口114由氧气流从阴极进行传递。

质子导电固体聚合物电解质薄膜的厚度应该是在0.05至0.5mm范围内的稳定尺寸。薄膜薄于0.05mm会导致薄膜焊极总成具有不良机械强度，而薄膜厚于0.5mm时会造成通过由液体燃料和水的聚合物膨胀引起的过大的和破坏性的尺寸改变，并且还产生过大阻抗。燃料电池薄膜的离子导电性应该大于1ohm^-1cm^-1以获得可容许的内阻抗。如上所述，薄膜应该对液体燃料具有低渗透性。可以根据温度和燃料工作持续时间使用聚乙烯和聚丙烯磺酸、聚苯乙烯磺酸和其它聚氢碳-基磺酸薄膜。具有不同酸性当量的、或变化的化学组成(如改进的酸性组或聚合物主要成分)的、或改变的水成分、或不同类型和交联(如由多架阳离子如Al3+，Mg2+等的交联)范围的由两种或多种类型质子导电阳离子交换聚合物构成的合成薄膜可以用于获得高离子导电性、对液体燃料的低渗透性和良好的电化学稳定性。

如对上述说明所理解那样，采用质子-导电固体聚合物薄膜作为电解质获得液体供料直接氧化有机燃料电池，而不需要游离溶解酸或基本电解质。主要的或唯一的电解质是质子导电固体聚合物薄膜。由于没有游离酸，因此避免了电池组件的酸-诱发的腐蚀，该腐蚀可在电流-技术酸基有机/空气燃料电池中发生。这大大提高了选择燃料电池和相关子系统材料的灵活性。此外，与包含氢氧化钾作为液体电解质的燃料电池不同，由于不形成可溶解碳酸盐，因此其电池性能不降低。还通过使用固体电解质薄膜，避免寄生分流。

图3用对应于以mA/cm²表示的电流密度而画出的燃料电池电势来显示燃料电池性能。图3显示在处于90℃下的一摩尔甲醇溶液中和在20磅/英寸2压力下的空气混合物中输送的燃料电池性能。显示了由该燃料电池可在大约400mA/cm²保持约为0.48V。燃料电池的优化包括在电池的电流密度和效率之间进行平衡。图4显示作为电流密度函数的功率密度。最佳工作点获得约230mW/cm²的功率密度。该最佳工作点在400和700mA/cm²之间的电流密度范围内。该范围的电池电压在0.48和0.31伏之间。现在参照图5，显示了燃料电池的瞬态响应。所示的燃料电池的瞬态响应约为500至800ms。这种很短的瞬时响应适用于电弧焊机，因此不需要大能量存储件。

由方程V=15+0.05I表示的焊接加载曲线已得到很好的认识。当单个电池的电压约0.44伏时，为获得足以进行焊接的电压，多个单独燃料电池必须串联。由于功率转换电路中的损耗、电缆损耗和焊接加载的瞬态需要，因此可预测到几个边界电压。该边界基于典型焊接条件的设计经验，可多少依赖于实际环境。电池的横截面a1面积由要求的加载电流和电池的工作电流密度确定。

现在参照图6，显示了包括大功率转换器的焊接电路。下面的表格给出当采用大转换器时叠堆结构的数据，假定在典型焊接加载和工作条件下。为了计算燃料电池的叠堆结构，假定下面的工作数据是作为燃料电池工作点：220mW/cm²和500mA/cm²(0.44伏)。

叠堆结构——大功率转换器阶段

焊接电流(A)	焊接电流(V)	加载功率(kW)	电压边界(V)	整个电压(V)	叠堆中电池的数量	电池的横截面积(cm)
							0	15.5	0.0	13	28	63	0
100	20.0	2.0	14	34	77	113
							150	22.5	3.4	14.5	37	84	175
300	30.0	9.0	16	46	104	376
							300	30.0	9.0	16	46	104	376
400	35.0	14.0	17	52	118	516
							500	40.0	20.0	18	58	131	664

叠堆110的正极位于供应氧化剂的一侧并连接到功率转换电路200的输入端。负极连接位于供应燃料的一侧并连接到工件30的一端。焊接电路200用于响应与焊接电压、焊接电流或二者成比例的反馈信号而调节焊接电流。反向连接焊接焊极和工件会使焊接加载电流反向。CO₂焊接过程常常需要DC负焊极结构。

图6显示在燃料电池系统图表中的合适点的CO₂聚集。叠堆110产生大量用于焊接的CO₂。该CO₂可包含必须在向焊接电弧输送气体前去除的少量水或甲醇蒸汽。需要气体干燥机保证该气体不沾染蒸汽。燃料电池一般工作在超过环境压力的压力下，因此通常不需要压缩CO₂。但是，如果电池的工作压力太低了，可以在其到达焊接电弧之前压缩CO₂气体。焊接保护气体的流速必须调节到合适水平以避免过量电弧干扰。由于燃料电池可产生比需要保护电弧更多的CO₂，因此需要流量调节器以便只提供合适量的保护气体。排出剩余CO₂或将其用于其它目的。

图6显示DC正焊极结构的电连接。功率转换电路用于调节从燃料电池到焊接加载的电流输出。图6显示了为实现该目的的反向(buck)转换器(限制器(chopper))。焊接电路200包括由焊接控制系统220控制的晶体管210。焊接控制系统控制到达焊机的电流波形。在电弧焊机工作中，焊接控制系统可依赖于反馈控制。焊接电路还包括二极管230以保持合适电流流过焊极。焊接电路还包括感应器以对电流波形平滑处理而通过焊极。为了使反向转换器有效，叠堆电压应该总是高于瞬态加载要求。

可以使用其它DC对DC转换器电路。图7显示了增压-反向转换器布局。焊接电路200中的增压-反向电路设计成可提高焊极电压而不必提高叠堆110中燃料电池的数量。焊接电路200包括类似于图6中控制系统的焊极控制系统200。焊接电路还包括感应器250、电容器260和晶体管270，该晶体管由焊接控制系统220控制并通过焊接电路对电压增压。二极管280、290、晶体管300和其作用类似于图6中的限制器或增压电路的感应器310有利于降低叠堆中电池数量，因为该布局可以将加载电压调节到高于或低于燃料电池电压的水平。这一特点在叠堆的设计中提供了更大范围，如下表所示：

叠堆结构-反向功率转换器分级

现在参照图8和9，显示了与TIG焊机一起使用的控制电路的原理图。在焊接铝和类似金属中，使用TIG焊接，其中电流共同自耗焊极如钨焊极与工件隔开一间隙，以便当由电压产生的电流穿过间隙时该间隙足够起弧。由于铝很容易氧化，因此当电弧的热量使填充焊丝熔融并沉积在铝工件上时，必须从焊接表面上除去氧化铝。通过采用交流电源使交流电通过焊极和工件之间的间隙而清理该金属。根据该方法，在正循环中，焊极相对于工件是正极；因此，从工件发射电子。该过程从准备即将进行负循环的表面上去除氧化铝，其中钨或其它非自耗焊极相对于工件是负极。为了在电弧区域内更有效进行加热，在工件方向从钨发射出电子。通过采用穿过电弧的交流电，产生交变初步清洁循环和加热循环以提供相当有效的用于铝的TIG焊接过程。

当直流电源用于TIG焊接时，操作者必须选择使用的极性。如果要焊接软钢或不锈钢，则不需要清理，可以使用直流电焊极负向TIG焊接。该极性不提供去除氧化膜的电弧清理动作；因此，如果用于焊接铝，则必须在焊接前完成焊接表面的预-焊接清理和氧化物去除。这在焊接重铝板时是很实用的，采用焊极负极性的高焊接速度要优于附加预处理要求。由此看来，操作者常常选择直流焊极正向TIG焊接，其中电流由焊极流向工件。这产生配合焊接过程的清理作用。

图8和图9显示了向DC/DC电路300提供电流的直流燃料电池100。该DC/DC电路是典型的反向或增压-反向电路。但是，可以使用其它类型的DC/DC电路。改进的DC电流接着流向切换电路310。切换电路将直流电转换成用于TIG焊机的交流电。波形控制器310控制切换电路中的切换，以便控制焊接循环中正脉冲和负脉冲的持续时间。如图8所示，正脉冲的持续时间(a)比负脉冲的持续时间(b)长。如图9所示，在焊接循环(b)中正负脉冲的脉冲持续时间(a)大约相等。图11显示了直流电由燃料电池100到电弧焊机20进行换向的极性反向电路340。极性的切换可以由软件来控制。

焊接电路能将标准直流燃料电池转换成用于TIG焊机的交流电源。该焊接操作还可与自耗焊极焊接一起使用。通过溶滴转移(transfer)、短路转移、脉冲电流转移等，使自耗焊极熔融并沉积在工件上。在这些金属转移的任何系统中，为了提高焊极熔耗速度或其它原因，从正电流变换到负电流是有利的。可以采用焊接电路以提供用于焊接以及TIG焊接中的瞬时电流极性反向。

焊接电路具有普通交流电的优点，TIG焊机还具有附加能力，以便调整给定时间内的对工件进行加热和清理的相对量。焊接电路可控制正负电源比率，以控制在正电流流过期间清洁作用的范围。

焊接电路还可用于降低电弧偏斜。由磁场与电弧等离子体的相互作用引起的电弧变形通常与处于高DC电流水平的焊接自耗焊极相关。焊接电路可以通过使电流瞬时反向而降低电弧偏斜效应。

现在参照图10，显示了向STT型焊极供电的燃料电池100。由燃料电池向DC/DC电路300供应直流电。DC/DC电路可以是图8和9中显示的相同类型电路。来自DC/DC电路的电流流向切换电路310。该切换电路形成工件30所要求的电流波形。脉冲宽度调制器(PWM)340控制切换电路，振荡器(OSC)350调节脉冲宽度调制器。工件所要求的电流波形由STT波形控制器360设置。本底电流设置370和最大电流设置380用于改进波形。波形末端的衰减电流由收尾设置390控制。通过采用图11所示的极性反向电路，焊接电路可以在单个焊接循环中或不同焊接循环中调整波形的极性。

STT类型焊接的该特殊焊接电路和控制电路在US4972064、US5148001和US5961836中公开。一般，燃料电池的叠堆产生DC电流由调制器转换成脉冲。脉冲的形状由波形电路控制，由此产生要求的电流波形。该DC电流流向并穿过包括自耗芯焊极和工件的焊接区域。

在STT过程中，焊极在焊极与工件结合的短路状态和焊极与工件分离的起弧状态之间变换。在起弧状态中，当向工件喂送焊极而接着发生行短路状态时，为了熔融和保持熔融焊极端部而在工件和焊极之间产生电弧。焊接循环在短路状态和等离子体状态之间变换。

在等离子体状态中，为了平滑和有效焊接，必须产生电弧并自始至终保持电弧。为了降低焊接循环中任何时间的溅射，必须精确控制每秒重复几次的焊接循环。脉冲宽度调制器工作在高频。脉冲宽度调制器控制器的工作频率大约是10至30kHz，具有由脉冲波形控制器电压确定的连续电流脉冲宽度。由于焊接循环的最高速度通常是在每秒100至400个循环附近，因此在每个焊接循环中提供许多更新脉冲。

根据脉冲调制器控制器的工作，焊接电路将电流传导到工作区，直到在压紧(pinch)循环中dr/dt(其中r是焊极阻抗)、di/dt或dv/dt指示熔丝即将到来为止。当进行该检测时，由焊极和工件之间的焊接电路引起的电流立即降低到低水平。

无论焊接电路的工作状态如何，本底(background)电流电路连续提供通过工件的5至7安培电流。因此，本底电流保证在焊接循环中在焊极和工件之间自始至终通过至少5至7安培电流，由此防止了焊接循环的任何相位中焊极和工件之间的灭弧。

焊极60最好是自耗有芯的焊极，包括外金属包皮和焊芯。可以知道，另外焊极可以是敷料焊极或实心丝焊极。金属焊极包皮最好由碳钢、不锈钢或其它类型金属或金属合金制成。金属包皮的成分的选择与工件的基本金属成分相同。焊极芯最好包括焊剂和/或合金和金属。焊剂可包括化合物以在焊道上产生熔渣来保护焊道，直到焊道固化为止，在形成焊道中，保持焊道在适当位置直到其固化和/或保护焊接金属。焊剂还可包括产生保护气体以保护焊缝根部焊道不受环境的有害影响的成分。合金剂还最好包含在焊极芯中。最好这样选择合金剂，使得与金属焊极包皮成分组合的合金剂形成成分基本类似于工件金属成分的焊道。

图10显示要求的电流轮廓以在焊接中产生低溅射。该电流轮廓分成压紧部分、等离子体增压部分、等离子体部分和可保持电弧的本底部分。等离子体增压部分是在衰减部分之前的恒定电流部分，该等离子体部分是溅射控制系统工作的临界点；但是衰减部分可以看作是等离子体增压部分的结束或等离子体部分的开始。在衰减部分以后，电流控制电路变换到保持等离子体和电弧的本底电流水平。

根据本发明，电流控制电路保持预选本底电流水平，由此防止通过电弧的电流水平下降到低于预选电流低电流水平和防止灭弧。

电流控制电路设计成可在焊接循环的等离子体增压和等离子体部分中使焊极全部熔融。此外，由于不能通过只由本底电流保持的电弧获得需要熔融焊极的IR，因此当处于本底电流水平时，焊极不进行熔融。这样，本底电流只用于保持电弧和熔融状态中的熔融金属球。选择由等离子体增压和等离子体形成的在焊极端部的熔融金属量以熔融在焊极端部的预选熔融金属体积，一旦获得了预选体积，则电流的等离子体部分降低到本底电流。还可以选择等离子体增压和等离子体部分的持续时间。在焊极端部形成熔融金属球期间，在电流的等离子体部分中，该电流的射流力从焊池中推开熔融金属，直到在焊极端部已经熔融预选熔融金属量。一旦电流降低，使熔融金属形成球，并使熔融金属池稳定化，由此获得大体上的球形的球和挤压的焊接金属池之间的光滑接触。在焊接循环的等离子体部分中，通过向焊极内传递预选能量值或瓦数而控制焊极端部要求的熔融金属量。在焊极端部形成熔融金属球的所有时间中，由保护气体保护熔融金属球而不接触大气。保护气体持续到熔融金属球转化成熔融金属。

一旦在焊接循环的等离子态增压和等离子部分中形成熔融金属，则通过将焊极送入池中而迫使熔融金属球进入熔融池中，由此形成短路状态。当熔融金属球与熔融金属池接触时，通过表面张力将其输送进融池。该作用引起在池和焊极中的焊丝之间延伸的熔融金属最终颈缩，接着使球与焊丝裂开并分离。在分离中只有低的本底电流，几乎没有任何溅射发生。电流控制电路最好监测熔融金属球的颈缩，使得当通过电凹坑使颈缩直径迅速下降时，压紧曲线中的电流逐渐升高，直到检测到熔丝即将来临为止。一旦检测到即将来临的熔丝，电流降低到本底电流，直到将焊极端部的熔融金属输送进焊池。

焊极循环中的电流可以都是正脉冲、负脉冲或正负脉冲的组合。为了变换极性轮廓，控制正极性电流循环和负极性电流循环的数量以获得焊接工作的熔融金属潭中要求的热量。如果熔潭温度太低，负极性循环320的数量相对于正电流循环的数量升高。由焊接控制器中合适的选择器电路获得要求的比率。

可以利用变换控制概念，其中每个焊接循环开始为标准负极性循环，接着在循环中的预选点变换到正极性循环。根据本发明的这一方面，在等离子态增压部分结束后迅速产生电流脉冲的极性进行变换。这样，收尾部分分成具有极性瞬时变换的负部分和正部分。因此，直到循环结束，电流循环都是正极性的。在这种方式下，通过选择使焊接循环极性反向的时延而确定焊接熔融部分中的热量。可以获得其它改进型以在来自STT焊机的电流脉冲的正极性和负极性之间变换而控制焊接工作热量。

参照实施例和其变形说明了本发明。相信阅读和理解本发明的详细说明本领域的技术人员会易于做出公开的实施例的各种改进型和变型。本发明的范围试图包括所有这样的改进型和变型。

Claims (50)

1、一种用于在工件上形成焊道的电弧焊接设备，包括电能源、焊接电路和焊极，所述电能源具有至少一个向所述焊接电路提供电压和电流的燃料电池，从而至少部分产生在所述焊极和所述工件形成的电弧，所述燃料电池包括阳极、阴极、位于阳极和阴极之间的至少一个固体聚合物质子导体薄膜、有机供料和将有机供料传递经过所述阳极的机构。

2、如权利要求1所述的设备，其中所述电能源包括多个燃料电池。

3、如权利要求1或2所述的设备，其中所述电能源包括多个叠堆的燃料电池。

4、如权利要求1至3所述的设备，其中所述燃料电池包括液体供料。

5、如权利要求1至4所述的设备，其中所述燃料电池形成气体反应生成物，在所述焊道形成中，所述气体生成物至少提供部分保护气体源。

6、如权利要求1至5所述的设备，其中所述燃料电池从包括间接燃料电池、直接燃料电池和间接燃料电池与直接燃料电池组合的组中选取。

7、如权利要求6所述的设备，其中所述燃料电池是直接燃料电池。

8、如权利要求1至7所述的设备，其中所述有机供料包括从由甲醇、甲醛、甲酸、二甲基甲烷(dimethoxymethane)、三甲基甲烷(trimethoxymethane)、三氧杂环己烷和它们的组合物组成的组中选取的供料。

9、如权利要求5至8所述的设备，其中所述气体反应生成物包括碳化合物。

10、如权利要求9所述的设备，其中所述碳化合物包括从包括一氧化碳、二氧化碳和一氧化碳与二氧化碳的组合物的组中选取的气体。

11、如权利要求1至10所述的设备，其中所述阳极包括从由铂-钌合金、铂-锡、铂-铱、铂-锇、铂-铼和它们的混合物组成的组中选取的金属。

12、如权利要求1至11所述的设备，其中所述固体聚合物质子导体薄膜包括从由四氟乙烯和全氟化(perflourinated)磺酸(sulfonic acid)的共聚物、全氟化磺酸聚合物、聚氢碳磺酸和它们的混合物组成的组中选取的材料。

13、如权利要求1至12所述的设备，其中所述所述固体聚合物质子导体薄膜包括催化剂，所述催化剂包括从由Ir、Mo、Nb、Nu、Os、Pd、Pt、Re、Ru、RuO₂、Sn、SnO₂、Ti、W、WO₃、Zr和它们的混合物组成的组中选取的材料。

14、如权利要求1至13所述的设备，包括至少两种固体聚合物质子导体薄膜，其中一种所述固体聚合物质子导体具有不同于其中另一种所述固体聚合物质子导体的成分。

15、如权利要求1至14所述的设备，其中所述阴极包括铂。

16、如权利要求1至15所述的设备，其中所述焊接电路提高所述电能源的电压。

17、如权利要求16所述的设备，其中所述焊接电路包括向所述焊极提供电流的焊接电流电路，所述焊接电流电路包括第一电路以产生转移电流和第二电路以产生熔融电流，所述第二电路向所述焊极提供足够的电流量以在所述工件上形成所述焊道。

18、如权利要求17所述的设备，其中所述第二电路将预选能量传导到所述焊丝以在每个焊接循环中熔融相对恒定体积的所述焊极。

19、如权利要求17或18所述的设备，其中所述第二电路在所述焊极上熔融的金属与所述工件形成短路之前降低流向所述焊极的电流量。

20、如权利要求17至19所述的设备，其中所述第一电路在所述焊极和所述工件之间的短路状态结束时产生一高电流脉冲，并正好在预测的短路状态结束之前施加所述脉冲。

21、如权利要求17至20所述的设备，其中所述第一电路在所述焊极上的所述熔融金属与工件形成短路状态之前降低所述焊丝的电流量。

22、如权利要求1至21所述的设备，其中所述焊接电路包括电流极性控制器以控制至少穿过所述焊极的一部分电流的极性。

23、如权利要求22所述的设备，其中所述焊接电路产生一系列构成具有短路转移部分和等离子体电弧熔融部分的焊接循环的小宽度电流脉冲，在所述循环中的每个所述电流脉冲具有给定焊极性，所述极性控制器在为正的第一极性和为负的第二极性之间选择所述焊接循环中所述脉冲的极性，

24、如权利要求22或23所述的设备，其中所述极性控制器包括译码器，所述译码器具有第一状态和第二状态以及在所述第一状态和所述第二状态之间变换的机构，所述第一状态选择第一数量连续焊接循环的所述第一和第二极性之一，所述第二状态选择第二数量连续循环的所述极性中另一极性。

25、如权利要求24所述的设备，其中每个所述循环具有要求的电弧电流并包括分流器和误差放大器，所述分流器检测实际电弧电流，所述误差放大器将所述实际电弧电流与所述要求电弧电流比较从而控制所述电流脉冲的宽度。

26、如权利要求22至25所述的设备，其中所述极性控制器至少在穿过所述焊极的一部分所述电流保持正极性。

27、如权利要求22至26所述的设备，其中所述极性控制器至少在穿过所述焊极的一部分所述电流保持负极性。

28、如权利要求22至27所述的设备，其中所述极性控制器在所述第一持续时间将所述电流保持在正极性，在所述第二持续时间将所述电流保持在负极性。

29、如权利要求28所述的设备，其中所述第一持续时间比所述第二持续时间长。

30、如权利要求22至29所述的设备，其中所述焊接电路包括具有产生所述第一极性的第一部分和产生所述第二极性的第二部分的中心开孔(tapped)的感应器、在所述焊极和所述工件之间连接所述感应器的所述第一部分的第一开关、在所述焊极和所述工件之间连接所述感应线圈的第二部分的第二开关以及在给定焊接循环中关闭所述第一开关或所述第二开关的选择器。

31、如权利要求1至30所述的设备，所述焊极是自耗助熔有芯的金属焊极。

32．一种在工件上形成焊道的电弧焊接方法，所述方法包括：

a)提供焊极；

b)提供产生电流的电能源，所述电能源包括燃料电池；

c)提供焊接电路；

d)向所述焊接电路供应所述电流，从而在所述焊极和所述工件之间形成电弧。

33、如权利要求32所述的方法，其中所述焊接电路至少部分控制流向所述焊极的所述电流波形。

34、如权利要求32或33所述的方法，其中所述焊极是自耗助熔有芯的金属焊极。

35、如权利要求32至34所述的方法，其中焊接电路形成所述焊极的电流波形包括短路转移部和控制熔融部。

36、如权利要求32所述的方法，其中所述控制熔融部从包括对焊极施加预选能量值或对所述焊极施加预选功率值的组中选取。

37、如权利要求32至34所述的方法，其中焊接电路形成本底电流，所述本底电流具有高电感分量和低水平，所述低水平刚好高于必须维持贯穿每个焊接循环的所述焊极和所述工件之间电弧的水平。

38、如权利要求32至37所述的方法，其中所述焊接电路控制所述焊极的电波极性。

39、如权利要求38所述的方法，其中所述电流波形包括一系列小宽度电流脉冲，每个电流脉冲具有给定焊极性。

40、如权利要求38或39所述的方法，其中所述电流波形的极性在焊极循环中，在第一极性和第二极性之间变换。

41、如权利要求38至40所述的方法，其中所述电流波形的极性是作为一种极性中施加于所述焊极和所述工件的累积能量值和另一种极性中施加于所述焊极和所述工件的累积能量值的函数而改变的。

42、如权利要求32至37所述的方法，其中所述焊接电路使所述电能源的电压升高。

43、如权利要求32至42所述的方法，其中所述燃料电池由间接燃料电池、直接燃料电池和间接燃料电池与直接燃料电池组合构成的组中选择。

44、如权利要求32至43所述的方法，其中所述所述燃料电池包括有机供料。

45、如权利要求44所述的方法，其中所述有机供料包括从由甲醇、甲醛、甲酸、二甲基甲烷(dimethoxymethane)、三甲基甲烷(trimethoxymethane)、三氧杂环己烷和它们的组合物组成的组中选取的供料。

46、如权利要求32至45所述的方法，其中所述燃料电池包括液体供料。

47、如权利要求32至46所述的方法，其中所述燃料电池形成气体生成物，所述气体生成物至少部分用作保护气体。

48、如权利要求47所述的方法，其中包括步骤：在所述焊道的形成中，至少部分将所述气体生成物传递到所述工件。

49、如权利要求32至48所述的方法，其中所述燃料电池包括阳极、阴极和位于阳极和阴极之间的至少一个固体聚合物质子导体薄膜。

50、如权利要求32至49所述的方法，其中所述燃料电池包括多个叠堆的燃料电池。

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