| cyqdesign | 2007-03-13 11:41 |
光纖激光推動燃料電池生產(chǎn)快速發(fā)展燃料電池技術(shù)是一項十分有效的應(yīng)對世界能源消耗和全球氣候變暖的措施之一。燃料電池所產(chǎn)生的清潔能源可廣泛用于生態(tài)汽車、航空航天、海洋監(jiān)測、化工、醫(yī)療以及電子等諸多領(lǐng)域。 燃料電池技術(shù)的應(yīng)用前景得到了世界的認(rèn)可。現(xiàn)任美國總統(tǒng)布什于2003年批準(zhǔn)了氫燃料啟動方案，表示美國政府將從政府經(jīng)費中撥出1.8億美元用于研究和開發(fā)燃料電池技術(shù)。如果加上大財團，如Honda, Hyundai和其他企業(yè)的投入，全美用于燃料電池技術(shù)研究和開發(fā)的總投入高達2.8億美元。 在未來的5到10年里，燃料電池技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于是否可以實現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模量產(chǎn)。2002年的統(tǒng)計，燃料電池能源成本為每千瓦電力輸出1000美元。這表明只有有效降低燃料電池制造成本才能使該技術(shù)在各項能源技術(shù)中脫穎而出。 在此文章中，SPI 激光公司的Tony Hoult博士和Jo hn Tinson先生對先進的光纖激光焊接技術(shù)用于燃料電池的生產(chǎn)進行了討論，并展示了光纖激光技術(shù)是如何有效地降低燃料電池的生產(chǎn)成本的。 燃料電池的制造 燃料電池是一種電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置，外置燃料（陽極端）和氧化劑（陰極端）通過電解質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)生電能。 通常一個燃料電池單元所產(chǎn)生的電量不足1伏特，因此在應(yīng)用時，將許多燃料電池單元并排地疊加以便得到足夠的電伏。因此，通常一個燃料電池是由許多層薄板構(gòu)件（通常為薄不銹鋼片）組成，不銹鋼片必須被焊接在一起組成燃料電池堆。 在燃料電池的制造過程中， 薄板構(gòu)件的焊接是一項費時的工藝，組成燃料電池堆的每一片薄板構(gòu)件需要約1米長的焊接，一輛生態(tài)汽車所需的燃料電池的總焊接長度可達400米。因此，優(yōu)化焊接工藝是降低燃料電池生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。 用傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，在較經(jīng)濟的的焊接速度下，實現(xiàn)小尺寸，光潔牢固的焊接難度很大。為解決這一難題，領(lǐng)先的制造商正訴諸于光纖激光焊接技術(shù)。  圖1 燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖 精細焊接使得燃料電池單元的功能得到最大的發(fā)揮，同時使得單獨的薄板構(gòu)件的變形降到最小，從而使得整個燃料電池堆由于焊接所引發(fā)的變形得到有效的控制。 量產(chǎn)速度下的低成本，密封焊接 光纖激光較其他激光技術(shù)的主要優(yōu)勢在于其高質(zhì)量的光束模式，穩(wěn)定的能量及輸出功率，從而可得到較高的能量密度和較大的調(diào)控范圍，另外較低的使用成本也是其優(yōu)勢之一。高質(zhì)量的光纖激光模式可使光束聚焦為能量密度很高的小光斑，使得高速，高效，高產(chǎn)出的焊接工藝得以實現(xiàn)。同其他激光光源相比，光纖激光器可有效地降低焊接過程中所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，從而有效地減少了被焊接薄板構(gòu)件的變形。能量及輸出功率的高穩(wěn)定性，一般為+/-0.5%，極大地減少了焊接部分的氣孔含量，保證了焊縫寬度和深度的一致性。 雖然其他激光技術(shù)也可對燃料電池進行焊接，但光纖激光可為此項技術(shù)提供快速，高焊接質(zhì)量，較低運行成本的解決方案。John Tinson先生說：“我們相信SPI公司200瓦光纖激光器優(yōu)良的性價比將成為未來降低燃料電池生產(chǎn)成本的首選方案”。 為最大限度地減少焊接所產(chǎn)生的熱效應(yīng)以保證變形控制在可接受的范圍內(nèi)，燃料電池的焊接要求高熔池深寬比(aspect ratio)焊接（一般為3:1 或 4:1）。光纖激光器的優(yōu)勢在于通過其小于200mm的光斑直徑，焊接所需的熔池深寬比完全可以達到要求。因此，薄板構(gòu)件的變形，以及整個燃料電池堆變形問題降到最小的程度。 通過對”深熔焊接(key-hole)” 以及熔池深寬比的金相分析，可以對焊接部分質(zhì)量問題（如氣孔，特別是在焊接底部）進行檢測。在燃料電池的焊接過程中，焊接部分同母體材料的一致性至關(guān)重要，完全密封焊接是基本的要求。質(zhì)量低的焊接往往嚴(yán)重影響燃料電池的工作性能和使用壽命，甚至導(dǎo)致氫或其它液體的泄漏。實驗表明，由于光纖激光器極高的能量密度，對燃料電池的焊接可實現(xiàn)無孔焊接，另外，焊接的一致性也極其出色。 另一個困擾以YAG 或CO2 作為焊接源的燃料電池生產(chǎn)商們的問題是當(dāng)用激光進行高速焊接時，有可能產(chǎn)生焊接“駝峰”（‘humping’ of the weld）。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于高速焊接時，液態(tài)溶池的不穩(wěn)定性造成的，這一現(xiàn)象極大地影響了焊接速度。但用SPI的200瓦光纖激光器焊接時，這一問題可完全消除，焊接速度可達每分鐘5-6米，以此計算，每年焊接長度可達2500公里。 在生產(chǎn)環(huán)境下，光纖激光具有很高的運行效率，無需運行耗材，不像Nd:YAG 激光需定期更換燈源，CO2激光需要提供消耗氣體。另外其高效的能量轉(zhuǎn)換率（10倍于燈泵Nd:YAG激光器）可大大降低耗電量，降低運行成本。光纖激光器可即開即用，無需預(yù)熱，從而進一步降低能耗，提高了效率。由于光纖激光器內(nèi)沒有可拆除的光學(xué)器件，如反射鏡等，無需調(diào)準(zhǔn)，且完全密封，因此運行維護費用極低，每年每臺激光器可節(jié)約數(shù)千美元運行維護費。 結(jié)論 光纖激光器為燃料電池的生產(chǎn)商提供了“綠色制造” 技術(shù)，為燃料電池的生產(chǎn)商提供了高效率，高質(zhì)量，低成本的解決方案。 結(jié)果顯示，在燃料電池從鼓舞人心的解決世界能源問題的概念到實際的商業(yè)成功的道路上，光纖激光焊接技術(shù)將發(fā)揮舉足輕重的作用。 |
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