金屬板電堆具有比功率密度高、結(jié)構(gòu)強度高、低溫自啟動能力強、量產(chǎn)工藝工序少易于批產(chǎn)、量產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，是主流車企的共同選擇。金屬雙極板主要加工工序包括沖壓、焊接、涂層等。焊接是一種高效率低成本的金屬板連接方式，關(guān)系到電堆的密封安全、壽命與可靠性及成本等方面。但在燃料電池領(lǐng)域的焊接要求顯著高于傳統(tǒng)行業(yè)，需要進行針對性的裝備與工藝開發(fā)。
國玉科技是我國生產(chǎn)金屬雙極板加工設(shè)備的激光公司之一，自2016年至今歷經(jīng)6年燃料電池金屬雙極板焊接裝備與工藝開發(fā)和生產(chǎn)實踐，具備全體系自主知識產(chǎn)權(quán)和豐富的各類材質(zhì)、各種板型焊接加工和工程技術(shù)服務(wù)能力。近日，國玉科技成功開發(fā)出第二代金屬雙極板自動激光焊接裝備，通過定制化的軟件控制系統(tǒng)升級，結(jié)合高精度工裝治具設(shè)計和國際一流的激光器應(yīng)用，在焊接金屬雙極板的密封性、平整度、生產(chǎn)效率、成品率、工藝穩(wěn)定性等方面進一步提升，焊接效果可以與國際上任一款相關(guān)設(shè)備媲美。
金屬雙極板焊接的主要工藝指標(biāo)：
一、 雙極板的密封性
密封性是金屬雙極板焊接的首要目的，良好的薄板氣密性同時也是金屬板較石墨板的優(yōu)勢之一。焊接雙極板如果出現(xiàn)外漏或竄漏，甚至是微量的滲漏，都會對電池的性能和安全性造成不利影響。目前燃料電池實際運行過程的操作壓力通常在0-150kPag范圍內(nèi)。考慮設(shè)計冗余，眾為氫能的金屬焊接雙極板在500kPag壓力下5min后，未發(fā)現(xiàn)氣體泄漏，顯示出極佳的密封效果。
二、 焊接雙極板尺寸
金屬極板受結(jié)構(gòu)設(shè)計、基材、成型等因素影響，通常會有一定的殘余應(yīng)力，這會造成單極板的翹曲。通過激光焊接對金屬板形成整平效果，同時避免焊接高溫造成額外的應(yīng)力進而影響雙極板的平整度，是對焊接工藝的主要考驗。高平整度的雙極板是高可靠性電堆的基礎(chǔ)，同時也利于提升電池性能和單池一致性。眾為氫能的金屬焊接雙極板總體厚度≤單極板厚度之和，厚度公差<±1%，定位公差<0.01mm。
三、 焊縫影響
在為雙極板提供密封能力的同時，也要避免焊縫對雙極板功能產(chǎn)生不利影響。
- 焊縫寬度
隨著電堆比功率密度要求的不斷提升，燃料電池操作電流密度不斷增大，相應(yīng)的流道尺寸向細(xì)密化、異型化方向發(fā)展。電流密度增大，需要雙極板增加焊接面積提升導(dǎo)電能力，流場區(qū)增加焊縫成為必然；流道細(xì)密化，則雙極板之間的接觸面積不斷減小，接觸點的寬度只有零點幾毫米；流道異型化，則雙極板之間的接觸由傳統(tǒng)的直線（直流道間的接觸）變成點陣。如何快速在流場區(qū)焊接相互隔離的點陣，成為行業(yè)的新挑戰(zhàn)。目前眾為氫能已經(jīng)完全解決了點陣的快速焊接問題，同時焊縫寬度控制在≤0.1mm，在提升雙極板導(dǎo)電能力的同時保證了成品率。 - 焊縫深度
當(dāng)前的金屬板基材厚度通常在0.1mm左右，后續(xù)將進一步減至0.07mm甚至更薄。焊縫過淺，則焊接的密封性難以保證；焊縫過深則容易對雙極板造成燒蝕。針對0.1mm厚基材，眾為氫能的焊縫深度為0.16±0.01mm，可在保護雙極板不受損失的同時確保密封性。 - 厚度減薄
激光焊接會造成一定程度的雙極板厚度減薄，嚴(yán)重時會影響密封性能與可靠性。眾為氫能的焊縫處減薄<10%。 - 焊接強度
雙極板之間的焊接強度對密封性能和長期運行的可靠性有重要影響。眾為氫能的焊縫處結(jié)合強度≥600 MPa。
四、 生產(chǎn)效率與成本
產(chǎn)能與成本，是衡量一項量產(chǎn)技術(shù)的重要指標(biāo)。第四代裝備焊接速度可到1.5m/s，大大提升了生產(chǎn)效率；焊接成品率≥99.8%，量產(chǎn)階段全成本可控制在5元/片。
未來，國玉科技將致力于燃料電池金屬板焊接裝備與工藝的不斷升級，以及金屬板電堆相關(guān)自動化裝備與工藝開發(fā)，為國產(chǎn)燃料電池電堆的產(chǎn)業(yè)化推進不斷貢獻力量。
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