克服瓶颈，提升燃料电池制造

 研究人员报告了在避免焊缝表面隆起缺陷的同时，激光焊接速度提高了近四倍。

     宾夕法尼亚州大学公园分校——燃料电池为多个领域提供清洁能源，尤其在车辆中，它们不产生排放，因此备受关注。燃料电池的生产需要快速的激光焊接工艺；然而，焊接速度过快会导致焊缝表面出现隆起缺陷。

     宾夕法尼亚州大学的研究团队通过观察和分析建模，识别出了高激光焊接速度下产生隆起缺陷的条件，并调整了工艺参数，从而提高了焊接速度，同时避免了表面不规则现象。他们的研究成果已发表在《Nature Communications》杂志上。

     “我们希望提高激光焊接速度，以增加燃料电池双极板的生产速度，双极板是燃料电池中用于能源生成的重要组成部分。” 研究通讯作者、宾夕法尼亚州大学工业与制造工程学教授李晶晶表示。

     双极板是通过将两个面板焊接在一起形成的。双极板中的通道是燃料电池能源生成所必需的基础设施。由于焊接速度的限制，双极板的生产速度曾受到限制，以避免出现焊接表面的隆起。

     “以前，焊接速度的上限是每分钟20米不锈钢材料，如果超过这个速度，就会出现隆起。” 论文第一作者、材料科学与工程系博士生Zen-Hao Lai表示，“通过我们的研究，我们将这个速度上限提高到了每分钟75米。”

     Zen-Hao Lai表示，每分钟75米的生产速度大约相当于每年生产8万个燃料电池，每个燃料电池由两个焊接的双极板组成。汽车用双极板的尺寸通常在8×8英寸到12×12英寸之间。

  为了提高焊接速度的上限，研究人员首先需要深入了解造成隆起缺陷的原因。通过使用高速同步辐射X射线成像，团队以前所未有的细节观察了焊接过程。随后，他们设计了一种数值仿真模型，与实验观察结果相对应，并开发了一个方程，将缺陷与工艺参数联系起来。通过调整焊接条件，研究人员可以在高速度下模拟不同的工艺参数，甚至在不产生焊缝隆起的情况下实现焊接。

     具体而言，当焊接速度过高时，焊接材料会形成较大的熔池，这些熔池会导致隆起现象。研究人员意识到，熔池需要被稳定，而这可以通过应用保护气体或调整激光束的形状来实现。通过他们的新方程识别出的这些简单调整，将生产速度从每分钟20米提高到了每分钟75米，且没有产生隆起。

     “通过理解与工艺参数相关的隆起方程，我们能够调整参数设置，减少隆起。” Zen-Hao Lai表示，“这项工作的影响不仅仅是提高了基础理解，还解决了生产过程中的技术难题。”

     研究人员表示，他们计划继续改进这一工艺，以实现更高速度的无隆起焊接。

李晶晶表示，这项工作挑战了人们对工业与制造工程领域的传统认知。

     “对我来说，这项工作的一个激动人心之处在于，它向人们展示了这种类型的工程不仅仅与实际制造相关。” 李晶晶说，“这项工作还很好地展示了如何将传统制造与基础研究相结合，如何通过基础知识来改进工艺和解决现实问题。”

     通用汽车的Siguang Xu以及阿贡国家实验室的Samuel J. Clark和Kamel Fezzaa也参与了该论文的合作。李晶晶还隶属于宾夕法尼亚州大学工程学院的工程科学与力学系以及地球与矿物科学学院的材料科学与工程系。

     这项研究得到了美国能源部能源效率与可再生能源办公室的资助支持。

翻译人/高丰言

来源：

https://fuelcellsworks.com/2025/01/22/energy-development/getting-over-the-hump-to-improve-fuel-cell-manufacturing