專利名稱：電流輔助的燃料電池超薄金屬雙極板壓焊裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種焊接設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域的壓焊裝置及其方法，具體是一種電流輔 助的燃料電池超薄金屬雙極板壓焊裝置及其方法。
背景技術(shù)：
燃料電池(FC)是一種利用電化學(xué)原理，將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接 轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它具有能量轉(zhuǎn)換效率高，有害氣體、噪音排放低，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)， 是世界公認(rèn)的有前途的新型發(fā)電技術(shù)。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)除了一般燃料電池的 優(yōu)點(diǎn)外，還具有工作溫度低、啟動快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、適合于實現(xiàn)產(chǎn)品微型 化等優(yōu)點(diǎn)，因而成為研究領(lǐng)域內(nèi)倍受關(guān)注的焦點(diǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)主要包括雙極板、質(zhì)子交換膜、催化劑等。其中雙極板 是一個重要的多功能組件，在燃料電池中起到收集電流、氣體分配以及水管理、熱管理的作 用，其重量占到電堆總重量的80%以上，制造成本占到總成本的30%左右?，F(xiàn)有技術(shù)下，雙 極板一般由石墨或金屬等材料制成。石墨雙極板具有導(dǎo)電率高，耐腐蝕，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，但 是石墨機(jī)械加工性能較差，難以大批量生產(chǎn)，成本偏高，此外由于石墨脆性較大，也不適于 較惡劣如車載工況下的使用。經(jīng)過表面改性的金屬雙極板具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和加 工性能，可以加工成超薄雙極板從而大大降低雙極板的體積和重量。此外，其加工成本低 廉，易實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。目前，金屬雙極板的制造一般是先用金屬薄板分別制成陽極和陰極流場板，然后 將二者連接在一起，兩板中間為冷卻液流道。連接單極板的方法一般有粘接，電阻焊，激光 焊等。經(jīng)文獻(xiàn)搜索，美國專利號US20050252892，名稱為帶有導(dǎo)電涂層金屬雙極板的 激光連接方法(Laser welding of conductive coated metallic bipolar plates),該發(fā) 明主要提出了金屬雙極板激光連接和焊后重新涂層方法。激光焊接導(dǎo)致金屬雙極板表面涂 層破壞，使得金屬暴露在惡劣環(huán)境下容易生銹而污染燃料電池內(nèi)部環(huán)境。針對這個問題，該 發(fā)明提出在連接區(qū)域重新鍍上涂層方法。雖然該發(fā)明解決了激光連接容易導(dǎo)致金屬雙極板 耐腐蝕性下降的問題，但卻沒有解決激光連接高熱量導(dǎo)致金屬板變形從而影響裝配精度的 問題。而且需要采用昂貴的激光焊接設(shè)備，不利于金屬雙極板的低成本生產(chǎn)。又經(jīng)文獻(xiàn)搜索，中國專利公開號CN101143395，名稱為一種不銹鋼雙極板連接 方法，該方法將壓制好的陽極單極板和陰極單極板的冷卻劑一側(cè)涂敷上低熔點(diǎn)合金焊料， 并將有焊料的面相互接觸，疊放在一起，放入平板熱壓機(jī)中，熱壓若干時間隨后向熱壓機(jī)的 散熱通道內(nèi)通人散熱介質(zhì)，冷卻至室溫后即得到雙極板。該發(fā)明可以保證制得的雙極板不 變形、平整、強(qiáng)度好，但對工藝較為復(fù)雜、效率低，對焊料涂覆均勻度難以控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有燃料電池雙極板焊技術(shù)中的上述不足，提出一種電流輔助的燃料電池超薄金屬雙極板壓焊裝置及其方法。本發(fā)明不需額外的加熱設(shè)備，有利于 設(shè)備的簡化，方便設(shè)備使用和維護(hù)；不需粘接劑等其他材料，工藝簡單，在燃料電池工作溫 度范圍連接強(qiáng)度穩(wěn)定；實現(xiàn)了燃料電池金屬超薄雙極板的高效高精度連接。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及的電流輔助的燃料電池超薄金屬雙極板壓焊裝置，包括電源、控制模 塊、兩個電極、致動器、散熱系統(tǒng)、上焊頭和下焊頭，待連接的雙極板置于上下焊頭之間，電 源正負(fù)極分別與第一、第二兩個電極相連，第一電極與上焊頭或上單極板相連，第二電極與 下焊頭或下單極板相連，從而形成回路對雙極板通電加熱；致動器與上、下焊頭機(jī)械連接； 控制模塊與電源、致動器相連傳輸控制信息。所述的機(jī)械相連是接觸連接、螺栓連接或鉚接。所述的上、下焊頭與致動器之間存在絕緣絕熱層。所述的焊頭是點(diǎn)焊頭、扁焊頭、輥壓焊頭。所述的散熱系統(tǒng)是風(fēng)冷系統(tǒng)。所述的控制模塊包括控制系統(tǒng)和三個傳感器，其中第一傳感器與致動器相連 采集致動器的位移或者壓力信息，第二傳感器與上焊頭或者上單極板相連采集溫度信息， 第三傳感器與下焊頭或下單極板相連采集溫度信息，控制系統(tǒng)分別與三個傳感器相連接收 采集的信息，并控制電源、致動器和散熱系統(tǒng)工作。本發(fā)明還涉及如上所述的電流輔助的燃料電池超薄金屬雙極板壓焊裝置的壓焊 方法，包括如下步驟①首先根據(jù)燃料電池雙極板的流道形狀設(shè)計所需要連接的區(qū)域，繼而選擇根據(jù)焊 接區(qū)域設(shè)計的焊頭。②然后將焊頭連接致動器，在連接過程中焊頭控制在極板的待連接區(qū)域內(nèi)；將固 定在致動器工作臺上極板滿足上下焊頭對準(zhǔn)其待連接位置。③然后對致動器施予預(yù)壓力，對連接的電極通電，通過調(diào)節(jié)電流密度、電壓實現(xiàn)對 材料的電塑性和溫度的控制。所述的材料溫度是通過溫度傳感器數(shù)據(jù)并調(diào)節(jié)電源和散熱系統(tǒng)，以防止雙極板產(chǎn) 生熔化現(xiàn)象。④接下來致動器將壓力升高至焊接壓力，完成焊接；⑤最后切斷電流，致動器回升，散熱系統(tǒng)迅速冷卻，完成連接的雙極板，最后取出 雙極板。本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的電阻焊之處在于后者利用焊頭之間高電流放電使得待 連接工件在接觸面熔化形成熔核，實現(xiàn)材料間的相互連接；本發(fā)明控制電流使得待連接材 料表面溫度不高于金屬熔點(diǎn)，最終不形成熔核，是固相連接，不會產(chǎn)生飛濺等缺陷，且工件 表面保存較好，抗腐蝕性較好。本發(fā)明區(qū)別于一般熱壓焊工藝之處在于，后者采用的加熱方 式為間接加熱，即通過輻射對流傳熱方式將熱量傳遞到工件，要求設(shè)備比較復(fù)雜，且輻射能 量散射大，效率低；本發(fā)明直接對待連接的金屬工件進(jìn)行通電，綜合利用通電材料產(chǎn)生的電 塑性和熱量，提高材料的塑性，連接效果好，加熱效率高。本發(fā)明壓焊工藝是在足夠大壓力下使基體材料發(fā)生顯著塑性變形，導(dǎo)致材料之間 的接觸面面積擴(kuò)大使得金屬表面原來阻礙連接的保護(hù)膜破裂，從而使待連接材料次表層純凈金屬基體可以穿過表面保護(hù)膜緊密接觸產(chǎn)生原子間的結(jié)合，從而實現(xiàn)材料間連接的一種 固態(tài)連接工藝。按照對待壓焊工件是否施加熱，可將其分為冷壓焊和熱壓焊。常溫下的壓 焊一般稱為冷壓焊。由于某些金屬在常溫下硬度高，塑性較差，導(dǎo)致冷壓焊所需壓力大，甚 至連接難以實現(xiàn)。因此一般將這些金屬加熱至一定溫度(低于金屬熔化溫度)以提高其塑 性再進(jìn)行壓焊，這稱為熱壓焊。本發(fā)明采用電流直接局部加熱來輔助壓焊工藝。在壓焊過 程中直接對金屬極板施以電流，所產(chǎn)生的電子風(fēng)能夠向金屬的位錯施加一個作用力，降低 勢壘，促進(jìn)位錯的滑移開動，減少位錯的纏結(jié)，從而提高材料塑性，這種現(xiàn)象稱為電塑性。本 發(fā)明就是利用電流對材料的這種電塑性以及電流產(chǎn)生熱效應(yīng)的綜合作用，再附以較小的壓 力，實現(xiàn)燃料電池金屬超薄雙極板的高質(zhì)量連接。本發(fā)明采用的壓焊工藝是固相連接，極板 在焊接過程中不會產(chǎn)生熔化現(xiàn)象，從而使得極板表面質(zhì)量保持較好，降低了后期表面改性 的困難，提高了極板的耐腐蝕性能；本發(fā)明采用的材料電塑性和電流加熱的綜合作用來提 高材料的塑性，需要溫度低，且控制均勻，降低了由于焊接區(qū)域集中受熱導(dǎo)致的熱應(yīng)力，使 得極板翹曲較小，提高了極板的平整度；本發(fā)明利用材料的電塑性效應(yīng)，提高材料的塑性， 促進(jìn)了薄板材料的連接效果，有利于提高壓焊的連接質(zhì)量；本發(fā)明采用的采用電輔助連接 技術(shù)不需額外的加熱設(shè)備，有利于設(shè)備的簡化，方便設(shè)備使用和維護(hù)；此外，本發(fā)明不需粘 接劑等其他材料，工藝簡單，在燃料電池工作溫度范圍連接強(qiáng)度穩(wěn)定。

圖1是實施例1的組成連接示意圖；圖2是實施例2的組成連接示意圖；圖3是實施例2的組成連接示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方案作進(jìn)一步描述以下實施例在以本發(fā)明技術(shù)方 案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不 限于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例包括電源1，第一電極加，第二電極2b，上焊頭3a，下焊頭 北，雙極板4，第一傳感器fe，第二傳感器恥，第三傳感器5c，控制器、致動器7、絕緣絕熱層 8和散熱系統(tǒng)9。在本實施例中，電源1與第一電極加、第二電極2b相連，第一電極加與 上焊頭3a相連，第二電極2b與下焊頭北相連，從而形成回路。第二傳感器恥和第三傳感 器5c分別采集靠近連接區(qū)域上、下表面的溫度，第一傳感器fe采集致動器7的壓力信息， 第一、第二、第三傳感器都向控制器6傳輸數(shù)據(jù)?？刂破?根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制信號 控制電源1的電流以及致動器7的壓力、位移等。絕緣絕熱層8保證焊頭3與致動器7之 間的絕緣絕熱。散熱系統(tǒng)9可以調(diào)節(jié)溫度，保證其在壓焊所需的范圍內(nèi)。所述的電源1為大電流可控恒流源。所述的第一電極加以及第二電極2b為導(dǎo)電性好的材料，如銅電極等。所述的第一傳感器fe為壓力傳感器，第二傳感器釙、第三傳感器5c為溫度傳感ο所述的上焊頭3a以及下焊頭北為高強(qiáng)鋼制造的按照雙極板待連接區(qū)域設(shè)計的壓 焊頭。
所述的雙極板4為不銹鋼燃料電池雙極板。所述的致動器7是加載機(jī)構(gòu)，例如液壓壓力機(jī)等。所述的絕緣絕熱層8是石棉。所述的散熱系統(tǒng)9是風(fēng)冷裝置。本實施例壓焊方法實施方案如下首先致動器7通過上、下焊頭給予雙極板一定 預(yù)壓力(l-2MPa)使其接觸良好，然后電源1向電極通以恒定電流(10-100A)使材料產(chǎn)生電 塑性并加熱雙極板，經(jīng)溫度傳感器恥及5c檢測，當(dāng)雙極板溫度達(dá)到指定值(100-40(TC ) 時，增大壓力致動器壓力(1000-2000MPa)完成連接過程。繼而斷開電源1，冷卻并使得致動 器上升，取出雙極板。本實施例的優(yōu)點(diǎn)是直接電阻加熱效率高，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制；直接采用按照雙 極板焊接區(qū)域設(shè)計的焊頭，易于大規(guī)模快速生產(chǎn)；電流同時加熱焊頭和板材，溫度分布較均 勻。實施例2如圖2所示，本實施例包括電源1，第一電極加，第二電極2b，上焊頭3a，下焊頭 3b,雙極板4，第一傳感器fe，第二傳感器恥，第三傳感器5c，控制器6、致動器7、絕緣絕熱 層8和散熱系統(tǒng)9。在本實施例中，電源1與第一電極加、第二電極2b相連，第一電極加連 接在雙極板一側(cè)，第二電極2b連接在雙極板另一側(cè)，使得整個雙極板都可以通過電流。第 二傳感器恥和第三傳感器5c分別采集靠近焊接區(qū)域上、下表面的溫度，第一傳感器fe采 集致動器7的壓力信息，第一、第二、第三傳感器都向控制器6傳輸數(shù)據(jù)。控制器6根據(jù)傳 感器的數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制信號控制電源1的電流以及致動器7的壓力、位移等。絕緣絕熱層8 保證焊頭3與致動器7之間的絕緣絕熱。散熱系統(tǒng)9可以調(diào)節(jié)溫度，保證其在壓焊所需的 范圍內(nèi)。所述的電源1是大電流可控恒流源。所述的第一電極加以及第二電極2b為導(dǎo)電性好的材料，如銅電極等。所述的第一傳感器fe為壓力傳感器，第二傳感器釙、第三傳感器5c為溫度傳感ο所述的上焊頭3a以及下焊頭北為高強(qiáng)鋼制造的按照雙極板焊接區(qū)域設(shè)計的壓焊 頭。所述的雙極板4為不銹鋼燃料電池雙極板。所述的致動器7是加載機(jī)構(gòu)，例如液壓壓力機(jī)等。所述的絕緣絕熱層8是石棉。所述的散熱系統(tǒng)9是風(fēng)冷裝置。本實施例壓焊方法實施方案如下首先電源1向電極通以恒定電流(10-100A) 使材料產(chǎn)生電塑性并加熱雙極板，經(jīng)溫度傳感器恥及5c檢測，當(dāng)雙極板溫度達(dá)到指定值 (100-400°C )時，致動器7下壓，壓力達(dá)到1000-2000MPa時完成焊接。繼而斷開電源1，冷 卻并使得致動器上升，取出雙極板。本實施例的優(yōu)點(diǎn)是直接電阻加熱效率高，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制；直接采用按照雙 極板焊接區(qū)域設(shè)計的焊頭，易于大規(guī)?？焖偕a(chǎn)；加熱迅速，效率高，利于快速生產(chǎn)；雙極 板加熱均勻，不易翹曲。
實施例3如圖3所示，本實施例包括電源1，第一電極加，第二電極2b，上焊頭3a，下焊頭 3b,雙極板4，第一傳感器fe，第二傳感器恥，第三傳感器5c，控制器6、致動器7、絕緣絕熱 層8和散熱系統(tǒng)9。在本實施例中，電源1與第一電極加、第二電極2b相連，第一電極加與 上單極板相連，第二電極2b與下焊頭相連，形成回路。第二傳感器恥和第三傳感器5c分 別采集靠近焊接區(qū)域上、下表面的溫度，第一傳感器fe采集致動器7的壓力信息，第一、第 二、第三傳感器都向控制器6傳輸數(shù)據(jù)。控制器6根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制信號控制電 源1的電流以及致動器7的壓力、位移等。絕緣絕熱層8保證焊頭3與致動器7之間的絕 緣絕熱。散熱系統(tǒng)9可以調(diào)節(jié)溫度，保證其在壓焊所需的范圍內(nèi)。所述的電源1是大電流可控恒流源。所述的第一電極加以及第二電極2b為導(dǎo)電性好的材料，如銅電極等。所述的第一傳感器fe為壓力傳感器，第二傳感器釙、第三傳感器5c為溫度傳感ο所述的上焊頭3a以及下焊頭北為高強(qiáng)鋼制造的按照雙極板焊接區(qū)域設(shè)計的壓焊 頭。所述的雙極板4為不銹鋼燃料電池雙極板。所述的致動器7是加載機(jī)構(gòu)，例如液壓壓力機(jī)等。所述的絕緣絕熱層8是石棉。所述的散熱系統(tǒng)9是風(fēng)冷裝置。本實施例壓焊方法實施方案如下首先致動器7給予雙極板一定預(yù)壓力(l_2MPa) 使其接觸良好，然后電源1向電極通以恒定電流(10-100A)使材料產(chǎn)生電塑性并加熱雙極 板，經(jīng)溫度傳感器恥及5c檢測，當(dāng)雙極板溫度達(dá)到指定值(100-40(TC )時，增大壓力致動 器壓力(1000-2000MPa)完成焊接過程。繼而斷開電源1，冷卻并使得致動器上升，取出雙極 板。本實施例的優(yōu)點(diǎn)是直接電阻加熱效率高，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制；直接采用按照雙 極板焊接區(qū)域設(shè)計的焊頭，易于大規(guī)橫快速生產(chǎn)；加熱迅速，效率高，利于快速生產(chǎn)；電極 不隨致動器運(yùn)動，降低了設(shè)備復(fù)雜程度。
權(quán)利要求
1.一種電流輔助的燃料電池超薄金屬雙極板壓焊裝置，其特征在于，包括電源、控制 模塊、兩個電極、致動器、散熱系統(tǒng)、上焊頭和下焊頭，待連接的雙極板置于上下焊頭之間， 電源正負(fù)極分別與第一、第二兩個電極相連，第一電極與上焊頭或上單極板相連，第二電極 與下焊頭或下單極板相連，從而形成回路對雙極板通電加熱；致動器與上、下焊頭機(jī)械連 接，控制模塊與電源、致動器相連傳輸控制信息；所述的控制模塊包括控制系統(tǒng)和三個傳感器，其中第一傳感器與致動器相連采集 致動器的位移或者壓力信息，第二傳感器與上焊頭或者上單極板相連采集溫度信息，第三 傳感器與下焊頭或下單極板相連采集溫度信息，控制系統(tǒng)分別與三個傳感器相連接收采集 的信息，并控制電源、致動器和散熱系統(tǒng)工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流輔助的燃料電池超薄金屬雙極板壓焊裝置，其特征是， 所述的機(jī)械相連是接觸連接、螺栓連接或鉚接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流輔助的燃料電池超薄金屬雙極板壓焊裝置，其特征是， 所述的上、下焊頭與致動器之間存在絕緣絕熱層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流輔助的燃料電池超薄金屬雙極板壓焊裝置，其特征是， 所述的焊頭是點(diǎn)焊頭、扁焊頭、輥壓焊頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流輔助的燃料電池超薄金屬雙極板壓焊裝置，其特征是， 所述的散熱系統(tǒng)是風(fēng)冷系統(tǒng)。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流輔助的燃料電池超薄金屬雙極板壓焊裝置的壓焊 方法，其特征在于，包括如下步驟①首先根據(jù)燃料電池雙極板的流道形狀設(shè)計所需要連接的區(qū)域，繼而選擇根據(jù)焊接區(qū) 域設(shè)計的焊頭；②然后將焊頭連接致動器，在連接過程中焊頭控制在極板的待連接區(qū)域內(nèi)；將固定在 致動器工作臺上極板滿足上下焊頭對準(zhǔn)其待連接位置；③然后對致動器施予預(yù)壓力，對連接的電極通電，通過調(diào)節(jié)電流密度、電壓實現(xiàn)對材料 的電塑性和溫度的控制；④接下來致動器將壓力升高至焊接壓力，完成焊接；⑤最后切斷電流，致動器回升，散熱系統(tǒng)迅速冷卻，完成連接的雙極板，最后取出雙極板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電流輔助的燃料電池超薄金屬雙極板的壓焊方法，其特征 是，所述的材料溫度是通過溫度傳感器數(shù)據(jù)并調(diào)節(jié)電源和散熱系統(tǒng)，以防止雙極板產(chǎn)生熔 化現(xiàn)象。
全文摘要
一種焊接設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域的電流輔助的燃料電池超薄金屬雙極板壓焊裝置及其方法。裝置包括電源、兩個電極、致動器、上焊頭和下焊頭。其中，致動器與上、下焊頭機(jī)械連接；待焊的雙極板置于上下焊頭之間；電源正負(fù)極分別與兩個電極相連，第一電極與上焊頭或上單極板相連，第二電極與下焊頭或下單極板相連。方法為電源產(chǎn)生電流經(jīng)過雙極板從而加熱焊接區(qū)域，繼而進(jìn)行壓焊；壓焊完成后冷卻至室溫，檢測雙極板氣密性，達(dá)到不漏水不漏氣即得到成品雙極板。本發(fā)明采用直接電流加熱壓焊，熱效率高，焊接工藝簡單，制得的雙極板平整度好，性能穩(wěn)定。
文檔編號B23K11/36GK102049601SQ20101052573
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月30日
發(fā)明者倪軍, 彭林法, 徐竹田, 來新民, 林忠欽 申請人:上海交通大學(xué)