介紹 燃料電池技術是一項十分有效的應對世界能源消耗和全球氣候變暖的措施之一。燃料電池所產生的清潔能源可廣泛用于生態汽車、航空航天、海洋監測、化工、醫療以及電子等諸多領域。 燃料電池技術的應用前景得到了世界的認可。現任美國總統布什于2003年批準了氫燃料啟動方案，表示美國政府將從政府經費中撥出1.8億美元用于研究和開發燃料電池技術。如果加上大財團，如Honda, Hyundai和其他企業的投入，全美用于燃料電池技術研究和開發的總投入高達2.8億美元。 在未來的5到10年里，燃料電池技術成功應用的關鍵在于是否可以實現商業化大規模量產。2002年的統計，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在各項能源技術中脫穎而出。 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用于燃料電池的生產進行了討論，并展示了光纖激光技術是如何有效地降低燃料電池的生產成本的。 燃料電池的制造 燃料電池是一種電化學能量轉換裝置，外置燃料（陽極端）和氧化劑（陰極端）通過電解質的反應產生電能。 通常一個燃料電池單元所產生的電量不足1伏特，因此在應用時，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件需要約1米長的焊接，一輛生態汽車所需的燃料電池的總焊接長度可達400米。因此，優化焊接工藝是降低燃料電池生產成本的關鍵。 用傳統的焊接技術，在較經濟的的焊接速度下，實現小尺寸，光潔牢固的焊接難度很大。為解決這一難題，領先的制造商正訴諸于光纖激光焊接技術。 圖1 燃料電池結構示意圖精細焊接使得燃料電池單元的功能得到最大的發揮，同時使得單獨的薄板構件的變形降到最小，從而使得整個燃料電池堆由于焊接所引發的變形得到有效的控制。 量產速度下的低成本，密封焊接 光纖激光較其他激光技術的主要優勢在于其高質量的光束模式，穩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控范圍，另外較低的使用成本也是其優勢之一。高質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，高產出的焊接工藝得以實現。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生的熱效應，從而有效地減少了被焊接薄板構件的變形。能量及輸出功率的高穩定性，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。 雖然其他激光技術也可對燃料電池進行焊接，但光纖激光可為此項技術提供快速，高焊接質量，較低運行成本的解決方案。John Tinson先生說：“我們相信SPI公司200瓦光纖激光器優良的性價比將成為未來降低燃料電池生產成本的首選方案”。 為最大限度地減少焊接所產生的熱效應以保證變形控制在可接受的范圍內，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重要，完全密封焊接是基本的要求。質量低的焊接往往嚴重影響燃料電池的工作性能和使用壽命，甚至導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商們的問題是當用激光進行高速焊接時，有可能產生焊接“駝峰”（‘humping’ of the weld）。這一現象的產生是由于高速焊接時，液態溶池的不穩定性造成的，這一現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。 在生產環境下，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，無需預熱，從而進一步降低能耗，提高了效率。由于光纖激光器內沒有可拆除的光學器件，如反射鏡等，無需調準，且完全密封，因此運行維護費用極低，每年每臺激光器可節約數千美元運行維護費。 結論 光纖激光器為燃料電池的生產商提供了“綠色制造” 技術，為燃料電池的生產商提供了高效率，高質量，低成本的解決方案。 結果顯示，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成功的道路上，光纖激光焊接技術將發揮舉足輕重的作用。