燃料電池超薄金屬雙極板激光膠焊技術(shù)分析

關(guān)鍵詞：雙極板；激光膠焊；膠黏劑；焊接質(zhì)量

中圖分類號：TM933.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2025)16-0083-06

DOI : 10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.16.017

AnalysisofLaserAdhesiveWeldingforUltra-ThinMetalBipolar PlatesinFuel Cells

QU Junfeng (Henan Scienceand Technology Innovation Promotion Center， Zhengzhou 45ooo3， China)

Abstract:[Purposes] This article aims to summarize and analyze the latest research progress in laser adhesive welding and promote its application in the connection of metal bipolar plates.[Methods]A comprehensive analysis of the principle，advantages，disadvantages，current development status，and future development trends of laser adhesive welding was conducted.[Fingdings] Laser adhesive welding offers core advantages such as high sealing，low deformation，and process flexibility in the manufacture of metal bipolar plates and is a key technology to improve the power of fuel cell stacks.However，challenges such as process complexity，adhesive layer stability，and cost remain to be addressed.[ConclusionslLaser adhesive welding will playan important role in the future welding of metal bipolar plates. Keywords: bipolar plates; laser glue welding;adhesive;welding quality

0 引言

在全球工業(yè)化與經(jīng)濟擴張浪潮下，能源危機與生態(tài)失衡正演變?yōu)橹萍s人類發(fā)展的雙重桎梏[1-2]。作為全球最大的化石能源消費國，我國面臨著更為嚴(yán)峻的結(jié)構(gòu)性矛盾：本土能源儲量與消耗需求嚴(yán)重倒掛，數(shù)據(jù)顯示，化石能源占我國能源消費總量仍高達(dá) 60% ，其中石油、天然氣等關(guān)鍵品種對外依存度突破 70% 。這種“高消耗一高依存\"的能源模式，不僅加劇資源安全風(fēng)險，更與碳中和目標(biāo)形成深層沖突，成為可持續(xù)發(fā)展進程中的關(guān)鍵瓶頸[3-4]

研發(fā)和推廣質(zhì)子交換膜燃料電池可以減少傳統(tǒng)化石燃料的使用[5]，減少環(huán)境污染。然而PEMFC燃料電池的商業(yè)化之路仍困難重重，主要表現(xiàn)在其耐久性、可靠性和成本方面。美國能源部(DOE)要求雙極板的成本目標(biāo)在2025年達(dá)到2美元/kW，但直到2023年，BP的成本為5.4美元/kW，甚至遠(yuǎn)高于2020年能源部的目標(biāo)(3美元/kW)[6。而雙極板作為燃料電池的核心部件，必須具有優(yōu)秀的機械強度、導(dǎo)電性、抗?jié)B透性和導(dǎo)熱性，以實現(xiàn)提供機械支撐、分隔陰陽極反應(yīng)場所、排出反應(yīng)副產(chǎn)物、散熱以及收集電流等功能，并且為了能夠在 50～90^°C 、低ΔpH 值等環(huán)境下工作，雙極板也需要滿足一定的耐腐蝕性。在整個燃料電池堆的成本中，雙極板占到了 20%～30% ，重量占到了 60%～80% ，體積更是占到了 80% 以上7。燃料電池電堆成本占總成本的45%[8]

在金屬雙極板的制造中，激光焊接是連接微成型金屬薄板最先進的技術(shù)。但面對流道復(fù)雜的超薄雙極板，焊接過程仍會出現(xiàn)一些問題。第一，激光焊接屬于非接觸式焊接，上下層金屬極板的分離將導(dǎo)致熱量不能傳遞至下層極板，因此在焊接過程中，金屬雙極板必須由專業(yè)的焊接夾具進行夾持。但由于雙極板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并不能保證所有區(qū)域都能緊密夾持，在實際焊接過程中，就會出現(xiàn)虛焊的現(xiàn)象。第二，雙極板結(jié)構(gòu)復(fù)雜且僅有 0.1mm ，在夾具的夾持下都會產(chǎn)生微量變形，更何況在激光焊接高熱源的環(huán)境下。且變形后的雙極板會嚴(yán)重影響電池電堆的裝配、電池效率等，更嚴(yán)重的可能面臨報廢，極大地增加了雙極板制造成本。研究證明用膠粘激光焊接順序耦合的方法對雙極板連接可有效地解決以上問題。

故本研究對雙極板激光膠焊進行分析，研究了激光膠焊的原理、優(yōu)缺點和發(fā)展現(xiàn)狀。

1激光膠焊的原理

激光膠焊(LaserBondingWelding)是一種將激光焊接與膠黏劑復(fù)合連接相結(jié)合的高效復(fù)合工藝，其核心在于利用兩種技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)實現(xiàn)材料的高強度、高密封性連接9。激光膠焊示意如圖1所示。

圖1激光膠焊示意

首先，在金屬雙極板的焊接路徑上均勻涂覆膠黏劑，在一定的預(yù)緊壓力下進行膠黏劑固化，在兩層極板間形成厚度均勻的膠層。其次，在激光高熱能輸人下，上下層極板熔化，冷卻后形成激光焊縫。其中，激光熱將膠層熔化，使其精準(zhǔn)填充焊接界面微間隙并覆蓋熱影響區(qū)，實現(xiàn)氣密性與耐腐蝕性的雙重提升。最終，實現(xiàn)燃料電池金屬雙極板的連接。

2激光膠焊的優(yōu)缺點分析

金屬雙極板激光膠焊是一種結(jié)合激光焊接與膠粘技術(shù)的復(fù)合工藝，其在燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢，但也面臨一定挑戰(zhàn)。以下對其的優(yōu)缺點進行分析。

2.1 激光膠焊的優(yōu)點

2.1.1 高密封性與可靠性

激光膠焊通過激光焊接形成冶金結(jié)合，提供高機械強度，同時膠黏劑填充焊縫間隙，能有效防止氫氣微泄漏，顯著提升氣密性[10]。尤其在燃料電池高壓操作環(huán)境下，膠層覆蓋熱影響區(qū)，耐腐蝕性可提升至 1000h 測試無失效。

2.1.2 減少焊接變形與應(yīng)力

膠黏劑在焊接前固定雙極板，減少裝配間隙，降低激光熱輸入導(dǎo)致的翹曲變形。研究顯示，與傳統(tǒng)激光焊接相比，激光膠焊可使焊接變形角減少60% ，整體拱曲量降低 33% ，從而提升電堆裝配精度和功率密度[9]

2.1.3工藝兼容性與簡化

常溫固化膠無須高溫處理，減少熱輸入對雙極板涂層的損傷；膠層可補償復(fù)雜流道區(qū)域的裝夾不足，減少對高精度夾具的依賴，同一夾具可適配不同設(shè)計，降低設(shè)備復(fù)雜度。

2.1.4適應(yīng)異種材料連接

膠黏劑的緩沖作用可緩解金屬雙極板與復(fù)合材料間的熱膨脹系數(shù)差異，解決了傳統(tǒng)焊接中的界面應(yīng)力集中問題，擴展了材料選擇范圍。

2.1.5生產(chǎn)效率與成本潛力

自動化激光膠焊工藝可實現(xiàn)10s內(nèi)完成單次焊接，效率較傳統(tǒng)膠粘工藝提升5倍以上，且成品率從 60% 提升至 90% ，顯著降低人工成本。

2.2 激光膠焊的缺點

2.2.1 工藝復(fù)雜度增加

需同時控制激光焊接參數(shù)與膠黏劑涂覆參數(shù)，工藝窗口較窄。例如，膠層厚度需精確至10±2μm ，否則可能影響焊縫熔深或?qū)е履z層碳化[9]。

2.2.2 膠層耐高溫穩(wěn)定性不足

現(xiàn)有常溫固化膠在燃料電池高溫運行環(huán)境下

圖2混合接頭分離的基本程序

易老化，長期使用可能導(dǎo)致膠層降解，影響密封性。

需開發(fā)耐高溫膠黏劑以適配嚴(yán)苛工況。

2.2.3設(shè)備與材料成本較高

高精度激光器及配套自動化產(chǎn)線初期投資大，中小企業(yè)難以承擔(dān)；特殊膠黏劑成本較高，且涂膠精度要求增加額外設(shè)備投入。

2.2.4表面質(zhì)量與后處理挑戰(zhàn)

膠層在激光熱作用下可能揮發(fā)殘留物，需優(yōu)化工藝避免流道堵塞。此外，膠焊后的焊縫表面光順性較傳統(tǒng)焊接略有下降，可能需二次拋光處理。

2.2.5 長期耐久性驗證不足

目前激光膠焊技術(shù)多處于實驗室或小批量應(yīng)用階段，缺乏大規(guī)模商業(yè)化驗證數(shù)據(jù)，尤其在車載振動、冷熱循環(huán)等極端工況下的性能衰減機制尚不明確。

3激光膠焊國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 激光膠焊國外發(fā)展現(xiàn)狀

2022年，Nonnenmann等]對焊接-膠接混合接頭的力學(xué)性能和協(xié)同強化效應(yīng)進行研究（具體步驟如圖2所示），發(fā)現(xiàn)混合接頭在抗拉強度和抗變形能力的表現(xiàn)比傳統(tǒng)接頭更優(yōu)秀。

2025年， Min 等研究激光參數(shù)對黏合強度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重疊比對黏合強度的影響比激光功率更顯著，而縱橫比的影響最弱。得到優(yōu)化后的加工參數(shù)使鈦雙極板變形降低。Huang等[13]研究異種金屬攪拌摩擦焊-膠接的協(xié)同工藝，其拉伸載荷是傳統(tǒng)攪拌摩擦焊的 93.3% ，膠層的熱固化有效

緩解界面應(yīng)力集中。

3.2 激光膠焊國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2013年，胡唯提出了激光膠焊工藝，并將其分為膠粘工序和焊接工序，如圖3所示。激光膠焊膠層替代空氣層，焊縫光順性達(dá)標(biāo)，且熔深提升100% ，角變形減少 60% ，顯著地提升了接頭性能。

預(yù)緊壓力 激光束 待焊工件 （上層板） ↓↓ 上壓模 裝夾壓力 』裝夾壓力 膠層 膠粘工件 焊接夾具 待焊工件 下壓模 （下層板） （固定）

梅述文[14]研究異種金屬激光復(fù)合膠焊界面的接頭性能優(yōu)化。激光偏移量為 0.4mm 時是最優(yōu)的調(diào)控參數(shù)。

2016年，李權(quán)[5研究了鋁鋼異種金屬激光-電弧復(fù)合膠焊界面調(diào)控和強度優(yōu)化，鈦鋼激光膠焊示意如圖4所示。結(jié)果顯示： Cu 夾層使界面形成Ti-Cu化合物與 Fe-Cu 共析混合物，最佳參數(shù)下拉伸剪切強度達(dá) 3.629kN/cm ；斷裂位置隨激光能量變化轉(zhuǎn)移，膠接促進Fe擴散強化界面結(jié)合。

圖3激光膠焊過程

圖4鈦鋼激光膠焊示意

2018年，馮寶強研究了鋁-鋼異種金屬膠焊界面脆性控制。 Cu 中間層使Al-Fe化合物厚度小于 10μm ，深熔焊接頭強度提升 50.7% 。

2019年，易金權(quán)等1通過正交試驗研究了SPCC冷軋鋼膠接點焊工藝參數(shù)優(yōu)化及接頭性能影響。發(fā)現(xiàn)膠焊接頭平均失效載荷比點焊接頭的平均失效載荷提升了 8.7% 。胡景蓉[18]對膠焊技術(shù)優(yōu)缺點進行總結(jié)分析。其優(yōu)點為膠焊兼具靜強度高、疲旁性能優(yōu)異和應(yīng)力集中低等特點。其缺點為膠焊雖綜合性能突出，但成本較高且對膠黏劑性能要求嚴(yán)苛。

2020年，張龍對比研究了 1.5mm 厚的SUS304不銹鋼膠接點焊接頭靜強度與疲勞性能。結(jié)果顯示：膠焊接頭焊核直徑更大，靜強度較點焊降 25% ，但比膠接接頭接升了 33% 。李偉平等20]研究了點焊和膠焊接頭斷裂失效機理及工藝影響。對比結(jié)果如圖4所示，發(fā)現(xiàn)膠接點焊接頭峰值載荷比點焊接頭峰值載荷高 23.3% 。

圖4仿真與實驗載荷位移曲線

2021年，王紹螺等2研究了AA5052鋁合金磁脈沖膠焊接頭高速沖擊動態(tài)響應(yīng)。結(jié)果顯示：速率提升使峰值載荷與能量吸收顯著增加。

2022年，張群威等22對比研究了鋁合金在激光焊接和膠焊產(chǎn)生的焊穿或者虛焊問題。不同條件下的焊縫結(jié)果對比如圖5所示。結(jié)合數(shù)據(jù)顯示，在最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)下，復(fù)合工藝的薄板連接方式，能很好克服薄板的變形，從而解決因薄板變形導(dǎo)致的焊穿或者虛焊的問題。

圖5焊縫外觀切片對比

趙君乾等23研究了膠接點焊接頭失效模式識別與損傷演化表征，結(jié)果顯示：膠層失效與焊核拔出失效都可以通過聲發(fā)射區(qū)分特征，為失效實時監(jiān)測提供依據(jù)。武子濤[24研究了薄板攪拌摩擦點焊-膠接混合連接工藝性能優(yōu)化，透膠工藝因高溫致膠層蒸發(fā)失效，強度反降，但其他性能優(yōu)秀。董語宸[25研究了鎂鋁異種金屬界面脆性金屬間化合物即IMCs調(diào)控及復(fù)合連接性能優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)鉚釘加上膠接使峰值載荷達(dá) 7.78kN ，比較焊-鉚工藝提升了 116.7% 。

2023年，于貴中2通過溫控透膠技術(shù)發(fā)現(xiàn)注膠式接頭拉剪載荷提升1.1倍，鉤尖應(yīng)力降低68.29% 。閆雪燕等27研究了膠層與母材強度對膠焊接頭力學(xué)性能的耦合影響規(guī)律。結(jié)果顯示：膠焊使焊核直徑增大、電流需求降低，剪切強度較點焊提升。

4激光膠焊的發(fā)展趨勢

激光膠焊的工藝參數(shù)正通過AI算法實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化。例如，深圳眾為開發(fā)的全自動數(shù)智化產(chǎn)線，采用高速磁懸浮傳動技術(shù)與在線視覺檢測系統(tǒng)，將成品率提升至 90% 以上，同時減少人工依賴。未來，數(shù)字孿生技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合將實現(xiàn)工藝參數(shù)的實時仿真與反饋。

4.1材料與工藝協(xié)同創(chuàng)新

耐高溫膠黏劑研發(fā)：現(xiàn)有膠材在高溫環(huán)境下易老化，新型納米復(fù)合膠的耐溫性目標(biāo)提升至 300^°C 以上，以適配燃料電池長期運行需求。

高速焊接與工藝優(yōu)化：IPG光纖激光器等設(shè)備通過精準(zhǔn)控制熱輸入，將金屬雙極板焊接速度提升至國際領(lǐng)先水平，同時減少材料變形。

復(fù)合工藝突破：激光-電弧復(fù)合焊接、未熔透焊接等新工藝在保證連接強度的同時，降低熱影響區(qū)對涂層的損傷，提升雙極板導(dǎo)電性與耐久性。

4.2綠色制造與成本控制

規(guī)模化生產(chǎn)推動設(shè)備成本下降，深圳眾為通過國產(chǎn)化激光焊接系統(tǒng)，將成本降至國際平均水平的16%～25% ，同時低VOC膠黏劑與高效激光器的應(yīng)用顯著降低碳排放。到2030年，全球雙極板激光焊接設(shè)備市場規(guī)模預(yù)計突破10億美元，中國占比將大幅提升。

4.3多領(lǐng)域應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同

除氫燃料電池外，激光膠焊技術(shù)正向航空航天、精密電子等領(lǐng)域滲透。國內(nèi)企業(yè)(如華工激光、聯(lián)贏激光)加速設(shè)備國產(chǎn)化，打破通快等國際巨頭的壟斷，形成從激光器到檢測系統(tǒng)的全產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)。

5結(jié)語

雙極板激光膠焊技術(shù)正經(jīng)歷從規(guī)模化向智能化、從單一工藝向多技術(shù)融合的轉(zhuǎn)型。其核心價值在于通過高精度連接與高效生產(chǎn)，將氫燃料電池電堆功率提升 30% 以上，并推動氫能汽車商業(yè)化進程。然而，技術(shù)瓶頸仍存：膠層長期穩(wěn)定性驗證、復(fù)雜工況下的工藝參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整、高成本設(shè)備對中小企業(yè)的準(zhǔn)人限制等，均需通過跨學(xué)科合作尋求進一步突破。

未來，隨著政策驅(qū)動與市場需求的雙重刺激，激光膠焊技術(shù)將加速與增材制造、復(fù)合材料工藝的融合，推動氫能產(chǎn)業(yè)鏈從“示范應(yīng)用\"邁向“大規(guī)模量產(chǎn)”。中國企業(yè)憑借自主創(chuàng)新，有望在全球競爭中占據(jù)差異化優(yōu)勢，為能源轉(zhuǎn)型提供關(guān)鍵支撐。

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