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《【Nature Communications 】研究人员推动高速激光焊接用于燃料电池生产》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2025-01-22

  • 燃料电池为许多行业提供了一种清洁能源，尤其是在不产生废气排放的汽车领域。 燃料电池的生产需要使用快速激光焊接工艺；然而，过高的焊接速度会导致驼峰现象，即焊缝表面不规则。

    宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的研究小组将观察和分析模型相结合，确定了在高激光焊接速度下产生驼峰的条件，并调整了工艺参数，在不造成表面不规则的情况下提高了焊接速度。 他们在 Nature Communications 上发表了自己的研究成果。研究人员希望通过提高激光焊接速度来提高燃料电池双极板的生产率。双极板是燃料电池发电的重要部件，  双极板是通过将两块面板焊接在一起形成的。 双极板上形成的通道是燃料电池发电的必要基础设施。 双极板的生产速度以前受到限制，因为焊接速度受到限制，以防止驼峰现象。

    以前，在发生驼峰现象之前，最高焊接速度是每分钟生产 20 米不锈钢，研究人员将这一限制提高到了每分钟 75 米，每分钟75米的生产速度相当于每年生产约8万个燃料电池，每个燃料电池由两块焊接好的双极板组成。 汽车双极板的尺寸通常在 8×8 英寸到 12×12 英寸之间。为了提高极限，研究人员首先需要对驼峰的原因有更深入的了解。利用高速同步加速器x射线成像技术，研究小组以前所未有的细节观察了这一过程。然后，他们设计了一个与实验观察相关联的数值模拟，并开发了一个将缺陷与工艺参数联系起来的方程。通过调整焊接条件，研究人员可以模拟各种工艺参数，即使在高速下也能创造出无驼峰的焊缝。

    原文链接: Zen-Hao Lai et al, Unveiling mechanisms and onset threshold of humping in high-speed laser welding, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53888-w

  • 原文来源：https://techxplore.com/news/2025-01-hump-boost-high-laser-welding.html
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相关报告

  • 《UD研究人员提出燃料电池生产新方法》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2019-05-31
    • 据国外网站报道 ：由于特定几何形状和电子特性限制，催化剂的效率取决于其活性部分的数量和质量。对这部分结构进行工程设计是一个艰巨而低效的过程。现在，特拉华大学（ UD ）的研究人员已经彻底改变了科学家设计催化剂结构的方式。他们的研究成果发表在最新一期的科学期刊 “自然化学”（ Nature Chemistry ）上，该研究成果为管理高度结构敏感的化学物质建立了一种新方法，以便在考虑催化剂稳定性的同时实现最高的活性。 　　 据 U D 研究人员的说法，他们的方法与众不同的是材料合成的简化。该方法使用计算机在催化剂表面产生微观变化或纳米缺陷。这一过程是自动化的，有助于催化剂在化学反应过程中合成，且所产生的化合物更稳定。计算是从一个小尺度开始的，在此次研究中，尺度为量子级。使催化剂表面发生变化的目的是调整催化剂的表面结构，以减少反应进行所需的能量。催化剂越活跃，电流就越高，反应也就越快，燃料电池的性能也就越强。 　　 研究人员使用氧还原反应（ ORR ）过程证明了他们的新方法的有效性，该过程通常用于在燃料电池中产生动力，用于交通和运输。由于氧气在大气层中充足，因此 ORR 是生产不排放二氧化碳（ CO 2 ）的便携式电源的理想方法。 　　 该研究得到了美国能源部科学办公室，高级科学计算研究办公室和美国国防部的国防高级研究计划局（ DARPA ）的支持。
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  • 《燃料电池：信息化战场的“新能源”》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2019-02-26
    • 信息化条件下的高技术战争，士兵除携带武器弹药外，还将配备头盔显示器、激光测距仪、卫星定位终端以及高性能作战计算机等，这些设备每时每刻都需要充足的电量供应。美国陆军曾预测，未来单兵装备的平均耗电功率将达到100瓦，传统的干电池、蓄电池等早已“不堪重负”。 日前，在美国能源部耗资3400万美元资助的科技创新项目中，就包括4个与燃料电池高度相关的项目。连宝马等汽车公司都在跃跃欲试，将在2020年后正式发行搭载燃料电池的汽车。 燃料电池是一种直接把化学能转化为电能的装置，不仅不需要反复充电，还更加清洁高效。事实上，燃料电池正在成为军用电源领域的“明日之星”，将在未来战场发挥重要作用。 随身携带的“发电厂” 打赢未来信息化战争，需要高效可靠的“能量源”。近年来，信息化战场上竞相涌现的先进武器装备，对战场电力供应提出了新的更高要求。以美国为首的西方国家尤其重视燃料电池技术发展，从为单兵装备供电，到电推动军用卡车，更甚至是驱动无人航潜器和无人机，处处可见燃料电池的身影。 说起燃料电池中的“燃料”，当然不同于生活中常见的煤、油、天然气等传统燃料。我们都知道，让强大的电流从水中经过，水便会分解为氢和氧。燃料电池的原理正好与此过程相反，是通过特殊装置使氢和氧作为“燃料”发生反应，最终产生电能。因此，与干电池、蓄电池等储能装置在需要时才把储存的电能释放出来不同，燃料电池更像是一座把化学能直接转化成电能的“发电厂”。这也难怪燃料电池被认为是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。 对于燃料电池而言，只要含有氢原子的物质就可以作为燃料。这就大大增加了“燃料”的来源范围，使燃料电池成为军用电源装备领域的“红人”。燃料电池投入军事应用，还有许多“先天性优势”。燃料电池在使用时能量转换效率高、系统反应快、运行可靠性强、维护方便。与其他电池相比，燃料电池的发电效率可以达到85%-90%。由于燃料电池的内部结构相对简单，工作时噪声很低，散热量和红外辐射较少。 近年来，包括美国国防部、美国陆军研究实验室、美国海军研究实验室等，都高度重视并全程参与了燃料电池的研发过程。从制订研制计划、明确技术指标，到研制后续环节安排部队进行试验，再到相关产品投入战场进行实战检验，燃料电池的研制都离不开美国军方的倾力支持。美国很多燃料电池产品的研发经历十几年时间，也与美国军方坚持将最新技术加以应用的决心不无关联。 “上天下海”无所不能 未来的燃料电池，将越来越轻型便携，并朝着移动式电池供电系统方向加速发展，必将成为信息化战场当之无愧的“能量源”。 燃料电池除可作为海面舰艇的辅助动力源外，还能为无人潜航器和潜艇提供驱动动力。美国海军已经完成了用作船用电网和推进系统的燃料电池系统研发，目前正逐步尝试将燃料电池用于驱逐舰。早在2005年，德国就试航了第一艘现代化的燃料电池潜艇。2016年获得澳大利亚海军潜艇项目大单的“梭鱼”级潜艇，也装备了由法国研制的燃料电池系统。2017年，美国国防部批准600万美元经费，专门用于研发无人潜航器的静音推进系统，或将采用由美国陆军研究实验室研制的燃料电池供电推进系统。此外，美国海军研究实验室还与通用汽车公司合作，正在致力于将车用燃料电池移植到下一代无人潜航器中，以大力提升无人潜航器的航程和持久力。 燃料电池也将助力飞行器展翅高飞。现有的无人机电池主要为锂离子电池，供电缺口较大，尤其需要研制供电时间更长、更安全可靠的供电系统。加拿大巴拉德公司为美军战术无人机研制了氢燃料电池，具有适应能力强、安全可靠、重量轻等特点，目前已经在洛克希德·马丁公司的系列产品中得到应用。美国国家航空航天局研制的使用燃料电池推进的太阳能无人机，一度创造出3.2万米的世界飞行高度纪录。目前，美国国防部正致力于使用燃料电池动力装置的长航时无人机项目，将尽快装备美军各军兵种。 早在20世纪60年代，由于载人航天器对特殊性能电池的迫切需求，美国曾研制出氢燃料电池。此后往返于太空和地球之间的“阿波罗”系列飞船，就专门安装这种体积小、容量大的供电系统。此外，美国通用汽车公司也在持续挖掘燃料电池在陆上军事应用中的潜力，已经推出使用氢燃料电池的“通用静音多功能电动平台”计划。该平台理论续航里程超过460千米，越野能力较强，还具备运送集装箱、作战方舱和医疗方舱等能力。 战场应用驶入“快车道” 随着战场军用电源系统要求的不断提升，燃料电池不仅为各类武器装备提供了强劲的供电能力、低热辐射和电磁辐射的使用环境，还具有高效、清洁、经济以及安全等优点，正逐步打开军事领域应用的大门。 现有的单兵可穿戴系统，士兵们背负的作战装备往往令人不堪重负。美国陆军目前正在尝试使用燃料电池取代传统锂离子电池，将减少约50%的负荷。美国陆军通信与电子研发和工程中心，同通用汽车公司合作，已经推出了一款用于单兵可穿戴设备的新型氢燃料电池系统。美军目前装备的军用燃料电池，尺寸与传统的一次性小型电池相同，输出的电流量却提高了1倍。韩国三星公司研发的单兵燃料电池系统，一次产生的电量高达1.8千瓦时，可满足士兵连续执行72小时任务需求。德国SFC公司研制的燃料电池系统，已经交付英国、挪威、比利时和荷兰等多国军队使用。 燃料电池系统的出现，对武器装备性能的提升也大有裨益。美军在燃料电池研发过程中遵循的“先易后难、先小后大”原则，不仅推动了燃料电池从单兵装备和野战携行电源，到无人机、无人潜航器以及作战车辆动力系统的升级，也在逐步积累技术和经验的过程中，为今后装备燃料电池武器装备性能的提升奠定了基础。野战条件下夜间作战时，对武器装备的隐蔽性要求极高，普通车辆发动机产生的热能会直接暴露于红外夜视仪中。对此，美国陆军与通用汽车公司联合研制出使用氢燃料电池驱动的轻型作战卡车，噪声水平明显降低，热能排放也非常少，极大地提高了战场生存能力。由于燃料电池反应后副产物是水，该型作战卡车还能为士兵进行战场供水。 目前，阻碍燃料电池实用化的主要问题，在于燃料电池的环境适用性、使用寿命和经济成本。近年来，尽管燃料电池的使用寿命有所提升，但绝大多数仅维持在2200小时左右，与实用化5000小时的目标寿命还有不小差距。同时，燃料电池的生产和使用成本比较高，人们试图通过使用廉价替代材料、改进制备工艺、加速批量化生产等方式，使燃料电池的军事应用走上“快车道”。
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