未来氢经济中的电阻焊接——一种旧焊接技术在现代应用中的复兴

《Welding in the World》：Resistance welding for future hydrogen economy—the comeback of an old welding technology for modern applications

　　

通过质子交换膜（PEM）水电解扩大氢气生产已在多个工业领域引起高度兴趣，以实现立法机构关于产量和成本降低的宏伟目标。一种方法是用连接的多层膨胀金属网（EMM）复合材料替代烧结体，用作PEM电解中的多孔传输层。对于连接多层结构，电容放电焊接是一种受青睐的焊接技术，可实现自动化，同时是一个高度经济且稳健的过程。但由于EMM表现出各向异性特性以及多种网格几何形状，这种多层复合材料的设计为修改复合材料的流动特性和电池效率提供了多种可能性。同时，这些变化也影响连接过程本身。在本研究中，研究人员将不同的EMM几何形状以90°和180°层对层取向在电容放电焊接的电阻凸焊过程中连接。压缩测试揭示了90°取向的阻尼特性改善，而CFD模拟提示流体流动中出现更明显的湍流，这被认为有利于气泡积聚和电池效率下降。相反，180°取向则显示出较少的流动湍流和较小的电池压降。

研究背景：随着全球对绿色氢能需求的增加，质子交换膜（PEM）水电解技术因能高效生产高纯度氢气（H₂）而备受关注。水电解过程中，水分子被分解为H₂和氧气（O₂）。多孔传输层（PTL）作为PEM电解槽的关键组件，直接影响电池性能和效率。传统烧结体PTL虽具有可控孔隙率和良好机械稳定性，但其高能耗和长生产周期限制了规模化生产的成本效益。为克服这些限制，研究人员提出采用多层膨胀金属网（EMM）复合材料替代烧结体，并通过电容放电（CD）焊接技术实现快速、经济且可自动化的连接。然而，EMM因其各向异性和多样的网格几何形状，使得多层复合材料的层间取向会显著影响焊接过程、复合材料的流动特性及电池效率。为此，本研究旨在探究不同EMM层取向（90°和180°）对CD焊接过程及PTL综合性能的影响。该论文发表在《Welding in the World》。

主要技术方法：研究人员采用电容放电（CD）焊接技术进行电阻凸焊，以一步连接三层EMM复合材料。使用压敏纸（富士胶片）测定不同层取向下的接触面积分布。通过准静态压缩测试（依据DIN EN ISO 50106）评估机械性能和阻尼特性。利用专用测试台测量电学电阻（依据DVS 2929），并在不同电极力下进行。流体特性分析通过单相水流动测试进行，测试在短宽度对角线（SWD）和长宽度对角线（LWD）方向进行，并辅以计算流体动力学（CFD）模拟（ANSYS Fluent）解释流动行为。所有EMM样品为钛Grade 1，具有菱形网格，几何参数如表2所示，样品活性面积为17.64 cm²。

研究结果：

3.1 接触面积的偏差：通过压敏纸分析发现，180°取向的EMM层间接触面积大于90°取向。90°取向的接触点大小不一，且两种取向均显示边缘压力分布不均匀，这导致90°取向在焊接过程中具有更高的局部电流密度。

3.2 CD焊接：焊接过程中，90°取向的电极随动距离大于180°取向，这是由于较小的接触面积导致较高的电流密度和局部电阻加热。焊接后，90°取向的样品高度较大且偏差较小，而180°取向的样品高度因层间互锁而显著降低，且偏差较大。反射光照片显示，90°取向的网格股线上出现蓝色回火色，表明局部过热和钛氧化物形成，而180°取向的氧化物较少，尤其是在较低焊接参数下。焊接参数A和B对跟随距离的影响较小，但对180°取向的样品高度有影响。

3.3 电阻：未焊接样品中，180°取向的电阻略低于90°取向，且随电极力增加电阻降低。焊接后，样品电阻显著降低，尤其在低电极力下（小于0.01 Ω·cm²对比大于0.015 Ω·cm²），但高电极力下差异不明显，可能与焊接产生的氧化物有关。电阻测量中，180°取向样品高度降低更显著（约-0.03 mm vs -0.01 mm），暗示机械行为差异。

3.4 压缩测试：准静态压缩测试显示，90°取向的样品具有更好的阻尼特性，表现为较小的滞后环面积和位移差（Δs）。第一个滞回环（最大力4.5 kN）的Δs大于第二个滞回环（最大力7 kN）的Δs，表明存在塑性变形。对于90°取向，较高能量输入（参数B）导致更小的Δs和滞后环面积；对于180°取向，参数影响更明显。所有样品未发生失效。

3.5 流体特性：单相水流动测试表明，180°取向样品在LWD方向时压降（Δp）最小，而在SWD方向时Δp最大，在流量2 l/min时，SWD方向Δp约为LWD方向的10倍。90°取向样品的各向异性较小，LWD方向Δp约为SWD方向的两倍。CFD模拟显示，180°取向的流动湍流较少，最大流速0.44 m/s，而90°取向湍流更明显，流速更高（0.49 m/s），导致更大的Δp。研究人员认为，180°取向可能更有利于气泡移除，而90°取向可能增强向膜的介质传输。

总结讨论：研究结果表明，EMM层取向对焊接工艺、电学性能、机械性能和流体特性均有显著影响。180°取向在降低电阻和Δp方面具有优势，但阻尼性能较差；90°取向则阻尼特性更好，但可能因湍流导致气泡积聚和效率下降。研究人员指出，在实际应用中需根据PTL的功能需求选择优化取向，例如兼顾介质传输和气泡移除。

研究结论翻译：本研究探讨了PEM电解中EMM PTL的层取向对CD焊接过程及PTL特性的影响。基于结果得出以下结论：在CD焊接中，EMM层间取向定义接触面积并影响局部电流密度，压力分布偏差导致电阻加热不均匀，应通过一致堆叠避免。CD焊接可一步连接多层EMM并最小化钛氧化物形成，但电阻加热应尽可能均匀以避免局部氧化。焊接样品的电阻随电极力增加而降低，高电极力下取向差异可忽略，但低电极力下焊接样品电阻显著降低，有望在保持效率的同时降低电池夹紧压力。压缩测试显示，90°取向具有更好的阻尼特性，而180°取向能量吸收更高。单相流动测试中，180°取向在LWD方向Δp最低，但SWD方向Δp最高（相差10倍）。CFD模拟表明，90°取向更易产生湍流，增加Δp但可能改善介质向膜传输；180°取向湍流较少，Δp更小，有利于气泡移除。