一种液流电堆密封工艺的制作方法

1.本发明属于液流储能技术领域，具体涉及一种液流电堆密封工艺。


背景技术：

2.液流电堆是一种将多节液流电池串联在一起，并通过装配组合而成的更高一级的储能结构，主要用于大规模储能。
3.液流电堆主要包括多节串联在一起的液流电池。单个液流电池的结构如图1所示，包括：负极双极板、密封垫圈、负极电极框、离子传导膜、正极电极框、密封垫圈以及正极双极板。其中，密封垫圈被夹在双极板与电极框之间，用于实现双极板与电极框的连接与密封，从而将电解液密封在这三者形成的电极反应区中。
4.为了避免电解液流出，需要向由多节液流电池叠加的电池组施加压紧力。具体的，如图2所示，在电池组两侧叠加钢制或铝制的金属端板，使用金属螺杆将两侧的金属端板串接起来，然后使用压滤机对整个结构进行压紧，在维持压紧力的作用下，在螺杆两端拧上并拧紧螺母实现液流电堆的紧固。
5.由于密封垫圈夹在双极板与电极框之间，使得双极板与电极框之间存在大面积空洞，因此使用压滤机进行压紧时，容易导致双极板与电极框被压缩变形，从而影响电解液在电极区域内的分布均匀性。此外，还需要对液流电堆定期进行紧固维护，否则一旦螺母松动，液流电堆的紧固效果下降，将会导致电解液漏液，进而导致液流电堆内部短路，致使整个液流电池电堆失效。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种液流电堆密封工艺。
7.本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种液流电堆密封工艺，包括：组合液流电堆；所述液流电堆包括电池组以及分别叠加于所述电池组上下两端的绝缘端板；所述电池组包括多个由下至上周期性叠加的液流单元；所述液流单元由第一极性的电极框、碳毡、第二极性的电极框以及碳毡依次叠加组成；所述电极框的一面设有电解液流道，另一面设有一圈凹台，该凹台圈起的内部区域中空；所述第一极性的电极框的凹台中嵌有双极板，所述第二极性的电极框的凹台中嵌有离子传导膜；所述电池组还包括与其最外侧的碳毡叠加在一起的第一极性的电极框；所述绝缘端板和所述电极框的长宽尺寸相等，且所述绝缘端板和所述电极框均由绝缘材料制成；向两个所述绝缘端板对向施加夹紧力；在保持所述夹紧力的条件下，对两个所述绝缘端板以及所述电池组叠加形成的四个电堆侧面分别进行加热熔合，形成四个密封面；其中，在对每个所述电堆侧面进行加热熔合之前，在该电堆侧面覆盖玻璃纤维网格布，以在对该电堆侧面进行加热熔合时将该玻璃纤维网格布熔嵌进该电堆侧面所形成的
密封面中；所述玻璃纤维网格布的熔点高于所述加热熔合的加热温度。
8.可选地，所述玻璃纤维网格布的厚度为0.1mm~1.5mm，网格直径为1mm~5mm。
9.可选地，所述在该电堆侧面覆盖玻璃纤维网格布，包括：在该电堆侧面覆盖同等面积的玻璃纤维网格布。
10.可选地，向两个所述绝缘端板对向施加夹紧力，包括：使用液压机向两个所述绝缘端板对向施加1兆帕~10兆帕的夹紧力。
11.可选地，所述绝缘材料，包括：聚丙烯pp材料。
12.可选地，所述加热温度为190℃~290℃。
13.可选地，所述对两个所述绝缘端板以及所述电池组叠加形成的四个电堆侧面分别进行加热熔合，包括：采用激光焊接或热源辐热的方式，对两个所述绝缘端板以及所述电池组叠加形成的四个电堆侧面分别进行加热熔合。
14.可选地，采用所述热源辐热的方式对所述电堆侧面进行加热熔合的方式包括：使用加热装置将一金属板加热至所述绝缘材料的熔融温度以上、熔解温度以下，然后使用所述金属板对所述电堆侧面进行加热熔合；其中，所述金属板的长宽尺寸大于任一所述电堆侧面的长宽尺寸。
15.可选地，采用所述激光焊接的方式对所述电堆侧面进行加热熔合的方式包括：对覆盖有玻璃纤维网格布的电堆侧面进行多点光焊接，以固定所述玻璃纤维网格布；使用激光光束对覆盖有所述玻璃纤维网格布的电堆侧面进行逐行/逐列扫描焊接。
16.可选地，在完成对所述四个电堆侧面的加热熔合之后，所述液流电堆密封工艺还包括：对当前得到的密封结构进行气密检测。
17.本发明提供的液流电堆密封工艺中，双极板和离子传导膜内嵌在电极框中，电极框和碳毡依次叠加形成电池组；在此基础上，在电池组上下两端放置绝缘端板，并向两个绝缘端板施加对向的夹紧力将其与电池组夹紧；然后对绝缘端板以及电池组叠加形成的四个电堆侧面分别进行加热熔合，形成四个密封面，实现了液流电堆的永久性的紧固和密封，无需后期维护，不会导致电解液漏液，因此该液流电堆具有较高的可靠性。
18.并且，本发明中在对每个电堆侧面进行加热熔合之前，在该电堆侧面覆盖玻璃纤维网格布，从而在对该电堆侧面进行加热熔合时，将该玻璃纤维网格布熔嵌进该电堆侧面所形成的密封面中。该玻璃纤维网格布可以在进行加热熔合时有效约束因加热导致的电堆侧面绝缘材料的出胶量，使得整个电堆侧面的熔合效果更均匀。此外在熔合完毕后，玻璃纤维网格布的存在也可以提高液流电堆的表面强度。
19.以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
20.图1是现有液流电池的结构分解示意图；图2是现有液流电堆的立体图；图3是本发明实施例提供的液流电堆密封工艺的流程图；
图4是图3所示流程中组合液流电堆的示意图；图5示出了本发明实施例中的电极框的凹台所在面的结构示意图；图6示出了本发明实施例中的电极框的电解液流道所在面的结构示意图；图7是图3所示流程中向电堆侧面覆盖玻璃纤维网格步的示意图；图8是本发明实施例在液流电堆中安插集流板的示意图；图9是本发明实施例中向液流电堆引入电解液的示意图；图10示出了电解液在本发明实施例中的第一极性的电极框内的流动方向示意图；图11示出了电解液在本发明实施例中的第二极性的电极框内的流动方向示意图。
具体实施方式
21.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
22.为了有效提高液流电堆的可靠性，本发明实施例提供了一种液流电堆密封工艺，如图3所示，该液流电堆密封工艺包括：s10：组合液流电堆；该液流电堆包括电池组以及分别叠加于该电池组上下两端的绝缘端板。
23.参见图4所示，电池组111包括多个由下至上周期性叠加的液流单元1；液流单元1由第一极性的电极框2、碳毡3、第二极性的电极框2以及碳毡3依次叠加组成，叠加时电极框2的外边沿对齐。绝缘端板6和电极框2的长宽尺寸相等，且绝缘端板6和电极框2均由绝缘材料制成。该绝缘材料可以包括：pp(聚丙烯)材料，或者pvc(聚氯乙烯)材料等。
24.可以理解的是，相较于容易随时间推移而老化的橡胶材质而言，pp材料或pvc材料不容易老化，因此不会导致电解液漏液。
25.参见图4、图5以及图6所示，电极框2的一面设有电解液流道10，另一面设有一圈凹台7，该凹台7圈起的内部区域中空，各电极框2叠加在一起时凹台7朝向相同。第一极性的电极框2的凹台7中嵌有双极板4，第二极性的电极框2的凹台7中嵌有离子传导膜5；其中，将双极板4或离子传导膜5嵌在凹台7中时应确保无脱槽现象，碳毡3与凹台7内的双极板4、离子传导膜5位置对应，形成不超过凹台7面积大小的电极区。
26.此外，电池组111还包括与其最外侧的碳毡叠加在一起的第一极性的电极框2，例如在图4中叠加在最下面的碳毡下方的第一极性的电极框2。
27.本发明实施例中，第一极性和第二极性分属正极性和负极性，即当第一极性为正极性时，第二极性为负极性；而当第一极性为负极性时，第二极性为正极性。
28.s20：向两个绝缘端板对向施加夹紧力。
29.优选地，可以使用液压机向两个绝缘端板6对向施加1兆帕~10兆帕的夹紧力。
30.这里，采用液压机施加该夹紧力，相比采用压滤机施加夹紧力来说，前者的力度较小，不容易使电极框产生变形。当然，通过精确控制压滤机的力度大小，使用压滤机来施加该夹紧力也是可以的。
31.在实际生产中，绝缘端板6可以采用pp或pvc材料的加厚硬质板，这样可有效承接液压机/压滤机所给予的夹紧力，不会产生变形。
32.s30：在保持该夹紧力的条件下，对两个绝缘端板以及电池组叠加形成的四个电堆
侧面分别进行加热熔合，形成四个密封面；其中，在对每个电堆侧面进行加热熔合之前，在该电堆侧面覆盖玻璃纤维网格布，以在对该电堆侧面进行加热熔合时将该玻璃纤维网格布熔嵌进该电堆侧面所形成的密封面中；该玻璃纤维网格布的熔点高于加热熔合的加热温度。
33.其中，加热温度优选设置在绝缘材料的熔融温度以上、熔解温度以下。例如，当绝缘材料为pp材料时，加热温度可以设置为190℃~290℃。
34.在实际应用中，在进行加热熔合时，可使电堆侧面的绝缘材料熔化的厚度为1mm~3mm，当然该厚度至少大于所选用的玻璃纤维网格布的厚度，这样既可以实现有效熔接，也不会因绝缘材料的过多熔化而导致变形。
35.可以理解的是，对绝缘端板6以及电池组111叠加形成的四个电堆侧面分别进行加热熔合形成四个密封面，可以实现液流电堆的永久性的紧固和密封，无需后期维护，不会导致电解液漏液，因此该液流电堆具有较高的可靠性。
36.图7中示出了向电堆侧面覆盖玻璃纤维网格布的示意图。在对电堆侧面进行加热熔合时，将该玻璃纤维网格布熔嵌进该电堆侧面所形成的密封面中，可以提高液流电堆的表面强度。此外，该玻璃纤维网格布还可以在进行加热熔合时有效约束因加热导致的电堆侧面绝缘材料的出胶量，使得整个电堆侧面的熔合效果更均匀。
37.在一种实现方式中，在电堆侧面覆盖玻璃纤维网格布的步骤，可以包括：在电堆侧面覆盖同等面积的玻璃纤维网格布。
38.在另一种实现方式中，在电堆侧面覆盖玻璃纤维网格布的步骤，可以包括：在电堆侧面覆盖长宽尺寸略大的玻璃纤维网格布，例如玻璃纤维网格布的边缘可以超出电堆侧面边缘1mm~1cm，这样可以更加有效地控制电堆侧面边缘的出胶量。
39.优选地，该玻璃纤维网格布的厚度为0.1mm~1.5mm，网格直径为1mm~5mm，当然并不局限于此。
40.上述步骤s30中，对两个绝缘端板6以及电池组111叠加形成的四个电堆侧面分别进行加热熔合，可以包括：采用激光焊接或热源辐热的方式，对两个绝缘端板6以及电池组111叠加形成的四个电堆侧面分别进行加热熔合。
41.在一个实施例中，采用热源辐热的方式对电堆侧面进行加热熔合的方式，可以包括：使用加热装置将一金属板加热至绝缘材料的熔融温度以上、熔解温度以下，然后使用金属板对该电堆侧面进行加热熔合；其中，该金属板的长宽尺寸大于任一电堆侧面的长宽尺寸。
42.具体的，在进行熔合时，尽量使金属板受热均匀，这样同一电堆侧面的不同部位受热也比较均匀，熔合程度相同，熔合效果更好。
43.这里，使用较大尺寸的金属板对电堆侧面进行一次性整体焊接，不仅焊接效率较高，并且由于金属板导热性好，热度分布均匀，也可使得熔合面较为均匀和平整。
44.需要说明的是，在基于金属板实现热熔合的基础上，在电堆侧面覆盖玻璃纤维网格布的做法还有一个好处是：避免在熔合面形成气坑从而影响熔合效果。
45.具体而言，如果不覆盖玻璃纤维网格布，则电堆侧面与金属板是直接接触的；当电堆侧面上的绝缘材料熔化时产生的气体不便于排出，可能在熔合面形成气坑，从而造成局
部未熔合密封。而如果覆盖玻璃纤维网格布，由于网格的间隔作用，产生的气体可以通过网格与金属板之间的间隙排出，网格下方的绝缘材料中没有气体的影响可以形成良好的熔融密封面，这样当玻璃纤维网格布熔嵌进该熔融密封面后，冷却金属板再撤去金属板即可得到表面平整、无气坑的密封面。
46.这里，在加热熔合完毕后，先将金属板冷却然后再将金属板脱离的做法，可以避免高温状态下脱离金属板而导致的绝缘材料和金属板的粘连。
47.此外，如图8中所示，当向电堆中安插集流板9时；则在进行加热熔合时，只需在金属板上设置避让集流板9的缝隙，便仍然可以采用金属板来对电堆侧面进行整体热熔合。当然，此时玻璃纤维网格布也需要配合集流板9留出对应的孔洞。
48.在实际应用中，向电堆中安插集流板9可以在步骤s10中进行；具体而言，将集流板9夹在与电极框2结构相似的两个框结构中，并在叠加形成电池组111的过程中相应的把夹有集流板9的该框结构叠加进去。该框结构具体可插入到绝缘端板6及其相邻的电极框2之间，也可以插入到电池组111中任意两个相邻的电极框2与碳毡3之间。其中，在电池组111中安插集流板9可以有效降低电堆内阻。
49.这里说的框结构与电极框2的区别仅在于该框结构的一面没有电解液流道10，另一面则和第一极性的电极框2一样，在凹台7中嵌入双极板4。
50.此外，如果对熔合面的平整度不作要求，则在确保熔合密封效果的前提下，使用金属条、金属块等对电堆侧面进行扫描式熔合也是可以的。
51.在一个实施例中，采用激光焊接的方式对电堆侧面进行加热熔合的方式可以包括：(1)对覆盖有玻璃纤维网格布的电堆侧面进行多点光焊接，以固定玻璃纤维网格布；(2)使用激光光束对覆盖有玻璃纤维网格布的电堆侧面进行逐行/逐列扫描焊接。
52.具体的，激光光束的宽度至少大于电堆侧面在夹紧状态下的缝隙宽度，这样激光光束可以将缝隙两侧的绝缘端板6与电极框2或缝隙两侧的两个电极框2有效焊接在一起。
53.此外，由于玻璃纤维网格布的材质是玻璃纤维，具有良好的透光性。因此将玻璃纤维网格布覆盖在电堆侧面后，激光光束可以透过玻璃纤维作用在电堆侧面的绝缘材料，绝缘材料在激光功率的作用下产生熔融，玻璃纤维在重力作用下以及熔融的绝缘材料的扩散作用下熔嵌进电堆侧面中。
54.可以理解的是，相较于采用热源辐热进行扫描式的熔合方式来说，激光功率稳定，因此施加在绝缘材料上的温度稳定，比热源辐热的方式更容易进行温度控制，从而可以使熔合效果更加均匀。
55.可选地，激光波长可以设置为980nm，激光功率相应的设置为20w~30w，当然并不局限于此。
56.在实际生产中，如果液压机和热熔合设备不在一处，则在使用液压机对两个绝缘端板6对向施加夹紧力后，可以借助夹具来保持该夹紧力，这样可以利用夹具方便地将绝缘端板6和电池组111转移到热熔合设备处进行热熔接。
57.此外，在加热熔合完毕后，可以对在电堆侧面上产生的多余不规则边缘进行修整，使熔合的电堆侧面更为光滑。
58.由此，利用本发明实施例提供的液流电堆密封工艺，可以使四个电堆侧面完全熔合密封，从而无需再使用其他紧固件来对液流电堆进行紧固和密封。
59.并且，相较于现有液流电堆需要使用金属端板并配合螺杆螺母实现紧固的工艺，本发明实施例提供的液流电堆密封工艺中使用的绝缘端板、电极框均为常见的绝缘材料，造价更低，同时取消了用螺杆螺母实现电堆紧固的做法还可以大大的节省后期的维护成本。
60.在一个实施例中，在完成对四个电堆侧面的加热熔合之后，本发明实施例提供的液流电堆密封工艺还可以包括：对当前得到的密封结构进行气密检测。
61.这里，关于气密检测的具体实现方式，可参见相关现有技术，本发明实施例不再赘述。
62.在实际应用中，在完成液流电堆密封以及气密检测之后，便可以向液流电堆中引入电解液，从而制造出能够用于大规模储能的液流电堆。
63.具体的，参见图5、图6以及图9所示，上述绝缘端板6和电极框2在四角上均设有电解液流通孔8，且孔分布位置一致；因此当使用夹紧力将绝缘端板6和电池组111夹紧并将电堆侧面热熔合后，便可以在液流电堆中形成四条垂直的电解液通道。由于热熔合后使得夹紧力始终存在，因此电解液可顺着垂直的电解液通道出入电堆，不会从绝缘端板或电极框的某个电解液流通孔溢出。
64.其中，参见图10和图11所示，每个电极框2均有两个电解液流通孔8接通其自身的电解液流道10以供电解液出入，出入方向参见图10和图11中的虚线箭头。在叠加形成电池组111时，第一极性的电极框2相对于第二极性的电极框2翻转180
°
，且两者的凹台7朝向始终保持一致，这样正极和负极的电解液从绝缘端板6的四个电解液流通孔8分别引入到液流电堆中也不会互相干扰，效果可参见图9。
65.需要说明的是，本发明实施例对电极框2的电解液流道设计以及电解液流通孔8的位置分布不做限定，满足电解液在液流电堆内外的正常流通需求即可。
66.另外，在执行上述气密检测步骤时，可以使用橡皮软塞或其他材质的塞子将绝缘端板6上的电解液流通孔8塞住，从而仅针对液流电堆的外表面密封效果进行气密检测。
67.综上，本发明实施例利用热熔合工艺配合使用玻璃纤维网格布，实现了液流电堆的永久性紧固和密封，无需后期维护，不会导致电解液漏液，因此利用本发明提供的液流电堆密封工艺所生产的液流电堆可具有较高的可靠性。
68.需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
69.术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
70.除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一
和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
71.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
72.尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图以及公开内容，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
73.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。