CN103339762A - 液流电池单元堆 - Google Patents

Abstract

提供一种用于液流电池单元蓄电池的堆叠的电池单元。堆叠的电池单元在个体部件之间通过衬垫密封。衬垫被形成为使得其密封以阻止电解液的泄漏并且便于电解液流过堆叠的电池单元。此外，衬垫被形成为最小化衬垫材料随温度的线性膨胀。

Description

液流电池单元堆

相关申请的引用

本发明要求于2011年1月13日递交的名称为“液流电池单元堆”的美国临时申请第61/432,541号的优先权，其全部内容在此以参考的方式并入。

技术领域

本发明涉及液流电池单元组。

背景技术

还原氧化（氧化还原）液流蓄电池以化学形式存储电能，并且随后经由自然发生的逆向氧化还原反应以电的形式分配所存储的能量。氧化还原液流蓄电池是电化学存储装置，其中包含一个或多个溶解的电活化粒种的电解液流过反应器电池单元，在反应器电池单元中化学能被转变为电能。反过来，已放电的电解液可以流过反应器电池单元，使得电能被转变为化学能。电解液存储在外部，例如存储在容器内，并流过一组发生电化学反应的电池单元。通过泵抽、重力供料或通过任何其他将流体移动通过系统的方法使得存储在外部的电解液可以流过蓄电池系统。液流电池中的反应是可逆的；电解液可以在不更换电活性材料的情况下再充电。因此，氧化还原液流电池的能量容量与总的电解液体积（即，存储容器的尺寸）相关。处于满电的氧化还原液流蓄电池的放电时间还取决于电解液体积，并且可以从几分钟变化至若干天。

不管是在液流蓄电池、能源电池或二次电池的情况下，执行电化学能量转换的最小单元通常被称为“电池或电池单元（cell）”。串联和/或并联地电耦接以集成许多个这样的电池或电池单元以获得更高的电流、电压或两者的装置通常被称为“蓄电池（battery）”。然而，通常，将所有耦接的多个包括在其自身上使用的单个的电池单元的集合称为蓄电池堆。同样，单个电池单元可以可互换地称为“电池或电池单元”或“蓄电池”。

氧化还原液流蓄电池可以用在许多需要存储电能的技术中。例如，氧化还原液流蓄电池可以用以存储便宜产出的夜间电力，随后在电力产出更贵或者需求超出当前产出能力的高峰需求期间提供电力。这种蓄电池也可以用于存储绿色能源（即，来自可再生能源产生的能量，例如风能、太阳能或其他非常规能源）。液流氧化还原电池可以代替更昂贵的备用发电器而用作不间断电源。电力存储的有效方法可以用于构建具有内置备用电源的装置，其减轻了断电或突然供电故障的影响。电力存储装置还可以减小发电站事故的影响。

液流蓄电池堆的结构，不管它是单个电池单元或电池堆，都存在问题。电解液从电池单元的泄漏会引起周围部件的损坏。此外，一种电解液泄漏到其他电解液引起蓄电池上的电荷的消耗，并且还会引起电池堆发生升温或其他应力。

因此，需要更好的在液流电池蓄电池内的电池单元和蓄电池堆产品。

发明内容

根据本发明的一些方面，堆叠的电池单元包括第一电极部件、第二电极部件以及隔膜部件，隔膜部件定位在第一电极部件和第二电极部件之间并使用第一衬垫与第一电极部件分开和使用第二衬垫与第二电极部件分开，其中，第一衬垫允许第一电解液在第一电极部件和所述隔膜之间的流动并且第二衬垫允许第二电解液在所述隔膜和第二电极部件之间的流动。

根据本发明的一些实施例，一种形成堆叠的电池单元的方法，包括如下步骤：提供第一端电极；将第一衬垫定位在第一端电极之上；将隔膜部件定位在第一衬垫之上；将第二衬垫定位在隔膜部件之上；将第二电极定位在第一衬垫之上；以电性串联但是流体并行的形式建立这种电池单元的堆；施加压力至堆叠的电池单元；将堆叠的电池单元退火；和张紧堆叠的电池单元。

下面参考附图进一步描述本发明的这些和其他实施例。

附图说明

图1示出根据本发明一些实施方式的还原氧化（氧化还原）电池单元。

图2示出根据本发明一些实施方式的堆叠的电池单元。

图3示出在图2中示出的、被旋转以显示根据本发明一些实施方式的电解液集流腔和压缩安装的堆叠的电池单元。

图4A和4B示出可以用在如图2所示的堆叠的电池单元中的部件。

图5A示出可以用在如图2所示的堆叠的电池单元中的衬垫。

图5B示出与如图4A所示的部件匹配的图5A中的衬垫。

图5C示出图5A中示出的衬垫退火前和退火后随温度的线性膨胀。

图5D示出如图5A所示的衬垫的随压力的线性膨胀。

图5E示出衬垫中膨胀孔的操作。

图5F示出与如图4B示出的部件匹配的图5A的衬垫。

图5G示出如图2示出的电池堆。

图6示出图2中示出的堆叠的电池单元的结构。

图7示出在根据本发明一些实施方式的堆叠的电池单元的结构中使用的弹簧加载的螺帽。

图8示出根据本发明一些实施方式的堆叠的电池单元的构造的流程图。

在附图中，具有相同附图标记的元件具有相同或类似的功能。这些附图仅是用于图示，在图中示出的相对的尺寸和距离仅是为了方便图示，而没有任何其他的意义。

具体实施方式

在下面的描述中，为了解释的目的，给出了具体细节以便为本发明的一些实施例提供全面的认识。然而，应该清楚，在没有这些具体细节的情况下也可以实现本发明。

如在本说明书中使用的，下面的词语和措辞基本上是想要表达下面所阐述的意义，除非在使用它们的上下文中有其它说明。

如此处描述的，术语“电池单元（cell）”通常指的是能够执行电化学能量转换的任何单元。示例性的电池单元包括但不限于氧化还原液流蓄电池、能源电池以及二次电池。

如此处所述，术语“隔膜”指的是在流体之间（例如在电化学半电池（例如，阳极隔室和阴极隔室）之间）形成屏障的任何材料。示例性的隔膜可以具有选择性的可渗透性，并且可以包括多孔隔膜和离子选择性隔膜。示例性的隔膜可以包括一个或多个层，其中每一层显示对特定粒种（例如，离子）的选择性可渗透性，和/或影响特定粒种的通过。

如此处所述，术语“流体连通”指的是彼此接触但彼此不必粘贴或粘附从而流体或气体可以从一个结构进入另一结构的多个结构。例如，两个结构可以通过沟道、管道、开口和/或阀门彼此流体连通，甚至这种流通包括处于闭合状态的阀门，只要阀门可以打开，从而流体或气体可以从这些结构中的一个移动至另一个。此外，甚至在一个或多个中间结构转移和/或干扰流体或气体从第一结构至第二结构的流动的情况下，两个结构可以看作彼此流体连通，只要流体或气体从一个或多个中间结构至第二结构的流动最终是可能的。

如此处所述，“堆”指的是电连接并且流体连接在一起的电化学电池单元的堆或堆叠。

图1示出具有单个电化学电池单元的简化的氧化还原液流电池单元蓄电池系统100的示意图。如图所示，氧化还原液流电池单元系统包括氧化还原液流电池单元100，其包括由隔膜106分开的两个半电池单元108和110。电解液124流过半电池单元108而电解液126流过半电池单元110。半电池单元108和110分别包括电极102和104，分别与电解液124和126接触，使得在电极102或104的表面发生氧化还原反应。在一些实施例中，多个氧化还原液流电池单元100可以串联电连接（例如，堆叠）以实现较高的电压，或并联电连接以实现较高的电流。堆叠的电池单元统称为蓄电池堆，液流电池单元蓄电池可以称为单电池单元或蓄电池堆。如图1所示，电极102和104跨过负载/源120连接，电解液124和126通过负载/源120充电或放电。

当填充电解液时，氧化还原液流电池单元100的半电池单元110包含阳极电解液126，另一半电池单元108包含阴极电解液124，阳极和阴极统称为电解液。电池单元100可以与电解液的容器流体连通。同样，反应产物电解液可以存储在分离的贮液器并经由分别连接至电池单元入口/出口（I/O）112、114以及116、118的通道分配到半电池单元108和110。在一些实施例中，外部泵抽系统用于将电解液输送至氧化还原液流电池单元并从氧化还原液流电池单元输送电解液。电解液124通过入口112流入半电池单元108并通过出口114流出，同时电解液126通过入口116流入半电池单元110并通过出口118流出半电池单元110。

在每一个半电池单元108和110中至少一个电极102和104提供发生氧化还原反应和传输电荷的表面。用于形成电极102和104的合适的材料通常包括本领域技术人员熟知的那些。在充电或放电期间氧化还原液流电池单元100通过改变其成分的氧化状态操作。两个半电池单元108和110通过导电的电解液串联连接，一个用于阳极反应，另一个用于阴极反应。在操作时（例如，在充电或放电期间），当发生氧化还原反应时，电解液126和124分别通过I/O口112、114和116、118流过半电池单元108和110。

当氧化还原液流电池单元100充电或放电时，正离子或负离子穿过将两个半电池单元108和110分开的可渗透隔膜106。在必要时，反应产物电解液以受到控制的方式流过半电池单元108和110以便供给电力或通过负载/源120被充电。用于隔膜106的合适的隔膜材料包括但不限于在被放置在含水环境时吸湿并膨胀的材料。在一些实施例中，隔膜106可以包括以异质（例如共挤）的方式或同质（例如辐射接枝）的方式嵌入诸如树脂或功能物质的活性离子交换材料的编织或非编织塑料板。在一些实施例中，隔膜106可以是具有高电流效率Ev和高库伦效率的多孔隔膜，并且可以设计成将通过隔膜的质量传输限制到最小，同时仍然便于离子传输。在一些实施例中，隔膜106可以由聚烯烃材料形成，并且可以具有特定厚度和小孔直径。有能力制造这些隔膜以及与所公开的实施例一致的其他隔膜的制造商为N.Community House Rd.,Suite 35,Charlotte,NC28277的Daramic Microporous Products L.P.。在特定的实施例中，隔膜106可以是非选择性微孔塑料分离器，也由Daramic Microporous Products L.P.制造。在2008年7月1日递交的美国公开专利申请第2010/0003586号中公开由这种隔膜形成的液流电池单元，其通过参考全文的方式合并于此。

在一些实施例中，多个氧化还原液流电池单元可以堆叠形成氧化还原液流电池单元蓄电池系统。液流电池单元堆蓄电池系统的结构在2009年10月9日递交的名称为“Common Module Stack Component Design（通用模块堆部件设计）”的美国专利申请第12/577,134号中描述，其通过参考的方式合并于此。

在图1中的氧化还原液流电池单元100的一些实施例中，电解液124包括水合酸溶液。在一些实施例中，该酸溶液包括水合氯化氢酸。电解液124还包括至少一种金属盐（例如，金属盐酸盐）。在一些实施例中，电解液126包括水合酸溶液。在一些实施例中，该酸溶液包括盐酸溶液。电解液126还包括至少一种金属盐（例如，金属盐酸盐）。

在一些实施例中，氧化还原液流电池单元蓄电池系统是以Cr/Fe氧化还原对为基础的。本说明书的剩余部分将以Cr/Fe氧化还原液流电池单元蓄电池为基础，然而，应该理解，此处描述的概念也可以应用于其他金属。在Cr/Fe氧化还原液流电池单元蓄电池的一个实施例中，电解液124和126都包括FeCl₂和CrCl₃在水合HCl中的溶液。

氧化还原液流电池单元蓄电池系统的多种具体描述可以在下面的美国专利申请中找到：2007年2月12日递交的名称为“Apparatus andMethods of Determination of State of Charge in a Redox Flow Battery（确定氧化还原液流蓄电池中的充电状态的设备和方法）”的美国专利申请第11/674,101号；2008年2月28日递交的名称为“Battery Charger（蓄电池充电器）”的美国专利申请第12/074,110号；2008年7月1日递交的名称为“Redox Flow Cell（氧化还原液流电池单元）”的美国专利申请第12/217,059号；2009年10月8日递交的名称为“Magnetic Current Collector（磁性集电器）”的美国专利申请第12/576,235号；2009年10月8日递交的名称为“Venturi Pumping System in a Hydrogen Gas Circulation of aFlow Battery（在液流蓄电池的氢气循环中的文氏管泵抽系统）”的美国专利申请第12/576,240号；2009年10月9日递交的名称为“Method andApparatus for Determining State of Charge of a Battery（用于确定蓄电池的充电状态的方法和设备）”的美国专利申请第12/576,242号；2009年10月9日递交的名称为“Flexible Multi-Walled Tubing Assembly（灵活的多壁管状组件）”的美国专利申请第12/577,124号；2009年10月9日递交的名称为“Thermal Control of a Flow Cell Battery（液流电池单元蓄电池的热控制）”的美国专利申请第12/577,127号；2009年10月9日递交的名称为“Methods for Bonding Porous Flexible Membranes Using Solvent（使用溶剂结合多孔柔性隔膜的方法）”的美国专利申请第12/577,131号；2009年10月9日递交的名称为“Common Module Stack Component Design（普通模块堆部件设计）”的美国专利申请第12/577,134号；2009年10月9日递交的名称为“Level Sensor for Conductive Liquids（导电液体的水平传感器）”的美国专利申请第12/577,147号；2009年12月4日递交的名称为“Methods for the Preparation and Purification of Electrolytes for RedoxFlow Batteries（氧化还原液流蓄电池的电解液制备和提纯的方法）”的美国专利申请第12/631,749号；2010年3月10日递交的名称为“Methods forthe Preparation of Electrolytes for Chromium-Iron Redox Flow Batteries（铁-铬氧化还原液流蓄电池的电解液制备方法）”的美国专利申请第12/721,411号；2010年5月28日递交的名称为“Control System for a FlowCell Battery（液流电池单元蓄电池的控制系统）”的美国专利申请第12/790,793号；2010年5月28日递交的名称为“Preparation of Redox FlowBattery Electrolytes from Raw Materials（由原材料制备氧化还原液流电池电解液）”的美国专利申请第12/790,595号；2010年5月28日递交的名称为“Electrolyte Compositions（电解液的成分）”的美国专利申请第12/790,601号；2010年5月28日递交的名称为“Hydrogen Chlorine LevelDetector（氯化氢水平检测器）”的美国专利申请第12/790,794号；2010年5月28日递交的名称为“Optical Leak Detection Sensor（光泄漏检测传感器）”的美国专利申请第12/790,749号；2010年5月28日递交的名称为“Buck-Boost Control Circuit（Buck-Boost控制电路）”的美国专利申请第12/790,783号；2010年5月28日递交的名称为“Flow Cell Rebalancing（液流电池单元的配平）”的美国专利申请第12/790,753号；和，2010年5月28日递交的名称为“Methods of Producing Hydrochloric Acid fromHydrogen Gas and Chlorine Gas（由氢气和氯气形成盐酸的方法）”的美国专利申请第12/790,613号；所有这些文献通过参考的方式合并于此。

图2示出根据本发明一些实施例的堆叠的电池单元200。图1示出电池单元100，其中一个电池单元具有部分108和110。堆叠的电池单元200包括N个电池单元，表示为电池单元100-1至100-N。如图1所示，每个电池单元100（电池单元100-1至100-N中的一个）结合电极（在图1中示出电极100和104），其中电池单元本身通过隔膜（在图1中示出隔膜106）分开。

如图2所示，第一端电极202形成电池单元100-1的一侧，同时第二端电极204形成电池单元100-N的一侧。电极202和204形成操作的液流电池单元蓄电池的阴极侧和阳极侧，并且在2009年10月8日递交的名称为“Magnetic Current Collector（磁性集电器）”的美国申请第12/576,235号中进一步描述。同样，可以跨过电极202和204耦接负载，并且通过提供电流至电极202和204给电解液124和126充电。

图2中的隔膜用206-1至206-N表示，同时内电极用208-1至208-（N-1）表示。因此，电池单元100-1结合电极202和208-1，两个半电池单元100-1由隔膜206-1分开。电池单元100-2结合电极208-1和208-1，两个半电池单元由隔膜206-2分开。电池单元100-N结合电极208-（N-1）和204，两个半电池单元由隔膜206-N分开。

正如图2进一步示出的，每个部件通过衬垫210或衬垫212分开。例如，电极202和隔膜206-1由衬垫210分开，同时隔膜206-1通过衬垫212与内电极208-1分开。在本发明的一些实施例中，衬垫210和衬垫212仅由于它们在堆叠的电池单元200中取向不同。

在本发明的一些实施例中，电极124和126在它们适当的半电池单元中流过堆叠的电池单元200。虽然在图2中示出的特定示例图示电极124和126沿相同方向流动，但是在一些实施方式中它们可以沿相反的方向流动。

形成堆200的困难包括允许电解液124和126流过堆200而不会将电解液124和126泄流出堆200或在堆200中混合电解液124和126。在一些实施方式中，衬垫210和212防止电解液124和126从堆200中的泄漏、电解液124和126的混合，以及方便电解液124和126流过堆200。

图3示出旋转到观察端电极202的堆200。如图3所示，电解液124流入集流腔入口304并流出集流腔入口306。类似地，电解液126流入集流腔入口308并流出集流腔入口310。电解液124和126可以通过使用合适的管道耦接流入和流出堆200使得集流腔入口304和306与电解液124的贮液器流体连通，并且集流腔入口308和310与电解液126的贮液器流体连通。

图3示出一个示例，其中集流腔入口304、306、308以及310全部在一个端电极202上。在该示例中，在电极204上没有集流腔入口（使得电解液流入电极202和流出电极202）。然而，在一些实施例中，集流腔可以布置在电极202和204两个上。在任何情况下，集流腔布置使得电解液124和126适当地流过堆叠的电池单元200。

图3还示出螺纹杆312和对准杆302。螺纹杆312操作以将堆200保持在一起并施加适当的压力到衬垫210和212上以防止电解液的泄漏和混合。在堆200的构建期间还可以使用对准杆302以对准堆叠的电池单元200的多个部件的每一个。在完成堆的组装之后可以用于密封剂替换对准杆302。如图3所示，杆302可以是分布式的，以便最佳地在堆200上保持恒定的压力和提供用于堆200的多个部件的定位。

图4A示出堆200的部件400。部件400包括开口410，可以安装基本上相同厚度的内电极材料至开口410。例如，在2008年7月1日递交的名称为“氧化还原液流电池单元”的美国专利申请第12/217,059号和在2009年10月9日递交的名称为“Common Module Stack Component Design（通用模块堆部件设计）”的美国专利申请第12/577,134号中讨论了合适的电极材料。

图4B示出了堆200的部件420。部件420包括开口430，可以安装基本上相同厚度的内隔膜材料到开口430。在2008年7月1日递交的名称为“Redox Flow Cell（氧化还原液流电池单元）”的美国专利申请第12/217,059号和2009年10月9日递交的名称为“Common Module StackComponent Design（普通模块对部件设计）”的美国专利申请第12/577,134号中描述了合适的隔膜材料。

刚性连接至部件400的电极材料可以是例如导电聚合物或塑料材料，例如碳注入塑料或石墨材料。类似地，隔膜206可以是多孔隔膜，其通过使用与电解液具有适当的化学兼容性的热融粘合剂刚性连接至部件420的区域430处。在2009年10月9日递交的名称为“Methods for BondingPorous Flexible Membranes Using Solvent（使用溶剂结合多孔柔性隔膜的方法）”的美国专利申请第号中描述了结合隔膜的示例。

部件400和420本身通过挤压塑料板压印。虽然部件400和420可以是任何尺寸。在一些实施例中，例如，部件400为32.5”×23.5”×0.023”，部件420为32.5”×23.5”×0.036”。部件400和420在两个侧面上具有平滑、平坦的表面，它们都用于放置衬垫210和212并便于用衬垫210和212密封。如图4所示，入口402、404、406以及408允许电解液124和126通过堆叠的电池单元200。在堆叠的电池单元200中，入口402、404、406以及408被定位成以便形成集流腔，从而便于电解液124和126流过堆200。集流腔入口304和306分别允许电解液124流入由入口402和404形成的集流腔，同时集流腔入口308和310允许电解液126流入由入口406和408形成的集流腔。孔412允许杆302进入。在构建期间，通过布置具有用石墨毡414粘附在两个侧面上的内电极208的部件400可以将部件400定位在堆200上，使得杆302通过孔412。类似地，通过布置具有隔膜206的部件420可以将部件420定位在堆200上，使得杆302通过孔412。为了方便，没有示出所有的孔412。然而，孔412与对准杆302对准，如图3所示。

图5A示出衬垫210的一个示例。图2中示出的衬垫212是围绕垂直于衬垫210的平面的轴线旋转180度的衬垫210。与部件400一样，衬垫210包括入口孔512，杆302可以贯穿通过入口孔512。再次，为了方便，图示出孔512，并且可以有任何数量的孔512并且可以在任何位置。孔512布置在衬垫210上，以便杆302通过孔。在一些实施例中，孔512和杆302被定位成便于堆200中的衬垫210的对准，并在衬垫210的整个表面提供恒定的压力。

孔504和501形成为允许电解液通过，但是也密封在相应的电解液集流腔周围以防止泄露和混合。孔508和506还形成在部件400和420中的电解液孔周围，但是电解液入口516形成为允许电解液从部分地由孔508和506形成的集流腔流入衬垫210的内部开口。在一些实施例中，如图5A所示，电解液入口516可以提供电解液流动的迂回路径以便增大电阻并减小相邻电池单元之间的分路电流。

衬垫210由衬垫形成材料形成，衬垫形成材料是耐电解液124和126腐蚀的并允许相邻的部件400和420之间的合适的密封。例如，诸如山都平（Santoprene）的橡胶提供良好的特性。山都平是一种热塑性橡胶，其是原位交叉连接的三元乙丙橡胶和聚丙烯的混合物。同样，山都平提供具有良好密封、抗流体以及温度特性的高性能衬垫210。如图5C所示，山都平随温度线性膨胀，在退火后是线性的。在退火之前，线性膨胀曲线是非线性的。如图5C所示，山都平在热退火之后的线性膨胀特性（如曲线A所示）与热退火之前的膨胀特性（如曲线B所示）不同。图5D示出在压力条件下的线性膨胀，其中在压力条件下块体560在长度上膨胀为块体562。在衬垫210材料中的这种膨胀可以引起衬垫“蠕变”或变形，这会不利地影响堆叠的电池单元200的操作。

山都平衬垫的线性膨胀系数高于部件400和420。衬垫210随温度和压力的这种不同的线性膨胀可能给在使用堆叠的电池单元200的液流电池单元蓄电池的操作过程中在保持正确的密封方面带来困难。回到图5A，衬垫210可以包括多个减压孔514，这些减压孔被定位成使得衬垫210的线性膨胀的影响被内在地限制并且线性膨胀的传播被限制，如图5E所示。衬垫210上的这种多个减压孔是间隔的，使得衬垫材料的最大邻接长度上的线性热膨胀被限制为小于衬垫厚度的五分之一。（Max D=T/(5xCTExΔT)，其中D是衬垫材料的最大邻接长度，T为衬垫材料的厚度，CTE是衬垫材料的热膨胀系数，以及ΔT是操作温度范围）。在具有多个减压孔514的情况下，其允许衬垫材料膨胀而没有伴随的蠕变和增加的材料应变，衬垫210在整个操作温度变得容易循环，而不会负面地影响堆叠的电池单元200的操作。

图5B示出安装在部件400上的电极212。在这种情况下，部件400包括电极520。如图5B所示，衬垫212布置成密封孔402和404，同时通过通道516将来自孔406的电解液流体引导在整个电极520之上。电极520具有粘附在两个侧面的毡414，在入口和出口流动方向上具有间隙。这种间隙便于电解液流动均匀地散布在毡上，并避免在两个侧面上的停滞区域。为了电解液在电极的整个宽度上的有效的散布，高宽比应该是1:2或更高。

图5F示出安装在部件420上的隔膜208。如图5F所示，衬垫212布置成密封孔406和408，同时通过通道516将来自孔402的电解液流体引导到整个元件520之上。

随后回到图2，衬垫210和212可以是相同的结构，它们彼此旋转以便于电解液124和126流过每个电池单元100-1至100-N的适当的一半。附加地，隔膜206-1至206-N由具有安装在区域410的隔膜材料的部件400形成。电极208-1至208-（N-1）也由具有安装在区域410内的电极材料的部件400形成。在衬垫210及其旋转后的形式的衬垫212限定流动特性的情况下,集流腔304和306由衬垫210和212以及部件400中示出的孔402和404形成。衬垫210允许电解液124流入区域410，同时防止电解液126流入该区域。反过来，在下一个半电池单元中，衬垫212允许电解液126流入下一个部件400的区域410（电极208），同时防止电解液124流入该区域。

图5G示出分解形式的堆200。如图5G所示，端电极202可以包括压力板、衬垫以及电极。如下面所示组装堆并使用杆312张紧。

图6示出堆200和螺纹杆312的横截面。如图6所示，不管是承载电极208还是隔膜206，杆302通过部件550中的孔412，以及衬垫210和212中的孔512。螺纹杆312可以例如是部分螺纹杆，该部分螺纹杆使用底座610和612固定并张紧。在一些实施例中，底座610可以是通过螺纹拧到螺纹杆302和垫圈的螺帽，或可以是与螺纹杆一体地形成在螺栓中。在一些实施例中，螺纹杆302可以通过延伸到所有杆302的带并用螺帽保持，使得底座610包括带和螺帽。在一些实施例中，底座612还可以形成有垫圈或带，和螺帽。在一些实施例中，底座612或底座612和底座610可以每一个包括弹簧张紧件。

图7示出底座612的一个示例。如图7所示，使用螺帽702保持杆302，并张紧。螺帽702被张紧抵靠垫圈704，垫圈施加压力至弹簧706。弹簧708施加压力至电极202。在一些实施例中，垫圈或带706可以包含在弹簧708和电极202之间。在一些实施例中，底座610可以具有与底座612相同的结构。

弹簧708有助于在堆200热循环时保持堆200上的压力恒定。进一步，弹簧708防止堆200在使用过程中升温发生的压力的剧烈增大。弹簧708的弹簧常数允许堆200上的压力被保持为相对恒定，同时不允许堆200的部件明显的移动。基于保持衬垫上的密封力所需的压力负载和所使用的弹簧数量完成弹簧负载选择。弹簧常数由所需的总的弹簧负载和等于在整个操作温度范围上堆的部件的累积热膨胀的弹簧行程确定。弹簧上的压力负载可以由F=(P×A×S)/N得出，其中P是堆内部的流体压力，A是衬垫的突出面积，S是安全系数，N是具有弹簧的螺纹杆的数量。

在堆200的结构中，端电极，例如包括端衬垫、端板以及压力板的电极202，被放置在杆302上。随后，像衬垫210那样定位的衬垫在杆302之上被放置到电极202上，随后是配置作为隔膜206的部件400。随后，如衬垫212那样定位的衬垫被放置在杆302之上，随后是配置作为内电极208的部件400。继续这个过程，直到包括端衬垫、端板以及压力板的端电极204被放置在杆302之上。底座612随后被用以紧固杆。通过底座612施加的初始压力通过杆312传递给堆200。在这个阶段从堆中去除对准杆302。随后，在初始温度条件下将堆200退火，以便帮助固化衬垫210和212，使得衬垫材料的线性膨胀位于如图5C所示的直线区域内。一旦被冷却，则堆200被张紧为其最终的压力。在这种情况下，衬垫210和212的线性膨胀是受控的并且在堆200的操作期间问题少得多。

图8示出根据本发明一些实施例的构造堆200的过程800。根据过程800，在步骤802，部件400形成到隔膜206或电极208中。在步骤804，使用用于提供对准和定位的杆302将衬垫210放置在端电极202之上。在步骤806，也使用杆302将作为隔膜206配置的部件定位在衬垫210之上。随后，在步骤808，使用用于对准的杆302再次定位衬垫212（是旋转的衬垫210）。在步骤808的衬垫212的定位之后，使用杆302放置作为电极208配置的部件400。在步骤812，另一衬垫210被放置在电极208之上。在步骤814，重复步骤806至812，直到完成堆200。在步骤816，放置端电极204。随后，在步骤818中底座812被连接至每一个杆320。在步骤820，堆被张紧至初始压力。在步骤821，从堆中撤出对准销。在步骤822，堆在退火温度下退火，随后冷却。在步骤824，堆200被张紧至最终张力。最后，在步骤825，对准杆孔被填充环氧密封剂。

虽然堆200可以是任何尺寸，但是堆200可以是例如35”×26”×13”，包括24个电池单元，使用每个螺栓750磅的张力，20个张紧杆，28个对准销，1.5”×2.75”的尺寸集流腔。同样，每一个侧面具有14个对准杆302，布置成将堆302的部件定位并保持在合适位置。在退火之前，通过每个螺纹杆312可以施加大约250磅的载荷。退火温度可以是130F至180F。每个具有弹簧张紧件的螺纹杆，最终张力可以是750磅。在这样的系统中，弹簧708的弹簧常数是大约1020磅/英寸。同样，随后衬垫210和212将在堆200的操作期间在整个堆厚度上行进大约0.132”。堆在23F至150F的温度范围内操作。

本领域技术人员在阅读本发明公开内容之后可以想到其他的实施例。在其他的实施例中，可以有利地做出上面公开的发明的组合或子组合。因此，本说明书和附图是示例，而不是限制。然而，显然在不脱离权利要求限定的本发明的更宽的范围和精神的情况下可以做出多种修改和变化。

Claims (16)

1.一种堆叠的电池单元，包括：

第一电极部件；

第二电极部件；和

隔膜部件，定位在第一电极部件和第二电极部件之间，并用第一衬垫与第一电极部件分开和用第二衬垫与第二电极部件分开，

其中，第一衬垫允许第一电解液在第一电极部件和所述隔膜之间流动并且第二衬垫允许第二电解液在所述隔膜和第二电极部件之间流动。

2.如权利要求1所述的堆叠的电池单元，还包括至少一个其他电极部件，所述其他电极部件通过第一衬垫、另一隔膜部件以及第二衬垫与第二电极部件分开。

3.如权利要求2所述的堆叠的电池单元，其中第一衬垫和第二衬垫由橡胶化合物形成，以在施加张力至所述堆叠的电池单元时密封第一电解液和第二电解液。

4.如权利要求3所述的堆叠的电池单元，其中第二衬垫与第一衬垫相同并且相对于第一衬垫相对地旋转安装在堆叠的电池单元中。

5.如权利要求4所述的堆叠的电池单元，其中隔膜部件和第一电极部件或第二部件中至少一个具有流体入口孔以形成用于输送电解液的集流腔。

6.如权利要求5所述的堆叠的电池单元，其中堆叠的电池单元固定有多个杆。

7.如权利要求6所述的堆叠的电池单元，其中所述多个杆在堆叠的电池单元上保持压力以便于第一衬垫和第二衬垫以及相邻电极部件和隔膜部件之间的密封。

8.如权利要求7所述的堆叠的电池单元，其中所述多个杆安装有弹簧加载的底座。

9.一种形成堆叠的电池单元的方法，包括如下步骤：

提供第一端电极；

将第一衬垫定位在第一端电极之上；

将隔膜部件定位在第一衬垫之上；

将第二衬垫定位在隔膜部件之上；

将第二电极定位在第一衬垫之上；

施加张力至堆叠的电池单元；

将堆叠的电池单元退火；和

张紧堆叠的电池单元。

10.根据权利要求9所述的方法，其中第一衬垫和第二衬垫由三都平热塑性弹性体形成。

11.根据权利要求9所述的方法，其中第一衬垫和第二衬垫包括多个减压孔。

12.根据权利要求9所述的方法，其中堆叠的电池单元包括N个单个电池单元，每个电池单元由通过衬垫分开的两个电极和隔膜形成。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述施加张力和张紧堆叠的电池单元的步骤包括张紧定位穿过堆叠的电池单元的杆上的多个弹簧加载的底座。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述定位的步骤包括放置在杆之上。

15.根据权利要求9所述的方法，其中在堆叠的电池单元内形成电解液集流腔。

16.根据权利要求15所述的方法，其中第一衬垫和第二衬垫便于电解液适当地流过堆叠的电池单元。

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