CN116845273A - 一种液流电池用激光堆叠焊接工艺及其焊接组件 - Google Patents

一种液流电池用激光堆叠焊接工艺及其焊接组件 Download PDF

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CN116845273A CN202311004530.9A CN202311004530A CN116845273A CN 116845273 A CN116845273 A CN 116845273A CN 202311004530 A CN202311004530 A CN 202311004530A CN 116845273 A CN116845273 A CN 116845273A
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郭强
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Abstract

本发明公开了一种液流电池用激光堆叠焊接工艺及其焊接组件,包括自上而下依次设置的上端板、第一铜板、进口集流框、第一柔性石墨板、第一双极板、第二双极板、上流场框、第一石墨毡、隔膜、下流场框、第二石墨毡、第三双极板、集流板框、第二柔性石墨板、第二铜板以及下端板;所述上端板、进口集流框、上流场框、下流场框、集流板框以及所述下端板均为聚丙烯材质;本发明将液流电池分设为多个不同功能的单元,再将多个单元进行激光堆叠焊接密封,实现了液流电池电堆的一体化结构,使得工艺更加简单,降低了装配的难度,且可以根据需要装配成不同节数的电池,使用更加的灵活。

Description

一种液流电池用激光堆叠焊接工艺及其焊接组件
技术领域
本发明涉及液流电池的技术领域,尤其涉及一种液流电池用激光堆叠焊接工艺及其焊接组件。
背景技术
液流电池是一种电化学储能技术,是一种新的蓄电池。液流电池由电堆单元、电解液、电解液存储供给单元以及管理控制单元等部分构成,是利用正负极电解液分开,各自循环的一种高性能蓄电池,具有容量高、使用领域(环境)广、循环使用寿命长的特点,是一种新能源产品。
受电池结构及电化学反应原理的限制,电极流场及流道需要具备一下特征:(1)流道的均匀流动性;(2)流道的绝缘性;(3)框与框、双击板、膜之间的密封性。
因此,现有的液流电池设计采用带有流道的流场框的这一组件来满足上述的特征。而传统的液流电池由于大部分都是通过螺栓或者是垫圈等机械方式进行连接,其通常需要人工来进行装配,无法实现自动化生产,导致生产效率低。此外,传统的机械连接方式会存在密封不严、密封圈老化等问题,进而导致电堆内部或者外部存在漏液风险,因此亟需设计一种自动化、标准化、高效的装配技术。
发明内容
有鉴于此,为克服现有技术的不足,本发明提供一种液流电池用激光堆叠焊接工艺及其焊接组件,利用激光焊接技术,借助激光束产生的热量将塑料接触面熔化,进而将热塑性片材、薄膜或模塑零部件粘结在一起,形成激光堆叠焊接密封,实现了液流电池电堆的一体化结构,使得工艺更加简单,降低了装配的难度,更好的实现标准化、规模化和自动化生产作业。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种液流电池用激光堆叠焊接工艺,包括自上而下依次设置的上端板、第一铜板、进口集流框、第一柔性石墨板、第一双极板、第二双极板、上流场框、第一石墨毡、隔膜、下流场框、第二石墨毡、第三双极板、集流板框、第二柔性石墨板、第二铜板以及下端板;所述上端板、进口集流框、上流场框、下流场框、集流板框以及所述下端板均为聚丙烯材质的绝缘材料,且具有一定程度的透光性,以便于进行激光焊接时光束能够穿过;所述第一铜板、第一柔性石墨板、第一双极板、第二双极板、第三双极板、第二柔性石墨板、第二铜板均为导电材料。
其中,所述第一双极板、第二双极板以及所述第三双极板的作用是收集、传导电流,并在串联的阴阳两级之间建立电流通路的一种石墨板材。所述隔膜是用于隔离正负极,并使电池内的电子不能自由穿过,让电解液中的质子在正负极之间自由通过,且位于电池正负极之间的一层高分子隔离材料。所述第一石墨毡和第二石墨毡是电解液在充放电过程发生氧化还原转换、得失电子的场所。所述第一柔性石墨板和第二柔性石墨板是双极板和铜板间的柔性填充物,用于降低接触电阻,提高电导率和功率密度。所述第一铜板和第二铜板用于连接外部充电电路或放电负载。所述下端板在整个结构中主要作用是固定并约束电堆结构下部。
在生产制作时,其堆叠焊接工艺如下:
S1、在所述进口集流框的中部设置一镂空结构的第一柔性石墨板放置区,在所述第一柔性石墨板放置区的上端面设置第一铜板放置区,在所述第一铜板放置区的同侧设置一圈带有凹槽和凸台的第一焊筋结构,在所述第一柔性石墨板放置区的下端面设置第一双极板放置区,在所述进口集流框的四周设置四个进口水嘴,所述进口水嘴供电解液进入所述上流场框和所述下流场框内;
S2、在所述上流场框的中部设置一镂空结构的第一反应区,在所述第一反应区的上端面设置第二双极板放置区,在所述第二双极板放置区的同侧设置一圈带有凹槽和凸台的第二焊筋结构,在所述第一反应区的下端面设置供电解液流进、流出的第一流道结构,使得所述第一流道结构与所述第一反应区相连通;
S3、在所述下流场框的中部设置一镂空结构的第二反应区,在所述第二反应区的上端面设置隔膜放置区,在所述隔膜放置区的同侧设置一圈带有凹槽和凸台的第三焊筋结构,在所述第二反应区的下端面设置供电解液流进、流出的第二流道结构,使得所述第二流道结构与所述第二反应区相连通;
S4、在所述集流板框的中部设置一镂空结构的第二柔性石墨板放置区,在所述第二柔性石墨板放置区的上端面设置第三双极板放置区,在所述第三双极板放置区的同侧设置一圈凹槽和凸台的第四焊筋结构,在所述第二柔性石墨板放置区的下端面设置第二铜板放置区;
S5、在所述上端板的四周设置四个与所述进口水嘴相适配的圆孔,在下端板的上端面设置一圈带有凹槽和凸台的第五焊筋结构;
S6、将所述第一双极板采用激光焊接的方式焊接于所述第一双极板放置区内,并将所述第一柔性石墨板放置于所述第一柔性石墨板放置区内,将所述第一铜板放置于所述第一铜板放置区内,其形成进口集流框单元;
S7、将所述第二双极板采用激光焊接的方式焊接于所述第二双极板放置区内,并将所述第一石墨毡放置于所述第一反应区内,其形成上流场框单元;
S8、将所述隔膜采用激光焊接的方式焊接于所述隔膜放置区内,并将所述第二石墨毡放置于所述第二反应区内,其形成下流场框单元;
S9、将所述第三双极板采用激光焊接的方式焊接于所述第三双极板放置区内,并将所述第二柔性石墨板放置于所述第二柔性石墨板放置区内,将所述第二铜板放置于所述第二铜板放置区内,其形成集流板框单元;
S10、将所述下端板固定好,将所述集流板框单元相适配的放置于所述下端板上,并进行激光焊接;再将所述下流场框单元相适配的放置于所述集流板框单元上,并进行激光焊接;再将所述上流场框单元相适配的放置于所述下流场框单元上,并进行激光焊接;再将所述进口集流框单元相适配的放置于所述上流场框单元上,并进行激光焊接;最后将所述上端板相适配的放置于所述进口集流框单元上,此时所述进口集流框上的四个进口水嘴穿过所述上端板上的四个圆孔,并进行激光焊接,即完成了堆叠焊接并形成一节电池。
较佳的,所述第一流道结构和所述第二流道结构均包括流道孔、分流流道和漫流流道,所述分流流道和漫流流道均为凹槽设计,所述分流流道与所述流道孔相连通,所述漫流流道与所述分流流道相连通。
进一步的,所述漫流流道的一端分设有多个均布的流道出口,所述流道出口连通反应区。
进一步的,所述第一焊筋结构、第二焊筋结构、第三焊筋结构、第四焊筋结构以及第五焊筋结构均具有凹台和凹槽结构,当进行激光焊接时所述凹台的突出部分熔进所述凹槽内,有效保证了在进行堆叠焊接时的密封性和一体性。
进一步的,在S10中,将所述下端板固定好,将所述集流板框单元相适配的放置于所述下端板上,并进行激光焊接;再将所述下流场框单元相适配的放置于所述集流板框单元上,并进行激光焊接;再将所述上流场框单元相适配的放置于所述下流场框单元上,并进行激光焊接,此时所述上流场框单元与所述下流场框单元形成一节电池单元,再如此循环的焊接多组所述下流场框单元和所述上流场框单元,也即形成多节电池单元;最后将所述进口集流框单元相适配的放置于最上端的所述上流场框单元上,并进行激光焊接,将所述上端板相适配的放置于所述进口集流框单元上,此时所述进口集流框上的四个进口水嘴穿过所述上端板上的四个圆孔,并进行激光焊接,即完成了堆叠焊接并形成多节电池。
本发明专利还提供一种液流电池用激光堆叠焊接组件,所述液流电池用激光堆叠焊接组件通过上述任意一种所述的激光堆叠焊接工艺制作而获得,并且所述激光堆叠焊接组件根据实际需要可以制作成一节电池或多节电池。
本发明专利的设计原理是:将所述第二双极板采用激光焊接的方式焊接于所述第二双极板放置区内,并将所述第一石墨毡放置于所述第一反应区内,其形成上流场框单元,再利用所述第二焊筋结构将所述上流场框焊接于所述进口集流框的下端,其形成第一反应室;将所述隔膜采用激光焊接的方式焊接于所述隔膜放置区内,并将所述第二石墨毡放置于所述第二反应区内,其形成下流场框单元,再利用所述集流板框上的第四焊筋结构将所述集流板框焊接于所述下流场框的下端,其形成第二反应室。此时,所述第一反应室和第二反应室形成一个相对密封的空间,且所述隔膜位于所述第一反应室和所述第二反应室之间,也即所述隔膜隔离正负极,并使电池内的电子不能自由穿过,让电解液中的质子(也即离子)在正负极之间自由通过,形成电池。
本发明的有益效果是:(1)将液流电池分设为多个不同功能的单元,再将多个单元进行激光堆叠焊接密封,实现了液流电池电堆的一体化结构,使得工艺更加简单,降低了装配的难度,且可以根据需要装配成不同节数的电池,使用更加的灵活;(2)通过结构的设计,形成双极板与相对应的双极板放置区之间、隔膜与隔膜放置区之间的内密封,焊筋结构与相对应连接部的外密封,有效确保了电堆内部及外部的密封性,且激光焊接工艺容易实现自动化机械手焊接,能有效保证产品质量的均匀性,能更好的实现标准化、规模化和自动化;(3)通过所述流道结构的设计,其形成多点(四点)流入、分散均布的布局结构,更有利于电解液均匀的分散于所述第一石墨毡和第二石墨毡(第一反应区和第二反应区)内,提高电解液中质子的流动性,有利于提高电池的充放电效率,减少电池内部的热量累积,从而降低电池的使用温度,提高电池的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明专利展开状态的结构示意图;
图2为本发明中进口集流框上端面的结构示意图;
图3为本发明中进口集流框下端面的结构示意图;
图4为本发明中上流场框上端面的结构示意图;
图5为本发明中上流场框下端面的结构示意图;
图6为图5中A处的局部放大结构示意图;
图7为本发明中下流场框上端面的结构示意图;
图8为本发明中下流场框下端面的结构示意图;
图9为本发明中集流板框上端面的结构示意图;
图10为本发明中集流板框下端面的结构示意图;
图11为本发明中下端板的结构示意图;
图12为本发明中电池单元装配完成后的结构示意图。
图中,010、上端板,011、圆孔,020、第一铜板,030、进口集流框,031、第一柔性石墨板放置区,032、第一铜板放置区,033、第一焊筋结构,034、第一双极板放置区,035、进口水嘴,040、第一柔性石墨板,050、第一双极板,060、第二双极板,070、上流场框,071、第一反应区,072、第二双极板放置区,073、第二焊筋结构,074、第一流道结构,080、第一石墨毡,090、隔膜,100、下流场框,101、第二反应区,102、隔膜放置区,103、第三焊筋结构,104、第二流道结构,110、第二石墨毡,120、第三双极板,130、集流板框,131、第二柔性石墨板放置区,132、第三双极板放置区,133、第四焊筋结构,134、第二铜板放置区,140、第二柔性石墨板,150、第二铜板,160、下端板,161、第五焊筋结构,170、流道孔,180、分流流道,190、漫流流道,200、流道出口,210、电池单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例
参照图1至图12所示,一种液流电池用激光堆叠焊接工艺,包括自上而下依次设置的上端板010、第一铜板020、进口集流框030、第一柔性石墨板040、第一双极板050、第二双极板060、上流场框070、第一石墨毡080、隔膜090、下流场框100、第二石墨毡110、第三双极板120、集流板框130、第二柔性石墨板140、第二铜板150以及下端板160。所述上端板010、进口集流框030、上流场框070、下流场框100、集流板框130以及所述下端板160均为聚丙烯材质的绝缘材料,且具有一定程度的透光性,以便于进行激光焊接时光束能够穿过。所述第一铜板020、第一柔性石墨板040、第一双极板050、第二双极板060、第三双极板120、第二柔性石墨板140、第二铜板150均为导电材料。
在生产制作时,其堆叠焊接工艺如下:
S1、在进口集流框030的中部设置一镂空结构的第一柔性石墨板放置区031,在第一柔性石墨板放置区031的上端面设置第一铜板放置区032,在所述第一铜板放置区032的同侧设置一圈带有凹槽和凸台的第一焊筋结构033,在所述第一柔性石墨板放置区031的下端面设置第一双极板放置区034,在所述进口集流框030的四周设置四个进口水嘴035,所述进口水嘴035供电解液进入所述上流场框070和所述下流场框100内;
S2、在所述上流场框070的中部设置一镂空结构的第一反应区071,在所述第一反应区071的上端面设置第二双极板放置区072,在所述第二双极板放置区072的同侧设置一圈带有凹槽和凸台的第二焊筋结构073,在所述第一反应区071的下端面设置一供电解液流进、流出的第一流道结构074,使得所述第一流道结构074与所述第一反应区071相连通;
S3、在所述下流场框100的中部设置一镂空结构的第二反应区101,在所述第二反应区101的上端面设置隔膜放置区102,在所述隔膜放置区102的同侧设置一圈带有凹槽和凸台的第三焊筋结构103,在所述第二反应区101的下端面设置供电解液流进、流出的第二流道结构104,使得所述第二流道结构104与所述第二反应区101相连通;
S4、在所述集流板框130的中部设置一镂空结构的第二柔性石墨板放置区131,在所述第二柔性石墨板放置区131的上端面设置第三双极板放置区132,在所述第三双极板放置区132的同侧设置一圈凹槽和凸台的第四焊筋结构133,在所述第二柔性石墨板放置区131的下端面设置第二铜板放置区134;
S5、在所述上端板010的四周设置四个与所述进口水嘴035相适配的圆孔011,在下端板160的上端面设置一圈带有凹槽和凸台的第五焊筋结构161;
S6、将所述第一双极板050采用激光焊接的方式焊接于所述第一双极板放置区034内,并将所述第一柔性石墨板040放置于所述第一柔性石墨板放置区031内,将所述第一铜板020放置于所述第一铜板放置区032内,其形成进口集流框单元;
S7、将所述第二双极板060采用激光焊接的方式焊接于所述第二双极板放置区072内,并将所述第一石墨毡080放置于所述第一反应区071内,其形成上流场框单元;
S8、将所述隔膜090采用激光焊接的方式焊接于所述隔膜放置区102内,并将所述第二石墨毡110放置于所述第二反应区101内,其形成下流场框单元;
S9、将所述第三双极板120采用激光焊接的方式焊接于所述第三双极板放置区132内,并将所述第二柔性石墨板140放置于所述第二柔性石墨板放置区131内,将所述第二铜板150放置于所述第二铜板放置区134内,其形成集流板框单元;
S10、将所述下端板160固定好,将所述集流板框单元相适配的放置于所述下端板160上,并进行激光焊接;再将所述下流场框单元相适配的放置于所述集流板框单元上,并进行激光焊接;再将所述上流场框单元相适配的放置于所述下流场框单元上,并进行激光焊接;再将所述进口集流框单元相适配的放置于所述上流场框单元上,并进行激光焊接;最后将所述上端板010相适配的放置于所述进口集流框单元上,此时所述进口集流框030上的四个进口水嘴035穿过所述上端板010上的四个圆孔011,并进行激光焊接,即完成了堆叠焊接并形成一节电池。
如图5、图6和图8所示,所述第一流道结构074和所述第二流道结构104均包括流道孔170、分流流道180和漫流流道190,所述分流流道180和漫流流道190均为凹槽设计,所述分流流道180与所述流道孔170相连通,所述漫流流道190与所述分流流道180相连通。所述漫流流道190的一端分设有多个均布的流道出口200,所述流道出口200连通反应区。
如图2至图11所示,所述第一焊筋结构033、第二焊筋结构073、第三焊筋结构103、第四焊筋结构133以及第五焊筋结构161均具有凹台和凹槽结构,当进行激光焊接时所述凹台的突出部分熔进所述凹槽内,有效保证了在进行堆叠焊接时的密封性和一体性。
实施例
如图1和图12所示,将所述下端板160固定好,将所述集流板框单元相适配的放置于所述下端板160上,并进行激光焊接;再将所述下流场框单元相适配的放置于所述集流板框单元上,并进行激光焊接;再将所述上流场框单元相适配的放置于所述下流场框单元上,并进行激光焊接,此时所述上流场框单元与所述下流场框单元形成一节电池单元210,再如此循环的焊接多组所述下流场框单元和所述上流场框单元,也即形成多节电池单元210;最后将所述进口集流框单元相适配的放置于最上端的所述上流场框单元上,并进行激光焊接,将所述上端板010相适配的放置于所述进口集流框单元上,此时所述进口集流框030上的四个进口水嘴035穿过所述上端板010上的四个圆孔011,并进行激光焊接,即完成了堆叠焊接并形成多节电池。
本发明专利还提供一种液流电池用激光堆叠焊接组件,所述液流电池用激光堆叠焊接组件通过上述任意一种所述的激光堆叠焊接工艺制作而获得,并且所述激光堆叠焊接组件根据实际需要可以制作成一节电池或多节电池。
本发明专利将液流电池分设为多个不同功能的单元,再将多个单元进行激光堆叠焊接密封,实现了液流电池电堆的一体化结构,使得工艺更加简单,降低了装配的难度,且可以根据需要装配成不同节数的电池,使用更加的灵活。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液流电池用激光堆叠焊接工艺,其特征在于,包括自上而下依次设置的上端板、第一铜板、进口集流框、第一柔性石墨板、第一双极板、第二双极板、上流场框、第一石墨毡、隔膜、下流场框、第二石墨毡、第三双极板、集流板框、第二柔性石墨板、第二铜板以及下端板;所述上端板、进口集流框、上流场框、下流场框、集流板框以及所述下端板均为聚丙烯材质;
其堆叠焊接工艺如下:
S1、在所述进口集流框的中部设置一镂空结构的第一柔性石墨板放置区,在所述第一柔性石墨板放置区的上端面设置第一铜板放置区,在所述第一铜板放置区的同侧设置一圈带有凹槽和凸台的第一焊筋结构,在所述第一柔性石墨板放置区的下端面设置第一双极板放置区,在所述进口集流框的四周设置四个进口水嘴;
S2、在所述上流场框的中部设置一镂空结构的第一反应区,在所述第一反应区的上端面设置第二双极板放置区,在所述第二双极板放置区的同侧设置一圈带有凹槽和凸台的第二焊筋结构,在所述第一反应区的下端面设置供电解液流进、流出的第一流道结构,使得所述第一流道结构与所述第一反应区相连通;
S3、在所述下流场框的中部设置一镂空结构的第二反应区,在所述第二反应区的上端面设置隔膜放置区,在所述隔膜放置区的同侧设置一圈带有凹槽和凸台的第三焊筋结构,在所述第二反应区的下端面设置供电解液流进、流出的第二流道结构,使得所述第二流道结构与所述第二反应区相连通;
S4、在所述集流板框的中部设置一镂空结构的第二柔性石墨板放置区,在所述第二柔性石墨板放置区的上端面设置第三双极板放置区,在所述第三双极板放置区的同侧设置一圈凹槽和凸台的第四焊筋结构,在所述第二柔性石墨板放置区的下端面设置第二铜板放置区;
S5、在所述上端板的四周设置四个与所述进口水嘴相适配的圆孔,在下端板的上端面设置一圈带有凹槽和凸台的第五焊筋结构;
S6、将所述第一双极板采用激光焊接的方式焊接于所述第一双极板放置区内,并所述第一柔性石墨板放置于所述第一柔性石墨板放置区内,将所述第一铜板放置于所述第一铜板放置区内,其形成进口集流框单元;
S7、将所述第二双极板采用激光焊接的方式焊接于所述第二双极板放置区内,并将所述第一石墨毡放置于所述第一反应区内,其形成上流场框单元;
S8、将所述隔膜采用激光焊接的方式焊接于所述隔膜放置区内,并将所述第二石墨毡放置于所述第二反应区内,其形成下流场框单元;
S9、将所述第三双极板采用激光焊接的方式焊接于所述第三双极板放置区内,并所述第二柔性石墨板放置于所述第二柔性石墨板放置区内,将所述第二铜板放置于所述第二铜板放置区内,其形成集流板框单元;
S10、将所述下端板固定好,将所述集流板框单元相适配的放置于所述下端板上,并进行激光焊接;再将所述下流场框单元相适配的放置于所述集流板框单元上,并进行激光焊接;再将所述上流场框单元相适配的放置于所述下流场框单元上,并进行激光焊接;再将所述进口集流框单元相适配的放置于所述上流场框单元上,并进行激光焊接;最后将所述上端板相适配的放置于所述进口集流框单元上,此时所述进口集流框上的四个进口水嘴穿过所述上端板上的四个圆孔,并进行激光焊接,即完成了堆叠焊接并形成一节电池。
2.根据权利要求1所述的液流电池用激光堆叠焊接工艺,其特征在于,所述第一流道结构和所述第二流道结构均包括流道孔、分流流道和漫流流道,所述分流流道和漫流流道均为凹槽设计,所述分流流道与所述流道孔相连通,所述漫流流道与所述分流流道相连通。
3.根据权利要求1所述的液流电池用激光堆叠焊接工艺,其特征在于,所述第一焊筋结构、第二焊筋结构、第三焊筋结构、第四焊筋结构以及第五焊筋结构均具有凹台和凹槽结构,当进行激光焊接时所述凹台的突出部分熔进所述凹槽内。
4.根据权利要求1所述的液流电池用激光堆叠焊接工艺,其特征在于,在S10中,将所述下端板固定好,将所述集流板框单元相适配的放置于所述下端板上,并进行激光焊接;再将所述下流场框单元相适配的放置于所述集流板框单元上,并进行激光焊接;再将所述上流场框单元相适配的放置于所述下流场框单元上,并进行激光焊接,此时所述上流场框单元与所述下流场框单元形成一节电池单元,再如此循环的焊接多组所述下流场框单元和所述上流场框单元,也即形成多节电池单元;最后将所述进口集流框单元相适配的放置于最上端的所述上流场框单元上,并进行激光焊接,将所述上端板相适配的放置于所述进口集流框单元上,此时所述进口集流框上的四个进口水嘴穿过所述上端板上的四个圆孔,并进行激光焊接,即完成了堆叠焊接并形成多节电池。
5.一种液流电池用激光堆叠焊接组件,其特征在于,所述液流电池用激光堆叠焊接组件通过权利要求1-4任一项所述的激光堆叠焊接工艺制作而获得。
6.根据权利要求5所述的液流电池用激光堆叠焊接组件,其特征在于,所述激光堆叠焊接组件可以形成一节电池或多节电池。
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