CN118156574A - 一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液流电池电堆技术领域，尤其为一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺及方法，首先将离子膜利用激光内嵌焊接在液流框内，在离子膜与导电双极板之间的反应区放入碳毡；然后将导电双极板与液流框采用激光焊接，再将液流框与液流框之间采用激光焊接使其以上5个部件件形成一级单级电池，单级电池作为一个独立模块，可根据所需组装电堆功率大小选取合适数量的单级电池模块进行堆叠；最后单级电池与单级电池之间用专用密封胶进行密封压合即可形成所需功率的完整电堆，从而将单级电池各部件通过激光堆叠焊接密封形成一个单级电池，单级电池可作为一独立模块其工艺简单且实现标准化及自动化生产，降低了单级电池多部件的装配难度和泄漏风险。
Description
技术领域
本发明涉及液流电池电堆技术领域，具体为一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺及方法。
背景技术
电堆系统由集流板、电极、双极板、密封垫、电极框、离子交换膜、电解液等组成。
电堆作为液流电池系统化学能和电能储存转化的核心部件，其密封性能的好坏直接决定着电堆的性能和使用寿命。
但液流电池电堆的密封一直是困扰液流电池发展的关键瓶颈。目前常用的密封结构是采用橡胶密封垫或密封条进行压合密封，少量采用热熔胶线对液流电池电堆进行密封及新兴的激光焊接密封技术。
现有采取的措施及其缺点有：
1)目前电堆各组件间密封结构主要采用橡胶密封垫或密封条进行压合密封，这种密封结构需用大量的密封垫，不仅增加材料成本还使电堆厚度大幅增加，且随着电堆长时间运行橡胶密封材料会逐渐老化而失去密封效果。这种密封结构在较小电堆结构上密封效果较好，在商用大型电堆上很难实现密封。
2)目前电堆装配均采用各个部件依次堆叠装配，未能形成模块化装配，这样装配效率低，密封合格率低，检修难度大。
3)新兴的激光焊接密封技术，是将激光的光束，聚焦于较小的工件表面，利用其良好的方向性、高功率密度等特点，可在极短的时间内，将工件在极短的时间周期内让材料吸热，形成热源区，并材料熔化，形成坚固的焊点或焊缝，达到焊接的工艺目的。此种焊接技术可以很好解决单级电池的密封问题，但无法实现电堆的整体堆叠焊接密封。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺，包括多个结构相同的单级电池，所述单级电池包括导电双极板、离子膜和液流框，包括以下步骤：
S1，首先将离子膜利用激光内嵌焊接在液流框内，在离子膜与导电双极板之间的反应区放入碳毡；
S2，然后将导电双极板与液流框采用激光焊接，再将液流框与液流框之间采用激光焊接使其以上5个部件件形成一级单级电池，单级电池作为一个独立模块，可根据所需组装电堆功率大小选取合适数量的单级电池模块进行堆叠即可；
S3，最后单级电池与单级电池之间用专用密封胶进行密封压合即可形成所需功率的完整电堆。
作为本发明优选的方案，所述液流框包括电极框一和电极框二，其中电极框一分为电极框一正面和电极框一背面，所述电极框二分为电极框二正面和电极框二背面，电极框二的一侧壁中心处设置有装配定位槽，所述电极框一正面上设置有用于放置离子膜的凹陷平台区域，其中凹陷平台区域为离子膜焊接区。
作为本发明优选的方案，所述导电双极板上并且沿着导电双极板长度方向对称设置有两组流道孔，其中每组流道孔为四个，并且均靠近导电双极板的侧壁设置，所述电极框一和电极框二上并且与两组流道孔对应均设置有公共流道孔和进液孔，其中公共流道孔与进液孔依次交替设置在电极框一和电极框二的框架上。
作为本发明优选的方案，所述电极框一正面上的公共流道孔和进液孔周围均设置带有凹槽和凸起的第一道焊筋，所述电极框一正面上的公共流道孔和进液孔外围设置带有凹槽和凸起的第二道焊筋，第二道焊筋为矩形环结构，并且采用激光焊接沿焊筋将电极框一正面与导电双极板焊接，使其形成放置第一碳毡的第一反应区，其中第一反应区为镂空区域。
作为本发明优选的方案，所述电极框二背面上的公共流道孔和进液孔周围均设置带有凹槽和凸起的第三道焊筋，所述电极框二背面上的公共流道孔和进液孔外围设置带有凹槽和凸起的第四道焊筋，第四道焊筋为矩形环结构。
作为本发明优选的方案，所述电极框二正面上的公共流道孔和进液孔周围并且与均用打胶机打两圈流道孔密封胶线一，所述所述电极框二正面上并且位于流道孔密封胶线一的外围通过打胶机打两圈矩形的流道孔密封胶线二，所述电极框二正面上并且与第一反应区对应设置有放置第二碳毡的第二反应区，其中第二反应区为镂空区域，所述第一反应区、第二反应区的外围并且与进液孔连通分别设置有流道区。
作为本发明优选的方案，所述液流框材质采用pp、pe，透光率30％-100％，厚度2-6mm，液流框为用于第一反应区、第二反应区减小极化的双进双出模式。
作为本发明优选的方案，所述第一道焊筋、第二道焊筋、第三道焊筋、第四道焊筋的凸起宽度2-10mm、高度0.1-2mm，凹槽宽度0.5-5mm、深度0.2-1mm。
作为本发明优选的方案，所述流道孔密封胶线一、流道孔密封胶线二为pp、pe材质研发专用密封胶，通过打胶机打胶后常温固化时间在8-24h，所述导电双极板采用pp、pe材质与石墨碳粉按一定比例混合的导电板，含碳量在50-95％，所述离子膜采用全氟磺酸离子膜或多孔膜。
一种大功率全钒液流电池电堆装配方法，具体步骤如下：
步骤一、将离子膜放置在电极框一正面上的凹陷平台区域内，并且采用激光焊接将离子膜焊接于凹陷平台区域，使液流框与离子膜形成一个整体部件；
步骤二、电极框一正面上的公共流道孔和进液孔分别与导电双极板的流道孔对齐，并且在电极框一正面与导电双极板之间的第一反应区放置第一碳毡；
步骤三、在电极框一正面上的公共流道孔和进液孔周围设置带有凹槽和凸起的第一道焊筋，以及在电极框一正面的外围设置带有凹槽和凸起的第二道焊筋，与此同时采用激光焊接沿焊筋将电极框一正面与导电双极板焊接，使其形成第一反应区；
步骤四、电极框一背面上的公共流道孔和进液孔分别与电极框二背面上的公共流道孔和进液孔对齐，并且在电极框二背面上的公共流道孔和进液孔周围设置带有凹槽和凸起的第三道焊筋，以及电极框二背面的外围设置带有凹槽和凸起的第四道焊筋，从而采用激光焊接沿焊筋将电极框一背面与电极框二背面焊接，形成一单级电池；
步骤五、在单级电池的电极框二正面处用打胶机打两圈流道孔密封胶线一、流道孔密封胶线二，然后将下一级单级电池的导电双极板的正面面堆叠在单级电池的电极框二正面，使其形成第二反应区，并且在单级电池的第二反应区处放置第二碳毡，以此类推根据需要堆叠所需极数的单级电池，最后压合形成完整电堆。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中，通过设计首先将离子膜利用激光内嵌焊接在液流框内，在离子膜与导电双极板之间的反应区放入碳毡；然后将导电双极板与液流框采用激光焊接，再将液流框与液流框之间采用激光焊接使其以上5个部件件形成一级单级电池，单级电池作为一个独立模块，可根据所需组装电堆功率大小选取合适数量的单级电池模块进行堆叠即可；最后单级电池与单级电池之间用专用密封胶进行密封压合即可形成所需功率的完整电堆，从而将单级电池各部件通过激光堆叠焊接密封形成一个单级电池，单级电池可作为一独立模块其工艺简单且实现标准化及自动化生产，降低了单级电池多部件的装配难度和泄漏风险，可根据不同所需功率装配不同节数的单级电池，使应用更加灵活，检修更换也更加高效便捷。
附图说明
图1为本发明单级电池爆炸结构示意图；
图2为本发明电极框一正面结构示意图；
图3为本发明电极框一背面结构示意图；
图4为本发明电极框二背面结构示意图；
图5为本发明电极框二正面结构示意图。
图中：10、电极框一正面；20、电极框二背面；30、导电双极板；40、离子膜；11、公共流道孔；12、进液孔；13、流道区；14、凹陷平台区域；15、第一道焊筋；16、第二道焊筋；17、第一反应区；101、电极框一背面；21、装配定位槽；22、第四道焊筋；23、第三道焊筋；201、电极框二正面；202、流道孔密封胶线一；203、流道孔密封胶线二；204、第二反应区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述,给出了本发明的若干实施例,但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例,相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件,当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件,本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同,本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明,本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例，请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：
一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺，包括多个结构相同的单级电池，单级电池包括导电双极板30、离子膜40和液流框，包括以下步骤：
S1，首先将离子膜40利用激光内嵌焊接在液流框内，在离子膜40与导电双极板30之间的反应区放入碳毡；
S2，然后将导电双极板30与液流框采用激光焊接，再将液流框与液流框之间采用激光焊接使其以上5个部件件形成一级单级电池，单级电池作为一个独立模块，可根据所需组装电堆功率大小选取合适数量的单级电池模块进行堆叠即可；
S3，最后单级电池与单级电池之间用专用密封胶进行密封压合即可形成所需功率的完整电堆。
作为本发明的一种优选实施方式：液流框包括电极框一和电极框二，其中电极框一分为电极框一正面10和电极框一背面101，电极框二分为电极框二正面201和电极框二背面20，电极框二的一侧壁中心处设置有装配定位槽21，电极框一正面10上设置有用于放置离子膜40的凹陷平台区域14，其中凹陷平台区域14为离子膜焊接区。
作为本发明的一种优选实施方式：导电双极板30上并且沿着导电双极板30长度方向对称设置有两组流道孔，其中每组流道孔为四个，并且均靠近导电双极板30的侧壁设置，电极框一和电极框二上并且与两组流道孔对应均设置有公共流道孔11和进液孔12，其中公共流道孔11与进液孔12依次交替设置在电极框一和电极框二的框架上。
作为本发明的一种优选实施方式：电极框一正面10上的公共流道孔11和进液孔12周围均设置带有凹槽和凸起的第一道焊筋15，电极框一正面10上的公共流道孔11和进液孔12外围设置带有凹槽和凸起的第二道焊筋16，第二道焊筋16为矩形环结构，并且采用激光焊接沿焊筋将电极框一正面10与导电双极板30焊接，使其形成放置第一碳毡的第一反应区17，其中第一反应区17为镂空区域。
作为本发明的一种优选实施方式：电极框二背面20上的公共流道孔11和进液孔12周围均设置带有凹槽和凸起的第三道焊筋23，电极框二背面20上的公共流道孔11和进液孔12外围设置带有凹槽和凸起的第四道焊筋22，第四道焊筋22为矩形环结构。
作为本发明的一种优选实施方式：电极框二正面201上的公共流道孔11和进液孔12周围并且与均用打胶机打两圈流道孔密封胶线一202，电极框二正面201上并且位于流道孔密封胶线一202的外围通过打胶机打两圈矩形的流道孔密封胶线二203，电极框二正面201上并且与第一反应区17对应设置有放置第二碳毡的第二反应区204，其中第二反应区204为镂空区域，第一反应区17、第二反应区204的外围并且与进液孔12连通分别设置有流道区13。
作为本发明的一种优选实施方式：液流框材质采用pp、pe，透光率30％-100％，厚度2-6mm，液流框为用于第一反应区17、第二反应区204减小极化的双进双出模式。
作为本发明的一种优选实施方式：第一道焊筋15、第二道焊筋16、第三道焊筋23、第四道焊筋22的凸起宽度2-10mm、高度0.1-2mm，凹槽宽度0.5-5mm、深度0.2-1mm，其凸起部分使其能更好的与其焊接的下一部件能更好的接触，焊接时激光产生的热使凸起表面熔融软化与下一部件焊接在一起，凸起熔融部分在顶升力下进入凹槽，保证焊接部分的平整密封封性。
作为本发明的一种优选实施方式：流道孔密封胶线一202、流道孔密封胶线二203为pp、pe材质研发专用密封胶，通过打胶机打胶后常温固化时间在8-24h，固化后不发硬有一定的弹性能补偿电堆受热受冷后的一定形变，此胶线与凹槽配合密封效果更佳。密封胶也可采用热熔胶线进行密封。
导电双极板30采用pp、pe材质与石墨碳粉按一定比例混合的导电板，含碳量在50-95％，离子膜40采用全氟磺酸离子膜或多孔膜。
一种大功率全钒液流电池电堆装配方法，具体步骤如下：
步骤一、将离子膜40放置在电极框一正面10上的凹陷平台区域14内，并且采用激光焊接将离子膜40焊接于凹陷平台区域14，使液流框与离子膜40形成一个整体部件，内嵌式焊接可减少流道孔的密封；
步骤二、电极框一正面10上的公共流道孔11和进液孔12分别与导电双极板30的流道孔对齐，并且在电极框一正面10与导电双极板30之间的第一反应区17放置第一碳毡；
步骤三、在电极框一正面10上的公共流道孔11和进液孔12周围设置带有凹槽和凸起的第一道焊筋15，以及在电极框一正面10的外围设置带有凹槽和凸起的第二道焊筋16，与此同时采用激光焊接沿焊筋将电极框一正面10与导电双极板30焊接，使其形成第一反应区17；
步骤四、电极框一背面101上的公共流道孔11和进液孔12分别与电极框二背面20上的公共流道孔11和进液孔12对齐，并且在电极框二背面20上的公共流道孔11和进液孔12周围设置带有凹槽和凸起的第三道焊筋23，以及电极框二背面20的外围设置带有凹槽和凸起的第四道焊筋22，从而采用激光焊接沿焊筋将电极框一背面101与电极框二背面20焊接，形成一单级电池；
步骤五、在单级电池的电极框二正面201处用打胶机打两圈流道孔密封胶线一202、流道孔密封胶线二203，然后将下一级单级电池的导电双极板30的正面面堆叠在单级电池的电极框二正面201，使其形成第二反应区204，并且在单级电池的第二反应区204处放置第二碳毡，以此类推根据需要堆叠所需极数的单级电池，最后压合形成完整电堆。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺，包括多个结构相同的单级电池，所述单级电池包括导电双极板(30)、离子膜(40)和液流框，其特征在于，包括以下步骤：
S1，首先将离子膜(40)利用激光内嵌焊接在液流框内，在离子膜(40)与导电双极板(30)之间的反应区放入碳毡；
S2，然后将导电双极板(30)与液流框采用激光焊接，再将液流框与液流框之间采用激光焊接使其以上5个部件件形成一级单级电池，单级电池作为一个独立模块，可根据所需组装电堆功率大小选取合适数量的单级电池模块进行堆叠即可；
S3，最后单级电池与单级电池之间用专用密封胶进行密封压合即可形成所需功率的完整电堆。
2.根据权利要求1所述的一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺，其特征在于：所述液流框包括电极框一和电极框二，其中电极框一分为电极框一正面(10)和电极框一背面(101)，所述电极框二分为电极框二正面(201)和电极框二背面(20)，电极框二的一侧壁中心处设置有装配定位槽(21)，所述电极框一正面(10)上设置有用于放置离子膜(40)的凹陷平台区域(14)，其中凹陷平台区域(14)为离子膜焊接区。
3.根据权利要求2所述的一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺，其特征在于：所述导电双极板(30)上并且沿着导电双极板(30)长度方向对称设置有两组流道孔，其中每组流道孔为四个，并且均靠近导电双极板(30)的侧壁设置，所述电极框一和电极框二上并且与两组流道孔对应均设置有公共流道孔(11)和进液孔(12)，其中公共流道孔(11)与进液孔(12)依次交替设置在电极框一和电极框二的框架上。
4.根据权利要求3所述的一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺，其特征在于：所述电极框一正面(10)上的公共流道孔(11)和进液孔(12)周围均设置带有凹槽和凸起的第一道焊筋(15)，所述电极框一正面(10)上的公共流道孔(11)和进液孔(12)外围设置带有凹槽和凸起的第二道焊筋(16)，第二道焊筋(16)为矩形环结构，并且采用激光焊接沿焊筋将电极框一正面(10)与导电双极板(30)焊接，使其形成放置第一碳毡的第一反应区(17)，其中第一反应区(17)为镂空区域。
5.根据权利要求4所述的一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺，其特征在于：所述电极框二背面(20)上的公共流道孔(11)和进液孔(12)周围均设置带有凹槽和凸起的第三道焊筋(23)，所述电极框二背面(20)上的公共流道孔(11)和进液孔(12)外围设置带有凹槽和凸起的第四道焊筋(22)，第四道焊筋(22)为矩形环结构。
6.根据权利要求5所述的一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺，其特征在于：所述电极框二正面(201)上的公共流道孔(11)和进液孔(12)周围并且与均用打胶机打两圈流道孔密封胶线一(202)，所述所述电极框二正面(201)上并且位于流道孔密封胶线一(202)的外围通过打胶机打两圈矩形的流道孔密封胶线二(203)，所述电极框二正面(201)上并且与第一反应区(17)对应设置有放置第二碳毡的第二反应区(204)，其中第二反应区(204)为镂空区域，所述第一反应区(17)、第二反应区(204)的外围并且与进液孔(12)连通分别设置有流道区(13)。
7.根据权利要求6所述的一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺，其特征在于：所述液流框材质采用pp、pe，透光率30％-100％，厚度2-6mm，液流框为用于第一反应区(17)、第二反应区(204)减小极化的双进双出模式。
8.根据权利要求7所述的一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺，其特征在于：所述第一道焊筋(15)、第二道焊筋(16)、第三道焊筋(23)、第四道焊筋(22)的凸起宽度2-10mm、高度0.1-2mm，凹槽宽度0.5-5mm、深度0.2-1mm。
9.根据权利要求8所述的一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺，其特征在于：所述流道孔密封胶线一(202)、流道孔密封胶线二(203)为pp、pe材质研发专用密封胶，通过打胶机打胶后常温固化时间在8-24h，所述导电双极板(30)采用pp、pe材质与石墨碳粉按一定比例混合的导电板，含碳量在50-95％，所述离子膜(40)采用全氟磺酸离子膜或多孔膜。
10.一种大功率全钒液流电池电堆装配方法，利用上述权利要求1-9中任意一项的一种大功率全钒液流电池电堆装配工艺实现，具体步骤如下：
步骤一、将离子膜(40)放置在电极框一正面(10)上的凹陷平台区域(14)内，并且采用激光焊接将离子膜(40)焊接于凹陷平台区域(14)，使液流框与离子膜(40)形成一个整体部件；
步骤二、电极框一正面(10)上的公共流道孔(11)和进液孔(12)分别与导电双极板(30)的流道孔对齐，并且在电极框一正面(10)与导电双极板(30)之间的第一反应区(17)放置第一碳毡；
步骤三、在电极框一正面(10)上的公共流道孔(11)和进液孔(12)周围设置带有凹槽和凸起的第一道焊筋(15)，以及在电极框一正面(10)的外围设置带有凹槽和凸起的第二道焊筋(16)，与此同时采用激光焊接沿焊筋将电极框一正面(10)与导电双极板(30)焊接，使其形成第一反应区(17)；
步骤四、电极框一背面(101)上的公共流道孔(11)和进液孔(12)分别与电极框二背面(20)上的公共流道孔(11)和进液孔(12)对齐，并且在电极框二背面(20)上的公共流道孔(11)和进液孔(12)周围设置带有凹槽和凸起的第三道焊筋(23)，以及电极框二背面(20)的外围设置带有凹槽和凸起的第四道焊筋(22)，从而采用激光焊接沿焊筋将电极框一背面(101)与电极框二背面(20)焊接，形成一单级电池；
步骤五、在单级电池的电极框二正面(201)处用打胶机打两圈流道孔密封胶线一(202)、流道孔密封胶线二(203)，然后将下一级单级电池的导电双极板(30)的正面面堆叠在单级电池的电极框二正面(201)，使其形成第二反应区(204)，并且在单级电池的第二反应区(204)处放置第二碳毡，以此类推根据需要堆叠所需极数的单级电池，最后压合形成完整电堆。
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