用于氧化还原液流单元电池的构件及其制造方法与流程

本发明涉及用于氧化还原液流单元电池的构件以及制造用于氧化还原液流单元电池的构件的方法。

背景技术：

氧化还原液流单元电池应用在氧化还原液流电池中。在这里，一般多个氧化还原液流单元电池电气串联且被电解液并行流过。通过这种方式，可以储蓄以及释放电能。氧化还原液流电池因此具有至少一个构件，其具有两个电极框、两个电极、离子交换膜和两个双极板或端板。电极安置在电极框内且因而被电极框在周侧包围。带有电极的电极框设置在膜与双极板之间。

在使用中，电极一般被电解液流过，在电极中，电解液经过形成在电极框内的通路来供入和送出。

这样的氧化还原液流电池由t.shigematsu的“用于蓄电的氧化还原液流电池”(seitechnicalreview，第73期，2011.10，p4-13)公开了，尤其根据图2和图3及相应说明。

这种电化学电池堆集系统的复杂性使得转化为工业化制造工艺变得困难。维护也是麻烦。

技术实现要素：

本发明任务为提供一种用于氧化还原液流单元电池的构件以及制造用于氧化还原液流单元电池的构件的方法，其降低了故障单元电池的风险，因而简化了按照工业化制造工艺的实施。

该任务通过一种根据权利要求1的用于氧化还原液流单元电池的构件以及一种根据权利要球10的制造用于氧化还原液流单元电池的构件的方法来完成。该构件的有利实施方式可在权利要求2-10中找到。该方法的有利实施方式可在权利要求12-15中找到。兹将所有权利要求的内容明确援引纳入本说明。

根据本发明的用于氧化还原液流单元电池的构件最好借助本发明的方法来制造，尤其是借助其优选实施方式。本发明的方法优选设计用于制造根据本发明的、尤其是其优选实施方式的构件。

本发明基于以下认识，氧化还原液流单元电池是多元系统，其在压力下被电解液流过，因而在根据现有技术的氧化还原液流电池中需要大量的密封。同样需要将例如电极精确布置在电极框上或在两个电极框之间，因而在此也存在大量的“故障源”。

根据本发明的用于氧化还原液流单元电池的构件具有电极框、电极、膜和双极板。该电极安置在该电极框内且被电极框在周侧包围。电极框设置在膜与双极板之间。这样的局部结构原则上在现有技术的氧化还原液流电池中也是已知的。因此，该构件至少以“半”单元电池形式构成。

重要的是，该电极框是借助粘接剂与至少该膜按照材料配合方式连接的。

由此一来，之所以相比于已知的氧化还原液流单元电池得到了显著优点，是因为在电极框和膜之间的材料连接区域中不需要密封，这是由于电极框与膜之间的材料配合连接显著地简化了氧化还原液流电池的组装，因而允许工业化制造，并且因为相比于采取传统密封方式，材料配合连接是泄漏危险更低的，因此失效概率和维护成本得以降低。此外，相比于结构相同但采用传统密封的氧化还原液流单元电池，膜和电极框之间的材料配合连接允许采用较小的膜面积。但是，氧化还原液流单元电池的成本相当程度上(一般达到约20％)是由膜低成本决定的，因而膜材料的节约显著导致成本降低。

另外，因膜与电极框的材料配合连接而可以实现更紧凑的结构，这是因为相比于在膜和电极框之间采用密封，例如在材料配合连接时更薄地实现膜/电极框的层系。

电极框与至少膜之间借助粘接的材料配合连接还有以下优点：

-如果关注工业制造过程，则显然可以实现工时和成本的显著减小，由此可以全自动施加粘接剂。这适用于所有类型的粘接剂。但尤其是粘膜的加工可以如以下还描述地以最高效的加工过程形式、尤其最好以卷至卷加工过程形式实现，此时待粘接的接合件通过辊缝被半连续地接合。此外，这些优点尤其出现在采用粘性结构胶时，尤其是基于以下组中的一种或多种元素的一种粘接剂或多种粘接剂：环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯、硅树脂、硅烷改性聚合物。

-完全粘接的“堆”允许减小或甚至省掉外侧绷紧。这导致所需构件的减少，进而导致整个堆的成本以及重量的减小。另外，因比较快速的安装而可以节约成本(尤其因为构件少)。另外，堆的粘接允许使用成本最低的材料，这是因为降低或省略的压紧允许就力学而言较低档次的材料(当强力压紧时，许多常见塑料倾向于塑性流动)。

-通过粘接剂可以接合不可供热接合法使用的材料。可应用至不可焊接的材料例如可涉及电极框。

-不同的材料可以借助粘接相互接合。不同于焊接，不仅不需要热塑性材料，也不需要焊点相同或至少相似的材料。材料要求因此低。

-接合件未遭受高温，故未出现材料变形，未显露性能变化/质量降低。

-可以实现很薄的构件的连接(关于材料和重量节约和由此成本节约是有利的)。而焊接例如大多具有比较小的接合部且一般在原材料很薄(materialarm)时不可用。

-粘接可以同时起到密封作用。粘接允许与氧化还原液流堆的所有组成部件的材料配合连接。另外，可以实现大面积连接、进而更能容错的密封。

-不同于焊接连接，关于粘合接头的承载面的机械力分布大多大了许多。这又可能导致尺寸设定小的构件和进而又导致材料和成本的节约。

在本发明的制造用于氧化还原液流单元电池的构件的方法中，带有电极的电极框设置在膜与双极板之间。重要的是，该电极框至少与该膜借助粘接剂以材料配方连接。由此得到上述优点。

当在本发明构件的一个优选实施方式中该电极框还最好借助粘接剂与双极板材料配合连接时，所述优点表现得更好。因而，由此将尤其关于在由多个单元电池制造堆时的简单组装的易操作性、紧凑结构和不透液连接的更高安全性的优点也转用至电极框与双极板之间的连接。

因此，在本发明方法中最好还使所述电极框与双极板材料连接，最好借助粘接剂。

但尤其有利的是，电极框和/或双极板之间的材料配合连接是借助粘接剂形成的。由此，一方面能以简单方式获得稳固的长期不透流体的材料配合连接。另外，如此可以实现按工业制造技术的简单实施，即，通过施加粘接剂至一个元件或两个有待彼此接合的元件并随后将两个元件压合尤其是压紧。

但是，最好采用“对膜采取保护”的方法，尤其是未造成加热作用且尤其是膜熔化的方法。在此，借助粘接的材料配合连接带来进一步优点，因为在粘接过程中不进行或只轻微将热输入待粘接材料。

此时在本发明范围内的是，材料配合连接借助粘接剂以粘附工艺且尤其通过自动分配器、粘接剂喷涂或刮抹或通过转移胶来形成。作为粘接剂，尤其可以采用物理粘合型粘接剂和/或化学硬化型粘接剂和/或粘附型粘接剂。

使用粘膜来形成材料配合连接是尤其有利的。粘膜允许简单操作。尤其是可以通过有利方式事先以针对材料配合连接所期望的平面方式形成粘膜，从而按照简单且“容忍错误”的方式允许在期望的区域中形成材料配合连接。

在本发明构件的另一个优选实施方式中，借助所述材料配合连接来形成电极框与膜之间的不透液的密封，至少在不考虑用于相对于电极供应和/或排出液态电解质的一个或多个通道的情况下。在该优选实施方式中，膜与电极框之间的材料配合连接因此基本上环绕形成，必要时空留出用于在电极框和膜之间相对于电极供应和/或排出电解质的区域。

但尤其优选的是，在电极框内形成用于相对于膜供应和排出液态电解质的管路线，从而在此优选实施方式中形成在电极框与膜之间的环行的、尤其是全环绕的不透液的材料配合连接。

由此，至少是在电极框与膜之间使用附加密封是多余的。

优选地，该优点也被转用到电极框与双极板之间的连接，做法是在另一个优选实施方式中，借助材料配合连接形成在电极框与双极板之间的不透液的密封，至少在不考虑用于相对于电极供应和/或排出液态电解质的一个或多个通道的情况下。在这里也尤其有利的是：在电极框内形成用于电解质的供应和/或排出的管路，并且在电极框与双极板之间形成环行的、尤其是全环绕的不透液的材料配合连接。在此也如此得到一个显著优点，即可以放弃电极框和双极板之间的密封。

因此尤其有利的是，最好借助粘接剂通过全环绕的不透液的材料配合连接来分别形成“电极框与所述膜”以及“电极框与双极板”，从而至少在这些元件之间不需要进一步的密封。

如前所述，所述成本且尤其是膜的材料成本占了氧化还原液流单元电池的总成本的相当大的份额。因此有利的是，该膜只略微环绕重叠覆盖所述框。关于框的伸展，出于相同理由而优选的是，该膜在长度方向上和在宽度方向上重叠框的程度关于框长度或框宽度不到15％、最好不到10％、更好是不到5％。在氧化还原液流单元电池具有典型尺寸的情况下有利的是，膜环绕重叠框的程度不到2厘米、更好是不到1.5厘米、尤是不到1厘米。

膜的这种设计尤其与在膜和电极框之间的前述环绕材料配合连接相关地是有利的。

至少电极框和膜的材料配合连接以及最好还有电极框和双极板的材料配合连接允许将电极安置在电极框内，而没有电极与电极框的材料配合连接和/或没有电极在电极框和膜之间或在电极框和双极板之间的压紧。由此，制造过程被简化。通过使得电极在未组装状态下具有比在组装状态下的双极板与膜之间距离更大的厚度，就此优选获得在电极和双极板之间的压紧力以形成良好导电接触。

因此，所述电极最好如此设置在该构件内，即，该电极只借助形状配合在横向上由该电极框来保持，并且就垂直于电极伸展面而言，一方面由双极板且另一方面由该膜来保持，尤其以形状配合方式来保持。

在另一个优选实施方式中形成一个完全一体化的单独单元电池。为此，本发明的构件形成有作为第一双极板的双极板、作为第一电极框的电极框、作为第一电极的电极、所述膜还有至少一个第二电极框和第二电极。所述完全一体化的单独单元电池具有以下分层结构，其包括按照第一双极板、带有第一电极的第一电极框、膜、带有第二电极的第二电极框顺序的直接或间接安置的元件。另外，至少在第一双极板和第一电极框之间、在第一电极框和膜之间以及在膜和第二电极框之间形成材料配合连接。此时在本发明范围内的是，在第一和第二电极框之间设置粘接剂，其中，所述膜被压入粘接剂中。同样，尤其在使用较厚的膜的情况下，可以替代地或补充地在膜的边缘区内在两侧使用粘接剂以便一方面与第一电极框连接且另一方面与第二电极框连接。在另一个优选实施方式中，最终将一个双极板或端板安装在第二电极框上，尤其最好粘附施加。

这样的完全一体化的单独单元电池有以下优点，即在第一步骤中形成许多个这种完全一体化的单独单元电池。接着，可以通过简单且可借助工业加工技术实现的方式形成一个一体的单元电池堆集，做法是一个完全一体化的单独单元电池的第二电极框被安置在一个相邻的完全一体化的单独单元电池的双极板上，因而能以简单方式实现包括多个串列布置的完全一体化的单独单元电池的分层结构。

完全一体化的单独单元电池的上述实施方式有以下优点，同样构成的完全一体化的单独单元电池可以安置在一起，因而按照工艺不太复杂的方式在相同的元件排列情况下形成一个单元电池堆集。

在一个替代实施方式中，完全一体化的单独单元电池还设计成有第二双极板。第二双极板间接或最好直接安置在第二电极框的背对膜的一侧且最好与第二电极框材料配合连接。因此，如此扩充的完全一体化的单独单元电池有以下优点，在两侧分别通过一个双极板进行端封，从而可以实现更简单的操作。

为了形成一个单元电池堆集，附加形成许多中间件，每个中间件包括带有第一电极的第一电极框、一个膜和带有第二电极的第二电极框。这些元件间接或最好直接按照带有第一电极的第一电极框、膜、带有第二电极的第二电极框的层顺序形成。现在，为了制造一个单元电池堆集，分别在两个如上所述的扩充的完全一体化的单独单元电池之间分别设置一个中间件，从而中间件在两侧邻接各自相邻的扩展形成的完全一体化的单独单元电池的双极板。为了简化操作，所述元件即第一电极框、膜和第二电极框至少也优选相互材料配合连接。

此时在本发明范围内的是，前述的完全一体化的单独单元电池或许在中间接入中间件的情况下安置在一起并且按照本身已知的方式压紧，例如此时如从现有技术中知道地采用螺纹杆。由此得到以下优点，一方面通过解除压紧如通过松开螺纹杆而可以进行维护，但此时仅须操纵少许多的零件，因为利用上述材料配合连接获得完全一体化的单独单元电池。因此，在采用若干完全一体化的单独单元电池时的一个重要优点是维护和更换简单，如果发现该电池中有一个功率减弱或功能故障的单元电池。因此，不必替代整个堆。这尤其相比于具有传统密封的单元电池是有利的。

尤其在这种情况下，有利地在多个完全一体化的单独单元电池未材料配合连接地紧邻的区域内，即尤其在第一完全一体化的单独单元电池的第二电极框与相邻的第二完全一体化的单独单元电池的双极板之间，采用密封来形成不透液的密封，尤其优选是o形环密封。

在这种情况下得到一种在制造时成本很低的实施方式，在此，在一个优选实施方式中该单独单元电池在中间加入粘接剂情况下安置在一起并且在同一方法步骤中实现这些单独单元电池的相互材料配合连接，最好借助粘接剂。

多种尤其是全部上述的材料配合连接最好借助粘接剂完成。

作为粘接剂，优选采用粘性的结构粘接剂，尤其是基于以下组中的一种或多种元素的一种粘接剂或多种粘接剂：环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯、硅树脂、硅烷改性聚合物。尤其是可以在工业制造过程中借助(全)自动分配器高效且低成本地涂抹这种粘接剂。

作为粘膜，优选采用在两侧涂有粘接剂的底膜。在此情况下优选采用丙烯酸酯基粘接剂。塑料膜尤其适合作为底膜。

附图说明

以下，结合实施例和附图来描述其它的优选特征和实施方式，其中：

图1示出用于具有一个共同膜的氧化还原液流电池的两个构件的第一实施例，在此未示出该电极；

图2示出根据图1的实施例，连带示出了电极；

图3示出了根据图1的剖切线a的剖视图；

图4示出了根据图1的剖切线b的剖视图；

图5是根据图2的剖切线c的剖视图。

具体实施方式

所有图示出了示意图。在图1至图5中，相同的附图标记标示相同的或作用相同的零部件。

图1和图2示出立体分解视图，以便能更好示出这些层的布置和结构。

图1以分解视图示出了根据本发明的用于氧化还原液流单元电池的构件的实施例。它包括电极框1、膜2和双极板3。电极框具有凹处用于容放电极。这在图2中用呈毡电极(filzelektrode)形式的电极4来示出。

因此，电极4被电极框1周边包围。另外，电极框1设置在膜2与双极板3之间。

借助胶膜5，电极框1与双极板3形状配合连接。由此，也得到在电极框1与双极板3之间的不透液的连接，从而在使用中通过形成在电极框1内的管路(未示出)被供给电极4的电解液不会在电极框1和双极板3之间流出。因此，胶膜5担负在现有技术中常见的螺纹杆(就将双极板3安置在电极框1上而言)的功能以及还有在现有技术中常见的在电极框1与双极板3之间的o形环密封的功能。

另外，利用根据图1的构件形成一个完全一体化的单独单元电池，做法是还设有第二电极框11和第二电极14。

因此，完全一体化的单独单元电池具有作为第一双极板的双极板3、作为第一电极框的电极框1以及膜2并且还具有带有第二电极14的第二电极框11，如图2所示。

通过之前已经描述的第一电极框1与第二双极板3借助作为第一胶膜的胶膜5的材料配合连接，第二电极框11还借助第二胶膜15与膜2材料配合连接。

膜2不仅只略微重叠于电极框11，也略微重叠于电极框1，尤其是重叠程度不仅在长度方向(x方向)上关于框长度不到10％，也在宽度方向(y方向)上关于框宽度不到10％，如以下关于图3至图5所详述的那样。

由此，第二胶膜15完成以下功能，不仅使第一电极框1与第二电极框11材料配合连接，还使膜2与第二电极框11材料配合连接。由此，在总体效果上该膜2也与第一电极框1无位移地相连。

此外，第二胶膜15作为密封作用于第一电极框1、第二电极框11和安置于两者间的膜2之间。

在本发明方法的一个有利实施例中，首先形成多个前述的完全一体化的单独单元电池(例如10件)。接着，将这些完全一体化的单独单元电池上下叠置，在中间分别加入另一个胶膜。

在图1和图2中分别示出另一个双极板23，其配属于另一个(未完整示出)相邻设置的完全一体化的单独单元电池或者作为端板来施用。在所述上方的完全一体化的单独单元电池的另一双极板23与第二电极框11之间设置第三胶膜25用于使第二电极框11与另一单独单元电池的第二双极板23材料配合连接。

通过这种方式，可以低成本地构成一堆上下叠置的单独单元电池以形成氧化还原液流电池。此时，机械稳定性通过胶膜(5,15,25)来保证。还可以在另一个优选实施方式中例如在双极板的和电极框的角部中设置多个孔，螺纹杆可被引导穿过它们以便额外实现前述元件的相互压紧。在图1中示例性画出用于容纳所述螺纹杆的两个孔7a、7b。

在一个替代实施例中，第三胶膜(25)被面密封(未示出)取代(采用呈o形环形式的密封也在本发明范围内)，且第二电极框(11)具有用于o形密封圈局部固定的相应导向容座。因而在此情况下只有完全一体化的单独单元电池的元件借助第一胶膜(5)和第二胶膜(15)相互材料配合连接。而在堆结构中的完全一体化的单独单元电池借助前述螺纹杆相互压紧，在此，分别设于中间的o形密封圈实现了“相对于在应用中在一个完全一体化的单独单元电池的第二电极框(11)与相邻的完全一体化的单独单元电池的双极板(23)之间使用液态电解质”的相应的密封作用。

图2如前所述地示出了包括设于第一电极框(1)内的第一电极(4)和设于第二电极框(11)内的第二电极(14)的根据图1的分解图。

图3示出沿图1中的剖切线(a)的剖面。剖切面在此垂直于第一双极板(3)，因而也垂直于平行于第一双极板(3)的元件即第一胶膜(5)、第一电极框(1)、膜(2)、第二胶膜(15)、第二电极框(11)、第三胶膜(15)和另一双极板(23)。

图3至图5也又根据分解图示出了单独元件的相互间隔的视图，以便更好概览。实际上，这些单独元件相互紧邻。

如图3所示，膜2在两侧距其余元件的外边缘有一距离x。尤其是，第二胶膜15以及两个电极框1、11与膜2重叠。由此一来，因而借助第二胶膜15一方面使膜2与第二电极框11材料配合连接。但是，第二电极框11也至少在边缘区内借助第二胶膜15与电极框1材料配合连接。

图4示出了根据图1所示的剖切线b的剖面，其中，在这里该剖切面也垂直于双极板3。

在此剖视图中能看到，在电极框1和11在此具有用于容放电极的凹处的区域内，所述膜也在周边以距离y重叠于该电极框。

因为以长度y的程度重叠，故可以通过简单方式通过第二胶膜15将膜2与电极框11材料配合连接。

此外，在膜2的外边缘与尤其是电极框(1,11)的外边缘之间的距离x一方面允许只采用一个胶膜用于两个电极框以及膜与第二电极框11的材料配合连接，如前所述。此外，由此相比于按照全尺寸如按照双极板(3)的尺寸形成膜，对于膜2得到材料节约。

因为如前所述，该膜2的材料成本占了氧化还原液流单元电池总成本的相当大的份额，故有此可以获得显著的成本节约。

图5示出根据图2中的剖切线c的剖视图。在这里，剖切面也垂直于双极板3。根据图5的剖视图因此与根据图4的剖视图相似，但在这里示出了设于电极框(1,11)内的电极(4,14)。在此能看到，胶膜(5、15和25)没有重叠于电极4、14。因此，该胶膜具有与电极框为容纳电极所具备的相同的凹处。因此，由此避免了电极的粘接。

尤其如图1和图2所示，这些胶膜(5、15和25)在各自相邻的元件之间形成环绕连续密封，因此具有与已知的现有技术的单独o形环密封一样的作用。

用于容纳螺纹杆的孔7a、7b尤其没有完全穿透该胶膜的边缘区，从而保证环绕密封作用。