一种电堆封装工艺及电堆组件的制作方法

本发明涉及全液流电池领域，特别涉及一种电堆封装工艺，通过该封装工艺可以获得密封性能好、寿命长的电堆组件。

背景技术：

液流电池是一种利用液态电解质发生电化学反应的二次电池技术。不同价态的正负极活性物质存储在电解液中，在循环泵的推动下流经电堆，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动。离子膜作为电池正负极之间的隔膜，电解液流过电极表面发生电化学反应，实现电能与化学能的相互转换，从而实现电能的存储与释放。

液流电池在运行时，电解液在泵的作用下实现从电堆到储液罐之间的循环流动。现有技术中，电堆拼装结构的封装外壳一般通过紧固件压合在电堆元件上，封装外壳上设置有迷宫密封结构或在封装封板之间通过密封圈实现密封。但是由于电池运行过程中电解液存在一定的压力，且容易对密封圈构成腐蚀，当密封圈老化时，则容易产生泄漏，无法保证电堆长时间有效的密封，电堆寿命低。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种电堆封装工艺及电堆组件，通过该工艺获得的电堆组件密封性能提升，延长了电堆的使用寿命。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是有鉴于此，本申请提供一种电堆封装工艺，包括：

在平行于电堆元件中层状组件堆叠方向的周面设置封板；

在第一条件下，激光透射封板并被封板与所述电堆元件的接触面吸收，使所述封板与所述电堆元件的周面直接熔融耦合，得到电堆组件；

至少在第一条件中，所述电堆元件受到沿着层状组件堆叠方向的第一预紧力并保持紧密贴合。

优选的，所述第一条件包括：

所述激光的波长为1800nm-2200nm；

所述激光的线能量密度为2-5.8j/mm。

优选的，在第一条件中，向所述封板施加垂直于所述封板的第二预紧力，在第二预紧力的作用下，封板贴合电堆元件，使封板在激光作用下耦合至所述电堆元件的周面；

在所述第二预紧力下，所述封板和所述电堆元件之间间隙不大于0.15mm。

优选的，所述封板为对所述激光吸收率不小于20％的聚合物材料。

优选的，所述封板朝向所述电堆元件一侧的面为非光滑面；或所述电堆元件朝向所述封板的周面为非光滑面。

优选的，所述电堆元件包括离子交换膜，所述离子交换膜两侧对称设置有碳

毡、导流框和电极组件，所述导流框设置在电极组件侧面；

所述双极板与相邻的导流框通过熔融耦合连接；

所述电极组件的端面与所述封板的相向侧面均通过激光熔融与所述封板耦合。

优选的，所述双极板包括：

双极板；

设置在双极板侧面的聚合物框体，所述双极板与相邻的聚合物框体通过熔融耦合连接，所述聚合物框体用于夹持并固定所述双极板，所述聚合物框体用于隔离所述双极板和所述导流框上的流道。

一种电堆组件，包括电堆元件和耦合在平行于电堆元件中层状组件堆叠方向的周面的封板，其特征在于，所述电堆通过上述所述的电堆封装工艺获得。

优选的，所述电堆元件包括离子交换膜，所述离子交换膜两侧对称设置有碳毡、导流框和电极组件；所述电极组件包括双极板和设置在双极板两侧的聚合物框体，双极板两侧的所述聚合物框体通过熔融耦合夹持固定所述双极板，所述双极板与相邻的导流框通过热熔耦合连接，所述双极板的端面和所述导流框的端面为在热作用下与所述封板具有相容性的材料。

优选的，所述电极组件的端面与所述封板的相向侧面均通过激光熔融与所述封板耦合。

本申请与现有技术相比，其详细说明如下：

本申请公开了一种电堆封装工艺和电堆组件，该电堆封装工艺得到的电堆可用于如钒电池等液流电池中。激光透射封板，使封板和电堆元件之间的接触面直接熔融耦合。电堆元件由多个单电池串联组成，每一单电池内均导入有电解液，当封板熔融耦合在电堆元件的周面上时，每一单电池中电极组件、导流框的侧面均与封板熔融耦合，使得液流电池电堆的密封性能提升。

所述电堆元件包括双极板、导流框、碳毡和离子交换膜；相邻的导流框通过熔融耦合固定所述电极组件，在垂直于双极板施加第一预紧力时，所述导流框紧密的贴合在电极组件上，使电堆元件形成稳定结构。在导流框自身与电极组件熔融耦合保证紧密贴合的前提下再与封板熔融耦合，进一步提高了电堆中各个组件密封性能，延长了电堆的使用寿命。

因为电堆元件在受到第一预紧力压紧的条件下，四周被完全耦合有封板，因此电堆元件中的每一组件均收到了相同的第一预紧力，在封装时电极组件、导流框在与封板耦合时保持较高的平整度，相邻组件之间间隙的分布是均匀的，且间隙距离的一致性较高，在此情况下周面与四块封板一一耦合时，即使第一预紧力被撤销，封板仍可以向电堆元件中每一电极组件和导流框施加阻止其变形、位移的作用力，因此，即使在电堆运转有电解液时，也不会因为电解液的液体压力导致单电池之间间隙产生变化。进而提高电堆中单电极元件的一致性。由于单电极元件的一致性高，在尝试运转一定时间之后，该电堆的库仑效率的衰减率不小于5％、此外能量效率和平台电压的衰减少，进而提高了电堆的使用寿命。

附图说明

图1为通过本申请所公开的工艺制备电堆组件的爆炸图；

图2为通过本申请所公开的工艺制备电堆组件的封装示意图；

图3为电堆元件中各组件的堆叠状态示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图所示，本申请中所述的单电池，是指液流电池中一个电池单元，其中包括离子交换膜、对称设置在离子交换膜两侧的碳毡、导流板和电极组件中一侧的集流体形成的电极；由于液流电池中的双极板往往为预制层状结构，同时起到串联电池单元正负极的作用，在一般情况下不易拆分，因此本申请中的单电池是基于电化学角度所作的划分，而非对结构的拆分。

本申请所述的透明，是指对可见光具有良好的透射性，但在其他波长上则不一定是透明的。

如图所示，本申请公开一种电堆封装工艺，在第一条件下，激光透射封板，将封板熔融耦合在电堆元件的表面，得到具有良好密封性能和较长寿命的电堆组件；并通过在耦合过程中在所述电堆元件上施加沿着双极板堆叠方向的第一预紧力，使电堆元件在耦合完成后内部每一组件之间均保持被压紧的状态，提高电堆组件的均一性，进一步改善电堆组件的使用寿命。

本申请公开的电堆封装工艺包括：

在平行于电堆元件1中电极组件堆叠方向的周面设置封板3；

在第一条件下，激光从封板3一侧表面透射，封板3和所述电堆元件1接触处熔融，电堆元件1和封板3直接耦合，得到电堆组件，所述电堆组件中，若干层状组件如电极组件、导流板的侧边均通过激光与封板3熔融耦合，从而实现对液流电池电堆的密封。

具体的，所述第一条件包括：

所述激光的波长为1800nm-2200nm；

所述激光的线能量密度为2-5.8j/mm。

在该条件下，垂直于封板3向封板3施加第二预紧力，使封板3和电堆元件1之间紧密贴合；沿着双极板堆叠方向向电堆元件1施加第一预紧力；使封板3和所述电堆元件1之间的接触面在激光照射下熔融耦合，得到电堆组件。

在第一条件下，封板3和电堆元件1之间的接触面接收激光光束的能量并转化为热能。当耦合完成后，封板3和电堆元件1之间的间隙被熔融材料填充，形成沿封板3厚度方向形成不易被肉眼区别的区域。

由于在第一条件下，封板3在其所在平面的方向上局部形成熔融后再冷却固化。第二预紧力的方向垂直于封板3所在平面，第二预紧力的大小为200-600n，更优选为350n-600n。在所述第二预紧力下，所述封板3和所述电堆元件1之间间隙不大于0.15mm。当第二预紧力始终施加于熔融部分时，可以有效消除聚合物熔体热膨胀产生的热应力，进而可以有效避免聚合物熔体热膨胀导致的翘曲或变形。此外，由于第二预紧力的存在，结合局部熔融的封装工艺可以有效消除聚合物熔体固化过程中产生的内应力，进一步提高耦合下封板的平面度，防止封板发生翘曲。

第二预紧力既可以由用于固定封板3的独立夹具提供，也可以由激光焊接设备直接提供，而无需单独设置夹具。所述第二预紧力可以使封板3贴合在电堆元件1的周面，激光3穿过封板一侧时可以在封板3和电堆元件1贴合表面形成的聚合物熔融层，该聚合物熔融层在第二预紧力的作用下聚合物分子重新交联组合，形成的耦合层具有重新排列的化学键，由于聚合物分子在压力和激光作用下重新交联，形成的交联层链缠结密度增大，通过热扩散作用逐渐相互贯穿和再缠结，增加了分子链紧密堆积程度，与电解液之间的化学活性较低，在改善封板耦合的机械性能的同时，可以提高封板3的耐候性。当第二预紧力由独立的夹具提供时，所述夹具优选为具有较高平面度的平板式夹具，该夹具优选为导热性能优于封板3的材料制成的平板，不仅可以传递封板热量及时散热，还可以对封板3提供均匀的预紧力，从而保证封板3可以在平整度较高的情况下被焊接；当第二预紧力由焊接设备直接提供时，第二预紧力对聚合物熔融层施加外力，消除聚合物熔体热膨胀产生的热应力，在封板3其他部分与电堆元件1表面充分接触的前提下，封板3焊接过程中也可以保证较高的平整度，进而保证电堆元件1中各个组件的电化学性能。当局部被焊接时，在第二预紧力下封板3待焊接的其他部分与电堆元件周面充分接触，即使聚合物熔体热膨胀仍然能够保证封板3耦合后的平面度，对应的，聚合物熔体固化产生的内应力也不会影响封板整体的平面度，进而提高电堆元件1中每一组件之间间隙的均一性。

此外由于该聚合物层的粘度高，流动性远差于金属材料，因此，垂直于所述封板3施加的第二预紧力可以进一步形成稳定的交联耦合层。

在本申请中，如图所示，所述电堆元件包括离子交换膜21、碳毡22、导流框23和电极组件，碳毡22、导流框23和电极组件依次对称设置在离子交换膜21两侧，其中，所述导流框23和其相邻的电极组件的四周通过激光熔融耦合。所述导流框23周边区域与所述电极组件周边区域为在热作用下具有相容性的材料。电极组件包括双极板25和设置在双极板25两侧的聚合物框体24，所述双极板25中混合有导电石墨，因此双极板25本身具有良好激光吸收性能。本申请中，激光穿透导流框23并被双极板25材料吸收，激光转化为热能实现耦合。所述双极板25两侧设置有聚合物框体24，所述聚合物框体24夹持所述双极板25并通过激光熔融耦合形成电极组件。所述聚合物框体24的外边缘与导流框23平齐，因此本申请的聚合物框体24可以覆盖导流框23上的流道区域；当导流框23内通入电解液时，导流框23上流道部分内的电解液不与双极板25直接接触，可以有效避免流道中电解液对双极板25边缘构成氧腐蚀导致碳流失的问题，进而减少双极板25电阻升高，单电池2的正极一侧的双极板25材料出现鼓胀，进而减小双极板25因导电材料流失导致的电阻率增长，提高了电堆使用寿命。

由于，电极组件中的聚合物框体24和所述导流框23之间通过激光透射熔融耦合，使得单电池内的密封性能更加出色。

此外，由于本申请中所述双极板25的端面和所述导流框23的端面为与在热作用下与所述封板3具有相容性的材料，因此，本申请中通过单电池2堆叠形成的所述电堆元件1的周面在热作用下与所述封板3也具有相容性。

所述的封板3、双极板25端面、导流框23端面、聚合物框体24所使用的聚合物可以为一种聚合物树脂或多种聚合物树脂的混合物。该一种或多种聚合物树脂优选为热塑性聚合物。该聚合物树脂包括但不限于，聚酯(包括芳香族、半芳香族、和脂族聚酯)；液晶聚合物包括液晶聚酯；聚酰胺包括芳香族、半芳香族、脂肪族聚酰胺；聚碳酸酯；聚甲醛；聚酰亚胺；聚苯并咪唑；聚酮；聚醚醚酮；聚醚酮；聚醚砜；苯氧基树脂；聚苯乙烯；聚氯乙烯、聚烯烃(例如聚乙烯、聚丙烯、乙烯/丙烯共聚物等)；abs；pvdf等。

该聚合物还可以添加有其他添加物，如增强结构强度的玻璃纤维，或具有如抗氧化剂、颜料、染料、热稳定剂、uv光稳定剂、耐候稳定剂、脱模剂、润滑剂、成核剂、增塑剂、抗静电剂、阻燃剂等等。例如，为了缓解双极板25被电解液的腐蚀，双极板25还可以附加抗氧化剂等，具体附加的组分可根据电堆组件实际需要的性质进行选择。

所述封板3的聚合物材料对激光应当具有较好的激光透射率，不限于本实施例，所谓的较好的激光透射率，是指无论该封板3是否着色、透明或存在漫反射表面，封板3对某一可用于焊接的激光的透射率大于或等于20％，本申请中，所述激光优选为波长为1800～2200nm激光。对本申请而言，激光可以相对较优的透射封板3并在与电堆元件接触的表面被吸收。

当垂直于封板3施加第二预紧力时，聚合物熔体产生不可逆形变，从而实现耦合。因此，在本申请中，封板3的颜色和透明度不作为本申请对激光焊接效果的限定，也并不是实现耦合的必要因素。

所述第一预紧力平行于所述电堆元件内元件堆叠方向，向电堆元件施加不小于10kn的压力，所述第一预紧力更优选为12-20kn。在被第一预紧力压紧的条件下，电堆元件1四周被完全耦合在封板3上，当第一预紧力被撤销时，封板3可以向电堆元件1中每一元件施加阻止其变形、位移的作用力。因此，相邻元件之间(如电极组件和相邻的导流框、离子交换膜和相邻的碳毡)间隙的分布是均匀的，且间隙距离的一致性较高，即使在电堆运转有电解液时，也不会因为电解液的液体压力导致各个组件之间间隙产生变化。对液流电池而言，这种细小的位移足以影响电堆中单电极元件的一致性。因此，本申请所公开的电堆组件经过一年持续运行后，双极板不易膨胀不易变形，不易漏液，该电堆的库仑效率、能量效率、平台电压衰减小于5％，进一步提高了电堆使用寿命。

本申请还保护该工艺实施例1加工得到的电堆，结合图1、图2和图3，包括电堆元件1和设置于所述电堆元件1外部的封板3。所述电堆元件1包括依次堆叠的电极组件、导流板23、碳毡22、离子交换膜21、碳毡22和导流板23。电堆元件1平行于电极组件堆叠方向的周面设置有封板3，所述封板3首尾相连覆盖电堆元件1堆叠方向的周面。封板3在第一条件下使电堆元件1的周面堆叠的每一层电极组件、导流板侧边均与封板3耦合。

在该电堆实施例中，电堆元件1在承受第一预紧力的条件下被耦合至封板3上，由于封板3覆盖在电堆元件1的四周，使得当第一预紧力被撤销时，电堆元件1仍然承受着封板3及耦合区域提供的应力。

对上述方法所封装得到的电堆组件进行测试，使用含有1.15mol/l的voso4的电解液，在10ma/cm²时，电压效率的算术平均值为90％，能量效率的算术平均值为86％。使用含有1.15mol/l的voso4的电解液，在充电截止电压为1.5v、放电截止电压为0.7v条件下进行测试，在持续运转一定周期后对电堆进行检测，得到数据如下：

其中，传统的电堆组件不设置有封板，或通过其他手段而非在激光条件下形成聚合物熔体耦合，因此不具有封板抗拉强度测试参数。从上表可以看出，本申请公开的封装工艺可以有效减少双极板端面的电阻率增长。

在经过一定时间的运行后，单电池电压的方差不大于6mv，库伦效率变化不大于5.4％，能量效率变化不超过1.8％，和传统电堆结构相比单电池电压的离散程度小，表明单电池的均一性显著增加，且库伦效率和能量效率变化远小于传统电堆结构，进而延长电堆的使用寿命。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。