一种液流电池电堆的生产加工方法与流程

1.本发明属于液流储能技术领域，具体涉及一种液流电池电堆的生产加工方法。


背景技术：

2.以风能、太阳能为代表的可再生能源的飞速发展，以及其自身的不稳定性、不连续特性对电网产生严重冲击，使大规模高效储能技术成为实现可再生能源发电规模化利用的关键技术。在众多的储能技术中，电化学储能技术因其效率高、环境友好而发展迅速。目前，多个国家已相继建成kw～mw级的电化学储能系统，配套于太阳能、风能等可再生能源发电系统中，在平滑输出、跟踪计划发电、平衡负荷和削峰填谷中发挥了重要作用。
3.液流电池作为电化学储能技术的典型装置，具有效率高、循环寿命长、容量和功率可独立设计、响应快、安全性高、生命周期内性价比高等突出的优势，尤其适合于大规模储能。液流电池电堆是一种将多片液流电池串联在一起，并通过装配组合而成的更高一级的储能系统单元结构。
4.现有的液流电池电堆包括多节串联在一起的液流电池以及在这些液流电池两端所放置的金属端板；该金属端板通常为钢制或铝制的。其中，如图1所示，单个液流电池中在流场框与双极板之间放置有密封垫圈，该密封垫圈用于实现双极板与流场框的连接与密封，从而将电解液密封在这三者形成的电极反应区中。
5.在生产上述电堆的过程中，使用金属螺杆穿过金属端板上的螺孔，将多节液流电池以及两侧的金属端板串在一起；然后使用压滤机对整个液流电池电堆进行压紧；在此作用力下，将螺杆两端的螺母拧紧实现电堆的紧固。其中，双极板与流场框及其两者之间的密封垫圈依赖该紧固力实现密封，同时液流电池内的离子传导膜与流场框也依靠该紧固力实现连接。
6.然而，由于密封垫圈夹在双极板与流场框之间，使得双极板与流场框之间存在大面积空洞，因此使用压滤机对整个电堆进行压紧时，容易导致双极板与流场框被压缩变形，从而影响电解液在电极区域内的分布均匀性。此外，现有的液流电池电堆还需要定期进行紧固维护，否则一旦螺母松动，液流电池电堆的紧固效果下降，将会导致电解液漏液，进而导致液流电池电堆内部短路，致使整个液流电池电堆失效。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种液流电池电堆的生产加工方法。
8.本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种液流电池电堆的生产加工方法，包括：注塑工序：使用绝缘材料注塑形成一批流场框和双极板框；其中，所述流场框和所述双极板框的尺寸相等，且均在一面的居中位置设有中空的凹台，所述流场框的另一面还设有电解液流道；所述流场框和所述双极板框均在四角上设有位置对应的电解液流通孔，
所述流场框的两个电解液流通孔分别接通所述电解液流道以供电解液出入；框加工工序：在部分流场框的凹台中光焊双极板作为第一流场框，另在部分流场框的凹台中胶粘离子传导膜作为第二流场框；在双极板框的凹台中光焊双极板；电堆组装工序：依次叠加集流板、双极板框、碳毡、第二流场框以及碳毡形成第一组合单元；依次叠加第一流场框、碳毡、第二流场框以及碳毡形成第二组合单元；依次叠加第一流场框、碳毡、双极板框以及集流板形成第三组合单元；依次叠加第一组合单元、多个第二组合单元以及第三组合单元形成电池组；在所述电池组两端分别放置由绝缘材料制成的端板；其中，叠加时第一流场框、第二流场框以及双极板框的凹台朝向相同，且第二流场框相对于第一流场框翻转180度放置；所述端板的尺寸与所述流场框相等，且所述端板的四角上设有与所述电解液流通孔的位置对应的电解液流通孔；热熔接工序：使用液压机对两个所述端板施加夹紧力，并在保持所述夹紧力的条件下，将两个所述端板以及所述电池组叠加形成的侧面进行加热熔合，形成密封结构；电解液引入工序：通过所述密封结构中的各个电解液流通孔形成的电解液通道，分别向所述第一流场框和所述第二流场框引入正极电解液和负极电解液，得到液流电池电堆。
9.可选地，所述绝缘材料包括：聚丙烯pp材料。
10.可选地，所述离子传导膜是采用胶粘方式将两张单层的离子传导膜重叠粘贴在一起形成的双层离子传导膜。
11.可选地，所述电堆组装工序还包括：从所述电池组中等间距地挑选若干第二组合单元，并向所挑选的每个第二组合单元中相邻的第一流场框和碳毡之间依次插入双极板框、集流板以及双极板框。
12.可选地，所述夹紧力的大小为1吨力~10吨力。
13.可选地，在使用液压机对两个所述端板施加夹紧力后，使用夹具保持所述夹紧力。
14.可选地，所述将两个所述端板以及所述电池组叠加形成的侧面进行加热熔合，包括：使用加热装置将金属板加热至所述绝缘材料的熔融温度以上、熔解温度以下，然后使用所述金属板对两个所述端板以及所述电池组叠加形成的每个侧面分别进行加热熔合；其中，所述金属板上设有避让集流板的缝隙，所述金属板的尺寸大于任一所述侧面的尺寸。
15.可选地，在使用所述金属板对两个所述端板以及所述电池组叠加形成的每个侧面分别进行加热熔合时，使所述侧面的绝缘材料熔化的厚度为1mm~3mm。
16.可选地，在加热熔合完毕后，先将所述金属板冷却，然后再将所述金属板脱离。
17.可选地，在所述热熔接工序之后以及在所述电解液引入工序之前，还包括：气密检测工序：对液流电池电堆进行气密检测，以确保无漏风跑气。
18.本发明提供的液流电池电堆的生产加工方法中，使用绝缘材料注塑形成一批流场框和双极板框，采用激光焊接的方式在部分流场框的凹台中焊接双极板制成第一流场框，采用胶粘方式在部分流场框的凹台中粘贴离子传导膜制成第二流场框，以及采用激光焊接的方式在双极板框的凹台中焊接双极板制成双极板框；然后，配合集流板以及碳毡，对这些
第一流场框、第二流场框以及双极板框进行组合叠加形成了电池组；再在电池组两端分别放置由绝缘材料制成的端板；然后，使用液压机对两个端板施加夹紧力，以便将端板以及电池组叠加形成的侧面紧密贴合在一起，然后在保持该夹紧力的条件下，将它们叠加在一起形成的侧面进行加热熔合，便可以使电堆具有永久性的紧固和密封效果，无需后期维护，不会导致电解液漏液，因此具有较高的可靠性。
19.以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
20.图1是现有单个液流电池的结构示意图；图2是本发明实施例提供的一种液流电池电堆的生产加工方法的流程图；图3是图2所示方法中的注塑工序所制得的流场框/双极板框的凹台的示意图；图4是图2所示方法中的注塑工序所制得的一种流场框的电解液流道的示意图；图5是图2所示方法中的电堆组装工序所组装的电堆的结构示意图；图6是图5所示电堆中的第一流场框和第二流场框叠合在一起的效果图；图7是图2所示方法中的电解液引入工序的原理图；图8是利用本发明实施例提供的另一种液流电池电堆的生产加工方法所加工的电堆的结构示意图；图9是图8所示电堆的立体透视图；图10是本发明实施例提供的又一种液流电池电堆的生产加工方法的流程图。
具体实施方式
21.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
22.为了提高液流电池电堆(简称电堆)的可靠性，本发明实施例提供了一种液流电池电堆的生产加工方法，参见图2所示，该方法包括：注塑工序：使用绝缘材料注塑形成一批流场框和双极板框；其中，流场框和双极板框的尺寸相等，且均在一面的居中位置设有中空的凹台9(参见图3所示)，流场框的另一面还设有电解液流道(参见图4所示)；流场框和双极板框均在四角上设有位置对应的电解液流通孔8，流场框的两个电解液流通孔8分别接通其电解液流道以供电解液出入。
23.其中，注塑所使用的绝缘材料可以包括pp(聚丙烯)材料或pvc(聚氯乙烯)材料等。
24.相比较而言，现有的电堆中使用的密封垫圈通常为橡胶材质，容易随着时间的推移老化，从而造成电解液漏液。本发明实施例中注塑使用的pp材料或pvc材料不容易因老化而导致漏液。
25.图4中示例性地示出了一种流场框的电解液流道；其中，位于右侧的上下两个电解液流通孔8分别接通该流场框的上下两部分的电解液流道，其中的一个电解液流通孔8为该流场框的电解液入口，另一个电解液流通孔8为该流场框的电解液的出口。
26.需要说明的是，本发明实施例对流场框的电解液流道设计不做限定，满足电解液在流场框内的流通需求即可。
27.优选地，流场框的长宽比可以为2.5:1~5:1，内部的凹台9的长宽比可以为5.5:1~
7:1；在这种长宽比设定下，电解液在流场框内的流速均匀，压力稳定，可促进电解质容易充分反应，确保液流电池的性能。双极板框的长宽比同流场框的长宽比。
28.框加工工序：在部分流场框的凹台9中光焊双极板作为第一流场框，另在部分流场框的凹台9中胶粘离子传导膜作为第二流场框；在双极板框的凹台9中光焊双极板。
29.可以理解的是，光焊即是采用激光焊接，焊接时激光功率可以设置在20w~30w，激光波长为980nm，并不局限于此。胶粘即是采用胶来粘贴，粘接可使用pp胶，同样并不局限于此，可根据注塑时所使用的绝缘材料来具体选择。
30.其中，在将双极板焊接于流场框或双极板框中时，双极板嵌入流场框的凹台9中，其厚度不超过凹台9的深度，优选等于凹台9的深度，这样将双极板嵌入流场框时，内嵌的双极板不会高出流场框，后续对框进行叠加时不会产生缝隙；沿凹台9进行激光焊接，焊接部位均匀，确保无漏焊和虚焊，从而利用双极板将流场框或双极板框中空的凹台9密封起来。
31.同理，在将离子传导膜粘贴于流场框中时，点胶应均匀，使粘贴牢固，从而利用离子传导膜将双极板框中空的凹台9密封起来。离子传导膜的厚度不超过凹台9的深度，优选等于凹台9的深度。
32.可选地，离子传导膜可以是采用胶粘方式将两张单层的离子传导膜重叠粘贴在一起形成的双层离子传导膜，当然并不局限于此。
33.该框加工工序中采用同一种结构的流场框能够分别加工出第一流场框和第二流场框，利用了产品部件的可互换性，可降低生产成本。
34.电堆组装工序：参见图5所示，依次叠加集流板6、双极板框3、碳毡5、第二流场框2以及碳毡5形成第一组合单元11；依次叠加第一流场框1、碳毡5、第二流场框2以及碳毡5形成第二组合单元12；依次叠加第一流场框1、碳毡5、双极板框3以及集流板6形成第三组合单元13；依次叠加第一组合单元11、多个第二组合单元12以及第三组合单元13形成电池组；在电池组两端分别放置由绝缘材料制成的端板4；其中，叠加时第一流场框1、第二流场框2以及双极板框3的凹台9朝向相同，且第二流场框2相对于第一流场框1翻转180度放置；端板4的尺寸与流场框相等，且端板4的四角上设有与流场框、双极板框3上的电解液流通孔8的位置对应的电解液流通孔8。
35.基于图5中所示的叠加方式，在图6中示出了第一流场框1、碳毡5以及第二流场框2叠加在一起的立体效果图；其中碳毡5被夹在双极板7和离子传导膜10之间，故而在图6中并未示出。
36.可以理解的是，叠加得到的电池组有两个面是集流板6，其余面均是由第一流场框1、第二流场框2以及双极板框3的边缘组成的侧面。
37.在实际生产中，上述叠加操作是从下至上依次垂直叠放的。此外，在叠放时，尽量使双极板7和离子传导膜10与凹台9对齐，避免脱槽；以及尽量使各个框的外边沿对齐，避免错边。
38.其中，碳毡5与第一流场框1内的双极板7、第二流场框2内的离子传导膜10位置对应，形成不超过框内凹台9面积大小的电极区。
39.集流板6部分引出电池组，以便电堆与外部进行电连接，实际中集流板6可以为经防腐处理的紫铜板，厚度优选为0.5mm ~1.5mm。
40.第二组合单元12是该电堆内的液流电池；由于液流电池中的流场框内部的电解液
流道的存在，使得该液流电池中的电解液分布均匀，具有较好的电流密度均匀性，实现了单位体积电解液内功率增加的效果。
41.可以理解的是，液流电池的能量效率与电解液和双极板7两者之间的接触面积相关，接触面积越大能量效率越高。本发明实施例中，由于双极板7嵌在流场框中，组装好的液流电池的厚度随之减小，因此电极区无需容纳很多电解质溶液也可以确保电解液和双极板7之间的接触面积，从而在保证电池效率不变的前提下，同等体积的电解液在本发明实施例中可以用于更多的液流电池；相较于现有电堆减少了电解液的使用量，本发明实施例可进一步降低电堆成本。此外还可以理解的是，在相同功率设计下，本发明实施例相较于现有电堆可以具有更小的体积。
42.热熔接工序：使用液压机对两个端板4施加夹紧力，并在保持该夹紧力的条件下，将两个端板4以及电池组叠加形成的侧面进行加热熔合，形成密封结构。
43.这里，夹紧力的大小优选为1t(吨力)~10t。
44.在实际生产中，端板4可以采用pp材料的加厚硬质板，这样可有效承接液压机所给予的压力，不会导致变形。
45.可以理解的是，采用液压机对电堆进行夹紧，相比采用压滤机对电堆进行夹紧来说，前者的力度较小，不容易使电堆内部结构产生变形。
46.在一种实现方式中，可以使用加热装置将金属板加热至上述绝缘材料的熔融温度以上、熔解温度以下，然后使用该金属板对两个端板4以及电池组叠加形成的每个侧面分别进行加热熔合；其中，该金属板的尺寸大于任一侧面的尺寸，且该金属板上设有避让集流板6的缝隙，由此即使集流板6引出电池组的那一侧面也可以被有效焊接，并且集流板6伸出电池组所造成的缝隙也可以被热熔化的绝缘材料有效密封起来。
47.经过实验发现，在进行加热熔合时，可使侧面的绝缘材料熔化的厚度为1mm~3mm，这样既可以实现有效熔接，也不会因绝缘材料的过多熔化而导致变形。
48.具体的，将达到设定温度的金属板与叠合形成的侧面紧密贴合，待该面熔化厚度达到1mm~3mm时，来自不同框和端板4的绝缘材料相互熔合；此时，将金属板冷却，并脱离该侧面；其中，在进行熔合时，尽量使金属板受热均匀，这样同一侧面的不同部位受热也比较均匀，熔合程度相同，熔合效果更好。
49.其中，在加热熔合完毕后，先将金属板冷却然后再将金属板脱离的做法，可以避免高温状态下脱离金属板而导致的绝缘材料和金属板的粘连。
50.在实际生产中，如果液压机和热熔接设备不在一处，则在使用液压机对两个端板4施加夹紧力后，可以借助夹具来保持该夹紧力，这样可以利用夹具方便地将端板4和电池组转移到热熔接设备处进行热熔接。
51.此外，在加热熔合完毕后，可以对在侧面上产生的多余不规则边缘进行修整，使熔合的侧面更为光滑。
52.可以理解的是，通过执行该热熔接工序，便可以得到一个侧面完全熔合密封，无需任何紧固件以及内部密封部件的电堆。
53.电解液引入工序：通过密封结构中的各个电解液流通孔8形成的电解液通道分别向第一流场框1和第二流场框2引入正极电解液和负极电解液，得到液流电池电堆。
54.举例而言，以图4中所示的流场框为例，假设向第一流场框1中引入负极电解液，向
第二流场框2中引入正极电解液，则电解液引入方式以及引入电解液后电堆内部的极性分布情况参见图7所示；其中，各个框上的电解液流通孔8组成了4条电解液通道，从端板4上的一个电解液通道(图7中用a表示)的入口处向电堆引入正极电解液，正极电解液在等压作用下沿该通道a流通，当遇到第二流场框2时，由于第二流场框2上有一半电解液流道与该通道a连通，因此正极电解液进入第二流场框2，在第二流场框2中参与电化学反应后，从第二流场框2的另一半电解液流道流出第二流场框2，进入到与该通道a位置相对的另一个电解液通道b中，并从该通道b流出电堆。这里，由于通道b在图7中位于通道a的正下方，因此在图7中并未示出。与此同时，当正极电解液沿通道a流通遇到第一流场框1时，由于第一流场框1相对于第二流场框2呈180度翻转，因此第一流场框1上的电解液流道与该通道a不连通，因此正极电解液无法进入第一流场框1中。
55.同理，负极电解液从端板4上的另一个电解液通道(图7中用c表示)的入口处进入电堆，负极电解液在等压作用下沿该通道c流通，当遇到第一流场框1时，由于第一流场框1上有一半电解液流道与该通道c连通，因此负极电解液进入第一流场框1，在第一流场框1中参与电化学反应后，从第一流场框1的另一半电解液流道流出第一流场框1，进入到与该通道c位置相对的另一个电解液通道d中，并从该通道d流出电堆。这里，由于通道d在图7中位于通道c的正下方，因此在图7中并未示出。与此同时，当负极电解液沿通道c流通遇到第二流场框2时，由于第二流场框2相对于第一流场框1呈180度翻转，因此第二流场框2上的电解液流道与该通道c不连通，因此负极电解液无法进入第二流场框2中。
56.实际在使用电堆时，可以借助外部循环泵来帮助电解液在电堆内流通。
57.本发明实施例提供的液流电池电堆的生产加工方法中，使用绝缘材料注塑形成一批流场框和双极板框，采用激光焊接的方式在部分流场框的凹台中焊接双极板制成第一流场框，采用胶粘方式在部分流场框的凹台中粘贴离子传导膜制成第二流场框，以及采用激光焊接的方式在双极板框的凹台中焊接双极板制成双极板框；然后，配合集流板以及碳毡，对这些第一流场框、第二流场框以及双极板框进行组合叠加形成了电池组；再在电池组两端分别放置由绝缘材料制成的端板；然后，使用液压机对两个端板施加夹紧力，以便将端板以及电池组叠加形成的侧面紧密贴合在一起，然后在保持该夹紧力的条件下，将它们叠加在一起形成的侧面进行加热熔合，便可以使电堆具有永久性的紧固和密封效果，无需后期维护，不会导致电解液漏液，因此具有较高的可靠性。
58.本发明实施例提供的液流电池电堆的生产加工方法所加工出来的电堆，具有较小的电堆体积，同时由于电堆内作为液流电池的第二组合单元之间紧密贴合，因此串联的等效电阻也比较低，从而使得电堆具有较好的电性能。
59.此外，相较于现有电堆生产工艺中需要使用金属端板并配合螺杆螺母对电堆实现紧固的做法，本发明实施例提供的液流电池电堆的生产加工方法中使用绝缘材质的端板、流场框以及双极板框的造价更低，同时取消用螺杆螺母实现电堆紧固的做法还可以节省后期的维护成本。
60.可选地，在一种实现方式中，上述电堆组装工序还可以包括：从电池组中等间距地挑选若干第二组合单元12，并向所挑选的每个第二组合单元12中相邻的第一流场框1和碳毡5之间依次插入双极板框3、集流板6以及双极板框3。
61.由此所生产出的电堆的结构如图8所示；此时，电堆有两个面是端板4，其余的侧面
同样是由第一流场框1、第二流场框2以及双极板框3的边缘组成的侧面。
62.该实现方式中，通过内置集流板6，可以有效降低电堆内阻，减少电堆电流损失，在电堆输出功率相同情况下，能够提高电堆内的离子传导膜10的离子选择性和导电性，从而进一步提高电堆的整体性能。
63.在一个具体示例中，电堆内的第一组合单元11、第二组合单元12以及第三组合单元13的总数为80，从其中的78个第二组合单元12中挑选3个第二组合单元12插入双极板框3、集流板6以及双极板框3，由此，在该电堆中便等间隔地分布有5块集流板6。
64.基于图8所示的电堆，在图9中示出了这种电堆的立体透视图，其中标记为14的结构是相邻的两个集流板6之间所夹的各个框(流场框及双极板框)。
65.在一个实施例中，如图10示，本发明实施例提供的液流电池电堆的生产加工方法，在热熔接工序之后以及在电解液引入工序之前，还可以包括：气密检测工序：对密封式的液流电池电堆进行气密检测，以确保无漏风跑气。
66.关于气密检测的具体实现方式，可参见相关现有技术，本发明实施例不再赘述。
67.需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
68.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
69.尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图以及公开内容，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
70.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。