一种液流电池电堆的外密封方法及装置

技术领域

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外密封方法及装置。

背景技术

液流电池通过将活性化学物质储存在液态电解液中实现储能，若干个单体的液流电池通过堆叠并整体密封形成液流电池电堆，使用两个循环动力泵实现电解液在液流电池电堆中的循环，完成电能的储存和释放。与锂离子电池相比，液流电池具有安全性高、循环寿命长、电解液可循环利用、生命周期性价比高、环境友好等诸多优势。密封性是影响液流电池电堆的充放电效率的关键因素，液流电池电堆的外密封需要在不损坏内部结构的前提下做到外部完全贴合。

液流电池电堆的密封方法主要包括：物理挤压密封和热熔密封。物理挤压密封主要通过在液流电池电堆的两端贯穿金属螺杆，再通过压机压紧实现整体密封。由于采用螺纹密封件，密封件老化造成密封失效漏液，影响密封质量，密封可靠性低。且物理挤压容易对流场框以及内部的双极板造成较大压缩变形，进而导致电解质溶液的分布不均匀，影响了液流电池电堆成品的一致性。热熔密封则由于热熔温度不易控制会导致熔深不一致，进而出现密封薄弱点，影响密封质量；且在热熔后出现溢胶，需要对表面进行修边，同样影响了成品的一致性。因此，需要一种密封可靠且具备成品一致性的液流电池电堆的密封方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种液流电池电堆的外密封方法及装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种液流电池电堆的外密封方法，包括：

将若干个液流电池单元依次层叠放置，通过紧固装置使所述若干个液流电池单元的焊接表面均与透明亚克力板紧密贴合；

其中，所述焊接表面与所述透明亚克力板的贴合位置处填充有惰性保护气体，所述惰性保护气体包括：二氧化碳和氮气；

移动激光头并射出聚焦光斑，所述射出聚焦光斑的方向垂直于所述焊接表面，所述光斑透过所述透明亚克力板依次焊接相邻的两个所述液流电池单元的焊接表面的焊接位置至所述若干个液流电池单元的焊接位置全部融化且互相融合，完成所述焊接表面的整体焊接；

所述光斑的移动速度与所述激光头的工作功率成正比；

重复完成所述若干个液流电池单元的全部焊接表面的整体焊接，得到液流电池电堆；

修整所述液流电池电堆的全部焊接表面后放入热仓中进行热处理，完成所述液流电池电堆的外密封。

在本发明的一个实施例中，所述液流电池单元包括至少一个次级单元；

所述若干个次级单元通过热熔胶、胶垫、胶水或物理压紧连接为一个整体；

所述次级单元包括：依次层叠放置的第一流场框、炭毡和第二流场框；

其中，所述第一流场框的靠近所述炭毡的一侧焊接有双极板；所述第二流场框的靠近所述炭毡的一侧焊接有离子传导膜或多孔膜。

在本发明的一个实施例中，所述激光头包括若干个激光发射器，所述若干个激光发射器沿第一方向线性排布形成纵向阵列，所述若干个激光发射器沿与所述第一方向相互垂直的第二方向移动进行焊接。

在本发明的一个实施例中，采用正离焦对所述若干个液流电池单元进行焊接，所述正离焦的距离为5～15mm，正离焦后的所述光斑的直径范围为3～5mm。

在本发明的一个实施例中，所述激光头的额定激光功率不小于100KW，所述激光头的工作功率为额定激光功率的30％～70％，波长为970～1710nm。

在本发明的一个实施例中，所述光斑对所述焊接表面的热辐射温度范围为：200～340℃；

所述光斑的移动速度范围为：12～35mm/s。

在本发明的一个实施例中，所述焊接表面的融化深度范围为：3～5mm；

所述若干个焊接表面的融化深度范围均相同。

在本发明的一个实施例中，所述热处理的温度范围为：80～110℃，所述热处理的时间范围为：10～25min。

本发明还提供了一种液流电池电堆的外密封装置，包括：紧固装置、透明亚克力板、激光头和机械臂；

若干个液流电池单元依次层叠设置于所述紧固装置上；

所述透明亚克力板一侧与至少一个所述液流电池单元的焊接表面接触；

所述激光头位于所述透明亚克力板的远离所述若干个液流电池单元的另一侧；

所述激光头设置于所述机械臂上；

所述激光头沿所述液流电池单元的焊接表面移动。

在本发明的一个实施例中，所述透明亚克力板与所述液流电池单元之间设置有透明胶垫。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明的液流电池电堆的外密封方法，使用激光透过透明亚克力板对液流电池单元进行焊接，若干个液流电池单元通过激光焊接形成液流电池电堆，再经过热处理完成液流电池电堆的外密封。液流电池电堆实现了可靠定位和固定，液流电池电堆的成品一致性好，焊接表面的强度一致，外密封可靠性高，适用于批量化自动化生产。

2.本发明的液流电池电堆的外密封装置，通过紧固装置固定液流电池单元，液流电池单元的焊接表面压紧贴合在透明亚克力板上，采用能够控制聚焦光斑质量的激光头对焊接表面进行焊接。使液流电池电堆的若干个焊接表面均能够得到可靠定位和焊接；提高了外密封的可靠性和焊接表面的强度一致，液流电池电堆成品的一致性高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供一种液流电池电堆的外密封方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种液流电池电堆的外密封装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种液流电池电堆的外密封装置的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种液流电池电堆的外密封方法及装置进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供一种液流电池电堆的外密封方法的流程图。

如图所示，本发明的液流电池电堆的外密封方法，包括：

将若干个液流电池单元依次层叠放置，通过紧固装置使若干个液流电池单元的焊接表面均与透明亚克力板紧密贴合；

其中，焊接表面与透明亚克力板的贴合位置处填充有惰性保护气体，惰性保护气体包括：二氧化碳和氮气；

在本实施例中，液流电池单元包括至少一个次级单元，若干个次级单元通过热熔胶、胶垫、胶水或物理压紧连接为一个整体；次级单元包括：依次层叠放置的第一流场框、炭毡和第二流场框；

其中，第一流场框的靠近炭毡的一侧焊接有双极板；第二流场框的靠近炭毡的一侧焊接有离子传导膜或多孔膜。

示例性地，由于炭毡的膨胀特性难以一次性焊接整个液流电池电堆的全部流场框(需要逐次焊接以释放炭毡膨胀的应力与焊接应力)，因此在一个次级单元中包括10片流场框，将该次级单元作为一个基础单元，基础单元之间可以通过热熔胶、胶垫或胶水进行补偿，在对若干个基础单元进行组装后得到的一个或多个液流电池单元进一步压紧并一次将全部的流场框的焊接位置的缝隙整体焊接，得到液流电池电堆。

具体地，在出现无法压合时，需要进行补偿，热熔胶需要通过加热融化来进行补偿，胶垫则需要进行物理挤压，胶水则是利用其粘性来实现的补偿。

在另一个示例中，需要先将一个次级单元中的流场框相互连接后，将单个次级单元作为一个基础单元对其进行焊接，或将若干个次级单元焊接为一个液流电池单元，再将若干个液流电池单元作为一个基础单元，对若干个基础单元使用物理紧固的方式直接压紧后进行焊接得到液流电池电堆。

在另一个示例中，也可以仅将一片流场框作为一个基础单元并依次焊接组成液流电池电堆。

在一个可选的实施方式中，若干个液流电池单元沿第一方向依次堆叠，由于液流电池单元通常为矩形堆叠薄板，在堆叠后则为规则的立方体，具有4个待焊接表面，也就是其四个侧面分别进行焊接密封，以实现液流电池电堆的外密封。

在一个可选的实施方式中，对若干个液流电池单元施加垂直于其层叠堆放方向的正压力，以保证若干个液流电池单元的边缘紧密贴合；进一步地，对若干个液流电池单元施加垂直于透明亚克力板(也即垂直于其焊接表面)的正压力，同时检查表面以保证其中的流场框结构边缘无翘边、缝隙或损坏。

移动激光头并射出聚焦光斑，射出聚焦光斑的方向垂直于焊接表面，光斑透过透明亚克力板依次焊接相邻的两个液流电池单元的焊接表面，直至若干个液流电池单元的焊接表面的焊接位置全部融化且互相融合，完成焊接表面的整体焊接；光斑的移动速度与激光头的工作功率成正比；

在一个可选的实施方式中，激光头包括若干个激光发射器，若干个激光发射器沿第一方向线性排布形成纵向阵列，若干个激光发射器沿与第一方向相互垂直的第二方向移动进行焊接。

在一个可选的实施方式中，激光头射出聚焦光斑并采用透明焊的方式对焊接表面进行焊接。

在一个可选的实施方式中，采用正离焦对若干个液流电池单元进行焊接，正离焦的距离为5～15mm，正离焦后的光斑的直径范围为3～5mm，在激光焊接时通常需要一定的离焦，这是因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易导致焊接表面的材料蒸发成孔，从而影响焊接质量造成器件损伤。其中，离焦方式有两种，分别为正离焦与负离焦，将焦平面位于工件上方称为正离焦，反之则为负离焦。

在一个可选的实施方式中，激光头的额定激光功率不小于100KW，激光头的工作功率为其额定激光功率的30％～70％，波长为970～1710nm。

在一个可选的实施方式中，光斑的移动速度范围为：12～35mm/s，且光斑的移动速度与激光头的工作功率成正比。

在一个可选的实施方式中，根据焊接表面的材料和激光光源对焊接表面的热辐射温度进行调整，以保证光斑对焊接表面的热辐射温度范围为200～340℃。

在一个可选的实施方式中，焊接表面的融化深度范围为：3～5mm，若干个焊接表面的融化深度范围均相同。

重复完成若干个液流电池单元的全部焊接表面的整体焊接，得到液流电池电堆；

值得注意的是，通过综合控制激光光源的功率、移动速度和焊接时间以保证若干个焊接表面的融化深度相同，从而保证若干个焊接表面具有一致的焊接强度。

修整液流电池电堆的全部焊接表面后放入热仓中进行热处理，完成液流电池电堆的外密封。

在一个可选的实施方式中，热处理的温度范围为：80～110℃，热处理的时间范围为：10～25min。

在一个可选的实施方式中，以若干个液流电池单元从上向下依次层叠放置，同时激光头射光斑对液流电池单元的侧面进行焊接为例，将若干个液流电池单元依次层叠放置，通过紧固装置施加从上至下的垂直正压力，使若干个液流电池单元的边缘紧密贴合，同时紧固装置还对液流电池单元施加垂直于焊接表面的正压力，使若干个液流电池单元的焊接表面均与透明亚克力板紧密贴合，并对焊接表面位置处填充惰性保护气体进行焊接保护；进一步地，移动激光头并射出聚焦光斑，使射出聚焦光斑的方向垂直于焊接表面，此时光斑透过透明亚克力板依次焊接相邻的两个液流电池单元之间的缝隙，调整激光器的移动速度与工作功率，并调整焦距与光斑的大小，并根据材料与焊接要求使焊接表面具有一定的融化深度，焊接该焊接表面的所有液流电池单元之间的缝隙，且保证若干个焊接表面的融化深度范围均相同，直至若干个液流电池单元的焊接表面的焊接位置全部融化且互相融合。完成该面整体的焊接后，旋转液流电池电堆，即将若干个液流电池单元旋转至另一个角度，并类似地贴紧在透明亚克力板上之后再进行焊接，直至完成全部的焊接表面的激光焊接作业，得到液流电池电堆。最后对得到的液流电池电堆进行热处理，完成液流电池电堆的外密封。

在另一个实施方式中，以流场框为基础单元从上向下依次进行焊接，透明亚克力板垂直下压，紧固装置施加侧向的压力，启动激光头移动对流场框的上表面的四周进行焊接，在焊接后，紧固装置内的流场框连接为一个整体的单元，依次放置流场框并进一步循环操作直至完成液流电池电堆整体的焊接。在热处理后，完成液流电池电堆的外密封。

本发明的液流电池电堆的外密封方法，使用激光透过透明亚克力板对液流电池单元进行焊接，若干个液流电池单元通过激光焊接形成液流电池电堆，再经过热处理完成液流电池电堆的外密封。液流电池电堆实现了可靠定位和固定，液流电池电堆的成品一致性好，焊接表面的强度一致，外密封可靠性高，适用于批量化自动化生产。

实施例二

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种液流电池电堆的外密封装置的结构示意图。

如图所示，本实施例的液流电池电堆的外密封装置，包括：紧固装置110、透明亚克力板120、激光头130和机械臂140。

在本实施例中，若干个液流电池单元依次层叠设置于紧固装置110上，通过紧固装置110定位并固定若干个液流电池单元，透明亚克力板120一侧与至少一个液流电池单元的焊接表面接触；激光头130位于透明亚克力板120的远离若干个液流电池单元的另一侧，激光头130垂直于焊接表面并透过透明亚克力板120射出聚焦光斑对焊接表面进行焊接。

在本实施例中，将激光头130设置于机械臂140上，激光头130能够沿液流电池单元的焊接表面移动或在机械臂140的驱动下移动，在聚焦光斑一次移动的路径上能够焊接相邻的两个或几个液流电池单元之间的缝隙，而其余的若干个液流电池单元则还需要驱动激光头进行进一步地移动。具体地，机械臂140能够进行多个自由度的运动，并驱动激光头130沿若干个液流电池单元的焊接表面移动，从而使光斑能够遍历焊接表面，使整个焊接表面的焊接位置全部融化且互相融合；其中，焊接位置即光斑路径上的液流电池单元的焊接表面的需要焊接且能够融化的区域。

在一个可选的实施方式中，机械臂140还可以驱动激光头130远离或接近焊接表面，即能够改变激光头130的焦点与出射并落在液流电池单元的焊接表面的光斑之间的距离，通过改变该距离能够在功率固定或做有限范围的功率调整的基础下实现焊接表面的热辐射温度的有效控制和精确调控，进一步地则是能够调整焊接表面的融化深度，使若干个液流电池单元所组成的焊接表面的整体的融化深度保持一致，从而提高了外密封的可靠性和焊接表面的强度一致性，提高了液流电池电堆成品的焊接一致性。

在一个可选的实施方式中，在进行激光焊接时需要保证焊接位置无空气，以免焊接表面的材料在高温下与空气发生反应，从而对焊接表面的焊接质量产生影响，故需要将液流电池单元的焊接表面压紧贴合在透明亚克力板上，且使两者的接触面无空气。

进一步地，透明亚克力板120与若干个液流电池单元之间设置有透明胶垫150，使用透明胶垫150一方面可以为接触面提供缓冲，另一方面也能够使接触面的连接更为紧密从而保证空气的排出。

本实施例中，激光头130位于若干个液流电池单元的侧面，即聚焦光斑位于液流电池单元的侧面，将若干个液流电池单元一次装夹固定在紧固装置110上，对其分别施加竖直和水平方向的压力，使若干个液流电池单元的边缘紧密贴合，并使其共同的焊接表面压紧在透明亚克力板120上，再对焊接表面(尤其是流场框之间的间隙)进行焊接，在其中一个焊接表面整体焊接完成后则需要旋转液流电池电堆，即将若干个液流电池单元旋转至另一个角度，并类似地贴紧在透明亚克力板120上之后再进行焊接，直至完成全部的焊接表面的激光焊接作业。

值得注意的是，由于激光焊接的功率及焦距可调节，反映到焊接表面则是焊接表面的融化深度容易得到控制，且仅需要对贴合位置处进行激光焊接，提高了贴合处的强度，也更容易实现焊接的一致性；使用激光焊接是焊接表面更为均匀，熔融深度可控对电堆伤害降低，更好的保证了产品外观尺寸的一致性。此外，由于激光焊接的可控性也意味着更容易实现设备的自动化生产，提高了生产效率。

实施例三

请参见图3，图3是本发明实施例提供的另一种液流电池电堆的外密封装置的结构示意图。

如图所示，本实施例的液流电池电堆的外密封装置，包括：紧固装置210、透明亚克力板220、激光头230和机械臂240；

其中，透明亚克力板220和激光头230均位于液流电池单元的上方，将第一流场框、炭毡和第二流场框依次放置于紧固装置210内，由紧固装置210对其施加水平向内的压力，启动机械臂210带动其上连接的透明亚克力板220垂直下压，使透明亚克力板220与流场框的接触面完全贴合，启动激光头230移动对流场框的上表面的四周进行焊接，使第一流场框和第二流场框连接为一体，类似地操作将第一流场框、炭毡和第二流场框形成的次级单元，以及将新的流场框与焊接好的次级单元进行焊接，使其连接称为一个整体的单元，并将若干个次级单元焊接为一个整体的液流电池单元，进一步循环操作直至完成液流电池电堆整体的焊接。

在一个可选的实施方式中，透明亚克力板220与若干个液流电池单元之间设置有透明胶垫250。

本发明的液流电池电堆的外密封装置，通过紧固装置固定液流电池单元，液流电池单元的焊接表面压紧贴合在透明亚克力板上，采用能够控制聚焦光斑质量的激光头对焊接表面进行焊接。使液流电池电堆的若干个焊接表面均能够得到可靠定位和焊接；提高了外密封的可靠性和焊接表面的强度一致，液流电池电堆成品的一致性高。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

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。