焊接的流动电解质电池的电池单元堆

技术领域

本发明涉及流动电解质电池。特别地，但非排他地，本发明涉及一种形成用于流动电解质电池的电池单元堆系统的侧板和压板的方法和系统。

背景技术

独立供电系统中使用的电池通常是铅酸电池。然而，铅酸电池在性能和环境安全方面存在局限性。典型的铅酸电池在炎热气候条件下的寿命通常很短，尤其是在它们偶尔完全放电时。铅酸电池也对环境有害，因为铅是铅酸电池的主要组分并且可能会在制造和处理期间导致严重的环境问题。

流动电解质电池(例如锌溴电池、锌氯电池和钒液流电池)提供了克服铅酸电池的上述限制的潜力。特别地，流动电解质电池的使用寿命不受深度放电应用的影响，并且流动电解质电池的能量/重量比比铅酸电池高多达六倍。

然而，制造流动电解质电池可能比制造铅酸电池更困难。与铅酸电池一样，流动电解质电池包括电池单元堆以产生比单个电池单元更高的某一电压。但与铅酸电池不同的是，流动电解质电池中的电池单元通过电解质循环路径液压连接。这可能是有问题的，因为分流电流会通过电解质循环路径从一个串联电池单元流向另一个电池单元，从而导致能量损失以及电池单元的各个充电状态的不平衡。为了防止或减少这种分流电流，流动电解质电池在电池单元之间限定了足够长的电解质循环路径，从而增加了电池单元之间的电阻。

典型的电池单元堆的装配通常涉及胶合或焊接垫片或O形环密封件以容纳电解质循环。通常必须在电池单元之间以及电池单元堆系统的内部和外部之间提供液压密封，以确保电解质的容纳并且还保持电解质在电极表面上的均匀分布。

对于典型的具有60个电池单元的堆，电极和隔板之间可能存在多达121个密封件，每个密封件的长度超过1.5m。这就产生了总共181m的临界密封长度，在这种情况下，即使是最轻微的泄漏，也可能导致整个堆失效。

涉及O形环密封件的系统在保持塑料或弹性体密封件的几何形状方面存在困难，其中随着时间的推移，变形和蠕变挠曲通常会成为问题。因此，需要通过弹簧加载装置和/或将电池单元堆保持在一起的压缩螺栓的重新扭紧来施加恒定的力。随着时间的推移，与这些类型的压板相关的金属组件也容易受到腐蚀。这意味着昂贵的硬件前期成本以及对持续维护的需求。

密封电池单元堆的其它制造方法可能涉及振动或超声波焊接密封。然而，每个板的形成以及随后的焊接可能需要超过60秒的时间，从而导致每个电池单元堆的构建时间非常长。

此外，涉及生产电池单元堆的方法涉及大量的体力劳动。工人们可能需要逐个板装配电池单元堆，插入和定位密封件或垫片，或进行多次单独的焊接。因此，需要克服或减轻与现有技术的流动电解质电池相关的诸多上述问题。

发明内容

本发明的优选目的是提供解决或改善现有技术的上述问题的一个或多个限制和/或提供有用的商业替代方案的方法和/或系统。

本发明涉及可以形成用于流动电解质电池的电池单元堆系统的方法和/或系统。

在一种形式中，但其不一定是最广泛的形式，本发明在于一种形成用于流动电解质电池的电池单元堆系统的方法，所述方法包括：通过在模具中堆叠多个电极和隔板形成电池单元堆；将压板附接到所述电池单元堆的第一端和第二端中的每一个，其中所述压板由用单向玻璃纤维增强的热塑性复合材料制成，所述单向玻璃纤维以多个层施加，其中至少一层所述单向玻璃纤维在与另一层单向玻璃纤维的方向不同的方向上施加；向所述电池单元堆施加压力以将所述电池单元堆压缩到预定高度；限定与所述电池单元堆相邻的至少一个歧管；和将侧板焊接到所述电池单元堆，其中所述侧板由用单向玻璃纤维增强的热塑性复合材料制成，所述单向玻璃纤维在垂直于所述压板的方向上以多个层施加，其中热塑性复合材料的第一端层或第二端层的至少一个表面层具有比另一层少的单向玻璃纤维含量。

优选地，所述侧板的焊接面和所述电池单元堆的侧面被预热，然后结合在一起以形成焊缝。

优选地，所述侧板的焊接成对地进行。

优选地，所述侧板的焊接同时进行。

优选地，首先焊接所述板的两侧，修剪掉任何悬垂端，然后焊接两个或更多个其余侧板。

优选地，所述侧板以一角度接近所述电池单元堆并逐步焊接到所述电池单元堆上。

优选地，在焊接时使用滚轮将所述侧板压到所述电池单元堆上。

优选地，所述压板的所述热塑性复合材料由高密度聚乙烯制成，并且所述压板的用单向玻璃纤维增强的热塑性复合材料的所述多个层由具有垂直交替的单向玻璃纤维方向的三层组形成。

优选地，所述压板通过在150℃到200℃的温度下将用单向玻璃纤维增强的热塑性复合材料的所述多个层压在一起3到12分钟来形成。

优选地，所述侧板的所述热塑性复合材料是高密度聚乙烯。

进一步优选地，热塑性复合材料的第一端层或第二端层的至少一个表面层不含玻璃纤维。

优选地，所述歧管是一体式歧管，其邻近所述电池单元堆注塑成型并且密封所述电池单元堆。

优选地，在与另一层单向玻璃纤维的方向不同的方向上施加的所述至少一层所述单向玻璃纤维大体上垂直于另一层单向玻璃纤维的方向施加。

根据另一种形式，本发明在于一种用于流动电解质电池的系统，所述系统包括：

电极和隔板的电池单元堆，其中在所述电池单元堆的每一端具有压板，

所述压板由具有单向玻璃纤维增强层的热塑性复合材料组成，其中至少一层所述单向玻璃纤维配置在与另一层单向玻璃纤维的方向垂直的方向上，

与所述电池单元堆相邻的至少一个一体式歧管，其被配置成密封所述电池单元堆，和

由具有配置在垂直于所述压板的方向上的多个单向玻璃纤维层的热塑性复合材料组成的侧板，所述侧板由热塑性复合材料的第一端层或第二端层的至少一个表面层组成，所述至少一个表面层具有比另一层少的单向玻璃纤维含量。

优选地，所述压板的所述热塑性复合材料是高密度聚乙烯，并且所述压板的所述多个单向玻璃纤维层被配置为具有垂直交替的单向玻璃纤维方向的三层组。

优选地，所述侧板的所述热塑性复合材料是高密度聚乙烯。

优选地，热塑性复合材料的第一端层或第二端层的所述至少一个表面层不含玻璃纤维。

优选地，所述系统进一步包括一个或多个集电板，其中所述一个或多个集电板与所述压板中的至少一个集成为一个部件。

附图说明

为了帮助理解本发明并使本领域技术人员能够将本发明付诸实践，下面仅结合附图对本发明的优选实施例进行举例说明，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的形成的流动电解质电池的电池单元堆系统的图解透视图。

图2是示出了图1的电池单元堆系统的分解图，其示出了具有分解的侧板的电池单元堆。

图3是示出了具有分解的各层的图2的压板的分解图。

图4是示出了具有分解的各层的图2的侧板的分解图。

图5是示出了图1的流动电解质电池的电池单元堆系统的装配和侧板的施加的剖视图。

具体实施方式

本发明涉及可以形成用于流动电解质电池的电池单元堆系统的方法和/或系统。本发明的元件在附图中以简明的轮廓形式示出，其仅示出了理解本发明的实施例所必需的那些具体细节，并未用过多细节来使本公开变得混乱，鉴于本说明书，所述细节对于本领域普通技术人员将是显而易见的。

根据一个方面，本发明被定义为一种形成用于流动电解质电池的电池单元堆系统的方法，所述方法包括：通过在模具中堆叠多个电极和隔板形成电池单元堆；将压板附接到所述电池单元堆的第一端和第二端中的每一个，其中所述压板由用单向玻璃纤维增强的热塑性复合材料制成，所述单向玻璃纤维以多个层施加，其中至少一层所述单向玻璃纤维在与另一层单向玻璃纤维的方向不同的方向上施加；向所述电池单元堆施加压力以将所述电池单元堆压缩到预定高度；限定与所述电池单元堆相邻的至少一个歧管；和将侧板焊接到所述电池单元堆，其中所述侧板由用单向玻璃纤维增强的热塑性复合材料制成，所述单向玻璃纤维在垂直于所述压板的方向上以多个层施加，其中热塑性复合材料的第一端层或第二端层的至少一个表面层具有比另一层少的单向玻璃纤维含量。

本发明的一些实施例的优点包含一种形成用于流动电解质电池的电池单元堆系统的方法，其能够实现由单向玻璃纤维增强热塑性复合材料生产压板，所述复合材料能够保持刚度并且抗蠕变。

此外，根据一些实施例，所述电池单元堆侧板也用单向玻璃纤维增强以具有足够的刚度和抗蠕变性，从而也减轻了与电极随时间分离相关的问题。通过焊接侧板，每个电极和每个隔板都有单独且直接的焊缝，从而形成锁定的几何形状，而不是依赖弹簧加载压缩螺栓和金属压板的垫片型设计的压缩保持几何形状。由于侧板的焊接表面是非玻璃填充的或填充的玻璃纤维含量较低，焊缝被提供了更多的树脂，以确保与压板以及每个电极和每个隔板的气密密封。因此，不需要金属压板和相关硬件来将板固定就位和/或保持几何形状和完整性，从而减轻了组件腐蚀问题。

本领域技术人员将了解，并非所有上述优点都必须包含在本发明的所有实施例中。

图1是根据本发明的一个实施例的形成的流动电解质电池的电池单元堆系统100的图解透视图。所示为压缩位置，电池单元堆系统100由夹板110保持就位，所述夹板压缩电池单元堆105并将电池单元堆系统100固定在一起以准备在长边侧对板进行焊接。安装了具有隔热层的支撑板115，因此侧面焊接可以先于电池单元堆开始并晚于电池单元堆结束。这允许在制造环境中使用连续长度的侧板顺序焊接到多于一个堆。它还允许侧板的加热和熔化以在开始与电池单元粘合之前稳定。

图2是示出了电池单元堆系统100并且示出了具有分解的侧板200的电池单元堆105的分解图。电池单元堆105被示出为具有多个电极205和隔板210，其中在电池单元堆105的第一(顶)端和第二(底)端中的每一个上都具有压板215。图2中还示出了一体式歧管220，其在电池单元堆105已由夹板110向下夹住后注塑成型。一体式歧管220例如允许连接电极205和隔板210的毛细管(未示出)并且还将所述层密封在一起。可替代地，毛细通道可以用焊接箔形成，并提供与毛细管相同的功能。此外，压板可以与集电器集成以形成不需要单独的端部压板的单向玻璃纤维增强集电板。

图3是示出了压板215的分解图。压板215由用单向玻璃纤维增强的热塑性复合材料制成，所述单向玻璃纤维以多层施加。这些层可以分为单向玻璃纤维增强材料的不同取向和方向。在一个优选实施例中，至少一层或层组300、305、315的单向玻璃纤维在垂直于另一层单向玻璃纤维的方向的方向上施加。

如图所示，层300、305、315分为三组，其中顶层组300和底层组305含有在相同方向上延伸的单向玻璃纤维增强材料，而中间层组310含有在垂直于顶层组300和底层组305的单向玻璃纤维增强材料方向的方向上延伸的单向玻璃纤维增强材料。

任选地，中间层组310的层数等于顶层组300和底层组305的层数之和。进一步任选地，顶层组300和底层组305每个由14层组成单向玻璃纤维增强热塑性复合片材组成，而中间层组310由28层单向玻璃纤维增强热塑性复合片材组成。

在一个优选实施例中，压板215的热塑性复合材料是高密度聚乙烯。优选地，压板215通过在适当方向上对齐的玻璃纤维带的冷装配形成。然后，通过在120℃到180℃的温度下将多个层组300、305、310压在一起5到8分钟来将装配件热粘合以形成板。进一步优选地，通过在170℃的温度下将多个层组300、305、310压在一起7分钟来形成压板215。技术人员将理解，具体的温度和时间可能取决于变量，例如期望厚度和/或材料选择。

图4是示出了电池单元堆系统100的侧板200的组成的分解图。侧板200由用单向玻璃纤维增强的热塑性复合材料制成，所述单向玻璃纤维在垂直于压板215的长度的方向上以多层400施加，其中热塑性复合材料的第一端层405和/或第二端层410的至少一个表面层不包含单向玻璃纤维或仅包含少量的单向玻璃纤维。优选地，侧板200以与压板类似的方式通过玻璃纤维带的冷装配和随后的热粘合形成。

尽管单向玻璃纤维在热粘合后粘合到树脂上，但由于不完全润湿，纤维之间可能会保留细小的气道。这些微小的气道可以允许液体沿着它们流动并导致渗漏。然而，根据本发明，不包含单向玻璃纤维或仅包含少量的单向玻璃纤维的热塑性复合材料的第一端层405和/或第二端层410的至少一个表面层提供了气密密封并防止液体沿气道逸出，从而改善了上述问题。

在一个优选实施例中，增强侧板200的单向玻璃纤维定向在垂直于压板215的方向上。这允许侧板200在垂直于压板215的方向上具有足够的刚度，使得由内部堆压力生成的剪切载荷可以均匀地分布在侧板200和压板215之间的焊缝上。填充有切碎或磨碎纤维的标准热塑性复合材料不会在侧板200中提供足够的刚度，从而导致因应力而引起的焊缝失效。尽管填充有切碎或磨碎纤维的热塑性复合材料可以生产压板以及含有单向玻璃纤维增强材料的侧板，但需要极厚的压板以保持平整度和抵抗蠕变挠曲。然而，根据本发明，在垂直于单向玻璃纤维增强压板215的方向上具有单向玻璃纤维增强材料的侧板200提供了足够的刚度并改善了上述问题。

在另一个实施例中，侧板200包括多层热塑性复合材料，其中第一端层405或第二端层410中的至少一个不含玻璃纤维或仅含有少量玻璃纤维。这使得侧板200和电池单元堆105之间的焊缝能够被提供更多的树脂以确保气密密封。

任选地，侧板200包括不含玻璃纤维增强材料或仅含有少量玻璃纤维增强材料的热塑性复合材料的第一端层405和第二端层410，而三层单向玻璃纤维增强热塑性复合材料层400夹在第一端层405和第二端层410之间。进一步任选地，侧板200的热塑性复合材料是高密度聚乙烯。技术人员将理解，端层405、410的具体层数和玻璃纤维含量可以根据需要和设计而有所不同。

图5是示出了流动电解质电池的电池单元堆系统100的装配和侧板200的施加的剖视图。在一个优选实施例中，侧板200的焊接面和电池单元堆105的侧面被预热，然后结合在一起以形成焊缝。优选地，电池单元堆105的焊接面由包含非接触陶瓷加热器503的装配夹具500预热，而侧板200由楔形加热器505加热，所述楔形加热器通过气动致动器510压靠在侧板200上。进一步优选地，楔形加热器505使侧板200的端层达到并保持焊接温度，同时使侧板200软化到足以具有挠性。

如图所示，预热侧板200被配置成以25°到35°的角度接近电池单元堆105，并且装配夹具500的滚轮515然后将侧板200压到电池单元堆105的预热面上，从而将侧板200焊接就位。通过使用滚轮515，侧板200的预热表面以高局部压力而并非高合力施加在预热电池单元堆105上。随着侧板200沿滚轮515移动，侧板200粘合到电池单元堆105的侧面，而没有任何空气被截留在焊缝中。

任选地，侧板200的焊接是成对地进行的，其中加热器503、505和滚轮515位于两侧上，从而同时施加焊接。进一步任选地，可以首先将电池单元堆105的两侧与侧板200焊接，然后修剪掉悬垂端，随后再将侧板200焊接到其余侧面。进一步任选地，电池单元堆105的所有侧面可以同时进行侧板200的焊接和施加。技术人员将理解，焊接侧板200的具体顺序可以根据设计要求而有所不同。

因此，电池单元堆系统100解决了上述问题中的至少一些，提供了通过热焊接形成的热塑性侧板200和压板215，同时在电池单元堆系统100的整个寿命期间保持了保持完整性所需的刚度。尽管由于电解质压力波动，通常存在与电池单元堆105的操作相关的高循环应力负载，但单向玻璃纤维增强热塑性压板215和侧板200在与上述焊接方法一起应用时提供了有用的替代方案。侧板的高刚度和强度有助于均匀分布剪切力，而垂直的单向玻璃纤维增强材料提供了良好的机械强度以在电池单元堆系统100的寿命期间抵抗疲劳。因此，本发明的实施例可以至少改善在生产用于流动电解质电池的电池单元堆系统时典型的金属弹簧加载压板和垫片系统所遇到的问题。

出于向相关领域的普通技术人员描述的目的，提供了本发明的各个实施例的上述描述。它不旨在为穷尽性的或将本发明限制为单个公开实施例。如上所述，本发明的许多替代方案和变型对于上述教示领域的技术人员来说将是显而易见的。因此，尽管已经具体讨论了一些替代实施例，但是其它实施例将是显而易见的或可由本领域普通技术人员相对容易地开发。本专利说明书旨在涵盖本文已讨论的本发明的所有替代方案、修改和变型，以及落入上述发明的精神和范围内的其它实施例。

在本专利说明书中，如第一和第二、左和右、前和后、顶和底等形容词仅用于将一个元件或方法步骤相较于另一个元件或方法步骤进行限定，而并不一定要求形容词所描述的具体相对位置或顺序。如“包括”或“包含”等词语并非用于限定元件或方法步骤的排他性集合。相反，此类词语仅限定本发明的特定实施例中包含的元件或方法步骤的最小集合。