CN119585895A - 将膜固定至框架的方法、单元堆和使用 - Google Patents

Abstract

本发明提供将隔膜固定至电池单元堆的第一框架构件的方法。方法包括：产生固定区域，其包括第一区域和第二区域，其中，产生第一区域包括将隔膜固定至第一框架构件，以及其中，产生第二区域包括使用框架构件的突起或使用密封部分机械地压缩隔膜。还提供单元堆和离子交换膜在所公开的单元堆中的使用。

Description

将膜固定至框架的方法、单元堆和使用

技术领域

本申请涉及将膜(特别是隔膜或离子交换膜)固定至框架的方法、单元堆和离子交换膜在单元堆中的使用。

背景技术

膜可以固定在框架中，使得膜的中心暴露，以允许膜执行其功能，诸如分子、离子或其它颗粒的交换。框架可用于改进膜的可操控性或促进将膜装配到系统中。当膜在电池单元、燃料电池或类似物(诸如电渗析单元或PEM电解器)中使用时，框架可以提供需要的隔离以防止短路。

将膜固定至框架的典型方法包括焊接、粘合剂结合、机械力(诸如夹紧)或任何其它连接的方法。对于某些应用来说，膜持久地固定至框架是基本的，以防止膜的两侧之间的物质的混合。例如，在电池单元中，在膜的两侧之间的电解质的混合导致放电和/或短路。在另一示例中，在膜的两侧之间的已过滤和未过滤液体的混合导致期望结果(例如已过滤液体)的污染。

焊接过程使用热量和压力将两个物体永久地结合在一起。然而，如果两个物体的焊接属性相距甚远，这防止施加热量和压力以提供适合的接头，则焊接过程变得复杂，有时不可行。在这种情形下，两个物体的材料将需要重新设计，或替代连接(诸如粘合剂结合)用于促进将这种物体固定在一起。即使两个物体适合焊接在一起，随着时间的推移，接头可能由于在其紧邻和/或操作环境中可作用在每个物体上的力而减弱，从而在物体之间产生不期望的剪切力。附加地，选择用于粘合剂连接的粘合剂将需承受固定物体的紧邻和/或操作环境合理时间周期。不变地，随着时间的推移，粘合剂的粘合剂结合可能由于与环境中的成分反应或粘合剂的物理状态可能变化而失去。例如，随着时间的推移，粘合剂可能硬化和脱落。

因此，需要在膜和框架之间提供持久和足够紧密的连接，这克服或至少改善上文描述的问题和其它缺点。

发明内容

在一方面，提供将隔膜固定至单元堆的第一框架构件的方法。方法包括产生固定区域，其包括第一区域和第二区域。产生第一区域包括将隔膜固定至第一框架构件。产生第二区域包括使用框架构件的突起或使用密封部分机械地压缩隔膜。

隔膜是电池单元、燃料电池或类似物的核心部件。膜的主要任务是分开带正电荷和带负电荷的电解质或电极以及将离子电荷载体选择性传导通过膜，这对于电子经由外部电路的传导是必需的，因此被称为“离子交换膜”。诸如燃料电池的膜的另一任务是用于加湿，因为通过燃料电池中的电化学反应产生的电流使用富含水分的供应空气。这种膜是可渗透水蒸气但不可渗透空气中其它气态成分的气体-气体膜。在本文中可互换使用的术语“膜”或“隔膜”还涵盖这种气体-气体膜。除了良好的电化学属性(诸如高离子传导性和低电阻)之外，膜应该具有极好的机械和化学稳定性，以及低吸水性和膨胀行为。此外，膜应该具有良好的处理属性，诸如操控和通过焊接或结合与其它材料连接。最后，具有膜的电池或燃料电池应该展现整个系统的高循环稳定性、高能量效率和高库仑效率。如可以看到的那样，膜和其系统的材料具有很多要求。因此，本公开提供了解决方案，其使用膜到单元堆的框架的牢固固定平衡了膜上的要求。

单元堆是固定的隔膜所装配的最终系统。被固定膜和框架构件可以与最终系统中的其它层堆叠，以形成可操作单元堆，诸如可操作电池单元堆、燃料电池堆、电解器单元堆、电渗析单元堆或类似物。

产生固定区域的步骤可以包括产生第一区域和产生第二区域。

产生第一区域包括将隔膜固定至第一框架构件。第一区域有利地提供将隔膜固定至框架的主要方式。固定的步骤可以包括采取任何适合的方式以将隔膜固定或静止至第一框架构件。在实施例中，固定的步骤可以包括将隔膜粘合至第一框架构件。固定的步骤可以包括使用适合的粘合方式将隔膜粘合至第一框架构件。在其它实施例中，固定的步骤可以包括将隔膜整体地结合至第一框架构件。通过“整体结合”，这意味着两个分立的物体在它们的连接点处结合为单个、一体结构。整体结合包括材料结合，其中，例如借助于施加热量和/或压力将两个分立物体的材料在它们的连接点处融合或聚结。整体结合的示例包括焊接。整体结合与粘合剂结合形成对比，因为粘合剂结合可能涉及粘合剂和与粘合剂接触的材料之间的整体结合，但不是两个分立物体的材料之间的整体结合。在另外其它实施例中，固定的步骤可以包括将隔膜粘合和整体地结合至第一框架构件的组合。在一些实施例中，隔膜可以固定至框架构件(诸如第一框架构件)或两个框架构件之间。在第一区域中的主要固定方式失效的情况下，第二区域有利地提供附加固定点。

产生第二区域包括使用框架构件的突起或使用密封部分机械地压缩隔膜。“机械压缩”指代使用机械方式的固定形式，与涉及化学结合的粘合或整体结合形成对比。机械压缩可能涉及机械力的提供(诸如通过夹紧)以导致膜在框架构件之间的静止。机械压缩增加接触表面之间的摩擦。机械压缩可能不导致隔膜和/或任何相关框架构件的变形，但在一些实施例中，使用的机械力可能足够高以导致变形。变形意味着膜和/或任何相关框架构件弯曲或畸形，并且可以保持其变形后的形状。膜和/或任何相关框架构件可以变形以获得三维形状，与其初始分层的、线性的形式不同。机械变形可类似于膜的压花。膜和/或任何相关框架构件的机械变形可能导致所述层具有类似形状。机械变形层可以具有彼此互补的几何形状。机械变形层可以是形状配合。机械变形膜可以配置成以至少形状配合和/或力配合的方式接合框架构件以用于固定。层可以形状配合和/或力配合的方式(例如通过旋拧、闩锁和/或夹紧方式)机械地变形。机械变形层可以具有互补形状配合轮廓，例如形成为竖直延伸的形状配合凹槽或形状配合突起的轮廓。

突起可以以在机械压缩的步骤期间隔膜不会被刺穿的方式设置在框架构件上。密封部分可以以在机械压缩的步骤期间隔膜不会被刺穿的方式机械地压缩隔膜。有利地，在机械压缩的步骤期间，膜在第二区域中压缩但没有被破坏。由于膜和框架构件之间的破裂连接，膜在固定期间的破坏可能会导致不期望的泄漏。如上文所述的那样，膜未牢固密封至其框架导致膜和框架所处的系统(诸如电池单元堆)被损害。

突起可以位于第一框架构件、第二框架构件或其组合上。

机械压缩的步骤可以包括使用设置在第一框架构件上的突起机械地压缩隔膜。当第一框架构件包括适用于机械地压缩膜的突起时，第二区域可以与第一区域同时地产生。在这种实施例中，第二区域可以通过机械力的简单施加来产生(例如通过整体结合步骤或粘合步骤或在整体结合步骤或粘合步骤期间，这也可以提供压力以在第二区域中机械地压缩膜)，或替代地与整体结合步骤或粘合步骤分开。

机械压缩的步骤可以包括在第一框架构件和与第一框架构件相对的第二框架构件之间机械地压缩隔膜。也就是说，第一框架构件在膜的一侧上，而第二框架构件在膜的另一侧上。在这种实施例中，突起设置在第二框架构件和/或相对的第一框架构件上。在这种实施例中，隔膜可以在第一区域中固定在两个框架构件(即第一和第二框架构件)之间。当第二框架构件包括适用于机械地压缩膜的突起时，第二区域可以与第一区域分开地或不同时地产生。在这种实施例中，例如当固定在第一和第二框架构件之间的膜设置在其最终系统(诸如电池单元堆)中时，第二区域可以通过机械力的简单施加来产生。装配最终系统可以包括将系统的各种部件紧固在一起，包括固定在第一和第二框架构件之间的膜，从而提供机械力以在第二区域中产生机械压缩。

产生第二区域可以包括使用框架构件(不管是第一框架构件还是在隔膜的相对侧上的第二框架构件)的突起机械地压缩隔膜，以便夹持隔膜。框架构件上的突起可以直接地机械地压缩膜，而在它们之间没有任何中间层。替代地，框架构件上的突起可以通过中间层间接地机械地压缩膜。膜所压靠的框架构件(即与包括突起的框架构件相对的框架构件)也可以被机械地压缩。中间层可以类似地被机械地压缩或甚至变形。中间层可以是如在本文中所定义的框架构件。

因为膜可以在第二区域中被机械地压缩，所以膜的移动可以被有利地限制。因此，在第一区域中的第一固定点由于上文所述的原因而失效的情况下，本公开有利地在第二区域中提供膜的附加固定点。此外，当膜对其紧邻环境产生不利反应时，第一固定点可能会过度负载。例如，被固定膜可以在装配到最终系统之前被储存。被固定膜的储存环境中的相对湿度中的变化可能导致膜收缩。在另一示例中，膜的操作环境中的电解质可能导致膜膨胀。膜上方的室和膜下方的室之间的压力差也可能导致固定点上的机械负载。有利地，由于机械压缩，膜在第二区域中的静止防止或减少由于膜的运动而作用在第一固定点上的机械负载。第二区域中的机械压缩和第一区域中的固定的组合也可以有利地分散作用在固定点上的机械负载，并且降低在操作期间泄漏的风险。当固定步骤是焊接过程时，第二区域中的机械压缩可以有利地缓解膜，其在焊接过程期间可能被削弱或甚至刺穿。

第二区域可以通过机械力的简单施加来产生。压力或机械力的简单施加意味着不需要提供过度压力或力的专用设备。压力或力的简单施加可以手动完成或通过工具(诸如紧固工具)辅助施加来完成。装配最终系统可以包括将系统的各种部件紧固在一起，包括固定至第一框架构件的膜，从而提供机械力以在第二区域中产生机械压缩。

固定区域可以包括第三区域。产生固定区域还可以包括产生第三区域。第三区域可以在第一区域和第二区域之间。方法还可以包括通过使用密封部分机械地压缩膜来产生第三区域。第三区域中的密封部分可以与第二区域中的密封部分不同。第三区域可以有利地提供又一个固定点。

在另一方面，提供单元堆，包括以下中的至少一项：固定至第一框架构件的隔膜、以及一对电极组件，固定至第一框架构件的隔膜设置在该对电极组件之间。固定区域包括第一区域和第二区域。第一区域包括固定至第一框架构件的隔膜，并且第二区域包括由框架构件的突起或由密封部分机械地压缩的隔膜。单元堆还包括在每个最外电极组件的邻近层中的电隔离端板，其中，单元堆的层紧固在一起。

隔膜可以根据所公开的方法固定至第一框架构件。

为了容易参考，固定至第一框架构件并且可选地在第一框架构件和第二框架构件之间的隔膜(诸如离子交换膜)在本文中称为“膜夹层”。设置在该对电极组件之间的膜夹层在本文中称为“单元”。配置用于在电池或氧化还原液流电池(redox flow battery)中使用的单元是电池单元。配置用于在氢气产生中使用的单元是电解器单元。配置用于在水去离子中使用的单元是电渗析单元。所公开的单元堆可配置用于在氧化还原液流电池、电解器或电渗析单元中使用。

所公开的单元堆包括至少一个单元。单元堆中的单元的数量取决于需要的输出。对于电池单元堆来说，电池单元堆中的单元的数量取决于需要的能量输出。当存在超过一个单元时，单元的仅固定至第一框架构件的隔膜可以夹在第一框架构件和邻近单元的第一框架构件之间。当存在超过一个单元时，一对电极组件中的电极组件可以与邻近单元共用。

单元堆还包括在每个最外电极组件的邻近层中的电隔离端板。因此，所述至少一个单元设置在一对电隔离端板之间。

单元堆的层紧固在一起。所述至少一个单元和该对电隔离端板紧固在一起以获得单元堆。可以使用压力或机械力的简单施加来执行单元堆的层的紧固，以提供电池单元堆的部件的适当密封或固定。

在又一方面，提供离子交换膜在所公开的单元堆中的使用。

附图说明

图1a示出根据本公开的实施例的隔膜104的沿线AA’(在图1b中示出)的截面图的图示，固定在第一框架构件102和第二框架构件106之间，其中，第二框架构件106包括配置成机械地压缩膜104的突起110’。

图1b示出根据图1a的实施例的膜104的俯视图的图示，固定在第一框架构件102和第二框架构件106之间，膜104和第一框架构件106被第二框架构件106遮挡。

图2a示出根据本公开的另一实施例的膜104的沿线AA’的截面图的图示，固定在第一框架构件102和第二框架构件106之间，其中，第三框架构件110包括配置成通过框架构件106间接地机械地压缩膜104的突起110’。

图2b示出当施加机械力时根据图2a的实施例的由于框架构件110的突起110’而机械地变形的膜104和相关框架构件106和102的图示。

图3a至3c示出根据本公开的实施例的框架构件的图示，具有突起，诸如框架构件110的突起110’。

图4a示出根据本公开的另一实施例的膜104的截面图的图示，固定在框架构件102和106之间，其中，固定区域108包括第一区域108a、第二区域108b和第三区域108c。

图4b示出根据图4a的实施例的替代垫片的图示，其在第三区域108c中提供机械压缩。

图4c示出图4a的第三区域108c的另一实施例的图示。

图5示出根据本公开的实施例的电池单元堆300的截面图的图示。

在图中，类似的附图标记表示类似的部分。

具体实施方式

在下文中，将参考所附附图详细描述本发明的示例性实施例。将提供本发明的详细描述，以用于解释本发明的原理及其实际应用的目的，从而允许本领域技术人员理解本发明的各种示例性实施例和适合所设想的特定用途的各种修改。详细描述不旨在是穷举的或将本发明限制于所公开的精确实施例。修改和等效物对本领域技术人员将是显而易见的，并且涵盖在所附权利要求的精神和范围内。

提供将隔膜固定至单元堆的第一框架构件的方法。

“框架”指代周向地保持或围绕在本文中所公开的膜的结构。框架构件是框架的部分，与其它框架构件协作以周向地保持或围绕膜。例如，框架构件可以是框架的横截面半部，而另一框架构件是框架的另一横截面半部，其中，两个横截面半部夹持膜。框架可以包括执行不同功能的不同部分，以周向地保持或围绕膜。框架可以包括形成框架的结构的框架部分，即结构框架部分。结构框架部分可以具有将结构赋予框架或最终系统的一定硬度。框架部分也可以实施为具有相对微小厚度的薄膜或箔片，使得多个膜夹层的堆叠单元可以在相对于彼此的微小间距的情况下装配。具有较薄的、可选地非结构的框架部分的框架构件允许填充结构框架构件之间的任何空间。填充的空间有利地防止或减少电解质通过空间泄漏到环境中。填充的空间还有利地防止或减少层(诸如膜)上的应力，所述应力可能由于来自装配和/或操作的压力而引起。框架可以包括增强将膜保持到框架的结构的密封部分。密封部分还可以允许填充框架部分或框架构件之间的任何空间。密封部分可以是密封材料(诸如胶水、垫片或在本文中所公开的其它密封材料)、可能实施为密封材料的薄膜或箔片或填充材料(诸如泡沫、毛毡或其它编织或非织造材料)。框架可以包括膜夹层所处的系统的部分(如果系统是电池单元堆，诸如电极组件)。

第一框架构件和第二框架构件(如果存在)可以每个从以下选择：形成框架的结构的框架部分、密封部分、薄膜或电极组件。在实施例中，第一框架构件是框架部分，第二框架构件是框架部分。

框架或框架构件可以由合成或天然聚合物材料(诸如塑料或橡胶)或其它不导电材料制成。当膜夹层在电池单元、燃料电池或类似物中使用时，框架可以提供需要的隔离以防止短路。框架或框架构件可以由热塑性聚合物制成。热塑性材料的非限制性示例包括尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚胺、聚(醚醚酮)(PEEK)或其组合。在实施例中，框架构件由聚丙烯制成。在实施例中，第一和第二框架构件两者都由聚丙烯制成。

膜可以由聚合物材料或聚合物或单体的混合物；陶瓷复合材料；金属或金属合金；或其组合制成。作为示例，膜包括聚合物材料，其中聚(醚醚酮)(PEEK)作为聚合物主链的部分或替代物存在。作为另一示例，膜包括聚合物材料，其中聚四氟乙烯(PTFE)作为聚合物主链的部分或替代物存在。隔膜可以是或可以用作离子交换膜。当膜是离子交换膜时，膜可以包括展现酸性基团以及碱性基团的聚合物混合物。膜可以包括展现酸性基团以及碱性基团的聚合物混合物，其中，PEEK作为聚合物混合物的聚合物主链的部分或替代物存在。

膜可以是单层配置或多层配置。在多层配置的情况下，例如，存在彼此紧邻地搁置的三个膜，其中，中心膜是功能膜或提供分子、离子或其它颗粒交换的主要功能的膜，并且外侧膜每个形成盖或支撑膜。

方法包括产生固定区域，其包括第一区域和第二区域。第一区域包括固定至第一框架构件的隔膜。取决于最终单元堆的要求，隔膜可以固定至第一框架构件并且也可以固定至第二框架构件。隔膜可以固定在第一框架构件和第二框架构件之间。在实施例中，第二区域包括由框架构件(诸如第二框架构件)的突起机械地压缩的隔膜。

图1a示出根据本公开的实施例的隔膜104的沿线AA’(图1b中示出)的截面图的图示，固定在第一框架构件102和第二框架构件106之间。第二框架构件106包括配置成机械地压缩膜104的突起110’。图1b示出根据图1a的实施例的隔膜104的俯视图的图示，固定在第一框架构件102和第二框架构件106之间，隔膜104和第一框架构件102被第二框架构件106遮挡。因此，膜夹层100包括固定在第一框架构件102和第二框架构件106之间的隔膜104。膜104和框架构件102、106如在本文中所公开的那样。固定区域108包括第一区域108a和第二区域108b。

如可以在图1a和1b中看到的那样，框架构件102、106(统称为“框架”)围绕膜104的周边保持膜104。框架允许膜104的中间104b暴露，使得它可以执行其功能，诸如分子、离子或其它颗粒的交换。膜104的功能表面区域或活性表面区域(104b)取决于最终系统(诸如在本文中所公开的电池单元堆)的要求。因此，夹在框架构件102、106之间的膜104的表面区域也取决于所述最终系统的要求。值得注意的是，图不是按比例绘制的。

框架一侧的表面区域或宽度w可以完全用作固定区域108，如图1a中所示。第一区域108a可以接近框架构件102、106的第一边缘102’。第一边缘102’表示框架构件的外周边。框架构件的第一边缘102’可以彼此对应或可以彼此不对应。框架构件(特别是结构框架构件)的第一边缘102’通常彼此对应，从而提供单元堆的统一轮廓。框架构件的宽度w可以彼此对应或可以彼此不对应。在图1a中，框架构件102、106的第一边缘102’和宽度w示出为彼此对应。框架构件102和106的宽度w彼此对应，以至少允许突起110’夹持膜104。第一区域108a的端部可以通过固定方式结束的地方来标记，例如，如图2a中所示的焊接工具200结束的地方。

框架的所有侧的固定区域108的宽度可以彼此对应或可以彼此不对应。例如，在图1b中，固定区域108的两个相对侧的宽度w1可以彼此相同，但与固定区域的另外两侧w2不同。

接近框架构件的与第一边缘102’相对的第二边缘102”设置突起110’。因此，第二区域108b接近框架构件的与第一边缘102’相对的第二边缘102”。接近第二边缘102”设置第二区域108b可以有利地将固定点分散遍及框架的宽度。第二边缘102”表示框架构件的内周边。框架构件的第二边缘102”可以彼此对应或可以彼此不对应，如图1a中所示，与图2a形成对比。框架构件的朝向104b延伸最长的第二边缘102”限定104b的起点，即膜104的有效表面区域(104b)的起点。

在图1a的实施例中，第二区域108b包括由第二框架构件106的突起110’机械地压缩的膜104。第二框架构件106上的突起110’抵靠相对的框架构件102直接地机械地压缩膜。突起110’可以机械地压缩膜，而在它们之间没有任何中间层。取决于相对的框架构件102的硬度，突起110’可能使相对的框架构件102机械地变形或可能不使相对的框架构件102机械地变形。

在图中未示出的实施例中，突起可以设置在第一框架构件102上。当框架构件102是结构框架部分或电极组件时，在框架构件102上设置突起可能有用。在结构框架部分上具有突起可以提供压缩膜需要的硬度。在这种实施例中，突起可以在第一区域108a的尺寸之外的位置处。框架构件102在固定步骤期间被带到一起，并且因此突起可以导致与第一区域108a的产生同时地在第二区域108b中机械地压缩膜。

在图中未示出的其它实施例中，突起可以设置在超过一个框架构件上。在这种实施例中，突起可以错开，使得膜被机械地压缩但不刺穿。在一些实施例中，包括突起的框架构件(诸如图1a中的第二框架构件106或图2a中的第三框架构件110)可以具有一个或多个突起。突起可以沿框架构件的边界或沿第二边缘102”延伸。突起可以沿框架构件的边界或第二边缘102”以规则间隔设置。突起可以设置在膜的所有侧处。当通过焊接过程产生的第一区域在膜的两侧处或不在膜的所有侧处产生时，膜的其余侧可以通过突起和/或通过粘合固定至框架构件。膜的其余侧可以通过框架构件的突起机械地固定，特别是机械地压缩。

框架构件的厚度t取决于框架构件的选择或类型。例如，当框架构件102是结构框架部分并且框架构件106是薄膜时，框架构件102的厚度t可以比框架构件106的厚度更厚。作为示例，适合薄膜的厚度t的范围为从约10微米至约1000微米，或从约50微米至约1000微米，或从约100微米至约1000微米，或从约10微米至约500微米，或从约10微米至约300微米，或从约10微米至约200微米，或从约100微米至约200微米。在示例中，适合薄膜的厚度t为约150微米。当框架构件106是聚丙烯薄膜时，这种框架构件106的厚度t的范围可以类似地为从约10微米至约1000微米，例如150微米。结构框架构件102的厚度t的范围可以为从约0.2mm至约10mm，例如约1至2mm。

可以调节突起110’的高度h(在图1a中示出)，使得膜104的机械压缩可以直接地发生(图1a)或通过任何其它层(诸如框架构件106)间接地发生(图2a)，而不会刺穿膜104。突起110’的高度h可以对应于或匹配于第二区域108b中的膜104和/或任何相关框架构件的厚度t。例如，当突起110’设置在第一框架构件102或第二框架构件106上时突起110’的高度h可以小于当突起110’设置在第三框架构件110上时突起110’的高度。总的来说，框架构件的层以及突起可以以零间隙的方向设计。

第一区域108a包括固定(例如粘合和/或整体地结合)在第一框架构件102和第二框架构件106之间的膜104。粘合方式可以施加在框架构件102、框架构件106和/或膜104的一侧或两侧上，以便将膜104粘合在框架构件104和106之间。粘合方式可以施加在第一区域108a中。粘合方式可以包括密封材料、粘合剂、热塑性聚合物或热固性聚合物。粘合方式可以包括但不限于环氧基材料、硅基材料、热塑性弹性体、氟基材料、橡胶基材料或聚氨酯基材料。

整体结合方式可以包括焊接过程，诸如超声波焊接过程、摩擦焊接过程、电阻焊接过程或任何其它适合类型的焊接过程。焊接过程可以包括在第一区域108a上接触焊接工具。当焊接过程是超声波焊接过程时，焊接工具可以是超声波焊极(sonotrode)。为了产生第一区域108a，焊接工具的接触表面可以具有与第一区域108a对应或互补的尺寸。在第一区域108a上接触焊接工具的步骤可以在一组条件下执行。该组条件可以包括压力设置或压力设置的斜变上升和/或斜变下降的序列、压力设置或压力斜变的持续时间、力设置或力设置的斜变上升和/或斜变下降的序列、力设置或力斜变的持续时间、温度设置或温度设置的斜变上升和/或斜变下降的序列、温度设置或温度斜变设置的持续期间、焊接深度或焊接行程的设置、焊接深度和焊接行程的斜变上升和/或斜变下降的序列、焊接深度或焊接行程的设置或斜变的持续时间、限定可靠焊接过程需要的其它参数或其组合。当焊接过程是超声波焊接过程时，该组条件还可以包括振幅设置、频率设置、振动设置、其斜变上升和/或斜变下降的序列、其持续时间或其组合。

当第一区域108a通过焊接过程产生或在焊接期间产生时，焊接区域108a可以至少在膜的两侧处(例如在膜的两个相对侧处)产生。包括焊接区域108a的固定区域可以在膜的两个、三个或所有侧处产生。膜的其余侧可以通过第二区域108b的粘合和/或机械压缩固定至框架构件。因此，在第一区域108a中固定的步骤可以包括在第一和第二框架构件之间粘合和整体地结合隔膜的组合。参照图1b，包括第一区域108a的固定区域108可以通过焊接在膜104的两个相对侧处产生，同时第一区域108a的其余侧可以通过粘合来产生。在这种实施例中，两侧的固定区域108的宽度w1可以相同，并且可以与另外两侧的固定区108的宽度w2相同或不同。替代地，焊接区域108a可以仅在膜104的两个相对侧w1处存在，同时其余侧不包括第一区域108a，而仅包括第二区域108b。当框架构件(102或106中的任一个)是薄膜或箔片时，该实施例可能有用。薄膜或箔片可以作为薄膜或箔片的卷提供，或甚至可以作为包括膜104和薄膜或箔片的卷提供。焊接过程可以在将卷展开到结构框架构件上之后执行。有利地，所公开的方法的处理速度可以提高，并且在焊接过程中的步骤的数量可以减少。

由于膜104具有一定厚度，在第一框架构件102和第二框架构件106之间可能在不存在膜104的地方存在空间。空间可以使用上文所公开的粘合方式填充，或可以在焊接过程期间补偿。产生第一区域可以包括使用粘合方式(诸如密封材料或固体垫片)在第一区域108a中填充第一框架构件102和第二框架构件106之间的任何空间。产生第一区域可以包括在包括适合于材料结合第一框架构件102和第二框架构件106的焊接深度的条件下在第一区域108a上接触焊接工具，从而填充在它们之间的任何空间。

图2a示出第二区域108b的另一替代实施例。框架构件上的突起(诸如第三框架构件110上的突起110’)可以抵靠相对的框架构件(诸如框架构件102)间接地机械地压缩膜104，如图2a中所示。第三框架构件110上的突起110’可以通过一个或更多个中间层(诸如邻近于第三框架构件110的框架构件106)机械地压缩膜104。当中间层(例如此处为框架构件106)是薄膜、密封部分、比结构框架部分更薄、或可以其它方式机械压缩、或甚至可变形时，图2a的实施例可能有用。可以存在超过一个中间层，诸如膜106以及密封部分(例如垫片)。中间层可由突起110’压缩或甚至变形，如图2b中所示。取决于膜的材料，膜104也由突起110’抵靠相对的框架构件102机械地压缩，或甚至可以机械地变形。在膜由敏感材料制成的情况下，中间层可能有用，以保护膜或减少机械载荷以免受通过突起110’持续压缩或变形的任何不期望影响。在图2a中，示出了使用焊接工具200(为超声波焊极)通过焊接过程(具体地超声波焊接过程)产生第一区域108a。焊接工具200可以具有与第一区域108a对应或互补的尺寸。

框架构件可以具有配置成在第二区域108b中机械地压缩膜104和/或相关框架构件的形状的突起。根据突起的形状，膜104和/或相关框架构件可以在一个或多个点处机械地压缩，或甚至变形。可以选择形状，使得膜104的破裂或刺穿不会在第二区域108b中发生。形状可以没有特别限制。突起的形状可以根据膜的属性调节。考虑的膜的属性可以包括伸长性能、蠕变趋势和刚度。在实施例中，突起的形状可以根据使用的膜104的伸长性能或根据膜在其环境中的反应调节。

对于具有相对高伸长性能(例如10％、25％、50％、75％、100％、110％、120％或更多的伸长百分比)的膜来说，突起的接触表面可包括明确边缘，如图3a和3b中所示。如果膜没有足够的伸长性能，则明确或尖锐的边缘可能会撕裂或刺穿或以其它方式削弱膜，从而在操作环境中导致不期望的泄漏。例如，对于基于作为具有相对较高硬度的材料的PTFE的聚合膜来说，突起的接触表面可以包括棱锥(诸如在图3a中)或条(诸如在图3b中)。

对于具有较低伸长性能的膜来说，突起的接触表面可以包括倒圆角或平滑表面，如图3c中所示。突起的接触表面可以不包括明确或尖锐的边缘。其它类型的倒圆角或平滑表面包括倒圆角锥体、弯曲边缘、具有适当半径的倒角或其它和谐的几何形状，诸如具有突起的框架构件的边缘，其中突起可以通过对应的圆角(fillet)结合至边缘。关于图2a，曲率或半径可以对应于中间层(此处为框架构件106)的厚度，以便能够通过中间层机械地压缩膜104。相对低伸长性能是例如小于10％、8％、小于8％、5％或小于5％的伸长百分比。

类似地，当固定的步骤包括焊接过程时，取决于膜的伸长性能，焊接工具(诸如超声波焊极)的接触表面可以包括适当的接触表面。取决于膜的伸长性能，焊接过程还可以包括适当的焊接条件。例如，用于具有较低伸长性能的膜的焊接条件可能没有用于具有相对高伸长性能的膜的焊接条件那么苛刻。然而，即使在焊接过程中膜被刺穿，第二区域和/或第三区域可以有利地防止或至少最小化不期望的泄漏。

在图2b中示出当施加机械力时由于框架构件110的突起110’而机械地变形的膜和相关框架构件106和102的图示。可以看到，根据突起的形状，框架构件110的突起110’机械地压缩并且在图2b的具体实施例中附加地变形框架构件106和膜104。取决于突起的高度，突起还可以根据其形状产生框架构件102的机械变形。在图2b中示出了框架构件110的突起在框架构件102中产生凹痕(与突起的类似形状相反)，因为突起110’的高度没有延伸超过框架构件102的厚度t。框架构件106、膜104和框架构件102在机械压缩的步骤期间具有适合的屈服性能，以被压缩、甚至变形而不破裂。

在图中未示出的实施例中，所公开的方法可以包括产生第二区域，其中，通过密封部分而不是框架构件的突起发生膜的机械压缩。密封部分可以抵靠相对的框架构件直接地或间接地机械地压缩膜，如在本文中所述的那样。密封部分可以是如在本文中所公开的密封部分，诸如密封材料，例如固体垫片。为了容纳密封部分，框架构件102、106中的一个的第二边缘102”可以比另一个更短。密封部分可以接近在第二区域中的第二边缘布置。在第二区域中的密封部分可以布置在较短框架构件的第二边缘102”和膜104b的中心之间。当第三框架构件存在并且邻近于框架构件102或106堆叠时，诸如在图2a中所示，第三框架构件可以包括对应凹槽以容纳密封部分。例如，为了在图2a中描绘的实施例中容纳密封部分，第三框架构件可以包括对应凹槽。垫片可以通过凹槽保持到位。垫片可以通过胶水保持到位，或可以包覆成型到框架构件。密封部分可以在膜的一个表面上或在膜的两个表面上机械地压缩膜。每个密封部分可以通过相关框架构件的凹槽或胶水保持到位，或可以包覆成型到相关框架构件。

图1和2中的实施例的固定区域108包括第一区域108a和第二区域108b。在一些实施例中，当第一区域108a通过焊接过程产生或在焊接过程期间产生时，区域108a可以与机械压缩第二区域108b分开。分开可以通过固定方法完成，如在本文中所公开的那样。通过焊接过程产生或在焊接过程期间产生的区域108a可以通过第三区域与机械压缩区域108b分开。因此，固定区域可以包括第三区域。有利地，第三区域提供又一个固定点，从而增加最终系统在发生不期望的泄漏之前能够承受的最大压力。

图4a示出包括第一区域108a、第二区域108b和第三区域108c的固定区域108的图示。因为通过焊接过程产生或在焊接过程期间产生的区域108a通过第三区域108c与第二区域108b分开，第二框架构件106可以具有凹槽以容纳第三区域108c。第一区域108a的端部由凹槽的起点标记。在存在第三框架构件110的实施例中(诸如图2a的实施例中)，框架构件102、106中的一个的第二边缘102”可以比另一个更短，以容纳第三区域108c。

第三区域108c的固定方法可以包括整体结合、机械变形或机械压缩。在实施例中，第三区域108c可以包括机械压缩。所公开的方法还可以包括通过使用密封部分112机械地压缩膜104来产生第三区域108c。密封部分112抵靠相对的框架构件(即图4a中的框架构件102)机械地压缩膜104。密封部分112可以抵靠相对的框架构件直接地或通过中间层抵靠相对的框架构件间接地机械地压缩膜104，如在本文中所述的那样。密封部分112可以是在本文中所公开的密封部分，诸如密封材料。例如，膜104可以在第三区域108c中通过固体垫片机械地压缩。第三区域108c中的机械压缩可以在膜的所有侧处存在。例如，固体垫片可以是在第三区域108c处周向地围绕膜的中空环或四边形。固体垫片可以是本领域中常用的固体垫片，诸如橡胶垫片。固体垫片可以包括或可以不包括增加或增强第三区域108c中的密封或压缩的轮廓。例如，图4b中图示垫片，包括在外表面上具有凸块的轮廓。

为了用于使第三区域108c分开焊接区域108a和机械压缩区域108b，密封部分112可以位于第一区域108a和第二区域108b中的突起110’之间。第三区域104f中的密封部分112可以具有一定高度h。密封部分112的高度h可以与突起110’的高度h对应或可以不对应。如图4a中那样，当突起110’被包括在第二框架构件106上时，密封部分112可以位于第二框架构件106的凹槽中，所述凹槽在第一区域108a和突起110’之间。在存在第三框架构件110(诸如图2a的实施例中)并且密封部分112的高度h超过邻近的框架构件(即图2a中的框架构件106)的实施例中，密封部分112可以容纳在第三框架构件110上的对应凹槽(未示出)中。

密封部分112可以在膜104的一个表面上抵靠相对的框架构件机械地压缩膜104，如图4a中所示。密封部分112可以在膜104的每个表面上机械地压缩膜104。如图4c中所示，密封部分112机械地压缩膜104的顶部表面，并且另一密封部分112机械地压缩膜104的底部表面。当需要时，每个密封部分112可以容纳在相关框架构件(诸如图4c中的框架构件102)的凹槽中，以便保持框架构件的层处于零间隙或尽可能接近零间隙。

所公开的方法对在电化学过程系统中(诸如在用于氢气产生的电解器或用于水去离子的电渗析单元中)的离子交换膜的装配有用。被固定膜最终装配到的系统可以是单元堆，诸如电池单元堆、电解器单元堆或电渗析单元堆。下文涉及电池单元堆，但是电解器单元堆或电渗析单元堆可以类似地构造。

所公开的方法对电池单元堆的装配有用。电池单元指代用于储存和/或转换能量的电池的最小单元，其包括正极、负极、电解质和隔膜。隔膜将正极及其电解质与负极及其电解质电气地分开，同时确保它们之间的离子传输。电池单元可以是液流电池或氧化还原液流电池的单元。在液流电池中，隔膜是无孔膜，其仅允许离子或电子穿过。当隔膜仅允许离子穿过时，隔膜是离子交换膜。单个单元可以提供约1伏的能量。取决于要求，单个单元或超过一个单元可以与其它层堆叠，以形成可操作电池单元堆。因为可操作电池需要层的堆叠，所以将层固定在一起的所公开的方法是有利的。

图5示出根据本公开的实施例的电池单元堆300的截面图的图示。为了清楚，图5中仅通过附图标记参考每层的一个示例。电池单元堆包括设置在一对电极组件之间的至少一个膜夹层。图5示出两个膜夹层100。每个膜夹层100设置在一对电极组件120之间。电极组件120中的一个由两个膜夹层100共用。邻近两个单元的电极组件可以由两个单元共用。

每个电极组件120可以包括正极或负极或双极板。对于液流电池，在放电或操作期间，正极是阴极并且负极是阳极，而在充电期间，正极是阳极并且负极是阴极。电极组件120还可以包括集电器。例如，阳极可以包括阳极集电器和阳极活性材料，同时阴极可以包括阴极集电器和阴极活性材料。阳极集电器可以包括金属，诸如铜或类似物。阴极集电器可以包括导电金属，诸如铝或类似物。阳极活性材料、阴极活性材料和集电器可以包括任何数量的不同常规和/或专有材料。可以将集电器与活性材料带到紧密接触，以提高电池输出。集电器可以在堆中将活性材料固定在其适当位置，从而延长电池的寿命。

在此，膜104在第一区域中焊接至第一框架构件102。第三框架构件110包括突起110’，所述突起110’在第二区域中在膜104上提供机械压缩。由于突起110’的高度h，使用作为密封材料(诸如热塑性聚合物或热固性聚合物，如环氧树脂或其它类型的胶水或固体垫片)的框架构件106填充第三框架构件110和第一框架构件102之间的空间。因此，膜104可以通过粘合和焊接的组合在第一区域108a中固定，并且膜104可以在第二区域108b中通过第三框架构件110上的突起110’机械地压缩。因此，电池单元堆的框架以流动密封的方式将电解质保持在框架空间内、在该对电极组件120之间并且围绕膜104的活性区域104b，而没有泄漏或具有微小泄漏。电池单元堆300还可以在电极组件120和膜夹层100之间(例如在电极组件120和框架构件102之间和/或在电极组件120和框架构件110之间)包括密封材料(未示出)。电池单元堆300还可以包括使用如在本文中所公开的密封部分(诸如填充材料)占据的任何空间(例如在膜上方的室和/或膜下方的室中)以防止或最小化膜上的机械力。

电池单元堆300还包括在每个最外电极组件的邻近层中的电隔离端板124。电池单元设置在一对电隔离端板124之间。邻近于电极组件层，需要电隔离以防止短路。当电极组件彼此接触时，可能发生短路。电隔离可以由框架构件提供。因此，第一或第二框架构件中的一个可以是电极组件。然而，第一和第二框架构件两者不可以都是电极组件。电隔离端板124可以是框架构件。电隔离端板124可以是电池单元堆的壳体或壳体的部分(即壳体构件)。电隔离可以通过端板124或单独的隔离板(未示出)提供。端板124可以提供用于将电池单元堆的层紧固在一起的方式。端板124可以包括用于紧固件128(诸如螺栓、螺钉、夹具等)的通孔，以将电池单元堆的层保持在一起。替代地，电池单元堆的层可以通过密封(例如通过胶水)紧固在一起。

当电隔离端板124是电池单元堆的壳体或壳体构件时，电池单元可以插入到壳体124或包括壳体构件124的壳体中。壳体或壳体构件124可以提供用于将电池单元堆的层紧固在一起的方式。

Claims (12)

1.一种将隔膜固定至单元堆的第一框架构件的方法，所述方法包括：

产生固定区域，其包括第一区域和第二区域，

其中，产生第一区域包括将隔膜粘合或整体地结合至第一框架构件，或将隔膜粘合和整体地结合至第一框架构件的组合，以及

其中，产生第二区域包括使用框架构件的突起机械地压缩隔膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当隔膜由框架构件的突起机械地压缩时，机械压缩的步骤包括在第一框架构件和第二框架构件之间机械地压缩隔膜，突起设置在第二框架构件上，或机械压缩的步骤包括在第三框架构件和与第三框架构件相对的第一或第二框架构件之间机械地压缩隔膜，突起设置在第三框架构件或相对的第一或第二框架构件上。

3.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，第一区域接近于框架构件的第一边缘，第一边缘表示框架构件的外周边。

4.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，第二区域接近于框架构件的与第一边缘相对的第二边缘，第二边缘表示框架构件的内周边。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其中，当固定的步骤包括粘合或粘合和整体地结合的组合时，粘合步骤包括施加密封材料、粘合剂、热塑性聚合物或热固性聚合物，以将隔膜粘合至第一框架构件。

6.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其中，当固定的步骤包括整体地结合或粘合和整体地结合的组合时，整体地结合的步骤包括超声波焊接过程。

7.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，固定区域包括第三区域，并且方法还包括通过使用密封部分机械地压缩隔膜在第一区域和第二区域之间产生第三区域。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，第一区域通过将分隔件构件整体地结合至第一框架构件而产生，并且第二区域通过使用框架构件的突起机械地压缩隔膜而产生。

9.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，隔膜是离子交换膜。

10.一种单元堆，包括：

以下中的至少一项：

固定至第一框架构件的隔膜，其中，固定区域包括第一区域和第二区域，第一区域包括粘合和/或整体地结合至第一框架构件的隔膜，并且第二区域包括由框架构件的突起机械地压缩的隔膜；以及

一对电极组件，其中，固定至第一框架构件的隔膜设置在该对电极组件之间；

以及

在每个最外电极组件的邻近层中的电隔离端板，

其中，单元堆的层紧固在一起。

11.根据权利要求10所述的单元堆，其中，隔膜根据权利要求1-9中任一项所述的方法固定至第一框架构件。

12.根据权利要求10或11所述的单元堆，其中，隔膜是离子交换膜，并且单元堆配置用于在氧化还原液流电池、电解器或电渗析单元中使用。