适用于液流电池储罐的换热装置的制作方法

1.本实用新型主要涉及液流电池领域，尤其涉及一种适用于液流电池储罐的换热装置。


背景技术：

2.通过不同钒离子的价态变化来实现化学能与电能之间相互转化的全钒氧化还原液流电池(all vanadium redox flow battery,简称全钒液流电池)，因其循环寿命长、充放电特性良好、能量转换效率高、系统设计灵活、安全可靠等特点成为大规模储能技术领域的重要选择。其系统主要包括双极板、碳毡、质子交换膜、电解液等关键材料，其中，为系统提供反应活性物质的电解液是全钒液流电池的核心材料之一。更具体地说，关系钒电池性能的两大重要指标是电池功率和电池容量。电池功率由电堆的功率决定，并可通过增加单个电堆的数量和面积来提高电池功率，而电池容量则储存在电解液中，电解液中活性物质的含量及活性物质的利用率会严重影响电池的充放电性能。全钒液流电池的正负极分别采用v(iv)/v(v)和v(iii)/v(ii)电对作为电解液，可见，钒离子的浓度越高，有利于促进增长钒电池所储存的能量。
3.然而事实上，在全钒液流电池系统充电完毕工况下，正极电解液中v(v)浓度较高，当电池的运行温度高于45℃时，正极溶液极易析出v2o5沉淀，导致参与反应的有效电解液容量降低，甚至沉淀会大量附着在多孔电极表面上，进一步击穿质子交换膜，严重破坏电堆。因此，开发一种高效的换热装置，使得系统循环输出的正极电解液温度合理受控，显得尤为重要。截止到目前，冷却电解液技术的解决方案还相对不足。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是提供一种适用于液流电池储罐的换热装置，可以有效的对储罐内流动的电解液进行降温，提高液流电池运行的安全性和可靠性。
5.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种适用于液流电池储罐的换热装置，包括：换热箱，位于所述储罐内；连通所述换热箱内外的至少一条冷凝介质流通管路；连通所述换热箱内外的至少一条电解液流通管路，其中，所述换热箱的外壁上开设有至少一个冷凝介质流通进口、至少一个冷凝介质流通出口、至少一个电解液流通进口以及至少一个电解液流通出口，所述换热箱的内部包括：冷凝介质流动区，通过所述冷凝介质流通进口和所述冷凝介质流通出口与所述冷凝介质流通管路连通；以及电解液流动区，通过所述电解液流通进口和所述电解液流通出口与所述电解液流通管路连通，其中，所述冷凝介质流动区与所述电解液流动区在所述换热箱内局部或整体的交替排布，以使所述电解液流动区内流动的电解液与所述冷凝介质流动区内的冷凝介质换热。
6.在本实用新型的一实施例中，所述电解液流动区包括多个分散排布的直管，并且在所述换热箱的内部，所述直管之外的区域形成所述冷凝介质流动区。
7.在本实用新型的一实施例中，所述电解液流动区包括多个分散排布的螺旋管，并
且在所述换热箱的内部，所述螺旋管之外的区域形成所述冷凝介质流动区。
8.在本实用新型的一实施例中，所述换热箱还包括多个热交换板，每个热交换板具有适于冷凝介质流动的第一面和适于电解液流动的第二面，在水平方向上，每两个相邻的热交换板的相对的一侧均为所述第一面或均为所述第二面，相邻的两个所述第一面形成所述冷凝介质流动区、且相邻的所述第二面形成所述电解液流动区。
9.在本实用新型的一实施例中，所述换热箱内还包括电解液汇入区和电解液汇出区，所述电解液汇入区和所述电解液汇出区的一侧分别具有所述电解液流通进口和所述电解液流通出口、另一侧与所述电解液流动区连通。
10.在本实用新型的一实施例中，所述换热箱还包括位于所述冷凝介质流动区中的一个或多个折流板，所述折流板自所述换热箱内壁向所述换热箱内部延伸，且每个折流板开设有适于所述电解液流动区穿过的开孔。
11.在本实用新型的一实施例中，还包括位于所述储罐内壁的多个间隔排布的断续凸台，所述换热箱位于所述断续凸台上从而固定位于所述储罐中。
12.在本实用新型的一实施例中，还包括位于所述储罐内壁的连续凸台，所述换热箱位于所述连续凸台上从而固定位于所述储罐中，其中，所述连续凸台的上表面具有贯穿所述连续凸台的通孔，所述通孔适于提供电解液由所述换热装置向所述储罐中所述换热装置之外的区域流动的通路。
13.在本实用新型的一实施例中，还包括固定位于所述储罐底部的换热箱支撑体，所述换热箱固定位于所述换热箱支撑体中从而固定位于所述储罐中。
14.在本实用新型的一实施例中，所述换热箱支撑体包括换热箱容纳部以及换热箱支撑部，所述换热箱容纳部适于容纳所述换热箱，所述换热箱支撑部连接所述换热箱容纳部与所述储罐底部以使所述换热箱固定位于所述储罐中。
15.与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：本实用新型提出的适用于液流电池储罐的换热装置，结合储罐的结构特性设置固定的冷凝介质流动区和电解液流动区，以使流入储罐的电解液可以与冷凝介质充分的换热。基于上述所提供的装置，可有效控制正极电解液中v2o5沉淀的析出，维持正极电解液的容量及稳定运行。此外，它还有助于保护电极免受破坏，实现电堆的稳定充放电，明显提高系统的充放电效率。本实用新型所开发的冷却装置，可实现工业化的大规模生产。
附图说明
16.包括附图是为提供对本技术进一步的理解，它们被收录并构成本技术的一部分，附图示出了本技术的实施例，并与本说明书一起起到解释本实用新型原理的作用。附图中：
17.图1是本实用新型一实施例的一种适用于液流电池储罐的换热装置位于液流电池储罐内的剖面示意图；
18.图2是本实用新型另外一实施例的一种适用于液流电池储罐的换热装置的剖面示意图；
19.图3是本实用新型一实施例的一种适用于液流电池储罐的换热装置中热交换板的结构示意图；
20.图4和图5分别是本实用新型一实施例的一种适用于液流电池储罐的换热装置中
断续凸台和连续凸台的结构示意图；以及
21.图6是本实用新型另外一实施例的一种适用于液流电池储罐的换热装置中换热箱支撑体的剖面示意图。
具体实施方式
22.为了更清楚地说明本技术的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本技术应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
23.如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
24.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
25.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
26.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
27.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。此外，尽管本技术中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本技术说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义
在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本技术。
28.应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。
29.参照图1，本实用新型的一实施例提出了一种适用于液流电池储罐100的换热装置10(以下均简称“换热装置10”)，可以有效的对储罐100内流动的电解液进行降温，提高液流电池运行的安全性和可靠性。
30.如图1所示，换热装置10包括换热箱13、连通换热箱13内外的冷凝介质流通管路11以及连通换热箱13内外的电解液流通管路12。其中，换热箱13位于液流电池储罐100内，换热箱13的外壁上开设有冷凝介质流通进口111、冷凝介质流通出口112、电解液流通进口121以及电解液流通出口122。更具体的，换热箱13的内部包括冷凝介质流动区131和电解液流动区132，其中，冷凝介质流动区131通过冷凝介质流通进口111和冷凝介质流通出口112与冷凝介质流通管路11连通，冷凝介质流通管路11连通换热箱13的内外，并进一步连通至储罐100之外；电解液流动区132通过电解液流通进口121和电解液流通出口122与电解液流通管路12连通，相似地，电解液流通管路12连通换热箱13的内外，并进一步连通至储罐100之外。在图1中可以看出的是，冷凝介质流动区131与电解液流动区132在换热箱13内交替排布，以使电解液流动区132内流动的电解液与冷凝介质流动区131内的冷凝介质换热，从而使得储罐100内流动的电解液进行有效的降温，提高液流电池运行的安全性和可靠性。
31.在图1示出的实施例中，冷凝介质流通管路11和电解液流通管路12所展示的数量均为两条，各自为通过进口111和121流入换热箱13和通过出口112和122流出换热箱13的两条管路，但是本实用新型不对于电解液流通管路、冷凝介质流通管路、电解液流通进出口以及冷凝介质流通进出口的数量做出限制。在本实用新型的其他实施例中，电解液和冷凝介质的进出口数量可以按照实际需求而灵活的设定，同时，电解液流通管路和冷凝介质流通管路的数量和排布也可以灵活设定。另一方面，冷凝介质流通进口的数量和冷凝介质流通出口的数量也不一定一一对应，例如，在本实用新型的一些其他的实施例中，可以具有2个冷凝介质流通进口、而仅具有1个冷凝介质流通出口。这样的设定同样适用于电解液流通进口和电解液流通出口。还需要说明的是，在图1中，冷凝介质流通管路11向外还需要连接位于储罐100外冷却系统的其他构件以提供必要的冷却循环条件，而位于储罐100最底部的电解液流通管路120则适于提供电解液从储罐100内流出的路径。
32.进一步的，在图1示出的实施例中，冷凝介质流动区131和电解液流动区132互相交替排布，由此可以使得电解液和冷凝介质充分换热。但是本实用新型不以图1示出的样式为限，在本实用新型一些其他的实施例中，冷凝介质流动区和电解液流动区之间可以局部交替排布或者整体交替排布，从而实现冷凝介质和电解液采用并流、逆流或交叉流的流向配置方式，以使冷凝介质和电解液在不同程度上换热，本实用新型不对此做出限制。
33.进一步具体的，在图1示出的实施例中，电解液流动区132包括多个分散排布的直管，并且在换热箱13的内部，直管之外的区域形成冷凝介质流动区131。然而本实用新型不以此为限，在如图2示出的实施例中，电解液流动区132包括多个分散排布的螺旋管，并且在
换热箱13的内部，螺旋管之外的区域形成冷凝介质流动区131。在这样的实施例中，螺旋管的选用可以增大电解液与冷凝介质的换热面积，延长两者的换热时间，具有更好的换热效果。
34.取决于本实用新型的换热装置所处的储罐构造的不同，以上描述的直管和螺旋管可以根据储罐的实际构造而有不同的排布方式。例如，当储罐的横截面为圆形时，上述的直管和螺旋管可以均匀以及分散地排布在储罐中，并且根据对电解液冷凝效果需求的不同，技术人员可以自定义直管/螺旋管排布的密集程度。另一方面，在本实用新型的一些实施例中，根据应用场景的不同需求，直管/螺旋管可能在储罐内不均匀地排布。在电解液流动区为直管/螺旋管的实施例中，本实用新型不对于储罐内螺旋管/直管的排布数量和位置做出限定。
35.除了直管和螺旋管的实施例，本实用新型提出的换热装置在一些实施例中还可以采用热交换板的形式。如图3所示，是可以适用于本实用新型一换热装置的热交换板30的示例。在换热箱中的每个热交换板具有适于冷凝介质流动的第一面(例如是图3中背面a面)和适于电解液流动的第二面(例如是图3中正面b面)。在图3示出的实施例中，两面上均具有适于液体流动的凹槽，且两面上的凹槽走向互为垂直方向。但是本实用新型不以图3示出的示例为限。在本实用新型的一些其他的实施例中，两面上的凹槽走向只需要互有交叉即可，不必遵循严格的垂直方向设定。另外，两面上的凹槽除了图3示出的样式外，还可以具有其他的变型，如蛇形流道、直流型流道等等。
36.进一步具体的，如果如图3所示的热交换板30放置在如图1和图2所示的换热箱13中，在换热箱13的水平方向上，每两个相邻的热交换板30的相对的一侧同时均为第一面a或同时均为第二面b。即在换热箱13的内部，所有的热交换板30以ab-ba-ab
‑…
的次序摆放。由此，相邻的两个第一面a面在组合后由相对的流道构成的腔体自然形成冷凝介质流动区131，而相邻的两个第二面b在组合后由相对的流道构成的腔体自然形成电解液流动区132。可以理解的是，在摆放时还需要考虑在换热箱13中电解液和冷凝介质的流向，以使其与电解液流通管路与冷凝介质流通管路相适配。
37.继续参考图1和图2，换热箱13的内部还包括电解液汇入区133和电解液汇出区134。在图1和图2示出的实施例中，电解液汇入区133和电解液汇出区134这两个区域的一侧分别具有电解液流通进口121和电解液流通出口122、另一侧则与电解液流动区132连通。在图1和图2中，电解液汇入区133和电解液汇出区134分别用带箭头的虚线提示了电解液的走向，通过增加电解液汇入区133和电解液汇出区134，可以使得电解液在流入和流出换热箱13之前先进行融合，以使得换热效果更为均匀，从而提升液流电池的稳定性。可以理解的是，以电解液汇入区133为例，电解液汇入区133与换热箱13的交界面处，每一个如图1所示的直管或如图2所示的螺旋管均与电解液汇入区133打通，而换热箱13中的冷凝介质流动区131则与电解液汇入区133不连通。电解液流出区134也可以做相似的理解。由此实现当电解液按照图1或图2中虚线箭头所示的方向流入电解液汇入区133后，会直接的流入电解液流动区132，并最终流入电解液汇出区134。
38.另一方面，在图1和图2示出的实施例中，换热箱13还包括位于冷凝介质流动区中的多个折流板135，折流板135自换热箱13的内壁向换热箱内部延伸。具体来说，每个折流板135上开设有适于电解液流动区132穿过的开孔，由此，折流板135在换热箱13的内部便位于
局部的冷凝介质流动区131中，从而可以使得冷凝介质的流动速度变换，以实现冷凝介质和电解液更加充分换热的效果。
39.以上是对于本实用新型的换热装置的说明，下面根据图4～6对于本实用新型提出的换热装置的换热箱如何固定位于储罐中予以进一步阐述。在本实用新型的一些实施例中，换热装置还包括固定位于储罐内壁的断续凸台或连续凸台、或者固定位于储罐底部的换热箱支撑体，换热箱固定位于断续凸台、连续凸台或换热箱支撑体中从而固定位于储罐中。下面参照图4～6列举几个不同的典型实施例。这几种换热装置的固定方式均可应用于如图1～2所示的实施例中，因此，相同的部分采用了相同的标号。
40.首先，参照图4所示，在该实施例中的换热装置包括位于储罐100内壁的多个间隔排布的断续凸台41，如图1和图2所示的换热箱13可以坐落在断续凸台41上，从而固定在储罐100内。由于断续凸台41是间断的，因此不会对电解液由换热箱13向储罐内100流动造成阻碍，例如是从图1和图2所述的电解液汇出区134流向储罐内的其他区域以进行储存。
41.进一步的，在图5所示的实施例中，换热装置包括位于储罐100内壁的连续凸台51，换热箱13仍然可以坐落在连续凸台51上从而固定在储罐100内。但是在这样的实施例中，为了使得电解液可以在换热装置中经过换热后流向储罐100内的其他区域以进行储存，在连续凸台51的上表面还设置有贯穿该连续凸台51的通孔510。通孔510提供了电解液由换热装置向储罐100中换热装置之外的区域流动的通路。可以理解的是，本实用新型不对于断续凸台的数量以及在断续凸台和连续凸台在储罐内的排布位置做出限定，在实际应用中可以根据换热装置的大小进行相应的设置。
42.另一方面，在如图6所示的实施例中，换热箱13通过换热箱支撑体60固定在储罐100中。换热箱支撑体60包括换热箱容纳部61以及换热箱支撑部62。换热箱容纳部61适于容纳换热箱13，而换热箱支撑部62连接换热箱容纳部61与储罐100的底部，以使换热箱13固定位于储罐100中。在图6示出的实施例中，换热箱支撑部62采用的是四根立柱的形式，但是本实用新型不以这样的结构为限。
43.可以理解的是，为了提升换热箱支撑体的稳固性从而使得换热箱更加牢固的安装在储罐中，上述示例性描述的断续凸台、连续凸台或者换热箱支撑部均可以通过焊接等方式固定的安装在储罐的内壁以及底部。
44.需要说明的是，本实用新型提出的换热装置在配置时需要考虑材质，使其耐受钒电解液的腐蚀性，不只局限于塑料(pvc、pvdf、pp)、纯钛以及陶瓷等。并且，本实用新型还提出了多个流通管路和与储罐相连通的流体进出口，例如，电解液流通管路和冷凝介质流通管路以及二者相应的流通进出口。针对这样的构造，流通进出口需配置相应的法兰、密封垫片等基础零部件，以增强密封性并提高在电解液换热过程中的稳定性和安全性。同时，为防止运行过程中，不同材质导致的管路变形，储罐内管路及与储罐相连通的管路配件应保持一样的材质。
45.另外，在前文中没有详细阐述的是，本实用新型的冷凝介质流通管路向内连接了储罐以及其中的换热箱，向外还可以连接外冷却循环系统，包括节流装置、压缩机和冷凝器等等。冷凝介质为低温液态，其经节流装置调节流量后，进入换热箱与高温电解液进行换热，同时变成高温气态物质，随后再经节流装置后，进入压缩机，变成高温高压的气态物质，经冷凝器冷却为液态后，回到装有冷凝介质的储液罐内，此为冷凝介质的一次循环。由于外
冷却循环系统可以参考现有技术，在此不做展开。
46.本实用新型提出的适用于液流电池储罐的换热装置内置并集成在电解液的储罐内部，通过补充外部冷凝介质，对电解液进行降温处理。在本实用新型的不同实施例中，换热箱的大小可根据电解液的实际流通量进行适当的尺寸更改。并且，换热箱中的电解液流动区的形状构造，或者当选用直管或螺旋管时管路的排布和走向，均无特殊的限定。领域内的技术人员可根据实际换热量需求对换热器内流体管路进行适当的数量、管径、管长等方面的设计和调整。采用本实用新型的换热装置，将换热箱集成于储罐内，不只可抑制生成v2o5黄色沉淀物、保护电堆，同时优化了系统的集成空间。
47.上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述实用新型披露仅仅作为示例，而并不构成对本技术的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本技术进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本技术中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本技术示范实施例的精神和范围。
48.同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
49.同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个实用新型实施例的理解，前文对本技术实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
50.一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有
±
20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本技术一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
51.虽然本技术已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本技术，在没有脱离本技术精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本技术的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本技术的权利要求书的范围内。