一种应用于液流电池的热管-相变材料耦合热管理装置

本发明涉及热管理，特别是涉及一种应用于液流电池的热管-相变材料耦合热管理装置。

背景技术：

1、随着社会和经济的发展，人类对能源的需求日益增加，而煤炭、石油等传统化石能源的大量消耗造成的环境压力日益增加。因此，各国家对于低污染、可再生能源的关注度持续增加。但以风能、太阳能发电为代表的可再生能源发电受时间、昼夜和季节等因素的影响，具有明显的不连续、不稳定和不可控的非稳态特性，需要额外的备用容量来实现动态平衡，给现有电力系统运行带来了巨大挑战。而大规模高效储能技术是解决可再生能源发电不稳定的重要途径。

2、锌溴液流电池作为液流电池的一种，由于具有成本低、能量密度高、安全性好、环境友好等特点，在大规模储能领域具有较好的应用前景。尽管锌溴液流电池拥有诸多优势，但其运作温度范围成为限制其应用的严重阻碍，锌溴液流电池正常工作温度被限制在20℃-50℃，温度过低会导致电解液的溶解度较低，而温度过高会导致催化剂失活，电解液沉淀，严重影响电池安全高效运行。因此，精准高效的热管理技术对锌溴液流电池整体性能的提升具有重要意义。

3、锌溴液流电池电解液置于电池堆外部，在循环泵的推动下流经电堆，通过电化学反应实现电能与化学能的转换并实现电能的存储与释放。同时，也正是这种电解液外置的结构，使得锌溴液流电池的热管理相比固态电池更具优势。目前，液流电池主要通过电池系统外部安装风扇或者室内安装空调来进行控温，能耗较高，降低了液流电池总储能效率。专利cn 107123823a公开了一种利用相变材料调控温度的液流电池热管理方法，可利用相变材料的相变潜热对电池系统进行短时间的温度调控。但是通过这种方法在长时间极端环境下(温度过高过低)电池热管理效果会很差，导致电池储能效率降低。

4、因此，如何保证液流电池在极端环境下长时间稳定高效运行对液流电池的产业化发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种应用于液流电池的热管-相变材料耦合热管理装置，保证液流电池在长时间极端条件下稳定高效运行。

2、本发明的技术方案，一种应用于液流电池的热管-相变材料耦合热管理装置，包括液流电池储液罐、相变材料包覆层和泵辅助平行流环路热管系统，液流电池储液罐包括正极罐和负极罐；

3、正极罐、负极罐分别通过管路以及第二循环泵连接至液流电池的电堆单元；电堆单元包括电极和隔膜；

4、正极罐、负极罐、电极、隔膜以及第二循环泵和用于连接的管路组合成锌溴液流电池；电解液通过管路和第二循环泵在液流电池储液罐和电堆单元中循环流动；

5、泵辅助平行流环路热管系统包括冷凝器、第一循环泵和蒸发器；

6、蒸发器设置在液流电池储液罐内部；液流电池储液罐产生的热量经过蒸发器带出，并通过冷凝器与空气换热降温；制冷剂在管路中循环流动；

7、相变材料包覆层使用金属外壳封装，并直接与液流电池储液罐接触换热；相变材料包覆层内填充相变材料。

8、优选的，相变材料包覆层中填充的相变材料的相变温度在20-60℃。

9、优选的，相变材料包覆层中填充的相变材料包括石蜡、十六烷、十水硫酸钠、肉豆蔻酸一种或多种相变材料的组合。

10、相变材料包覆层内设置泡沫金属支撑件；相变材料包覆层以泡沫金属支撑件为骨架在金属外壳内侧形成十字形支撑结构；相变材料通过真空注入的方式注入相变材料包覆层中；相变材料包覆层的一侧紧贴着液流电池储液罐，另一侧设置保温层。

11、泵辅助平行流环路热管系统中嵌入液流电池储液罐中的部分均采用聚四氟乙烯材料制成。

12、泵辅助平行流环路热管系统还包括上升管、储液罐和下降管；

13、上升管用于连接蒸发器和冷凝器，将制冷剂从蒸发器导入至冷凝器中；

14、下降管从冷凝器的出口引出，依次连接储液罐和第一循环泵后连接至蒸发器的入口；储液罐用于存储制冷剂；

15、泵辅助平行流环路热管系统可被动散热或启动第一循环泵主动散热。

16、优选的，液流电池温度高于60℃时，则启动热管系统中的第一循环泵加大制冷剂流量，强化换热。

17、优选的，泵辅助平行流环路热管系统中冷凝器为微通道热管冷凝器、蒸发器为微通道热管蒸发器。

18、与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

19、本发明通过热管中制冷介质和相变材料在相变过程中吸收和释放热量来实现液流电池热量的传输和转移，而不需要额外能量，从而提高液流电池储能效率，降低液流电池的热管理成本。

20、本发明以相变材料和热管制冷剂作为被动式热管理的传热介质，极端环境下辅以循环泵运行，减少了热管理的能耗。相比传统空调系统，可有效减轻电池运行负荷，提高电池的有效能量密度，使电池维持较高的储能效率。

技术特征：

1.一种应用于液流电池的热管-相变材料耦合热管理装置，包括液流电池储液罐(3)、相变材料包覆层(5)和泵辅助平行流环路热管系统，其特征在于：液流电池储液罐(3)包括正极罐和负极罐；

2.根据权利要求1所述的一种应用于液流电池的热管-相变材料耦合热管理装置，其特征在于，相变材料包覆层(5)中填充的相变材料的相变温度在20-60℃。

3.根据权利要求1所述的一种应用于液流电池的热管-相变材料耦合热管理装置，其特征在于，相变材料包覆层(5)中填充的相变材料包括石蜡、十六烷、十水硫酸钠、肉豆蔻酸一种或多种相变材料的组合。

4.根据权利要求1所述的一种应用于液流电池的热管-相变材料耦合热管理装置，其特征在于，相变材料包覆层(5)内设置泡沫金属支撑件(53)；相变材料包覆层(5)以泡沫金属支撑件(53)为骨架在金属外壳(51)内侧形成十字形支撑结构；相变材料(52)通过真空注入的方式注入相变材料包覆层(5)中；相变材料包覆层(5)的一侧紧贴着液流电池储液罐(3)，另一侧设置保温层(54)。

5.根据权利要求1所述的一种应用于液流电池的热管-相变材料耦合热管理装置，其特征在于，泵辅助平行流环路热管系统中嵌入液流电池储液罐(3)中的部分均采用聚四氟乙烯材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种应用于液流电池的热管-相变材料耦合热管理装置，其特征在于，泵辅助平行流环路热管系统还包括上升管(9)、储液罐(10)和下降管(11)；

7.根据权利要求6所述的一种应用于液流电池的热管-相变材料耦合热管理装置，其特征在于，液流电池温度高于60℃时，则启动热管系统中的第一循环泵(2)加大制冷剂流量，强化换热。

8.根据权利要求1所述的一种应用于液流电池的热管-相变材料耦合热管理装置，其特征在于，泵辅助平行流环路热管系统中冷凝器(1)为微通道热管冷凝器、蒸发器(4)为微通道热管蒸发器。

技术总结
本发明涉及热管理技术领域，特别是涉及一种应用于液流电池的热管‑相变材料耦合热管理装置包括液流电池储液罐、相变材料包覆层和泵辅助平行流环路热管系统，其中电解液通过管路和第二循环泵在液流电池储液罐和电堆单元中循环流动；泵辅助平行流环路热管系统中蒸发器设置在液流电池储液罐内部；液流电池储液罐产生的热量经过蒸发器带出，并通过冷凝器与空气换热降温；制冷剂在管路中循环流动；相变材料包覆层使用金属外壳封装，并直接与液流电池储液罐接触换热。本发明通过热管中制冷介质和相变材料在相变过程中吸收和释放热量来实现液流电池热量的传输和转移，而不需要额外能量，从而提高液流电池储能效率，降低液流电池的热管理成本。

技术研发人员：陈振乾,生丽莎
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21