一种全钒液流电池换热系统的制作方法

本发明涉及液流电池储能，具体涉及对多电堆的全钒液流电池中电解液冷却的换热系统。

背景技术：

1、液流电池在充放电时，随着电化学反应的发生，伴随着吸热或放热过程，导致电池储能系统储能介质溶液发生温度的变化，热量的产生或吸收主要包括反应热、极化热、焦耳热、自放电发热以及机械能转化为热能。目前，全钒液流电池直流侧充放电效率达75％～85％，能量损失率为15％～25％。根据对典型的全钒液流电池实际运行数据的测量和统计，约有10～15％的充电能量会转化为热能并储存至电解液中。

2、全钒液流电池系统中热量的产生及随之带来的电解液和其他部件温度的变化会对电解液的循环稳定性、容量利用率及电池效率等产生影响。一定范围内，随着电解液温度升高，电池的系统转化效率及容量会随之升高，但随着电解液温度升高超过一定范围后，电解液循环稳定性下降，五价钒离子会沉淀析出，造成系统管路、泵及电堆发生堵塞，造成安全隐患，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，需采用换热设备对电解液进行换热，保障系统正常运行。

3、目前常用立式或卧式换热器对液流电池电解液进行换热，但上述换热器体积较大，需占用液流电池机柜或集装箱内较大的空间，难以实现液流电池储能系统的高集成度及轻量化；并且，由于其庞大的空间，通常只能对正极电解液进行换热降温。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种液流电池换热系统，以解决现有技术中换热装置体积大、只能对正极电解液换热从而电堆进口电解液温度难以精确控制的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

3、一种全钒液流电池换热系统，包括电解液储罐、多个电堆、循环管路、多个夹套式换热器、制冷单元和电池管理bms系统；所述循环管路包括设有循环泵的主循环管路和若干支循环管路，所述主循环管路与所述电解液储罐连接，所述支循环管路将所述电堆和所述换热器一一对应连接且并联式汇于所述主循环管路；所述支循环管路与所述换热器通过法兰连接，所述换热器包括供电解液流通的管路和供冷却介质流通的壳体，所述壳体通过冷却管路与所述制冷单元连接；所述bms系统通过电连接采集所述电堆运行信息、堆后电解液温度检测信息并控制所述制冷单元功率。

4、进一步的，所述换热器壳体内设有相互交错的挡板，所述挡板的单片横截面积取总冷却介质流通面积的25％～75％。

5、进一步的，所述换热器管路的直径保证内部电解液在平稳工况下流速为0.5～3m/s。

6、进一步的，所述换热器壳体的直径保证内部冷却介质在平稳工况下流速为0.2～2.4m/s。

7、进一步的，当所述换热器管路为多根时，所述管路彼此之间的最小管间距应为所述管路外径的1.2～1.5倍。

8、进一步的，所述换热器的管路为直管、盘管、蛇形管、锯齿管的一种或多种。

9、进一步的，所述换热器的壳体、管路以及所述法兰的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、钛、钛合金、不锈钢、环氧树脂、尼龙6、尼龙66、聚醚醚酮中的一种或多种材料复合。

10、进一步的，所述冷却介质为水、乙二醇、丙三醇、氟利昂、磷酸三苯酯、氯化钠溶液、尿素溶液、二硫化碳、溴化锂、空气、丙烯酰胺、氮气、霍普芬醇、聚丙烯酸酯中的一种或多种。

11、进一步的，制冷单元输出功率由所述bms系统实时调控，通过采集电堆运行基本参数，计算当前制冷单元输出功率，计算公式为：

12、

13、其中，tm为流出电堆的电解液温度；t0为目标调整电解液温度；m为电解液质量流量；η为换热效率；c为电解液质量热容；目标调整电解液温度t0范围为35～40℃。

14、进一步的，所述电解液储罐为正极电解液储罐或/和负极电解液储罐。

15、本发明的技术方案，一方面实现了液流电池电解液换热系统体积占比小，可以有效提升整个液流电池储能系统的高集成度及轻量化；另一方面，构造简单，尤其对于多电堆(两个及以上)的液流电池储能系统，能够多点位进行换热，不仅精确控制电堆进口电解液温度，而且相比现有技术，对系统管路布局及换热器位置设计要求较低；同时，通用性强，对于已建成的液流电池储能系统，可通过将部分管路进行替换的方式增添或调整系统换热量，方便实现系统升级改造。本技术方案，根据需求还可以用于对负极电解液的循环降温，辅助提升电池效率。

技术特征：

1.一种全钒液流电池换热系统，包括电解液储罐、多个电堆和循环管路，其特征在于还包括多个夹套式换热器、制冷单元和电池管理bms系统；所述循环管路包括设有循环泵的主循环管路和若干支循环管路，所述主循环管路与所述电解液储罐连接，所述支循环管路将所述电堆和所述换热器一一对应连接且并联式汇于所述主循环管路；所述支循环管路与所述换热器通过法兰连接，所述换热器包括供电解液流通的管路和供冷却介质流通的壳体，所述壳体通过冷却管路与所述制冷单元连接；所述bms系统通过电连接采集所述电堆运行信息、堆后电解液温度检测信息并控制所述制冷单元功率。

2.如权利要求1所述的一种全钒液流电池换热系统，其特征在于所述换热器壳体内设有相互交错的挡板，所述挡板的单片横截面积取总冷却介质流通面积的25％～75％。

3.如权利要求1所述的一种全钒液流电池换热系统，其特征在于所述换热器管路的直径保证内部电解液在平稳工况下流速为0.5～3m/s。

4.如权利要求1所述的一种全钒液流电池换热系统，其特征在于所述换热器壳体的直径保证内部冷却介质在平稳工况下流速为0.2～2.4m/s。

5.如权利要求1所述的一种全钒液流电池换热系统，其特征在于当所述换热器管路为多根时，所述管路彼此之间的最小管间距应为所述管路外径的1.2～1.5倍。

6.如权利要求1-5任一所述的一种全钒液流电池换热系统，其特征在于所述换热器的管路为直管、盘管、蛇形管、锯齿管的一种或多种。

7.如权利要求1-5任一所述的一种全钒液流电池换热系统，其特征在于所述换热器的壳体、管路以及所述法兰的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、钛、钛合金、不锈钢、环氧树脂、尼龙6、尼龙66、聚醚醚酮中的一种或多种材料复合。

8.如权利要求1-5任一所述的一种全钒液流电池换热系统，其特征在于所述冷却介质为水、乙二醇、丙三醇、氟利昂、磷酸三苯酯、氯化钠溶液、尿素溶液、二硫化碳、溴化锂、空气、丙烯酰胺、氮气、霍普芬醇、聚丙烯酸酯中的一种或多种。

9.如权利要求6所述的一种全钒液流电池换热系统，其特征在于制冷单元输出功率由所述bms系统实时调控，通过采集电堆运行基本参数，计算当前制冷单元输出功率，计算公式为：

10.如权利要求6所述的一种全钒液流电池换热系统，其特征在于所述电解液储罐为正极电解液储罐或/和负极电解液储罐。

技术总结
本发明公开了一种全钒液流电池换热系统，包括电解液储罐、多个电堆、循环管路、多个夹套式换热器、制冷单元和电池管理BMS系统；循环管路包括设有循环泵的主循环管路和若干支循环管路，主循环管路与电解液储罐连接，支循环管路将电堆和换热器一一对应连接且并联式汇于主循环管路；支循环管路与换热器通过法兰连接，换热器包括供电解液流通的管路和供冷却介质流通的壳体，壳体通过冷却管路与制冷单元连接；BMS系统通过电连接采集电堆运行信息、堆后电解液温度检测信息并控制制冷单元功率。本技术方案的换热系统体积占比小、系统集成度高，并且可以针对多电堆储液系统进行多个位点进行换热，并且方便增添或调整系统换热量，实现系统升级改造。

技术研发人员：谭皓,林朱凡,张虔诚,李艇
受保护的技术使用者：中控技术股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12