Терморегулирование проточных батарей

Жидкостные аккумуляторы (RFB) выделяют много тепла во время работы. Если тепло не может быть рассеяно своевременно и эффективно, температура батареи повысится, что повлияет на производительность и безопасность батареи. Условия электрохимической реакции, ионная проводимость, скорость движения ионов через мембрану и вязкость электролита тесно связаны с температурой во время работы. В частности, повышение температуры может увеличить константу скорости реакции и улучшить кинетику реакции в электрохимической реакции. В то же время высокая температура также снижает вязкость электролита, тем самым увеличивая эффективность передачи ионов ванадия от основного корпуса к поверхности электрода и снижая концентрационный потенциал поляризации. Однако, когда температура превышает определенный диапазон, это будет иметь фатальный эффект.

Принимая ванадиевая окислительно-восстановительная проточная батарея (VRFB), его нормальный диапазон рабочих температур составляет 0–40°C. По мере повышения температуры реакция выделения водорода на отрицательном электроде будет значительно усиливаться, что приведет к снижению кулоновской эффективности. При этом усиливается диффузионная способность ионов ванадия через ионную мембрану, что усиливает затухание емкости. Кроме того, активные ионы ванадия в электролите нестабильны и склонны к осаждению при аномальной температуре. Когда электролит 2 моль/л VO+2+3 моль/л H2SO4 помещают при 40°С на 2 дня, VO+2 превращается в осадок V2O5; и после помещения при 15°C на 7 дней V2+ в электролите выпадет в осадок. Образовавшийся осадок заблокирует канал потока, покроет углеродный войлок и ионную мембрану, приведет к увеличению потерь мощности насоса и выходу из строя батареи.

Устойчивая высокая температура также ускоряет старение внутренних электродов, протонной мембраны и других материалов батареи, тем самым сокращая срок службы батареи. Поэтому температурно-термический контроль имеет большое значение для поддержания стабильной работы проточных батарей.

Чтобы обеспечить стабильную и безопасную работу проточных батарей, необходимо создать тепловую модель для прогнозирования и контроля температуры электролита и дальнейшего управления оптимизацией батареи, что также является важной частью системы термоменеджмента.

К факторам, выделяющим тепло при работе полностью ванадиевых жидкостных проточных аккумуляторов, относятся электрохимические реакции, перенапряжение, гидравлическое трение, перекрестные реакции и шунты, среди которых электрохимические реакции и перепотенциальное тепловыделение занимают большую долю по сравнению с остальными тремя.

В настоящее время технологические маршруты электрохимических систем хранения энергии в основном разделены на четыре категории: воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение, охлаждение с помощью тепловых трубок и охлаждение с фазовым переходом. Основными технологическими направлениями терморегулирования жидкостных аккумуляторных накопителей энергии на рынке являются воздушное охлаждение и жидкостное охлаждение. Выбор этих способов отвода тепла зависит от масштаба, конструкции, условий эксплуатации и экономической эффективности аккумулятора.

1) Воздушное охлаждение

Воздушное охлаждение — это ветровое охлаждение, при котором воздух используется в качестве среды для отвода тепла внутри системы за счет теплопроводности и тепловой конвекции, тем самым охлаждая систему. Воздушное охлаждение делится на естественное воздушное охлаждение и принудительное воздушное охлаждение в зависимости от режима движения. При естественном воздушном охлаждении используются естественные условия, такие как естественное давление ветра, разница температур и плотность воздуха, для достижения охлаждающего эффекта на аккумуляторе.

Коэффициент конвекционной теплопередачи естественного воздушного охлаждения значительно ниже, чем у принудительного воздушного охлаждения, поэтому полностью рассеять тепло, выделяемое батареей, сложно. При низкоскоростном заряде и разряде аккумулятора температуру системы можно контролировать в определенном температурном диапазоне, но увеличение плотности тока системы может легко привести к выходу температуры за пределы предельного диапазона. Поэтому, хотя естественное воздушное охлаждение имеет преимущества простоты, легкости и дешевизны, сфера его применения крайне мала и в настоящее время изучается редко. Принудительное воздушное охлаждение предназначено для отвода тепла посредством принудительного воздушного потока, создаваемого нагнетателем или вентилятором. В это время коэффициент теплопередачи принудительного воздушного потока значительно улучшается. По сравнению с жидкостным охлаждением воздушное охлаждение имеет преимущества простой конструкции, простоты обслуживания и низкой стоимости, но требует определенного количества электроэнергии, а эффективность рассеивания тепла, скорость рассеивания тепла и однородность температуры являются плохими. Обычно он подходит для аккумуляторных систем небольшого или среднего размера.

2) Жидкостное охлаждение

Жидкостное охлаждение (жидкостное охлаждение) использует охлаждающую жидкость в качестве среды и использует более высокую удельную теплоту и коэффициент теплопередачи для рассеивания тепла. Системы жидкостного охлаждения могут обеспечить более высокую эффективность рассеивания тепла и лучший эффект контроля температуры, но сложность и стоимость системы также относительно высоки и подходят для больших аккумуляторных систем. Обычно используемые охлаждающие жидкости включают воду, водный раствор этиленгликоля, чистый этиленгликоль, хладагент для систем кондиционирования воздуха и силиконовое масло. Поскольку заряд в электролите проточной батареи легко стекает по теплоносителю во всю систему, это более опасно, поэтому выбор охлаждающей среды также очень важен. Однако наиболее распространенным методом для проточных батарей является использование коррозионностойких и непроводящих теплообменников. Внутренние материалы, как правило, такие же, как и в резервуарах для хранения электролита, с использованием ПВХ или ПП или с использованием металлических трубчатых теплообменников из титана, а внутренняя поверхность покрыта коррозионностойким слоем TiO2 для защиты теплообменника от сернокислотной коррозии. .

Проблема перегрева ванадиевой проточной батареи во время работы, как одной из наиболее перспективных технологий хранения возобновляемой энергии, существенно влияет на эффективность и стабильность системы. Следовательно, необходимы различные возможные методы, чтобы обеспечить реальное решение для системы управления температурным режимом VRFB.