Топлинно управление на проточни батерии

Течни батерии (RFB) генерират много топлина по време на работа. Ако топлината не може да бъде разсеяна своевременно и ефективно, температурата на батерията ще се повиши, като по този начин ще се отрази на работата и безопасността на батерията. Условията на електрохимичната реакция, йонната проводимост, скоростта, с която йоните се движат през мембраната, и вискозитетът на електролита са тясно свързани с температурата по време на работа. По-конкретно, повишаването на температурата може да увеличи константата на скоростта на реакцията и да насърчи кинетиката на реакцията в електрохимичната реакция. В същото време високата температура също ще намали вискозитета на електролита, като по този начин ще увеличи ефективността на предаване на ванадиевите йони от основното тяло към повърхността на електрода и ще намали поляризационния потенциал на концентрацията. Въпреки това, когато температурата надхвърли определен диапазон, това ще има фатален ефект.

Вземане на ванадиева редокс поточна батерия (VRFB) като пример, неговият нормален работен температурен диапазон е 0~40°C. С повишаването на температурата, реакцията на отделяне на водород върху отрицателния електрод ще бъде значително подобрена, което ще доведе до намаляване на кулоновата ефективност. В същото време способността за дифузия на ванадиевите йони през йонната мембрана се подобрява, което засилва избледняването на капацитета. В допълнение, ванадиевите активни йони в електролита са нестабилни и склонни към утаяване, когато температурата е ненормална. Когато електролитът от 2 mol/L VO+2+3 mol/L H2SO4 се постави при 40°C за 2 дни, VO+2 се превръща във V2O5 утаяване; и след като бъде поставен при 15°C за 7 дни, V2+ в електролита ще се утаи. Тази генерирана утайка ще блокира канала на потока, ще покрие въглеродния филц и йонната мембрана, ще доведе до увеличена загуба на мощност на помпата и повреда на батерията.

Продължителната висока температура също ще ускори стареенето на вътрешните електроди, протонната мембрана и други материали на батерията, като по този начин съкращава живота на батерията. Следователно температурното топлинно управление е от голямо значение за поддържане на стабилната работа на поточните батерии.

За да се осигури стабилна и безопасна работа на поточните батерии, е необходимо да се създаде термичен модел за прогнозиране и контрол на температурата на електролита и по-нататъшно насочване на оптимизационния контрол на батерията, което също е важна част от системата за термично управление.

Факторите, които генерират топлина по време на работа на батерии с изцяло ванадиев течен поток, включват електрохимични реакции, свръхнапрежение, хидравлично триене, кръстосани реакции и шунтове, сред които електрохимичните реакции и свръхпотенциалното генериране на топлина представляват по-голям дял в сравнение с другите три.

Понастоящем маршрутите на технологията за термично управление на електрохимичните системи за съхранение на енергия са разделени главно в четири категории: въздушно охлаждане, течно охлаждане, охлаждане с топлинна тръба и охлаждане с фазова промяна. Основните технологични пътища за термично управление на съхранение на енергия от батерии с течен поток на пазара са въздушно охлаждане и течно охлаждане. Изборът на тези методи за разсейване на топлината зависи от мащаба, дизайна, условията на работа и рентабилността на батерията.

1) Въздушно охлаждане

Въздушното охлаждане е вятърно охлаждане, което използва въздух като среда за отстраняване на топлината вътре в системата чрез топлопроводимост и топлинна конвекция, като по този начин охлажда системата. Въздушното охлаждане се разделя на естествено въздушно охлаждане и принудително въздушно охлаждане според режима на движение. Естественото въздушно охлаждане използва естествени условия като естествено налягане на вятъра, разлика в температурата на въздуха и разлика в плътността на въздуха, за да постигне охлаждащ ефект върху батерията.

Коефициентът на конвекция на топлопреминаване при естествено въздушно охлаждане е много по-нисък от този при принудително въздушно охлаждане, така че е трудно да се разсее напълно топлината, генерирана от батерията. За нискоскоростно зареждане и разреждане на батерията температурата на системата може да се контролира в рамките на определен температурен диапазон, но увеличаването на плътността на системния ток може лесно да доведе до надхвърляне на граничния диапазон на температурата. Следователно, въпреки че естественото въздушно охлаждане има предимствата на простота, лекота и ниска цена, обхватът му на приложение е изключително малък и рядко се изучава сега. Принудителното въздушно охлаждане е за отнемане на топлина чрез принудителен въздушен поток, генериран от вентилатор или вентилатор. По това време коефициентът на топлопреминаване на принудителния въздушен поток е значително подобрен. В сравнение с течното охлаждане, въздушното охлаждане има предимствата на проста структура, лесна поддръжка и ниска цена, но изисква определено количество електроенергия, а ефективността на разсейване на топлината, скоростта на разсейване на топлината и равномерността на температурата са лоши. Обикновено е подходящ за малки или средни акумулаторни системи.

2) Течно охлаждане

Течното охлаждане (течно охлаждане) използва охлаждаща течност като среда и използва по-висока специфична топлина и коефициент на топлопреминаване за разсейване на топлината. Системите за течно охлаждане могат да осигурят по-висока ефективност на разсейване на топлината и по-добри ефекти за контрол на температурата, но сложността на системата и цената също са относително високи и са подходящи за големи батерийни системи. Често използваните охлаждащи течности включват вода, воден разтвор на етиленгликол, чист етиленгликол, хладилен агент за климатизация и силиконово масло. Тъй като зарядът в електролита на поточната батерия лесно протича по охлаждащата течност към цялата система, това е по-опасно, така че изборът на охлаждаща среда също е много важен. Въпреки това, най-често срещаният метод за поточни батерии е използването на устойчиви на корозия и непроводими топлообменници. Вътрешните материали обикновено са същите като тези на резервоарите за съхранение на електролит, като се използват PVC или PP или се използват тръбни топлообменници от титанов метал, а вътрешната повърхност е покрита с устойчив на корозия TiO2 слой за защита на топлообменника от корозия от сярна киселина .

Като една от най-обещаващите технологии за съхранение на енергия от възобновяеми източници, проблемът с прегряването на батерията с ванадиев поток по време на работа оказва значително влияние върху ефективността и стабилността на системата. Следователно са необходими различни осъществими методи, за да се осигури осъществимо решение за системата за управление на топлината VRFB.