Thermisch beheer van flowbatterijen

Batterijen met vloeistofstroom (RFB’s) genereren tijdens bedrijf veel warmte. Als de warmte niet tijdig en effectief kan worden afgevoerd, zal de temperatuur van de batterij stijgen, waardoor de prestaties en veiligheid van de batterij worden beïnvloed. De elektrochemische reactieomstandigheden, de ionengeleiding, de snelheid waarmee ionen door het membraan bewegen en de viscositeit van de elektrolyt hangen allemaal nauw samen met de temperatuur tijdens bedrijf. In het bijzonder kan het verhogen van de temperatuur de reactiesnelheidsconstante verhogen en de reactiekinetiek in de elektrochemische reactie bevorderen. Tegelijkertijd zal een hoge temperatuur ook de viscositeit van de elektrolyt verminderen, waardoor de transmissie-efficiëntie van vanadiumionen van het hoofdlichaam naar het elektrodeoppervlak toeneemt en het concentratiepolarisatiepotentieel wordt verminderd. Wanneer de temperatuur echter een bepaald bereik overschrijdt, heeft dit een fataal effect.

Het nemen van de vanadium redoxflow-batterij (VRFB) Het normale bedrijfstemperatuurbereik bedraagt bijvoorbeeld 0~40°C. Naarmate de temperatuur stijgt, zal de waterstofontwikkelingsreactie op de negatieve elektrode aanzienlijk worden verbeterd, wat resulteert in een afname van de Coulomb-efficiëntie. Tegelijkertijd wordt het diffusievermogen van vanadiumionen door het ionenmembraan verbeterd, wat de capaciteitsvervaging intensiveert. Bovendien zijn de actieve vanadiumionen in de elektrolyt onstabiel en gevoelig voor neerslag als de temperatuur abnormaal is. Wanneer de elektrolyt van 2 mol/L VO+2+3 mol/L H2SO4 gedurende 2 dagen op 40°C wordt geplaatst, wordt de VO+2 omgezet in V2O5-neerslag; en na 7 dagen bij 15°C te zijn geplaatst, zal V2+ in de elektrolyt neerslaan. Dit gegenereerde neerslag blokkeert het stroomkanaal, bedekt het koolstofvilt en het ionenmembraan, wat leidt tot meer pompvermogensverlies en batterijstoringen.

Aanhoudende hoge temperaturen zullen ook de veroudering van de interne elektroden, het protonmembraan en andere materialen van de batterij versnellen, waardoor de levensduur van de batterij wordt verkort. Daarom is temperatuur-thermisch beheer van groot belang voor het handhaven van de stabiele werking van flowbatterijen.

Om de stabiele en veilige werking van flowbatterijen te garanderen, is het noodzakelijk om een thermisch model op te zetten om de temperatuur van de elektrolyt te voorspellen en te controleren en de optimalisatie van de batterij verder te begeleiden, wat ook een belangrijk onderdeel is van het thermische beheersysteem.

De factoren die warmte genereren tijdens de werking van volledig vanadium-vloeistofstroombatterijen omvatten elektrochemische reacties, overpotentiaal, hydraulische wrijving, kruisreacties en shunts, waarvan elektrochemische reacties en overpotentiële warmteopwekking een groter aandeel vertegenwoordigen in vergelijking met de andere drie.

Momenteel zijn de technologieroutes voor thermisch beheer van elektrochemische energieopslagsystemen hoofdzakelijk onderverdeeld in vier categorieën: luchtkoeling, vloeistofkoeling, heatpipe-koeling en faseveranderingskoeling. De reguliere technologieroutes voor thermisch beheer van energieopslag in vloeistofstroombatterijen op de markt zijn luchtkoeling en vloeistofkoeling. De keuze voor deze warmteafvoermethoden hangt af van de schaal, het ontwerp, de bedrijfsomstandigheden en de kosteneffectiviteit van de batterij.

1) Luchtkoeling

Luchtkoeling is windkoeling, waarbij lucht als medium wordt gebruikt om de warmte in het systeem te verwijderen door warmtegeleiding en warmteconvectie, waardoor het systeem wordt gekoeld. Luchtkoeling wordt afhankelijk van de rijmodus onderverdeeld in natuurlijke luchtkoeling en geforceerde luchtkoeling. Natuurlijke luchtkoeling maakt gebruik van natuurlijke omstandigheden zoals natuurlijke winddruk, luchttemperatuurverschil en luchtdichtheidsverschil om een koeleffect op de batterij te bereiken.

De convectiewarmteoverdrachtscoëfficiënt van natuurlijke luchtkoeling is veel lager dan die van geforceerde luchtkoeling, dus het is moeilijk om de door de batterij gegenereerde warmte volledig af te voeren. Voor het langzaam opladen en ontladen van de batterij kan de systeemtemperatuur binnen een bepaald temperatuurbereik worden geregeld, maar de toename van de systeemstroomdichtheid kan er gemakkelijk voor zorgen dat de temperatuur het limietbereik overschrijdt. Hoewel natuurlijke luchtkoeling de voordelen heeft van eenvoud, lichtheid en lage kosten, is het toepassingsgebied ervan dus extreem klein en wordt het nu zelden bestudeerd. Geforceerde luchtkoeling is het afvoeren van warmte via een geforceerde luchtstroom gegenereerd door een ventilator of ventilator. Op dit moment wordt de warmteoverdrachtscoëfficiënt van de geforceerde luchtstroom aanzienlijk verbeterd. Vergeleken met vloeistofkoeling heeft luchtkoeling de voordelen van een eenvoudige structuur, gemakkelijk onderhoud en lage kosten, maar er is een bepaalde hoeveelheid elektriciteit voor nodig, en de warmteafvoerefficiëntie, warmteafvoersnelheid en temperatuuruniformiteit zijn slecht. Het is meestal geschikt voor kleine of middelgrote batterijsystemen.

2) Vloeistofkoeling

Vloeistofkoeling (vloeistofkoeling) gebruikt koelvloeistof als medium en gebruikt een hogere soortelijke warmte en warmteoverdrachtscoëfficiënt om warmte af te voeren. Vloeistofkoelsystemen kunnen een hogere efficiëntie van de warmteafvoer en betere temperatuurbeheersingseffecten bieden, maar de systeemcomplexiteit en -kosten zijn ook relatief hoog en zijn geschikt voor grote batterijsystemen. Veelgebruikte koelmiddelen zijn water, waterige ethyleenglycoloplossing, zuivere ethyleenglycol, koelmiddel voor airconditioning en siliconenolie. Omdat de lading in de elektrolyt van de doorstroombatterij gemakkelijk langs de koelvloeistof naar het hele systeem stroomt, is dit gevaarlijker, dus de keuze van het koelmedium is ook erg belangrijk. De meest gebruikelijke methode voor flowbatterijen is echter het gebruik van corrosiebestendige en niet-geleidende warmtewisselaars. De interne materialen zijn over het algemeen dezelfde als die van de elektrolytopslagtanks, waarbij PVC of PP wordt gebruikt, of buisvormige warmtewisselaars van titaniummetaal worden gebruikt, en het binnenoppervlak is bedekt met een corrosiebestendige TiO2-laag om de warmtewisselaar te beschermen tegen zwavelzuurcorrosie .

Als een van de meest veelbelovende technologieën voor de opslag van hernieuwbare energie heeft het oververhittingsprobleem van de vanadiumstroombatterij tijdens bedrijf een grote invloed op de efficiëntie en stabiliteit van het systeem. Daarom zijn er verschillende haalbare methoden nodig om een haalbare oplossing te bieden voor het VRFB-thermische beheersysteem.