专利名称：一种液流电池用容积式换热设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及化工换热设备的设计和应用，特别是一种容积式换热设备的设计及其 在液流电池中的应用。
背景技术：
目前，液流电池作为一种新的储能方式，倍受人们的关注和重视。在液流电池运转 期间，电解液流经液流电池的泵和电堆，会带走泵和电堆工作时产生的热量。在导热性能不 佳的非金属管路系统中，处于常温工作的电解液所携带的热量会逐渐积累，其温度因此会 不断上升，当电解液温度升高到一定程度时，将严重影响到电解液的性状，致使液流电池性 能衰减。此外，在环境温度较低的情况下，液流电池性能又会出现因电解液温度过低而衰减 的情况。因此，有必要增设一种换热设备，对液流电池进行冷却或加热，使电解液处于最佳 工作温度，确保液流电池稳定运行。文献(朱顺良等.大规模蓄电储能全钒液流电池研究进展.化工进展，2007， 26(2): 207-211)表明，目前，国内外的液流电池所采用的换热方式是通过管路将换热设 备、储液罐和电堆相互串接起来，换热设备因此成为电解液循环管路系统的一个组成部分， 可对循环过程中的电解液直接进行冷却或加热，从而达到对液流电池进行换热的目的。液流电池作为一种新的储能手段，其显著特点是电解液依赖于泵进行循环。为提 高液流电池的储能效率，需尽可能减少泵的功耗，故而，液流电池在设计和安装时，要求电 解液管路系统尽可能的简明、通畅，通过降低电解液流动阻力损失的方式来减少泵的功耗。 然而，文献中介绍的液流电池的换热方式，需要使用传统化工换热设备(如板式、管壳式等 换热设备)。显然，其存在如下缺陷首先，由于电解液需流经换热设备，电解液流动阻力损 失增加，液流电池的储能效率下降；其次，为了安装换热设备，必然要增加电解液循环系统 中管路接口的数量，因而，这种换热方式从根本上降低了电解液循环管路系统的整体密封 性；再次，换热设备体积较大，会加大液流电池机组的体积，不利于设备的搬运和安装。因 此，有必要设计一种换热设备，其在实现对液流电池进行冷却或加热的同时，能够不增加液 流电池电解液的流动阻力损失，同时保证电解液管路系统的密封性，不增加液流电池机组 的体积。
发明内容
为了在不增加电解液流动阻力损失的前提下，解决液流电池的冷却或加热问题， 本发明提供了一种液流电池用容积式换热设备，其与液流电池在设计和安装过程中均可以 相对独立进行。为实现上述目的，本发明的技术方案是所采用的容积式换热设备主要包括循环 水系统1、制冷系统2、补热装置3和补水装置4，其中，循环水系统1用于对液流电池进行冷 却或加热；制冷系统2用于对循环水系统进行冷却；补热装置3采用电加热方式，用于对循 环水系统进行加热；补水装置4采用阀门控制，用于对循环水系统1进行补水。
本发明所述的循环水系统1包括换热器6、水箱7、水泵9、循环水回流管路9、泵吸 入管路10和泵压出管路11，其中，所述换热器6出口和水箱7入口由循环水回流管路9连 通；所述水箱7出口和换热器6入口依次由泵吸入管路10、水泵8和泵压出管路11连通； 循环水由水泵8驱动通过管路在换热器6与水箱7之间循环流动；循环水可采用自来水、去 离子水或冷冻盐水，但不局限于此。本发明所述的换热器6为管束型盘管结构，其中单管横截面可采用单层或双层管 壁结构设计，所述单层管壁结构12使用耐强酸腐蚀、耐高低温且耐高压的非金属材质，包 括但不限于PTFE、FEP和PVDF，其壁厚为0. Imm-Imm ；所述双层管壁结构13，其外层材质和 单层管壁结构的可选材质相同，内层材质使用传热性能较好、耐高低温且耐高压的金属，包 括但不限于铜、不锈钢、铝合金和钛合金，其内外层壁厚分别为0. 5mm-2mm和0. lmm-lmm。本发明所述的制冷系统2包括蒸发器14、散热器15、压缩机16、制冷剂回流管路 17、压缩机吸入管路18和压缩机压出管路19，其中，所述蒸发器14出口和散热器15入口由 制冷剂回流管路17连通；所述散热器15出口和蒸发器14入口依次由压缩机吸入管路18、 压缩机16和压缩机压出管路19连通；制冷剂由压缩机16驱动在制冷系统2中循环流动； 所述散热器15采用风冷或水冷方式进行散热。本发明所述循环水系统1的换热器6直接放置在液流电池电解液储液罐20中；所 述制冷系统2的蒸发器14和补热装置3安装于循环水系统1的水箱7中；启动循环水系统 1，同时启动制冷系统2或补热装置3，可实现对液流电池5进行冷却或加热。本发明的优点和积极效果表现为本发明将换热器内置于液流电池电解液储液罐 中，利用容积流的缓冲效应和容积式换热器的换热原理，在不增加液流电池电解液流动阻 力损失的前提下，实现对液流电池进行冷却或加热。换热器内置于储液罐中，与储液罐形成 一体，使设备布置简洁紧凑，降低设备成本，提高换热效率，同时，因不直接接入电解液循环 管路中，保证了液流电池管路系统的密封性和安全性。
图1是液流电池用容积式换热设备的结构流程图。图2是换热器的结构示例。图3是容积式换热设备在液流电池中使用时的安装结构示意图。附图标识1-循环水系统；2-制冷系统；3-补热装置；4-补水装置；5-液流电池； 6-换热器；7-水箱；8-水泵；9-循环水回流管路；10-泵吸入管路；11-泵压出管路；12-单 层管壁结构；13-双层管壁结构；14-蒸发器；15-散热器；16-压缩机；17-制冷剂回流管 路；18-压缩机吸入管路；19-压缩机压出管路；20-液流电池电解液储液罐；21-电解液输 送管路；22-换热器管束；23-液流电池电堆；24-换热装置主机。图3中，所述容积式换热装置，除换热器及相关管路外，其余装置均安装在换热装 置主机中。
具体实施例方式实施例一
按照图3所示容积式换热设备在液流电池中使用时的安装结构示意图，完成换热设备在液流电池中的安装，本实施例测试了换热设备对液流电池的换热效果。换热设备及液流 电池各要素及换热结果如下 换热管结构单层管壁结构； 换热管材质FEP ； 换热器结构管束绕圆盘旋； 换热管壁厚0. 45 mm ； 换热总面积2. 4 m2 ； 散热器散热方式风冷散热； 制冷系统制冷量5. 5 kW ； 电解液浓度3mol/L硫酸，1. 5mol/L钒离子； 电解液体积1. 0 m3 ； 钒电池功率10 kff ； 循环泵总功率0. 7 kff ； 钒电池总效率拟％ ； 环境温度25 °C。在液流电池运转期间，电解液温度会随着时间的推移不断上升，每上升1°C需时至 少2 h，当电解液温度上升至一定温度后，启动换热设备，电解液温度随时间推移会不断下 降，且25 min内就可降低1°C。实施例二
按照图3所示容积式换热设备在液流电池中使用时的安装结构示意图，完成换热设备 在液流电池中的安装，本实施例测试了换热设备对液流电池的换热效果。换热设备及液流 电池各要素及换热结果如下 换热管结构双层管壁结构； 换热管材质铜管外喷FEP; 换热器结构单管绕圆盘旋； 换热管壁厚铜管层1. 2 mm厚，FEP层0. 3 mm厚； 换热总面积2. 2 m2 ； 散热器散热方式风冷散热； 制冷系统制冷量8. 5 kff ； 电解液浓度3mol/L硫酸，1. 5mol/L钒离子； 电解液体积1. 0 m3 ； 钒电池功率10 kff ； 循环泵总功率0. 7 kff ； 钒电池总效率83% ； 环境温度30 °C。在液流电池运转期间，电解液温度会随着时间的推移不断上升，每上升1°C需时至 少2 h，当电解液温度上升至一定温度后，启动换热设备，电解液温度随时间推移会不断下 降，且15 min内就可降低1°C。
权利要求
1.一种液流电池用容积式换热设备，其特征在于所述的容积式换热设备主要包括循 环水系统1、制冷系统2、补热装置3和补水装置4，其中，循环水系统1用于对液流电池进行 冷却或加热；制冷系统2用于对循环水系统进行冷却；补热装置3采用电加热方式，用于对 循环水系统进行加热；补水装置4采用阀门控制，用于对循环水系统1进行补水。
2.根据权利要求1所述的液流电池用容积式换热设备，其特征在于所述的循环水系 统1包括换热器6、水箱7、水泵9、循环水回流管路9、泵吸入管路10和泵压出管路11，其 中，所述换热器6出口和水箱7入口由循环水回流管路9连通；所述水箱7出口和换热器6 入口依次由泵吸入管路10、水泵8和泵压出管路11连通；循环水由水泵8驱动通过管路在 换热器6与水箱7之间循环流动；循环水可采用自来水、去离子水或冷冻盐水，但不局限于 此。
3.根据权利要求2所述的液流电池用容积式换热设备，其特征在于所述的换热器6 为管束型盘管结构，其中单管横截面可采用单层或双层管壁结构设计，所述单层管壁结构 12使用耐强酸腐蚀、耐高低温且耐高压的非金属材质，包括但不限于PTFE、FEP和PVDF，其 壁厚为0. Imm-Imm ；所述双层管壁结构13，其外层材质和单层管壁结构的可选材质相同，内 层材质使用传热性能较好、耐高低温且耐高压的金属，包括但不限于铜、不锈钢、铝合金和 钛合金，其内外层壁厚分别为0. 5mm-2mm和0. lmm-lmm。
4.根据权利要求1所述的液流电池用容积式换热设备，其特征在于所述的制冷系统2 包括蒸发器14、散热器15、压缩机16、制冷剂回流管路17、压缩机吸入管路18和压缩机压 出管路19，其中，所述蒸发器14出口和散热器15入口由制冷剂回流管路17连通；所述散 热器15出口和蒸发器14入口依次由压缩机吸入管路18、压缩机16和压缩机压出管路19 连通；制冷剂由压缩机16驱动在制冷系统2中循环流动；所述散热器15采用风冷或水冷方 式进行散热。
5.根据权利要求1所述的液流电池用容积式换热设备，其特征在于所述的循环水系 统1的换热器6直接放置在液流电池电解液储液罐20中；所述制冷系统2的蒸发器14和 补热装置3安装于循环水系统1的水箱7中。
全文摘要
本发明涉及化工换热设备的设计和应用，特别是一种容积式换热设备的设计及其在液流电池中的应用。本发明提供的容积式换热设备主要包括循环水系统1、制冷系统2、补热装置3和补水装置4。其中，循环水系统1用于对液流电池进行冷却或加热；制冷系统2用于对循环水系统1进行冷却；补热装置3采用电加热方式，用于对循环水系统1进行加热；补水装置4采用阀门控制方式，用于对循环水系统1进行补水。本发明将换热器内置于液流电池电解液储液罐中，在不增加液流电池电解液流动阻力损失的前提下，实现对液流电池进行冷却或加热。具有设备布置简洁、紧凑，不影响液流电池管路密封性，且换热效率高的优点。
文档编号H01M8/18GK102110830SQ201110027748
公开日2011年6月29日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者何清, 周汉涛, 李佳, 杨洋, 薛坤 申请人:上海林洋储能科技有限公司