Gestion thermique des batteries à flux

Batteries à flux liquide (RFB) génèrent beaucoup de chaleur pendant le fonctionnement. Si la chaleur ne peut pas être dissipée de manière rapide et efficace, la température de la batterie augmentera, affectant ainsi les performances et la sécurité de la batterie. Les conditions de réaction électrochimique, la conductivité ionique, la vitesse à laquelle les ions se déplacent à travers la membrane et la viscosité de l'électrolyte sont tous étroitement liés à la température pendant le fonctionnement. Plus précisément, l’augmentation de la température peut augmenter la constante de vitesse de réaction et favoriser la cinétique de réaction dans la réaction électrochimique. Dans le même temps, une température élevée réduira également la viscosité de l'électrolyte, augmentant ainsi l'efficacité de la transmission des ions vanadium du corps principal à la surface de l'électrode et réduisant le potentiel de polarisation de concentration. Cependant, lorsque la température dépasse une certaine plage, cela aura un effet fatal.

Prendre le batterie à flux redox au vanadium (VRFB) à titre d'exemple, sa plage de température de fonctionnement normale est de 0 à 40 °C. À mesure que la température augmente, la réaction de dégagement d'hydrogène sur l'électrode négative sera considérablement améliorée, entraînant une diminution de l'efficacité coulombienne. Dans le même temps, la capacité de diffusion des ions vanadium à travers la membrane ionique est améliorée, ce qui intensifie la perte de capacité. De plus, les ions actifs vanadium dans l'électrolyte sont instables et sujets à précipitation lorsque la température est anormale. Lorsque l'électrolyte de 2 mol/L VO+2+3 mol/L H2SO4 est placé à 40°C pendant 2 jours, le VO+2 est converti en précipitation V2O5 ; et après avoir été placé à 15°C pendant 7 jours, V2+ dans l'électrolyte va précipiter. Ce précipité généré bloquera le canal d'écoulement, recouvrira le feutre de carbone et la membrane ionique, entraînera une perte de puissance accrue de la pompe et une panne de la batterie.

Une température élevée et soutenue accélérera également le vieillissement des électrodes internes, de la membrane protonique et d'autres matériaux de la batterie, raccourcissant ainsi la durée de vie de la batterie. Par conséquent, la gestion thermique de la température revêt une grande importance pour maintenir le fonctionnement stable des batteries à flux.

Afin de garantir le fonctionnement stable et sûr des batteries à flux, il est nécessaire d'établir un modèle thermique pour prédire et contrôler la température de l'électrolyte et guider davantage le contrôle d'optimisation de la batterie, qui constitue également une partie importante du système de gestion thermique.

Les facteurs qui génèrent de la chaleur pendant le fonctionnement des batteries à flux liquide tout vanadium comprennent les réactions électrochimiques, la surtension, le frottement hydraulique, les réactions croisées et les shunts, parmi lesquels les réactions électrochimiques et la génération de chaleur surpotentielle représentent une proportion plus importante que les trois autres.

À l'heure actuelle, les technologies de gestion thermique des systèmes de stockage d'énergie électrochimique sont principalement divisées en quatre catégories : le refroidissement par air, le refroidissement par liquide, le refroidissement par caloduc et le refroidissement par changement de phase. Les principales voies technologiques pour la gestion thermique du stockage d'énergie par batterie à flux liquide sur le marché sont le refroidissement par air et le refroidissement liquide. Le choix de ces méthodes de dissipation thermique dépend de l’échelle, de la conception, des conditions de fonctionnement et de la rentabilité de la batterie.

1) Refroidissement par air

Le refroidissement par air est un refroidissement éolien, qui utilise l'air comme moyen pour éliminer la chaleur à l'intérieur du système par conduction thermique et convection thermique, refroidissant ainsi le système. Le refroidissement par air est divisé en refroidissement par air naturel et refroidissement par air forcé selon le mode de conduite. Le refroidissement naturel de l'air utilise des conditions naturelles telles que la pression naturelle du vent, la différence de température de l'air et la différence de densité de l'air pour obtenir un effet de refroidissement sur la batterie.

Le coefficient de transfert de chaleur par convection du refroidissement naturel par air est bien inférieur à celui du refroidissement par air forcé, il est donc difficile de dissiper complètement la chaleur générée par la batterie. Pour une charge et une décharge faibles de la batterie, la température du système peut être contrôlée dans une certaine plage de température, mais l'augmentation de la densité de courant du système peut facilement amener la température à dépasser la plage limite. Par conséquent, bien que le refroidissement naturel par air présente les avantages de la simplicité, de la légèreté et du faible coût, son champ d’application est extrêmement restreint et il est rarement étudié à l’heure actuelle. Le refroidissement par air forcé consiste à évacuer la chaleur grâce au flux d'air forcé généré par un ventilateur ou un ventilateur. A ce moment, le coefficient de transfert thermique du flux d’air forcé est grandement amélioré. Comparé au refroidissement liquide, le refroidissement par air présente les avantages d'une structure simple, d'un entretien facile et d'un faible coût, mais il nécessite une certaine quantité d'électricité et l'efficacité de la dissipation thermique, la vitesse de dissipation thermique et l'uniformité de la température sont médiocres. Il convient généralement aux systèmes de batteries de petite ou moyenne taille.

2) Refroidissement liquide

Le refroidissement liquide (refroidissement liquide) utilise le liquide de refroidissement comme fluide de refroidissement et utilise une chaleur spécifique et un coefficient de transfert de chaleur plus élevés pour dissiper la chaleur. Les systèmes de refroidissement liquide peuvent fournir une efficacité de dissipation thermique plus élevée et de meilleurs effets de contrôle de la température, mais la complexité et le coût du système sont également relativement élevés et conviennent aux grands systèmes de batteries. Les liquides de refroidissement couramment utilisés comprennent l'eau, la solution aqueuse d'éthylène glycol, l'éthylène glycol pur, le réfrigérant pour climatisation et l'huile de silicone. Étant donné que la charge dans l'électrolyte de la batterie à flux s'écoule facilement le long du liquide de refroidissement jusqu'à l'ensemble du système, elle est plus dangereuse, le choix du fluide de refroidissement est donc également très important. Cependant, la méthode la plus courante pour les batteries à flux consiste à utiliser des échangeurs de chaleur résistants à la corrosion et non conducteurs. Les matériaux internes sont généralement les mêmes que ceux des réservoirs de stockage d'électrolyte, utilisant du PVC ou du PP, ou utilisant des échangeurs de chaleur tubulaires en titane métallique, et la surface interne est recouverte d'une couche de TiO2 résistante à la corrosion pour protéger l'échangeur de chaleur de la corrosion par l'acide sulfurique. .

En tant que l'une des technologies de stockage d'énergie renouvelable les plus prometteuses, le problème de surchauffe de la batterie à flux de vanadium pendant le fonctionnement affecte grandement l'efficacité et la stabilité du système. Par conséquent, diverses méthodes réalisables sont nécessaires pour fournir une solution réalisable pour le système de gestion thermique VRFB.