全钒液流电池的产热方式及热管理技术介绍

目前，全钒液流电池在大型可再生能源发电系统、分布式微电网和应急备用电源等诸多场景都得到使用，证明了该技术具备可靠性和广阔的前景。

由于全钒液流电池应用的场景多种多样，环境温度各不相同，热管理也成为了一项研究重点。电池温度不仅影响电化学性能，还会使电解液的粘度产生变化，从而影响泵功损耗，对电池系统的效率起着不可忽视的作用。其次，钒电解液的热稳定性限制了全钒液流电池的工作温度。

电解液中的五价钒离子在40℃以上容易生成沉淀物，二价和三价的钒离子在5℃以下也会发生沉淀，因此需要严格控制钒电池的运行温度来避免沉淀物堵塞电池。此外，为了保证电池在待机时的快速响应，需要将电解液滞留在电堆中，但由此会产生待机时的热管理问题。

1 全钒液流电池的产热

全钒液流电池的活性物质为钒电解液，正极反应的活性离子为 VO(2+) 和VO2(+) ，负极反应的活性离子为V³⁺和V²⁺。电解液在耐腐蚀性泵的作用下输送到相应的电极进行反应，电极表面进行的主要化学反应如下：

负极反应：

反应过程中的主要产热项包含电化学反应热、过电位热、交叉反应热以及旁路电流热。

在全钒液流电池系统运行过程中，电化学反应热会随充放电状态发生变化。充电时发生的电化学反应吸收热量，放电时发生的电化学反应释放热量。另外三种产热项在充放电时始终促使电解液升温。理想情况下，钒电池采用的隔膜仅允许氢离子通过，只发生上述两个反应。

但实际情况中，部分钒离子也会穿过隔膜转移到另一极的电解液，导致副反应发生，产生交叉反应热。

全钒液流电池运行时，电化学反应和过电位为热量的主要来源。待机状态下，交叉反应和旁路电流是全钒液流电池发热的主要原因。

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2 运行状态电堆热管理技术

全钒液流电池应用场景多，在不同场景下的热问题各有差异。根据文献调研，全钒液流电池主要从运行参数、主动散热和被动散热三个方面实施热管理。

-表2 不同热管理方式对比-

2.1 运行参数

电池热管理系统的主要目标是将电解液温度控制在安全范围内，从而保证系统安全稳定地运行。对电池温控影响较大的运行参数包括电流值、电解液流速、电解液体积和环境温度等。

明确这些参数对电池产热的影响，进而制定合适的热管理策略，保障电池在合理的工况下运行，对电池热安全和系统效率有着重要意义。

将流动的电解液作为电量载体是液流电池的一大特点，控制电解液的流动状态对电池热管理也起着重要作用。电解液的流动状态会改变电化学效率，还影响电堆与储液罐的换热量。Tang等人比较了不同流速对电解液温度的影响（见图2）。

在前200h的充放电过程中，采用的电解液流速低，使得较多热量堆积在电堆中，造成电堆电解液温度远高于储液罐电解液温度。在第200小时的瞬间提高电解液流量，经过一个充放电循环，电堆内的电解液温度就下降至接近储液罐温度。

此外，全钒液流电池热管理还需要考虑外部环境影响。

环境温度既影响电池初始温度，又影响电池与环境的换热率。环境温度对电池产热的影响可以参考表3中Ren等人的模拟结果。当环境温度从10摄氏度提高到40摄氏度时，交叉反应热显著上升，而总发热率和表中另外三项热源提升幅度均在10%以下。

-表3 环境温度对各产热项的影响-

2.2 主动散热

在全钒液流电池系统中，常用的主动温控方式使用温控室和空调。也有研究人员尝试将其他换热设备引入全钒液流电池系统。

• Wei等人在电堆出口加装图4中的管壳式换热器，模拟了风冷和水冷两种场景下的温度变化情况。结果表明，提高电解液流速对温度的影响有限，而提高冷媒流速可以显著增强换热。

  

  图4 管式换热器的结构

   

目前市面上液流电池主流的热管理技术路线是风冷式冷却和液冷式冷却。

全钒液流电池热处理及控制装置

• Danick等人将热再生电化学循环装置引入了全钒液流电池系统，用于回收电池产生的低品位热。实验中使用了两种钒电解液，采用商业电解液的钒电池系统效率提高了9%，而采用混酸电液的钒电池系统效率提高了5%。

2.3 被动散热

主动散热对电池温控效果固然明显，但是会消耗额外的能量。在外部空气温度不过高的情况下，无需采用主动冷却策略来维持全钒液流电池的工作温度。因此，可以采用合理的被动散热设计降低温控成本，但是目前研究较少。

Chen等人设计了图5中三种高度相同，底部形状不同的储液罐，通过比较其最终温度的差异，提出增大储液罐与空气接触面积可以有效增强散热，进而降低电解液温度。

这一结论是在电解液处于流动状态时得出的。然而，当电池待机或电解液的流速较低时，可能会导致储液罐的散热效果不佳。目前，全钒液流电池储液罐被动散热还有进一步的研究空间。

全钒液流电池作为一种安全稳定的大规模储能方式，有着非常鲜明的特点和优势，在实现“双碳”目标的过程中发挥着至关重要的作用。合理的热管理策略对全钒液流电池的性能和安全都有着重大意义。从提高系统能效的角度，应进一步增强电堆系统的被动散热能力，引入高效的温控设备和热能回收装置，减少除电堆以外设备的电力消耗。

文章节选自：代仕豪,曾义凯,.全钒液流电池热管理研究进展【J】.制冷与空调(四川),2024,(04):484-490.

部分资料来源：浙江制冷学会储能技术专委会

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液流电池（Flow Battery）是一种可充电电池，它通过液体电解质的流动来存储电能。与传统的固态电池（如锂离子电池）不同，液流电池的能量存储组件（电解质）是分离的，通常储存在外部容器中，在充放电过程中通过电池单元循环。

液流电池是一种活性物质存在于液态电解质中的电池技术，电解液在电堆外部，在循环泵的推动下流经电堆，实现化学能与电能的转换。国际上液流电池主要有全钒液流电池、锌溴电池、铁铬电池、多硫化钠溴电池4种技术路线。

其中全钒液流电池目前产业链建设和技术成熟度相对较高。全钒液流电池系统由功率单元（电堆），能量单元（电解液和电解液储罐），电解液输送单元（管路、阀、泵、传感器等辅助部件）以及电池管理系统等组成。其中，电堆由离子交换膜、电极、双极板、电极框、密封等材料构成。液流电池生产线包括（双极板，膜裁切，碳毡裁切，电堆堆叠组装）等。欢迎申请加入微信群。

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