플로우 배터리의 열 관리

액체 흐름 배터리 (RFB)는 작동 중에 많은 열을 발생시킵니다. 열을 적시에 효과적으로 방출하지 못하면 배터리 온도가 상승하여 배터리 성능과 안전성에 영향을 미칩니다. 전기화학적 반응 조건, 이온 전도도, 이온이 막을 통과하여 이동하는 속도, 전해질의 점도는 모두 작동 중 온도와 밀접한 관련이 있습니다. 구체적으로, 온도를 높이면 반응 속도 상수가 증가하고 전기화학 반응에서 반응 동역학이 촉진될 수 있다. 동시에 고온은 전해질의 점도를 감소시켜 본체에서 전극 표면으로의 바나듐 이온 전달 효율을 높이고 농도 분극 전위를 감소시킵니다. 그러나 온도가 특정 범위를 초과하면 치명적인 영향을 미칩니다.

복용 바나듐 레독스 흐름 배터리 (VRFB)를 예로 들면, 정상 작동 온도 범위는 0~40°C입니다. 온도가 증가함에 따라 음극의 수소 발생 반응이 크게 향상되어 쿨롱 효율이 감소합니다. 동시에 이온막을 통한 바나듐 이온의 확산 능력이 향상되어 용량 감소가 심화됩니다. 또한, 전해질 내의 바나듐 활성 이온은 온도가 비정상일 때 불안정하고 침전되기 쉽습니다. 2 mol/L VO+2+3 mol/L H2SO4 전해질을 40°C에서 2일 동안 방치하면 VO+2가 V2O5 침전으로 전환됩니다. 15°C에서 7일 동안 방치하면 전해질의 V2+가 침전됩니다. 이렇게 생성된 침전물은 흐름 채널을 차단하고 탄소 펠트와 이온막을 덮어 펌프 전력 손실을 증가시키고 배터리 고장을 유발합니다.

고온이 지속되면 내부 전극, 양성자막 및 기타 배터리 재료의 노화가 가속화되어 배터리 수명이 단축됩니다. 따라서 온도 열 관리는 플로우 배터리의 안정적인 작동을 유지하는 데 매우 중요합니다.

플로우 배터리의 안정적이고 안전한 작동을 보장하기 위해서는 전해질의 온도를 예측 및 제어하고 나아가 배터리 최적화 제어를 안내하는 열 모델을 구축하는 것이 필요하며, 이는 열 관리 시스템의 중요한 부분이기도 합니다.

전바나듐 액체흐름전지 작동 시 열을 발생시키는 요인으로는 전기화학적 반응, 과전위, 수압마찰, 교차반응, 션트 등이 있으며, 그 중 전기화학적 반응과 과전위 발열이 나머지 3가지에 비해 더 큰 비중을 차지한다.

현재 전기화학 에너지 저장 시스템의 열 관리 기술 경로는 주로 공기 냉각, 액체 냉각, 히트 파이프 냉각 및 상변화 냉각의 네 가지 범주로 나뉩니다. 시장에서 액체 흐름 배터리 에너지 저장 장치의 열 관리를 위한 주류 기술 경로는 공기 냉각과 액체 냉각입니다. 이러한 방열 방법의 선택은 배터리의 규모, 설계, 작동 조건 및 비용 효율성에 따라 달라집니다.

1) 공기 냉각

공냉식은 풍냉식으로, 공기를 매개체로 하여 열전도와 열대류를 통해 시스템 내부의 열을 제거하여 시스템을 냉각시키는 방식입니다. 공랭식은 운전 모드에 따라 자연 공랭식과 강제 공랭식으로 구분됩니다. 자연 공기 냉각은 자연 풍압, 기온 차이, 공기 밀도 차이와 같은 자연 조건을 사용하여 배터리에 냉각 효과를 줍니다.

자연 공냉식의 대류 열전달 계수는 강제 공랭식에 비해 훨씬 낮기 때문에 배터리에서 발생하는 열을 완전히 방출하기 어렵습니다. 배터리의 저율 충방전을 위해서는 시스템 온도를 특정 온도 범위 내에서 제어할 수 있지만, 시스템 전류 밀도가 증가하면 온도가 한계 범위를 초과하기 쉽습니다. 따라서 자연공랭식은 단순성, 경량성, 저비용 등의 장점을 갖고 있음에도 불구하고 그 적용 범위가 매우 작아 현재 연구된 바가 거의 없다. 강제 공냉식은 송풍기나 팬에 의해 생성된 강제 공기 흐름을 통해 열을 제거하는 것입니다. 이때 강제 기류의 열전달 계수가 크게 향상됩니다. 공랭식은 수냉식에 비해 구조가 간단하고 유지관리가 용이하며 비용이 저렴하다는 장점이 있지만 일정량의 전력이 필요하고 방열효율, 방열속도, 온도 균일성이 떨어진다. 일반적으로 중소형 배터리 시스템에 적합합니다.

2) 액체 냉각

액체 냉각(액체 냉각)은 냉각수를 매체로 사용하고 더 높은 비열과 열 전달 계수를 활용하여 열을 방출합니다. 액체 냉각 시스템은 더 높은 방열 효율과 더 나은 온도 제어 효과를 제공할 수 있지만 시스템 복잡성과 비용도 상대적으로 높아 대형 배터리 시스템에 적합합니다. 일반적으로 사용되는 냉각수에는 물, 에틸렌글리콜 수용액, 순수 에틸렌글리콜, 공조냉매, 실리콘 오일 등이 있습니다. 플로우 배터리의 전해질에 있는 전하는 냉각수를 따라 시스템 전체로 쉽게 흐르기 때문에 더욱 위험하므로 냉각 매체의 선택도 매우 중요합니다. 그러나 플로우 배터리의 가장 일반적인 방법은 부식 방지 및 비전도성 열교환기를 사용하는 것입니다. 내부 재질은 일반적으로 전해액 저장탱크와 동일하며 PVC 또는 PP를 사용하거나 티타늄 금속 관형 열교환기를 사용하고 내부 표면은 황산 부식으로부터 열교환기를 보호하기 위해 내식성 TiO2 층으로 덮여 있습니다. .

가장 유망한 신재생 에너지 저장 기술 중 하나로, 바나듐 플로우 배터리의 작동 중 과열 문제는 시스템의 효율성과 안정성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 VRFB 열관리 시스템에 대한 실행 가능한 솔루션을 제공하기 위해서는 다양한 실행 가능한 방법이 필요합니다.