CN102522583B - 热交换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热交换系统，包括：供电子系统，包括：电池模块，供电子系统用于为终端用户输送电能；热交换子系统，包括：热交换模块，用于供电子系统的散热，同时将回收的热能用于为终端用户输送热能，热交换模块包括用于供电子系统的散热的第一管路和与第一管路发生热交换的第二管路，其中，热交换模块包括至少一个换热组，换热组包括多个换热器，每个换热组中的多个换热器具有共用换热管路以及围绕在共用换热管路外部的外围换热管路，共用换热管路与第一管路或第二管路连通，外围换热管路与第二管路或第一管路连通。本发明有效地解决了现有技术中供电系统的能耗高，能量利用率低及系统集成度低的问题。

Description

热交换系统

技术领域

本发明涉及电池的热交换技术领域，具体而言，涉及一种热交换系统。

背景技术

燃料电池是一种环保、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，在阴极质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45％。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品有着广泛的应用空间。燃料电池作为供电电源使用时，在一定的功率下工作具有最佳的工作效率。但外界负载具有非连续性和非稳定性，电池系统难以持续在最佳状态下工作，从而降低系统的能量利用率。

全钒氧化还原液流电池(VRB)也是一种环境友好的新型储能系统和高效的能量转化装置，具有规模大、寿命长、成本低、效率高的特点。钒电池可以作为发电系统中的大规模电能储存和高效转换设备，用于电网的削峰填谷和平衡负荷，起到提高电能供给质量及电站运行稳定性的作用。

钒电池分别以钒离子V5+/V4+和V3+/V2+作为电池的正负极氧化还原电对，将正负极电解液分别存储于两个储液罐中，由耐酸液体泵驱动活性电解液至反应场所(电池堆)再回至储液罐中形成循环液流回路，以实现充放电过程。在全钒氧化还原液流电池储能系统中，电池堆性能的好坏决定着整个系统的充放电性能，尤其是充放电功率及效率。电池堆是由多片单电池依次叠放压紧，串联而成。

钒电池电解液中不同价态的电解质溶解度随温度的变化趋势有所不同，其中五价钒离子在高温下易沉淀，其他价态的钒离子在低温下易沉淀。当电解液中电解质浓度较高时，在高电荷态下正极电解液中五价钒离子化合物的稳定性和溶解度会降低而析出结晶。这些析出物可能引起石墨毡、管道及液体泵等的堵塞，降低电池系统的充放电效率，甚至导致电池堆无法正常工作。为了保证电池的正常运行和高效使用，需要对电池系统的温度进行合理的控制。而现有技术中，钒电池在使用过程中产生的热量并未加以利用，系统的能耗也处于较高的水平。

通常情况下，供电电池系统，或其组成的联合供能系统，需要多个换热器才能适应供电系统的各种工作条件，从而实现对供电系统产生的热量进行高效管理。换热器间通常采用法兰进行连接，占用空间较大。在对系统体积有严格要求的情况下，减小换热器模块占用的体积对减小系统的体积有重大的作用。

针对如何统一管理和利用上述的电池(包括燃料电池、钒电池及其他供电系统)产生的热量，即，供电系统的能耗高，能量利用率低的问题以及热交换模块集成度低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种热交换系统，以解决现有技术中供电系统的能耗高，能量利用率低以及热交换模块集成度低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种热交换系统，包括：供电子系统，包括：电池模块，供电子系统用于为终端用户输送电能；热交换子系统，包括：热交换模块，用于供电子系统的散热，同时将回收的热能用于为终端用户输送热能，热交换模块包括与供电子系统连接并用于供电子系统的散热的第一管路和与第一管路发生热交换的第二管路，其中，热交换模块还包括至少一个换热组，换热组包括多个换热器，每个换热组中的多个换热器具有共用换热管路以及围绕在共用换热管路外部的外围换热管路，共用-换热管路与第一管路或第二管路连通，外围换热管路与第二管路或第一管路连通。

进一步地，电池模块和第一管路均为一个，换热组为一组，第一管路可选择地连接至换热组中的一个或多个换热器，共用换热管路与第二管路连通。

进一步地，电池模块和第一管路均为多个，换热组为一组，多个第一管路中的每个第一管路可选择地连接至换热组中的一个或多个换热器，共用换热管路与第二管路连通。

进一步地，当第一管路连接至换热组中的多个换热器时，各换热器之间为并联或者串联。

进一步地，第一管路与换热器之间设置有第一阀门，换热组中的各换热器之间设置有第二阀门。

进一步地，电池模块和第一管路均为一个，换热组为一组，共用换热管路与第一管路连通。

进一步地，电池模块和第一管路均为多个，换热组为多组，多个第一管路中的每个第一管路与多组换热组中每个换热组的共用换热管路一一对应地连通。

进一步地，各换热器的换热面积均不相同。

在本发明的技术方案中，提供了一种热交换系统，包括：供电子系统和热交换子系统。其中，供电子系统包括：电池模块，供电子系统用于为终端用户输送电能；热交换子系统，包括：热交换模块，用于供电子系统的散热，同时将回收的热能用于为终端用户输送热能，热交换模块包括与供电子系统连接并用于供电子系统的散热的第一管路和与第一管路发生热交换的第二管路，其中，热交换模块还包括至少一个换热组，换热组包括多个换热器，每个换热组中的多个换热器具有共用换热管路，共用换热管路与第一管路或第二管路连通。通过本发明的热交换系统，利用热交换子系统为供电子系统的散热的同时回收热能，并统一管理热能最终为终端用户提供优质热能。这样，一方面保证了供电子系统的良好运行，另一方面，有效地回收热能，有效地解决了现有技术中供电系统的能耗高，能量利用率低的问题。同时，每个换热组中的多个换热器具有共用换热管路可有效解决现有技术中换热器之间采用法兰连接，占用空间较大的问题，使得热交换系统结构更加紧凑，占地面积较小。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中的液流电池系统的示意图；

图2示出了现有技术中的燃料电池系统的示意图；

图3示出了根据本发明的热交换系统的实施例一的连接示意图；

图4示出了图3的热交换系统的热交换模块的连接示意图；

图5示出了图4的热交换系统的热交换模块的第一使用状态示意图；

图6示出了图4的热交换系统的热交换模块的第二使用状态示意图；

图7示出了图4的热交换系统的热交换模块的第三使用状态示意图；

图8示出了图4的热交换系统的热交换模块的第四使用状态示意图；以及

图9示出了根据本发明的热交换系统的实施例二的热交换模块的连接示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供的热交换系统包括供电子系统和热交换子系统，供电子系统的电池模块包括钒电池模块、燃料电池模块及其他供电模块(例如太阳能、钠硫电池)等。为清楚说明本发明实施例，首先介绍现有技术中液流电池系统和燃料电池系统。图1示出了现有技术中的液流电池系统的示意图，如图1所示，液流电池系统包括电池堆10’、正极电解液储液罐20’、第一液体泵30’、负极电解液储液罐21’和第二液体泵31’。图2示出了现有技术中的燃料电池系统的示意图，如图2所示，燃料电池系统包括燃料电池堆40’、电源管理模块50’、热管理模块60’和燃料重整器70’，燃料经过燃料重整器70’输入到燃料电池堆40’(若输入燃料为氢气，则不需要使用燃料重整器)，在燃料电池堆40’经过反应后，电流经过电源管理模块50’向终端用户输出，热量经过热管理模块60’向终端用户输出。

图3示出了根据本发明的热交换系统的实施例一的连接示意图。如图3所示，实施例一的热交换系统包括：供电子系统以及热交换子系统。供电子系统包括：电池模块，供电子系统用于为终端用户输送电能；热交换子系统包括：热交换模块，用于供电子系统的散热，同时将回收的热能用于为终端用户输送热能，热交换模块包括与供电子系统连接并用于供电子系统的散热的第一管路和与第一管路发生热交换的第二管路。

如图4所示，实施例一的热交换系统中的热交换模块还包括一个换热组，换热组包括三个换热器，该三个换热器具有共用换热管路以及围绕在共用换热管路外部的外围换热管路，该共用换热管路与第一管路或第二管路连通，外围换热管路与第二管路或第一管路连通。第一管路通常与电池堆的端板连接，由于第一管路用于电池模块的散热，第二管路中使用外接冷却介质给第一管路进行散热，第二管路中的流体温度比第一管路中的流体温度低，这样，一般情况下，将第一管路中的流体称为热流体，第二管路中的流体称为冷流体。

本实施例的换热器的共用换热管路可以是共用冷流体管路(即共用换热管路与第二管路连通)或共用热流体管路(即共用换热管路与第一管路连通)。实施例一示出的换热器为管壳式换热器，三个换热器直接连接，通过两块隔板将三个换热器的内部空间分隔开。在其他图中未示出的实施例中，换热器也可以采用其他结构，比如板式换热器等其他形式换热器。

通过实施例一的热交换系统，利用热交换子系统为供电子系统的散热的同时回收热能，并统一管理热能最终为终端用户提供优质热能。这样，一方面保证了供电子系统的良好运行，另一方面，有效地回收热能，有效地解决了现有技术中供电系统的能耗高，能量利用率低的问题。同时，每个换热组中的多个换热器具有共用换热管路可有效解决现有技术中换热器之间采用法兰连接，占用空间较大的问题，使得热交换系统结构更加紧凑，占地面积较小。

实施例一的热交换系统包含热交换子系统对供电子系统所产生的热能进行统一管理和配置，通过热交换子系统进行换热后，将热量带出并最终供给终端用户。上述换能过程中，第一管路用于电池模块的散热，需要在第二管路中使用外接冷却介质(冷流体)给第一管路进行热交换，所用冷却介质包含且不仅限于蒸馏水、自来水、冷冻液、酒精、空气、氢气、液氮等。其中一种最为经济且方便进一步应用的冷却介质为自来水。根据实际情况需要，第一管路中的热流体和第二管路中的冷流体在换热组中的换热器中的流动方式可以是并流、逆流或并逆流组合。

在实施例一中，换热器为三个，热交换模块包括一个换热组，换热组包括三个换热器，以共用换热管路与第二管路连通且以逆流方式为例，其中冷流体从三个换热器的中部的共用换热管路流过，用于给供电子系统的三个电池模块散热的三条第一管路中三股热流体从图4中下侧入口分别进入换热器A、B和C，分别在换热器A、B和C换热后，经图4中上侧所示出口流出。冷流体通常为自来水，热流体通常为用于给供电子系统的电池模块的冷却介质，比如纯水，或者气体、油、有机溶液等其他不导电的液体。不同换热器之间直接连接，省掉了通常的连接部分，如法兰连接。换热器的换热面积可以相同，或者优选地，各换热器的换热面积均不相同。

本实施例的热交换模块的主要特点如下：

一、不同换热器之间通过共用换热管路进行集成，可以节省热交换子系统所占的空间。

二、可以根据供电子系统中电池模块的个数、功率来设计和划分换热组中换热器的数目、换热面积，以及冷、热流体的流动方式，如并流，逆流和并逆流组合等。

三、电池模块与换热器之间设置有第一阀门，换热组中的各换热器之间设置有第二阀门。每个换热组中的各个换热器可以单独工作，也可以通过切换第一阀门和/或第二阀门的通断，实现换热器之间的并联或者串联。

上述的热交换模块具有以下优点：

1、不同换热器之间通过共用换热管路进行集成，可以解决其他连接方式如法兰连接而导致的换热器模块体积过大的问题，能有效的节省空间。

2、可以通过接入不同换热面积的换热器或通过换热器的串联和/或并联组合，满足供电子系统中电池模块对换热面积和冷却介质流量的不同要求。

图5至图8示出了根据本发明的热交换系统的实施例一的热交换模块的四种使用状态示意图。下面将详细说明这四种使用状态。

供电子系统中的电池模块的输出功率会随着负载变化产生波动，根据本发明的热交换系统的实施例一的热交换模块可以适应这种波动导致的换热器热负荷波动，对供电模块产生的热量进行高效利用。如图5所示，在第一使用状态示意图中，热交换模块包括一个换热组，换热组包括换热器A、换热器B和换热器C，供电模块包括额定电功率下热功率为3000W的质子交换膜燃料电池。换热器A、换热器B和换热器C可以满足质子交换膜燃料电池热功率分别在3000W、2000W、1000W工作时的换热要求(共用换热管路为与第二管路连通，即共用散热管路中通入冷流体，冷热流体逆流情况下)。当质子交换膜燃料电池的热功率为额定功率时，换热器A即可满足换热需要；而当热功率变化为1000W，换热器A就不能实现正常高效的换热，此时改用换热器C即可实现高效换热。改变后的工作状态如图5所示，其中省略了不工作的路径，图中的热流体为与质子交换膜燃料电池热交换的第一管路中的流体。本使用状态主要强调的是在本实施例一的热交换模块中，可以通过同等条件下换热能力不同的换热器之间的切换，可以有效地移出发电模块产生的热量。上述切换通过电池模块与换热器之间的第一阀门的开关来完成。

根据本发明的热交换系统的实施例一的热交换模块还可以实现供电设备在高热负荷下运行的热管理。如图6所示，在第二使用状态示意图中，热交换模块包括一个换热组，换热组包括换热器A、换热器B和换热器C，供电模块包括额定电功率下热功率为3000W的质子交换膜燃料电池。换热器A、换热器B和换热器C可以满足质子交换膜燃料电池热功率分别在3000W、2000W、1000W工作时的换热要求(共用换热管路为与第二管路连通，即共用散热管路中通入冷流体，冷热流体逆流情况下)。当质子交换膜燃料电池的热功率为额定功率时，换热器A即可满足换热需要；而当质子交换膜燃料电池在大电流负荷下工作时，产生的热会显著增加，单独采用换热器A已不能保证电池堆在设定温度下稳定工作，一种可行的方法是将换热器A和换热器B进行串联，提高换热面积，保证电池堆工作温度的稳定性。改变后的工作状态如图6所示，其中省略了不工作的路径，图中的热流体为与质子交换膜燃料电池热交换的第一管路中的流体。本使用状态主要强调的是本实施例一的热交换模块中，可以通过同等条件下换热能力不同的换热器之间的串联，有效的移出发电模块产生的热量。上述切换通过换热组中的各换热器之间的第二阀门的开关来完成。

根据本发明的热交换系统的实施例一的热交换模块还可以适应电池在不同温度下工作时的热管理。如图7所示，在第三使用状态示意图中，热交换模块包括一个换热组，换热组包括换热器A、换热器B和换热器C，供电模块包括额定电功率下热功率为900W的钒电池供电系统。换热器A、换热器B和换热器C可以满足钒电池热功率分别在900W、600W、300W工作时的换热要求(共用散热管路为与第二管路连通，即共用散热管路中通入冷流体，冷热流体逆流情况下)。当钒电池的热功率为额定功率时，换热器A即可满足换热需要；而当钒电池需要在低于额定工作温度下工作时，电池堆冷却出水即热流体温度会降低，带走相同热量需要更多的冷却介质，即换热器的热流体流量会显著增大，使用换热器A会使功耗显著增加，甚至可能会超过换热器A的设计流量，一种可行的方法是将换热器C和换热器A进行并联，提高热流体通过能力，从而保证电池堆在设定温度下工作。改变后的工作状态如图7所示，其中省略了不工作的路径，图中的热流体为与钒电池热交换的第一管路中的流体。本使用状态主要强调的是本实施例一的热交换模块中，可以通过同等条件下不同换热能力的换热器之间的并联，有效的移出发电模块产生的热量，从而保证电池堆工作的相对稳定。

根据本发明的热交换系统的实施例一的热交换模块还能实现对多个供电设备的热管理。如图8所示，在第四使用状态示意图中，热交换模块包括一个换热组，换热组包括换热器A、换热器B和换热器C，供电模块包括额定电功率下热功率为900W的钒电池和2000W的质子交换膜燃料电池。换热器A钒电池额定电功率下热功率为900W时的换热要求，换热器B和换热器C可以满足质子交换膜燃料电池额定电功率下热功率为3000W、1500W时的换热要求(共用散热管路为与第二管路连通，即共用散热管路中通入冷流体，冷热流体逆流情况下)。钒电池和质子交换膜燃料电池在额定功率下工作，分别通过换热器A和换热器B即可满足换热要求。工作状态如图8所示，其中省略了不工作的路径，图中的热流体1为与钒电池热交换的第一管路中的流体，热流体2为与质子交换膜燃料电池热交换的第一管路中的流体。本使用状态主要强调的是本实施例一的热交换模块中，可以对多个供电设备产生的热量进行统一管理。

在其他图中未示出的实施例中，共用换热管路也可以与第一管路连通，此时也可以根据第一管路中冷却介质需要移出的热量和流量来选择使用一个或几个换热器。

如图9所示，在实施例二中，与实施例一的区别在于，实施例二的热交换模块包括一个换热组，该换热组包括四个换热器，分别是换热器E、换热器F、换热器G和换热器H。实施例二的热交换模块尤其适用于由钒电池模块和燃料电池模块组成的供电子系统的热量管理，并且，实施例二的四个换热器中有两个换热器用于燃料电池的阳极尾气和阴极尾气的热交换。

实施例二的热交换模块中包括四条第一管路和一条第二管路，第二管路与共用换热管路连通，四条第一管路分别为：一条与所述钒电池模块的电池堆的端板连接的循环管路、一条与所述燃料电池模块的电池堆的端板连接的循环管路，以及两条与所述燃料电池模块的尾气出口(阴极尾气出口和阳极尾气出口)相连通的换热管路。

在现有技术中，燃料电池尾气中还有大量的热量，通常这部分的热量通过两个额外的尾气换热器进行换热以利用其中含有的热能，提高能量的利用率。但是额外的尾气换热器会占用较大的体积，不利于提高系统的集成度。在实施例二的技术方案中，相当于将尾气换热器集成至热交换模块中，从而提高了系统的集成度。

如图9所示，换热器E、换热器F、换热器G和换热器H的换热面积均不相同，换热器E和换热器H分别用于钒电池和质子交换膜燃料电池的换热。换热器F、换热器G分别用于质子交换膜燃料电池的阳极尾气和阴极尾气的换热。图中的热流体3为与钒电池热交换的第一管路中的流体，热流体6为与质子交换膜燃料电池热交换的第一管路中的流体，热流体4为与燃料电池的阳极尾气出口连通的第一管路中的流体，热流体5为与燃料电池的阴极尾气出口连通的第一管路中的流体。换热顺序为第二管路中的冷却介质先与用于钒电池模块的冷却液进行热交换然后再与用于燃料电池模块冷却液进行热交换，燃料电池模块的尾气(阴极尾气和阳极尾气)热交换位于上述两者之间。当然，在其他图中未示出实施例中，燃料电池模块的尾气(阴极尾气和阳极尾气)热交换也可以放在用于燃料电池模块冷却液热交换之后，并且，燃料电池模块的阴极尾气和阳极尾气的热交换顺序可以交换。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热交换系统，其特征在于，包括：

供电子系统，包括：电池模块，所述供电子系统用于为终端用户输送电能；

热交换子系统，包括：热交换模块，用于所述供电子系统的散热，同时将回收的热能用于为所述终端用户输送热能，所述热交换模块包括与所述供电子系统连接并用于所述供电子系统的散热的第一管路和与所述第一管路发生热交换的第二管路，

其中，所述热交换模块还包括至少一个换热组，所述换热组包括多个换热器，每个所述换热组中的多个换热器具有共用换热管路以及围绕在所述共用换热管路外部的外围换热管路，所述共用换热管路与所述第一管路或第二管路连通，所述外围换热管路与所述第二管路或第一管路连通。

2.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述电池模块和所述第一管路均为一个，所述换热组为一组，所述第一管路可选择地连接至所述换热组中的一个或多个换热器，所述共用换热管路与所述第二管路连通。

3.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述电池模块和所述第一管路均为多个，所述换热组为一组，所述多个第一管路中的每个第一管路可选择地连接至所述换热组中的一个或多个换热器，所述共用换热管路与所述第二管路连通。

4.根据权利要求2或3所述的热交换系统，其特征在于，当所述第一管路连接至所述换热组中的多个换热器时，各所述换热器之间为并联或者串联。

5.根据权利要求4所述的热交换系统，其特征在于，所述第一管路与所述换热器之间设置有第一阀门，所述换热组中的各换热器之间设置有第二阀门。

6.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述电池模块和所述第一管路均为一个，所述换热组为一组，所述共用换热管路与所述第一管路连通。

7.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述电池模块和所述第一管路均为多个，所述换热组为多组，所述多个第一管路中的每个第一管路与所述多组换热组中每个换热组的共用换热管路一一对应地连通。

8.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，各所述换热器的换热面积均不相同。