CN202423475U

CN202423475U - 热交换系统

Info

Publication number: CN202423475U
Application number: CN2011205706785U
Authority: CN
Inventors: 汤浩; 王晶; 杨海玉; 张晓晶; 张占奎; 殷聪
Original assignee: Dongfang Electric Corp
Current assignee: Dongfang Electric Corp
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2021-12-31

Abstract

本实用新型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。本实用新型的通过对供电子系统在工作中产生的热量进行统一的管理和优化，有效提高系统的效率和寿命，并提高系统的集成度。同时，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。

Description

热交换系统

技术领域

本实用新型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。

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，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型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，能量利用率低的问题。

为了实现上述目的，本实用新型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。

进一步地，电池模块为多个，热交换模块包括多个换热区。

进一步地，多个电池模块中的每个电池模块可选择地连接至多个换热区中的一个或多个换热区。

进一步地，当电池模块连接至多个换热区时，各换热区之间为并联或者串联。

进一步地，每个换热区内均包括多个换热器。

进一步地，每个换热区内的每个换热器的换热面积均不相同。

进一步地，每个换热区内的各个换热器之间为并联或者串联。

进一步地，本实用新型的热交换系统还包括：加热模块，用于加热通过换热区之后的冷却介质。

进一步地，本实用新型的热交换系统，还包括：加热模块，加热模块包括：第一加热模块，用于加热通过换热区之前的冷却介质。

进一步地，加热模块还包括：第二加热模块，用于加热通过换热区之后的冷却介质。

在本实用新型的技术方案中，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，热交换子系统与供电子系统相连并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。通过本实用新型的热交换系统，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。

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实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。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示出了根据本实用新型的热交换系统的实施例的连接示意图；

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；

图9示出了图4的热交换系统的热交换模块的第五使用状态示意图；以及

图10示出了图3的热交换系统的热交换方法的流程示意图。

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实用新型。

本实用新型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。为清楚说明本实用新型实施例，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示出了根据本实用新型的热交换系统的实施例的连接示意图，如图3所示，本实施例的热交换系统包括：供电子系统以及热交换子系统。本实施例中供电子系统为钒电池模块、燃料电池模块和其他供电设备模块，该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，本实施例中，该热交换模块包括低温换热区、中温换热区和高温换热区，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。

通过本实施例的热交换系统，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。

在图中未示出的实施例中，电池模块和换热区均可以为一个或者其他数量。电池模块和换热区的数量可以根据需要进行选择。

本实施例的热交换系统包含热交换子系统。该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。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，上述换能过程中，第一管路(内部具有热流体)用于电池模块的散热，第一管路通常电池堆的端板连接，上述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。同时，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(冷流体)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。为了便于介绍，在下面的仅利用热流体和冷流体对本实施例的热交换系统进行说明。

由于不同的电池模块对应的最佳工作温度不同，对进入相应电池模块的冷却介质温度的要求也各不相同，冷却介质完成热交换后流出相应模块的最终温度也有明显差异。为了提高热量利用率，本实施例的热交换模块由不同的换热区组成，这些换热区由冷却介质所达到的温度区间范围决定，包含且不仅限于低温换热区、中温换热区和高温换热区。当电池模块不同时，接入热交换子系统的换热区也有所不同。根据用户的需求及所接入电池模块的特性，冷却介质可以由低温换热区、中温换热区及高温换热区中的任意一个或多个区域中引出并供于终端用户。

根据本实用新型的实施例的热交换系统的热交换模块的结构如图4所示，其中，HE-A1～HE-A3、HE-B1～HE-B3、HE-C1～HE-C3为3组共9个换热器，各组内(组A，组B，组C)换热器自上向下(按图示所示方位)换热面积逐渐减小。在这个示意图中，至多三组热流体(通常为用于电池模块散热的冷却介质)可自图上侧所示入口流入，经换热后自图下侧所示出口流出。冷流体(通常为自来水，用于给热流体散热)自图右侧所示入口流入，移走热量后，经图左侧所示出口流出。图中虚线为热流体循环路径，即供电子系统中用于冷却各电池模块的换热介质循环路径；实线为冷流体循环路径，即热交换模块中用于冷却热流体的冷却介质循环路径，虚线方框内为热交换模块的主要结构，该热交换模块由三个换热区组成，每个换热区又由个换热器组成，热交换模块根据外接的电池模块的类型、数量和功率来选择适合的换热区、换热器及其连接方法。

本实施例的热交换模块的主要特点如下：

一、热流体循环路径可以通过阀门的通断实现由高温换热区到低温换热区的任意换热器之间的串联或并联，冷流体循环路径可以通过阀门的通断实现由低温换热区到高温换热区的任意换热器之间的串联或并联。

二、同一换热区内，各换热器的换热面积不同。当然，也可以根据需要，使得换热器的换热面积均相等，或者部分换热器的换热面积相等。

三、各换热区可以独立运行，可以并联运行，也可以串联运行。

上述的热交换模块具有以下优点：

1、可以接入不同换热区的换热器或通过换热器的串、并联组合，满足不同类型的供电子系统对冷却介质进出口温度的不同要求。

2、可以接入不同换热面积的换热器或通过换热器的串、并联组合，满足不同功率的供电子系统对换热面积的不同要求。

3、可以同时对供电子系统中的多个电池模块进行散热，并通过由低温换热区到高温换热区的顺序串联提高热量利用率，降低系统能耗。

4、可以串联不同换热区的换热器，实现对大功率供电系统进行换热。

5、可以并联不同换热区的换热器，实现对大流量供电系统进行换热。

图5至图9示出了根据本实用新型的热交换系统的实施例的热交换模块的五种使用状态示意图。下面将详细说明这五种使用状态。

供电子系统的输出功率会随着负载变化产生波动，根据本实用新型的热交换系统的实施例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，热交换模块包括三个换热区(组A，组B，组C)。供电模块包括额定电功率下热功率分别为1000W的钒电池和4000W质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池冷却介质从热流体1进口进入热交换模块，从热流体1出口排出；钒电池冷却介质从热流体2进口进入，从热流体2出口流出，HE-A1～HE-A3为质子交换膜燃料电池热功率分别在1000W、2000W、4000W工作时设计的，HE-B1～HE-B3为钒电池热功率分别在200W、600W、1000W工作时设计的。钒电池在额定功率下工作，通过HE-B3换热器即可达到换热要求；而质子交换膜燃料电池的热功率从额定功率变为1000W，再采用HE-A3换热器就不能高效正常工作，采用HE-A1即可实现高效换热。热交换模块的工作状态如图5所示，其中只标出了工作的路径。本使用状态主要强调的是在本实施例的热交换模块中，可以通过同等条件下换热能力不同的换热器之间的切换，有效的移出发电模块产生的热量。

根据本实用新型的热交换系统的实施例的热交换模块还可以实现热流体流量增大热负荷变大时的热管理。如图6所示，在第二使用状态示意图中，热交换模块包括三个换热区(组A，组B，组C)。供电模块包括额定电功率下热功率分别为1000W的钒电池和4000W质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池冷却介质从热流体1进口进入热交换模块，从热流体1出口排出；钒电池冷却介质从热流体2进口进入，从热流体2出口流出，HE-A1～HE-A3为质子交换膜燃料电池热功率分别在1000W、2000W、4000W工作时设计的，HE-B1～HE-B3为钒电池热功率分别在200W、600W、1000W工作时设计的。质子交换膜燃料电池、钒电池的热功率为额定功率，分别通过HE-A3、HE-B3换热器即可达到换热要求。当钒电池需要降低工作温度、即冷却介质进出口温差降低时，冷却水流量即HE-B3热流体进口流量超出HE-B3设计流量时，可以在HE-B3换热器的基础上并联HE-B2来实现。热交换模块的工作状态如图6所示，其中只标出了工作的路径。本使用状态主要强调的是在本实用新型所述的热交换模块中，可以通过同等条件下换热能力不同的换热器之间的并联组合，来满足电池对不同操作条件的不同要求。

根据本实用新型的热交换系统的实施例的热交换模块可实现在热流体流量不变、总热负荷不变的情况下，提高冷流体出口温度。如图7所示，在第三使用状态示意图中，热交换模块包括三个换热区(组A，组B，组C)。供电模块包括额定电功率下热功率分别为1000W的钒电池和4000W质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池冷却介质从热流体1进口进入热交换模块，从热流体1出口排出；钒电池冷却介质从热流体2进口进入，从热流体2出口流出，HE-A1～HE-A3为质子交换膜燃料电池热功率分别在1000W、2000W、4000W工作时设计的，HE-B1～HE-B3为钒电池热功率分别在200W、600W、1000W工作时设计的。质子交换膜燃料电池、钒电池的热功率为额定功率，分别通过HE-A3、HE-B3换热器即可达到换热要求；当质子交换膜燃料电池工作电流密度增大时，电堆热功率超过额定功率，电池堆冷却介质即HE-A3的热流体需要深度换热以保证电堆正常工作，可以在HE-A3换热器的基础上串联HE-A1来实现。热交换模块的工作状态如图7所示，其中工作的路径用粗线表示。其中只标出了工作的路径。本使用状态主要强调的是在本实用新型所述的热交换模块中，可以通过同等条件下换热能力不同的换热器之间的串联组合，来满足用户对出口水温的不同要求。

根据本实用新型的热交换系统的实施例的热交换模块可以实现多个电池模块的热管理。如图8所示，在第四使用状态示意图中，热交换模块包括三个换热区(组A，组B，组C)。供电模块包括额定电功率下热功率分别为1000W的钒电池和4000W质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池冷却介质从热流体1进口进入热交换模块，从热流体1出口排出；钒电池冷却介质从热流体2进口进入，从热流体2出口流出，HE-A1～HE-A3为质子交换膜燃料电池热功率分别在1000W、2000W、4000W工作时设计的，HE-B1～HE-B3为钒电池热功率分别在200W、600W、1000W工作时设计的。质子交换膜燃料电池功率为3000W，钒电池的热功率为额定功率，分别通过HE-A3、HE-B3换热器即可达到换热要求。当需要利用B组换热器换出的能量来提高A组换热器的出口温度时，可以将HE-A3和HE-B3串联来实现，热交换模块的工作状态如图8所示，其中只标出了工作的路径。本使用状态主要强调的是在本实用新型所述的热交换模块中，可以通过不同温度区域间换热器的串联来进行不同电池模块热量综合管理。

根据本实用新型的热交换系统的实施例的热交换模块还可以在热负荷增大很多，单组换热器不能满足换热要求时实现对发电设备模块的热管理和利用。如图9所示，在第五使用状态示意图中，热交换模块包括三个换热区(组A，组B，组C)。供电模块包括额定电功率下热功率分别为1000W的钒电池和4000W质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池冷却介质从热流体1进口进入换热器模块，从热流体1出口排出；钒电池冷却介质从热流体2进口进入，从热流体2出口流出，HE-A1～HE-A3为质子交换膜燃料电池热功率分别在1000W、2000W、4000W工作时设计的，HE-B1～HE-B3为钒电池热功率分别在200W、600W、1000W工作时设计的。质子交换膜燃料电池、钒电池的热功率为额定功率，分别通过HE-A3、HE-B3换热器即可达到换热要求。根据需要当钒电池额定热功率调高到3000W时，B组换热器所有换热器并联也不能满足因为热功率变化而导致流量要求，可以将B组和C组换热器按需要进行并联来实现，即钒电池冷却介质分成两股从热流体2和冷流体3的进口分别进入，从热流体2和热流体3的出口分别流出再汇合，热交换模块的工作状态如图9所示，其中只标出了工作的路径。本使用状态主要强调的是在本实用新型所述的热交换模块中，可以在设备功率升高时通过不同组换热器的并联来实现发电设备产生热量的高效管理。

在一种优选的实施例中，如图4所示，在上述实施例的基础上，还包括第一加热模块，用于加热通过所述换热区之前的冷却介质，以满足特定电池模块对冷却介质的温度要求。

优选地，除了包括第一加热模块，如图4所示，在另一种优选的实施例中，还包括第二加热模块，当系统中所有供能模块均不工作或出水温度不能满足特定需求时，第二加热模块能确保系统对终端用户持续提供优质热能。

上述热交换系统的实施例的热交换方法，包括以下步骤：

S10：利用供电子系统的电池模块为终端用户输送电能。

S20：利用热交换子系统的热交换模块为供电子系统散热，并将同时回收的热能用于为终端用户输送热能。

优选地，在上述热交换方法中，电池模块为多个，换热模块包括多个换热区，每个电池模块可选择地连接至多个换热区中的一个或多个换热区。

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

Claims

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。

2.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述电池模块为多个，所述热交换模块包括多个换热区。

3.根据权利要求2所述的热交换系统，其特征在于，所述多个电池模块中的每个电池模块可选择地连接至所述多个换热区中的一个或多个换热区。

4.根据权利要求3所述的热交换系统，其特征在于，当所述电池模块连接至多个换热区时，各所述换热区之间为并联或者串联。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的热交换系统，其特征在于，每个所述换热区内均包括多个换热器。

6.根据权利要求5所述的热交换系统，其特征在于，所述每个所述换热区内的每个换热器的换热面积均不相同。

7.根据权利要求5所述的热交换系统，其特征在于，所述每个所述换热区内的各个换热器之间为并联或者串联。

8.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，还包括：加热模块，用于加热通过所述换热区之后的冷却介质。

9.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，还包括：加热模块，所述加热模块包括：第一加热模块，用于加热通过所述换热区之前的冷却介质。

10.根据权利要求9所述的热交换系统，其特征在于，所述加热模块还包括：第二加热模块，用于加热通过所述换热区之后的冷却介质。