鄧一凡

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液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用與展望

鄧一凡

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室， 武漢 430064）

液流電池在儲(chǔ)能體系中是十分重要的一部分。根據(jù)其不同特點(diǎn)，可以將其分為不同液流電池體系。其中全釩液流電池技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最為廣泛。文章論述了全釩液流電池的工作原理和主要優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行舉例說(shuō)明。最后對(duì)液流電池在儲(chǔ)能方面的發(fā)展應(yīng)用提出了一些看法與展望。

液流電池 全釩液流電池 儲(chǔ)能應(yīng)用

0 引言

全球的能源是主要利用化石燃料和核能所轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的電能來(lái)提供。19世紀(jì)工業(yè)革命開(kāi)始，化石燃料被大規(guī)模的開(kāi)采利用。從那時(shí)到2015年12月，大氣中二氧化碳的濃度從280 ppm增加到401 ppm以上[1]?；剂先紵欧哦趸己推渌麥厥覛怏w，是造成氣候變化的主要原因?；鹆Πl(fā)電廠發(fā)電過(guò)程中還伴隨著各種有毒重金屬元素和粉塵的排放，對(duì)環(huán)境造成較大污染。與此同時(shí)，化石能源的消耗與用盡也是不可避免的，化石燃料成本也在不斷提高。核電站曾經(jīng)被認(rèn)為可以成為火力發(fā)電廠的主要替代品，但從對(duì)人類對(duì)社會(huì)負(fù)責(zé)任的角度來(lái)看，該結(jié)論已被證偽?；谝陨锨闆r，我們應(yīng)該進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型，積極利用各種各樣綠色可再生的能源，例如地?zé)崮堋⒊毕?、太?yáng)能、水力和風(fēng)力發(fā)電。然而，地?zé)崮?、潮汐能和水力發(fā)電的應(yīng)用存在很多劣勢(shì)，例如利用率有限、對(duì)環(huán)境造成的影響較大、受限于地理?xiàng)l件等。所以，太陽(yáng)能和風(fēng)能應(yīng)該是最有前景的、能夠替代化石燃料的清潔可再生能源。

近幾年，大量基于太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電的電廠建立起來(lái)。不同于傳統(tǒng)電廠，風(fēng)能和太陽(yáng)能的產(chǎn)生與天氣因素密切相關(guān)，故電能的產(chǎn)生具有隨機(jī)性、間歇性與不可控性，如果將風(fēng)電和光伏發(fā)電這樣不穩(wěn)定的電能并入現(xiàn)有電網(wǎng)體系，這種不穩(wěn)定的因素會(huì)對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)體系造成巨大沖擊，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。所以光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電的入網(wǎng)問(wèn)題是限制其發(fā)展的關(guān)鍵。

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)吸收能量并適時(shí)釋放，實(shí)現(xiàn)電力的削峰填谷，解決電力的產(chǎn)生與消費(fèi)矛盾。其與可再生能源發(fā)電的有機(jī)結(jié)合才能真正實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略要求。因此研究開(kāi)發(fā)高效率、低成本、易維護(hù)、安全可靠的儲(chǔ)能系統(tǒng)成為電力能源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)大致可分為機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能與電能直接存儲(chǔ)。光伏發(fā)電的功率范圍在1 kW（小型家用屋頂太陽(yáng)能發(fā)電）到550 MW（美國(guó)加利福利亞），風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電功率范圍在2.5~7.5 MW。在這個(gè)功率范圍，液流電池（RFBS）儲(chǔ)能系統(tǒng)可以被認(rèn)為是風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的理想儲(chǔ)能方式。

1 液流電池原理及分類[2]

液流電池的核心組件是一個(gè)電池和兩個(gè)電解液存儲(chǔ)罐，電池部分包括兩個(gè)惰性電極和位于兩個(gè)電極之間的離子交換膜。電解液溶液依靠循環(huán)泵，通過(guò)電解液管道在這些組件之間循環(huán)，如圖1所示。與傳統(tǒng)二次電池不同，具有氧化還原活性的正負(fù)極材料并不是以固態(tài)電極的方式存在，而是分別溶解于電解液之中，故液流電池有陰極電解液和陽(yáng)極電解液之分。電池正常工作時(shí)，電解液在電池和存儲(chǔ)罐之間循環(huán)，流經(jīng)電池時(shí)在電極上活性材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。其中離子交換膜允許電解液溶劑的交換，阻隔活性材料的滲透，電池外接電源或負(fù)載。由于液流電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其功率取決于單體電池的面積、層數(shù)及電堆的串并聯(lián)數(shù)，容量取決于電解液體積和活性材料的濃度。功率和容量?jī)烧呦嗷オ?dú)立，可以根據(jù)具體需求調(diào)整電池相應(yīng)的功率和容量大小，較為靈活。

圖1 液流電池結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)液流電池的不同特點(diǎn)，可以將其分為雙液流電池、沉積型單液流電池、金屬/空氣液流電池。本文簡(jiǎn)要介紹液流電池的種類，并將技術(shù)最成熟的全釩液流電池的應(yīng)用進(jìn)行舉例說(shuō)明，指出全釩液流電池進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用所存在的問(wèn)題，并對(duì)其發(fā)展前景做一個(gè)展望。

1.1 雙液流電池體系

1.2 沉積型單液流電池

沉積型單液流電池[3]正負(fù)極共用一種電解液，充放電過(guò)程中有一個(gè)（單沉積型單液流電池）或者兩個(gè)（雙沉積型單液流電池）氧化還原電對(duì)的充放電產(chǎn)物沉積在電極上。由于共用一種電解液，所以不需要離子交換膜。

單沉積型液流電池中一個(gè)氧化還原電對(duì)的充放電產(chǎn)物沉積，另一電極上發(fā)生固態(tài)相變反應(yīng)。典型代表為鋅-鎳單液流電池，正極為固體氧化鎳，負(fù)極為惰性電極，金屬Zn沉積/溶解，電解液為堿性鋅酸鹽溶液[4-5]。充電時(shí)氧化鎳電極中氫氧化鎳氧化生成NiOOH，鋅酸根離子在負(fù)極沉積金屬鋅。平均放電電壓1.6 V左右。氧化鎳正極充放電過(guò)程中氫氧化鎳與羥基氧化鎳之間存在體積變化，造成容量衰減。

1.3 金屬/空氣液流電池

為了降低儲(chǔ)能成本，提高儲(chǔ)能密度，將氣體擴(kuò)散電極用于液流電池的正極。空氣中的氧氣和水作為活性物質(zhì)。介紹其中的典型代表，鋅-氧單液流電池[3]。

在鋅-鎳單液流電池的基礎(chǔ)上，用空氣電極取代氧化鎳電極，電解液也是堿性鋅酸鹽溶液。電池充放電過(guò)程中，電極反應(yīng)如下：

為了實(shí)現(xiàn)氧電極的充放電，需要在氧電極集流體的兩側(cè)引入催化劑，催化劑分為析氧催化和氧還原催化。電極的設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)，電極材料的選擇也需要耐氧氣腐蝕。其次空氣中的酸性氣體會(huì)引起堿性電解液成分的變化，導(dǎo)致電池性能衰減。

2 全釩液流電池

全釩液流電池（VRB）在眾多的液流電池體系中技術(shù)最成熟，至今一直是研究的熱點(diǎn)，并且占據(jù)了液流電池的主要市場(chǎng)。且我國(guó)的釩資源十分豐富，這為全釩液流電池的大規(guī)模開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了保障。故以全釩液流電池為例，對(duì)其電池特性、儲(chǔ)能應(yīng)用方面做主要介紹。

2.1 全釩液流電池優(yōu)缺點(diǎn)比較

由于正極反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電位為+1.004 V，負(fù)極反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電位為-0.255 V，所以全釩液流電池標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)為1.259 V。實(shí)際工作時(shí)，電解液濃度與電池充放電狀態(tài)會(huì)對(duì)電池電極電位產(chǎn)生影響，故電池的開(kāi)路電壓一般為1.5-1.6 V。

全釩液流電池具備以下優(yōu)點(diǎn)[6-7]：

1) 容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化（MW級(jí)）：由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電池輸出功率和儲(chǔ)能容量相互獨(dú)立，使得整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加靈活，模塊化設(shè)計(jì)使得組裝方便，而且選址不受限制。

3) 電池、電堆性能均一：得益于電解液同一，單體電池的荷電狀態(tài)（SOC）相同。電解液可以隨時(shí)添加，使用壽命理論上是無(wú)限的。

4) 響應(yīng)快速（亞秒級(jí)）：液態(tài)流動(dòng)電解質(zhì)使得電池電化學(xué)反應(yīng)迅速，響應(yīng)速度極短。

5) 自放電率低：得益于正負(fù)極電解液的分開(kāi)存儲(chǔ)。

6) 深度放電不會(huì)對(duì)電池造成損害。

7) 環(huán)境友好：無(wú)廢棄污染物排放，綠色環(huán)保。

9) 運(yùn)行和維護(hù)成本低：由于電池循環(huán)壽命較長(zhǎng)，單位時(shí)間的運(yùn)行成本較低。維護(hù)周期也較長(zhǎng)，維護(hù)材料便宜，方式簡(jiǎn)便，維護(hù)成本也較低。

全釩液流電池目前存在的一些缺陷如下[8-9]：

1) 釩離子的在硫酸電解液中的溶解度限制著體系的能量密度。

2) 二價(jià)和三價(jià)釩離子在溫度較低時(shí)發(fā)生沉淀，溫度較高時(shí)五價(jià)釩離子會(huì)析出形成五氧化二釩，限制電池的能量密度和工作溫度區(qū)間。

3) 全釩液流電池電解液為強(qiáng)氧化性硫酸，電極材料的導(dǎo)電性與防腐蝕也是難題。

4) 研究制備高選擇性、低膜阻，耐腐蝕一致均一的離子交換膜材料也是關(guān)鍵。

5) 電池的組裝與密封（不漏液）、電堆結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

6) 電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化。

2.2 全釩液流電池的儲(chǔ)能應(yīng)用

以國(guó)電龍?jiān)磁P牛石風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)的5 MW/10 MWh全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，該電場(chǎng)總裝機(jī)規(guī)模為49.5 MW，由33臺(tái)1500 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成。全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由：全釩液流單元電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、儲(chǔ)能逆變器（PCS）和變壓器組成。模塊化設(shè)計(jì)采用的是十五套可獨(dú)立控制的、額定輸出功率為352 kW的單元儲(chǔ)能系統(tǒng)。其基本參數(shù)[10]見(jiàn)表1。

每三套單元電池構(gòu)成一排，形成1 MW電池系統(tǒng)，5套1 MW電池系統(tǒng)按列構(gòu)成5 MW電池系統(tǒng)。PCS系統(tǒng)與電池連接室外變壓器，完成交直流轉(zhuǎn)換和并網(wǎng)充放電，上述各個(gè)系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊，根據(jù)不同功能需求實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)的充放電管理和靈活調(diào)度。全釩液流電池系統(tǒng)設(shè)備布局如下圖2（全釩液流電池系統(tǒng)設(shè)備布局圖）[10]所示。

綜合來(lái)說(shuō)，全釩電池液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在能夠平滑風(fēng)電的輸出、提高風(fēng)電場(chǎng)跟蹤計(jì)劃發(fā)電能力、減少棄風(fēng)、增加風(fēng)電場(chǎng)收益提高風(fēng)能利用率的同時(shí)，還具備暫態(tài)有功出力緊急響應(yīng)、暫態(tài)電壓緊急支撐的功能。

下表2是全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，在科研機(jī)構(gòu)和研發(fā)公司的共同努力下所建立的一些商用或示范系統(tǒng)，以供參考[7,11-13]。

表1 單元電池系統(tǒng)性能參數(shù)

圖2 電池系統(tǒng)設(shè)備布局示意圖

表2 全釩液流電池商用及示范樣品概況

2.3 全釩液流電池充放電特性研究

清華大學(xué)的畢大強(qiáng)[14]對(duì)全釩液流電池體系進(jìn)行建模仿真研究其充放電特性。電池模型等效電路圖如下圖3所示。等效電路的參數(shù)值是在放電至20%時(shí)，假設(shè)內(nèi)阻損耗為15%，寄生損耗為6%，以此為基礎(chǔ)計(jì)算得到的。

圖3 全釩液流電池等效電路圖

電池模型等效說(shuō)明：

參數(shù)說(shuō)明：

全釩液流電池系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定：

1) 額定功率：270 kW

2) 額定容量：405 kWh

3) 額定電壓：810 V

圖4 充放電周期中變化

圖5 全釩電池組端電壓充放電周期中變化

3 總結(jié)與展望

本文簡(jiǎn)要介紹了不同種類液流電池的特點(diǎn)，并選取應(yīng)用最廣泛的全釩液流電池為例，對(duì)其工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用、充放電特性等方面做出說(shuō)明。大規(guī)模、低成本、高效率、長(zhǎng)壽命是液流電池儲(chǔ)能技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展方向與目標(biāo)。具體到技術(shù)層面有以下七點(diǎn)[15]：

1) 尋找研發(fā)低成本、高溶解度和高氧化還原電勢(shì)、快速動(dòng)力學(xué)性能的新型氧化還原電對(duì)，利用多電子反應(yīng)提高能量密度。

2) 研究高活性的電催化劑，并將其與高表面積的電極材料有機(jī)結(jié)合在一起，提高效率。

3) 對(duì)電極上和溶液中發(fā)生的復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)需進(jìn)一步增強(qiáng)，尤其是多電子活性材料。了解這些過(guò)程有利于電極材料、電催化劑和添加劑的選擇。

4) 開(kāi)發(fā)具有高導(dǎo)電性和長(zhǎng)壽命、低成本的離子交換膜。離子交換膜是液流電池的關(guān)鍵組成部分，關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的效率和使用壽命。

5) 仍需研究先進(jìn)的電池結(jié)構(gòu)，對(duì)電堆結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。電極材料的優(yōu)化也是降低成本的關(guān)鍵。

6) 對(duì)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究和仿真分析能夠用來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)液流電池的健康狀況和壽命。

7) 液流電池長(zhǎng)期運(yùn)行安全性能評(píng)估也很有必要，因?yàn)橐毫麟姵乇举|(zhì)上是一種含有腐蝕性流體的小型化學(xué)工廠，所以應(yīng)該先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估，了解所有的危害、環(huán)境和安全問(wèn)題，策劃并設(shè)置預(yù)防和保護(hù)措施,以便在擴(kuò)大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)得到充分的解決。

總的來(lái)說(shuō)，液流電池的發(fā)展前景光明，特別是全釩液流電池的商業(yè)化逐漸成熟，且在國(guó)家大力支持和研究機(jī)構(gòu)不懈努力之下，全釩液流電池的一些技術(shù)難題正在逐一解決。該系統(tǒng)固有特性決定了其在海工平臺(tái)、船舶電站等特種行業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。該體系儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量密度、輸出功率跟隨響應(yīng)、模塊化擴(kuò)展、建造保障全壽命周期成本等多方面能夠較好地貼合未來(lái)海上平臺(tái)綜合電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能需求?？深A(yù)見(jiàn)等將來(lái)，液流電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域中必將得到廣泛應(yīng)用。

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Application and Prospect of Energy Storage on Flow-battery

Deng Yifan

(Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM912.9

A

1003-4862（2017）12-0033-06

2017-09-22

鄧一凡（1978-），男，工程師。研究方向：電化學(xué)。E-mail:13871288050@139.com