鄧一凡

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液流電池儲能系統(tǒng)應用與展望

鄧一凡

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室， 武漢 430064）

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

液流電池 全釩液流電池 儲能應用

0 引言

全球的能源是主要利用化石燃料和核能所轉化產生的電能來提供。19世紀工業(yè)革命開始，化石燃料被大規(guī)模的開采利用。從那時到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)電過程中還伴隨著各種有毒重金屬元素和粉塵的排放，對環(huán)境造成較大污染。與此同時，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。核電站曾經被認為可以成為火力發(fā)電廠的主要替代品，但從對人類對社會負責任的角度來看，該結論已被證偽?；谝陨锨闆r，我們應該進行能源轉型，積極利用各種各樣綠色可再生的能源，例如地熱能、潮汐能、太陽能、水力和風力發(fā)電。然而，地熱能、潮汐能和水力發(fā)電的應用存在很多劣勢，例如利用率有限、對環(huán)境造成的影響較大、受限于地理條件等。所以，太陽能和風能應該是最有前景的、能夠替代化石燃料的清潔可再生能源。

近幾年，大量基于太陽能和風能發(fā)電的電廠建立起來。不同于傳統(tǒng)電廠，風能和太陽能的產生與天氣因素密切相關，故電能的產生具有隨機性、間歇性與不可控性，如果將風電和光伏發(fā)電這樣不穩(wěn)定的電能并入現有電網體系，這種不穩(wěn)定的因素會對現有電網體系造成巨大沖擊，導致安全事故的發(fā)生。所以光伏發(fā)電和風能發(fā)電的入網問題是限制其發(fā)展的關鍵。

儲能系統(tǒng)可以動態(tài)吸收能量并適時釋放，實現電力的削峰填谷，解決電力的產生與消費矛盾。其與可再生能源發(fā)電的有機結合才能真正實現國家能源轉型的戰(zhàn)略要求。因此研究開發(fā)高效率、低成本、易維護、安全可靠的儲能系統(tǒng)成為電力能源可持續(xù)發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的儲能技術大致可分為機械儲能、化學儲能、電化學儲能與電能直接存儲。光伏發(fā)電的功率范圍在1 kW（小型家用屋頂太陽能發(fā)電）到550 MW（美國加利福利亞），風力渦輪機發(fā)電功率范圍在2.5~7.5 MW。在這個功率范圍，液流電池（RFBS）儲能系統(tǒng)可以被認為是風力發(fā)電和光伏發(fā)電的理想儲能方式。

1 液流電池原理及分類[2]

液流電池的核心組件是一個電池和兩個電解液存儲罐，電池部分包括兩個惰性電極和位于兩個電極之間的離子交換膜。電解液溶液依靠循環(huán)泵，通過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極電解液之分。電池正常工作時，電解液在電池和存儲罐之間循環(huán)，流經電池時在電極上活性材料發(fā)生電化學反應。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，電池外接電源或負載。由于液流電池的結構特點，其功率取決于單體電池的面積、層數及電堆的串并聯(lián)數，容量取決于電解液體積和活性材料的濃度。功率和容量兩者相互獨立，可以根據具體需求調整電池相應的功率和容量大小，較為靈活。

圖1 液流電池結構示意圖

根據液流電池的不同特點，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。本文簡要介紹液流電池的種類，并將技術最成熟的全釩液流電池的應用進行舉例說明，指出全釩液流電池進一步商業(yè)化應用所存在的問題，并對其發(fā)展前景做一個展望。

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]正負極共用一種電解液，充放電過程中有一個（單沉積型單液流電池）或者兩個（雙沉積型單液流電池）氧化還原電對的充放電產物沉積在電極上。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氧化還原電對的充放電產物沉積，另一電極上發(fā)生固態(tài)相變反應。典型代表為鋅-鎳單液流電池，正極為固體氧化鎳，負極為惰性電極，金屬Zn沉積/溶解，電解液為堿性鋅酸鹽溶液[4-5]。充電時氧化鎳電極中氫氧化鎳氧化生成NiOOH，鋅酸根離子在負極沉積金屬鋅。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

為了降低儲能成本，提高儲能密度，將氣體擴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。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。電池充放電過程中，電極反應如下：

為了實現氧電極的充放電，需要在氧電極集流體的兩側引入催化劑，催化劑分為析氧催化和氧還原催化。電極的設計是一個難點，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引起堿性電解液成分的變化，導致電池性能衰減。

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最成熟，至今一直是研究的熱點，并且占據了液流電池的主要市場。且我國的釩資源十分豐富，這為全釩液流電池的大規(guī)模開發(fā)應用提供了保障。故以全釩液流電池為例，對其電池特性、儲能應用方面做主要介紹。

2.1 全釩液流電池優(yōu)缺點比較

由于正極反應標準電位為+1.004 V，負極反應標準電位為-0.255 V，所以全釩液流電池標準電動勢為1.259 V。實際工作時，電解液濃度與電池充放電狀態(tài)會對電池電極電位產生影響，故電池的開路電壓一般為1.5-1.6 V。

全釩液流電池具備以下優(yōu)點[6-7]：

1) 容易實現規(guī)?；∕W級）：由于其結構特點，電池輸出功率和儲能容量相互獨立，使得整個系統(tǒng)的設計更加靈活，模塊化設計使得組裝方便，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。電解液可以隨時添加，使用壽命理論上是無限的。

4) 響應快速（亞秒級）：液態(tài)流動電解質使得電池電化學反應迅速，響應速度極短。

5) 自放電率低：得益于正負極電解液的分開存儲。

6) 深度放電不會對電池造成損害。

7) 環(huán)境友好：無廢棄污染物排放，綠色環(huán)保。

9) 運行和維護成本低：由于電池循環(huán)壽命較長，單位時間的運行成本較低。維護周期也較長，維護材料便宜，方式簡便，維護成本也較低。

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) 二價和三價釩離子在溫度較低時發(fā)生沉淀，溫度較高時五價釩離子會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氧化性硫酸，電極材料的導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鍵。

5) 電池的組裝與密封（不漏液）、電堆結構優(yōu)化。

6) 電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化。

2.2 全釩液流電池的儲能應用

以國電龍源臥牛石風電場升壓站內的5 MW/10 MWh全釩液流電池儲能系統(tǒng)為例，該電場總裝機規(guī)模為49.5 MW，由33臺1500 kW的風力發(fā)電機組構成。全釩液流電池儲能系統(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）、儲能逆變器（PCS）和變壓器組成。模塊化設計采用的是十五套可獨立控制的、額定輸出功率為352 kW的單元儲能系統(tǒng)。其基本參數[10]見表1。

每三套單元電池構成一排，形成1 MW電池系統(tǒng)，5套1 MW電池系統(tǒng)按列構成5 MW電池系統(tǒng)。PCS系統(tǒng)與電池連接室外變壓器，完成交直流轉換和并網充放電，上述各個系統(tǒng)與風電場系統(tǒng)實時通訊，根據不同功能需求實現對電池系統(tǒng)的充放電管理和靈活調度。全釩液流電池系統(tǒng)設備布局如下圖2（全釩液流電池系統(tǒng)設備布局圖）[10]所示。

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

下表2是全釩液流電池儲能系統(tǒng)經過三十多年的發(fā)展，在科研機構和研發(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

圖2 電池系統(tǒng)設備布局示意圖

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

清華大學的畢大強[14]對全釩液流電池體系進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。等效電路的參數值是在放電至20%時，假設內阻損耗為15%，寄生損耗為6%，以此為基礎計算得到的。

圖3 全釩液流電池等效電路圖

電池模型等效說明：

參數說明：

全釩液流電池系統(tǒng)參數設定：

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 總結與展望

本文簡要介紹了不同種類液流電池的特點，并選取應用最廣泛的全釩液流電池為例，對其工作原理、優(yōu)缺點、應用、充放電特性等方面做出說明。大規(guī)模、低成本、高效率、長壽命是液流電池儲能技術在未來的發(fā)展方向與目標。具體到技術層面有以下七點[15]：

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

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結合在一起，提高效率。

3) 對電極上和溶液中發(fā)生的復雜電化學反應的認識需進一步增強，尤其是多電子活性材料。了解這些過程有利于電極材料、電催化劑和添加劑的選擇。

4) 開發(fā)具有高導電性和長壽命、低成本的離子交換膜。離子交換膜是液流電池的關鍵組成部分，關系著整個系統(tǒng)的效率和使用壽命。

5) 仍需研究先進的電池結構，對電堆結構進行優(yōu)化。電極材料的優(yōu)化也是降低成本的關鍵。

6) 對暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的監(jiān)控管理系統(tǒng)的設計研究和仿真分析能夠用來準確預測液流電池的健康狀況和壽命。

7) 液流電池長期運行安全性能評估也很有必要，因為液流電池本質上是一種含有腐蝕性流體的小型化學工廠，所以應該先進行實驗評估，了解所有的危害、環(huán)境和安全問題，策劃并設置預防和保護措施,以便在擴大規(guī)模生產時得到充分的解決。

總的來說，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，且在國家大力支持和研究機構不懈努力之下，全釩液流電池的一些技術難題正在逐一解決。該系統(tǒng)固有特性決定了其在海工平臺、船舶電站等特種行業(yè)領域的廣泛應用前景。該體系儲能系統(tǒng)在能量密度、輸出功率跟隨響應、模塊化擴展、建造保障全壽命周期成本等多方面能夠較好地貼合未來海上平臺綜合電力系統(tǒng)的儲能需求?？深A見等將來，液流電池在儲能領域中必將得到廣泛應用。

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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。E-mail:13871288050@139.com