張亮

摘要：鋅溴液流儲能電池具有可任意疊加、模塊化特點，與傳統(tǒng)的鉛酸電池比，具有優(yōu)越的循環(huán)充放電性能、較高的能量密度及功率密度。根據(jù)GB 50058-2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》、DL/T5044-2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設計技術(shù)規(guī)程》和GB 50055-2011《通用用電設備配電設計規(guī)范》，在考慮性能與成本后，安徽廣播電視大樓IDC機房與配電室選用鋅溴液流儲能電池，并提供了選擇該類電池容量的工程計算方法。

關鍵詞：儲能電池；鋅溴氧化還原液流電池；電池容量選擇

安徽廣播電視大樓不但有開閉所、配電室，還有大量的IDC機房，它是數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交換的計算機、網(wǎng)絡設備、電子設備等，需要大量的儲能電池支撐。

1儲能電池發(fā)展現(xiàn)狀

當前主要的儲能電池主要有以下幾種：其一是鉛酸電池，它是使用最廣泛、具有價格優(yōu)勢的儲能電池；但它存在著循環(huán)壽命短、能量效率低、自放電率高、對環(huán)境有污染等缺點。鈉硫電池發(fā)明于20世紀60年代中期，主要用于新能源汽車的測試；理論上鈉硫電池的熱穩(wěn)定性好、能量密度高，并且沒有自放電現(xiàn)象，但存在嚴重的電池穩(wěn)定性問題。鎘鎳電池是由愛迪生在一百多年前發(fā)明的，但由于當時的技術(shù)條件限制，未得到實際應用，后經(jīng)過幾次改進，才得到推廣應用；但是鎘鎳電池的鎘化合物污染嚴重、毒性較大，其發(fā)展受到了限制。中科院大連化學物理研究所對釩液流電池進行的研發(fā)，在很多關鍵領域取得進展，己經(jīng)進入實用化階段，但還存在一些技術(shù)難題沒解決好，比電極材料、電池隔膜的選擇問題，故釩液流電池還不能廣泛使用。

經(jīng)過技術(shù)人員研究發(fā)現(xiàn)：液流電池可循環(huán)流動，它的容量決定電池的容量，用鋅作電極可做到高能量密度、低制造成本，尤其在較大規(guī)模儲能系統(tǒng)有較大的應用潛力。把液流電池與鋅電極兩點優(yōu)勢結(jié)合，而出現(xiàn)的鋅溴氧化還原液流電池受到了人們的廣泛關注和重視。根據(jù)桑迪亞國家實驗室的研究，鋅溴電池組可以做成可移動的裝置，這對于公共事業(yè)是有好處的，能夠校正間歇的電壓干擾，提供瞬時和持久電流中斷期的保護。中國鋅溴氧化還原液流電池研究從20世紀90年代開始，雖起步相對較晚，但發(fā)展較快。在鋅溴電池原材料國產(chǎn)化方面做了大量工作，已建成鋅溴電池關鍵材料、單電池、單堆、模塊以及儲能試驗系統(tǒng)等，其鋅溴氧化還原液流電池產(chǎn)品，質(zhì)能比可達40W·h/kg。所以，最新的鋅溴氧化還原液流電池產(chǎn)品得到廣泛應用。不同儲能電池的技術(shù)與價格比較如表1所示。

2鋅溴電池的原理與結(jié)構(gòu)

鋅溴氧化還原液流電池主要由鋅電堆、溴化鋅電解液、電池液路循環(huán)系統(tǒng)三部分組成，其中鋅電堆包括終端電極、終端板、雙極板和隔離膜。鋅溴液流電池負極電對的充放電產(chǎn)物不溶于電解液而沉積在電極上，正負半電池由隔離膜依次堆疊組合而成，兩側(cè)電解液均為znBr2溶液；電解液在儲液罐和電池構(gòu)成的閉合回路中循環(huán)流動。鋅溴液流電池的反應活性物質(zhì)為溴化鋅，基礎電化學反應可表示如下：

鋅溴氧化還原液流電池同高級鉛酸電池、鈉硫電池、鎘鎳電池、釩液流電池等其他電池技術(shù)相比，它具有下列特點：

（1）鋅溴氧化還原液流電池和常用的鉛酸電池比，具有較高的能量密度。理論能量密度可達435 w·h/kg，實際鋅溴氧化還原液流電池產(chǎn)品能量密度可達60W·h/kg；

（2）溴化鋅電解液進入電堆后，分成四股，并在扇形擴散腔內(nèi)實現(xiàn)流態(tài)擴散，之后進入反應區(qū)域，為電化學反應提供足量活性物質(zhì)，它不存在電解液的交叉污染；

（3）溴化鋅水溶液為電化學反應提供足量活性物質(zhì)，提高液體在扇形通道內(nèi)的流速，它有利于儲能電池系統(tǒng)的熱量管理，傳統(tǒng)的鉛酸電池很難做到這點。

（4）鋅溴氧化還原液流電池可以頻繁地進行深度放電，而不會對電池的性能和壽命造成影響，理論上其壽命無限。實際產(chǎn)品可實現(xiàn)2000次的深度充放電，平均壽命是鉛酸電池的三倍。

（5）電解液為水溶液，且主要反應物質(zhì)為溴化鋅，不易出現(xiàn)爆炸、著火等嚴重事故，具有很高的安全性，較易滿足爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范的要求。

（6）所使用的電極及隔膜材料主要成分為塑料，不含重金屬，價格低廉，可回收利用且對環(huán)境友好。

鋅溴電池的運行原理如下：電池的活性物質(zhì)存儲在電解液罐中，電池工作時正負極電解液由各自的動力泵強制在儲液罐和鋅電堆為主體的電池中進行循環(huán)流動。鋅被電鍍在電池內(nèi)部負極側(cè)，溴伴隨自由電子的產(chǎn)生在電池的正極側(cè)。充電時鋅沉積在負極上，在正極生成的溴會馬上把電解液中的溴絡合成油狀物質(zhì)，這種絡合物使水溶液相中的溴含量大幅度減少，且該物質(zhì)密度大于電解液，會在液體循環(huán)過程中逐漸沉積在儲罐底部，大大減小了溴的蒸汽壓，提高了系統(tǒng)安全性。放電時正極儲罐的閥打開，儲罐里的絡合溴會與正極電解液充分混合打散，在正極表面發(fā)生反應生成溴離子，附近的金屬鋅溶解成為鋅離子，電解液重新回到溴化鋅溶液的狀態(tài)，反應是完全可逆的。可見電池的容量取決于電解液貯存罐的容積，而電池功率則取決于鋅電堆的大小。

3鋅溴液流電池的工程應用

廣電中心應急照明用當容量較大時，宜選用集中分區(qū)供電；考容量較小時，宜選用分散供電；慮性價比及儲能電池技術(shù)的成熟程度，可選用鋅溴電池。廣電中心變電所分、合閘直流電源可選用高級鉛酸電池；當蓄電池同時作為變電所操作電源和建筑物應急照明集中供電電源時，宜選鋅溴電池。在廣電中心設計上應符合GB50058-2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》、DL/T5044-2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設計技術(shù)規(guī)程》、GB50055-2011《通用用電設備配電設計規(guī)范》以及《民用建筑電氣設計規(guī)范》“第八部分”蓄電池的要求。

鋅溴電池系統(tǒng)的選擇，要計算電池的容量，這是保證電池供電時間與電流大小的必要指標，它由溴化鋅電解液容量決定。另一個重要指標是，電池的最大放電電流。這是由電池配的電堆大小決定的，也是決定電池成本的一個重要因素。當電路短路時蓄電池產(chǎn)生沖擊電流。電堆在控制電路的控制下，限制電池的放電電流，從而保護電池與供電線路，在設定的電流內(nèi)供電。由此看來鋅溴電池的成本是由三個部分組成：①正極解液和負極電解液貯存罐，和電動泵組成的循環(huán)系統(tǒng)；②電堆；③控制與顯示電控系統(tǒng)。為此，當電池輸出功率一定時，增加儲電量，電池成本不會增加很多，這也是鋅溴電池與傳統(tǒng)電池的一大區(qū)別。