液流电池储能系统-解析与优化

氧化还原液流电池（Redox Flow Battery）简称液流电池，对于组成液流电池电化学体系的正/负极电对，要求其电极电位适宜，正/负极电对电位差大，可逆性良好，不受析氢、析氧副反应影响，溶解度高且稳定，价格便宜等。几十年来，各国学者通过变换氧化-还原电对，提出了多种液流电池体系，大致分为沉积型液流出能和液相储能两类，例如有固相沉积的锌/溴、全铁、铅酸、镍/锌等液流电池；全液相的铁/铬、多硫化钠/溴（PSB）、铈钒体系、全铀体系、全钒体系等液流电池。就无沉积的全液相储能体系而言，其重要特征在于活性物质完全溶于正/负极电解液中，电极反应无固相及形貌改变，从而更易保证成组电池的一致性、均匀性并延长其循环寿命。因此液相体系优于沉积型体系而得到广泛研究和应用。

液流电池的活性物质可溶解分装在两个储存槽中，溶液流经液流电池，在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原与氧化反应。此化学反应是可逆的，因此可达到多次充放电的能力。此系统的储能容量由储存槽中的电解液容积决定，而输出功率取决于电池的反应面积。由于两者可以独立设计，因此系统设计的灵活性大，受设置场地限制小。

在众多液流电池体系中，由于全钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Flow Battery，以下简称VRB或全钒电池）系统的正、负极活性物质为价态不同的钒离子，可避免正、负极活性物质通过离子交换膜扩散造成的元素交叉污染，属于全液相、正负极电对为同一元素变价的双流动电解液无沉积反应体系。其反应较快，优势明显，是目前主要的液流电池产业化发展方向。

1.技术特性

全钒电池具有其他固相化学电池所不具备的特性与优势，在美日等国家已经实现商业化运作，但因全钒电池仍存在环境温度适用范围窄、能量转换效率不高等问题而尚未普及推广。其特点简述如下：

1）能量与功率独立设计，输出功率取决于电堆体积，储能容量取决于电解液储量和浓度，并且易扩容、易维护；

2）活性物质存放于电堆之外的液罐中，自放电率低，理论储存寿命长；

3）响应速度快，支持充放电频繁切换以及深度放电；

4）安全系数稳定，支持正、负极电解液混合，且电解液可重复循环使用；

5）特有液路管道结构，导致支路电流损耗显著，影响储能系统效率。

2.应用领域

根据全钒电池运行特性，其应用领域多涉及辅助调峰、平滑风电和光伏系统输出功率、边远地区供电、工厂及办公楼供电、不间断电源（UPS）等场合，如图4-4所示。

3.技术成熟度

1991年澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）开发出的1kW全钒电池电堆，其直流侧能量效率达到90%，为全钒电池的实用化提供了可靠依据，标志着全钒电池开始走出实验室，迈向工程化研发阶段；2001年，日本住友电工（Sumit-omo Electric Industries Ltd，简称SEI）已具备完整的生产和组装全钒电池系统的全套技术，并将全钒电池储能系统投入商业运营。此外，德国、奥地利、英国和泰国等国家也在开展全钒电池系统研究并取得显著成果。

(www.xing528.com)

图4-4 日本1.5MW·h电网调峰储能系统（左图）和170kW并网风电全钒液流电池储能系统（右图）

国内，中国科学院大连化学物理研究所研发成功了22kW级电堆的全钒电池系统，掌握了具有自主知识产权的百千瓦级全钒液流储能电池系统的设计、集成技术，并成立了大连融科储能技术发展有限公司（简称大连融科公司），将全钒电池生产推向市场化。北京普能世纪科技有限公司（简称普能公司）于2009年收购加拿大VRB POWRE SYSTEMS公司，由此掌握全钒电池的核心专利权，目前普能公司已经在全钒电池的电堆集成技术、关键材料研发以及电解液制备技术三方面取得重大成果，并占据国际领先地位。清华大学在电堆流道设计、电堆密封结构、锁紧方式方面取得了一定的研究成果，成功研发出了全钒电池测试平台并与承德万利通实业集团有限公司合作，实施500MW全钒氧化还原液流储能电池“VRB”项目，研究开发全钒电池及其相关设备。中国工程物理研究院电子工程研究所、中国地质大学、广东工业大学、广西大学、东北大学、中国科学院金属研究所和中南大学等也先后开展了全钒电池研究并取得初步成果。

4.产业化进程

目前在世界范围内，已进入产业化研发和应用的全钒电池生产商主要有日本SEI和北京普能世纪科技有限公司及大连融科储能技术发展有限公司。

2005年日本SEI在日本北海道苫前町建立了4MW/6MW·h全钒电池储能系统用于平滑36MW风电场的功率输出，是目前国际上容量规模最大的全钒电池储能系统应用工程。2003年全球原料钒的价格暴涨10倍，日本政府因本土缺乏钒矿资源而取消对SEI的财政支持，SEI曾被迫停止全钒电池技术研发。随着近年来储能技术的兴起，SEI重新推广全钒电池储能系统的应用。图4-5所示为日本Tomamae 32MW风电场/4MW×1.5h全钒电池系统。

图4-5 日本Tomamae32MW风电场/4MW×1.5h全钒电池系统

澳大利亚的Pinnacle VRB公司及加拿大前VRB Power Systems公司在大型全钒电池储能系统的开发上也走在世界前列。2003年Pinnacle VRB公司建成了800kW·h储能系统并接入混合电站应用；2004年VRB Power Systems建成的2MW·h大型VRB-ESS（Energy Storge System），是北美地区第一座大型商业化VRB储能系统。美国政府资助Painesville电力公司与俄亥俄州市电力管理局合作，在某32MW火电厂建设1MW/8MW·h储能电池示范项目，成为美国首个兆瓦级全钒电池储能系统项目。

欧洲各国同样热衷于液流电池储能技术的研究和应用。2010年6月，第一届国际液流储能电池会议在奥地利维也纳召开，会议深入研讨了液流储能电池技术的发展趋势及市场需求；西班牙REDES 2025项目主攻智能电网用1MW/2MW·h液流储能电池系统；德国Fraunhofer研究机构投资15亿欧元用于研究离网可再生能源发电配套储能10kW级液流电池储能系统，以及大型风电场用兆瓦级以上液流电池储能系统。奥地利Cellstrom公司研制的10kW/100kW·h全钒电池储能系统用于新能源电动车快速充电站电源系统，可以实现充电站独立于市电稳定工作。

国内，中国电力科学研究院于2008年与中国科学院大连化学物理研究所合作建成了100kW/200kW·h的全钒电池储能测试系统，并于中国电力科学研究院电池特性实验室开展全面基础测试实验，为后续大规模储能系统的试验示范提供了大量数据参考与理论支持。2010年，中国电科院在张北国家风电研究检测中心储能实验基地开展0.5MW/1MW·h全钒电池储能系统（见图4-6）与风力发电机组的联合运行实验，以评估全钒电池在可再生能源发电并网方面的作用。全钒电池储能系统典型应用案例见表4-2。

图4-6 张北储能实验基地0.5MW/1MW·h全钒电池系统

表4-2 全钒电池储能系统典型应用案例