全釩液流電池技術(shù)最新研究進(jìn)展

1、特約文章全釩液流電池技術(shù)最新研究進(jìn)展張華民 1, 2，王曉麗 1（1 大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，遼寧 大連 116025；2 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，遼寧 大連 116023）摘 要：全釩液流電池因其安全可靠、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好、電池均勻性好、可實(shí)時(shí)直接監(jiān)測(cè)其充放電狀態(tài)等特點(diǎn)，已成為規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的重要設(shè)備。本文詳細(xì)分析了全釩液流電池的產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)，從而提出主要技 術(shù)發(fā)展方向。另外，重點(diǎn)對(duì)中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展合作團(tuán)隊(duì)在電堆、 電池系統(tǒng)和應(yīng)用示范方面的最新進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：全釩液流電池；電堆；電池系統(tǒng)；高功率密度doi：10.3969/j.issn.209

2、5-4239.2013.03.014中圖分類(lèi)號(hào)：TM 911文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2095-4239（2013）03-281-08Recent progress on vanadium flow battery technologiesZHANG Huamin1, 2，WANG Xiaoli1(1Dalian Rongke Power Co. Ltd.，Dalian 116025，Liaoning，China；2Dalian Institute of Chemical Physics，Chinese Acadamy of Sciences，Dalian 116023，Liaoning，Chi

3、na)Abstract: Due to inherent safety, long cycle life, environmental friendliness and easiness in the state ofcharge monitoring, vanadium flow batteries (VRB) have been regarded as one of the promising technologies for large scale energy storage applications. In this paper, technological challenges a

4、re briefly reviewed first in the commercialization of vanadium flow batteries. Future research needs are then proposed. The most recent progress is then presented in VRB stack structural design, battery system integration and demonstration, especially the collaborative efforts made by the VRB resear

5、ch group of Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) and Dalian Rongke Power Co. Ltd. (RKP).Key words：vanadium flow battery；stack；battery system；high power density節(jié)約化石能源，提高化石能源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排以及大規(guī)模利用可再生能源，實(shí)現(xiàn)能源多 樣化已成為世界各國(guó)能源安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的 重要戰(zhàn)略。風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電具有明 顯的不連續(xù)、不穩(wěn)定和不可控的非穩(wěn)態(tài)特征，大規(guī) ?？稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)的安全、可靠、高

6、 效運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。配套高效儲(chǔ)能系統(tǒng)可調(diào)整發(fā) 電與供電之間的時(shí)差矛盾，減少自然條件影響，保 證可再生能源發(fā)電和供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。另外， 儲(chǔ)能能夠從時(shí)間和空間上有效地隔離電能的生產(chǎn)和使用，能夠改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)對(duì)電能的生產(chǎn)、輸送、使用同步進(jìn)行的模式。因此，儲(chǔ)能裝置是智能電網(wǎng) 和分布式供能網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)備，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)可 以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡，提高發(fā)電效率和用電靈活性，從 而提高電能的利用效率。美國(guó)、日本及歐洲的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都制訂了相 應(yīng)的電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，并斥巨資支持化學(xué)儲(chǔ) 能電池新材料、新技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用示范 驗(yàn)證1。最近，日本政府決定啟動(dòng)能源特別追加預(yù)算， 針對(duì)間歇式電源接入、電網(wǎng)

7、調(diào)峰、分布式供電領(lǐng)域 用儲(chǔ)能在 2013 年度就投入 286 億日元（約 3.6 億美 元），實(shí)施大規(guī)模儲(chǔ)能電池技術(shù)應(yīng)用示范驗(yàn)證項(xiàng)目。推進(jìn)太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電技術(shù)的普收稿日期：2013-02-04?；痦?xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目 （2010CB227205）。 第一作者及通訊聯(lián)系人：張華民（1955），男，研究員，研究方向?yàn)?燃料電池與新型儲(chǔ)能電池，E-mail：zhanghmdicp.ac 。儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)2013 年第 2 卷282及應(yīng)用，建立包括高效儲(chǔ)能技術(shù)在內(nèi)的智能電網(wǎng)，提高對(duì)可再生能源發(fā)電的接納能力和能源利用效率 是解決我國(guó)能源安全、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要途

8、 徑，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大需求。我國(guó)對(duì)儲(chǔ) 能技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電技 術(shù)的發(fā)展，因此，加快儲(chǔ)能技術(shù)開(kāi)發(fā)并引領(lǐng)和帶動(dòng) 儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。全釩液流電池是一種高效的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。 含有活性物質(zhì)釩離子的電解液是電能存儲(chǔ)介 質(zhì)，存儲(chǔ)在電池外部?jī)?chǔ)罐中。釩電解質(zhì)溶液通過(guò)循 環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入電堆，在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。 放電時(shí)，電池正負(fù)極電勢(shì)差降低，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電 能；充電時(shí)，電池正負(fù)極電勢(shì)差升高，電能轉(zhuǎn)化為 化學(xué)能，從而實(shí)現(xiàn)了電能的存儲(chǔ)與釋放。在包括抽 水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、鈉硫電池、鋰離子電池、 鉛酸電池等各種規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域中，全釩液流電 池因其安全性高、使用壽命長(zhǎng)、可實(shí)時(shí)

9、直接監(jiān)測(cè)其 充放電狀態(tài)等特點(diǎn)，已成為規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的首 選儲(chǔ)能設(shè)備之一。最近，日本住友電工公司發(fā)布了該 公司全釩液流電池產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃，預(yù)計(jì)該公司 2020 年 全釩液流電池的銷(xiāo)售額將達(dá)到 1000 億日元2（ 按目 前外匯牌價(jià)，約 75 億元人民幣）。通過(guò)近 10 余年的研究開(kāi)發(fā)和示范應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外 全釩液流電池技術(shù)水平得到顯著提高，并積累了豐 富的工程經(jīng)驗(yàn)，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，仍面臨著來(lái)自技術(shù)、成本、產(chǎn)業(yè)政策等方面的挑戰(zhàn)。本文將著重從技術(shù)角度分析影響全釩液流電池性能的關(guān)鍵 科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，梳理其主要技術(shù)發(fā)展方向；另外， 重點(diǎn)總結(jié)了中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（簡(jiǎn)稱(chēng) 大連化物所）和大連融科儲(chǔ)能技

10、術(shù)發(fā)展（簡(jiǎn) 稱(chēng)大連融科公司）合作團(tuán)隊(duì)在電堆、電池系統(tǒng)和應(yīng) 用示范方面的最新進(jìn)展。更適于固定式的，對(duì)空間、承重要求不是很?chē)?yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合。所以，液流電池適用于可再生能源發(fā)電 的平滑穩(wěn)定輸出、計(jì)劃發(fā)電、電網(wǎng)削峰填谷等固定 儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域，不適用于電動(dòng)汽車(chē)等移動(dòng)式動(dòng)力電 池應(yīng)用領(lǐng)域。（2）釩遷移與水?dāng)U散造成的物流失衡及容量衰 減。目前的全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后 就會(huì)出現(xiàn)電極一側(cè)釩離子濃度升高和電解液體積增 大，另一極相應(yīng)減少的現(xiàn)象。究其主要原因是現(xiàn)在 所用的離子膜的選擇性差所致，即釩離子在濃度場(chǎng) 和電場(chǎng)等作用下能夠滲透通過(guò)離子交換膜到達(dá)電極 另一側(cè)，由此將導(dǎo)致電池自放電、降低庫(kù)侖效率； 同時(shí)水

11、分子在滲透壓作用下或以水合離子形式隨釩 離子透過(guò)膜進(jìn)行遷移，造成正負(fù)極電解液體積失衡， 降低了電池的儲(chǔ)能容量和使用壽命。目前通過(guò)選用 高選擇性、低滲透性的離子膜以及采用在線(xiàn)容量調(diào) 控策略和再生技術(shù)解決了此問(wèn)題。（3）液流電池運(yùn)行的電流密度低，材料成本和 制造成本高。目前，全釩液流電池運(yùn)行的工作電流 密度較低（80 mA/cm2），約為質(zhì)子交換膜燃料電 池工作電流密度的 1/10，造成電堆體積大、材料需 求量大、成本攀高。這主要與電對(duì)反應(yīng)活性、電極 雙極板材料的反應(yīng)活性與導(dǎo)電性、離子交換膜的離 子傳導(dǎo)性及電池內(nèi)阻等因素有關(guān)；另外，在電池的 規(guī)模放大過(guò)程中電解液分配的不均勻性越發(fā)嚴(yán)重， 公用管道中

12、內(nèi)漏電電流損失增大等，都會(huì)造成電池 性能的降低，因而使工作電流密度偏低。提高液流 電池的工作電流密度是降低液流電池成本的有效 途徑。（4）電池系統(tǒng)成本較高。目前全釩液流電池關(guān) 鍵材料和部件還未實(shí)現(xiàn)批量化制備，因此生產(chǎn)成本 較高，尤其是國(guó)內(nèi)離子膜技術(shù)還未突破，通常使用 國(guó)外商業(yè)化的全氟磺酸膜等，價(jià)格昂貴。高純度釩 電解液的使用也造成了儲(chǔ)能成本的提高。圖 1 為對(duì)1 套 1 MW/4 MWh 全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本構(gòu) 成的初步測(cè)算，可以看出，釩電解液一次性成本占 總成本的 35%，但釩電解液可以半永久性的使用， 因此只要解決好商業(yè)模式，電解液高成本問(wèn)題可以 有效解決；電堆成本占到 40%，而電堆

13、成本的 55% 來(lái)自離子膜。高成本是制約液流儲(chǔ)能電池大規(guī)模普 及應(yīng)用的瓶頸，提高技術(shù)工藝水平和實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn) 也是降低儲(chǔ)能成本的重要途徑。1全釩液流電池的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題根據(jù)國(guó)內(nèi)外全釩液流電池研究結(jié)果和工程化開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，大連化物所和融科儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)產(chǎn)、學(xué)、研緊密合作，針對(duì)全釩液流電池技術(shù)主要存在的如下四 方面問(wèn)題開(kāi)展攻關(guān)，并取得了一系列重大突破，推 進(jìn)了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。（1）全釩液流電池的能量密度偏低，約為25Wh/L，比能量約為 1525 Wh/kg，同等規(guī)模全釩液流電池的體積和重量較大，因此，全釩液流電池第 3 期張華民等：全釩液流電池技術(shù)最新研究進(jìn)展283圖 1 1 MW/4 MWh 全釩液流電池系

14、統(tǒng)成本構(gòu)成測(cè)算Fig.1 Cost breakdown of a 1 MW/4 MWh vanadium flow battery system綜上所述，解決全釩液流電池穩(wěn)定性、耐久性和實(shí)用性問(wèn)題的關(guān)鍵在于關(guān)鍵材料（尤其是電解液、 離子交換膜、電極極板等）性能的提升和核心技術(shù)（材料批量化制備工藝、電堆和電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu) 化與規(guī)模放大技術(shù)等）的突破。高性能、低成本的關(guān)鍵材料技術(shù)是提高液流電 池可靠性與穩(wěn)定性、提高儲(chǔ)能系統(tǒng)性?xún)r(jià)比、實(shí)現(xiàn)液 流電池實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外研究人員在 材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)、組分設(shè)計(jì)、材料合成、制備與生 產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行了大量的探索與研究3-5。大連化 物所與大連融科公司

15、多年來(lái)緊密合作，開(kāi)發(fā)出全釩 液流電池用高性能、低成本非氟離子膜材料的制造 技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了離子膜的中試放大，連續(xù)生產(chǎn)出幅寬90 cm 的非氟離子交換膜，并用自主生產(chǎn)的離子膜 組裝出 30 kW 級(jí)電堆，非氟離子交換膜的價(jià)格將僅 為商業(yè)化全氟磺酸膜的 1/5；掌握了全釩液流電池 用電解液、雙極板等核心材料的制備技術(shù)，形成了 液流電池自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化材料 組分、制備工藝和工程化技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)全部國(guó)產(chǎn)化材料液流電池的產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化。全釩液流電池關(guān)鍵材料技術(shù)的進(jìn)展在一些綜述 文章中進(jìn)行了全面總結(jié)3-5。本文將重點(diǎn)對(duì)大連化物 所與大連融科團(tuán)隊(duì)在全釩液流電池電堆、電池系統(tǒng) 和應(yīng)用示范方面的最

16、新技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行介紹。22.1全釩液流電池最新研究進(jìn)展電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化電堆是由多個(gè)單電池以疊加形式緊固的、具有多個(gè)管道和統(tǒng)一電流輸出的組合體（圖 2），是構(gòu)成電池系統(tǒng)的核心單元，是影響電池系統(tǒng)性能和成本 的關(guān)鍵因素。電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的核心問(wèn)題包括： 保持電解質(zhì)溶液在電極表面和各單電池之間的高效均勻分配，降低濃差極化損失；提高電極表面反應(yīng)活性，降低活化極化損失；減小電堆內(nèi)阻，降低歐 姆極化損失；另外，從工程角度看，要設(shè)計(jì)有效的 密封結(jié)構(gòu)和組裝工藝，提高電堆運(yùn)行可靠性和生產(chǎn) 效率。圖 2 全釩液流電池電堆的典型結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical structure of a vanadium flow

17、 battery stack儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)2013 年第 2 卷284全釩液流電池制造商根據(jù)不同的應(yīng)用需要，開(kāi)發(fā)出 140 kW 級(jí)不同功率規(guī)格的電堆。日本住友 電工公司早期針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)用兆瓦級(jí)電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi) 發(fā)了 40 kW 級(jí)電堆，是國(guó)際上應(yīng)用的最大功率規(guī)格 的單體電堆。奧地利 Cellstrom 公司面向偏遠(yuǎn)弱/無(wú) 市電地區(qū)，開(kāi)發(fā)出的 1 kW 電堆，用于構(gòu)建配合太 陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用的 10 kW/100 kWh 級(jí)全釩液流電池 系統(tǒng)；近期針對(duì)其 200 kW/400 kWh 電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 出 2.5 kW 電堆。大連融科公司和大連化物所合作開(kāi) 發(fā)出 1 kW、5 kW、10 kW、20 kW

18、 及 30 kW 級(jí)系列 電堆技術(shù)，能夠靈活應(yīng)用這些電堆，高效集成出 kWMW 級(jí)電池系統(tǒng)。表 1 為其開(kāi)發(fā)的第一代 20 kW 級(jí)電堆的基本參數(shù)，在工作電流密度 80 mA/cm2、 放電功率 20 kW 條件下，電堆的能量效率達(dá)到79.6%。經(jīng)過(guò) 10 000 次循環(huán)的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，電堆的能 量效率沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明該電堆具有較高的可靠 性。電堆外觀(guān)如圖 3 所示。表 1 第一代 20 kW 全釩液流電池電堆特性參數(shù)Table 1 Performance of the first generation 20 kW stack developed by DICP and RKP管居國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先地位

19、，但還是相對(duì)較低，材料用量大，這是液流電池成本居高不下的關(guān)鍵因素之一。 提高電堆性能、降低電池成本的主要途徑包括：選 擇使用高性能、低成本的材料；設(shè)計(jì)優(yōu)化電堆結(jié)構(gòu)， 提高電池功率密度。而提高功率密度的有效途徑是 提高其工作電流密度。為此，高功率密度電堆技術(shù) 成為重要的研究開(kāi)發(fā)方向。日本住友電工公司、大 連化物所和大連融科公司合作團(tuán)隊(duì)在高功率密度化 電堆開(kāi)發(fā)方面已取得重要進(jìn)展。6近期日本住友電工公司公布的數(shù)據(jù)顯示 ，在其建造的 大阪智能 微網(wǎng)系統(tǒng) 中，安裝 了一套 2 kW/10 kWh 全釩液流電池儲(chǔ)能裝置。該電池系統(tǒng)（圖 4）由 2 個(gè) 1 kW 電堆串聯(lián)而成，最大輸出功率4 kW。在 70

20、 mA/cm2 工作電流密度下運(yùn)行，電流效 率、電壓效率和能量效率分別達(dá)到 94.3%、91.0%和85.8%；在 140 mA/cm2 工作電流密度下運(yùn)行，分別 達(dá)到了 96.6%、83.3%和 80.8%。即在保持電堆能量 效率大于 80% 的條件下，工作電流密度達(dá)到了mA/cm2。電堆的額定輸出功率等于電堆的平均140輸出電壓與工作電流密度和電堆總有效面積三者的乘積。因此，提高電堆的工作電流密度可大幅度降 低電堆的成本。SpecificationsParameterrated output power（80 mA/cm2）/kWaverage voltage/Vcurrent/Arate

21、d current density/mAcm2voltage efficiency/% coulomb efficiency/% energy efficiency/%max.output power/kW2062.5320.08083.195.879.660圖 4 日本住友電工公司開(kāi)發(fā)的 1 kW 電堆及 2 kW/10 kWh全釩液流電池系統(tǒng)Fig.4 Photos of 1kW stack and a 2 kW/10 kWh vanadium flow battery system developed by SEI Japan大連化物所開(kāi)發(fā)出一種新型電池結(jié)構(gòu)，在保持電池能量效率不低于 8

22、0%的條件下，有效電極面積48 cm2為的單電池 的工作電 流密度達(dá) 到圖 3 第一代 20 kW 級(jí)全釩液流電池電堆Fig. 3 Photo of the first generation 20 kW stack developed by DICP and RKP200 mA/cm2，是目前全釩液流電池工作電流密度的2.5 倍（表 2），測(cè)試結(jié)果如圖 5 所示。目前已完成 了進(jìn)一步放大設(shè)計(jì)，采用新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組裝出電堆， 該電堆的工作電流密度在 160 mA/cm2 條件下，輸出該電堆額定工作電流密度約為 80 mA/cm2，盡第 3 期張華民等：全釩液流電池技術(shù)最新研究進(jìn)展285表 2 不同工

23、作電流密度下單電池的效率變化Table 2 The efficiency of a single cell at different current densityCurrent density/mAcm2Coulombefficiency/%Voltageefficiency/%Energyefficiency/%8012016018093.894.795.796.292.589.786.685.186.785.082.981.8圖 6大連融科公司采用自主開(kāi)發(fā)離子膜組裝出的 30 kW級(jí)電堆Photo of a new developed 30 kW stack by RKP with ho

24、me-made membrane 200 96.7 84.3 81.6 Fig.6表 3 大連融科公司采用自主開(kāi)發(fā)的離子膜組裝出的 30 kW級(jí)電堆性能Table 3 Performance of a new developed 30 kW stack byRKP with home-made membraneCurrent density/mAcm2Coulombefficiency/%Voltageefficiency/%Energyefficiency/%Outputpower/kW1301201008098.398.498.297.576.477.781.285.375.076.479

25、.783.129.727.924.019.9圖 5 不同電流密度下的單電池性能Fig.5 The efficiency of a single cell at different current density求達(dá)到數(shù)千瓦至數(shù)十兆瓦，儲(chǔ)能容量要求達(dá)到數(shù)兆瓦時(shí)至數(shù)百兆瓦時(shí)。電池系統(tǒng)的規(guī)模放大不是簡(jiǎn)單 尺寸上的增大，而是一項(xiàng)涉及化學(xué)、電化學(xué)、機(jī)械 設(shè)計(jì)、電力電子等學(xué)科綜合交叉的系統(tǒng)工程。電池 系統(tǒng)集成技術(shù)，包括管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、熱管理系統(tǒng)設(shè) 計(jì)和電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是制造高效率、高可靠性 電池系統(tǒng)的核心技術(shù)。在全釩液流電池發(fā)展初期，以數(shù)千瓦級(jí)全釩液 流電池系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)為主，主要面向于以風(fēng)-光-儲(chǔ)或 光-儲(chǔ)

26、方式為離網(wǎng)或弱電網(wǎng)地區(qū)的通訊基站、邊遠(yuǎn)地 區(qū)、邊防海島供電領(lǐng)域。大連融科公司、前加拿大 VRB 公司以及奧地利 Cellstrom 公司都推出了典型 的產(chǎn)品，見(jiàn)表 4。從 2010 年開(kāi)始，隨著智能微網(wǎng)和大規(guī)?？稍偕?能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展，百千瓦級(jí)和兆瓦級(jí)全釩液流電 池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)得到快速發(fā)展。2012 年 7 月，住 友電工公司在日本橫濱建造了一座由最大發(fā)電功率功率達(dá)到 2 kW，其能量效率仍保持在 80%以上。大連融科公司與大連化物所合作采用自主開(kāi)發(fā) 的離子膜，組裝出的 30 kW 級(jí)電堆（圖 6）。在 100 mA/cm2 和 130 mA/cm2 電流密度下，能量效率分別 達(dá)到了 79.

27、7%和 75.0%（表 3）。與目前技術(shù)水平相比，相同功率規(guī)格電堆，體積降低約 20%，成本降低約 30%。2.2電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用示范全釩液流電池具有安全性好、循環(huán)壽命長(zhǎng)、功 率容量獨(dú)立設(shè)計(jì)、易于擴(kuò)展、充電狀態(tài)可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè) 等突出特點(diǎn)，適用于固定式、高容量、長(zhǎng)時(shí)效的能 量管理。例如，在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中配備全釩 液流電池，可保證供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，同時(shí)起 到對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的作用，并可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的負(fù)荷均 衡、谷電峰用；此外，在應(yīng)急備用電站、電動(dòng)汽車(chē) 充電站、通訊基站以及偏遠(yuǎn)地區(qū)供電等領(lǐng)域也具有 廣闊的應(yīng)用前景。全釩液流電池系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的輸出功率要200 kW聚光型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備（CPV ）

28、和一套1 MW/5 MWh 全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成的并與外儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)2013 年第 2 卷286表 4 奧地利 Cellstrom 公司和大連融科公司開(kāi)發(fā)的 kW 級(jí)全釩液流電池系統(tǒng)Comparision of kW class vanadium flow battery system developed by Cellstrom and RKPTable 4VFB suppliersCellstromRKP10 kW / 100kWh(FB10/100)typical VFB product3.5 kW / 54kWhproduct viewvoltage range/VDCdimen

29、sions(LWH)/mweight/kgoperation temperature/40624.52.22.4103002040（with heat management system）70%75%40622.51.82.050002040（with heat management system）about 70%energy efficiency(DC-DC)部商業(yè)電網(wǎng)連接的電站（圖 7 和圖 8）。利用全釩液流電池可以實(shí)現(xiàn)： 調(diào)節(jié)電網(wǎng)對(duì)工廠(chǎng)供電量； 提 高受天氣影響的 CPV 的供電穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā) 電的有計(jì)劃使用； 對(duì)于橫濱制作所內(nèi)的削峰填谷 運(yùn)作以及事先制定用電計(jì)劃，隨著電力負(fù)載

30、的變化 對(duì)放電量進(jìn)行調(diào)整。采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)理念，大連融科公司設(shè)計(jì)集成出一套 5 MW/10 MWh 全釩液流電池系 統(tǒng)，并在龍?jiān)措娏煞菸挥谶|寧省沈陽(yáng)市 法庫(kù)縣臥牛石風(fēng)電場(chǎng)（50 MW）實(shí)施示范應(yīng)用。圖9 為該電池系統(tǒng)的組成示意圖：?jiǎn)蝹€(gè)電堆的額定輸 出功率為 22 kW，8 個(gè) 22 kW 級(jí)電堆，采用 4 串聯(lián)2 并聯(lián)的方式，構(gòu)成 176 kW/350 kWh 電池模塊； 兩組 176 kW 電池模塊電路串聯(lián)后，連于儲(chǔ)能逆變 器，構(gòu)成可以完全獨(dú)立運(yùn)行的 350 kW 單元電池系 統(tǒng)；再由 350 kW 的單元系統(tǒng)構(gòu)建 1 MW 全釩液流 電池系統(tǒng)。在液路上，176 kW/350 kW

31、h 電池模塊是構(gòu)建5 MW/10 MWh 電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元。圖 10 為該電 池模塊安裝后的外觀(guān)圖，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表 5，直流側(cè)（DC-DC）電池系統(tǒng)能量效率達(dá)到 75%（在額定功 率下充放電條件下進(jìn)行測(cè)試）。單個(gè)或多個(gè) 176 kW/350 kWh 電池模塊成組使用，也可構(gòu)建不同規(guī)模的 電池系統(tǒng)。2012 年德國(guó) Center for Solar Energy andHydrogen Research Baden-Wrttemberg（ZSW）的專(zhuān) 家從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電池性能、管理控制功能、工程質(zhì)量、安全性等方面對(duì)大連融科公司的電池系統(tǒng)進(jìn)行了全面檢測(cè)評(píng)估，并給予高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“該電池 性能達(dá)到了標(biāo)

32、稱(chēng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，工藝水平和運(yùn)行性能 能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品投放要求”（The battery could beoperated within specifications. Workmanship and operational characteristics are in such a way as toallow a product release）。圖 7 住友電工公司在日本橫濱建造的光伏/儲(chǔ)能示范工程現(xiàn)場(chǎng)6Fig.7 A combined system of 1 MW/5 MWh vanadium flow battery and 100 kW solar panels constructed b

33、y SEI intheir Yokohama works6圖 8 住友電工公司在日本橫濱建造的光伏/儲(chǔ)能示范工程管理控制流程圖7Fig.8 Controlling diagram of a combined system of1 MW/5 MWh vanadium flow battery and 100 kW solar panels constructed by SEI in their Yokohama works7第 3 期張華民等：全釩液流電池技術(shù)最新研究進(jìn)展287圖 9 5 MW/10 MWh 全釩液流電池系統(tǒng)平面布置示意圖Fig.9 Layout of a 5 MW/10 MWh

34、 vanadium flow battery energy storage system在電路上，由兩組 176 kW/350 kWh 電池模塊 串聯(lián)構(gòu)成的 350 kW/700 kWh 單元電池系統(tǒng)是構(gòu)建5 MW/10 MWh 電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，連接于獨(dú)立 的儲(chǔ)能逆變器（PCS），可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立充放電運(yùn)行。2012 年 10 月，業(yè)主單位龍?jiān)措娏ι蜿?yáng)風(fēng)力發(fā) 電組織專(zhuān)家組對(duì)該 352 kW 單元電池系統(tǒng) 進(jìn)行了測(cè)試、驗(yàn)收。測(cè)試結(jié)果為：滿(mǎn)功率充放電轉(zhuǎn)圖 10 大連融科公司開(kāi)發(fā)的 176 kW/350 kWh 全釩液流電池模塊Fig.10 Photo of a 176 kW/350 kWh mod

35、ule developed byRKP換時(shí)間為 90 ms（滿(mǎn)功率充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間定義：電池從 90%額定功率充電狀態(tài)轉(zhuǎn)為 90%額定功率放電 狀態(tài)及從 10%額定功率放電狀態(tài)轉(zhuǎn)為 10%額定功率 充電狀態(tài)所需時(shí)間的平均值），電池系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化 效率為 73%，逆變器效率為 97.3%，儲(chǔ)能系統(tǒng)能量 轉(zhuǎn)換效率達(dá) 68.2%（在低壓交流側(cè)進(jìn)行電量統(tǒng)計(jì)， 恒電流 560 A 進(jìn)行充電，由 10% SOC 充至 90% SOC，再以恒電流 560 A 進(jìn)行放電至 10% SOC，放 電能量與充電能量之比）。該 5 MW/10 MWh 全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已于2012 年 12 月底完成工程安裝（如圖 1

36、1 所示）。整 個(gè)系統(tǒng)占地面積 2300 m2，將用于跟蹤計(jì)劃發(fā)電、 平滑風(fēng)電功率輸出，進(jìn)而提升風(fēng)能發(fā)電接入電網(wǎng)的能力。此外，還將在風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)中發(fā)揮暫態(tài)表 5 176 kW/352 kWh 電池模塊參數(shù) Table 5 Specification of a 176 kW/350 kWh module SpecificationParameterrated power8/kWrated energy capacity/kWh voltage range/VDCrated current/Aenergy efficiency(DC-DC)dimensions(LWH)/m operation temperature/176350200320DC 64075%6.26.73.7540 operation humidity 5%95% 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)2013 年第 2 卷288（a）電堆單元（b）電解液儲(chǔ)存單元（c）電池管理系統(tǒng)（d）PCS 系統(tǒng)圖 11 5 MW/10 MWh 全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig. 11 Site photos of a 5 MW/10 MWh vanadium flow battery energy storage system有功出力緊急響應(yīng)和暫態(tài)電壓緊急支撐的作用，確保電網(wǎng)的