全釩液流電池技術(shù)最新研究進(jìn)展

張華民，王曉麗

（1 大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司，遼寧 大連 116025；2 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，遼寧 大連 116023）

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)模可再生能源發(fā)電并網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)的安全、可靠、高效運(yùn)行帶來嚴(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、日本及歐洲的工業(yè)發(fā)達(dá)國家都制訂了相應(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)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)太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電技術(shù)的普及應(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能源安全、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要途徑，是國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大需求。我國對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的研究開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于風(fēng)能、太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，因此，加快儲(chǔ)能技術(shù)開發(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)在電池外部儲(chǔ)罐中。釩電解質(zhì)溶液通過循環(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、可實(shí)時(shí)直接監(jiān)測其充放電狀態(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）。

通過近10 余年的研究開發(fā)和示范應(yīng)用，國內(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)了中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（簡稱大連化物所）和大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司（簡稱大連融科公司）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。

1 全釩液流電池的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題

根據(jù)國內(nèi)外全釩液流電池研究結(jié)果和工程化開發(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題開展攻關(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25 W·h/L，比能量約為15~25 W·h/kg，同等規(guī)模全釩液流電池的體積和重量較大，因此，全釩液流電池更適于固定式的，對(duì)空間、承重要求不是很嚴(yán)格的應(yīng)用場合。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，即釩離子在濃度場和電場等作用下能夠滲透通過離子交換膜到達(dá)電極另一側(cè)，由此將導(dǎo)致電池自放電、降低庫侖效率；同時(shí)水分子在滲透壓作用下或以水合離子形式隨釩離子透過膜進(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。目前通過選用高選擇性、低滲透性的離子膜以及采用在線容量調(diào)控策略和再生技術(shù)解決了此問題。

（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)模放大過程中電解液分配的不均勻性越發(fā)嚴(yán)重，公用管道中內(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，尤其是國內(nèi)離子膜技術(shù)還未突破，通常使用國外商業(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 MW·h 全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本構(gòu)成的初步測算，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，電解液高成本問題可以有效解決；電堆成本占到40%，而電堆成本的55%來自離子膜。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。

圖1 1 MW/4 MW·h 全釩液流電池系統(tǒng)成本構(gòu)成測算Fig.1 Cost breakdown of a 1 MW/4 MW·h 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)性價(jià)比、實(shí)現(xiàn)液流電池實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。國內(nèi)外研究人員在材料的微觀結(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多年來緊密合作，開發(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 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)用示范方面的最新技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行介紹。

2 全釩液流電池最新研究進(jìn)展

2.1 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 battery stack

全釩液流電池制造商根據(jù)不同的應(yīng)用需要，開發(fā)出1～40 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)電場用兆瓦級(jí)電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)了40 kW 級(jí)電堆，是國際上應(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/無市電地區(qū)，開發(fā)出的1 kW 電堆，用于構(gòu)建配合太陽能發(fā)電應(yīng)用的10 kW/100 kW·h 級(jí)全釩液流電池系統(tǒng)；近期針對(duì)其200 kW/400 kW·h 電池系統(tǒng)開發(fā)出2.5 kW 電堆。大連融科公司和大連化物所合作開發(fā)出1 kW、5 kW、10 kW、20 kW 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kW~MW級(jí)電池系統(tǒng)。表1為其開發(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10 000 次循環(huán)的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，電堆的能量效率沒有明顯變化，說明該電堆具有較高的可靠性。電堆外觀如圖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

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 RKP

該電堆額定工作電流密度約為80 mA/cm2，盡管居國內(nèi)外領(lǐng)先地位，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發(fā)方面已取得重要進(jìn)展。

近期日本住友電工公司公布的數(shù)據(jù)顯示[6]，在其建造的大阪智能微網(wǎng)系統(tǒng)中，安裝了一套 2 kW/10 kW·h 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 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 140 mA/cm2。電堆的額定輸出功率等于電堆的平均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。

圖4 日本住友電工公司開發(fā)的1 kW 電堆及2 kW/10 kW·h全釩液流電池系統(tǒng)Fig.4 Photos of 1kW stack and a 2 kW/10 kW·h vanadium flow battery system developed by SEI Japan

大連化物所開發(fā)出一種新型電池結(jié)構(gòu)，在保持電池能量效率不低于80%的條件下，有效電極面積為 48 cm2的單電池的工作電流密度達(dá)到 200 mA/cm2，是目前全釩液流電池工作電流密度的2.5倍（表2），測試結(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，輸出功率達(dá)到2 kW，其能量效率仍保持在80%以上。

表2 不同工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 density

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

大連融科公司與大連化物所合作采用自主開發(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79.7%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、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)測等突出特點(diǎn)，適用于固定式、高容量、長時(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。

圖6 大連融科公司采用自主開發(fā)離子膜組裝出的30 kW級(jí)電堆Fig.6 Photo of a new developed 30 kW stack by RKP with home-made membrane

表3 大連融科公司采用自主開發(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 by RKP with home-made membrane

全釩液流電池系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的輸出功率要 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)的開發(fā)為主，主要面向于以風(fēng)-光-儲(chǔ)或光-儲(chǔ)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，見表4。

從2010年開始，隨著智能微網(wǎng)和大規(guī)?？稍偕茉窗l(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200 kW 聚光型太陽能發(fā)電設(shè)備（CPV）和一套1 MW/5 MW·h 全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成的并與外部商業(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)：① 調(diào)節(jié)電網(wǎng)對(duì)工廠供電量；② 提高受天氣影響的CPV 的供電穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電的有計(jì)劃使用；③ 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)載的變化對(duì)放電量進(jìn)行調(diào)整。

表4 奧地利Cellstrom 公司和大連融科公司開發(fā)的kW 級(jí)全釩液流電池系統(tǒng)Table 4 Comparision of kW class vanadium flow battery system developed by Cellstrom and RKP

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[6]Fig.7 A combined system of 1 MW/5 MW·h vanadium flow battery and 100 kW solar panels constructed by SEI in their Yokohama works[6]

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[7]Fig.8 Controlling diagram of a combined system of 1 MW/5 MW·h vanadium flow battery and 100 kW solar panels constructed by SEI in their Yokohama works[7]

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 MW?h 全釩液流電池系統(tǒng)，并在龍?jiān)措娏煞萦邢薰疚挥谶|寧省沈陽市法庫縣臥牛石風(fēng)電場（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：單個(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 kW·h 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·h 電池模塊是構(gòu)建 5 MW/10 MW·h 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圖，設(shè)計(jì)參數(shù)見表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)行測試）。單個(gè)或多個(gè)176 kW/ 350 kW·h 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Center for Solar Energy and Hydrogen Research Baden-Württemberg（ZSW）的專家從系統(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)稱的設(shè)計(jì)參數(shù)，工藝水平和運(yùn)行性能能夠滿足產(chǎn)品投放要求”（The battery could be operated within specifications. Workmanship and operational characteristics are in such a way as to allow a product release）。

圖9 5 MW/10 MW·h 全釩液流電池系統(tǒng)平面布置示意圖Fig.9 Layout of a 5 MW/10 MW·h vanadiu m flow battery energy storage system

圖10 大連融科公司開發(fā)的176 kW/350 kW·h 全釩液流電池模塊Fig.10 Photo of a 176 kW/350 kW·h module developed by RKP

表5 176 kW/352 kW·h 電池模塊參數(shù)Table 5 Specification of a 176 kW/350 kW·h module

在電路上，由兩組176 kW/350 kW·h 電池模塊串聯(lián)構(gòu)成的350 kW/700 kW·h 單元電池系統(tǒng)是構(gòu)建5 MW/10 MW·h 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蜿栵L(fēng)力發(fā)電有限公司組織專家組對(duì)該352 kW 單元電池系統(tǒng)進(jìn)行了測試、驗(yàn)收。測試結(jié)果為：滿功率充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間為90 ms（滿功率充放電轉(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 MW·h 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11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)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)的總體運(yùn)行更安全、可靠。

圖11 5 MW/10 MW·h 全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.11 Site photos of a 5 MW/10 MW·h vanadium flow battery energy storage system

3 結(jié) 語

可再生能源發(fā)展和智能電網(wǎng)建設(shè)為全釩液流電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)提供了廣闊的市場空間。國內(nèi)外的應(yīng)用示范結(jié)果表明，全釩液流電池在安全性、使用壽命等方面具有其它技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步提高可靠性、降低成本是實(shí)現(xiàn)全釩液流電池產(chǎn)業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。加快高性能、低成本關(guān)鍵材料的工程化技術(shù)開發(fā)、高功率密度電堆和電池系統(tǒng)技術(shù)是全釩液流電池開發(fā)的重要發(fā)展方向。堅(jiān)持技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用示范并重的原則，適合全釩液流電池的PCS 儲(chǔ)能逆變器技術(shù)和綜合能量控制技術(shù)的開發(fā)也是保證儲(chǔ)能系統(tǒng)高效、安全應(yīng)用的重要方面。

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