5 kW全釩液流電堆系統(tǒng)性能研究

廖小東，李愛魁

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074）

5 kW全釩液流電堆系統(tǒng)性能研究

廖小東，李愛魁

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074）

考察了不同電流下對電堆庫侖效率、能量效率的影響：充放電電流越大，庫侖效率、能量效率呈先增大后減小的趨勢；考察了電堆充放電過程中單電池的特性，結(jié)果顯示電堆中單電池的一致性較差；考察了5 kW系統(tǒng)的效率特性，由于雙向變流器功率與電堆功率不匹配，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的效率不高。電堆自放電結(jié)果顯示：電池自放電17 h，電壓已降低到平臺以下，N afi o n117的阻釩特性有待提高。

全釩液流電池；系統(tǒng)；性能；效率

全釩液流電池 (vanadium redox battery，縮寫為VRB)，于1985年由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Marria Kazacos提出[1]，其反應(yīng)過程為：正負極電解液分別由不同價態(tài)的釩離子硫酸溶液組成，其通過泵驅(qū)動經(jīng)過管路系統(tǒng)進入電堆在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生電能。電堆是電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生場所，在全釩液流電池儲能系統(tǒng)中發(fā)揮了決定性的作用。作為儲能系統(tǒng)的核心組件，其性能直接決定了系統(tǒng)的輸出功率、能量效率及壽命周期等。釩電池在國外已趨商業(yè)化，多套大型釩電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用于電網(wǎng)負荷平衡、風力混合發(fā)電、太陽能儲能、大功率UPS電源等場合；在我國尚處于研發(fā)階段，但釩電池在我國有很大的發(fā)展空間，尤其在儲能行業(yè)大有可為[2-6]。了解和掌握全釩液流電堆的性能，對全釩液流電池實現(xiàn)商業(yè)化有極其重大的意義。

本文作者研究了不同電流下對電堆庫侖效率、能量效率的影響；電堆充放電過程中單電池的特性；5 kW系統(tǒng)的效率特性以及電堆的自放電特性。

1 實驗

1.1 主要材料和儀器

石墨板(武漢南瑞有限責任公司)，石墨氈(湖南九華碳素高科)，Nafion117離子交換膜，液流框 (武漢南瑞有限責任公司)，端板(武漢南瑞有限責任公司)，密封圈(武漢南瑞有限責任公司),銅板集流體(武漢南瑞有限責任公司)，濃H2SO4(國藥集團化學(xué)試劑有限公司)，V2O5(國藥集團化學(xué)試劑有限公司)，草酸(國藥集團化學(xué)試劑有限公司)，額定功率35 kW的雙向變流器(武漢南瑞有限責任公司)，DME-50電池綜合特性測試儀(南京達明儀器有限公司)，電熱恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠)，雙向智能電表(武漢南瑞有限責任公司)。

1.2 實驗過程

將以上材料組裝成40個單體電池，電極有效面積1 250 cm2，電解液自制，濃度1.65mol/L,密度1.4 g/cm3。電堆效率測試：室溫下，通過雙向變流器分別采用40、50、60 A電流對5 kW電堆進行充放電測試，充放電電壓范圍為40～62 V。系統(tǒng)效率測試：室溫下，通過雙向變流器分別采用30、40、50、60、70、80、90 A電流對系統(tǒng)進行充放電測試，充放電電壓范圍為40～62 V，讀取交流側(cè)雙向智能電表數(shù)據(jù)。電堆自放電測試：將5 kW電堆以40 A電流滿充至64 V，不關(guān)泵，擱置，期間斷開所有外圍負載，每0.5 h記錄一次電壓值，電壓降至40 V時停止記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 電堆效率測試

電堆效率測試包括不同電流密度下的電堆庫侖效率、電壓效率以及能量效率，測試結(jié)果見表1。從充放電數(shù)據(jù)可以看出，隨著充放電電流的增大，庫侖效率、電壓效率、能量效率均呈先增大后減小的趨勢，即充放電電流為50 A時，充放電電流與電解液流速達到最佳匹配，電解液濃差極化最小，運行效率最佳，能量效率達到67.2%。

表1 5 kW電堆充放電數(shù)據(jù)

2.2 電堆中單電池充放電特性

圖1為40支單電池在60 A電流下的充放電曲線。由圖可見，第1支單電池的充放電行為與其他單電池差異較大，主要體現(xiàn)在充電時電壓平臺高，放電時電壓平臺低，第40支單電池電壓變化很大，最大值接近300mV。由此說明其電壓效率較其他單電池要差，這主要是由于電解液在進入電堆通道時，電解液在第一個和最后一個支路管道流場分配不均，與其他單電池不一致所致。總體上來說，40支單電池的一致性較差。相關(guān)研究表明，流體分配的均勻性除與電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)外，還與電極材料特性的一致性相關(guān)，如電極材料孔隙率、比表面積。因此確保所用電極材料的均勻性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化對于流體的均勻分配同等重要。

圖1 1#～40#單電池充放電曲線

圖2為從40個單體電池中隨機抽取的2#單電池的充放電曲線，由圖發(fā)現(xiàn)，同一個單電池在同樣的測試條件和不同的測試時間下的充放電行為重合性亦較差，表現(xiàn)在電壓突躍較大，這樣長時間運行后，一致性會越來越差，最終影響到電堆的整體性能。

圖2 2#單電池充放電曲線

2.3 電池系統(tǒng)效率測試

通過35 kW雙向變流器對搭建的電池系統(tǒng)進行效率測試，充放電能量通過連接于系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的雙向智能電表讀取，測試結(jié)果見表2。盡管直流側(cè)電堆能量效率高達67%，但由表中數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)交流側(cè)能量效率低于40%。由此可算出變流器的雙向（DC-AC和AC-DC）實際工作效率約為50%，單向（DC-AC或AC-DC）約為70%。分析認為，雖然雙向變流器的理論能量效率在90%以上，但是由于系統(tǒng)中所用的雙向變流器額定功率為35 kW，電堆工作功率低于5 kW，偏離了雙向變流器最佳工作區(qū)間，致使雙向變流器能量損耗增大，導(dǎo)致系統(tǒng)能量效率降低。兩者功率的不匹配是造成系統(tǒng)效率下降的最終原因。

表2 5 kW全釩液流電池系統(tǒng)在不同電流下的效率

2.4 電堆自放電測試

對5 kW電堆進行自放電測試，數(shù)據(jù)見圖3。

由圖3可知，自放電前段電壓的下降比較平緩，放電曲線接近直線，平均0.5 h壓降0.2 V。電壓到達50 V左右，開始急劇下降，可看出曲線已脫離放電平臺，此段電壓對應(yīng)容量極小，從滿充狀態(tài)到自放電完畢，耗時17 h。電堆電壓逐漸下降說明了電堆內(nèi)自放電行為在持續(xù)發(fā)生，主要是由于正負極電解液中釩離子相互滲透所致，滲透的程度取決于離子交換膜是否具備足夠好的阻釩離子性能。由測試數(shù)據(jù)可知，電堆所用的Nafion 117離子交換膜的阻釩性能有待提高。

圖3 5 kW電堆的自放電曲線

3 結(jié)論及改進優(yōu)化措施

采用雙向變流器對5 kW電堆和系統(tǒng)進行了性能測試，測試結(jié)果表明：

（1）電堆在40、50、60 A電流下，庫侖效率、能量效率均隨電流的增大呈先增大后減小的趨勢，50 A電流下運行效率達到最佳；

（2）電堆內(nèi)單電池的一致性較差；

（3）系統(tǒng)的平均能量效率低于40%，主要是由于雙向變流器和電堆的功率不匹配所致；

（4）電堆自放電性能較差，Nafion117的阻釩性能有待提高。改進優(yōu)化措施有：

（1）選型或設(shè)計開發(fā)綜合性能更優(yōu)的離子交換膜，如磺化聚合物復(fù)合膜，提高阻釩性能，降低成本；

（2）借助Fluent軟件的仿真模擬，加強電堆內(nèi)流場的優(yōu)化設(shè)計，同時，在材料選型過程中確保電極材料相關(guān)特性的一致性滿足釩電池的要求。此外，優(yōu)化部件加工和組裝工藝，提高加工及組裝一致性。

[1]SKYLLAS-KAZACOSM,RYCHCIK M,ROBINSR G,et al.New all-vanadium redox cell[J].JElectrochem Soc,1986,133:1057-1058.

[2] 劉素琴，黃可龍，劉又年，等.儲能釩液流電池研發(fā)熱點及前景[J].電池,2005，35(5)：356-359.

[3] 倪營蕾，楊痊國，曾樂矛.釩液流電池儲能裝置及應(yīng)用[J].新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(3)：64-68.

[4] 崔艷華，孟凡明.釩電池儲能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景[J].電源技術(shù)，2005，29(11)：776-780.

[5] 呂正中，胡嵩麟，武增華，等.全釩氧化還原液流儲能電堆[J].電源技術(shù)，2007，31(4)：318-321.

[6] 趙平，張華民，王宏，等.全釩液流儲能電池研究現(xiàn)狀及展望[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2009，28(2)：1-6.

Performance research for5 kW vanadium redox battery system

LIAO Xiao-dong,LIAi-kui
(Wuhan Nari Lim ited Liability Company,State Grid Electric PowerResearch Institute,Wuhan Hubei430074,China)

The effect of different current on the columbic efficiency and the energy efficiency of the vanadium redox battery was investigated.The columbic efficiency and energy efficiency increased first and then decreased with the increase of the current.The performance of the single battery was investigated.The results show weak consistency. The efficiency performance of the 5 kW energy storage system was investigated.The system show low efficiency because the power level of the PCS cannot match the power level of the battery.In the course of 17 h self-discharge,the voltage dropped under the voltage platform.The vanadium permeability of Nafion117 needs to be improved.

vanadium redox battery;system;performance;efficiency

TM 911.4

A

1002-087 X(2013)11-1972-02

2013-04-25

廖小東（1982—），男，四川省人，碩士研究生，主要研究方向為儲能電站。