5 kW全钒液流电堆系统性能研究

廖小东，李爱魁

（国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074）

5 kW全钒液流电堆系统性能研究

廖小东，李爱魁

（国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074）

考察了不同电流下对电堆库仑效率、能量效率的影响：充放电电流越大，库仑效率、能量效率呈先增大后减小的趋势；考察了电堆充放电过程中单电池的特性，结果显示电堆中单电池的一致性较差；考察了5 kW系统的效率特性，由于双向变流器功率与电堆功率不匹配，导致整个系统的效率不高。电堆自放电结果显示：电池自放电17 h，电压已降低到平台以下，N afi o n117的阻钒特性有待提高。

全钒液流电池；系统；性能；效率

全钒液流电池 (vanadium redox battery，缩写为VRB)，于1985年由澳大利亚新南威尔士大学的Marria Kazacos提出[1]，其反应过程为：正负极电解液分别由不同价态的钒离子硫酸溶液组成，其通过泵驱动经过管路系统进入电堆在电极上发生电化学反应从而产生电能。电堆是电化学反应的发生场所，在全钒液流电池储能系统中发挥了决定性的作用。作为储能系统的核心组件，其性能直接决定了系统的输出功率、能量效率及寿命周期等。钒电池在国外已趋商业化，多套大型钒电池储能系统应用于电网负荷平衡、风力混合发电、太阳能储能、大功率UPS电源等场合；在我国尚处于研发阶段，但钒电池在我国有很大的发展空间，尤其在储能行业大有可为[2-6]。了解和掌握全钒液流电堆的性能，对全钒液流电池实现商业化有极其重大的意义。

本文作者研究了不同电流下对电堆库仑效率、能量效率的影响；电堆充放电过程中单电池的特性；5 kW系统的效率特性以及电堆的自放电特性。

1 实验

1.1 主要材料和仪器

石墨板(武汉南瑞有限责任公司)，石墨毡(湖南九华碳素高科)，Nafion117离子交换膜，液流框 (武汉南瑞有限责任公司)，端板(武汉南瑞有限责任公司)，密封圈(武汉南瑞有限责任公司),铜板集流体(武汉南瑞有限责任公司)，浓H2SO4(国药集团化学试剂有限公司)，V2O5(国药集团化学试剂有限公司)，草酸(国药集团化学试剂有限公司)，额定功率35 kW的双向变流器(武汉南瑞有限责任公司)，DME-50电池综合特性测试仪(南京达明仪器有限公司)，电热恒温水浴锅(江苏省金坛市医疗仪器厂)，双向智能电表(武汉南瑞有限责任公司)。

1.2 实验过程

将以上材料组装成40个单体电池，电极有效面积1 250 cm2，电解液自制，浓度1.65mol/L,密度1.4 g/cm3。电堆效率测试：室温下，通过双向变流器分别采用40、50、60 A电流对5 kW电堆进行充放电测试，充放电电压范围为40～62 V。系统效率测试：室温下，通过双向变流器分别采用30、40、50、60、70、80、90 A电流对系统进行充放电测试，充放电电压范围为40～62 V，读取交流侧双向智能电表数据。电堆自放电测试：将5 kW电堆以40 A电流满充至64 V，不关泵，搁置，期间断开所有外围负载，每0.5 h记录一次电压值，电压降至40 V时停止记录。

2 结果与讨论

2.1 电堆效率测试

电堆效率测试包括不同电流密度下的电堆库仑效率、电压效率以及能量效率，测试结果见表1。从充放电数据可以看出，随着充放电电流的增大，库仑效率、电压效率、能量效率均呈先增大后减小的趋势，即充放电电流为50 A时，充放电电流与电解液流速达到最佳匹配，电解液浓差极化最小，运行效率最佳，能量效率达到67.2%。

表1 5 kW电堆充放电数据

2.2 电堆中单电池充放电特性

图1为40支单电池在60 A电流下的充放电曲线。由图可见，第1支单电池的充放电行为与其他单电池差异较大，主要体现在充电时电压平台高，放电时电压平台低，第40支单电池电压变化很大，最大值接近300mV。由此说明其电压效率较其他单电池要差，这主要是由于电解液在进入电堆通道时，电解液在第一个和最后一个支路管道流场分配不均，与其他单电池不一致所致。总体上来说，40支单电池的一致性较差。相关研究表明，流体分配的均匀性除与电堆结构设计密切相关外，还与电极材料特性的一致性相关，如电极材料孔隙率、比表面积。因此确保所用电极材料的均匀性和结构优化对于流体的均匀分配同等重要。

图1 1#～40#单电池充放电曲线

图2为从40个单体电池中随机抽取的2#单电池的充放电曲线，由图发现，同一个单电池在同样的测试条件和不同的测试时间下的充放电行为重合性亦较差，表现在电压突跃较大，这样长时间运行后，一致性会越来越差，最终影响到电堆的整体性能。

图2 2#单电池充放电曲线

2.3 电池系统效率测试

通过35 kW双向变流器对搭建的电池系统进行效率测试，充放电能量通过连接于系统与电网之间的双向智能电表读取，测试结果见表2。尽管直流侧电堆能量效率高达67%，但由表中数据可知，系统交流侧能量效率低于40%。由此可算出变流器的双向（DC-AC和AC-DC）实际工作效率约为50%，单向（DC-AC或AC-DC）约为70%。分析认为，虽然双向变流器的理论能量效率在90%以上，但是由于系统中所用的双向变流器额定功率为35 kW，电堆工作功率低于5 kW，偏离了双向变流器最佳工作区间，致使双向变流器能量损耗增大，导致系统能量效率降低。两者功率的不匹配是造成系统效率下降的最终原因。

表2 5 kW全钒液流电池系统在不同电流下的效率

2.4 电堆自放电测试

对5 kW电堆进行自放电测试，数据见图3。

由图3可知，自放电前段电压的下降比较平缓，放电曲线接近直线，平均0.5 h压降0.2 V。电压到达50 V左右，开始急剧下降，可看出曲线已脱离放电平台，此段电压对应容量极小，从满充状态到自放电完毕，耗时17 h。电堆电压逐渐下降说明了电堆内自放电行为在持续发生，主要是由于正负极电解液中钒离子相互渗透所致，渗透的程度取决于离子交换膜是否具备足够好的阻钒离子性能。由测试数据可知，电堆所用的Nafion 117离子交换膜的阻钒性能有待提高。

图3 5 kW电堆的自放电曲线

3 结论及改进优化措施

采用双向变流器对5 kW电堆和系统进行了性能测试，测试结果表明：

（1）电堆在40、50、60 A电流下，库仑效率、能量效率均随电流的增大呈先增大后减小的趋势，50 A电流下运行效率达到最佳；

（2）电堆内单电池的一致性较差；

（3）系统的平均能量效率低于40%，主要是由于双向变流器和电堆的功率不匹配所致；

（4）电堆自放电性能较差，Nafion117的阻钒性能有待提高。改进优化措施有：

（1）选型或设计开发综合性能更优的离子交换膜，如磺化聚合物复合膜，提高阻钒性能，降低成本；

（2）借助Fluent软件的仿真模拟，加强电堆内流场的优化设计，同时，在材料选型过程中确保电极材料相关特性的一致性满足钒电池的要求。此外，优化部件加工和组装工艺，提高加工及组装一致性。

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

[2] 刘素琴，黄可龙，刘又年，等.储能钒液流电池研发热点及前景[J].电池,2005，35(5)：356-359.

[3] 倪营蕾，杨痊国，曾乐矛.钒液流电池储能装置及应用[J].新技术新产品，2010(3)：64-68.

[4] 崔艳华，孟凡明.钒电池储能系统的发展现状及其应用前景[J].电源技术，2005，29(11)：776-780.

[5] 吕正中，胡嵩麟，武增华，等.全钒氧化还原液流储能电堆[J].电源技术，2007，31(4)：318-321.

[6] 赵平，张华民，王宏，等.全钒液流储能电池研究现状及展望[J].沈阳理工大学学报，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

廖小东（1982—），男，四川省人，硕士研究生，主要研究方向为储能电站。