锌溴电池在广电机房中的应用

张亮

摘要：锌溴液流储能电池具有可任意叠加、模块化特点，与传统的铅酸电池比，具有优越的循环充放电性能、较高的能量密度及功率密度。根据GB 50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》、DL/T5044-2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》和GB 50055-2011《通用用电设备配电设计规范》，在考虑性能与成本后，安徽广播电视大楼IDC机房与配电室选用锌溴液流储能电池，并提供了选择该类电池容量的工程计算方法。

关键词：储能电池；锌溴氧化还原液流电池；电池容量选择

安徽广播电视大楼不但有开闭所、配电室，还有大量的IDC机房，它是数据处理和数据交换的计算机、网络设备、电子设备等，需要大量的储能电池支撑。

1储能电池发展现状

当前主要的储能电池主要有以下几种：其一是铅酸电池，它是使用最广泛、具有价格优势的储能电池；但它存在着循环寿命短、能量效率低、自放电率高、对环境有污染等缺点。钠硫电池发明于20世纪60年代中期，主要用于新能源汽车的测试；理论上钠硫电池的热稳定性好、能量密度高，并且没有自放电现象，但存在严重的电池稳定性问题。镉镍电池是由爱迪生在一百多年前发明的，但由于当时的技术条件限制，未得到实际应用，后经过几次改进，才得到推广应用；但是镉镍电池的镉化合物污染严重、毒性较大，其发展受到了限制。中科院大连化学物理研究所对钒液流电池进行的研发，在很多关键领域取得进展，己经进入实用化阶段，但还存在一些技术难题沒解决好，比电极材料、电池隔膜的选择问题，故钒液流电池还不能广泛使用。

经过技术人员研究发现：液流电池可循环流动，它的容量决定电池的容量，用锌作电极可做到高能量密度、低制造成本，尤其在较大规模储能系统有较大的应用潜力。把液流电池与锌电极两点优势结合，而出现的锌溴氧化还原液流电池受到了人们的广泛关注和重视。根据桑迪亚国家实验室的研究，锌溴电池组可以做成可移动的装置，这对于公共事业是有好处的，能够校正间歇的电压干扰，提供瞬时和持久电流中断期的保护。中国锌溴氧化还原液流电池研究从20世纪90年代开始，虽起步相对较晚，但发展较快。在锌溴电池原材料国产化方面做了大量工作，已建成锌溴电池关键材料、单电池、单堆、模块以及储能试验系统等，其锌溴氧化还原液流电池产品，质能比可达40W·h/kg。所以，最新的锌溴氧化还原液流电池产品得到广泛应用。不同储能电池的技术与价格比较如表1所示。

2锌溴电池的原理与结构

锌溴氧化还原液流电池主要由锌电堆、溴化锌电解液、电池液路循环系统三部分组成，其中锌电堆包括终端电极、终端板、双极板和隔离膜。锌溴液流电池负极电对的充放电产物不溶于电解液而沉积在电极上，正负半电池由隔离膜依次堆叠组合而成，两侧电解液均为znBr2溶液；电解液在储液罐和电池构成的闭合回路中循环流动。锌溴液流电池的反应活性物质为溴化锌，基础电化学反应可表示如下：

锌溴氧化还原液流电池同高级铅酸电池、钠硫电池、镉镍电池、钒液流电池等其他电池技术相比，它具有下列特点：

（1）锌溴氧化还原液流电池和常用的铅酸电池比，具有较高的能量密度。理论能量密度可达435 w·h/kg，实际锌溴氧化还原液流电池产品能量密度可达60W·h/kg；

（2）溴化锌电解液进入电堆后，分成四股，并在扇形扩散腔内实现流态扩散，之后进入反应区域，为电化学反应提供足量活性物质，它不存在电解液的交叉污染；

（3）溴化锌水溶液为电化学反应提供足量活性物质，提高液体在扇形通道内的流速，它有利于储能电池系统的热量管理，传统的铅酸电池很难做到这点。

（4）锌溴氧化还原液流电池可以频繁地进行深度放电，而不会对电池的性能和寿命造成影响，理论上其寿命无限。实际产品可实现2000次的深度充放电，平均寿命是铅酸电池的三倍。

（5）电解液为水溶液，且主要反应物质为溴化锌，不易出现爆炸、着火等严重事故，具有很高的安全性，较易满足爆炸危险环境电力装置设计规范的要求。

（6）所使用的电极及隔膜材料主要成分为塑料，不含重金属，价格低廉，可回收利用且对环境友好。

锌溴电池的运行原理如下：电池的活性物质存储在电解液罐中，电池工作时正负极电解液由各自的动力泵强制在储液罐和锌电堆为主体的电池中进行循环流动。锌被电镀在电池内部负极侧，溴伴随自由电子的产生在电池的正极侧。充电时锌沉积在负极上，在正极生成的溴会马上把电解液中的溴络合成油状物质，这种络合物使水溶液相中的溴含量大幅度减少，且该物质密度大于电解液，会在液体循环过程中逐渐沉积在储罐底部，大大减小了溴的蒸汽压，提高了系统安全性。放电时正极储罐的阀打开，储罐里的络合溴会与正极电解液充分混合打散，在正极表面发生反应生成溴离子，附近的金属锌溶解成为锌离子，电解液重新回到溴化锌溶液的状态，反应是完全可逆的。可见电池的容量取决于电解液贮存罐的容积，而电池功率则取决于锌电堆的大小。

3锌溴液流电池的工程应用

广电中心应急照明用当容量较大时，宜选用集中分区供电；考容量较小时，宜选用分散供电；虑性价比及储能电池技术的成熟程度，可选用锌溴电池。广电中心变电所分、合闸直流电源可选用高级铅酸电池；当蓄电池同时作为变电所操作电源和建筑物应急照明集中供电电源时，宜选锌溴电池。在广电中心设计上应符合GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》、DL/T5044-2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》、GB50055-2011《通用用电设备配电设计规范》以及《民用建筑电气设计规范》“第八部分”蓄电池的要求。

锌溴电池系统的选择，要计算电池的容量，这是保证电池供电时间与电流大小的必要指标，它由溴化锌电解液容量决定。另一个重要指标是，电池的最大放电电流。这是由电池配的电堆大小决定的，也是决定电池成本的一个重要因素。当电路短路时蓄电池产生冲击电流。电堆在控制电路的控制下，限制电池的放电电流，从而保护电池与供电线路，在设定的电流内供电。由此看来锌溴电池的成本是由三个部分组成：①正极解液和负极电解液贮存罐，和电动泵组成的循环系统；②电堆；③控制与显示电控系统。为此，当电池输出功率一定时，增加储电量，电池成本不会增加很多，这也是锌溴电池与传统电池的一大区别。