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全钒液流电池浅析
作者：中国储能网新闻中心 来源：富通技术 发布时间：2015-12-4 15:54:13
全钒液流电池浅析 杨喜海，刘勇，张立永
（富通技术研究院有限公司 浙江杭州 311400）
摘要：全钒液流电池（vanadium redox flow battery，VRB）由于其系统设计灵活，响应速度快以及环境友好等优势，近几年受到越来越多研究者的关注。本文主要概述了全钒液流电池的国内外技术现状和发展趋势。介绍了全钒液流电池的相关结构和工作原理，其中对全钒液流电池的电极、离子交换膜、双极板等关键原材料进行了简要分析。
关键词：全钒液流电池；储能；原材料；交换膜
Abstract：Vanadium redox flow battery (VRB) have attracted more and more attention due to their design flexible, response speed fast and environment friendly and so on in recent years. This paper provides an overview of the all vanadium redox flow battery domestic technology status and development trend。The structure and working principle of the all vanadium redox flow battery are introduced in this paper, including the key raw materials，such as the electrode of vanadium redox flow battery, ion exchange membrane and bipolar plate
一、引言
随着人类社会进步、经济发展加快，不可再生能源的消耗呈指数型增长，预计在2050年不可再生能源将枯竭。为实现人类社会与自然的可持续发展，逐步建立以可再生能源为主体的持久能源体系已成为各国追求的目标。近年来，世界各国相继出台了一系列鼓励可再生能源发展的政策，将高科技与可再生能源相结合，作为不可再生能源的替代能源。其中，欧盟出台了可持续发展计划、
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焦耳计划；日本提出了阳光计划、新阳光计划；美国倡议绿色能源计划、阳光发电计划，中国制定了金太阳工程等等。随着全球第三次能源结构的调整，在高技术发展的支持下国际上大规模开发利用可再生能源技术已取得重要突破，太阳能、风能等可再生能源已成为能源系统中发展最快的新型能源。可再生能源技术的发展是能源系统的重大变革，对能源的存储问题提出了更大的挑战。国务院2014年11月印发的《能源发展战略行动计划（2014-2020）》，将储能明确列入9个重点创新领域，大容量储能和氢能将列入20个重点创新方向。
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图1 储能系统应用领域概述及分析
铅酸电池、锂离子电池作为最早提出并商业化的电化学储能产品，商业应用时间最长、电池的产品技术最为成熟。但在能量密度、寿命、充放电效率、环境友好等问题限制了其在储能方面的广泛应用，在风光储能、电力调峰、通讯基站等领域将有所减少。钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Flow Battery）简称钒液流电池，因其电解液为单一金属钒离子溶液，故也称全钒液流电池。该电池是一种新型的绿色环保储能系统，它既具有液流电池的特点，又因单一金属离子可以循环使用，而被技术专家认为是一种非常有前景的、大功率的、可上规模的储能电池。全钒液流电池作为一种新型高效的储能技术，目前成为新能源大规模储能技术领域的重要发展方向。
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二、全钒液流电池的发展历程及现状
全钒液流电池（简称VRB)其研究始于20世纪80年代。由Thaller于1974年提出，美国航天局（NASA）曾开发Fe/Cr电解质溶液体系液流电池。1984年，新南威尔士大学的Maria Skyllas-Kazacos等提出全钒液流电池原理［1］。1986年全钒液流电池体系获得专利。1988年，UNSW提出并开始建造1kW级全钒液流电池堆。该电池堆由10个单电池组成，能量效率可达72%~88%。标志着全钒液流电池开始走出实验室，迈向工程化研发阶段。
全钒液流电池工程发展的第二个阶段主要集中在日本。从20世纪90年代初开始，以日本住友电工(SEI）和Kashima-kita电力公司为首的工业企业先后开发了一系列规模不一的实验性电堆。通过对电堆关键材料和工程设计进行深入探索，逐步把全钒液流电池系统推向商业化试运营阶段。随着VRB Power Systems和住友电工的技术发展和商业化运作进入实用化阶段。日本住友电工（SEI)作为全钒液流电池领域重要的领军企业，将在2015年建成15兆瓦/60兆瓦时全钒液流电池电站，用于解决北海道局部区域大规模太阳能电站并网带来的调峰和电能量压力，该项目的成功实施将是全钒液流电池领域又一里程碑。2014年，美国UET公司在美国能源部和华盛顿清洁基金的支持下，建立了3兆瓦/10兆瓦时全钒液流电池储能系统。该项目中首次使用混合酸性电解液技术，将能量密度提高约40%，并能拓宽全钒液流电池使用温度窗口和电压范围，减少热管理能耗。目前，提高液流电池的能量效率和系统的可靠性、降低其成本是液流电池大规模普及应用的重要课题。
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表1 2000年后部分全钒液流电池工程项目
我国在液流储能电池的基础研究工作起步略晚于日本、美国，单目前已在液流储能电池技术开发和应用示范中取得重要进展。2008年11月国内首创100kW级全钒液流储能电池系统和10kW级电池模块。2010年5月在大连融科在高新技术产业园开展的60kW/300kWh全钒液流储能电池系统与光伏建筑一体化的示范系统已投入使用［3］。融科储能公司与中科院大连化学物理研究所长期坚持“产、学、研、用”，立足自主创新。现已经累计实现全钒液流电池装机容量15MW。
2013年5月，设计建造的当时全球最大规模5兆瓦/10兆瓦时全钒液流电池储能系统在国电龙源卧牛石50兆瓦风电场成功并网运行。相继实施的位于锦州的风电并网用3兆瓦/6兆瓦时储能项目也是我国探索储能商业模式的重要案例。
三、全钒液流电池结构及工作原理
全钒液流电池是一种新型电化学蓄电储能装置,主要由电堆系统、电源负载系统、电解液存储与供应系统等部分组成。电堆系统由电极、离子交换膜、双极板、板框PVC、电解液等组成。
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空气储能与全钒电池浅析
