中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：全釩液流電池，全稱(chēng)為全釩氧化還原液流電池（Vanadium Redox Battery，VRB)），是以+4、+5價(jià)態(tài)的釩離子溶液作為正極的活性物質(zhì)，以+2、+3價(jià)態(tài)的釩離子溶液作為負(fù)極的活性物質(zhì)，分別儲(chǔ)存在各自的電解液儲(chǔ)罐中。全釩液流電池中的釩理論上不會(huì)被消耗或消散，可進(jìn)行循環(huán)使用，不會(huì)造成資源短缺浪費(fèi)，具有良好的保值屬性，并且具有安全性高、循環(huán)壽命極長(zhǎng)、環(huán)境友好、響應(yīng)速度快、容量規(guī)模易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。在政策支持和市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，釩電池的關(guān)鍵單元電堆和電解液性能不斷提高，成本不斷下降。目前市場(chǎng)上的釩電池電堆、電解液種類(lèi)多、差異化大，造成部分釩電池儲(chǔ)能項(xiàng)目能量轉(zhuǎn)化效率性能不理想，為了釩電池集成系統(tǒng)效率提升，本研究通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上成熟的電堆、電解液產(chǎn)品在測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行適配性測(cè)試，形成最佳的釩電池電堆、電解液組合，為電池電堆與電解液適配性研究提供參考。
1 測(cè)試主要設(shè)備和材料
1.1 測(cè)試平臺(tái)
本研究測(cè)試平臺(tái)為全釩液流電池的縮小版，以方便進(jìn)行釩電池系統(tǒng)各種型號(hào)電堆、電解液的綜合性能測(cè)試，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)電堆和電解液的適配性進(jìn)行綜合評(píng)估，為電堆、電解液的研究和生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，為全釩液流電池系統(tǒng)的優(yōu)化提供解決方案。
測(cè)試平臺(tái)由電池管理系統(tǒng)（BMS）、逆變器控制系統(tǒng)（PCS）、上位機(jī)監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、正負(fù)極電解液罐、測(cè)試電堆及電解液組成，單堆測(cè)試功率最大為150kW。其中PCS包括能量雙向的交流模塊（AC）和直流模塊（DC），為測(cè)試平臺(tái)提供穩(wěn)定的電流電壓，可分別開(kāi)展恒功率、恒電流、恒電壓三種充放電測(cè)試模式，實(shí)現(xiàn)了PCS對(duì)測(cè)試功率控制及測(cè)試數(shù)據(jù)的檢測(cè)功能。另外，在上位機(jī)（電腦）與設(shè)備通訊中斷時(shí)，設(shè)備能持續(xù)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，通訊恢復(fù)后將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)根據(jù)測(cè)試需求設(shè)置測(cè)試參數(shù)，同時(shí)滿(mǎn)足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示以及測(cè)試數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)分析的功能。
1.2 測(cè)試電堆
本研究所用測(cè)試電堆來(lái)源于市場(chǎng)上較為成熟的釩電池電堆生產(chǎn)廠(chǎng)家產(chǎn)品，電堆分別為：Ｔ公司25.6kW和42kW電堆、Ｗ公司32kW電堆、Ｆ公司32kW電堆、Ｌ公司32kW電堆，電堆參數(shù)如表1所示。
1.3 釩電解液
本研究所用測(cè)試釩電解液主要采用市場(chǎng)上較為成熟的4家釩電解液產(chǎn)品，各公司電解液參數(shù)如表2所示。
2 測(cè)試方案
在測(cè)試平臺(tái)中安裝釩電池電堆產(chǎn)品，依次灌注1m3釩電解液測(cè)試產(chǎn)品，測(cè)試條件為恒功率模式下額定功率、80％額定功率，恒電流模式下140、170mA/cm2電流密度，測(cè)試方法參考《全釩液流電池電堆測(cè)試方法》（NB/T42132-2017），對(duì)比分析電堆、電解液適配性。
3 測(cè)試結(jié)果及分析
3.1 A釩電解液適配性測(cè)試結(jié)果及分析
采用A釩電解液與T1、T2、W、F、L五種電堆在恒功率和恒電流模式下進(jìn)行測(cè)試。
3.1.1 恒功率模式下測(cè)試結(jié)果
在恒功率模式下進(jìn)行充放電測(cè)試結(jié)果如表3所示。
額定功率下進(jìn)行充放電測(cè)試時(shí)，T1、T2、F以及W電堆能量效率均達(dá)到80％以上，特別是T2、W電堆能量效率達(dá)到82％以上；L電堆測(cè)試能量效率在77％左右，效果不佳。80％額定功率下進(jìn)行充放電測(cè)試時(shí)，T1、T2、F以及W電堆能量效率均達(dá)到82％以上，特別是T2電堆、W電堆達(dá)到83％以上；L電堆測(cè)試能量效率有所提升，達(dá)到79.36％。
3.1.2 恒電流模式下測(cè)試結(jié)果
在恒電流模式下進(jìn)行充放電測(cè)試結(jié)果如表4所示（F電堆由于廠(chǎng)家對(duì)電堆技術(shù)參數(shù)保密，無(wú)法開(kāi)展恒電流密度測(cè)試；L電堆無(wú)法正常進(jìn)行充放電測(cè)試，無(wú)檢測(cè)數(shù)據(jù)）。
電流密度為140mA/cm2時(shí)，T1、T2、W電堆能量效率均達(dá)到82%以上，T2電堆達(dá)到83.56%;L電堆測(cè)試能量效率達(dá)到77.90%，相對(duì)較低。電流密度為170mA/cm2時(shí)，T1、T2電堆能量效率均達(dá)到81%以上，性能良好；W電堆能量效率僅78.19%
3.1.3 A釩電解液適配性測(cè)試結(jié)果分析
在額定功率、80%額定功率、140mA/cm2電流密度、170mA/cm2電流密度4種測(cè)試條件下對(duì)A釩電解液與5種釩電池電堆進(jìn)行適配性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明:性能最佳為T(mén)2電堆，其次分別為T(mén)1、W、F電堆，L電堆測(cè)試能量效率低于80%性能一般。
3.2 B1、B2釩電解液適配性測(cè)試結(jié)果及分析
采用B1、B2釩電解液與T1、T2、F、L四個(gè)電堆在恒功率和恒電流模式下進(jìn)行適配性測(cè)試(由于W電堆出現(xiàn)故障，故后續(xù)沒(méi)有繼續(xù)對(duì)其測(cè)試)。
3.2.1 恒功率模式下性能測(cè)試測(cè)試結(jié)果
在恒功率模式下進(jìn)行充放電測(cè)試結(jié)果如表5所示(T2電堆與B1在恒功率式下無(wú)法正常進(jìn)行充放電測(cè)試，無(wú)檢測(cè)數(shù)據(jù))。
額定功率下進(jìn)行充放電測(cè)試時(shí)，T1、T2電堆能量效率達(dá)到80%以上;F電堆能量效率在79%左右;工電堆測(cè)試能量效率均在76%左右，效果不佳。兩種電解液測(cè)試對(duì)比，B1性能微優(yōu)于B2。
80%額定功率下進(jìn)行充放電測(cè)試時(shí)，T1、T2、F電堆能量效率均達(dá)到81%以上，特別是T1電堆能量效率達(dá)到82%以上。兩種電解液對(duì)比，相同電堆條件下B1性能優(yōu)于B2。
3.2.2 恒電流模式下性能測(cè)試結(jié)果
在恒電流模式下進(jìn)行充放電測(cè)試結(jié)果如表6所示(F電堆由于廠(chǎng)家對(duì)電堆技術(shù)參數(shù)保密，無(wú)法開(kāi)展恒電流密度測(cè)試;T2電堆與B1在恒電流模式下無(wú)法正常進(jìn)行充放電測(cè)試，無(wú)檢測(cè)數(shù)據(jù))。
140mA/cm2電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試，T1、T2電堆能量效率均達(dá)到81%以上;電堆與B1、B2電解液測(cè)試能量效率分別為79.21%、77.25%能量效率較低，兩種電解液對(duì)比差距較大。
170mA/cm2電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試，T1電堆能量效率均達(dá)到80%以上;T2、L電堆能量效率低于80%。兩種釩電解液對(duì)比，傳統(tǒng)流程釩電解液產(chǎn)品性能優(yōu)于短流程釩電解液產(chǎn)品，L電堆與傳統(tǒng)流程、短流程電解液測(cè)試能量效率分別為76.78%、75.27%，能量效率較低。
3.2.3 B1、B2釩電解液適配性測(cè)試結(jié)果分析
在額定功率、80%額定功率、140mA/cm電流密度、170mA/cm2電流密度4種測(cè)試條件下對(duì)B1、B2釩電解液與4個(gè)釩電池電堆進(jìn)行適配性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明:同等條件下，B1、B2釩電解液與4個(gè)電堆測(cè)試結(jié)果均低于A釩電解液測(cè)試結(jié)果，能量效率降低1%~1.5%。性能最佳為T(mén)1、T2電堆，測(cè)試數(shù)據(jù)相近。
3.3 C釩電解液適配性測(cè)試結(jié)果及分析
采用C釩電解液與T1、T2、F、L四個(gè)電堆在恒功率和恒電流模式下進(jìn)行適配性測(cè)試。
3.3.1 恒功率條件下性能測(cè)試測(cè)試結(jié)果
在恒功率模式下進(jìn)行充放電測(cè)試結(jié)果如表7所示。
額定功率下進(jìn)行充放電測(cè)試，使用C釩電解液條件下，4種電堆能量效率均低于80%。其中T1、T2、F電堆能量效率在79%左右;L電堆測(cè)試能量效率在77%左右，效果不佳;以往測(cè)試中T1、T2電堆能量效率大于F電堆，在本次測(cè)試中能量效率接近;T1、T2兩種電堆能量效率均出現(xiàn)了下降，說(shuō)明C電解液與T公司電堆適配性較差。
80%額定功率下進(jìn)行充放電測(cè)試，使用C釩電解液條件下，T1、T2、F電堆能量效率均高于80%，其中，T1電堆、F電堆能量效率在81%以上;L電堆測(cè)試能量效率在79%左右，效果不佳。此外，各電堆測(cè)試能量效率低于A、B電解液1%~2%。
3.3.2 恒電流模式下性能測(cè)試結(jié)果
在恒電流模式下進(jìn)行充放電測(cè)試結(jié)果的結(jié)果如表8所示(F電堆廠(chǎng)家由于電堆技術(shù)參數(shù)保密，無(wú)法開(kāi)展恒電流密度測(cè)試)。
140mA/cm2電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試，T1電堆能量效率均達(dá)到80%以上，其余電堆均低于80%;T1、T2電堆測(cè)試結(jié)果相較其他電解液較差:L電堆測(cè)試能量效率為78.85%，能量效率較低，但與其他電解液測(cè)試結(jié)果比較差異不大。
170mA/cm2電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試，三種電堆能量效率低于80%，其中T1、T2能量效率在78%左右;L電堆能量效率保持在76.37%，與其他電解液測(cè)試結(jié)果差異不大。
3.3.5 C釩電解液適配性測(cè)試結(jié)果分析
在額定功率、80%額定功率、140mA/cm2電流密度、170mA/cm2電流密度4種測(cè)試條件下對(duì)4個(gè)釩電池電堆與電解液進(jìn)行適配性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明:同等條件下，使用C電解液與4個(gè)電堆測(cè)試結(jié)果均低于使用A釩電解液測(cè)試結(jié)果:能量效率低2%~3%。T1、T2電堆測(cè)試結(jié)果降低2%~3%。F、L電堆測(cè)試結(jié)果與其他電解液測(cè)試結(jié)果差異不大。
3.4 D釩電解液適配性測(cè)試結(jié)果及分析
采用D釩電解液與T1、T2、L電堆在恒功率和恒電流模式下進(jìn)行適配性測(cè)試(由于F電堆出現(xiàn)故障，故沒(méi)有繼續(xù)對(duì)其測(cè)試)
3.4.1 恒功率條件下性能測(cè)試結(jié)果
在恒功率模式下進(jìn)行充放電測(cè)試結(jié)果如表9所示。
額定功率下進(jìn)行充放電測(cè)試，使用D釩電解液條件下，T2電堆能量效率最高，達(dá)到80.57%:T1、L電堆測(cè)試能量效率均低于80%，效果不佳。80%額定功率下進(jìn)行充放電測(cè)試，使用D釩電解液條件下，T1、T2電堆能量效率在80%以上;L電堆測(cè)試能量效率在77.80%左右，效果不佳。各電堆測(cè)試能量效率低于其他電解液1%~2%。
3.4.2 恒電流模式下性能測(cè)試結(jié)果
在恒電流模式下進(jìn)行充放電測(cè)試結(jié)果如表10所示。
140mA/cm2電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試，T1、T2電堆能量效率均達(dá)到80%以上，測(cè)試效果優(yōu)于C電解液測(cè)試結(jié)果;L電堆測(cè)試能量效率為77.45%，能量效率較低。
170mA/cm2電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試，三種電堆能量效率低于80%，其中T1、T2電堆能量效率在78%左右;電堆能量效率保持在74.85%，能量效率較低。
3.4.3 D釩電解液適配性測(cè)試結(jié)果分析
140mA/cm2電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試，T1、T2電堆能量效率均達(dá)到80%以上，測(cè)試效果優(yōu)于C電解液測(cè)試結(jié)果;L電堆測(cè)試能量效率為77.45%，能量效率較低。
170mA/cm2電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試，三種電堆能量效率低于80%，其中T1、T2電堆能量效率在78%左右;電堆能量效率保持在74.85%，能量效率較低。
3.4.3 D釩電解液適配性測(cè)試結(jié)果分析
在額定功率、80%額定功率、140mA/cm2電流密度、170mA/cm2電流密度4種測(cè)試條件下對(duì)3個(gè)釩電池電堆與D釩電解液進(jìn)行適配性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明:同等條件下，使用D電解液與3個(gè)電堆測(cè)試結(jié)果均低于使用A釩電解液測(cè)試結(jié)果能量效率低2%~3%。T2電堆各條件下測(cè)試結(jié)果高于T1電堆測(cè)試結(jié)果，但均低于A、B電解液測(cè)試結(jié)果。
4 額定功率下電堆、電解液適配性對(duì)比
釩電池電堆通常在額定功率條件下使用，綜合以上數(shù)據(jù)，對(duì)各廠(chǎng)家釩電池電堆在額定功率下與各電解液產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。
可以看出，T1、T2電堆與A、B1、B2電解液適配性良好，能量效率達(dá)到80%以上;W電堆只與A電解液進(jìn)行了測(cè)試，能量效率接近T1電堆，性能相對(duì)較好;F電堆與A電解液適配性良好，達(dá)到81%，與其他電解液匹配能量效率低于80%;L電堆與五種電解液匹配測(cè)試能量效率僅有75%~77%，表現(xiàn)不佳。綜上，測(cè)試結(jié)果較好的電堆為T(mén)1、T2、W電堆;測(cè)試結(jié)果較好的電解液為A、B釩電解液。
5 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上成熟釩電池電堆產(chǎn)品、電解液適配性研究，深入了解各家釩電池電堆、電解液產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，為釩液流儲(chǔ)能電池項(xiàng)目建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，為進(jìn)一步提升行業(yè)發(fā)展提供動(dòng)力。此外，釩電池系統(tǒng)充放電控制模式、余熱回收及利用、儲(chǔ)罐定制化設(shè)計(jì)、旁路電流降低措施等方面均對(duì)釩液流儲(chǔ)能電池能量轉(zhuǎn)化效率有重要影響，如何進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升釩電池整體能量轉(zhuǎn)化效率，需釩電池儲(chǔ)能行業(yè)人員共同努力。
