全钒液流电池技术发展现状_杨霖霖

地点 爱尔兰风电场 美国犹他州 澳洲金岛风场 丹麦 南非 美国南卡罗来纳州 美国佛罗里达州 意大利 丹麦 加拿大 德国 泰国 日本 关西电力 日本 日本北海道 日本札幌 日本横滨
储能系统规模 2 MW×6 h 250 kW×8 h 200 kW×8 h 15 kW×8 h 250 kW/520 kW·h 30/60 kW×2 h 2×5 kW×4 h 5 kW×4 h 5 kW×4 h 10 kW·h 10 kW·h 1 kW/12 kW·h 200 kW/800 kW·h 450 kW/1 MW·h 1.5 MW/3 MW·h 170 kW/1 MW·h 4MW 1MW/5MW·h
收稿日期：2012-12-10；修改稿日期：2013-01-14。 第一作者及通讯联系人：杨霖霖（1984—）女，硕士，研究方向为全钒 液流电池的关键技术及系统集成控制、储能电池关键材料，E-mail： yanglinlinzh@163.com。
景[1-2]。
1 全钒液流电池的工作原理
全钒液流电池是一种新型储能和高效转化装 置，将不同价态的钒离子溶液作为正负极的活性物 质，分别储存在各自的电解液储罐中，通过外接泵 将电解液泵入到电池堆体内，使其在不同的储液罐 和半电池的闭合回路中循环流动；采用离子膜作为 电池组的隔膜，电解液平行流过电极表面并发生电 化学反应，将电解液中的化学能转化为电能，通过 双极板收集和传导电流。在钒电池中，正极发生的
摘 要：全钒液流电池是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的液流电池，在风电、光伏发电、
电网调峰等领域有着极其良好的应用前景。本文对全钒液流电池的工作原理进行了详细介绍，并对影响全钒液
流电池发展的关键技术进行深入分析，结合其国内外的技术发展现状，对全钒液流电池的发展趋势做了客观的
评估，并展望了全钒液流电池发展前景。
关键词：全钒液流电池；关键技术；关键材料；应用前景
doi：10.3969/j.issn.2095-4239.2013.02.007
中图分类号：O 646.21
文献标志码：A
文章编号：2095-4239（2013）02-140-06
The research &development status of vanadium redox flow battery
V-Fuel Pty Ltd 住友电工
时间 2006 年 8 月 2004 年 2 月 2003 年 11 月 2006 年 6 月 2002 年 2005 年 10 月 2007 年 7 月 2006 年 4 月 2006 年 4 月 2006 年 3 月 2005 年 9 月 1993 年 1997 年 1999 年 2001 年 2001 年 2005 年 2012 年
图 2 1 MW/6 MW·h 全钒液流电池储能系统 Fig.2 1MW/6MW·h VRB energy storage system
图 1 钒电池工作原理示意图 Fig.1 Schematic diagram of vanadium redox flow battery
2 全钒液流电池国内外研究现状
全钒液流电池早期的研究工作由美国航天局进
2012 年住友电工在日本横滨开发了 1 MW/ 5 MW·h 全钒液流电池兆瓦级示范项目，该项目中 聚光光伏 200 kW，全钒液流 1 MW/5 MW·h，其中 液流电池由 1 台 500 kW PCS 和 2 台 250 kW PCS 控 制充放电，电池堆由 8 组 125 kW 并联组成，并网 接入方式如图 3 所示，该项目验证了全钒液流电池
第2期
杨霖霖等：全钒液流电池技术发展现状
年 141
是+4 和+5 价钒离子的氧化还原反应，负极发生的
是+2 和+3 价钒离子的氧化还原反应。正负极电化
学反应构成了全钒液流电池的基本原理，反应方程
式如下[2-5]：
正极：VO2+ +2H+ + e-
VO2+ + H2O, E=1.004V （1）
负极：
放电时，正负极溶液在电极表面发生逆反应，氢离
子则由负极迁回正极。
行，澳大利亚的新南威尔士大学进行了许多实用化 的开发工作。1998 年，其知识产权出售给了澳大利 亚的 Pinnacle VRB 公司，2001 年 Pinnacle VRB 公 司被加拿大 VRB Power Systems 公司收购。2003 年 11 月 14 日 VRB Power Systems 公司为澳大利亚 King 岛 Hydro Tasmania 建造了与风能及柴油机混 合发电系统配套的 200 kW/800 kW·h 全钒液流电池 储能系统（VRB-ESS）。VRB-ESS 的使用优化了 King 岛上的混合发电系统性能，并使风力发电系统稳定 供电，减少了对柴油机发电量的需求，减少了燃料 费用及向环境中排放的废气量[23]。2004 年 3 月， VRB Power Systems 公司又为犹他州太平洋电力公 司在 Castle Valley 公司建造了 250 kW/2 MW·h 的全 钒液流储能电池系统，经济、有效地实现了电网调 峰、电压支撑和电压扰动恢复。
住友电工（SEI）是国际全钒液流储能电池开发 及商业化示范的领军企业。2005 年在北海道苫前町 建立了 4 MW/6 MW·h 的全钒液流电池储能系统（图 2）[8]用于一座 36 MW 风电场的调频和调峰、平滑 风电输出，这是迄今为止国际上最大的一套全钒液 流储能电池工程示范系统，运行了 3 年时间，使用 频率最多的电池模块实现充放电循环约 27 万次。
V3+ + e-
V2+, E= 0.255V
（2）
全钒液流电池的标准电动势为 1.26 V，实际使
用中，由于电解液浓度、电极性能、隔膜电导率等 因素的影响[6]，开路电压可达到 1.5～1.6 V，其原 理如图 1 所示[7]，充电时蓝色的 VO2+离子在正极电 极 表面 被 氧 化 为黄 色 的 VO2+离 子 ， 同 时放 出 电 子，通过极板传到外电路，绿色的 V3+离子则从外
功用 风/储发电并网 削峰填谷 风/储/柴联合 风力/储能发电 应急备用 备用电源 光伏/储能发电 电信备用电源 风力/光伏发电 偏远地区供电 光/储并网 光伏/储能应用 平稳负载波动 电站调峰 电能质量 风/储并用系统 风/储并用系统 光/储并用系统
研发单位 加 拿 大 VRB Power Systems Inc.
（3）积极推进液流储能电池应用示范项目。 2009 年 7 月在西藏自治区成功安装一套“太阳能光 伏系统与 5 kW/50 kW·h 液流储能电池联合供电系 统”进行示范应用，为西藏能源研究示范中心的照 明提供电力。该系统已平稳运行近一年时间，稳定 性受到用户充分肯定。2010 年 5 月在大连高新技术 产业园区开展的 60 kW/300 kW·h 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。 2009 年 11 月在大连开展了“风—光—储”建筑一 体化绿色住宅示范应用项目，通过一台 3 kW 风机 及 3.5 kW 太阳能光伏电池和一套 5 kW/100 kW·h 全 钒液流储能电池系统，实现对住宅内用电负载的稳 定持续供电，为可再生能源电动车充电站及其它应 用积累数据。国内钒电池研究企业见表 2[8]。
图 3 1MW/5MW·h 全钒液流电池系统并网接入方式
Fig.3 1MW/5MW·h VRB grid access mode
我国从 20 世纪 80 年代末开始液流储能电池的 基础研究工作，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。
（1）掌握自主知识产权的百千瓦级全钒液流储 能电池系统的设计、集成技术。2008 年 11 月 1 日， 通过了辽宁省科技厅的鉴定，鉴定专家组认为“所 研制成功的 100 kW 级全钒液流储能电池系统和 10 kW 级电池模块为国内首创，上述成果达到国内领先， 国际先进水平”[4, 8]。电池模块的设计及集成技术仅 次于日本住友电工，达到国际领先水平。最近，在 决定电池性能和成本的核心组件离子交换膜材料方 面又取得重大突破。已经申报发明专利 48 项，形成
了较完整的自主知识产权体系。 （2）通过寿命加速试验对自主研发的 2 kW 全
钒液流储能电池耐久性进行考察。该“液流储能电 池加速寿命”测试示范系统每天进行 7 个全充、全 放充放电循环，自 2007 年 7 月 6 日开始运行以来， 至 2010 年 7 月 6 日已无故障、连续运行 1095 d，累 计运行时间近 26000 h，实现充/放电循环 7600 多次。 电池模块的能量转化效率未见明显衰减。结果表明， 全钒液流储能电池具有优异的可靠性与稳定性，这 为其工程化和产业化开发奠定了坚实的基础。
Abstract: Vanadium redox flow batteries (VRB) are regarded as the largest in scale, most technologically advanced, and closest to industrialization flow batteries in the world. It has many potential applications. Examples include wind power and photovoltaic power generation, and peak shaving in electrical grids. In this paper, we first give a brief introduction to the working principle of the VRB. An in-depth analysis of key techniques involved is then carried out. Finally, an objective assessment is made on the future research and developments of the technology and their applications. Key words：vanadium redox flow battery；key technique；key materials；application trends
1液流电池又称为氧化还原液流电池（redox flow battery），其正负极活性物质电解液是独立存放的， 充放电的时候，电解液通过泵流入电池内部进行电 化学反应，电池只是进行电化学反应的场所，电能 存储在电解液里。钒电池是当今世界上规模最大、 技术最先进、最接近产业化的液流电池，在风电、 光伏发电、电网调峰等领域有着极其广阔的应用前
142 年
储能科学与技术
2013 年第 2 卷
表 1 各国建设的钒电池示范项目
Table 1 VRB demonstration projects constructed in different country
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
电路得到电子，并且在负极电极表面被还原为紫色 的 V2+离子。正极溶液在充电前为电中性，充电后
Leabharlann Baidu
正极物质失去电子，整个体系带正电荷；同样，负
极充电后整个体系带负电荷。非电中性体系是不能
稳定存在的，因此负极溶液中的氢离子就通过阳离
子交换膜迁移至正极中和正负极溶液中的过剩电荷
维持体系电中性，同时构成电池内部的离子电流。
第2卷 第2期 2013 年 3 月
储能科学与技术 Energy Storage Science and Technology
Vol.2 No.2 Mar. 2013
研究及进展
全钒液流电池技术发展现状
杨霖霖1，廖文俊 1，苏 青 1，王子健 2
（1上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070；2 上海理工大学，上海 200093）
YANG Linlin1，LIAO Wenjun1，SU Qing1，WANG Zijian2
( 1Shanghai Electric Group Co.,Ltd. Central Academe，Shanghai 200070，China；2University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)