液流电池支路电流研究进展

化反应：２Ｈ２Ｏ－４ｅ－ →Ｏ２＋４Ｈ＋ ，阴 极 端 板 处 发 生 还 原反应：２Ｈ＋ ＋２ｅ－ →Ｈ２，这会造成电解液 起 泡，导 致 反 应 物 质 扩 散 困 难 或 者 形 成 混 合 爆 炸 气 体 ，还 可 能 会
大电流及增加电解液离子的电阻等方法也可减小支 路电流 。 ［１３］ 但以 上 方 法 均 只 能 减 弱 支 路 电 流，不 能 将 其 完 全 消 除 ，同 时 以 上 方 法 如 （５）、（６），在 使 用 过 程
电池工业 第１７卷第３期 Ｃｈｉｎｅｓｅ ＢａｔｔｅｒｙＩｎｄｕｓｔｒｙ ２０１２年６月
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液流电池支路电流研究进展
杜 涛，李爱魁＊ ，郝彰翔，廖小东
（国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 湖北 ４３００７４）
摘 要 ：介 绍 了 常 见 的 双 极 堆 式 液 流 电 池 中 支 路 电 流 产 生 原 因 及 对 液 流 电 池 的 危 害 ，并 简 要 综 述 了 支 路电流数值计算原理与减小或消除支路电流的方法。 关 键 词 ：液 流 电 池 ；支 路 电 流 ；电 堆 中图分类号：ＴＭ９１２．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－７９２３（２０１２）０３－０１８６－０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｏｎ ｓｈｕｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ｒｅｄｏｘ ｆｌｏｗ ｂａｔｔｅｒｙ
ＤＵ Ｔａｏ，ＬＩ Ａｉ－ｋｕｉ，ＨＡＯ Ｚｈａｎｇ－ｘｉａｎｇ，ＬＩＡＯ Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ
（Ｗｕｈａｎ Ｎａｒｉ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
３ 支 路 电 流 的 减 小 或 消 除 方 法 单 电 池 串 联 形 成 电 解 液 的 离 子 通 道 ，从 而 产 生 支
路 电 流 ，因 此 消 除 共 用 电 解 液 通 道 或 者 将 电 解 液 通 道 打断是减小支路电 流 的 主 要 方 法，可 采 取 以 下 措 施： （１）采用不导 电 管 道 以 避 免 电 解 液 总 管 中 产 生 不 通 过回路的电流；（２）在兼顾电解液流量要求和流 体分 布 均 匀 的 基 础 上 ，减 小 管 路 直 径 及 增 加 支 管 长 度 以 增 加溶液 的 电 阻；（３）减 少 一 个 电 堆 模 块 中 单 电 池 数 量；（４）采 用 挡 板 等 形 成 堰 或 者 溢 流 装 置 打 断 液 流［１０－１１］；（５）在 电 解 液 通 道 中 通 入 气 体 或 形 成 气 泡 ， 以增加溶液的有效电阻；（６）在液流中加设绝缘旋 转 叶轮、旋转 阀 或 绝 缘 阀、淋 浴 头 等 。 ［１１－１２］ 同 时 通 过 增
薄弱的一环。
图 １ 钒电池电解液流动及等效电路示意图［４］ Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｆｌｏｗｉｎｇ ａｎｄ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ
ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ Ｖａｎａｄｉｕｍ Ｒｅｄｏｘ Ｂａｔｔｅｒｙ
支路电流会 对 液 流 电 池 性 能 造 成 很 大 影 响，其 主要危害有：（１）造 成 能 量 损 失，降 低 电 池 效 率；（２） 由 于 支 路 电 流 在 电 池 中 分 布 不 均 匀 ，导 致 各 电 池 电 流
时，越靠近电池中 心 支 路 电 流 越 大。 充 电 时，管 路 中
的支路电流会腐蚀 与 溶 液 接 触 的 双 极 板；放 电 时，过
大 的 支 路 电 流 会 严 重 降 低 电 池 的 电 压 、库 仑 及 能 量 效
率。但由于各单电池的支路电流均流经中央单电池，
对 中 央 单 电 池 的 影 响 最 大 ，使 之 成 为 整 个 电 池 组 中 最
单电池间因具有公共的电解液通道会产生不经主回 路 而 通 过 支 管 和 总 管 的 支 路 电 流 ，这 种 电 流 不 经 过 负 载 ，不 仅 会 导 致 电 池 性 能 降 低 ，产 生 电 压 降 ，还 会 在 各 电 池 电 极 上 产 生 电 化 学 反 应 ，会 对 电 池 的 性 能 产 生 很 大 影 响 。 本 文 根 据 国 内 外 研 究 状 况 ，主 要 针 对 支 路 电 流危害及对液流电池的影响及减小或消除办法进行 综述，有助于液流电池的研究应用 。 ［５－６］
毡———１、２ 号 电 池 双 极 板———１ 号 负 极 炭 毡———隔 关。当电堆中各单电池管路设计相同时，电堆中的支
膜———１号正极 炭 毡。 电 解 液 通 过 总 管 和 各 支 路 进 路电流呈对称分布，管道中的电流越接近电堆中心越
入电堆，会使不同电池间因电解液而产生离子通道。 小。充电时，越靠近 电 池 中 心 支 路 电 流 越 小；而 放 电
不同，可能使部 分 电 池 提 前 失 效；（３）加 剧 电 极 或 管 道 的 腐 蚀 ；（４）由 电 极 反 应 或 腐 蚀 产 生 的 危 险 气 体 组 合 可 能 引 起 爆 炸 。 因 此 ，支 路 电 流 的 危 害 远 远 不 只 是 电能的损失，它往往危及整个电池系统的安全 。 ［７］
中正极的电子通道是电堆内的双极板和电极材料，两 数，分别计算流经各支管的支路电流。
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相邻电 池 间 电 子 通 道 为：１ 号 正 极 支 流 道———１、２ 号
陈晖等 通 ［５］ 过 对 双 极 堆 式 钒 电 池 组 的 支 路 电 流
之 间 主 流 道———２ 号 正 极 支 流 道———２ 号 正 极 炭 进行研究发现，支路电流的大小与电池的位置密切相
根 据 欧 姆 定 律 ，对 电 池 电 压 及 电 解 液 电 阻 有 影 响 的因素都对支路电流有一定的影响。如电池的极化 情况、电解液的温度 与 电 阻、电 解 液 总 管 的 直 径 与 长 度、各电解液支管的 直 径 与 长 度 等，都 会 对 支 路 电 流 产生影响。总之，使 电 堆 的 电 压 增 高、电 解 液 电 阻 降 低的因素都会使支路电流增大 。 ［７，９］
的。单电池串联，同 时 电 池 主 要 由 导 电 材 料 构 成，导 性较低，因此一般建立等效电路模型进行计算。计算
致电池中存在电子通道，如图ｌ所示为钒电池电堆 电 支路电流通常根据 所 使 用 电 堆 的 实 际 情 况 绘 制 等 效
解液流动示意图及支路电流等效电路，全钒液流电池 电路，再根据电路列 出 相 关 线 性 方 程 组，代 入 已 知 参
为 了 提 高 电 池 的 能 量 密 度 ，目 前 液 流 电 池 多 采 用 双极堆式结构。双极堆式液流电池组由多个单电池 串 联 构 成 ，其 内 部 具 有 公 用 电 解 液 通 道 。 采 用 该 结 构 可 以 给 每 个 电 极 均 一 供 应 反 应 物 ，且 易 于 移 除 反 应 产 物；热传导效率高，使 得 系 统 的 冷 却 和 热 管 理 系 统 简 单；可以采用低成本的电子控制系统 。 ［４］ 但是串 联 的
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电 池工业 杜 涛，等：液流电池支路电流研究进展 Ｃｈｉｎｅｓｅ ＢａｔｔｅｒｙＩｎｄｕｓｔｒｙ
流，使上述两电阻的 电 压 相 同，此 时 连 通 通 道 间 的 支 路电流可以完全消除。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＤＵ Ｔａｏ（１９６３－），ｍａｌｅ，ｍａｓｔｅｒ，ａｓｓｉｓｔａｎｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒ．
＊本文通讯联系人。
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电池工业 第１７卷第３期 Ｃｈｉｎｅｓｅ ＢａｔｔｅｒｙＩｎｄｕｓｔｒｙ ２０１２年６月
电 池 充 电 时 ，产 生 的 支 路 电 流 通 过 电 解 液 管 道 在 电池内部做无用功；电 池 放 电 时，支 路 电 流 会 消 耗 一 部分能量，使电池效率降低 。 ［８］
支 路 电 流 在 造 成 能 量 损 失 的 同 时 ，还 会 引 起 一 些 副 反 应 ，对 电 池 造 成 危 害 ，如 在 全 钒 液 流 电 池 中 ，由 于 电 堆 的 阳 极 和 阴 极 间 电 位 差 较 大 ，且 存 在 连 通 的 电 解 液 共 用 通 道 ，导 致 在 电 池 两 极 上 产 生 不 属 于 全 钒 液 流 电 池 体 系 的 电 化 学 反 应 ，如 电 解 液 中 的 水 会 在 正 负 极 处被氧化或还原，生 成 氧 气 与 氢 气，其 中 阳 极 发 生 氧
１ 支 路 电 流 产 生 的 原 理 及 危 害 在 双 极 堆 式 液 流 电 池 中 ，支 路 电 流 是 在 电 子 通 道
与离子通 道 构 成 闭 合 回 路，电 解 液 作 为 导 体 时 产 生
＊ 收稿日期：２０１１－１２－１２
作 者 简 介 ：杜 涛 （１９８４－ ），男 ，湖 北 人 ，硕 士 ，助 理 工 程 师 ，主 要 研 究 方 向 为 储 能 电 源 。
液流电池是一种适合于大规模储能的电化学储 能装置 。 ［１－２］ 与传统 的 储 能 电 池 相 比，液 流 电 池 具 有 以下独特的优点：可 快 速 充 电 及 大 电 流 密 度 放 电，可 深 度 放 电 ，使 用 寿 命 长 ，容 量 可 调 及 环 保 等 ，因 而 得 到 广 泛 关 注 ［３］。
４ 结 语 与 展 望 支 路 电 流 削 弱 了 液 流 电 池 的 性 能 ，降 低 了 液 流 电
流等方式达到消除支路电流的目的 ，该 ［１４－１７］ 方法已经 在 部 分 液 流 电 池 中 应 用 。 其 主 要 原 理 是 ：电 解 液 总 管
容量分布不均，需要对支路电流进行计算。对于大型 的电阻和单电池总电阻大小不同，但通过各单电池电
液流电池系统，采用实验方法测量支路电流的可执行 解液通道连接，因此对电解液总管施加一个合适的电
导致全钒液流电池正极端碳类电极的腐蚀，使电极失 中还可能会给电池系统带来其他问题。
效：Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋ ＋４ｅ－ 。
除 上 述 提 出 的 削 弱 支 路 电 流 的 方 法 ，还 可 在 电 解 液 总 管 中 通 过 插 入 辅 助 电 极 或 极 板 等 ，并 施 加 保 护 电
２ 支 路 电 流 的 计 算 由于支路电流的存在会导致电堆中各单电池的
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｓｈｕｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｉｌｅ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｍ ｏｆ ｓｈｕｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ ｆｌｏｗ ｂａｔｔｅｒｙ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕ－ ｌａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｈｕｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｏｒ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｓｈｕｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｅｒｅ ｒｅ－ ｖｉｅｗｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ｂａｔｔｅｒｙ；ｓｈｕｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｐｉｌｅ
上述通过保护电流消除支路电流的方法已在 Ｃｄ－Ｎｉ电池网路和电解电池中进行了证实，并 进 一 步 扩展ｌ０个单电池串联组成的１５Ｖ 锌—溴电池电堆， 如图２所示。
图 ２ 施 加 保 护 电 流 的 电 池 装 置 示 意 图［７］ Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｕｓｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ