钒电池电堆和电解液适配性研究

  浩博电池网讯：全钒液流电池，全称为全钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Battery，VRB)），是以+4、+5价态的钒离子溶液作为正极的活性物质，以+2、+3价态的钒离子溶液作为负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中。全钒液流电池中的钒理论上不会被消耗或消散，可进行循环使用，不会造成资源短缺浪费，具有良好的保值属性，并且具有安全性高、循环寿命极长、环境友好、响应速度快、容量规模易调节等优点。在政策支持和市场需求的推动下，钒电池的关键单元电堆和电解液性能不断提高，成本不断下降。目前市场上的钒电池电堆、电解液种类多、差异化大，造成部分钒电池储能项目能量转化效率性能不理想，为了钒电池集成系统效率提升，本研究通过对市场上成熟的电堆、电解液产品在测试平台上进行适配性测试，形成最佳的钒电池电堆、电解液组合，为电池电堆与电解液适配性研究提供参考。

  1 测试主要设备和材料

  1.1 测试平台

  本研究测试平台为全钒液流电池的缩小版，以方便进行钒电池系统各种型号电堆、电解液的综合性能测试，通过测试数据对电堆和电解液的适配性进行综合评估，为电堆、电解液的研究和生产提供科学依据，为全钒液流电池系统的优化提供解决方案。

  测试平台由电池管理系统（BMS）、逆变器控制系统（PCS）、上位机监控及数据管理系统、正负极电解液罐、测试电堆及电解液组成，单堆测试功率最大为150kW。其中PCS包括能量双向的交流模块（AC）和直流模块（DC），为测试平台提供稳定的电流电压，可分别开展恒功率、恒电流、恒电压三种充放电测试模式，实现了PCS对测试功率控制及测试数据的检测功能。另外，在上位机（电脑）与设备通讯中断时，设备能持续存储测试数据，通讯恢复后将数据上传至上位机，上位机管理系统主要负责根据测试需求设置测试参数，同时满足实时数据显示以及测试数据记录和数据分析的功能。

  1.2 测试电堆

  本研究所用测试电堆来源于市场上较为成熟的钒电池电堆生产厂家产品，电堆分别为：Ｔ公司25.6kW和42kW电堆、Ｗ公司32kW电堆、Ｆ公司32kW电堆、Ｌ公司32kW电堆，电堆参数如表1所示。

  1.3 钒电解液

  本研究所用测试钒电解液主要采用市场上较为成熟的4家钒电解液产品，各公司电解液参数如表2所示。

  2 测试方案

  在测试平台中安装钒电池电堆产品，依次灌注1m3钒电解液测试产品，测试条件为恒功率模式下额定功率、80％额定功率，恒电流模式下140、170mA/cm2电流密度，测试方法参考《全钒液流电池电堆测试方法》（NB/T42132-2017），对比分析电堆、电解液适配性。

  3 测试结果及分析

  3.1 A钒电解液适配性测试结果及分析

  采用A钒电解液与T1、T2、W、F、L五种电堆在恒功率和恒电流模式下进行测试。

  3.1.1 恒功率模式下测试结果

  在恒功率模式下进行充放电测试结果如表3所示。

  额定功率下进行充放电测试时，T1、T2、F以及W电堆能量效率均达到80％以上，特别是T2、W电堆能量效率达到82％以上；L电堆测试能量效率在77％左右，效果不佳。80％额定功率下进行充放电测试时，T1、T2、F以及W电堆能量效率均达到82％以上，特别是T2电堆、W电堆达到83％以上；L电堆测试能量效率有所提升，达到79.36％。

  3.1.2 恒电流模式下测试结果

  在恒电流模式下进行充放电测试结果如表4所示（F电堆由于厂家对电堆技术参数保密，无法开展恒电流密度测试；L电堆无法正常进行充放电测试，无检测数据）。

  电流密度为140mA/cm2时，T1、T2、W电堆能量效率均达到82%以上，T2电堆达到83.56%;L电堆测试能量效率达到77.90%，相对较低。电流密度为170mA/cm2时，T1、T2电堆能量效率均达到81%以上，性能良好；W电堆能量效率仅78.19%

  3.1.3 A钒电解液适配性测试结果分析

  在额定功率、80%额定功率、140mA/cm2电流密度、170mA/cm2电流密度4种测试条件下对A钒电解液与5种钒电池电堆进行适配性测试，测试结果表明:性能最佳为T2电堆，其次分别为T1、W、F电堆，L电堆测试能量效率低于80%性能一般。

  3.2 B1、B2钒电解液适配性测试结果及分析

  采用B1、B2钒电解液与T1、T2、F、L四个电堆在恒功率和恒电流模式下进行适配性测试(由于W电堆出现故障，故后续没有继续对其测试)。

  3.2.1 恒功率模式下性能测试测试结果

  在恒功率模式下进行充放电测试结果如表5所示(T2电堆与B1在恒功率式下无法正常进行充放电测试，无检测数据)。

  额定功率下进行充放电测试时，T1、T2电堆能量效率达到80%以上;F电堆能量效率在79%左右;工电堆测试能量效率均在76%左右，效果不佳。两种电解液测试对比，B1性能微优于B2。

  80%额定功率下进行充放电测试时，T1、T2、F电堆能量效率均达到81%以上，特别是T1电堆能量效率达到82%以上。两种电解液对比，相同电堆条件下B1性能优于B2。

  3.2.2 恒电流模式下性能测试结果

  在恒电流模式下进行充放电测试结果如表6所示(F电堆由于厂家对电堆技术参数保密，无法开展恒电流密度测试;T2电堆与B1在恒电流模式下无法正常进行充放电测试，无检测数据)。

  140mA/cm2电流密度下进行充放电测试，T1、T2电堆能量效率均达到81%以上;电堆与B1、B2电解液测试能量效率分别为79.21%、77.25%能量效率较低，两种电解液对比差距较大。

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