中國儲能網訊：全釩液流電池，全稱為全釩氧化還原液流電池（Vanadium Redox Battery，VRB)），是以+4、+5價態(tài)的釩離子溶液作為正極的活性物質，以+2、+3價態(tài)的釩離子溶液作為負極的活性物質，分別儲存在各自的電解液儲罐中。全釩液流電池中的釩理論上不會被消耗或消散，可進行循環(huán)使用，不會造成資源短缺浪費，具有良好的保值屬性，并且具有安全性高、循環(huán)壽命極長、環(huán)境友好、響應速度快、容量規(guī)模易調節(jié)等優(yōu)點。在政策支持和市場需求的推動下，釩電池的關鍵單元電堆和電解液性能不斷提高，成本不斷下降。目前市場上的釩電池電堆、電解液種類多、差異化大，造成部分釩電池儲能項目能量轉化效率性能不理想，為了釩電池集成系統(tǒng)效率提升，本研究通過對市場上成熟的電堆、電解液產品在測試平臺上進行適配性測試，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 測試主要設備和材料
1.1 測試平臺
本研究測試平臺為全釩液流電池的縮小版，以方便進行釩電池系統(tǒng)各種型號電堆、電解液的綜合性能測試，通過測試數據對電堆和電解液的適配性進行綜合評估，為電堆、電解液的研究和生產提供科學依據，為全釩液流電池系統(tǒng)的優(yōu)化提供解決方案。
測試平臺由電池管理系統(tǒng)（BMS）、逆變器控制系統(tǒng)（PCS）、上位機監(jiān)控及數據管理系統(tǒng)、正負極電解液罐、測試電堆及電解液組成，單堆測試功率最大為150kW。其中PCS包括能量雙向的交流模塊（AC）和直流模塊（DC），為測試平臺提供穩(wěn)定的電流電壓，可分別開展恒功率、恒電流、恒電壓三種充放電測試模式，實現(xiàn)了PCS對測試功率控制及測試數據的檢測功能。另外，在上位機（電腦）與設備通訊中斷時，設備能持續(xù)存儲測試數據，通訊恢復后將數據上傳至上位機，上位機管理系統(tǒng)主要負責根據測試需求設置測試參數，同時滿足實時數據顯示以及測試數據記錄和數據分析的功能。
1.2 測試電堆
本研究所用測試電堆來源于市場上較為成熟的釩電池電堆生產廠家產品，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，電堆參數如表1所示。
1.3 釩電解液
本研究所用測試釩電解液主要采用市場上較為成熟的4家釩電解液產品，各公司電解液參數如表2所示。
2 測試方案
在測試平臺中安裝釩電池電堆產品，依次灌注1m3釩電解液測試產品，測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，測試方法參考《全釩液流電池電堆測試方法》（NB/T42132-2017），對比分析電堆、電解液適配性。
3 測試結果及分析
3.1 A釩電解液適配性測試結果及分析
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行測試。
3.1.1 恒功率模式下測試結果
在恒功率模式下進行充放電測試結果如表3所示。
額定功率下進行充放電測試時，T1、T2、F以及W電堆能量效率均達到80％以上，特別是T2、W電堆能量效率達到82％以上；L電堆測試能量效率在77％左右，效果不佳。80％額定功率下進行充放電測試時，T1、T2、F以及W電堆能量效率均達到82％以上，特別是T2電堆、W電堆達到83％以上；L電堆測試能量效率有所提升，達到79.36％。
3.1.2 恒電流模式下測試結果
在恒電流模式下進行充放電測試結果如表4所示（F電堆由于廠家對電堆技術參數保密，無法開展恒電流密度測試；L電堆無法正常進行充放電測試，無檢測數據）。
電流密度為140mA/cm2時，T1、T2、W電堆能量效率均達到82%以上，T2電堆達到83.56%;L電堆測試能量效率達到77.90%，相對較低。電流密度為170mA/cm2時，T1、T2電堆能量效率均達到81%以上，性能良好；W電堆能量效率僅78.19%
3.1.3 A釩電解液適配性測試結果分析
在額定功率、80%額定功率、140mA/cm2電流密度、170mA/cm2電流密度4種測試條件下對A釩電解液與5種釩電池電堆進行適配性測試，測試結果表明:性能最佳為T2電堆，其次分別為T1、W、F電堆，L電堆測試能量效率低于80%性能一般。
3.2 B1、B2釩電解液適配性測試結果及分析
采用B1、B2釩電解液與T1、T2、F、L四個電堆在恒功率和恒電流模式下進行適配性測試(由于W電堆出現(xiàn)故障，故后續(xù)沒有繼續(xù)對其測試)。
3.2.1 恒功率模式下性能測試測試結果
在恒功率模式下進行充放電測試結果如表5所示(T2電堆與B1在恒功率式下無法正常進行充放電測試，無檢測數據)。
額定功率下進行充放電測試時，T1、T2電堆能量效率達到80%以上;F電堆能量效率在79%左右;工電堆測試能量效率均在76%左右，效果不佳。兩種電解液測試對比，B1性能微優(yōu)于B2。
80%額定功率下進行充放電測試時，T1、T2、F電堆能量效率均達到81%以上，特別是T1電堆能量效率達到82%以上。兩種電解液對比，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試結果
在恒電流模式下進行充放電測試結果如表6所示(F電堆由于廠家對電堆技術參數保密，無法開展恒電流密度測試;T2電堆與B1在恒電流模式下無法正常進行充放電測試，無檢測數據)。
140mA/cm2電流密度下進行充放電測試，T1、T2電堆能量效率均達到81%以上;電堆與B1、B2電解液測試能量效率分別為79.21%、77.25%能量效率較低，兩種電解液對比差距較大。
170mA/cm2電流密度下進行充放電測試，T1電堆能量效率均達到80%以上;T2、L電堆能量效率低于80%。兩種釩電解液對比，傳統(tǒng)流程釩電解液產品性能優(yōu)于短流程釩電解液產品，L電堆與傳統(tǒng)流程、短流程電解液測試能量效率分別為76.78%、75.27%，能量效率較低。
3.2.3 B1、B2釩電解液適配性測試結果分析
在額定功率、80%額定功率、140mA/cm電流密度、170mA/cm2電流密度4種測試條件下對B1、B2釩電解液與4個釩電池電堆進行適配性測試，測試結果表明:同等條件下，B1、B2釩電解液與4個電堆測試結果均低于A釩電解液測試結果，能量效率降低1%~1.5%。性能最佳為T1、T2電堆，測試數據相近。
3.3 C釩電解液適配性測試結果及分析
采用C釩電解液與T1、T2、F、L四個電堆在恒功率和恒電流模式下進行適配性測試。
3.3.1 恒功率條件下性能測試測試結果
在恒功率模式下進行充放電測試結果如表7所示。
額定功率下進行充放電測試，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電堆測試能量效率在77%左右，效果不佳;以往測試中T1、T2電堆能量效率大于F電堆，在本次測試中能量效率接近;T1、T2兩種電堆能量效率均出現(xiàn)了下降，說明C電解液與T公司電堆適配性較差。
80%額定功率下進行充放電測試，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電堆測試能量效率在79%左右，效果不佳。此外，各電堆測試能量效率低于A、B電解液1%~2%。
3.3.2 恒電流模式下性能測試結果
在恒電流模式下進行充放電測試結果的結果如表8所示(F電堆廠家由于電堆技術參數保密，無法開展恒電流密度測試)。
140mA/cm2電流密度下進行充放電測試，T1電堆能量效率均達到80%以上，其余電堆均低于80%;T1、T2電堆測試結果相較其他電解液較差:L電堆測試能量效率為78.85%，能量效率較低，但與其他電解液測試結果比較差異不大。
170mA/cm2電流密度下進行充放電測試，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%，與其他電解液測試結果差異不大。
3.3.5 C釩電解液適配性測試結果分析
在額定功率、80%額定功率、140mA/cm2電流密度、170mA/cm2電流密度4種測試條件下對4個釩電池電堆與電解液進行適配性測試，測試結果表明:同等條件下，使用C電解液與4個電堆測試結果均低于使用A釩電解液測試結果:能量效率低2%~3%。T1、T2電堆測試結果降低2%~3%。F、L電堆測試結果與其他電解液測試結果差異不大。
3.4 D釩電解液適配性測試結果及分析
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行適配性測試(由于F電堆出現(xiàn)故障，故沒有繼續(xù)對其測試)
3.4.1 恒功率條件下性能測試結果
在恒功率模式下進行充放電測試結果如表9所示。
額定功率下進行充放電測試，使用D釩電解液條件下，T2電堆能量效率最高，達到80.57%:T1、L電堆測試能量效率均低于80%，效果不佳。80%額定功率下進行充放電測試，使用D釩電解液條件下，T1、T2電堆能量效率在80%以上;L電堆測試能量效率在77.80%左右，效果不佳。各電堆測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試結果
在恒電流模式下進行充放電測試結果如表10所示。
140mA/cm2電流密度下進行充放電測試，T1、T2電堆能量效率均達到80%以上，測試效果優(yōu)于C電解液測試結果;L電堆測試能量效率為77.45%，能量效率較低。
170mA/cm2電流密度下進行充放電測試，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釩電解液適配性測試結果分析
140mA/cm2電流密度下進行充放電測試，T1、T2電堆能量效率均達到80%以上，測試效果優(yōu)于C電解液測試結果;L電堆測試能量效率為77.45%，能量效率較低。
170mA/cm2電流密度下進行充放電測試，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釩電解液適配性測試結果分析
在額定功率、80%額定功率、140mA/cm2電流密度、170mA/cm2電流密度4種測試條件下對3個釩電池電堆與D釩電解液進行適配性測試，測試結果表明:同等條件下，使用D電解液與3個電堆測試結果均低于使用A釩電解液測試結果能量效率低2%~3%。T2電堆各條件下測試結果高于T1電堆測試結果，但均低于A、B電解液測試結果。
4 額定功率下電堆、電解液適配性對比
釩電池電堆通常在額定功率條件下使用，綜合以上數據，對各廠家釩電池電堆在額定功率下與各電解液產品進行對比，結果如圖1所示。
可以看出，T1、T2電堆與A、B1、B2電解液適配性良好，能量效率達到80%以上;W電堆只與A電解液進行了測試，能量效率接近T1電堆，性能相對較好;F電堆與A電解液適配性良好，達到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試能量效率僅有75%~77%，表現(xiàn)不佳。綜上，測試結果較好的電堆為T1、T2、W電堆;測試結果較好的電解液為A、B釩電解液。
5 結語
通過對市場上成熟釩電池電堆產品、電解液適配性研究，深入了解各家釩電池電堆、電解液產品的優(yōu)勢與劣勢，為釩液流儲能電池項目建設提供可靠的數據支撐，為進一步提升行業(yè)發(fā)展提供動力。此外，釩電池系統(tǒng)充放電控制模式、余熱回收及利用、儲罐定制化設計、旁路電流降低措施等方面均對釩液流儲能電池能量轉化效率有重要影響，如何進一步優(yōu)化設計，提升釩電池整體能量轉化效率，需釩電池儲能行業(yè)人員共同努力。
