全钒氧化还原液流电池VRB
钒液流电池用的质子交换膜
钒液流电池用的质子交换膜
钒液流电池（Vanadium Redox Flow Battery, VRB）是一种新型的大型储能装置，它利用不同价态的钒离子在正负极之间的氧化还原反应来储存和释放能量。
质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）是钒液流电池中的关键组件之一，其主要功能包括：
1.导通质子：质子交换膜允许氢离子（质子）通过，但阻止其他离
子（如钒离子V(II)、V(III)、V(IV)和V(V)）穿过，从而在电解液与电极之间形成有效的离子选择性屏障。
2.降低交叉污染：由于钒液流电池中正负极电解液均采用含不同价
态钒离子的同一电解液溶液，质子交换膜能有效防止正负极电解液混合导致的化学能损失，即避免了钒离子在电池循环过程中从一个半电池渗透到另一个半电池，保持电池的高效率和长寿命。
3.维持电压稳定：通过控制质子传递速率，质子交换膜有助于维持
电池内部稳定的电压平台。
针对钒液流电池应用特点研发的质子交换膜通常需要具备以下性能特征：
1)高质子传导率
2)优异的选择透过性，尤其是对钒离子的良好阻挡能力
3)良好的化学稳定性，能在酸性环境中长期稳定工作
4)较低的钒离子渗透率
5)耐久性和机械强度高
目前，科研人员不断探索改进质子交换膜材料以提升钒液流电池的整体性能，例如使用磺化聚芳醚酮（SPEEK）、全氟磺酸膜（Nafion）、以及通过改性方法引入ZSM-5沸石、磷钨酸等物质以优化膜的结构和性能。
科润新材料等企业也致力于批量生产适用于钒液流电池的高性能全氟质子交换膜。
全钒氧化还原液流电池
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大连融科储能负责的某 全钒液流电池项目，白 色圆柱体为储能罐，中 间一排排接管理的方块 为电堆
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优点
1、电堆作为发生反应的场所与存放电解液的储罐分开，从根本上克服了传统电池的自放电现象。功 率只取决于电堆大小，容量只取决于电解液储量和浓度，设计非常灵活；当功率一定时，要增加储能 容量，只需要增大电解液储罐容积或提高电解液体积或浓度即可，而不需改变电堆大小；可通过更换 或添加充电状态的电解液实现“瞬间充电”的目的。可用于建造千瓦级到百兆瓦级储能电站，适应性 很强。 2、充、放电性能好，可以进行大功率的充电和放电，也可以允许浮充和深度放电。对铅酸蓄电 池来说，放电电流越大，电池的寿命越短；放电深度越深，电池的寿命也越短。而钒电池放电深度即 使达到100%，也不会对电池造成影响。而且钒电池不易发生短路，这就避免了因短路而引起的爆炸 等安全问题。 3、可充放电次数极大，理论上寿命是无数次。充放电时间比为1：1，而铅酸电池是4：1。而且 钒电池充、放切换响应速度快，小于20毫秒，非常有利于均衡供电。 4、能量效率高，直流对直流能量效率可以达到80%以上，而铅酸电池只有60%左右。钒电池组中 的各个单位电池状态基本一致，维护简单方便。 5、选址自由度大，占地少，系统可全自动封闭运行，不会产生酸雾，没有酸腐蚀。电解液可反 复利用，无排放，维护简单，操作成本低。是一种绿色环保储能技术。因此对于可再生能源发电，钒 电池是铅酸电池理想的替代品。
全钒氧化还原液流电池
Vanadium Redox Battery
工作原理
优点
பைடு நூலகம்
缺点
发展应用
全钒液流电池的转换率
全钒液流电池的转换率
【实用版】
目录
1.钒液流电池的概念和特点
2.钒液流电池的转换率
3.钒液流电池与锂离子电池的比较
4.钒液流电池的发展前景
正文
一、钒液流电池的概念和特点
钒液流电池（Vanadium Redox Flow Battery，简称 VRB）是一种具
有大容量、高能量转换效率、长寿命、环境友好等优点的电解质储能电池。
钒液流电池采用钒作为正负极活性物质，通过外部电路中的离子交换实现电能的存储和释放。
二、钒液流电池的转换率
钒液流电池的转换率是指电池在充放电过程中，实际可转化为电能的能量与输入的能量之比。
钒液流电池的转换率受多种因素影响，如电解质的浓度、电极材料的性质、电池结构等。
在实际应用中，钒液流电池的转换率通常在 70%～80% 之间，与锂离子电池相比具有较高的能量转换效率。
三、钒液流电池与锂离子电池的比较
1.容量：钒液流电池的容量远大于锂离子电池，可以实现大规模储能。
2.安全性：钒液流电池采用液体电解质，无燃烧风险，安全性能较高。
3.循环寿命：钒液流电池在充放电过程中对容量的损耗较小，具有较长的循环寿命。
4.能量转换效率：钒液流电池的能量转换效率较高，可以实现 70%～
80% 的能量转换。
四、钒液流电池的发展前景
钒液流电池在大规模储能领域具有广泛的应用前景。
随着可再生能源和电力系统的发展，储能技术将成为支撑能源转型的关键。
钒液流电池凭借其优异的性能，被认为是未来大规模储能的最佳选择之一。
目前，钒液流电池已在国内外多个领域展开应用，如风力发电、太阳能发电、电力调峰等。
全钒液流电池概述
全钒液流电池概述全钒液流电池（Vanadium Redox Flow Battery，简称VRFB）是一种利用钒离子在电解液中的氧化还原反应来存储和释放电能的电池。
相对于传统的锂离子电池和铅酸蓄电池，VRFB具有高安全性、长循环寿命、易于维护和大规模储能等优势，已经在储能领域受到广泛关注。
VRFB的工作原理是通过两个电解槽分别储存两种不同价态的钒离子：有四价态的福尔马林钒（V5+）和三价态的硫酸钒（V4+）。
当电池需要放电时，两种钒离子在阳极和阴极之间通过渗透膜交换电子和离子，发生氧化还原反应，释放出电能。
而当电池需要充电时，反应过程则反向进行，将电能转化为钒离子的化学势能。
VRFB的特点之一是可以根据需求自由调节其容量和功率。
由于钒离子溶解在液体中，而不是嵌入固态材料中，因此容量可以根据电解液的体积来设计。
同时，通过增加电解液的流动速率，可以提高电池的输出功率。
这使得VRFB非常适合用于电网储能和大规模储能系统，满足不同场景下的需求。
另一个优势是VRFB具有长循环寿命和高能量效率。
钒离子的氧化还原反应是通过液流方式进行的，因此不会导致类似锂离子电池中的固态电极材料的损耗和老化问题。
这使得VRFB的循环寿命非常长，可以达到数万次以上。
同时，由于反应过程中没有固体电极材料的改变，能量转化效率也相对较高。
VRFB的另一个优点是安全性较高。
由于钒离子溶解在液体中，不会出现锂离子电池中的极化和自燃等问题。
而且由于液流电池可以根据需求随时调节容量和功率，所以在应对突发事件时，可以迅速释放电能，提供应急电力。
然而，VRFB也存在一些挑战。
首先，由于钒电解液的浓度较低，系统体积相对较大。
这对于一些场景来说是不利的，比如需要嵌入式或移动式储能系统。
其次，电解液中的钒离子易于相互反应和脱溶，导致能量效率的降低。
此外，VRFB的成本相对较高，主要是由于电解液的纯化和渗透膜的成本较高所导致。
总的来说，全钒液流电池作为一种新型的储能技术，在电力系统调度、清洁能源储能和应急备用电源等领域具有广阔的应用前景。
全钒液流储能电池主要装备
全钒液流储能电池主要装备全钒液流储能电池（Vanadium Redox Flow Battery，VRFB）是一种新型的储能技术，具有高效率、长寿命、可扩展性强等特点，广泛应用于电网储能、电动汽车和新能源综合利用等领域。
本文将详细介绍全钒液流储能电池的主要装备，包括电池系统、电解质、电极材料、堆叠结构以及电力控制系统。
1.电池系统全钒液流储能电池系统由两个独立的液体贮存罐和一个电解质循环系统组成。
两个液体贮存罐分别装载含有氧化钒(V5+)和还原钒(V2+)的电解液，通过电解质循环系统将电解液在电池堆中循环流动，实现储能和释放能量的过程。
2.电解质3.电极材料4.堆叠结构5.电力控制系统全钒液流储能电池的电力控制系统主要包括控制器和电力调度系统。
控制器用于监测电池的状态、温度和电流等参数，并控制电解质的流动速度和电压。
电力调度系统则负责优化电池的运行策略，实现储能和释放能量的最佳化管理。
总结：全钒液流储能电池主要装备包括电池系统、电解质、电极材料、堆叠结构以及电力控制系统。
电池系统由两个独立的液体贮存罐和一个电解质循环系统组成，通过循环流动的电解液实现能量储存和释放。
电解质是由含有氧化钒(V5+)和还原钒(V2+)的硫酸组成，具有良好的电化学性质。
正负极材料分别由氧化钒和还原钒组成，能够实现氧化还原反应。
堆叠结构可以提高系统的输出电压和容量，增强系统的性能和可扩展性。
电力控制系统包括控制器和电力调度系统，用于监测和控制电池的运行状态和参数，并实现能量的最佳化管理。
全钒液流储能电池具有高效率、长寿命、可扩展性强等优点，在电网储能、电动汽车和新能源综合利用等领域具有广泛应用前景。
全钒液流电池基础知识
④系统集成技术 首先是钒电池系统各主要部件的选择和应用集成技运行；另一部分是如充电机、大功率系统的电流、电压 控制器，与风力发电的集成控制，与太阳能发电的集成控制等。
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全钒液流电池 简介
全钒液流电池 简介
液流电池是由美国科学家thallerl.h.于1974年提出的一种电 化学储能技术。根据发生反应的电对不同，液流电池可以分 为：全钒液流电池、锌溴液流电池、多硫化钠/溴液流电池、 锌/镍液流电池、半液流电池等。
全钒液流电池 简介
虽然各自的电化学体系不同，但都具备以下特点： 1.功率和容量相互独立，输出功率由电池模块的大小和 数量决定，储能容量由电解液的浓度和体积决定，故可实 现功率与容量的独立设计； 2.能量转化效率高，启动速度快； 3.具有很强的过载能力和深度放电能力； 4.部件多为廉价的碳材料、工程塑料，材料来源丰富， 易于回收。
目前世界上比较知名的全钒液流电池生产公司主要有加拿大的VRB Power Systems公司，以下是其建立的商用全钒液流电池系统。
全钒液流电池 发展现状 还有日本住友电工（SEI）公司，其建立的商用全钒液流电池系统如下：
全钒液流电池 发展现状
中国工程物理研究院电子工程研究所在1995年首先在国内展开VRB电 池的研究，研制成功500W、1kW的样机，拥有电解质溶液制备、导电塑 料成型等专利。
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全钒液流电池 工作原理
钒属于ⅤB 族元素，化学性质活跃，呈现多种价态。VRB就是以钒离子的不同 价态的溶液为电解液，使其在正负极板上发生可逆反应，得以顺利完成充电、放 电和再充电过程。正极电解液由V5+和V4+离子溶液组成，负极电解液由V3+和V2+ 离子溶液组成，电池充电后，正极物质为V5+离子溶液，负极为V2+离子溶液，电 池放电后，正、负极分别为V4+和V3+离子溶液，电池内部通过H+导电。V5+和V4+ 离子在酸性溶液中分别以VO2+离子和VO2+离子形式存在。
全钒液流电池
电池的电解液均置于相同的储液罐中，两个电池的放电状态是相同的
其工作温度为室温条件，系统安全稳定
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3. 钒液流电池的组成
钒电池主要由电堆、控制系统和电解液组成
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单个电池由电极、隔膜、双极板和板框组成。单个电池组装成电堆。钒电池的电极材料有石墨毡和碳毡之分。烧制温度高、石墨化程度高的产品，就可以叫做石墨毡；而烧制温度低一些或者低很多、石墨化程度相对低的产品，就可以叫做碳毡。石墨毡/碳毡按照原材料的不同主要分为聚丙烯腈基和粘胶基两大类。
全钒液流是液流电池（也称氧化还原液流蓄电系统）家族中的一员。液流电池最早由美国航空航天局（NASA）资助设计。1974年由H.L.Thaller公开发表并申请了专利。30年来，多国学者通过交换2个氧化-还原电对，提出了多种不同的液流电池体系。全钒氧化还原液流电池（VRB）的原理最早在 1984 年，由新南威尔士大学的 Maria Skyllas-Kazacos 等研究人员提出，之后经技术转让和发展，在澳大利亚、 日本和加拿大得到深入研究
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（1）电堆 电堆是钒电池系统的核心部分，它是电化学反应的场所和实现储能系统电能喝化学能相互转换的场所。电堆对储能系统的成本、功率、循环寿命、效率和维护等性能均有至关重要的作用。电堆由集流体、液流框、电极和隔膜组成。将组装好的钒电堆与电解液储液罐相连，形成充放电回路，循环泵使得电解液不断地循环流动，钒电池组就能进行充放电实验。（2）控制系统 控制系统主要包括充放电控制系统和泵循环系统。①充放电控制系统 充电控制系统主要由直流交换模块和均流控制电路组成，将太阳能光伏发电系统发出的电转换成钒电池系统的化学能；放电控制系统是通过逆变器将钒电池输出的直流电转换成交流电，供用电系统使用。
全钒液流储能电池VRB
全钒液流储能电池VRB全钒液流电池（vanadium redox batty,简称VRB）是一种新型清洁能源存储装置，其研究始于20世纪80年代的澳大利亚新南威尔士大学。
在美国、日本、澳大利亚等国家有应用验证，鉴于钒电池具有功率大、寿命长、可靠性高、操作和维修费用少、支持频繁大电流充放电等明显技术优势。
被认为是太阳能、风能发电装置配套储能设备、电动汽车供电、应急电源系统、电站储能调峰、再生能源并网发电、城市电网储能、远程供电、UPS系统等领域的优先选择。
一、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分别作为正极和负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中，通过外接泵把电解液泵入电池堆体内，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用离子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，使储存在溶液中的化学能转换成电能。
这个可逆的反应过程使钒电池可顺利完成充电、放电和再充电。
钒电池的工作原理请见下图。
二、钒电池技术钒电池技术中主要包括：电堆技术、电解液技术、系统集成技术1).电堆技术(1).膜膜可以说是钒电池核心中的核心，它基本决定了钒电池的寿命、效率。
钒电池使用的膜，并不限制一定使用某种膜，关键是使用的膜一是耐腐蚀，就是寿命；二是离子交换能力要足够好，就是电池效率；三是一致性要好。
(2).电极材料目前钒电池的电极材料主要有石墨毡和碳毡两类。
石墨毡烧制温度高、石墨化程度高；碳毡烧制温度低一些、石墨化程度相对低。
两者导电性能不同，价格不同。
具体使用何种电极材料取决于钒电池电堆的设计。
好的电极材料可提高钒电池的电流密度，而且对双极板的抗腐蚀有一定的保护作用。
这里的技术含量不算高，但各家需根据自己的钒电池堆的设计寻找和测试不同厂家的产品，需要一定的时间。
(3).双极板双极板材料的要求很综合：耐腐蚀、面积、韧性、强度、导电性、价格。
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全钒氧化还原液流电池VRB
正在进入实用性阶段的能源存储技术
一些能源产生系统，如风力发电、太阳能等，由于受到气候变化、风力大小等自然条件的影响，电能输出具有不稳定性和间断性地特点，进而造成机械功率大幅变化，会使发电机输出的有功和无功产生波动，而且使电网的电能质量下降，同时造成电能浪费。
目前，国际上一项风电存储新技术――全钒氧化还原液流电池（Vanadium Re dox Battery，VRB）进入实用性阶段，通过对能源高效转换存储，保证稳定的电功率输出，改善电网安全性和可靠性。
VRB技术原理和发展
全钒氧化还原液流电池（VRB）的原理最早在1984年，由新南威尔士大学的Maria Skyllas-Kazacos等研究人员提出，之后经技术转让和发展，在澳大利亚、日本和加拿大得到深入研究。
目前，加拿大的VRB Power Systems公司和日本住友电工研发的全钒液流电池技术进入实用化阶段。
下面就根据加拿大的VRB Power Systems 公司最新的VRB Energy Storage System（VRB-ESS）储能系统介绍全钒液流电池的技术原理和特点。
VRB-ESS储能系统是VRB Power Systems公司在新南威尔士大学研究人员提出的全钒液流电池技术基础上发展出来的储能系统，将化学能和电能相互转换。
化学能存储于不同阶态的钒离子中，电解质
溶液为钒离子硫酸电解液，电解液通过泵从两个独立的塑料存储罐中流入两个半电池组单元，采用一个质子交换膜（PEM）作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流。
这个反应过程可以逆反进行，对电池进行充电、放电和再充电。
图1：VRB-ESS系统原理结构
图片来源：VRB Power Systems公司资料
从上图可以看出，VRB-ESS系统包括两个具有不同氧化状态钒离子的电解液存储罐，分别是正极V(Ⅳ)/V(Ⅴ)和负极V(Ⅱ)/V(Ⅲ)氧化还原电极对。
电解液由泵在存储罐和电堆之间循环输送。
电堆包括多个电池组，每个电池组具有两个半电池部分，由质子交换膜隔开。
在半电池组中，电化学反应是在碳板电极上进行的，产生电流对电池进
行充放电。
VRB-ESS系统技术优势
VRB-ESS储能系统在设计建造、运行维护、系统性能等方面具有很多技术优势：
1、设计和建造
（a）采用快速设计和建造，包括环境许可，通常为6－8个月。
（b）现有系统快速升级，只需通过增加电解液容量来实现提高存储容量，实现成本低；并可通过增加电堆数量来提高输出功率。
2、运行与维护
（a）运行温度低，环境温度变化影响小。
（b）数据采集监控系统SCADA接口支持互联网连接或拨号连接。
Modbus总线接口可支持与其他辅助系统的互联。
（c）电力控制采用先进的多象限电流控制技术，允许输出电力相位控制、电压漂移补偿、低谐波失真、反应电流补偿（PFC）、瞬时高负载容量，增加系统的性能稳定。
并具有多层、加密控制PLC。
（d）低成本维护。
VRB-ESS系统维护成本为$0.008/kWh。
3、系统性能
（a）电池寿命长。
电池正负极反应均在液相中完成，充放电过程仅仅改变溶液中钒离子状态，没有外界离子参与电化学反应，重复充放电不会造成电池容量下降，VRB-ESS系统充放电可超过10000次（20%－80%SOC）。
（b）系统效率高。
由于正负半电池电解液中的活性物质分别储存在不同的储槽中，完全避免电解液保存过程的自放电消耗。
系统循环效率可达65－75%。
（c）理论充放电速度比为1:1（实际为1.8:1），允许非高峰时间充电，高峰时间放电，将不稳定的电能输入变为连续、安全可靠的电能输出，改善电网安全性和可靠性，是风力发电领域理想的储能系统。
VRB-ESS系统应用案例
VRB Power Systems公司将VRB-ESS储能系统应用于澳大利亚King Island风力发电系统，提供稳定、可靠的电力输送。
King Island位于澳大利亚南海峡，具有丰富的风力资源，原本采用的是4个1500kW柴油机发电机组，后来增加了3个250kW和2个850kW的风力发电机组。
但风电机组由于输出电力不持续稳定，因此采用VRB-ESS储能系统解决这一问题。
VRB-ESS储能系统用于稳定风力发电中短时电力输送变化和负载变化，提供频率和电压控制，实施系统“负荷转移”，优化柴油机和风力发电混合系统的运行性能。
VRB-ESS系统的应用减少了柴油机发电
机组的运行负荷，因此减少了燃料的成本和柴油机组排出的废气污染。
同时也提供了King Island地区工业和民用需要的稳定电力供应。
VRB-ESS储能系统基本参数：
储能容量：1100kWh
持续输电功率：200kW（4小时）
峰时最大输出功率：400kW（10秒）、300kW（5分钟）
表1：经济和环境效益
效益项目效益量效益年收益
减少热备用8小时/日节约燃料440L/日$91,500
提高运行效率25L/小时低燃料消耗节约燃料440L/日$83,200 捕捉溢出风力1100kWh/日节约燃料260L/日$51,200
减少维护成本每日减少机组12运行小时延长维护周期$23,000总计$248,900（3.5年收回成本）
减少排放4,000,000 kg/yr CO2
99,000 kg/yr NOx
75,000 kg/yr未燃碳氢化合物
图表来源：VRB Power Systems公司资料
可以看出VRB-ESS储能系统的应用，不仅可以稳定风电机组供电性能、改善电网可靠性，而且具有很好的经济效益和环保效益。
我国VRB技术发展现状与不足
目前中国工程物理研究院、中国科学院大连化学物理研究所、清华大学等不少研究机构已经对全钒液流电池开展了一系列相关研究，并取得一定成果。
1995年，中国工程物理研究院电子工程研究所首先在国内展开VR B电池的研究，研制成功500W、1kW的样机，拥有电解质溶液制备、导电塑料成型等专利。
2006年3月中国科学院大连化学物理研究所研发成功10 kW试验电堆，并通过国家科技部验收，标志着我国的全钒液流电池系统取得阶段性进步。
清华大学利用在膜分离功能材料制备、膜过程与设备设计等方面近二十年的研究经验和技术积累，以及电解质溶液热力学、功能膜材料物理化学、化工过程传质学的丰富理论研究成果，在电堆流道设计、电堆密封结构、锁紧方式方面取得研究成果，已经申报3项专利。
并研发成功全钒液流电池测试平台。
我国的全钒液流电池研究相对于国外，在液流电池关键材料，包括离子交换膜、电极材料、高浓度电解液以及工程放大技术等方面，尚处于起步阶段，需要积极努力，争取在近年取得突破性进展。
全钒液流电池在大型电力公司供电、边远地区及中型电力用户、普通居民用户用电储能等方面都具有良好的应用前景，其高效、节能的技术特点，对于我国新能源的开发具有长远的影响。