简述发展大规模蓄电的液流蓄电池

电能是国民经济发展和人民生活的重 要能源! 随着我国经济的发展和人民生活 水 平 的 提 高 "对 电 力 供 应 的 需 求 日 益 增 加 " 而且将会在相当长的时期内持续下去! 因 此 "必 须 不 断 发 展 各 类 电 站 和 输 配 电 系 统 " 以 适 应 此 形 势 #同 时 发 展 大 规 模 蓄 电 装 置 " 以充分利用各类电站的发电能力 ! 对此 " 化 学电源界和相关行业应高度重视和协同努 力! 般 白 昼 达 到 高 $ 峰 %" 而 在 夜 间 进 入 低 $ 谷 %" $谷 %期 的 负 荷 甚 至 不 及 $峰 %期 的 一 半 & 电 力紧缺季节的$峰 %期 要 拉 闸 限 电 "而 电 站 要 在 $谷 %期 降 低 发 电 机 的 功 率 & 但 这 等 于 闲置了相当规模的发电机组& 大规模蓄电 装置能完成用 $ 谷 % 电补 $ 峰 % 电的任务 & &!! 太阳能发电站和风能发电站的蓄电 太阳能发电站和风能发电站这两种可 再生能源将有较大的发展" 但这两种电站 均属间歇式电源" 其发电能力是无法控制 的" 与电网不联网的这一类电站必须有大 规模蓄电装置与之配套运行 &
第 !" 卷
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求 " 潜艇和指挥工事的电源正求升级换代 ! 高性能# 大规模蓄电技术将有甚佳的军用 前景 "
杨裕生 !等 " 简述发展大规模蓄电的液流蓄电池
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杨裕生 ( 郑健超 (
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防化研究院第一研究所 ! 北京 68889: 北京大学 !北京 688898 厦门大学 !福建厦门 :<688= 中国科学院大连化学物理研究所 !辽宁大连 66<8;: 中国广东核电集团有限公司 !广东深圳 =698:6 中国科学院物理研究所 ! 北京 688898
&!’ 用电大户的蓄电
电 解 ’ 含 有 机 电 化 () 电 镀 ) 电 冶 金 等 企 业 "电 车 )轻 轨 )地 铁 等 交 通 部 门 "都 是 集 中 的用电大户" 在电网负荷中占有一定的比 例 " 拉闸限电对他们的生产影响很大 & 企业 的 自 备 电 厂 由 于 燃 料 涨 价 等 诸 多 原 因 "也 面临不少困难& 如果峰谷电价合理" 利用 $谷 %电 蓄 电 "企 业 自 备 的 大 规 模 蓄 电 装 置 在经济上会有竞争力 & &!" 军用蓄电 常规潜艇早已实 现 了 大 规 模 蓄 电 "只 是所用大型铅酸电池的充放电循环寿命较 短 "频 繁 更 换 的 成 本 较 高 "难 以 适 应 民 用 要
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& 大规模蓄电装置的作用 &!& 电网的调 # 峰 $
电 网 的 负 荷 "昼 夜 间 变 化 幅 度 很 大 "一
收稿日期 ";88<W8<W;6 作者简介 " 杨裕生 ! 男 ! 中国工程院院士 ! 北京花园北路 := 号西楼防化研究院第一 研 究 所 ! 研 究 员 ! 主 要 研 究 方 向 为 化 学 电 源 和 储 能 材 料 ^ _W@-’$‘ 0-()0HFBa&HX$’47X.-7(& % -M89/=<SM TS=LH=/ "J =>> U 7I7<9/
OCASM BCMC,JH4 FCI-CJT F?CUC?,IDT VIS-CD R-,-CM % 提 出 的 一 种 电 化 学 储 能 技 术 <.=" 液 流 蓄 电 系 统 的 核 心 是 进 行 氧 化 2 还
原 反 应 !实 现 充 #放 电 过 程 的 单 电 池 " 单 电 池由正极# 负极和高选择性离子交换膜组 成" 与通常蓄电池的固态活性物质包含在 阳 极 和 阴 极 内 不 同 !液 流 电 池 中 作 为 高 #低 电位的 . 个 氧 化 2 还 原 电 对 的 活 性 物 质 ! 分 别溶解于装在 . 个大储液罐中的溶液中! 各用一个泵! 使溶液流经液流电池中离子 交换膜的两侧! 在两侧大面积多孔炭电极 上发生还原和氧化反应 " 图 1 和图 . 为铬 2 铁体系和全钒体系 . 种液流电池的示意 图 " 以铬 2 铁体系为例 ! 充电时 ! 高电位电对 的 活 性 物 质 在 正 极 由 低 价 态 的 >C W. 氧 化 成 高价态的 >CW&& 在离子交换膜另一侧的负极 上 ! 低电位电对的活性物质由高价态的 FJW& 还原成低价态的 FJW." 放电时 ! 上述两 过 程 反向进行 " 此时 ! 膜两侧溶液的电荷为要平 衡 ! 必 定 有 一 种 离 子 $ 如 PW% 同 步 地 由 一 极 溶液通过离子交换膜向另一极溶液迁移" 用 不 同 的 氧 化2还 原 活 性 物 质 可 组 合 成 不 同 电 化 学 体 系 !各 有 其 特 定 的 反 应 过 程 #反 应产物和迁移离子 ! 电压也不尽相同 " 单电池的电压随电 化 学 体 系 而 异 !均 略高于 1 X " 为了得到高电压 ! 可将若干单 电池按特定要求通过高导电性的双极板串 联成 ( 电堆 )! 结构类似于燃料电池 " 液流化 学蓄电系统的功率取决于单电池的面积# 电堆的层数和电堆的串并联数! 而储能容 量则取决于储液罐的容积! 两者可单独设 计 " 因而 ! 设计的柔性大 ! 易于模块组合 ! 储 液 罐 更 没 有 尺 寸 限 制 !蓄 电 规 模 可 大 可 小 " 所有单池里的反应物流体相同! 容易保证 所有单池在全部时间内的一致性! 并可通 过一个单池来监测整个系统的充电状态" 另外! 还可使不同的电池组段接上分立的 负 载 !提 供 不 同 的 输 出 电 压 &在 负 载 变 化 时 或放电深度增加时! 可用附加电池维持电 压恒定 " 与抽水蓄能电站和压缩空气储能相 比 !液 流 电 池 不 受 地 理 环 境 的 限 制 !具 有 较
图 1 铬 6 铁体系示意图 ESL$ 1 -M89/=<SM TS=LH=/ "J RH6E9 7I7<9/ * !%# $&" 对 各 种 储 能 装 置 以 (五 分 制 )打 分 作 比 较 ! 结果可见表 1 " 目前! 与小型风力发电机配套的是古 老 的 品 种 铅 酸 电 池 !其 优 点 是 成 熟 #价 格 低 廉 # 安全 ! 而且有 1 万 3 * 4 以上的大型产 品 " 美国加利福尼亚州建有 +’ 50 * 4 的铅 酸蓄电池蓄能电站" 铅酸蓄电池的缺点是 循环寿命太短! 深度放电的循环寿命只有 几百次 ! 一二年就需要更换 " 铅酸蓄电池的 * 价格约为 ’6) 元 70 4! 如果 ( 峰 ) 电与 ( 谷 ) 电 价格相差 可 达 ’6) 元 7 度 ! 以 *’# *’8 9:9 进 行 放电 ! 循环寿命需达 1 "’’ 次以上方能收回 投资" 要达此指标显然难度很大" 应该指 出 !上 述 & 个 因 子 是 在 不 断 变 化 #发 展 的 " 例 如 !锂 离 子 电 池 的 价 格 在 迅 速 下 降 !全 寿 命的循环次数在上升" 这就是表 1 中锂离 子 电 池 的 排 序 先 于 铅 酸 蓄 电 池 的 原 因 !而 这 在 1;. 年 前 是 不 可 能 的 " 经 过 对 各 种 储 能装置的性能作综合分析比较! 目前最适 合于大规模蓄电的化学电池是液流电池 <1="