全钒液流储能系统中电解液价态偏移处理工艺

摘 要：全钒液流储能系统（VFB）运行一定时间后，电解液价态组成比例发生变化，0%SOC时三价比例降低，四价比例升高，致使電解液利用率下降，系统容量降低，运行成本升高。本文通过两个技术方案来解决电解液价态的偏移问题，来实现电解液利用率的最大化。

关键词：全钒液流储能系统（VFB）；电解液；价态偏移

1 发展现状

近年来随着不可再生资源的消耗，大气污染，全球变暖等环境的恶化，我国积极发展绿色能源，尤其在风能、太阳能等领域的投资快速增加，装机容量迅速增长。全钒液流储能系统（VFB）成为新能源储能的重要组成。VFB具有高效储能、绿色环保、反复可充放、成本低等特点，近年来在固定型储能系统上的应用得到了推广。中国有着丰富的钒资源储备，为VFB的发展提供了可靠的基础。作为VFB的核心材料，电解液的研究一直都是系统的重点。

2 电解液价态偏移问题研究

电解液是全钒液流储能系统（VFB）能量存储的核心，其组成对电池的能量转化效率、循环稳定性等具有显著影响。全钒液流储能系统（VFB）的正负极电解液用的全是就有多种价态的元素--钒，这使得在使用过程中不会因为正负极液体迁移而导致相互污染影响电解液性能，使得VFB有着较长的寿命。系统在运行过程中，由于导电薄膜的透过性导致电解液价态偏移，为解决这一问题，小规模电池系统测试中采用高SOC抽取正极电解液后补液，正负极混液方法来调节电解液价态组成比例。这一方法弊端在于高SOC下抽取的电解液，五价含量较高、储存要求高、过程繁复不利于大型储能系统电解液的调节。

基于这种情况，现提出在不引入杂质的情况下以乙二酸还原高SOC正极液中五价钒离子的方法来达到价态平衡的目的。反应原理如下：

（VO2）2SO4+C2H2O4·2H2O+H2SO4=2VOSO4+2CO2↑+4H2O

3 处理方案实施简介

方案一：将系统充电至高SOC向正极罐中直接通入乙二酸粉末，直接还原五价钒离子。

实施步骤：将系统放电至0%SOC，正负极充分混液，取样检测电解液价态组成比例及总钒浓度→计算将价态组成比例失衡电解液调节至目标所需乙二酸的量→开启系统，充电至高SOC，逐步投入乙二酸粉末至电解液正极罐中，观察反应情况→直至加入乙二酸量达到指定量，反应完全后，放电至0%SOC，充分混液，取样，检测。

方案二：将系统充电至高SOC，取出部分正极液至反应釜中，利用乙二酸还原至理想价态组成比例，重新倒回正极储液罐。

实施步骤：将系统放电至0%SOC，正负极充分混液，取样检测电解液价态组成比例及总钒浓度→计算将价态组成比例失衡电解液调节至指定目标所需乙二酸的量以及需要还原五价钒溶液的量→将需要还原五价钒溶液（过量，以保证乙二酸反应完全）从正极液罐中导入反应釜，加热至40℃，搅拌，逐步加入乙二酸粉末，观察反应速率，完成后，加热至60℃使乙二酸反应完全→处理完成电解液倒回正极储罐中，正负极充分混合。取样、检测。

4 方案实施分析

4.1 方案优点分析

方案一实施过程无杂质引入；电解液无需倒入倒出，无损失；操作过程相对简单，直接投料到正极储罐中，无需辅助设备。

方案二实施过程中无杂质引入；可搅拌，乙二酸与电解液混合完全；反应速率可控，加热后可充分将乙二酸反应完全；与电池系统隔离，对电堆、管路、储罐等无影响。

4.2 实施过程中应注意事项

方案一：实验室条件下，向90%五价钒溶液中加入乙二酸粉末，反应不明显，水浴加热至40℃，反应加剧，放热至45-50℃，考虑正极储罐耐温情况；反应过程会释放出大量气体二氧化碳，气体从储罐排除方式，乙二酸粉末聚集，是否会有大量气泡产生，随带电解液溢出。正极储罐无搅拌装置，粉末状乙二酸进入电解液不易充分混合，电解液循环过程中，乙二酸可能会随电解液一起进入电堆中，在正极发生上述反应产生气体对电堆性能的影响。

方案二：液体转移过程注意液体收集；防止杂质的引入，造成电解液污染。

5 方案实施总结报告

上述两种解决方案都能有效的解决全钒液流储能系统（VFB）电解液价态偏移问题，提高电解液的利用率，节约运行成本，为系统的稳定运行提供保障。在方案实施过程中对于外界影响因素基本达到可控程度，均无其他杂质引入，保证了电解液的稳定性。

参考文献：

[1]王刚，陈金伟，汪雪芹，田晶，刘效疆，王瑞林.全钒氧化还原液流电池电解液[J].化学进展，2013，25（07）：1102-1112.

[2]张玉贤，扈显琦，房少华.影响钒电解液电化学性能的因素[J].储能科学与技术，2014，3（02）：142-145.

作者简介：

张凤东（1985- ），男，籍贯：河北承德，职称：助理工程师，学历：专科，现在所在单位：承德新新钒钛储能科技有限公司，研究方向：新能源储能。

吴强（1991- ），男，籍贯：内蒙古赤峰，职称：助理工程师，学历：本科，研究方向：新能源储能。

成旭光（1984- ），男，籍贯：河北承德，职称：助理工程师，学历：专科，研究方向：新能源储能。

韩洪涛（1980- ），男，籍贯：黑龙江哈尔滨，职称：助理工程师，学历：专科，研究方向：新能源储能。