大规模液流电池储能技术的现状及展望_张华民-2012

是，他为我国非通信光纤和特种玻纤领域培养了一批优秀的中青年技术骨干。在任南京玻璃纤维研究设计院院长期间，除了承担繁重的院长管理工作，张耀明教授还时刻关心着全院的科学研究工作和尖端人才队伍的建设。他以自己所获的“王丹萍科学奖金”为基金设立了院青年科技奖，用以奖励在科研工作中做出成绩的年轻科技人员，至今已有多名青年骨干获此奖励；由他倡导并提出的院中长期科研项目，结出了丰硕的果实；此外，张耀明教授还指导研究生的工作。由于张耀明教授所作出的突出贡献，1990年获“国家建材局有重要贡献中青年专家”称号，1991年批准享受政府特殊津贴，同年被授予“南京市劳动模范”，1993年被授予“南京市中青年拔尖人才”，1995年被封面人物CoverCelebrity国家四委授予“国防军工协作配套先进工作者”，1995年国家科委评审获“王丹萍科学奖金”，1995年获“江苏省优秀科技工作者”及“江苏省优秀知识分子”称号，1997年被确定为江苏省“333”第一层次培养对象，1998年被省科技工委授予“驻宁部属科研院所十大科技标兵”，1999年获“1999年度建材十大风云人物”，2000年被授予“全国建材系统劳动模范”，2004年被评为“江苏省首届十大杰出专利发明人”，2005年获中国首届“发明创业奖”特等奖和“当代发明家”称号，被授予“中国十大杰出发明人”称号。张耀明教授长期在太阳能利用技术研究领域执着探索追求，他也是我国太阳能技术领域的开拓者和技术奠基人之一，享有“阳光院士”的美誉。面对生活，张耀明教授更是“阳光”，阳光的心态，阳光的性格。2000年，他患上了帕金森综合征，只能靠药物维持正常的工作和生活。十多年来，张耀明教授一边研究太阳能，一边对付帕金森。“久病成医”的张耀明教授摸索了一种独特的食物辅助疗法，每天坚持服用蚕豆荚研磨的汁液，他说，这个办法“很管用”。为了正常起居、翻身，他还自己动手，设计了一张可升降、侧翻的电动床。张耀明院士凭着顽强的意志和坚韧不拔的毅力克服了常人难以想象的困难，始终以不懈创新的精神，坚持科学研究，继续逐日之旅，他无怨无悔地追逐着心中的“太阳”，正在一步步实现心中最重要的梦想——把阳光变成造福人类的财富。2010年9月16～18日，第四届世界太阳城大会在山东德州中国太阳谷国际会展中心召开，大会以“太阳能改变生活”为主题，来自50多个国家和地区的近3000名专家、官员和企业家汇聚德州，共同探讨国际太阳能城市之间的交流与合作。张耀明院士出席大会并指出，我国要成为太阳能技术研发强国，呼吁政府应该更多地支持太阳能行业，给太阳能行业更多的优惠政策，因为太阳能行业是阳光行业、节能环保行业，同时也是有潜力的行业。（卢利平、周洪英整理）摘要：对电的需求量越来越大。电力需求昼夜相差很大，但发电站的建设规模必须满足用电高峰的需求，投资大利用率较低。另一方面，随着化石能源的不断枯竭，人们对风能、太阳能、海洋能等可再生能源的开发和利用越来越广泛。为了满足人们生产及生活的用电需求，减少发电站的建设规模，减少投资，提高效率，以及调控可再生能源系统发电和用电时差，保证稳定供电，研究开发大规模高效储能（电）技术极为重要。本文对钠硫储能电池、多硫化钠/溴液流储能电池及全钒液流储能电池等化学储能技术的原理、应用领域、研发现状及发展趋势作以介绍。关键词：液流电池；储能技术；大规模；高效电能是现代社会人类生活、生产中必不可缺的二次能源。随着社会经济的发展，人们大规模液流电池储能技术的现状及展望张华民（中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连116023）高层论坛AuthorityForum1引言能源和环境是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，是国民经济、国家安全和实现可持续发展的重要基石。随着我国国民经济持续高速发展，化石能源资源短缺，能源结构不合理，环境污染严重等问题日益突出。近年来，国民经济的发展对能源的依存度不断提高。这对能源资源、能源安全和环境保护等问题提出了更高的。化石能源的日益枯竭以及由于过度使用化石能源而造成的严重环境污染，促使人们越来越广泛地开发和利用可再生能源，包括：风能、太阳能、生物质能、海洋能等。风能、太阳能、海洋能等可再生能源通常被转化为电能使用。然而，风能、太阳能及海洋能等可再生能源受天气及时间段的影响较大，具有明显的不稳定、不连续和不可控特性，需要开发和建设配套的电能储存（储能）装置来保证发电、供电的连续性和稳定性，对大型风能发电和光伏发电并网时进行调峰和调频，保证电网中电力的品质不受并网的影响。此外，大规模的电能储存技术在电力工业中用于电力的“削峰填谷”，将会大幅度改善电力的供需矛盾，提高发电设备的利用率。发展储能技术已成为世界各国关注和支持的焦点。许多国家都将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术。美国布什总统签署的“2007年能源自主与安全法案”中明确规定：为支持美国在储能技术方面的全球竞争力，要求能源部成立1个储能技术咨询委员会，负责咨询制定储能技术研究；2009年10月美国总统奥巴马宣布政府将出资34亿美元启动美国“智能电网”项目建设，旨在提高能源利用效率，同时为将来更多可再生能源的大规模推广应用创造条件。2011年2月美国能源部发布的“美国2011-2015年储能规划”中明确对液流电池、钠基62012年第9卷第4期（总第49期）72012年第9卷第期（总第49期）4电池、锂离子电池、先进铅碳电池等储能技术的近期和远期发展目标。2012年2月，美国能源部宣布投资1.2亿美元建设先进电池储能创新中心，加快用于交通和电网的电池储能技术的研究开发。希望通过这个能源创新中心的跨学科研究和发展，促进先进储能电池技术的发展，提高电网的可靠性和效率，更好地集成清洁可再生能源技术作为电力系统的一部分，同时电动汽车和混合动力汽车的使用可以减少国家对进口石油的依赖。2011年5月，德国经济技术部牵头联合推出了2亿欧元储能技术研究开发计划，液流电池和压缩空气储能是支持的重点。2各种储能技术及应用领域电能不容易直接储存，必须通过能量转换过程来实现储能。到目前为止，人们已提出和开发了多种储能技术，主要可分为物理储能和化学储能两大类。物理储能主要包括飞轮储能、抽水储能和压缩空气储能。1给出了主要的储能技术及其特点。化学储能技术主要有铅酸电池、液流电池、钠硫电池、超级电容器、金属空气电池，二次电池（镍氢电池、锂离子电池）。分类种类特点化学储能物理储能铅酸电池液流电池钠硫电池金属空气电池超级电容器二次电池成本低，寿命短，污染环境，需要回收容量大，功率和容量独立设计，能量密度低能量密度、功率密度高，成本高，安全性差能量密度非常高，充电性能不佳寿命长，效率高，能量密度低，放电时间短能量密度、功率密度高，成本高，大功率电池存在安全问题抽水储能压缩空气储能飞轮储能超导磁储能容量大，技术成熟，成本低，受地点限制容量大，受地点限制，需要化石燃料功率高，能量密度低，成本高，技术需完善功率高，能量密度低，成本高，需经常维护表1各种储能技术及特点图1给出了各种储能技术适宜的储能容量和应用领域，根据储能容量的不同，其应用领域主要分为电源质量调节和不间断电源（PowerQuality&UPS）、备用电源（BridgingPower）、能源管理（EnergyManagement）3个层次。各种二次电池、超级电容器、飞轮储能、铅酸电池等可用于电源质量调节和不间断电源，金属空气电池、钠硫电池、铅酸电池、液流电池可用于备用电源，抽水储能、压缩空气储能、钠硫电池、铅酸电池、液流电池可用于电网能源管理，即大规模储能。与其它储能技术相比，液流电池有许多优异的优点：首先，液流电池的输出功率只取决于电池堆的大小，储能容量只取决于电解液储量和浓度，因此它的设计非常灵活，当输出功率一定时，要增加储能容量，只要增大电解液储罐容积或提高电解质浓度即可；其次，它的活性物质是溶解于水溶液中的离子，故充放电时只有离子的价态变化，无其它电池常有的固相变化及形貌的改变，活性物质寿命长；第三，电池可超深度放电（100%）而不对电池造成伤害，不会发生像锂离子电池、钠硫电池的着火；第四，液流电池选址自由度大，占地少；第五，电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料，使用寿命长，材料来源丰富，加工技术成熟，易于回收。液流电池功率密度较低，但在固定储能领域，成本和效率是第一重要的，液流电池成本上优势明显，可以与铅酸电池相比，其能量效率高，可达75%～80%，性价比非常高。3液流电池图2给出了液流电池的原理图，正极和负极电解液分别装在两个储罐中，利用送液泵使电解液通过电池循环。电池内正、负极电解液用离子交换膜分隔开，电池外接负载和图1各种储能技术适宜的应用领域3.1多硫化钠/溴液流电池在多硫化钠/溴液流电池体系中，正极电解液为溴化钠，负极电解液为多硫化钠。充、放电时电极上发生如下反应：正级：（1）负级：（2）常温常压下，正极电位1.06～1.09V，负极电位0.48～0.52V，单电池的开路电压1.54～1.61V。多硫化钠/溴氧化还原液流储能电池由美国人Remick发明，英国Innogy公司给这项技术TM注册商标为Regenesys，先已成功开发出3个系列的电池模块。与质子交换膜燃料电池相似，该电池由电极、双极板、阳离子交换膜、绝缘支撑框架等叠合而成。采用模块化设计，能适应大规模批量生产。Innogy公司于1996年在南威尔士Aberthaw电站对1MW级多硫化钠/溴液流储能系统进行测试，结果表明该系统在技术、环保和安全上都达到要求，于1999年向外界正式公布这项储能技术。在电源。电池组和电解液储罐可以分别放置，因此可因地制宜安排相对位置。在液流电池充、放电过程中，仅电解液中的离子价态发生变化，从理论上讲，离子价态变化的离子对可以组成多种液流电池。但到目前为止，研究开发主要集中在多硫化钠/溴液流电池、全钒液流储能电池和锌/溴液流电池。图2液流电池示意图2000年8月开始建造第一座商业规模的发电储能调峰演示电厂（见表2、图3），它与一座680MW燃气轮机发电厂配套，该电能存储系统储能容量为120MWh，最大输出功率15MW，可满足10000户家庭一整天的用电需求。2001年Innogy公司与美国田纳西流域管理局签订合同，为哥伦比亚空军基地建造一座储能容量为120MWh，最大输出功率12MW的多硫化钠/溴液流储能电池系统，在非常时期为基地提供电能。表2英国120MWh/15MW多硫化钠/溴储能电池参数存储容量存储时间占地面积储罐容积净能量效率120MWh8h23000m32800m70%最大功率电堆数目设计寿命电解液循环量总造价15MW120×100kW15years322.7m/minUS$22million图3120MWh多硫化钠/溴液流储能电池系统a）15MW×8h（英国）b）12MW×10h（英国）中国科学院大连化物所燃料电池中心在国内率先开展多硫化钠/溴液流储能电池的研究，现已成功开发出500瓦电池组以及4千瓦电堆，研制出低成本的高效催化剂以及电极材料。这对我国储能技术的发展起着重大推动作用。但由于正、负电解质不同，膜对离子的选择性难以达到100%，电池在长期运行中不可避免的产生正负电解液互混，引起电池储能容量的不可逆衰减，缩短了使用寿命。另一方面，负极电解液使用的是溴溶液，渗透能力也很强，能够通过电解液罐及电解液循环管路很容易地渗透出来，溴的氧化能力很强，毒性较大，对环境和人体健康影响很大。十年前，各国都停止了对多硫化钠/溴液流储能电池的开发应用，而转向全钒液流电池。高层论坛AuthorityForum高层论坛AuthorityForum82012年第9卷第4期（总第49期）92012年第9卷第期（总第49期）4电池、锂离子电池、先进铅碳电池等储能技术的近期和远期发展目标。2012年2月，美国能源部宣布投资1.2亿美元建设先进电池储能创新中心，加快用于交通和电网的电池储能技术的研究开发。希望通过这个能源创新中心的跨学科研究和发展，促进先进储能电池技术的发展，提高电网的可靠性和效率，更好地集成清洁可再生能源技术作为电力系统的一部分，同时电动汽车和混合动力汽车的使用可以减少国家对进口石油的依赖。2011年5月，德国经济技术部牵头联合推出了2亿欧元储能技术研究开发计划，液流电池和压缩空气储能是支持的重点。2各种储能技术及应用领域电能不容易直接储存，必须通过能量转换过程来实现储能。到目前为止，人们已提出和开发了多种储能技术，主要可分为物理储能和化学储能两大类。物理储能主要包括飞轮储能、抽水储能和压缩空气储能。表1给出了主要的储能技术及其特点。化学储能技术主要有铅酸电池、液流电池、钠硫电池、超级电容器、金属空气电池，二次电池（镍氢电池、锂离子电池）。分类种类特点化学储能物理储能铅酸电池液流电池钠硫电池金属空气电池超级电容器二次电池成本低，寿命短，污染环境，需要回收容量大，功率和容量独立设计，能量密度低能量密度、功率密度高，成本高，安全性差能量密度非常高，充电性能不佳寿命长，效率高，能量密度低，放电时间短能量密度、功率密度高，成本高，大功率电池存在安全问题抽水储能压缩空气储能飞轮储能超导磁储能容量大，技术成熟，成本低，受地点限制容量大，受地点限制，需要化石燃料功率高，能量密度低，成本高，技术需完善功率高，能量密度低，成本高，需经常维护表1各种储能技术及特点图1给出了各种储能技术适宜的储能容量和应用领域，根据储能容量的不同，其应用领域主要分为电源质量调节和不间断电源（PowerQuality&UPS）、备用电源（BridgingPower）、能源管理（EnergyManagement）3个层次。各种二次电池、超级电容器、飞轮储能、铅酸电池等可用于电源质量调节和不间断电源，金属空气电池、钠硫电池、铅酸电池、液流电池可用于备用电源，抽水储能、压缩空气储能、钠硫电池、铅酸电池、液流电池可用于电网能源管理，即大规模储能。与其它储能技术相比，液流电池有许多优异的优点：首先，液流电池的输出功率只取决于电池堆的大小，储能容量只取决于电解液储量和浓度，因此它的设计非常灵活，当输出功率一定时，要增加储能容量，只要增大电解液储罐容积或提高电解质浓度即可；其次，它的活性物质是溶解于水溶液中的离子，故充放电时只有离子的价态变化，无其它电池常有的固相变化及形貌的改变，活性物质寿命长；第三，电池可超深度放电（100%）而不对电池造成伤害，不会发生像锂离子电池、钠硫电池的着火；第四，液流电池选址自由度大，占地少；第五，电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料，使用寿命长，材料来源丰富，加工技术成熟，易于回收。液流电池功率密度较低，但在固定储能领域，成本和效率是第一重要的，液流电池成本上优势明显，可以与铅酸电池相比，其能量效率高，可达75%～80%，性价比非常高。3液流电池图2给出了液流电池的原理图，正极和负极电解液分别装在两个储罐中，利用送液泵使电解液通过电池循环。电池内正、负极电解液用离子交换膜分隔开，电池外接负载和图1各种储能技术适宜的应用领域3.1多硫化钠/溴液流电池在多硫化钠/溴液流电池体系中，正极电解液为溴化钠，负极电解液为多硫化钠。充、放电时电极上发生如下反应：正级：（1）负级：（2）常温常压下，正极电位1.06～1.09V，负极电位0.48～0.52V，单电池的开路电压1.54～1.61V。多硫化钠/溴氧化还原液流储能电池由美国人Remick发明，英国Innogy公司给这项技术TM注册商标为Regenesys，先已成功开发出3个系列的电池模块。与质子交换膜燃料电池相似，该电池由电极、双极板、阳离子交换膜、绝缘支撑框架等叠合而成。采用模块化设计，能适应大规模批量生产。Innogy公司于1996年在南威尔士Aberthaw电站对1MW级多硫化钠/溴液流储能系统进行测试，结果表明该系统在技术、环保和安全上都达到要求，于1999年向外界正式公布这项储能技术。在电源。电池组和电解液储罐可以分别放置，因此可因地制宜安排相对位置。在液流电池充、放电过程中，仅电解液中的离子价态发生变化，从理论上讲，离子价态变化的离子对可以组成多种液流电池。但到目前为止，研究开发主要集中在多硫化钠/溴液流电池、全钒液流储能电池和锌/溴液流电池。图2液流电池示意图2000年8月开始建造第一座商业规模的发电储能调峰演示电厂（见表2、图3），它与一座680MW燃气轮机发电厂配套，该电能存储系统储能容量为120MWh，最大输出功率15MW，可满足10000户家庭一整天的用电需求。2001年Innogy公司与美国田纳西流域管理局签订合同，为哥伦比亚空军基地建造一座储能容量为120MWh，最大输出功率12MW的多硫化钠/溴液流储能电池系统，在非常时期为基地提供电能。表2英国120MWh/15MW多硫化钠/溴储能电池参数存储容量存储时间占地面积储罐容积净能量效率120MWh8h23000m32800m70%最大功率电堆数目设计寿命电解液循环量总造价15MW120×100kW15years322.7m/minUS$22million图3120MWh多硫化钠/溴液流储能电池系统a）15MW×8h（英国）b）12MW×10h（英国）中国科学院大连化物所燃料电池中心在国内率先开展多硫化钠/溴液流储能电池的研究，现已成功开发出500瓦电池组以及4千瓦电堆，研制出低成本的高效催化剂以及电极材料。这对我国储能技术的发展起着重大推动作用。但由于正、负电解质不同，膜对离子的选择性难以达到100%，电池在长期运行中不可避免的产生正负电解液互混，引起电池储能容量的不可逆衰减，缩短了使用寿命。另一方面，负极电解液使用的是溴溶液，渗透能力也很强，能够通过电解液罐及电解液循环管路很容易地渗透出来，溴的氧化能力很强，毒性较大，对环境和人体健康影响很大。十年前，各国都停止了对多硫化钠/溴液流储能电池的开发应用，而转向全钒液流电池。高层论坛AuthorityForum高层论坛AuthorityForum82012年第9卷第4期（总第49期）92012年第9卷第期（总第49期）43.2全钒液流电池全钒液流电池（VRB）正极电对为2++2+3＋VO／VO，负极为V／V。全钒液流电池2充放电时，电极发生如下反应：正级：负级：在满充电状态下，电池开路电压为1.6V左右。当使用阳离子膜为电池隔膜，充放电时电＋池内部通过电解液中的阳离子（主要为H）在膜中的定向迁移而导通；若使用阴离子膜为隔膜则通过溶液中的阴离子的定向迁移导电。不同价态的钒离子呈现明显不同的颜2＋3＋2+色，如V为紫色，V为绿色，VO为蓝色，+VO为黄色。因此，通过观察电解液颜色的2变化可粗略了解电池的充放电状态。全钒液流电池和其他液流电池相比有许多独特优点。首先，正负极活性物质均为钒离子，不会发生其它液流电池常有的正负极电解液交叉污染导致电池过早失效；同时，由于正负极活性物质均为钒离子，电解液容易持续循环使用，大幅度降低了长期运行成本；不仅是电解液，其他电池材料如电池端板、集流板等都可循环利用，此外，双极板（导电碳板）、电极（碳毡）、隔膜（烃类膜）可作为燃料利用，不会产生环境负荷，环境友好。全钒液流电池适用于调峰电源系统、光伏电源系统、风能发电系统的储能，以及不间断电源或应急电源系统和电动车充电站。日本住友电工（SEI）是国际全钒液流储能电池开发及商业化示范的领军企业。1985年，住友电工与关西电力公司（KansaiElectricPowerCo.）合作进行VRB的研发工作。1996年用24个20kW的电池组（实际功率18.8kW）通过模块化方式串、并联连接组成了450kW的VRB电池组。随后，2000～2002年间SEI分别完成了用于办公楼供电的800kWh、用于半导体工厂的1.5MWh、用于风力发电场的1.0MWh、用于高尔夫球场光伏电池配套的240kWh以及用于大学校园的5.0MWh的VRB储能电池系统的建设工作。2005年在北海道苫前町建立了4MW/6MWh的全钒液流电池储能系统用于对一座36MW风电场调频和调峰，平滑风电输出，这是国际上最大的一套全钒液流储能电池工程示范系统，运行了3年时间，实现充放电循环约27万次。据住友电工介绍，3年的应用示范结果表明，液流储能电池技术是最适合风电调峰的储能技术。2009年11月，美国政府资助Painesville电力公司与俄亥俄州市电力管理局合作，在一个32MW的燃煤发电厂进行1MW/8MWh的液流储能电池示范项目，该项目是美国首个MW级全钒液流储能电池项目。欧洲各国积极开展了规模储能技术的研究和应用示范。德国Fraunhofer研究机构资助15亿欧元，研究开发先进的储能技术，其中重点研究用于离网可再生能源储能用液流储能电池系统，以及大型风电场液流储能电池系统。奥地利Cellstrom公司研制的10kW/100kWh全钒液流储能电池系统用于新能源电动车快速充电站储能系统，可以实现充电站独立于市电稳定工作。我国从上世纪80年代末开始液流储能电池的基础研究工作。从2000年开始以中国科学院大连化学物理研究所（简称为大连化物所）为代表的研究单位的努力使得中国液流储能电池技术进入快速发展时期。大连化物所经过十余年的努力，在全钒液流储能电池关键材料、系统集成、测试方法及应用示范等方面取得重要进展。2007年获得大连市科技进步一等奖和2009年辽宁省科学技术发明一等奖。同时打造了一支专业技能过硬、创新思维活跃、能打硬仗的的攻关团队。为加速液流储能电池的成果转化，大连化物所联合博融产业投资有限公司于2008年注册成立大连融科储能技术发展有限公司（简称为融科储能公司），专业从事液流储能电池工程化和产业化开发。全力推进液流储能电池产业化进程。大连化物所与融科储能公司采用优势互补，产学研强强联合的开发模式，已在液流储能电池技术开发和应用示范中取得重要进展：（1）掌握自主知识产权的百千瓦级到十兆瓦级全钒液流储能电池系统的设计、集成技术；同时，成功地开发出电解质溶液、双极板、电极材料合成、制备及批量化生产技术；决定电池性能和成本的核心组件离子交换膜材料方面又取得重大突破；电池模块的设计及集成技术达到国际领先水平；建立了液流电池产业链；申报发明专利63项，形成了完整的自主知识产权体系。（3）积极推进液流储能电池应用示范项目。包括，2008年11月向国家电网下属中国电力科学院提供一套100kW/200kWh液流储能电池系统，用于电池并网前应用特性考察。2009年7月在西藏自治区成功安装一套“太阳能光伏系统与5kW/50kWh液流储能电池联合供电系统”，进行示范应用，为西藏能源研究示范中心的照明提供电力。该系统已平稳运行三年时间，稳定性受到用户充分肯定。2010年5月在大连高新技术产业园区开展的60kW/300kWh全钒液流储能电池系统与光伏建筑一体化的示范系统已投入使用，为办公楼的照明提供电力。2009年11月在大连开展了“风-光-储”建筑一体化绿色住宅示范应用项目。通过一台3kW风机及3.5kW太阳能光伏电池及一套5kW/100kWh全钒液流储能电池系统，实现对住宅内用电负载的稳定持续供电，为可再生能源电动车充电站及其他应用积累数据。开发的额定功率22kW电堆，在22kW恒功率条件下充放电，电池能量效率达到80%；由16个22kW电堆集成的352kW单元电池系统模块直流端的系统能量效率大于75%，属国际领先水平。承担的全球最大规模的5MW/10MWh液流储能电池应用示范工程正在建设中。3.3锌/溴液流电池锌/溴液流电池的正极采用Br-/Br电对，22+负极采用Zn/Zn电对。其充放电过程中发生的电化学反应如下所示：正级：负极：电池总反应：该电池体系的理论电压可以达到1.83V，2在20mA/cm工况下，该电池的输出电压在1.6V以上；而且该电池体系的活性物质具有相对较低的电化当量；锌/溴液流电池具有较高的能量密度。20世纪70年代中期，美国Exxon和Gould两家公司解决了锌/溴液流电池的两大技术难题：锌沉积形貌控制；抑制溴单质透过隔膜引发自发电。1980年日本通产省提出“月光计划”将锌/溴液流电池列为重点发展的储能技术之一，历经1kW、10kW、60kW电池系统逐级放大，完成了该电池的技术储备但由于溴的毒性和穿透性、腐蚀性问题，终止了锌/溴液流电池的开发。美国Sandia国家实验室联合JohnsonControlsInc.(US.)公司，在电池关键材料、系统设计与集成、电池寿命及衰减机理等方面进行了深入系统的研究，在此基础上美国ZBB公司通过技术资源整合，开发出防止溴蒸汽挥发和穿透的溴络合剂，设计开发出50kWh锌/溴液流电池模块，并通过模块的串联或并联，构建MW级电池系统。该公司在加州以4个500kWh电池系统(图4)构建的2MWh系统是至今报道规模最大的锌/溴液流电池示范项目。图4美国ZBB公司500kWh（50kWh×10）锌/溴液流电池系统澳大利亚RedFlow公司作为锌溴液流电池的后起之秀，开发出用于智能电网的5kW电池模块（图5）。2012年澳大利亚联邦政府采购60套该型号锌/溴液流电池用于“智能电网，智能城市”的示范运行。高层论坛AuthorityForum高层论坛AuthorityForum102012年第9卷第4期（总第49期）112012年第9卷第期（总第49期）43.2全钒液流电池全钒液流电池（VRB）正极电对为2++2+3＋VO／VO，负极为V／V。全钒液流电池2充放电时，电极发生如下反应：正级：负级：在满充电状态下，电池开路电压为1.6V左右。当使用阳离子膜为电池隔膜，充放电时电＋池内部通过电解液中的阳离子（主要为H）在膜中的定向迁移而导通；若使用阴离子膜为隔膜则通过溶液中的阴离子的定向迁移导电。不同价态的钒离子呈现明显不同的颜2＋3＋2+色，如V为紫色，V为绿色，VO为蓝色，+VO为黄色。因此，通过观察电解液颜色的2变化可粗略了解电池的充放电状态。全钒液流电池和其他液流电池相比有许多独特优点。首先，正负极活性物质均为钒离子，不会发生其它液流电池常有的正负极电解液交叉污染导致电池过早失效；同时，由于正负极活性物质均为钒离子，电解液容易持续循环使用，大幅度降低了长期运行成本；不仅是电解液，其他电池材料如电池端板、集流板等都可循环利用，此外，双极板（导电碳板）、电极（碳毡）、隔膜（烃类膜）可作为燃料利用，不会产生环境负荷，环境友好。全钒液流电池适用于调峰电源系统、光伏电源系统、风能发电系统的储能，以及不间断电源或应急电源系统和电动车充电站。日本住友电工（SEI）是国际全钒液流储能电池开发及商业化示范的领军企业。1985年，住友电工与关西电力公司（KansaiElectricPowerCo.）合作进行VRB的研发工作。1996年用24个20kW的电池组（实际功率18.8kW）通过模块化方式串、并联连接组成了450kW的VRB电池组。随后，2000～2002年间SEI分别完成了用于办公楼供电的800kWh、用于半导体工厂的1.5MWh、用于风力发电场的1.0MWh、用于高尔夫球场光伏电池配套的240kWh以及用于大学校园的5.0MWh的VRB储能电池系统的建设工作。2005年在北海道苫前町建立了4MW/6MWh的全钒液流电池储能系统用于对一座36MW风电场调频和调峰，平滑风电输出，这是国际上最大的一套全钒液流储能电池工程示范系统，运行了3年时间，实现充放电循环约27万次。据住友电工介绍，3年的应用示范结果表明，液流储能电池技术是最适合风电调峰的储能技术。2009年11月，美国政府资助Painesville电力公司与俄亥俄州市电力管理局合作，在一个32MW的燃煤发电厂进行1MW/8MWh的液流储能电池示范项目，该项目是美国首个MW级全钒液流储能电池项目。欧洲各国积极开展了规模储能技术的研究和应用示范。德国Fraunhofer研究机构资助15亿欧元，研究开发先进的储能技术，其中重点研究用于离网可再生能源储能用液流储能电池系统，以及大型风电场液流储能电池系统。奥地利Cellstrom公司研制的10kW/100kWh全钒液流储能电池系统用于新能源电动车快速充电站储能系统，可以实现充电站独立于市电稳定工作。我国从上世纪80年代末开始液流储能电池的基础研究工作。从2000年开始以中国科学院大连化学物理研究所（简称为大连化物所）为代表的研究单位的努力使得中国液流储能电池技术进入快速发展时期。大连化物所经过十余年的努力，在全钒液流储能电池关键材料、系统集成、测试方法及应用示范等方面取得重要进展。2007年获得大连市科技进步一等奖和2009年辽宁省科学技术发明一等奖。同时打造了一支专业技能过硬、创新思维活跃、能打硬仗的的攻关团队。为加速液流储能电池的成果转化，大连化物所联合博融产业投资有限公司于2008年注册成立大连融科储能技术发展有限公司（简称为融科储能公司），专业从事液流储能电池工程化和产业化开发。全力推进液流储能电池产业化进程。大连化物所与融科储能公司采用优势互补，产学研强强联合的开发模式，已在液流储能电池技术开发和应用示范中取得重要进展：（1）掌握自主知识产权的百千瓦级到十兆瓦级全钒液流储能电池系统的设计、集成技术；同时，成功地开发出电解质溶液、双极板、电极材料合成、制备及批量化生产技术；决定电池性能和成本的核心组件离子交换膜材料方面又取得重大突破；电池模块的设计及集成技术达到国际领先水平；建立了液流电池产业链；申报发明专利63项，形成了完整的自主知识产权体系。（3）积极推进液流储能电池应用示范项目。包括，2008年11月向国家电网下属中国电力科学院提供一套100kW/200kWh液流储能电池系统，用于电池并网前应用特性考察。2009年7月在西藏自治区成功安装一套“太阳能光伏系统与5kW/50kWh液流储能电池联合供电系统”，进行示范应用，为西藏能源研究示范中心的照明提供电力。该系统已平稳运行三年时间，稳定性受到用户充分肯定。2010年5月在大连高新技术产业园区开展的60kW/300kWh全钒液流储能电池系统与光伏建筑一体化的示范系统已投入使用，为办公楼的照明提供电力。2009年11月在大连开展了“风-光-储”建筑一体化绿色住宅示范应用项目。通过一台3kW风机及3.5kW太阳能光伏电池及一套5kW/100kWh全钒液流储能电池系统，实现对住宅内用电负载的稳定持续供电，为可再生能源电动车充电站及其他应用积累数据。开发的额定功率22kW电堆，在22kW恒功率条件下充放电，电池能量效率达到80%；由16个22kW电堆集成的352kW单元电池系统模块直流端的系统能量效率大于75%，属国际领先水平。承担的全球最大规模的5MW/10MWh液流储能电池应用示范工程正在建设中。3.3锌/溴液流电池锌/溴液流电池的正极采用Br-/Br电对，22+负极采用Zn/Zn电对。其充放电过程中发生的电化学反应如下所示：正级：负极：电池总反应：该电池体系的理论电压可以达到1.83V，2在20mA/cm工况下，该电池的输出电压在1.6V以上；而且该电池体系的活性物质具有相对较低的电化当量；锌/溴液流电池具有较高的能量密度。20世纪70年代中期，美国Exxon和Gould两家公司解决了锌/溴液流电池的两大技术难题：锌沉积形貌控制；抑制溴单质透过隔膜引发自发电。1980年日本通产省提出“月光计划”将锌/溴液流电池列为重点发展的储能技术之一，历经1kW、10kW、60kW电池系统逐级放大，完成了该电池的技术储备但由于溴的毒性和穿透性、腐蚀性问题，终止了锌/溴液流电池的开发。美国Sandia国家实验室联合JohnsonControlsInc.(US.)公司，在电池关键材料、系统设计与集成、电池寿命及衰减机理等方面进行了深入系统的研究，在此基础上美国ZBB公司通过技术资源整合，开发出防止溴蒸汽挥发和穿透的溴络合剂，设计开发出50kWh锌/溴液流电池模块，并通过模块的串联或并联，构建MW级电池系统。该公司在加州以4个500kWh电池系统(图4)构建的2MWh系统是至今报道规模最大的锌/溴液流电池示范项目。图4美国ZBB公司500kWh（50kWh×10）锌/溴液流电池系统澳大利亚RedFlow公司作为锌溴液流电池的后起之秀，开发出用于智能电网的5kW电池模块（图5）。2012年澳大利亚联邦政府采购60套该型号锌/溴液流电池用于“智能电网，智能城市”的示范运行。高层论坛AuthorityForum高层论坛AuthorityForum102012年第9卷第4期（总第49期）112012年第9卷第期（总第49期）4大连化学物理研究所于2009年开始锌/溴液流电池的自主研发，依托团队在全钒液流电池研发过程中的技术积累于2010年研制成功1kW电池模块。同时该团队在电极结构设计，电极电对修饰，电解液组分调配等领域形成了自身的技术特色，为进一步的工程放大与示范运行奠定了基础。目前锌溴液流电池的研究主要集中在3方面：一，提高电池循环寿命：研发高性能、长寿命电极材料，开发高稳定性电解液；二，抑制活性物质透过隔膜：研发高阻溴能力，低离子电阻的电池隔膜，设计对溴单质具有更强捕获能力的络合剂；三，提高电池功率密度：研发高活性电极材料，设计新型电极结构。4液流电池技术今后的展望中国巨大的储能市场和在关键材料方面显现的成本优势使得中国液流储能技术发展得到了世界的瞩目。要保持其领先地位，要集中力量攻克关键材料批量化生产技术，加快高可靠性、低成本兆瓦级大规模装备的产业化技术。4.1加大全钒液流电池关键材料国产化、批量化制备技术开发力度。我国液流电池材料技术已取得重要进展，在此基础上，以材料为基础、以工程为依托，进一步提升液流储能电池用电解质溶液、双极板、离子交换膜关键材料性能；开发液流储能电池关键材料的工程化、批量化制备技术，以满足我国液流电池规模生产所需的高性能、低成本、规模化材料生产技术，建立具有完整自主知识产权的电池材料图5澳大利亚RedFlow公司5kW/10kWh锌/溴液流电池系统产业化生产技术平台，完善其产业链。4.2积极推进全国产材料兆瓦级全钒液流电池储能系统应用示范工程，实现液流储能电池商业化应用。高可靠性与高性价比是液流储能电池进入市场的两个关键要素。日本的住友电工公司是国际公认的大规模液流电池集成技术实力最强的企业，但由于其关键材料依赖于外购，成本居高不下，严重制约了液流电池的产业化进程。所以，突破全国产材料兆瓦级全钒液流电池系统关键技术，是进行市场开发，掌握市场竞争主动权的关键。4.3新一代高性能、低成本液流电池技术的研究开发。研究开发新材料、新结构、新工艺的第三代高功率密度、高能量密度的液流电池储能技术，大幅度降低电池的成本，提高稳定性和可靠性。开展全国产材料的兆瓦级液流储能电池的商业化示范应用。4.4建立液流电池关键材料、部件和电池系统的性能及安全检测评价方法，领军液流电池测试规范和测试的制定。提高在国际液流电池产业领域的话语权，全面参与国际标准的制定。推进我国液流储能技术的发展，保持我国在国际液流电池储能产业化竞争中的主导权和领先地位。高层论坛AuthorityForum张华民燃料电池、储能电池技术研究专家。1955年4月出生，山东荣成人。1982年2月毕业于山东大学化学系。1985年、1988年先后获日本九州大学工学硕士、工学博士学位。中国科学院大连化学物理研究所研究员、储能技术研究部部长，兼任国际电工协会（IEC）TC105液流电池标准战略专家组专家、中国电工协会液流电池技术标准委员会主任委员、智能电网标准委员会委员、中国能源学会副理事长。大连融科储能技术发展有限公司副总经理、总工程师。先后从事催化材料、功能材料、燃料电池技术、液流电池技术等研究。2000年，作为中科院“百人计划”人才引进回国。研究领域不仅涉及燃料电池、一体式可再生燃料电池、液流电池和高比能量新型电池的材料、部件及系统集成技术，而且包括燃料电池和液流电池国家标准和国际标准的制定。作为课题负责人，先后主持了863电动汽车重大专项燃料电池发动机的研究开发。作为首席科学家，主持中国科学院知识创新燃料电池重大项目的研究开发。率领团队创新性的开发出50kW、75kW、100kW燃料电池发动机系统；与有关单位合作，成功开发出燃料电池公交大巴车。申报燃料电池相关国家发明专利50余项，形成了我国燃料电池作者简介自主知识产权体系，开发的燃料电池汽车在北京奥运会、上海世博会等国家重大活动中成功应用，提高了我国燃料电池技术在国际上的地位和影响及产业化竞争力。2003年获得辽宁省技术发明一等奖。主持科技部燃料电池检测标准及质量规范的研究。创建了我国燃料电池材料和部件检测评价平台，制定了质子交换膜、电催化剂、膜电极、双极板的测试方法四项国家标准并发布实施，为我国燃料电池研发单位及生产厂商提供了统一的检测评价标准和平台。作为科技部973大规模液流电池项目首席科学家和863液流电池项目技术负责人及中科院液流电池项目负责人，主持国家液流电池系统的研究开发并取得国际领先的自主创新成果。使我国液流电池技术保持国际领先水平。2009获得辽宁省技术发明一等奖。2010年，被国际电工协会（IEC）聘为由美国、德国、中国科学家共三名科学家组成的TC105国际液流电池标准战略专家组成员。2011年，经国家发改委能源局批准，牵头组建了“国家能源液流储能电池重点实验室”并任主任；2011年，经国家发改委和大连市经委批准，牵头组建了“国家地方联合液流储能电池技术工程研究中心”并任主任。先后获得省部级科技发明一等奖二项、二等奖一项、国家四部委颁发的“九五”国家重点科技攻关计划优秀科技成果奖一项，中国通用科技成就二等奖一项。共发表研究论文220篇，申报发明专利150项，其中国际专利27项。高层论坛AuthorityForum122012年第9卷第4期（总第49期）132012年第9卷第期（总第49期）4大连化学物理研究所于2009年开始锌/溴液流电池的自主研发，依托团队在全钒液流电池研发过程中的技术积累于2010年研制成功1kW电池模块。同时该团队在电极结构设计，电极电对修饰，电解液组分调配等领域形成了自身的技术特色，为进一步的工程放大与示范运行奠定了基础。目前锌溴液流电池的研究主要集中在3方面：一，提高电池循环寿命：研发高性能、长寿命电极材料，开发高稳定性电解液；二，抑制活性物质透过隔膜：研发高阻溴能力，低离子电阻的电池隔膜，设计对溴单质具有更强捕获能力的络合剂；三，提高电池功率密度：研发高活性电极材料，设计新型电极结构。4液流电池技术今后的展望中国巨大的储能市场和在关键材料方面显现的成本优势使得中国液流储能技术发展得到了世界的瞩目。要保持其领先地位，要集中力量攻克关键材料批量化生产技术，加快高可靠性、低成本兆瓦级大规模装备的产业化技术。4.1加大全钒液流电池关键材料国产化、批量化制备技术开发力度。我国液流电池材料技术已取得重要进展，在此基础上，以材料为基础、以工程为依托，进一步提升液流储能电池用电解质溶液、双极板、离子交换膜关键材料性能；开发液流储能电池关键材料的工程化、批量化制备技术，以满足我国液流电池规模生产所需的高性能、低成本、规模化材料生产技术，建立具有完整自主知识产权的电池材料图5澳大利亚RedFlow公司5kW/10kWh锌/溴液流电池系统产业化生产技术平台，完善其产业链。4.2积极推进全国产材料兆瓦级全钒液流电池储能系统应用示范工程，实现液流储能电池商业化应用。高可靠性与高性价比是液流储能电池进入市场的两个关键要素。日本的住友电工公司是国际公认的大规模液流电池集成技术实力最强的企业，但由于其关键材料依赖于外购，成本居高不下，严重制约了液流电池的产业化进程。所以，突破全国产材料兆瓦级全钒液流电池系统关键技术，是进行市场开发，掌握市场竞争主动权的关键。4.3新一代高性能、低成本液流电池技术的研究开发。研究开发新材料、新结构、新工艺的第三代高功率密度、高能量密度的液流电池储能技术，大幅度降低电池的成本，提高稳定性和可靠性。开展全国产材料的兆瓦级液流储能电池的商业化示范应用。4.4建立液流电池关键材料、部件和电池系统的性能及安全检测评价方法，领军液流电池测试规范和测试标准的制定。提高在国际液流电池产业领域的话语权，全面参与国际标准的制定。推进我国液流储能技术的发展，保持我国在国际液流电池储能产业化竞争中的主导权和领先地位。高层论坛AuthorityForum张华民燃料电池、储能电池技术研究专家。1955年4月出生，山东荣成人。1982年2月毕业于山东大学化学系。1985年、1988年先后获日本九州大学工学硕士、工学博士学位。中国科学院大连化学物理研究所研究员、储能技术研究部部长，兼任国际电工协会（IEC）TC105液流电池标准战略专家组专家、中国电工协会液流电池技术标准委员会主任委员、智能电网标准委员会委员、中国能源学会副理事长。大连融科储能技术发展有限公司副总经理、总工程师。先后从事催化材料、功能材料、燃料电池技术、液流电池技术等研究。2000年，作为中科院“百人计划”人才引进回国。研究领域不仅涉及燃料电池、一体式可再生燃料电池、液流电池和高比能量新型电池的材料、部件及系统集成技术，而且包括燃料电池和液流电池国家标准和国际标准的制定。作为课题负责人，先后主持了863电动汽车重大专项燃料电池发动机的研究开发。作为首席科学家，主持中国科学院知识创新燃料电池重大项目的研究开发。率领团队创新性的开发出50kW、75kW、100kW燃料电池发动机系统；与有关单位合作，成功开发出燃料电池公交大巴车。申报燃料电池相关国家发明专利50余项，形成了我国燃料电池作者简介自主知识产权体系，开发的燃料电池汽车在北京奥运会、上海世博会等国家重大活动中成功应用，提高了我国燃料电池技术在国际上的地位和影响及产业化竞争力。2003年获得辽宁省技术发明一等奖。主持科技部燃料电池检测标准及质量规范的研究。创建了我国燃料电池材料和部件检测评价平台，制定了质子交换膜、电催化剂、膜电极、双极板的测试方法四项国家标准并发布实施，为我国燃料电池研发单位及生产厂商提供了统一的检测评价标准和平台。作为科技部973大规模液流电池项目首席科学家和863液流电池项目技术负责人及中科院液流电池项目负责人，主持国家液流电池系统的研究开发并取得国际领先的自主创新成果。使我国液流电池技术保持国际领先水平。2009获得辽宁省技术发明一等奖。2010年，被国际电工协会（IEC）聘为由美国、德国、中国科学家共三名科学家组成的TC105国际液流电池标准战略专家组成员。2011年，经国家发改委能源局批准，牵头组建了“国家能源液流储能电池重点实验室”并任主任；2011年，经国家发改委和大连市经委批准，牵头组建了“国家地方联合液流储能电池技术工程研究中心”并任主任。先后获得省部级科技发明一等奖二项、二等奖一项、国家四部委颁发的“九五”国家重点科技攻关计划优秀科技成果奖一项，中国通用科技成就二等奖一项。共发表研究论文220篇，申报发明专利150项，其中国际专利27项。高层论坛AuthorityForum122012年第9卷第4期（总第49期）132012年第9卷第期（总第49期）4