(東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽,618000)

全釩氧化還原液流電池漏電電流影響因素的研究

薛慧婷 鄭謙 梁君 禹爭光 張建普

(東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽,618000)

文章針對全釩氧化還原液流電池中存在的漏電電流進(jìn)行了分析計算。在給出漏電電流計算方法的基礎(chǔ)上，就充放電電流、電池串聯(lián)組數(shù)和進(jìn)液電阻及主管電阻等在不同的條件下對漏電電流的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明：大電流充放電，漏電電流加大，但所占能量比減??；單電池串聯(lián)組數(shù)減少會明顯降低漏電電流，提高能量效率；提高進(jìn)液電阻尤其是主管路電阻的阻值，可以降低漏電電流，提高能量效率。

全釩氧化還原液流電池；漏電電流

0 引言

全釩氧化還原液流電池簡稱釩電池,縮寫為VRB(Vanadium Redox Battery)。VRB釩電池自1974年提出以來已有30多年的歷史。其中,美國、加拿大、澳大利亞和日本對VRB釩電池的研究已取得多項專利并已完成釩電池的實(shí)用化研究。我國從1995年,由中國工程物理研究院電子工程研究所首次展開對VRB釩電池的研究,到目前已有多家公司、研究機(jī)構(gòu)和高校對釩電池展開了研究并取得多項成果,但目前我國對釩電池的研究還處在樣機(jī)階段[1]。

釩電池能量的存儲與釋放主要是通過釩離子不同價態(tài)之間的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)的,釩有+5、+4、+3和+2等價態(tài),當(dāng)釩電池充電時,正極發(fā)生氧化反應(yīng),將+4價釩升至+5價,負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng),將+3價降至+2價,這樣把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲存在不斷循環(huán)的電解液中；當(dāng)釩電池放電時,正負(fù)極發(fā)生相反的化學(xué)反應(yīng),將儲存在電解液中的能量釋放出來。釩電池充放電的過程本質(zhì)上是釩離子不同價態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,不涉及反應(yīng)物物相和量的變化[2～3]。釩電池由于它特殊的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)方式,與傳統(tǒng)儲能電池相比,有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：可大電流充放電、自放電小、循環(huán)壽命長、可深度放電、功率和能量大小可分開管理以及成本低等。目前,釩電池在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、分布電站、軍用儲電和電網(wǎng)調(diào)峰等領(lǐng)域有極好的發(fā)展前景[4]。

目前的釩電池都是雙極堆式結(jié)構(gòu),由多個單電池串聯(lián)組成。電池內(nèi)部有公共的電解液通道,電解液通過每個單電池的支管流入電池內(nèi)部。不同電池中的正電解液通過支管與公共通道中的正電解液相通,不同電池負(fù)極電解液通過支管與公共通道中的負(fù)電解液相通,這樣不同電池之間通過電解液形成了離子通道。此外,由于電池堆通過多個單電池串聯(lián)組成,每個單電池之間形成了電子通道。當(dāng)泵啟動,電解液充滿整個堆電池時,離子通道和電子通道形成一個閉合回路。在存在電位差的時候,這個回路可以不通過負(fù)載而在電堆內(nèi)部發(fā)生自放電現(xiàn)象,產(chǎn)生的電流就是漏電電流。漏電電流的存在將影響整個釩電池堆的庫倫效率和能量效率。本文將使用matlab工具,分析不同的充放電電流、電池組數(shù)和電解液阻值對漏電電流產(chǎn)生的影響,為釩電池提高其庫倫效率和能量效率提供有力依據(jù)。

1 漏電電流原理

單電池結(jié)構(gòu)圖如圖1(a)所示,由雙極板、隔膜、液流框和液流框中的石墨碳?xì)纸M成(為了使圖看起來更清楚,未畫出石墨碳?xì)植糠?。圖1 (a)中的單電池若干個串聯(lián)就形成了不同功率的釩電池堆,如圖1(b)所示。圖1(b)中已標(biāo)明出液口正負(fù)極電解液流向以及漏電回路,由于電池堆結(jié)構(gòu)對稱,所以進(jìn)液口處形成的漏電回路與出液口回路成對稱結(jié)構(gòu)。15個單電池組成的釩電池堆的等效電路如圖2所示[5～6]。

其中,I為充放電電流,Ie,n為通過每個電池正負(fù)極時的電流,I2,n為通過液流框的支管電流,I3,1為每個電池之間主管公共通道的電流。因為正負(fù)極結(jié)構(gòu)對稱,液流方向相反,所以負(fù)極支管電流和負(fù)極主管公共通道電流均成對稱結(jié)構(gòu)。Re近似為膜和碳?xì)值碾娮?R2、R3表示支管電阻和主管公共通道電解液電阻。

據(jù)基爾霍夫定律可根據(jù)電路圖列出回路方程、主路電流方程和支路電流方程,如下：

圖1 漏電電流原理圖

圖2 釩電池堆等效電路圖

回路方程：

主路電流方程：

支路電流方程：

方程式中Re、R2和R3可通過電解液濃度和液流框設(shè)計尺寸計算而得；充電電流I分別用50A、100A和150A進(jìn)行測試；單電池放電電壓V0充電時為1.5v,放電1.2v,靜止1.35v。

2 不同電流對漏電電流影響

圖3是15組單電池串聯(lián),Re、R2和R3電阻值一定,截止電壓一定,電流分別提供50A、100A和150A時,帶入式(1)、(2)和(3)計算所得結(jié)果。

由圖3可以看出對于釩電池堆來說,漏電電流在靠近堆的兩側(cè)時,電流較小。越靠近中間,漏電電流越大。此外釩電池堆用不同的電流進(jìn)行充放電時,充放電電流越大,漏電電流越大。但通過功率計算,充放電電流越大,漏電電流消耗功率占堆總功率的比例就越小(見表1)。

圖3 充放電電流和漏電電流的關(guān)系圖

表1 1 5組漏電電流功率消耗表

所以釩電池堆在正常工作時,充放電電流減小,漏電電流減小,但漏電電流消耗功率比增大,會導(dǎo)致庫倫效率和能量效率降低。當(dāng)充放電電流增大時,雖然漏電電流增大,但漏電電流消耗的功率比將減小,對釩電池堆庫倫效率和能量效率的影響也較小。

3 不同組電池對漏電電流影響

圖4為單電池串聯(lián)個數(shù)分別為15、20、30和40組組成時,在充放電電流為100A的情況下,引起的漏電電流大小的變化。其中,圖x軸表示釩電池堆中單電池的回路個數(shù),堆最中間的回路記為第0個,Y軸表示漏電電流的大小。

圖4 單電池串聯(lián)組數(shù)與漏電電流關(guān)系圖

表2 不同單電池串聯(lián)組數(shù)產(chǎn)生漏電電流功率消耗表

由圖4可以看出,充放電電流為100A時,單電池串聯(lián)組數(shù)越多,引起的支路電流就越大。另外隨著單電池串聯(lián)個數(shù)的增加,由表2可以看出,支路電流引起的功率消耗比也越來越大。所以減少單電池串聯(lián)個數(shù)可以有效減小支路電流和漏電電流的功率消耗比,從而提高釩電池的能量和庫倫效率。

4 阻值變化對旁路電流影響

圖5 阻值變化與漏電電流的關(guān)系圖

在前面的計算中,電池的內(nèi)阻、進(jìn)液電阻和主管路電阻均在實(shí)驗室電解液濃度為1.2mol/L,流道一定的情況下計算所得,分別約為0.8mΩ、22.1Ω和0.325Ω。為了分析電池的內(nèi)阻、進(jìn)液電阻和主管路電阻分別對漏電電流的影響,本實(shí)驗分別將電池的內(nèi)阻、進(jìn)液電阻和主管路電阻的阻值在原電阻值的基礎(chǔ)上降低20%,并觀察漏電電流大小的變化。通過圖5可以看出,電池內(nèi)阻的變化對支路電流的影響最小,而且隨著電池內(nèi)阻的減小,支路電流有減小的趨勢；而當(dāng)進(jìn)液電阻和主管路電阻減小時,支路電流會升高,其中主管路電阻的變化對支路電流影響最大。

5 結(jié)論

針對目前釩電池的堆型結(jié)構(gòu),漏電電流是必然的產(chǎn)物。它的存在會嚴(yán)重影響到電池的重要性能指標(biāo)庫倫效率和能量效率。所以盡可能減小或消除漏電電流顯得尤為重要。本文通過對漏電電流計算分析,主要得出以下結(jié)論：

(1)漏電電流大小與充放電電流成正比,當(dāng)充放電電流升高時,漏電電流也隨著升高,當(dāng)充放電電流降低時,漏電電流隨著降低。但計算顯示,充放電電流降低,漏電電流下降時,漏電電流所消耗的功率比則明顯上升,所以通過降低充放電電流來降低漏電電流是有限制的,只能適當(dāng)控制。

(2)當(dāng)單電池串聯(lián)數(shù)目減少時,不僅漏電電流減小,其消耗功率比也明顯減小。所以減少單電池串聯(lián)數(shù)目可以明顯提高電堆的整體性能。在電堆中間增加隔板相當(dāng)于減少電池的串聯(lián)數(shù)目,這是減小漏電電流,提高堆性能的最有效的辦法。

(3)減小進(jìn)液電阻尤其是主管路電阻,漏電電流將明顯降低。而進(jìn)液電阻和主管路電阻與支管管徑、主管管徑以及管路設(shè)計有很大關(guān)系。所以在兼顧各方面要求的前提下要盡量減小主管和支管管徑并增加管徑長度,這些都有利于增加進(jìn)液電阻和主管電阻。

[1]劉大凡,李曉磊,等.全釩氧化還原液流電池的發(fā)展現(xiàn)狀.無機(jī)鹽工業(yè),2010.42(8):4-6

[2]Chahwan J,Abbey C,Joos G.VRB modeling for the study of output term inal voltages,Internal Losses and Performance.Proceedings of IEEE Electrical Power Conference, October25-27,2007,Montreal,Canada:387-392

[3]Barote L,W eissbach R,Teodorescu R.Stand-alone w ind system w ith vanadium redox battery energy storage.Proceedings of IEEE International Conference on Optim ization of Electrical and Electronic Equipments,May22-24,2008,Brasov,Romania:407-412

[4]Shibata Akira,Sato Kanji,Nakajima Masato.Development of vanadium redox flow battery for photovoltaic generation system.24th IEEE Photovoltaic Specialists Conference,December 5-9,1994,W aikoloa,Hawaii,USA:950-953

[5]陳暉,劉建國,嚴(yán)川偉.關(guān)于釩電池中支路電流（shunt current）的計算.合成化學(xué),2007,17(B11):259-263

[6]蔡年生.雙極堆式電池中的漏電電流.電池,1993.23(5): 234-237

Research on Influencing Factors of Leaked Current in All-vanadium Redox Flow Battery

Xue Huiting,Zheng Qian,Liang Jun,Yu Zhengguang,Zhang Jianpu

(Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000)

This paper analyzes and calculates the leaked current in the all-vanadium redox flow battery.On the basis of provided calculation method about leaked current,the paper mainly analyzes the influence about leaked current as the current charge-discharge,the number of series batteries and the resistance of vanadium solution.The results show that charge-discharge w ith highcurrentw ill increase leaked current and decrease the rate of totalenergy expenditure,leaked currentw ill decreased obviously and energy effciency w ill increasewhen the number of seriesbatteries is reduced or the resistance of vanadium solution is improved.

all-vanadium redox flow battery,leaked current

薛慧婷(1985-),女,漢族,碩士研究生,主要從事儲能系統(tǒng)測試和控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。