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      釩液流電池在不同溫度下的充放電特性

      2014-02-20 12:01:31賈明波張中洋
      當代化工 2014年11期
      關(guān)鍵詞:自放電電堆電流效率

      田 戈,賈明波,李 娟,張中洋

      (承德萬利通實業(yè)集團有限公司,河北 承德 067000)

      釩液流電池在不同溫度下的充放電特性

      田 戈,賈明波,李 娟,張中洋

      (承德萬利通實業(yè)集團有限公司,河北 承德 067000)

      利用10電池電堆考查了在15~35 ℃范圍內(nèi)溫度對釩電池極化曲線、循環(huán)效率、充放電容量以及自放電性能的影響,并進行了機理分析,測試結(jié)果表明,在溫度逐漸升高的過程中,除電流效率逐漸降低外,電壓效率、充放電容量、自放電速率均逐漸升高,在實際應(yīng)用過程中,應(yīng)嚴格對溫度進行控制以保證釩電池系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

      全釩氧化還原液流電池;溫度;極化曲線;循環(huán)效率;容量;自放電

      世界能源的高需求、傳統(tǒng)資源的有限性和環(huán)境的日益惡化,極大地促進了新能源和大規(guī)模儲能系統(tǒng)的發(fā)展,在眾多儲能手段中,全釩氧化還原液流電池(以下簡稱釩電池,VFB)儲能系統(tǒng)以其容量大、效率高、響應(yīng)速度快、安全性好等諸多優(yōu)點成為儲能領(lǐng)域研究熱點[1,2],在新能源存儲、電網(wǎng)調(diào)峰、通訊基站、UPS電源等眾多領(lǐng)域有著極好的應(yīng)用前景,目前日本、澳大利亞、加拿大等多國已經(jīng)逐步開始商業(yè)化應(yīng)用,一些商業(yè)化示范工程在中國也已經(jīng)建立并穩(wěn)定運行[3,4]。

      釩電池系統(tǒng)主要由電堆、電解液循環(huán)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)組成,其中電堆由多個單電池串聯(lián)而成。在釩電池系統(tǒng)工作時,正、負極電解液由電解液泵泵入電池正、負極內(nèi),正極進行V4+/V5+電對轉(zhuǎn)換反應(yīng),負極為V2+/V3+電對轉(zhuǎn)換反應(yīng),正、負半電池之間放置隔膜,氫離子在電池充放電過程中穿過隔膜在正、負極之間定向移動。

      在釩電池系統(tǒng)運行過程中,溫度不但會對電解液的穩(wěn)定性[5-7]、循環(huán)系統(tǒng)的流量、壓力等產(chǎn)生影響,而且在電堆的運行過程中,溫度對于電堆本身性能的影響同樣不能忽視。在本文中,作者采用自制釩電池隔膜,組裝了釩電池電堆,研究了測試溫度對釩電池性能的影響。

      1 實驗部分

      1.1 主要原材料

      1.1.1 實驗設(shè)備

      μC-XCF08微電腦蓄電池循環(huán)充放電測試儀(江蘇金帆電源科技有限公司),SL-AC2600循環(huán)水冷卻機(南京順流儀器有限公司),AM-30磁力泵(協(xié) 磁股份有限公司)。

      1.1.2 實驗用電堆

      電極材料選用4.2 mm厚碳氈(四川),隔膜選用厚度為110 μm,電導(dǎo)率為2.0×10-2S/cm的自制PVDF基納米多孔質(zhì)子傳導(dǎo)膜[8,9],同時輔以自制板框、密封件、端板等部件組裝10電池電堆,電極有效的反應(yīng)面積為484 cm2。

      1.1.3 電解液

      分別向正、負極電解液罐中加入相同體積的3.5價電解液,電解液總釩濃度為1.6 mol/L,游離酸濃度為2.4 mol/L,調(diào)整閥門開度后,開啟電解液循環(huán)泵,使電解液在電堆內(nèi)部得以充分循環(huán),負極儲液罐通入惰性氣體進行保護,以避免低價態(tài)釩離子被氧化,釩電池系統(tǒng)原理如圖1所示。

      圖1 全釩液流電池系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of VFB system

      1.2 測試過程

      以恒流模式對電堆進行充放電循環(huán)測試,電流密度為40 mA/cm2,測試過程中,以單電池電壓1.7 V作為充電截止電壓,1.0 V作為放電截止電壓,使用循環(huán)水冷卻機對電解液溫度進行控制,并選定15,20,25,30,35 ℃作為測試溫度。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 不同溫度下電池的極化曲線

      在 15,20,25,30,35 ℃溫度條件下,采用20.7至206.6 mA/cm2的操作電流密度進行IV曲線測試,并計算相應(yīng)充放電內(nèi)阻,結(jié)果如圖2與表1所示。

      圖2 不同溫度下電堆的極化曲線Fig.2 Polarization curve of VFB stack at various temperatures

      表1 不同溫度下電堆的充放電內(nèi)阻Table 1 Charge-discharge resistance of VFB stack at various temperatures

      從以上實驗數(shù)據(jù)可以看出,當操作溫度逐漸由15 ℃增加至 35 ℃時,充電極化曲線不斷向下偏移,放電極化曲線則向上偏移,電池的內(nèi)阻逐漸減小,電壓效率逐漸升高,說明溫度的升高有利于電堆效率的提升。

      2.2 不同溫度下電池的循環(huán)效率

      電堆的充放電循環(huán)效率隨溫度的變化趨勢如圖3所示。

      圖3 不同溫度下電堆的循環(huán)效率Fig.3 Cycle efficiency of VFB stack at various temperatures

      從圖3可以看出,電堆的電壓效率在逐漸升高,結(jié)合圖2與表1數(shù)據(jù)分析,溫度的升高,使得電池的內(nèi)阻減小,過電位降低,充電與放電極化損失減小,電壓效率升高。電流效率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢,這是因為隨溫度的增加,電解液中正、負極釩離子反應(yīng)活性和擴散活性均有所增強,反應(yīng)活性的增加,有利于電解液的利用率和電池的整體性能的提高,但是擴散活性增強則會造成正、負極電解液中釩離子透膜遷移增加,副反應(yīng)加劇,在相同的電流密度下進行相同測試時,溫度的升高會使得電堆充放電時間增長,釩離子的透膜遷移時間增長,遷移量增加,最終導(dǎo)致電流效率降低。能量效率的高低取決于電流效率和電壓效率的升高和降低程度,與組裝電堆時所用的膜材料和電極材料等有直接關(guān)系。

      2.3 溫度對充放電容量的影響

      圖4為實驗電堆在15,20,25,30,35 ℃下的充放瓦時容量,在測試溫度范圍內(nèi),在相同測試條件下,電堆的充放電時間和充放電容量隨著溫度的升高而增加,這是因為溫度的升高有利于降低電堆極化效應(yīng),提高電解液的利用率,最終會使電堆的充放電深度增加。但是,在實際運行過程中,應(yīng)控制好溫度范圍,溫度的變化會導(dǎo)致電解液充放電容量和電堆運行效率的波動,嚴重影響電堆的檢測。

      圖4 不同溫度下電堆的充放電容量對比Fig.4 Comparison of charge-discharge capacities of VFB stack at various temperatures

      2.4 溫度對電堆自放電性能的影響

      電堆在不同溫度下的自放電測試結(jié)果如圖5所示,對比測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),自放電速度隨著溫度的降低而減緩,這是由于在低溫條件下,正、負極電解液中釩離子的擴散活性降低,透膜滲透副反應(yīng)減弱,有利于容量的保持,因此,在適度的溫度范圍內(nèi),可以通過調(diào)控溫度,減少電堆的自放電,從而降低電能損失。

      圖5 電堆在不同溫度下的自放電曲線Fig.5 Self-discharge performance of VFB stack at various temperatures

      3 結(jié) 論

      (1)溫度的升高,有利于提高電堆的電壓效率,但由于釩離子擴散活性的增強,導(dǎo)致電流效率逐漸降低,能量效率的高低則取決于電流效率和電壓效率的降低和升高程度,因此,在進行電堆組裝時,應(yīng)選擇阻釩性能好的膜材料和反應(yīng)活性高的電極材料,以保證較高的能量效率。

      (2)電解液的利用率會隨著溫度的升高而增加,電堆系統(tǒng)的充放電容量相應(yīng)增加,反之亦然,在實際的測試中,溫度高,電流效率降低,而過高的溫度會引起五價釩離子的析出以及電堆框的變形,從而導(dǎo)致電堆失效,反之,過低的溫度不但會使電解液利用率降低,充入和放出的電量減少,而且可能造成釩電解液二價、三價和四價離子析出的危險,為了保證電堆安全、穩(wěn)定的運行,應(yīng)加強對溫度的控制。

      (3)通過自放電測試發(fā)現(xiàn),溫度升高,電堆系統(tǒng)自放電加速,因此在實際應(yīng)用過程中,可適當降低溫度,減少電堆的自放電損失,從而提高釩電池系統(tǒng)能量的保持能力

      [1]張宇,張華民. 電力系統(tǒng)儲能及全釩液流電池的應(yīng)用進展木[J]. 新能源進展,2013,1(1):106-113.

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      [4]朱順泉,孫娓榮,王保國,等. 大規(guī)模蓄電儲能全釩液流電池研究進展[J]. 化工進展,2007,26(2):207-211.

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      Charge-discharge Characteristics of Vanadium Redox Flow Battery at various temperatures

      TIAN Ge, JIA Ming-bo, LI Juan, ZHANG Zhong-yang
      (Chengde Wanlitong Industrial Group Co., Ltd., Hebei Chengde 067000, China)

      Influence of the temperature on the polarization curve, cyclic efficiency, charge-discharge capacity and self-discharge performance of vanadium redox flow battery was studied in temperature range 15℃~35℃ by using a 10-cell stack, and the mechanism was analyzed. The results show that, in the process of temperature rising, the current efficiency decreases, and voltage efficiency, charge-discharge capacity and self-discharge rate all gradually increase. In order to ensure stable operation of the vanadium battery, the temperature should be strictly controlled in the actual application.

      Vanadium redox flow battery; Temperature; Polarization curve; Cycle efficiency; Capacity; Self-discharge

      TQ 031

      A

      1671-0460(2014)11-2228-03

      國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目:全釩液流電池產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)與工藝研究,項目號:2012AA051203。

      2014-09-22

      田戈(1985-),女,內(nèi)蒙古赤峰人,工程師,碩士,研究方向:主要從事儲能電池研究。E-mail:tiange0509@hotmail.com。

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