全钒氧化还原液流电池漏电电流影响因素的研究

《全钒氧化还原液流电池漏电电流影响因素的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全钒氧化还原液流电池漏电电流影响因素的研究（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、DONGFANG TURBINEDONGFAN0 引言全钒氧化还原液流电池简称钒电池 ， 缩写为VRB （Vanadium Redox Battery）。 VRB 钒电池 自1974 年提出以来已有 30 多年的历史 。 其中 ， 美国 、 加拿大 、 澳大利亚和日本对 VRB 钒电池的研究已取得多项专利并已完成钒电池的实用化研究 。我国从 1995 年 ， 由中国工程物理研究院电子工程研究所首次展开对 VRB 钒电池的研究 ， 到目前已有多家公司 、 研究机构和高校对钒电池展开了研究并取得多项成果 ， 但目前我国对钒电池的研究还处在样机阶段1。钒电池能量的存储与释放主要是通过钒离子不同价态之

2、间的转换来实现的 ， 钒有 +5、 +4、 +3和 +2 等价态 ， 当钒电池充电时 ， 正极发生氧化反应 ， 将 +4 价钒升至 +5 价 ， 负极发生还原反应 ，将 +3 价降至 +2 价 ， 这样把电能转化成化学能储存全钒氧化还原液流电池漏电电流影响因素的研究薛慧婷 郑 谦 梁 君 禹争光 张建普（东方汽轮机有限公司 ， 四川 德阳 ， 618000）摘 要 ： 文章针对全钒氧化还原液流电池中存在的漏电电流进行了分析计算。 在给出漏电电流计算方法的基础上， 就充放电电流、 电池串联组数和进液电阻及主管电阻等在不同的条件下对漏电电流的影响进行分析。 结果表明： 大电流充放电， 漏电电流加大

3、， 但所占能量比减小； 单电池串联组数减少会明显降低漏电电流， 提高能量效率； 提高进液电阻尤其是主管路电阻的阻值， 可以降低漏电电流， 提高能量效率。关键词 ： 全钒氧化还原液流电池； 漏电电流作者简介 ： 薛慧婷 （1985-）， 女 ， 汉族 ， 硕士研究生 ， 主要从事储能系统测试和控制系统设计开发 。Abstract： This paper analyzes and calculates the leaked current in the all-vanadium redox flow battery. On the basis of providedcalculation meth

4、od about leaked current, the paper mainly analyzes the influence about leaked current as the current charge-dis-charge, the number of series batteries and the resistance of vanadium solution. The results show that charge-discharge with high-current will increase leaked current and decrease the rate

5、of total energy expenditure, leaked current will decreased obviously and en-ergy effciency will increase when the number of series batteries is reduced or the resistance of vanadium solution is improved.Key words： all-vanadium redox flow battery, leaked currentResearch on Influencing Factors of Leak

6、ed Current inAll-vanadium Redox Flow BatteryXue Huiting, Zheng Qian, Liang Jun, Yu Zhengguang, Zhang Jianpu(Dongfang Turbine Co.,Ltd. Deyang Sichuan 618000)全钒氧化还原液流电池漏电电流影响因素的研究41DONGFANG TURBINEDONGFAN在不断循环的电解液中 ； 当钒电池放电时 ， 正负极发生相反的化学反应 ， 将储存在电解液中的能量释放出来 。 钒电池充放电的过程本质上是钒离子不同价态之间的转换 ， 不涉及反应物物相和量的变化2

7、3。 钒电池由于它特殊的结构和反应方式 ，与传统储能电池相比 ， 有以下独特的优点 ： 可大电流充放电 、 自放电小 、 循环寿命长 、 可深度放电 、 功率和能量大小可分开管理以及成本低等 。目前 ， 钒电池在风力发电 、 光伏发电 、 分布电站 、军用储电和电网调峰等领域有极好的发展前景4。目前的钒电池都是双极堆式结构 ， 由多个单电池串联组成 。 电池内部有公共的电解液通道 ，电解液通过每个单电池的支管流入电池内部 。 不同电池中的正电解液通过支管与公共通道中的正电解液相通 ， 不同电池负极电解液通过支管与公共通道中的负电解液相通 ， 这样不同电池之间通过电解液形成了离子通道 。 此外

8、， 由于电池堆通过多个单电池串联组成 ， 每个单电池之间形成了电子通道 。 当泵启动 ， 电解液充满整个堆电池时 ，离子通道和电子通道形成一个闭合回路 。 在存在电位差的时候 ， 这个回路可以不通过负载而在电堆内部发生自放电现象 ， 产生的电流就是漏电电流 。 漏电电流的存在将影响整个钒电池堆的库伦效率和能量效率 。 本文将使用 matlab 工具 ， 分析不同的充放电电流 、 电池组数和电解液阻值对漏电电流产生的影响 ， 为钒电池提高其库伦效率和能量效率提供有力依据 。1 漏电电流原理单电池结构图如图 1 （a） 所示 ， 由双极板 、隔膜 、 液流框和液流框中的石墨碳毡组成 （为了使图看起

9、来更清楚 ， 未画出石墨碳毡部分 ）。 图 1（a） 中的单电池若干个串联就形成了不同功率的钒电池堆 ， 如图 1 （b） 所示 。 图 1 （b） 中已标明出液口正负极电解液流向以及漏电回路 ， 由于电池堆结构对称 ， 所以进液口处形成的漏电回路与出液口回路成对称结构 。 15 个单电池组成的钒电池堆的等效电路如图 2 所示56。其中 ， I 为充放电电流 ， Ie,n为通过每个电池正负极时的电流 ， I2,n为通过液流框的支管电流 ， I3,1为每个电池之间主管公共通道的电流 。 因为正负极结构对称 ， 液流方向相反 ， 所以负极支管电流和负极主管公共通道电流均成对称结构 。 Re近似为膜

10、和碳毡的电阻 ， R2、 R3表示支管电阻和主管公共通道电解液电阻 。据基尔霍夫定律可根据电路图列出回路方程 、主路电流方程和支路电流方程 ， 如下 ：图 1 漏电电流原理图42DONGFANG TURBINEDONGFAN图 2 钒电池堆等效电路图回路方程 ：V0=R2I2,n+R3I3,n-R2I2,n+1-ReIe,2n（n=1,2,314）（1）主路电流方程 ：Ie,2m-1=Ie,2m+I2,m（m=1,2,315）Ie,2n=Ie,2n+1+I2,15-n+1（n=1,2,314）其中 ： Ie,1=Ie,30=I!#$（2）支路电流方程 ：I3,m=I3,m-1+I2,m其中 ：

11、 I3,0=I3,15=%0（m=1,2,315） （3）方程式中 Re、 R2和 R3可通过电解液浓度和液流框设计尺寸计算而得 ； 充电电流 I 分别用 50A、100A 和 150A 进行测试 ； 单电池放电电压 V0充电时为 1.5v， 放电 1.2v， 静止 1.35v。2 不同电流对漏电电流影响图 3 是 15 组单电池串联 ， Re、 R2和 R3电阻值 一 定 ， 截 止 电 压 一 定 ， 电 流 分 别 提 供 50A、100A 和 150A 时 ， 带入式 （1）、 （2） 和 （3） 计算所得结果 。由图 3 可以看出对于钒电池堆来说 ， 漏电电流在靠近堆的两侧时 ， 电

12、流较小 。 越靠近中间 ，漏电电流越大 。 此外钒电池堆用不同的电流进行充放电时 ， 充放电电流越大 ， 漏电电流越大 。 但通过功率计算 ， 充放电电流越大 ， 漏电电流消耗功率占堆总功率的比例就越小 （见表 1）。表 1 15 组漏电电流功率消耗表支路消耗功率 /W堆功率 /W支路 /堆功率 /%50A90.35611258.03100A95.11122504.23150A99.99133752.96-50A58.5849006.51-100A62.41918003.47-150A66.39427002.46充电 放电（b） 放电图 3 充放电电流和漏电电流的关系图43DONGFANG T

13、URBINEDONGFAN所以钒电池堆在正常工作时 ， 充放电电流减小 ， 漏电电流减小 ， 但漏电电流消耗功率比增大 ，会导致库伦效率和能量效率降低 。 当充放电电流增大时 ， 虽然漏电电流增大 ， 但漏电电流消耗的功率比将减小 ， 对钒电池堆库伦效率和能量效率的影响也较小 。3 不同组电池对漏电电流影响图 4 为单电池串联个数分别为 15、 20、 30 和40 组组成时 ， 在充放电电流为 100A 的情况下 ，引起的漏电电流大小的变化 。 其中 ， 图 x 轴表示钒电池堆中单电池的回路个数 ， 堆最中间的回路记为第 0 个 ， Y 轴表示漏电电流的大小 。（a） 充电图 4 单电池串联

14、组数与漏电电流关系图表 2 不同单电池串联组数产生漏电电流功率消耗表由图 4 可以看出 ， 充放电电流为 100A 时 ， 单电池串联组数越多 ， 引起的支路电流就越大 。 另外随着单电池串联个数的增加 ， 由表 2 可以看出 ，支路电流引起的功率消耗比也越来越大 。 所以减少单电池串联个数可以有效减小支路电流和漏电电流的功率消耗比 ， 从而提高钒电池的能量和库伦效率 。4 阻值变化对旁路电流影响图 5 阻值变化与漏电电流的关系图在前面的计算中 ， 电池的内阻 、 进液电阻和主管路电阻均在实验室电解液浓度为 1.2mol/L， 流道一定的情况下计算所得 ， 分别约为 0.8m、 22.1和 0

15、.325。 为了分析电池的内阻 、 进液电阻和主管路电阻分别对漏电电流的影响 ， 本实验分别将电池的内阻 、 进液电阻和主管路电阻的阻值在原电阻值的基础上降低 20%， 并观察漏电电流大小的变化 。 通过图 5 可以看出 ， 电池内阻的变化对（下转第 55 页）支路消耗功率 /W堆功率 /W支路 /堆功率 /%15 组95.11122504.2320 组189.50230006.330 组440.12145009.840 组729.094600012.2100A（b） 放电44DONGFANG TURBINEDONGFAN（上接第44页）支路电流的影响最小 ， 而且随着电池内阻的减小 ，支路电

16、流有减小的趋势 ； 而当进液电阻和主管路电阻减小时 ， 支路电流会升高 ， 其中主管路电阻的变化对支路电流影响最大 。5 结论针对目前钒电池的堆型结构 ， 漏电电流是必然的产物 。 它的存在会严重影响到电池的重要性能指标库伦效率和能量效率 。 所以尽可能减小或消除漏电电流显得尤为重要 。 本文通过对漏电电流计算分析 ， 主要得出以下结论 ：（1） 漏电电流大小与充放电电流成正比 ， 当充放电电流升高时 ， 漏电电流也随着升高 ， 当充放电电流降低时 ， 漏电电流随着降低 。 但计算显示 ， 充放电电流降低 ， 漏电电流下降时 ， 漏电电流所消耗的功率比则明显上升 ， 所以通过降低充放电电流来降低漏电电流是有限制的 ， 只能适当控制 。（2） 当单电池串联数目减少时 ， 不仅漏电电流减小 ， 其消耗功率比也明显减小 。 所以减少单电池串联数目可以明显提高电堆的整体性能 。 在电堆中间增加隔板相当于减少电池的串联数目 ，这是减小漏电电流 ， 提高堆性能的最有效的办法 。（3） 减小进液电阻尤其是主