本文簡述了儲(chǔ)能發(fā)展的行業(yè)背景，隨著中國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和調(diào)整，儲(chǔ)能在能源發(fā)展中占據(jù)著越來越重要的地位。重點(diǎn)介紹了國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司正在發(fā)展的鐵-鉻液流電池技術(shù)。

文中指出，由于鐵-鉻液流電池具有效率高、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍大、功率模塊化、容量可定制化、安全性高、環(huán)境友好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前極具發(fā)展前景的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。作為工程案例，介紹了國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司正在建設(shè)的250 kW/1.5 MW·h鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能示范電站的技術(shù)參數(shù)以及進(jìn)展情況。最后總結(jié)指出，鐵-鉻液流電池技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用和推廣，將為儲(chǔ)能領(lǐng)域帶來一種新的技術(shù)創(chuàng)新和突破，有力促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

隨著中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，習(xí)總書記提出了“四個(gè)革命、一個(gè)合作”的能源安全戰(zhàn)略重要論述，并在十九大報(bào)告中提出努力構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系的目標(biāo)。隨著中國清潔能源利用比例的不斷提高，風(fēng)電、光伏固有的間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)在規(guī)模并網(wǎng)時(shí)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。儲(chǔ)能不僅能夠解決新能源的間歇性和波動(dòng)性問題，還能夠提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和供電質(zhì)量，提供各種能源的時(shí)空轉(zhuǎn)移，是能源發(fā)展版圖中的一塊重要拼圖。

結(jié)合中國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的趨勢，自2014年起連續(xù)出臺(tái)包括《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見》（以下簡稱“儲(chǔ)能指導(dǎo)意見”）在內(nèi)的多項(xiàng)文件，積極促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，力爭在十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能由研發(fā)示范向規(guī)模化發(fā)展的轉(zhuǎn)變。

根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年底，全國儲(chǔ)能總裝機(jī)0.31億千瓦中，0.3億千瓦為抽水蓄能。但是抽水蓄能受自然環(huán)境限制較多，必須尋找其他大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是目前除抽水蓄能外最成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，截至2019年9月底，中國已投運(yùn)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為1267.8 MW，占中國儲(chǔ)能市場的4.0%。在電化學(xué)儲(chǔ)能中，鋰離子電池依然占據(jù)較大的比例，但是由于其應(yīng)用過程中始終伴隨著安全性的問題，在儲(chǔ)能領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用中帶來了巨大的不確定性。液流電池被認(rèn)為是目前最具有發(fā)展前景的大規(guī)模儲(chǔ)能方式。

1 鐵鉻液流電池技術(shù)介紹

1.1 液流電池特點(diǎn)

液流電池是一種正、負(fù)極活性物質(zhì)均為液體的電化學(xué)電池，其液態(tài)活性物質(zhì)既為電極活性材料，又為電解質(zhì)溶液，被分別儲(chǔ)存在獨(dú)立的儲(chǔ)液罐中，通過外接管路與流體泵使電解質(zhì)溶液流入電池堆內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。在機(jī)械動(dòng)力作用下，液態(tài)活性物質(zhì)在不同的儲(chǔ)液罐與電池堆的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)，采用離子交換膜作為電池組的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。系統(tǒng)通過雙極板收集和傳導(dǎo)電流，從而使得儲(chǔ)存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。這個(gè)可逆的反應(yīng)過程使液流電池順利完成充電、放電和再充電。

液流電池和通常以固體作電極的普通蓄電池不同，液流電池的活性物質(zhì)以液體形態(tài)儲(chǔ)存在兩個(gè)分離的儲(chǔ)液罐中，由泵驅(qū)動(dòng)電解質(zhì)溶液在獨(dú)立存在的電池堆中反應(yīng)，電池堆與儲(chǔ)液罐分離，在常溫常壓運(yùn)行，因此安全性高，沒有潛在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。此外，液流電池的特點(diǎn)還包括：容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化（MW級），可以靈活配置功率和容量、組裝方便、選址自由、循環(huán)壽命長、響應(yīng)速度快、自放電率低、深度放電性能良好、環(huán)境友好、無污染排放、運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用低等。

1.2 鐵鉻液流電池發(fā)展歷史

鐵-鉻液流電池技術(shù)起源于20世紀(jì)七八十年代美國國家航空航天局（NASA）的路易斯研究中心（Lewis Research Center），該中心的科學(xué)家Thaller發(fā)明了氧化還原液流電池的概念，他們在篩選了多種氧化還原體系電對基礎(chǔ)上，最終選擇了鐵-鉻液流電池（Fe/Cr RFB）體系作為主要的研發(fā)對象，因?yàn)槠涑杀镜土?、綜合電化學(xué)特性較好。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，在碳電極上正極Fe3+/Fe2+離子的氧化還原反應(yīng)可逆性好，負(fù)極Cr3+/Cr2+氧化還原反應(yīng)可逆性較差，但是經(jīng)過在負(fù)極上沉積催化劑改善其可逆性，電極性能得到顯著改善。NASA首先研制出了1 kW的鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)[13]。后期為了改善系統(tǒng)的性能，在單電池基礎(chǔ)上開展了進(jìn)一步的研發(fā)，電解液采用了鐵、鉻離子的混合溶液，并且升高了操作溫度，從而保持了系統(tǒng)容量的相對穩(wěn)定。同時(shí)，也提高了電極的性能。在此基礎(chǔ)上，NASA認(rèn)為鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能技術(shù)達(dá)到了商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)程度，開始轉(zhuǎn)入商業(yè)公司Standard Oil of Ohio準(zhǔn)備產(chǎn)品的開發(fā)，但是由于石油危機(jī)的減緩或可能其他原因，該公司沒有選擇將這一技術(shù)進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展。NASA的科學(xué)家之一Reid對NASA的技術(shù)發(fā)展做了詳細(xì)描述。

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）于1974年制訂了戰(zhàn)略性節(jié)能規(guī)劃“月光計(jì)劃”，把從基礎(chǔ)研究到開發(fā)階段的節(jié)能技術(shù)列為國家的重點(diǎn)科研項(xiàng)目，以保證節(jié)能技術(shù)的開發(fā)和加強(qiáng)國際節(jié)能技術(shù)合作。在與NASA的研發(fā)合同下，NEDO對鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能技術(shù)開展了進(jìn)一步研究，于1983年推出了改進(jìn)型的1 kW的鐵-鉻液流電池系統(tǒng)。通過改進(jìn)電極材料，增大電極面積，將電池的能量效率提高到了82.9%。隨后，電池制造工藝轉(zhuǎn)移到三井造船公司進(jìn)行規(guī)模放大，并于20世紀(jì)80年代后期推出了10 kW的鐵-鉻液流電池系統(tǒng)?？梢哉f，鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)形成。

隨著新能源的發(fā)展，對儲(chǔ)能技術(shù)的需求越來越迫切，美國EnerVault公司繼承了NASA的技術(shù)體系，進(jìn)行了規(guī)模放大，該公司注重于鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能技術(shù)在大型電網(wǎng)方面的應(yīng)用，在2014年建成了全球第一座250 kW/1000 kW·h鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能電站。

國內(nèi)在20世紀(jì)90年代初期有幾家單位對鐵-鉻液流電池進(jìn)行了跟蹤研究。其中，中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所的江志韞團(tuán)隊(duì)對NASA在七八十年代的工作做了細(xì)致的綜述，中科院大連化學(xué)物理研究所的衣寶廉團(tuán)隊(duì)于1992年曾經(jīng)推出過270 W的小型鐵-鉻液流電池電堆。但是由于鐵-鉻液流電池技術(shù)中關(guān)鍵問題陰極析氫與電解液互混未得到解決，研究一度止步。

目前，國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司采用的鐵-鉻液流電池技術(shù)采用混合的鐵、鉻離子溶液，已經(jīng)成功解決了電解液互混問題；通過催化劑解決了陰極析氫問題；并且在儲(chǔ)能系統(tǒng)中設(shè)計(jì)安裝了再平衡系統(tǒng)，有效解決了電解液的衰減問題，極大地提高了鐵-鉻液流電池的使用壽命。進(jìn)一步提升了鐵-鉻液流電池技術(shù)水平。

1.3 鐵-鉻液流電池原理與優(yōu)勢

鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能單元的電解質(zhì)溶液為鹽酸鹽的水溶液，其正負(fù)極的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)分別為：


鐵鉻液流電池的原理示意圖見圖1。


鐵-鉻液流電池與其他電化學(xué)電池相比，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，具體優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）循環(huán)次數(shù)多，壽命長。鐵-鉻液流電池的循環(huán)壽命最低可達(dá)到10000次，與全釩液流電池持平，壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鈉硫電池、鋰離子電池和鉛酸電池。

（2）無爆炸可能，安全性高。鐵-鉻液流電池的電解質(zhì)溶液采用水性溶液，沒有爆炸風(fēng)險(xiǎn)。且電解質(zhì)溶液儲(chǔ)存在兩個(gè)分離的儲(chǔ)液罐中，電池堆與儲(chǔ)液罐分離，在常溫常壓下運(yùn)行，安全性高。

（3）電解質(zhì)溶液毒性和腐蝕性相對較低，穩(wěn)定性好。鐵-鉻液流電池的電解質(zhì)溶液是含鐵鹽和鉻鹽的稀鹽酸溶液，毒性和腐蝕性相對較低。

（4）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)行溫度范圍廣。相比其他液流電池，鐵-鉻液流電池的運(yùn)行溫度更加寬，電解質(zhì)溶液可在-20～70 ℃全范圍啟動(dòng)。

（5）儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)，無自放電。電能儲(chǔ)存在電解質(zhì)溶液內(nèi)，而電解質(zhì)溶液存儲(chǔ)在儲(chǔ)罐里，因此不存在自放電現(xiàn)象，尤其適用于做備用電源等。

（6）定制化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)容。鐵-鉻液流電池的額定功率和額定容量是獨(dú)立的，功率大小取決于電池堆，容量大小取決于電解質(zhì)溶液，可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行功率和容量的量身定制。在對功率要求不變的情況下，只需要增加電解質(zhì)溶液即可擴(kuò)容，十分簡便。

（7）模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性高。鐵-鉻液流電池系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，以250 kW一個(gè)模塊為例，一個(gè)模塊是由8個(gè)電池堆放置在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，因此電池堆之間一致性好，系統(tǒng)控制簡單，性能穩(wěn)定可靠。

（8）廢舊電池易于處理，電解質(zhì)溶液可循環(huán)利用。鐵-鉻液流電池的結(jié)構(gòu)材料、離子交換膜和電極材料分別是金屬、塑料（或樹脂）和碳材料，容易進(jìn)行環(huán)保處理，電解質(zhì)溶液理論上是可以永久循環(huán)利用的。

（9）資源豐富，成本低廉。電解質(zhì)溶液原材料資源豐富且成本低，不會(huì)出現(xiàn)短期內(nèi)資源制約發(fā)展的情況。鐵-鉻液流電池的電解質(zhì)溶液原材料鐵、鉻資源豐富，易獲取，成本低，因而是可持續(xù)發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)。

鐵-鉻液流電池與其他電化學(xué)電池的技術(shù)對比見表1，關(guān)鍵原材料的儲(chǔ)量及價(jià)格對比見表2。

表1 鐵-鉻液流電池與其他電化學(xué)電池技術(shù)對比表


注：①年產(chǎn)能300 MW的估算結(jié)果。

表2鐵鉻液流電池與其他電化學(xué)電池關(guān)鍵原材料對比表


注：①數(shù)據(jù)來源于USGS（美國地質(zhì)勘探局）2018年報(bào)告；②關(guān)鍵原材料價(jià)格為2019年2月14日價(jià)格。

2 鐵鉻液流電池研究進(jìn)展

目前，國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司正在建設(shè)國內(nèi)首座百千瓦級鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能示范電站。系統(tǒng)額定輸出功率250 kW，容量1.5 MW·h，由8個(gè)31.25 kW的電池堆，以及相應(yīng)的電解液儲(chǔ)罐、電解液輸送泵、交直流轉(zhuǎn)換器、控制系統(tǒng)、測量元器件以及管道閥門組成。示范電站的設(shè)計(jì)參數(shù)如下文所述。

電池堆是鐵鉻液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，由多個(gè)單電池以疊加的方式組合而成（電池堆工作原理圖如圖2所示）。250 kW/1.5 MW·h鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能示范電站采用8個(gè)額定輸出功率31.25 kW的電池堆。2019年11月，由國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司研發(fā)的首個(gè)31.25 kW鐵-鉻液流電池電堆（“容和一號”）成功下線，經(jīng)測試，性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求。示范項(xiàng)目的其他電池堆正在開展組裝及測試工作。


圖2電池堆工作原理圖表3250 kW/1.5 MW·h鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能示范項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)


同時(shí)，示范項(xiàng)目現(xiàn)場也正在開展土建施工和設(shè)備安裝等工作。示范項(xiàng)目將于2020年完成調(diào)試并投入運(yùn)行。示范項(xiàng)目的建成，將是國內(nèi)首座百千瓦級鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能示范電站，對鐵-鉻液流電池技術(shù)的推廣應(yīng)用將起到積極的示范作用。隨之而來的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用和推廣，必將為儲(chǔ)能領(lǐng)域帶來一種新的技術(shù)創(chuàng)新和突破，也將有力促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，為國家儲(chǔ)能戰(zhàn)略提供一條更加可靠、經(jīng)濟(jì)和安全的技術(shù)路線。

在開展示范項(xiàng)目建設(shè)的同時(shí)，國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司也正在開展新一代鐵-鉻液流電池技術(shù)的研發(fā)工作。新一代的鐵-鉻液流電池技術(shù)將進(jìn)一步提高電流密度，降低度電成本，從而具有更好的市場競爭力。

3 結(jié) 論

隨著中國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和調(diào)整，為儲(chǔ)能提供了巨大的市場空間，儲(chǔ)能面臨的是前所未有的機(jī)遇和爆發(fā)式的需求增長。

在眾多的儲(chǔ)能技術(shù)中，鐵-鉻液流電池是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，具有效率高、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍大、功率模塊化、容量可定制化、安全性高、環(huán)境友好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)，從提供短時(shí)間的調(diào)頻、提高電能質(zhì)量到長時(shí)間的削峰填谷、緩解輸電線路阻塞，能夠提供能量的時(shí)空轉(zhuǎn)移，是解決大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)所帶來的問題和提升電網(wǎng)對其接納能力的重要措施。

國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司正在建設(shè)國內(nèi)首座百千瓦級鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能示范電站，對鐵-鉻液流電池技術(shù)的推廣應(yīng)用將起到積極的示范作用。隨之而來的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用和推廣，必將為儲(chǔ)能領(lǐng)域帶來一種新的技術(shù)創(chuàng)新和突破，也將有力促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，為國家儲(chǔ)能戰(zhàn)略提供一條更加可靠、經(jīng)濟(jì)和安全的技術(shù)路線。

引用本文： 楊林,王含,李曉蒙等.鐵-鉻液流電池250 kW/1.5 MW·h示范電站建設(shè)案例分析[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2020,09(03):751-756.

YANG Lin,WANG Han,LI Xiaomeng,et al.Introduction and engineering case analysis of 250 kW/1.5 MW·h iron-omium redox flow batteries energy storage demonstrationpower station[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(03):751-756.

第一作者：楊林（1981—），男，博士，高級工程師，研究方向?yàn)閮?chǔ)能技術(shù)，E-mail：yanglin@spic.com.cn。