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全钒液流电池，全称为全钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Battery，VRB)），是以+4、+5价态的钒离子溶液作为正极的活性物质，以+2、+3价态的钒离子溶液作为负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中。全钒液流电池中的钒理论上不会被消耗或消散，可进行循环使用，不会造成资源短缺浪费，具有良好的保值属性，并且具有安全性高、循环寿命极长、环境友好、响应速度快、容量规模易调节等优点。在政策支持和市场需求的推动下，钒电池的关键单元电堆和电解液性能不断提高，成本不断下降。
目前市场上的钒电池电堆、电解液种类多、差异化大，造成部分钒电池储能项目能量转化效率性能不理想，为了钒电池集成系统效率提升，本研究通过对市场上成熟的电堆、电解液产品在测试平台上进行适配性测试，形成最佳的钒电池电堆、电解液组合，为电池电堆与电解液适配性研究提供参考。
本研究测试平台为全钒液流电池的缩小版，以方便进行钒电池系统各种型号电堆、电解液的综合性能测试，通过测试数据对电堆和电解液的适配性进行综合评估，为电堆、电解液的研究和生产提供科学依据，为全钒液流电池系统的优化提供解决方案。测试平台由电池管理系统（BMS）、逆变器控制系统（PCS）、上位机监控及数据管理系统、正负极电解液罐、测试电堆及电解液组成，单堆测试功率最大为150kW。其中PCS包括能量双向的交流模块（AC）和直流模块（DC），为测试平台提供稳定的电流电压，可分别开展恒功率、恒电流、恒电压三种充放电测试模式，实现了PCS对测试功率控制及测试数据的检测功能。另外，在上位机（电脑）与设备通讯中断时，设备能持续存储测试数据，通讯恢复后将数据上传至上位机，上位机管理系统主要负责根据测试需求设置测试参数，同时满足实时数据显示以及测试数据记录和数据分析的功能。本研究所用测试电堆来源于市场上较为成熟的钒电池电堆生产厂家产品，电堆分别为：Ｔ公司25.6kW和42kW电堆、Ｗ公司32kW电堆、Ｆ公司32kW电堆、Ｌ公司32kW电堆，电堆参数如表1所示。本研究所用测试钒电解液主要采用市场上较为成熟的4家钒电解液产品，各公司电解液参数如表2所示。在测试平台中安装钒电池电堆产品，依次灌注1m3钒电解液测试产品，测试条件为恒功率模式下额定功率、80％额定功率，恒电流模式下140、170mA/cm2电流密度，测试方法参考《全钒液流电池电堆测试方法》（NB/T42132-2017），对比分析电堆、电解液适配性。采用A钒电解液与T1、T2、W、F、L五种电堆在恒功率和恒电流模式下进行测试。额定功率下进行充放电测试时，T1、T2、F以及W电堆能量效率均达到80％以上，特别是T2、W电堆能量效率达到82％以上；L电堆测试能量效率在77％左右，效果不佳。80％额定功率下进行充放电测试时，T1、T2、F以及W电堆能量效率均达到82％以上，特别是T2电堆、W电堆达到83％以上；L电堆测试能量效率有所提升，达到79.36％。在恒电流模式下进行充放电测试结果如表4所示（F电堆由于厂家对电堆技术参数保密，无法开展恒电流密度测试；L电堆无法正常进行充放电测试，无检测数据）。电流密度为140mA/cm2时，T1、T2、W电堆能量效率均达到82%以上，T2电堆达到83.56%;L电堆测试能量效率达到77.90%，相对较低。电流密度为170mA/cm2时，T1、T2电堆能量效率均达到81%以上，性能良好;W电堆能量效率仅78.19%在额定功率、80%额定功率、140mA/cm2电流密度、170mA/cm2电流密度4种测试条件下对A钒电解液与5种钒电池电堆进行适配性测试，测试结果表明:性能最佳为T2电堆，其次分别为T1、W、F电堆，L电堆测试能量效率低于80%性能一般。采用B1、B2钒电解液与T1、T2、F、L四个电堆在恒功率和恒电流模式下进行适配性测试(由于W电堆出现故障，故后续没有继续对其测试)。在恒功率模式下进行充放电测试结果如表5所示(T2电堆与B1在恒功率式下无法正常进行充放电测试，无检测数据)。额定功率下进行充放电测试时，T1、T2电堆能量效率达到80%以上;F电堆能量效率在79%左右;工电堆测试能量效率均在76%左右，效果不佳。两种电解液测试对比，B1性能微优于B2。80%额定功率下进行充放电测试时，T1、T2、F电堆能量效率均达到81%以上，特别是T1电堆能量效率达到82%以上。两种电解液对比，相同电堆条件下B1性能优于B2。在恒电流模式下进行充放电测试结果如表6所示(F电堆由于厂家对电堆技术参数保密，无法开展恒电流密度测试;T2电堆与B1在恒电流模式下无法正常进行充放电测试，无检测数据)。140mA/cm2电流密度下进行充放电测试，T1、T2电堆能量效率均达到81%以上;电堆与B1、B2电解液测试能量效率分别为79.21%、77.25%能量效率较低，两种电解液对比差距较大。170mA/cm2电流密度下进行充放电测试，T1电堆能量效率均达到80%以上;T2、L电堆能量效率低于80%。两种钒电解液对比，传统流程钒电解液产品性能优于短流程钒电解液产品，L电堆与传统流程、短流程电解液测试能量效率分别为76.78%、75.27%，能量效率较低。在额定功率、80%额定功率、140mA/cm电流密度、170mA/cm2电流密度4种测试条件下对B1、B2钒电解液与4个钒电池电堆进行适配性测试，测试结果表明:同等条件下，B1、B2钒电解液与4个电堆测试结果均低于A钒电解液测试结果，能量效率降低1%~1.5%。性能最佳为T1、T2电堆，测试数据相近。采用C钒电解液与T1、T2、F、L四个电堆在恒功率和恒电流模式下进行适配性测试。额定功率下进行充放电测试，使用C钒电解液条件下，4种电堆能量效率均低于80%。其中T1、T2、F电堆能量效率在79%左右;L电堆测试能量效率在77%左右，效果不佳;以往测试中T1、T2电堆能量效率大于F电堆，在本次测试中能量效率接近;T1、T2两种电堆能量效率均出现了下降，说明C电解液与T公司电堆适配性较差。80%额定功率下进行充放电测试，使用C钒电解液条件下，T1、T2、F电堆能量效率均高于80%，其中，T1电堆、F电堆能量效率在81%以上;L电堆测试能量效率在79%左右，效果不佳。此外，各电堆测试能量效率低于A、B电解液1%~2%。在恒电流模式下进行充放电测试结果的结果如表8所示(F电堆厂家由于电堆技术参数保密，无法开展恒电流密度测试)。140mA/cm2电流密度下进行充放电测试，T1电堆能量效率均达到80%以上，其余电堆均低于80%;T1、T2电堆测试结果相较其他电解液较差:L电堆测试能量效率为78.85%，能量效率较低，但与其他电解液测试结果比较差异不大。170mA/cm2电流密度下进行充放电测试，三种电堆能量效率低于80%，其中T1、T2能量效率在78%左右;L电堆能量效率保持在76.37%，与其他电解液测试结果差异不大。在额定功率、80%额定功率、140mA/cm2电流密度、170mA/cm2电流密度4种测试条件下对4个钒电池电堆与电解液进行适配性测试，测试结果表明:同等条件下，使用C电解液与4个电堆测试结果均低于使用A钒电解液测试结果:能量效率低2%~3%。T1、T2电堆测试结果降低2%~3%。F、L电堆测试结果与其他电解液测试结果差异不大。采用D钒电解液与T1、T2、L电堆在恒功率和恒电流模式下进行适配性测试(由于F电堆出现故障，故没有继续对其测试)额定功率下进行充放电测试，使用D钒电解液条件下，T2电堆能量效率最高，达到80.57%:T1、L电堆测试能量效率均低于80%，效果不佳。80%额定功率下进行充放电测试，使用D钒电解液条件下，T1、T2电堆能量效率在80%以上;L电堆测试能量效率在77.80%左右，效果不佳。各电堆测试能量效率低于其他电解液1%~2%。140mA/cm2电流密度下进行充放电测试，T1、T2电堆能量效率均达到80%以上，测试效果优于C电解液测试结果;L电堆测试能量效率为77.45%，能量效率较低。170mA/cm2电流密度下进行充放电测试，三种电堆能量效率低于80%，其中T1、T2电堆能量效率在78%左右;电堆能量效率保持在74.85%，能量效率较低。140mA/cm2电流密度下进行充放电测试，T1、T2电堆能量效率均达到80%以上，测试效果优于C电解液测试结果;L电堆测试能量效率为77.45%，能量效率较低。170mA/cm2电流密度下进行充放电测试，三种电堆能量效率低于80%，其中T1、T2电堆能量效率在78%左右;电堆能量效率保持在74.85%，能量效率较低。在额定功率、80%额定功率、140mA/cm2电流密度、170mA/cm2电流密度4种测试条件下对3个钒电池电堆与D钒电解液进行适配性测试，测试结果表明:同等条件下，使用D电解液与3个电堆测试结果均低于使用A钒电解液测试结果能量效率低2%~3%。T2电堆各条件下测试结果高于T1电堆测试结果，但均低于A、B电解液测试结果。钒电池电堆通常在额定功率条件下使用，综合以上数据，对各厂家钒电池电堆在额定功率下与各电解液产品进行对比，结果如图1所示。可以看出，T1、T2电堆与A、B1、B2电解液适配性良好，能量效率达到80%以上;W电堆只与A电解液进行了测试，能量效率接近T1电堆，性能相对较好;F电堆与A电解液适配性良好，达到81%，与其他电解液匹配能量效率低于80%;L电堆与五种电解液匹配测试能量效率仅有75%~77%，表现不佳。综上，测试结果较好的电堆为T1、T2、W电堆;测试结果较好的电解液为A、B钒电解液。通过对市场上成熟钒电池电堆产品、电解液适配性研究，深入了解各家钒电池电堆、电解液产品的优势与劣势，为钒液流储能电池项目建设提供可靠的数据支撑，为进一步提升行业发展提供动力。此外，钒电池系统充放电控制模式、余热回收及利用、储罐定制化设计、旁路电流降低措施等方面均对钒液流储能电池能量转化效率有重要影响，如何进一步优化设计，提升钒电池整体能量转化效率，需钒电池储能行业人员共同努力。
