鋅溴電池在廣電機(jī)房中的應(yīng)用

張亮

摘要：鋅溴液流儲能電池具有可任意疊加、模塊化特點，與傳統(tǒng)的鉛酸電池比，具有優(yōu)越的循環(huán)充放電性能、較高的能量密度及功率密度。根據(jù)GB 50058-2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》、DL/T5044-2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》和GB 50055-2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》，在考慮性能與成本后，安徽廣播電視大樓IDC機(jī)房與配電室選用鋅溴液流儲能電池，并提供了選擇該類電池容量的工程計算方法。

關(guān)鍵詞：儲能電池；鋅溴氧化還原液流電池；電池容量選擇

安徽廣播電視大樓不但有開閉所、配電室，還有大量的IDC機(jī)房，它是數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交換的計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電子設(shè)備等，需要大量的儲能電池支撐。

1儲能電池發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前主要的儲能電池主要有以下幾種：其一是鉛酸電池，它是使用最廣泛、具有價格優(yōu)勢的儲能電池；但它存在著循環(huán)壽命短、能量效率低、自放電率高、對環(huán)境有污染等缺點。鈉硫電池發(fā)明于20世紀(jì)60年代中期，主要用于新能源汽車的測試；理論上鈉硫電池的熱穩(wěn)定性好、能量密度高，并且沒有自放電現(xiàn)象，但存在嚴(yán)重的電池穩(wěn)定性問題。鎘鎳電池是由愛迪生在一百多年前發(fā)明的，但由于當(dāng)時的技術(shù)條件限制，未得到實際應(yīng)用，后經(jīng)過幾次改進(jìn)，才得到推廣應(yīng)用；但是鎘鎳電池的鎘化合物污染嚴(yán)重、毒性較大，其發(fā)展受到了限制。中科院大連化學(xué)物理研究所對釩液流電池進(jìn)行的研發(fā)，在很多關(guān)鍵領(lǐng)域取得進(jìn)展，己經(jīng)進(jìn)入實用化階段，但還存在一些技術(shù)難題沒解決好，比電極材料、電池隔膜的選擇問題，故釩液流電池還不能廣泛使用。

經(jīng)過技術(shù)人員研究發(fā)現(xiàn)：液流電池可循環(huán)流動，它的容量決定電池的容量，用鋅作電極可做到高能量密度、低制造成本，尤其在較大規(guī)模儲能系統(tǒng)有較大的應(yīng)用潛力。把液流電池與鋅電極兩點優(yōu)勢結(jié)合，而出現(xiàn)的鋅溴氧化還原液流電池受到了人們的廣泛關(guān)注和重視。根據(jù)桑迪亞國家實驗室的研究，鋅溴電池組可以做成可移動的裝置，這對于公共事業(yè)是有好處的，能夠校正間歇的電壓干擾，提供瞬時和持久電流中斷期的保護(hù)。中國鋅溴氧化還原液流電池研究從20世紀(jì)90年代開始，雖起步相對較晚，但發(fā)展較快。在鋅溴電池原材料國產(chǎn)化方面做了大量工作，已建成鋅溴電池關(guān)鍵材料、單電池、單堆、模塊以及儲能試驗系統(tǒng)等，其鋅溴氧化還原液流電池產(chǎn)品，質(zhì)能比可達(dá)40W·h/kg。所以，最新的鋅溴氧化還原液流電池產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。不同儲能電池的技術(shù)與價格比較如表1所示。

2鋅溴電池的原理與結(jié)構(gòu)

鋅溴氧化還原液流電池主要由鋅電堆、溴化鋅電解液、電池液路循環(huán)系統(tǒng)三部分組成，其中鋅電堆包括終端電極、終端板、雙極板和隔離膜。鋅溴液流電池負(fù)極電對的充放電產(chǎn)物不溶于電解液而沉積在電極上，正負(fù)半電池由隔離膜依次堆疊組合而成，兩側(cè)電解液均為znBr2溶液；電解液在儲液罐和電池構(gòu)成的閉合回路中循環(huán)流動。鋅溴液流電池的反應(yīng)活性物質(zhì)為溴化鋅，基礎(chǔ)電化學(xué)反應(yīng)可表示如下：

鋅溴氧化還原液流電池同高級鉛酸電池、鈉硫電池、鎘鎳電池、釩液流電池等其他電池技術(shù)相比，它具有下列特點：

（1）鋅溴氧化還原液流電池和常用的鉛酸電池比，具有較高的能量密度。理論能量密度可達(dá)435 w·h/kg，實際鋅溴氧化還原液流電池產(chǎn)品能量密度可達(dá)60W·h/kg；

（2）溴化鋅電解液進(jìn)入電堆后，分成四股，并在扇形擴(kuò)散腔內(nèi)實現(xiàn)流態(tài)擴(kuò)散，之后進(jìn)入反應(yīng)區(qū)域，為電化學(xué)反應(yīng)提供足量活性物質(zhì)，它不存在電解液的交叉污染；

（3）溴化鋅水溶液為電化學(xué)反應(yīng)提供足量活性物質(zhì)，提高液體在扇形通道內(nèi)的流速，它有利于儲能電池系統(tǒng)的熱量管理，傳統(tǒng)的鉛酸電池很難做到這點。

（4）鋅溴氧化還原液流電池可以頻繁地進(jìn)行深度放電，而不會對電池的性能和壽命造成影響，理論上其壽命無限。實際產(chǎn)品可實現(xiàn)2000次的深度充放電，平均壽命是鉛酸電池的三倍。

（5）電解液為水溶液，且主要反應(yīng)物質(zhì)為溴化鋅，不易出現(xiàn)爆炸、著火等嚴(yán)重事故，具有很高的安全性，較易滿足爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范的要求。

（6）所使用的電極及隔膜材料主要成分為塑料，不含重金屬，價格低廉，可回收利用且對環(huán)境友好。

鋅溴電池的運行原理如下：電池的活性物質(zhì)存儲在電解液罐中，電池工作時正負(fù)極電解液由各自的動力泵強(qiáng)制在儲液罐和鋅電堆為主體的電池中進(jìn)行循環(huán)流動。鋅被電鍍在電池內(nèi)部負(fù)極側(cè)，溴伴隨自由電子的產(chǎn)生在電池的正極側(cè)。充電時鋅沉積在負(fù)極上，在正極生成的溴會馬上把電解液中的溴絡(luò)合成油狀物質(zhì)，這種絡(luò)合物使水溶液相中的溴含量大幅度減少，且該物質(zhì)密度大于電解液，會在液體循環(huán)過程中逐漸沉積在儲罐底部，大大減小了溴的蒸汽壓，提高了系統(tǒng)安全性。放電時正極儲罐的閥打開，儲罐里的絡(luò)合溴會與正極電解液充分混合打散，在正極表面發(fā)生反應(yīng)生成溴離子，附近的金屬鋅溶解成為鋅離子，電解液重新回到溴化鋅溶液的狀態(tài)，反應(yīng)是完全可逆的?？梢婋姵氐娜萘咳Q于電解液貯存罐的容積，而電池功率則取決于鋅電堆的大小。

3鋅溴液流電池的工程應(yīng)用

廣電中心應(yīng)急照明用當(dāng)容量較大時，宜選用集中分區(qū)供電；考容量較小時，宜選用分散供電；慮性價比及儲能電池技術(shù)的成熟程度，可選用鋅溴電池。廣電中心變電所分、合閘直流電源可選用高級鉛酸電池；當(dāng)蓄電池同時作為變電所操作電源和建筑物應(yīng)急照明集中供電電源時，宜選鋅溴電池。在廣電中心設(shè)計上應(yīng)符合GB50058-2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》、DL/T5044-2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》、GB50055-2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計規(guī)范》以及《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》“第八部分”蓄電池的要求。

鋅溴電池系統(tǒng)的選擇，要計算電池的容量，這是保證電池供電時間與電流大小的必要指標(biāo)，它由溴化鋅電解液容量決定。另一個重要指標(biāo)是，電池的最大放電電流。這是由電池配的電堆大小決定的，也是決定電池成本的一個重要因素。當(dāng)電路短路時蓄電池產(chǎn)生沖擊電流。電堆在控制電路的控制下，限制電池的放電電流，從而保護(hù)電池與供電線路，在設(shè)定的電流內(nèi)供電。由此看來鋅溴電池的成本是由三個部分組成：①正極解液和負(fù)極電解液貯存罐，和電動泵組成的循環(huán)系統(tǒng)；②電堆；③控制與顯示電控系統(tǒng)。為此，當(dāng)電池輸出功率一定時，增加儲電量，電池成本不會增加很多，這也是鋅溴電池與傳統(tǒng)電池的一大區(qū)別。