本文簡述了儲能發展的行業背景，隨著中國能源結構的轉型和調整，儲能在能源發展中占據著越來越重要的地位。重點介紹了國家電投集團科學技術研究院有限公司正在發展的鐵-鉻液流電池技術。

文中指出，由于鐵-鉻液流電池具有效率高、循環壽命長、使用溫度范圍大、功率模塊化、容量可定制化、安全性高、環境友好、成本低等優點，是目前極具發展前景的大規模儲能技術。作為工程案例，介紹了國家電投集團科學技術研究院有限公司正在建設的250 kW/1.5 MW·h鐵-鉻液流電池儲能示范電站的技術參數以及進展情況。最后總結指出，鐵-鉻液流電池技術的大規模商業應用和推廣，將為儲能領域帶來一種新的技術創新和突破，有力促進儲能技術的應用和發展。

隨著中國能源結構轉型，習總書記提出了“四個革命、一個合作”的能源安全戰略重要論述，并在十九大報告中提出努力構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系的目標。隨著中國清潔能源利用比例的不斷提高，風電、光伏固有的間歇性和波動性特點在規模并網時對電力系統的穩定運行提出了嚴峻考驗。儲能不僅能夠解決新能源的間歇性和波動性問題，還能夠提高電網穩定性和供電質量，提供各種能源的時空轉移，是能源發展版圖中的一塊重要拼圖。

結合中國能源結構調整的趨勢，自2014年起連續出臺包括《關于促進儲能技術與產業發展指導意見》（以下簡稱“儲能指導意見”）在內的多項文件，積極促進儲能技術與產業發展，力爭在十年內實現儲能由研發示范向規模化發展的轉變。

根據中關村儲能產業技術聯盟（CNESA）數據統計，截至2018年底，全國儲能總裝機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境限制較多，必須尋找其他大規模儲能技術。電化學儲能技術是目前除抽水蓄能外最成熟的儲能技術，截至2019年9月底，中國已投運電化學儲能項目的累計裝機規模為1267.8 MW，占中國儲能市場的4.0%。在電化學儲能中，鋰離子電池依然占據較大的比例，但是由于其應用過程中始終伴隨著安全性的問題，在儲能領域的規模化應用中帶來了巨大的不確定性。液流電池被認為是目前最具有發展前景的大規模儲能方式。

1 鐵鉻液流電池技術介紹

1.1 液流電池特點

液流電池是一種正、負極活性物質均為液體的電化學電池，其液態活性物質既為電極活性材料，又為電解質溶液，被分別儲存在獨立的儲液罐中，通過外接管路與流體泵使電解質溶液流入電池堆內進行反應。在機械動力作用下，液態活性物質在不同的儲液罐與電池堆的閉合回路中循環流動，采用離子交換膜作為電池組的隔膜，電解質溶液平行流過電極表面并發生電化學反應。系統通過雙極板收集和傳導電流，從而使得儲存在溶液中的化學能轉換成電能。這個可逆的反應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以液體形態儲存在兩個分離的儲液罐中，由泵驅動電解質溶液在獨立存在的電池堆中反應，電池堆與儲液罐分離，在常溫常壓運行，因此安全性高，沒有潛在爆炸風險。此外，液流電池的特點還包括：容易實現規模化（MW級），可以靈活配置功率和容量、組裝方便、選址自由、循環壽命長、響應速度快、自放電率低、深度放電性能良好、環境友好、無污染排放、運行與維護費用低等。

1.2 鐵鉻液流電池發展歷史

鐵-鉻液流電池技術起源于20世紀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），該中心的科學家Thaller發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上，最終選擇了鐵-鉻液流電池（Fe/Cr RFB）體系作為主要的研發對象，因為其成本低廉、綜合電化學特性較好。實驗測試結果表明，在碳電極上正極Fe3+/Fe2+離子的氧化還原反應可逆性好，負極Cr3+/Cr2+氧化還原反應可逆性較差，但是經過在負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-鉻液流電池儲能系統[13]。后期為了改善系統的性能，在單電池基礎上開展了進一步的研發，電解液采用了鐵、鉻離子的混合溶液，并且升高了操作溫度，從而保持了系統容量的相對穩定。同時，也提高了電極的性能。在此基礎上，NASA認為鐵-鉻液流電池儲能技術達到了商業化應用的技術程度，開始轉入商業公司Standard Oil of Ohio準備產品的開發，但是由于石油危機的減緩或可能其他原因，該公司沒有選擇將這一技術進行商業應用的發展。NASA的科學家之一Reid對NASA的技術發展做了詳細描述。

日本新能源產業技術開發機構（NEDO）于1974年制訂了戰略性節能規劃“月光計劃”，把從基礎研究到開發階段的節能技術列為國家的重點科研項目，以保證節能技術的開發和加強國際節能技術合作。在與NASA的研發合同下，NEDO對鐵-鉻液流電池儲能技術開展了進一步研究，于1983年推出了改進型的1 kW的鐵-鉻液流電池系統。通過改進電極材料，增大電極面積，將電池的能量效率提高到了82.9%。隨后，電池制造工藝轉移到三井造船公司進行規模放大，并于20世紀80年代后期推出了10 kW的鐵-鉻液流電池系統。可以說，鐵-鉻液流電池儲能系統的技術基礎已經形成。

隨著新能源的發展，對儲能技術的需求越來越迫切，美國EnerVault公司繼承了NASA的技術體系，進行了規模放大，該公司注重于鐵-鉻液流電池儲能技術在大型電網方面的應用，在2014年建成了全球第一座250 kW/1000 kW·h鐵-鉻液流電池儲能電站。

國內在20世紀90年代初期有幾家單位對鐵-鉻液流電池進行了跟蹤研究。其中，中科院長春應用化學研究所的江志韞團隊對NASA在七八十年代的工作做了細致的綜述，中科院大連化學物理研究所的衣寶廉團隊于1992年曾經推出過270 W的小型鐵-鉻液流電池電堆。但是由于鐵-鉻液流電池技術中關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，國家電投集團科學技術研究院有限公司采用的鐵-鉻液流電池技術采用混合的鐵、鉻離子溶液，已經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；并且在儲能系統中設計安裝了再平衡系統，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。進一步提升了鐵-鉻液流電池技術水平。

1.3 鐵-鉻液流電池原理與優勢

鐵-鉻液流電池儲能單元的電解質溶液為鹽酸鹽的水溶液，其正負極的電化學氧化還原反應分別為：


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電池相比，具有明顯的技術優勢，具體優點如下。

（1）循環次數多，壽命長。鐵-鉻液流電池的循環壽命最低可達到10000次，與全釩液流電池持平，壽命遠遠高于鈉硫電池、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溶液采用水性溶液，沒有爆炸風險。且電解質溶液儲存在兩個分離的儲液罐中，電池堆與儲液罐分離，在常溫常壓下運行，安全性高。

（3）電解質溶液毒性和腐蝕性相對較低，穩定性好。鐵-鉻液流電池的電解質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）環境適應性強，運行溫度范圍廣。相比其他液流電池，鐵-鉻液流電池的運行溫度更加寬，電解質溶液可在-20～70 ℃全范圍啟動。

（5）儲罐設計，無自放電。電能儲存在電解質溶液內，而電解質溶液存儲在儲罐里，因此不存在自放電現象，尤其適用于做備用電源等。

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

（7）模塊化設計，系統穩定性與可靠性高。鐵-鉻液流電池系統采用模塊化設計，以250 kW一個模塊為例，一個模塊是由8個電池堆放置在一個標準集裝箱內，因此電池堆之間一致性好，系統控制簡單，性能穩定可靠。

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

（9）資源豐富，成本低廉。電解質溶液原材料資源豐富且成本低，不會出現短期內資源制約發展的情況。鐵-鉻液流電池的電解質溶液原材料鐵、鉻資源豐富，易獲取，成本低，因而是可持續發展的儲能技術。

鐵-鉻液流電池與其他電化學電池的技術對比見表1，關鍵原材料的儲量及價格對比見表2。

表1 鐵-鉻液流電池與其他電化學電池技術對比表


注：①年產能300 MW的估算結果。

表2鐵鉻液流電池與其他電化學電池關鍵原材料對比表


注：①數據來源于USGS（美國地質勘探局）2018年報告；②關鍵原材料價格為2019年2月14日價格。

2 鐵鉻液流電池研究進展

目前，國家電投集團科學技術研究院有限公司正在建設國內首座百千瓦級鐵-鉻液流電池儲能示范電站。系統額定輸出功率250 kW，容量1.5 MW·h，由8個31.25 kW的電池堆，以及相應的電解液儲罐、電解液輸送泵、交直流轉換器、控制系統、測量元器件以及管道閥門組成。示范電站的設計參數如下文所述。

電池堆是鐵鉻液流電池儲能系統的核心部件，由多個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-鉻液流電池儲能示范電站采用8個額定輸出功率31.25 kW的電池堆。2019年11月，由國家電投集團科學技術研究院有限公司研發的首個31.25 kW鐵-鉻液流電池電堆（“容和一號”）成功下線，經測試，性能指標滿足設計參數要求。示范項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-鉻液流電池儲能示范項目設計參數


同時，示范項目現場也正在開展土建施工和設備安裝等工作。示范項目將于2020年完成調試并投入運行。示范項目的建成，將是國內首座百千瓦級鐵-鉻液流電池儲能示范電站，對鐵-鉻液流電池技術的推廣應用將起到積極的示范作用。隨之而來的大規模商業應用和推廣，必將為儲能領域帶來一種新的技術創新和突破，也將有力促進儲能技術的應用和發展，為國家儲能戰略提供一條更加可靠、經濟和安全的技術路線。

在開展示范項目建設的同時，國家電投集團科學技術研究院有限公司也正在開展新一代鐵-鉻液流電池技術的研發工作。新一代的鐵-鉻液流電池技術將進一步提高電流密度，降低度電成本，從而具有更好的市場競爭力。

3 結 論

隨著中國能源結構的轉型和調整，為儲能提供了巨大的市場空間，儲能面臨的是前所未有的機遇和爆發式的需求增長。

在眾多的儲能技術中，鐵-鉻液流電池是一種極具發展潛力的大規模儲能技術，具有效率高、循環壽命長、使用溫度范圍大、功率模塊化、容量可定制化、安全性高、環境友好、成本低等優點，能夠廣泛應用在發電側、電網側和用戶側，從提供短時間的調頻、提高電能質量到長時間的削峰填谷、緩解輸電線路阻塞，能夠提供能量的時空轉移，是解決大規模新能源發電并網所帶來的問題和提升電網對其接納能力的重要措施。

國家電投集團科學技術研究院有限公司正在建設國內首座百千瓦級鐵-鉻液流電池儲能示范電站，對鐵-鉻液流電池技術的推廣應用將起到積極的示范作用。隨之而來的大規模商業應用和推廣，必將為儲能領域帶來一種新的技術創新和突破，也將有力促進儲能技術的應用和發展，為國家儲能戰略提供一條更加可靠、經濟和安全的技術路線。

引用本文： 楊林,王含,李曉蒙等.鐵-鉻液流電池250 kW/1.5 MW·h示范電站建設案例分析[J].儲能科學與技術,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，研究方向為儲能技術，E-mail：yanglin@spic.com.cn。