【正文】 規(guī)模液流儲能的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的復雜性，建立各種可再生能源發(fā)電單元和液流儲能單元的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模型是系統(tǒng)運行特性分析的 基礎。因此，揭示多種控制目標的本質(zhì)，提出高性能的多目標綜合控制理論和方法是大規(guī)模液流儲能系統(tǒng)穩(wěn)定有效運行的核心。 基于液流電池儲能系統(tǒng)應用的發(fā)電、儲能、電能轉(zhuǎn)換及用電多體系的系統(tǒng)耦合及綜合能量管理控制 理論 液流電池儲能系統(tǒng)的應用涉及發(fā)電、儲能電池、功率變換與控制、用電負荷（或電網(wǎng)）等多個系統(tǒng)單元，是化學、電動力學等行為相互耦合的復雜動態(tài)系統(tǒng)。因此，其規(guī)模放大不是簡單的尺寸上的增大，而是涉及到非穩(wěn)態(tài)強化傳質(zhì)、傳熱、界面反應動力學及電化學反應等復雜過程。在液流儲能電池中，電極極板材料在強酸、強氧化性質(zhì)介質(zhì)和高電壓的環(huán)境中運行。 高選擇性、高導電性、低成本離子交換膜的合成及制備方法 針對商業(yè)化的全氟磺酸離子交換膜價格昂貴問題，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的離子交換膜制備方法是唯一解決途徑。而材料的成本和使用壽命直接關系到大規(guī)模液流儲能電池的成本和市場競爭力。但是，探索和開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權、低成本而又性能優(yōu)良的液流儲能新體系也是必要的技術儲備。但這類體系電池需要兩套流體儲存和管理系統(tǒng)，且由于正 /負極電解液中的活性電對價態(tài)或者物種不同，須使用離子交換膜分隔，而現(xiàn)商用離子交換膜價格昂貴，且伴有水轉(zhuǎn)移。而且，由于反應活性物質(zhì)存在多種價態(tài)，導致電池的反應機理、電池性能的衰減機理更為復雜。因此，闡明膜中的離子、分子傳輸機理和調(diào)控機制，提高離子交換膜的選擇性、導電性和穩(wěn)定性，是液流儲能電池研究的重要科學問題。因此，研究液流儲能電池電解質(zhì)溶液復雜體系的物理化學特性，建立高濃度、復雜體系溶液化學理論，提出高濃度、高穩(wěn)定性電解質(zhì)溶液長期穩(wěn)定化調(diào)控機制十分重要。 液流儲能電池的電解質(zhì)溶液體系極為復雜，包含多種組份：不同價態(tài)的陽離子、含氧酸根離子、不同形態(tài)的水合離子。 本項目 針對 太陽能 、 風能等可再生能源發(fā)電對大規(guī)模儲能技術的重大需求，以突破制約液流儲能電池普及應用的關鍵科學問題和工程技術基礎問題為目的 ，歸納并擬解決如下 4 方面的關鍵科學問題 ： 科學問題一： 液流儲能電池關鍵材料的組成、結構與材料物性的構效關系，電池相 關反應機理及對電池性能的影響規(guī)律 ； 科學問題二： 液流儲能電池關鍵材料的設計理論、合成方法及規(guī)?；苽涞墓こ炭茖W原理 ； 科學問題三： 電池模塊和系統(tǒng)結構設計、規(guī)模放大的模擬仿真理論及系統(tǒng)集成方法 ； 科學問題四： 基于液流電池儲能系統(tǒng)應用的發(fā)電、儲能、電能轉(zhuǎn)換及用電多體系的系統(tǒng)耦合及綜合能量管理控制 理論 。 （ 4）電池系統(tǒng)成本較高。目前， 液流儲能電池 運行 的工作電流密 度 較低（ 100 mA/cm2），僅為 質(zhì)子交換膜燃料電池工作電流密度 的十分之一，造成電池模塊體積大，材料需求量大，成本攀高。究其主要原因是現(xiàn)在所用的離子交換膜的選擇性差所致。液流儲能電池用 電解質(zhì)溶液 是包含有 不同價態(tài)的 活性 離子、含氧酸根離子、不同形態(tài)的水合離子 的 復雜體系 。 組份濃度、 雜質(zhì)元素、 溫度、電場等因素都 可能會造 成 電解質(zhì)溶液 析晶沉淀 。即 釩 離子在濃度場和電場等作用下能夠滲透通過離子交換膜到達電極另一側，如此將導致電池自放電、降低庫侖效率。這主要與電對反應活性、電極極板材料的活性與導電性、離子交換膜的離子傳導性和電解液傳質(zhì)能力有關。液流儲能電池關鍵材料和部件還未實現(xiàn)批量化制備，因此目前生產(chǎn)成本較高。 液流儲能電池關鍵材料的組成、結構與材料物性的構效關系，電池相關反應機理及對電池性能的影響規(guī)律 液流儲能電池關鍵材料主要包括電解質(zhì)溶液、離子交換膜、電極極板等。組份濃度、溫度、電場等外界因素都對電解質(zhì)溶液的物理化學性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。 高選擇性、高導電性、高穩(wěn)定性離子交換膜的構效關系及膜性能的調(diào)控策略 離子交換膜是液流儲能電池的關鍵材料之一，它起到隔絕電子和導通離子的作用，其性能直接決定液流儲能電池的使用壽命和能量效率。本項目通過研究離子交換膜內(nèi)離子傳導機理和調(diào)控方法、多種離子競爭吸附熱力學和膜內(nèi)離子遷移過程動力學、膜材料物理化學特性與膜材料穩(wěn)定性關系問題，建立液流儲能電池離子交換膜傳導理論，為高選擇性、高導電性、高穩(wěn)定性離子交換膜的組分設計和合成提供基礎 理論 支持。此外，在系統(tǒng)運行過程中，電極表面及其附近液層中存在的濃度場、電場、流速場及溫度場等的協(xié)同作用對電極反應動力學產(chǎn)生明顯影響，有必要闡明電極反應機理及多場作用下的電極過程動力學，提高電池比功率和能量轉(zhuǎn)化效率 。因此，高性價比離子交換膜成為制約此類體系電池發(fā)展的關鍵材料之一。為此，利用液流條件下的沉積型電極反應，進行已有鋅溴液流電池的改進研究，探索單液流儲能新體系，研究相關電極材料與技術實 現(xiàn)原理，發(fā)展液流沉積型電極反應界面反應動力學調(diào)控方法，是降低電池成本、提高循環(huán)穩(wěn)定性和壽命，建立高效能、高能量密度和穩(wěn)定性液流儲能新體系的科學技術基礎。突破液流儲能電池電解質(zhì)溶液、離子交換膜、電極極板規(guī)模放大制備方法中 的工程科學問題，將對液流儲能電池的普及應用發(fā)揮十分重要的作用。本項目在深入研究和理解多價態(tài)釩離子在不同類型離子交換膜物理化學性質(zhì)、離子傳遞機理的影響規(guī)律的基礎上，確立高選擇性、高導電性、低成本離子交換膜樹脂材料合成方法，離子交換膜的制備方法。因此，要求電極和極板需要具備高的導電性，良好的耐腐蝕性、耐久性和低的制造成本。液流儲能電池系統(tǒng)的規(guī)模放大首先要求單電池面積的增大、電池模塊中單電池節(jié)數(shù)的增多及電池系統(tǒng)中電池模塊個數(shù)的增多。探索系統(tǒng)耦合機理，優(yōu)化安全、高效、經(jīng)濟和優(yōu)質(zhì)運行的綜合能量管理策略，是液流儲能技術大規(guī)模實用化過程中必須解決的關鍵問題。 大規(guī)模液流電池儲能系統(tǒng)的能量優(yōu)化控制與綜合管理策略 由于液流儲能單元以及系統(tǒng)相應多種變換器的串并聯(lián)運行，使得系統(tǒng)電氣網(wǎng)絡復雜，狀態(tài)變量繁多。為了 全面分析和評估 含大規(guī)模液流儲能的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的運行特性和性能 ， 驗證大規(guī)模液 流儲能系統(tǒng)對可再生能源非穩(wěn) 態(tài)特性的抑制能力，需要對大規(guī)模液流儲能系統(tǒng)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的動態(tài)響應特性進行精確的動態(tài)模擬實驗評估和 綜合實驗驗證 。另一方面，在電池系統(tǒng)運行過程中，外場條件對電解質(zhì)溶液的粘度、離子配位狀態(tài)、穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。為此，設置如下研究內(nèi)容： 高濃度液流儲能電池電解質(zhì)溶液的制備方法研究 以不同種類釩的氧化物為原料 , 采用自催化、化學還原、電化學等多種方法制備液流電池用電解液。課題擬研究溶液中低價態(tài)活性物的組成、荷電狀態(tài)、溫度與 pH 等條件下不同釩化合物的硫酸溶液的拉曼、紅外以及紫外 可見光譜圖等。 高效能單液流電池電解質(zhì)溶液研究 研究流動的濃電解質(zhì)溶液中金屬離子沉積的電化學反應過程，以及電解質(zhì)溶液組成、濃度、活性離子存在狀態(tài)、配體和添加劑對沉積 /溶解過程的影響；考察溶液中活性物質(zhì)濃度的提高與支持電解質(zhì)濃度、溶液粘度、溫度、導電性的關系；尋求金屬的快速均鍍及溶解的最佳條件；獲得最優(yōu)化的電解液調(diào)配方法、維護方式及電池長期穩(wěn)定運行的調(diào)控機制。 揭示離子傳導性、選擇性與膜材料的化學組成和微結構，以及微結構參數(shù)與制備過程控制參數(shù)的定量關系，發(fā)展面向液流電池儲能的膜材料設計理論與制備方法。 離子交換膜表面的熱力學吸附平衡研究 釩離子在離子交換膜內(nèi)的 遷移 過程，由離子基團在膜表面的離子交換速率和膜中的遷移速率共同決定，可用吸附－擴散機理進行描述。采用小角 X 衍射技術分析膜的物理結構、電化學阻抗方法研究離子交換膜內(nèi)固定電荷的化學官能團對離子通道的結構與離子遷移過程的影響。把液流電池性能實驗與微觀分析結果相結合，確定環(huán)境適應性強、電化學性能優(yōu)異的離子交換膜材料。另外在 PVDF 基體內(nèi)混入無機納米顆粒（ SiO Al2O TiO2 等）進一步提高膜的機械強度和力學性能。全氟磺酸膜材料由于合成工藝的復雜性，生產(chǎn)成本很高。 多場作用下的電極反應機理、電極材料的設計理論和制備方法研究 多場協(xié)同作用下的電極反應機理 電極表面電化學反應活性與電極材料的性質(zhì)、結構及表面形態(tài)密切相關。在此基礎上，研究電極極板的材料組成、結構設計方法和制備工藝，降低電極與極板間的接觸電阻。研制具有自主知識產(chǎn)權的高離子傳導率、高選擇性、低成本的阻溴復合膜材料，提高鋅溴電池的運行穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。利用和融合本項目其它課題在新型關鍵材料、基礎科學問題的研究成果，發(fā)展高效能、高能量密度、具有自主知識產(chǎn)權和應用前景的新型液流儲能電化學體系。系統(tǒng)通常是由多個數(shù)十千瓦的電池模塊組合而成。研究電池系統(tǒng)內(nèi)單電池的組合方式及公用管道結構對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。為此，本項目將高效電力變換技術、系統(tǒng)仿真建模技術、先進傳感與通訊技術及現(xiàn)代優(yōu)化控制理論相結合，深入分析大規(guī)模液流電池儲能技術系統(tǒng)內(nèi)各組成單元與系統(tǒng)及電網(wǎng)的耦合機理，充分認識系統(tǒng)對電網(wǎng)運行特性的影響，建立適合大規(guī)模液流電池儲能技術的系統(tǒng)耦合控制 方法及綜合能量管理策略。 五年預期目標 （ 1）闡明液流儲能電池關鍵材料的組成、結構與物性的構效關系；揭示電池相關反應機理以及對電池性能的影響規(guī)律；發(fā)展材料形態(tài)、結構以及性能的實時表征方法；構建液流儲能電池關鍵材料組分與性能調(diào)控機制；建立和完善大規(guī)模高效液流電池儲能技術的基礎理論和工程基礎方法。 （ 4）研究由發(fā)電、液流儲能電池儲能、電能轉(zhuǎn)換、用電負荷等多體系的系統(tǒng)耦合的基礎理論，掌握并完善系統(tǒng)耦合模擬仿真的建模方法，深入分析體系間的耦合機理，在充分理解和認識系統(tǒng)對電網(wǎng) 運行特性的基礎上，建立適合大規(guī)模液流電池儲能技術的系統(tǒng)耦合原則及綜合能量管理控制策略。重點研究決定液流儲能電池系統(tǒng)穩(wěn)定性、耐久性、能量效率和制造成本的電解質(zhì)溶液、離子交換膜和電極極板材料的組分設計、合成方法和批量化制備工藝的基礎理論和工程技術。以物理化學、電化學、材料化學、化學工程、電力電子學、化學分析、表面科學等多學科的基礎理論為科學基礎，從發(fā)展大規(guī)模高效液流儲能電池關鍵材料、核心部件及電池系統(tǒng)基礎理論的角度出發(fā)，圍繞本項目所提出的關鍵科學問題和主要研究內(nèi) 容展開深入、系統(tǒng)、扎實的研究。綜合項目的研究成果，集成出 5kW/50kWh 液流電池儲能系統(tǒng)研究平臺，實驗驗證、優(yōu)化、完善基礎 研究成果。采用現(xiàn)代合成與制備加工技術，完成本項目中電解質(zhì)溶液、離子交換膜、電極極板、電池模塊和系統(tǒng)部件的合成、制備、加工和集成。建立液流儲能電池高濃度、多價態(tài)復雜電解質(zhì)體系的溶液化學理論；掌握離子交換膜構效關系及多離子傳導機理；闡明多場協(xié)同作用下的電極反應過程動力學；構建電池模塊及電池系統(tǒng)的理論模型及其規(guī)模放大的模擬仿真方法；完善發(fā)電、儲能、電能變換、用電負荷等多體系間的系統(tǒng)耦合技術和綜合能量 管理控制策略。通過實驗驗證，改進和完善所獲得的基礎理論和基礎工程技術，為液流電池儲能系統(tǒng)規(guī)模放大和實際應用奠定基礎。項目研究內(nèi)容既涉及液流儲能電池關鍵材料、電極反應機理及物性調(diào)控機制，又包括電池模塊及電池系統(tǒng)結構設計的模擬仿真及規(guī)模放大，發(fā)電、儲電、電能變換、用電負荷等多體系的系統(tǒng)耦合和綜合能量管理控制策略。創(chuàng)新的主體在企業(yè)，項目的成功必將推動我國大規(guī)模高效液流儲能電 池的工程化和產(chǎn)業(yè)化進程。 產(chǎn)、學、研有機結合的研究團隊和先進的研究平臺及良好的前期研究積累 本項目組織了全國在液流儲能電池、燃料電池、電化學、材料學、電力電子等學科中在高效儲能技術相關領域有著 研究經(jīng)驗積累、學術思想活躍，團結合作的研究隊伍。項目參加單位在各自承擔的研究課題方面有良好的學術氛圍和前期研究工作基礎，積累了豐富的研究經(jīng)驗，具備較好的研究工作條件和測試表征手段，完全可以滿足本項目研究工作的需要。 初步確立電解液制備方法；建立活性物中在線分析檢測方法；初步探討電解液失穩(wěn)的內(nèi)在原因及電化學性能影響因素； 初步確定較好穩(wěn)定性的基膜材料，了解各種離子在膜中的遷移規(guī)律； 揭示電極表面性質(zhì)對電極影響規(guī)律； 探索 23 種液流電池電對新體系，初步探明鋅溴電 池中鋅沉積 /溶解的影響因素。 第二年度 確定液流儲能電池關鍵材料組分設計理論和合成方法，明確相關反應與性能影響機理。組配單電極液流電池，及建立高濃度、高穩(wěn)定性電解液制備方法及性能調(diào)控機制；初步完成電解質(zhì)溶液失穩(wěn)內(nèi)在原因分析。 構建液流儲能電池模塊模擬仿真模型，與實驗手段相結合，進行模塊流道設計和分析漏電電流的形成；進行 5kW、 10kW、20kW 級液流儲能電池模塊試制試驗。 培養(yǎng)研究生 11 人以上，發(fā)表文章 40 篇以上，申請專利 12 項以上。 研究新液流體系用高濃度電解液溶液理論，及鋅溴正極材料的電化學 反應動力學規(guī)律。 建立高性能離子交換膜合成方法。 培養(yǎng)研究生 11 人以上，發(fā)表文章 41 篇以上，申請專利 12 項以上。電極材料性能的優(yōu)化處理與調(diào)控；一體化電極極板和金屬基極板的電池實驗研究。 掌握電池運行條件的外場對電解液的影響機理，確立調(diào)控策略和方法。 提出液流儲能電池系統(tǒng)的集成設計方法，建立液流儲能電池規(guī)模放大理論體系，提高可靠性和耐久性，實現(xiàn)電池系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行。包括 離子交換膜規(guī)模制備技術理論 和 高聚物基雙極板的批量制備技術 。 形成規(guī)?；p極板生產(chǎn)能力， 開發(fā)出 1～ 2種具有應用前景