【文章內(nèi)容簡介】 紅外、電化學 質(zhì)譜等原位實驗技術(shù)，表征膜材料化學結(jié)構(gòu)的變化。把液流電池性能實驗與微觀分析結(jié)果相結(jié)合，確定環(huán)境適應(yīng)性強、電化學性能優(yōu)異的離子交換膜材料。在解明膜材料老化與分子降解機理研究基礎(chǔ)上，建立膜材料穩(wěn)定性調(diào)控理論和技術(shù)方法。 新型離子交換膜分子設(shè)計與制備方法研究 a) 偏氟類聚合物離子交換膜 以化學性質(zhì)穩(wěn)定的聚偏氟乙烯（ PVDF）為基體原料，通過體相聚合或原位接枝等途徑導入磺酸基團，形成質(zhì)子傳導性高和 釩離子遷移率低的聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)型離子交換膜。通過設(shè)計質(zhì)子傳導功能單體的基團組成、分子結(jié)構(gòu)，合理調(diào)控聚偏氟乙烯基體與質(zhì)子傳導基團的相互作用，實現(xiàn)親水基團和疏水基團平衡，有效抑制膜材料溶脹。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。 b) 烴類聚合物離子交換膜的研究 液流電池儲能技術(shù)最終能否普及應(yīng)用的關(guān)鍵在于其技術(shù)是否有市場競爭力。目前，全釩液流儲能電池使用的是杜邦公司的 Nafion 115膜或 Nafion 117 膜，每平方米膜的價格在 800 美元以 上。由于價格昂貴，嚴重阻礙了液流儲能電池的普及應(yīng)用。全氟磺酸膜材料由于合成工藝的復雜性，生產(chǎn)成本很高。本課題擬以化學穩(wěn)定性和耐腐蝕性較高的烴類高分子聚合物為離子交換膜材料，研究高性能、低成本液流儲能電池用新型膜材料。 c) 兩性離子交換膜的探索 陰陽離子兩性離子交換膜綜合陽離子膜和陰離子膜的各自優(yōu)勢，既能抑制釩離子的滲透又能保證較高的質(zhì)子電導率。本項目擬通過兩種途徑制備陰陽離子復合膜：一是合成本體同時具有陰、陽離子交換能力的雙離子膜；此外，還可以利用液流電池正負極電解液中釩離子形成不同水合物特性，探索雙極性 膜在液流電池過程的應(yīng)用特性。 多場作用下的電極反應(yīng)機理、電極材料的設(shè)計理論和制備方法研究 多場協(xié)同作用下的電極反應(yīng)機理 電極表面電化學反應(yīng)活性與電極材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及表面形態(tài)密切相關(guān)。通過研究炭氈與碳塑復合極板的表面特性、導電性及結(jié)構(gòu)對其電化學反應(yīng)活性及電池性能的影響規(guī)律，揭示多場協(xié)同作用下電極過程動力學及電極表面副反應(yīng)產(chǎn)生的機理和原因。在此基礎(chǔ)上，研究電極材料的表面改性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立提高電極反應(yīng)活性和選擇性，降低電子傳導阻力的策略和方法。 電極極板材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制 備 系統(tǒng)研究和理解電極極板材料的結(jié)構(gòu)與性能的構(gòu)效關(guān)系，揭示電極極板材料在強氧化性及電池工作的電場環(huán)境中的腐蝕機理及抑制方法。在此基礎(chǔ)上，研究電極極板的材料組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和制備工藝，降低電極與極板間的接觸電阻。 高效能液流儲能電池新體系關(guān)鍵材料及電池系統(tǒng)研究 本項目以變價離子電對、溶液化學及電化學相結(jié)合的研究為切入點，重點研究具有高能量密度、高效能的單液流儲能新體系和改進鋅溴體系。通過將電池正負極之一或雙極設(shè)計成沉積 /溶解過程，探索和研究不用離子交換膜的單液流儲能新體系。針對液流沉積型電對的電 沉積 /溶解氧化還原反應(yīng)，探索符合單液流儲能電池應(yīng)用的電極材料和電解質(zhì)體系，研究液流沉積型電對的反應(yīng)動力學性質(zhì)、電極極化行為和相關(guān)反應(yīng)機理，考察單電極充放電性能，確定液流沉積型電對高速、高比容量沉積和溶解的最佳條件。研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)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。探討適合全液相液流儲能的新電對，探索具有高穩(wěn)定性、高能效的全液相液流儲能新體系。基于電對的電化學研究和電解質(zhì)溶液的物理化學特性研究，根據(jù)液流規(guī)模儲能的特點和要求，研究正 /負電極的匹配規(guī)律，設(shè)計 和組裝液流儲能新體系電池，闡明電池的工作原理和應(yīng)用性能。在此基礎(chǔ)上，改進電池和流道結(jié)構(gòu)，研究大面積單電極的均勻反應(yīng)性能、材料加工技術(shù)和電 池模塊 組配技術(shù)，獲得電 池模塊 設(shè)計和系統(tǒng)工程放大的原則和規(guī)律。利用和融合本項目其它課題在新型關(guān)鍵材料、基礎(chǔ)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(quán)和應(yīng)用前景的新型液流儲能電化學體系。 液流儲能電池模塊和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與規(guī)模放大的模擬仿真理論及系統(tǒng)集成方法研究 液流儲能電池是由多個相互關(guān)聯(lián)的單元部件構(gòu)成。電池運行涉及非穩(wěn)態(tài)強化傳質(zhì)、傳熱及電化學反應(yīng)等復雜因素。在實際應(yīng)用中，大規(guī)模液流電池儲能系統(tǒng)的輸出功率一般在數(shù)十千瓦至數(shù)兆瓦，儲電容量一般在數(shù)兆瓦時至數(shù)百兆瓦時。系統(tǒng)通常是由多個數(shù)十千瓦的電池模塊組合而成。而電池模塊和電池系統(tǒng)的規(guī)模放大決不是簡單的尺寸上的增大，而是需要對電池模塊和電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，解決電池模塊內(nèi)電極表面及單電池相互之間和電池模塊與模塊之間電解液傳質(zhì)均勻性問題，從而提高電池的運行電流密度，增加系統(tǒng)比功率，有效降低成本。 本課題擬通過模擬仿真和 實驗驗證相結(jié)合的方法，重點研究大功率液流儲能電池內(nèi)電極表面及各單電池內(nèi)電解質(zhì)溶液傳質(zhì)的均勻性和電流密度分布均勻性與電池結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)?？疾祀娊赓|(zhì)溶液的濃度、流速、溫度、充放電模式、運行電流密度對電池模塊性能的影響規(guī)律。研究電池系統(tǒng)內(nèi)單電池的組合方式及公用管道結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。發(fā)展電流密度均勻分布調(diào)控方法，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立電池模塊及電池系統(tǒng)規(guī)模放大的數(shù)學模型和基礎(chǔ)理論，制定結(jié)構(gòu)設(shè)計與規(guī)模放大原則和策略。 大規(guī)模液流儲能技術(shù)的系統(tǒng)耦合及綜合能量管理控制策略的基礎(chǔ)研究 大規(guī)模高效液流電池儲能系 統(tǒng)涉及發(fā)電裝置、液流儲能電池裝置、電力電子變換裝置、用電負荷或電力系統(tǒng)等多個組成體系，是電化學、化工和電氣等相互耦合的復雜動態(tài)體系，其運行特性與液流儲能電池系統(tǒng)的組合方式、容量大小以及電力變換器、用電負荷、控制方式等多種因素相關(guān)。如何在保證系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，提升整個系統(tǒng)的能量效率、經(jīng)濟性和可靠性是大規(guī)模液流電池儲能系統(tǒng)實用化過程中必須解決的關(guān)鍵問題。為此，本項目將高效電力變換技術(shù)、系統(tǒng)仿真建模技術(shù)、先進傳感與通訊技術(shù)及現(xiàn)代優(yōu)化控制理論相結(jié)合，深入分析大規(guī)模液流電池儲能技術(shù)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(shù)的系統(tǒng)耦合控制方法及綜合能量管理策略。 主要研究內(nèi)容包括：大規(guī)模液流儲能系統(tǒng)的高效電能變換耦合機理及系統(tǒng)集成方法、大規(guī)模液流儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制理論、大規(guī)模液流儲能系統(tǒng)的能量優(yōu)化控制與綜合管理策略、含大規(guī)模液流儲能的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的綜合仿真與實驗研究。 二、預期目標 總體目標 發(fā)電、輸電、配電、儲電、用電是電力產(chǎn)業(yè)鏈的五大重要環(huán)節(jié)，而規(guī)?；咝δ芗夹g(shù)是迫切需要但又急待解決的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是解決可再生能源發(fā)電的隨機性和 間歇性，改善可再生能源發(fā)電質(zhì)量，推進可再生能源普及應(yīng)用的重要技術(shù)。 通過本項目的實施，在大規(guī)模高效液流儲能電池反應(yīng)機理和調(diào)控機制、材料的構(gòu)效關(guān)系、材料的組分設(shè)計與制備方法等科學基礎(chǔ)理論方面取得突破；形成高性能、低成本液流儲能電池關(guān)鍵材料的規(guī)模制備工藝；提出大功率、高效、高比功率液流儲能電池系統(tǒng)的實現(xiàn)方法；建立發(fā)電、儲電、電能變換、用電多體系的系統(tǒng)耦合和綜合能量管理控制策略的理論體系和方法；獲得一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的原始創(chuàng)新成果，培養(yǎng)和造就一批年富力強的液流電池儲能技術(shù)的學術(shù)帶頭人和高素質(zhì)研究人才團隊；提高我 國在大規(guī)模高效液流電池儲能技術(shù)領(lǐng)域的科學研究水平和技術(shù)創(chuàng)新能力，滿足節(jié)能減排重大國策及可再生能源普及應(yīng)用對大規(guī)模高效儲能技術(shù)的重大需求。 五年預期目標 （ 1）闡明液流儲能電池關(guān)鍵材料的組成、結(jié)構(gòu)與物性的構(gòu)效關(guān)系；揭示電池相關(guān)反應(yīng)機理以及對電池性能的影響規(guī)律；發(fā)展材料形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及性能的實時表征方法；構(gòu)建液流儲能電池關(guān)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(shù)的基礎(chǔ)理論和工程基礎(chǔ)方法。 （ 2）建立高性能、低成本液流儲能電池電解質(zhì)溶液、離子交換膜、電極極板等關(guān)鍵材料的設(shè)計理論和規(guī)模制 備方法和工藝；解決電解質(zhì)溶液的晶析問題，提高電解液的穩(wěn)定性；在保證液流儲能電池能量效率前提下，離子交換膜的成本降低至現(xiàn)在使用的杜邦公司 Nafion 115膜的 45%以下；碳塑極板的成本降至國產(chǎn)石墨板價格的 15%以下。 （ 3）確定大規(guī)模、高效液流儲能電池模塊和電池系統(tǒng)的數(shù)學模型的基礎(chǔ)理論；建立電池模塊和電池系統(tǒng)的模擬仿真理論和方法；掌握電池系統(tǒng)集成的工程技術(shù)，提高工作電流密度。從根本上提高能量密度，降低成本，推進產(chǎn)業(yè)化進程。 （ 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(chǔ)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(chǔ)上，建立適合大規(guī)模液流電池儲能技術(shù)的系統(tǒng)耦合原則及綜合能量管理控制策略。 （ 5）綜合本項目的研究成果，集成出由 5kW 風光互補發(fā)電體系，輸出功率大于 5kW、儲能容量大于 50kWh、電池系統(tǒng)能量效率大于 75%的液流儲能電池體系、電能轉(zhuǎn)換體系和用電負荷等多體系構(gòu)成的綜合驗證平臺，檢驗、驗證和完善項目獲得的理論和工程技術(shù)成果，為大規(guī)模高效液流儲能電池的工程化、實用化提供理論指導和基礎(chǔ)工程技術(shù)支