根据“双碳”目标规划，2030年非化石能源消费比例将达到25%左右，风电和太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上，至2060年这一比例将提升至80%以上［1］。由于新能源发电具有波动性和间歇性特点，新型电力系统需要配置储能功能，以达到稳定运行、可靠供电和有效消纳的目的。目前，在各地的“双碳”实施方案中，均对储能配置提出具体要求，一般要求增量新能源场站配置装机容量10%、时长为2h的储能系统，作用为平滑出力、削峰填谷及跟踪计划曲线。

液流电池作为长时储能技术，是面向电力储能开发的化工型储能电池，无可燃可爆介质，运行安全，使用寿命长及可规模化应用。液流电池电堆关键部件主要有电极、双极板、隔膜、液流框等，相邻部件的密封件需接触腐蚀性、强酸性、强氧化性液体，工程化液流电池目前存在密封件多、工作电流密度低等问题，为此，液流电池研究主要有:通过改性，降低隔膜钒离子渗透，提高隔膜电导率［2－4］;通过解热、浓硫酸处理、离子修饰等，提高电极活性，降低过电位［5－6］;通过加入添加剂，提高电解液浓度及稳定性［7］;通过优化流道结构，提高电解液在电极表面的均匀性［8－9］等。

本文作者从优化电堆组装工序出发，开发出集电极、双极板及液流框于一体的整体化液流电池电堆，以降低双极板与电极之间的接触电阻，同时降低组装人工量。

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整体化电堆方案

将双极板、电极和液流框通过热熔焊、激光焊接等方式，组合为一体，方便组装，并能减少漏液点、降低接触电阻，进而提高电堆电压效率。整体化电堆的结构设计图见图1。

先将2片电极与1块双极板热熔焊成复合极板，见图1(a)，依次将盖板B、复合极板、复合电极压边框、盖板A放置好，采用激光焊将5个部件焊接成整体化组件，见图1(b)，盖板A、B均为光面平滑盖板，无流道，边框和复合电极压边框上刻有相同流道。一块整体化组件包含正、负双电极，实物图见图2，由10块整体化极板组成2.5 kW整体化电堆。

传统电堆组件繁多，需将双极板、电极、隔膜和液流框依次叠放，且液流框有正反面，组装工作量大，组装过程中还存在放错、漏放组件的可能。整体化结构电堆包括整体化组件和隔膜两个关键组件，相比传统电堆，在组装时降低了组装人工量，且组装过程基本不存在放错、漏放组件的可能。

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实验

2.1实验试剂及仪器

实验室用电解液(成都产)的c(V3+)∶c(V4+)=1∶1，钒离子总浓度为1.7mol/L，硫酸根浓度为4.3mol/L;电极采用4.7mm厚的石墨毡(辽阳产)，有效面积为1090cm2(方形，54.5 cm×20.0 cm);隔膜为Nafion212(美国产，50μm厚)。实验仪器主要有BTS-120V500A电池测试系统(深圳产)和BT5300电池内阻测试仪(美国产)。

2.2实验方法

恒流充放电测试:按照NB/T 42081—2016《全钒液流电池单电池性能测试方法》［10］进行，测试温度为25～30℃。正、负极电解液均为500 L，电解液的流速为0.95 m3/h，以恒流模式(218 A)充放电，对应的电流密度为200 mA/cm2，充电截止电压不低于16.0 V，放电截止电压不高于10.0 V，取第3次循环的数据，得到充放电曲线。

不同电流下充放电测试:选取1.7 mol/L 3.5价电解液，正、负极电解液均为500 L，电解液的流速为0.95 m3/h，以恒流模式充放电，电流密度分别为125 mA/cm2、140 mA/cm2、150 mA/cm2、160 mA/cm2、170 mA/cm2、180 mA/cm2、190mA/cm2和200 mA/cm2，每种电流下循环3次。

与传统电堆性能对比:组装传统电堆，极板液流框的流道结构与整体化电堆边框的流道相同，电解液的流速为0.95m3/h。以恒流模式对传统电堆系统进行充放电，电流密度为125 mA/cm2，进行3次循环。

流速对电堆性能的影响:选取1.7 mol/L 3.5价电解液，正、负极电解液均为500 L，以恒流模式对整体化电池系统进行充放电，电流密度为200 mA/cm2，电解液的流速分别为0.60 m3/h、0.75 m3/h、0.85 m3/h、0.95 m3/h和1.05 m3/h，每种流速下循环3次，取第3次循环的数据。

放电量对电堆性能的影响:将整体化电池系统充电至截止条件(截止电压不低于16.0V)，然后分别放电至容量的90%～0，在不同放电容量下，比较电堆的电压效率。

放电截止条件优化:选取1.7mol/L3.5价电解液，正、负极电解液均为500L，电解液的流速为0.95m3/h，以恒流模式对电池系统进行充放电，电流密度为200mA/cm2，充电截止电压不低于16.0V，放电截止电压不高于10.5V，取第3次循环的测试数据。

循环性能测试:选取1.7mol/L3.5价电解液，正、负极电解液均为500L，电解液的流速为0.95m3/h，以恒流模式对整体化电池系统进行充放电，进行200次不间断循环测试，充电截止电压不低于16.0V，放电截止电压不高于10.5V。

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结果与讨论

3.1充放电性能测试

3.1.1恒流充放电性能整体化电堆的充放电曲线见图3。

从图3(a)可知，在充放电电流密度为200mA/cm2时，电堆的最大充、放电功率分别为3.49kW、2.88kW，充、放电容量分别为9957.5Ah、9562.9 Ah；从图3(b)可知，电堆的充、放电能量分别为15162.1Wh、11417.3Wh，能量效率为75.3%，电压效率为78.4%，库仑效率为96.0%，电解液利用率为42.0%。

3.1.2不同电流下的充放电性能

不同电流密度下整体化电堆的充放电性能见图4。

从图4可知，在充放电电流密度为125mA/cm2时，整体化电堆的电压效率为82.8%，能量效率为80.4%。随着充放电电流密度的增大，电压效率和能量效率逐渐降低，主要是由于随着充放电电流密度的增大，极化增强，电堆内阻增加，导致电压效率下降。

整体化电堆与传统电堆的性能对比见图5。

从图5可知，与传统电堆相比，在相同的充放电电流密度下(125 mA/cm2)下，整体化电堆性能明显提升，如电压效率为82.8%，比传统电堆的80.3%提高了2.5个百分点。这主要是由于相比于传统电堆，整体化电堆采用热熔焊将电极和双极板焊接为一体，接触电阻降低。用内阻测试仪进行内阻测试，得到传统电堆的内阻为20.2 mΩ，整体化电堆仅有12.1 mΩ。

3.2整体化电堆运行参数优化

3.2.1流速对电堆性能的影响

流速对整体化电堆性能的影响结果见图6。使用的磁力泵为大功率泵，在流速较低时功率相差不大，因此未将泵损耗记入。

从图6可知，随着流速的增大，能量效率和库仑效率增大，当流速增大到一定程度后，能量效率、库仑效率趋于稳定，同时电池的容量逐渐增加。这是由于随着流速的增加，电解液的更新速率加快，当达到一定流速时，电极表面离子更新速度能够提供足够的离子用于参与电化学反应，电极表面基本无副反应，库仑效率趋于稳定，同时减轻了电池浓差极化，能量效率和容量增加［11］。当流速达到一定程度后，参加反应的离子的反应速率小于电极表面离子替换速率时，电解液流速再增大，对浓差极化影响不大。 

3.2.2放电量对电堆性能的影响

当电解液流速为0.95 m3/h时，在不同充放电电流密度下，电堆的库仑效率基本不变(图4)。电压效率能直接反映电堆的整体性能，不同放电比例下电堆的电压效率见图7。

从图7可知，随着放电比例的增大，电压效率逐渐降低。当放电比例小于80%时，电压效率与放电比例基本成线性关系;当放电比例大于80%时，电压效率下降很快。这说明，可以通过优化放电截止条件，提高电堆电压效率。

3.2.3放电截止条件优化

将放电截止电压由不高于10.0 V优化至不高于10.5 V，整体化电堆在充放电电流密度为200 mA/cm2时的电压效率为80.0%，相比优化前的电压效率78.4%，提高了1.6个百分点，能量效率由75.3%提高到76.5%，放电容量由9 562.9 Ah下降到9 515.5 Ah，电解液利用率由42.0%下降到41.8%，说明优化放电截止电压对电解液利用率的影响不大。

3.3循环性能

整体化电堆的循环性能测试结果见图8

从图8(a)可知，随着循环次数的增加，库仑效率基本不变，能量效率和电压效率逐渐降低。经过200次不间断的循环，能量效率由76.5%降到73.3%，降低了3.2个百分点，电压效率由80.6%降到77.4%，降低了3.2个百分点。在60次循环后，电压效率和能量效率逐步稳定，电压效率由80.6%降到78.6%，降低了2.0个百分点，第60次到第200次循环，电压效率由78.6%降到77.4%，仅降低了1.2个百分点。电压效率随着充放电次数的增加而降低，说明电堆内阻逐渐增大，原因在于双极板与电极采用热熔焊工艺组成复合极板，在强酸腐蚀下，二者接触面有所脱落，造成接触电阻增大。充放电结束后拆解电堆，发现双极板与电极的焊接已有所脱落。

从图8(b)可知，随着循环次数的增加，系统容量逐渐降低。经过200次循环，放电容量由开始的9 533.6 Ah下降到6 736.2 Ah，容量衰减了29.3%。这主要是隔膜离子渗透、副反应等导致的［11］。

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结论

通过热熔焊、激光焊接等方式，将双极板、电极和液流框焊接为一体，组成整体化组件，组装成整体化电堆，简化了人工组组装步骤，降低了组装人工量，提高了组装能力。在不同电流密度、不同流速下对整体化电堆进行充放电测试，发现:在125 mA/cm2充放电电流密度下下，整体化电堆的电压效率为82.8%，相比传统电堆的电压效率80.3%，提高了2.5个百分点;在200 mA/cm2电流密度下，整体化电堆能量效率为75.3%。优化运行条件，可进一步提高电堆的性能:当电解液流速超过0.95 m3/h时，整体化电堆的性能基本不再变化，但是充放电容量会进一步提高;将放电截止条件由10.0V优化为10.5 V时，整体化电堆的电压效率由78.4%提高到80.0%，能量效率由75.3%提高到76.5%(200 mA/cm2)，放电容量由9 562.9 Ah下降到9 515.5 Ah，电解液利用率基本没有变化。经过不间断循环测试后，电堆性能有所降低，主要是由于双极板与电极的焊接有所脱落，说明整体化电堆在强酸、强氧化性环境中的焊接稳定性还有待提高，需要进一步改进焊接工艺，以提高整体化电堆的稳定性。