液流電池的操作原理
液流電池(Flow Battery)是一種電解質流動的電池。全釩氧化還原液流電池(Vanadium Redox Flow Battery; VRFB)，簡稱為全釩液流電池，圖一為其示意圖。電池的活性物質在負極是二、三價釩離子（V2+、V3+），在正極是四、五價釩離子（VO2+、VO2+）；這些離子溶解於含硫酸水溶液的電解質內。正/負極的電解質分別儲存在電池外部的儲存槽中。電池中的電極僅作為觸媒與導電作用。放電時，循環幫浦將電解質由儲存槽中注入電池內，在電池正、負極發生的電化學反應分別如式(1)及式(2)所示。電池操作電壓約在1.26 V(1.004 V + 0.255 V)，反應後的電解質再循環到電解槽中，充電時，式(1)、式(2)的電化學反應方向相反。
放電時負極電化學反應：
放電時正極電化學反應：
圖二是液流電池組的結構示意圖。它的結構如同質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC)，是由許多單電池堆疊串連成一個電池組。單一電池的電極是多孔碳氈，目前開始研究在碳氈上沉積各種觸媒，以提高它的功率密度並且降低它的厚度，目前功率密度約50~150 mW cm-2，厚度約2~6 mm。因電解質中含 1~2 M的硫酸，具有相當高的離子導電度，因此隔離膜需採用具有質子傳導功能的耐腐蝕性材料（如Nafion）；隔離膜主要功能是降低正/負極釩離子的交互滲透。雙極板，如同燃料電池，是將單電池之間做電性的串連；目前的雙極板分為刻有流道或沒有流道的碳板。在電池組設計上，與燃料電池不同的地方是要降低各個電池之間可能的漏電問題。電池組兩端電池有很高的電位差，電流會藉由流經各個電池之間的電解質將電池短路，因為電解質是具有高離子導電度的硫酸水溶液。
圖二、液流電池組結構示意圖
全釩液流電池的特點
電池所能釋放的能量或功率是隨著電極活性物質的多寡與電極大小而定。液流電池的活性物質是儲存在電池外部，因此整個電池系統所能釋放或儲存的能量是由電解質儲存槽中活性物質多寡而定。電池的大小決定電池的充放電功率。液流電池儲電系統的充放電功率(kW)與儲電能量(kWh~MWh)可以分開設計。目前商業電池模組約在20 kW左右。電量(Ah)或儲電能量(kWh)則視電解質儲存槽大小與活性離子濃度而定。
液流電池的發展與應用
在大型儲電的應用上， 能量密度並非首要考量因素，全釩液流電池由於成本、壽命、安全等因素以及住友電工持續的發展，逐漸在大型儲電上展露鋒芒。全釩液流電池在國際間逐漸受到注目，近年全釩液流電池專利成案件數呈倍數成長，由1997~2000年早期的每年1~2件，到2012年之後每年80~100件。中國大連化物研究所、融科、日本住友電工、加拿大VRB Power System近年相繼投入kW~MW等級以上的儲電示範驗證，圖四是近年已建置VRFB儲電系統的功率、能量、效率統計。
圖四、已建置VRFB儲電系統的功率、能量、效率
目前全球已有數座5年以上MW等級的VRFB系統的示範與驗證。在台灣包含工業技術研究院、核能研究所以及台電綜合研究所等近年也投入相關的技術開發。目前台灣已有能力設計、建置10 kWh以上的VRFB儲電設施，陸續也有一些廠商開始投入這方面的研發。面對未來商業化的可能，液流電池的成本與經濟效益也開始做---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：薛康琳 / 工研院綠能所
★本文節錄自「工業材料雜誌」362期，更多資料請見下方附檔。