液流电池系统管道材质的选择具有特殊性，需要考虑耐腐蚀性，运行温度的影响。该文通过对耐腐蚀金属材质及非金属材质进行详细的物性说明，分析液流电池系统可用的管道材质。并通过数据对比进口PPH材质与国产PPH材质的差别。通过对比分析认为，金属材质暂不适用于液流电池，高分子材质中PPH材质为性价比较高，性能优良的可选材质，其中进口PPH的性能略优于国产PPH，但在90℃时性能差别不大。该文为液流电池管道材质选择提供参考性说明。
液流电池具有高安全性、循环寿命长、设计灵活等突出优势,功率模块与容量模块分离,是长时储能的首选储能方式。液流电池储能系统电解液循环系统包含申池堆、电解液储罐、电解液循环泵、管道管件和测量仪表等设备。其中使用的管道管件为电解液输送系统的重要组成部分。其材质选择的对液流电池系统长期、稳定、安全运行具有重要意义，因此根据液流电池系统电解液的物理特性对管道材质进行研究选择至关重要。文章就电解液输送管道材质选择进行探讨论证。
液流电池为新能源领域新兴起的行业，国内外对管道材质研究并不多。液流电池采用盐酸或硫酸溶液，其特性与盐酸或硫酸相近。范瑞成等针对耐盐酸腐蚀的金属材质进行了研究，但在储能系统上，金属材质需要谨慎采用。王绍亮对电解液进行了介绍，但主要是针对电解液的理化性能进行研究，未提到对管道材质的要求本文在上述研究的基础上，对主要管道材质进行研究探索。
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液流电池的电解质溶液是盐酸或硫酸溶液，主要腐蚀性来源于酸，因此输送介质的可按盐酸或硫酸来考虑。在早期的研究中，NASA 多以25 ℃条件下的电解液体系作为主要研发对象。
盐酸为无色液体，是氯化氢的水溶液。盐酸与水、乙醇任意混溶，氯化氢能溶于许多有机溶剂。
稀硫酸是溶质质量分数小于或等于70%的硫酸的水溶液,在水分子的作用下，硫酸分子电离(解离)形成自由移动的氢离子（H+）和硫酸根离子（SO42-）。稀硫酸可以与活泼金属反应生成氢气，稀硫酸可以和碱性氧化物反应生成盐和水。20℃时不同浓度硫酸的物理性质数据见表2。
管道需要采用耐腐蚀材质，可满足温度、压力、应力、磨损情况、特殊材质及寿命的要求。在满足外部条件下，以耐腐蚀塑料材质为优。在液流电池行业的设计中，关键设备的选材直接关系到设备的寿命、安全性和经济性，部分也会用金属材质，分别对其进行介绍。盐酸的腐蚀性更强，对金属材质，仅介绍盐酸的影响。而高分子材质对各种非氧化性酸的耐腐蚀性均较好。
2.1 耐盐酸腐蚀的金属材质
盐酸是一种典型的非氧化性强酸，含有H+和Cl-，会对大多数常见的金属材质形成腐蚀，其腐蚀性随着盐酸浓度与环境温度的增加而增加。为盐酸选材需要综合考虑多种因素。而且目前对材质的研究仅适用于该材质处于静止或流速不大的浓盐酸中的情形，如果介质中含有其他腐蚀性物质，或盐酸的流速过高，材质发生损腐蚀,则材质对防止盐酸的抗腐性能也会变化。
常见耐盐酸腐蚀的材质包括以下几种：镍及镍基合金、锆和锆合金、钽和钽合金及钛和钛合金。其中哈氏合金为镍基合金，广泛应用于盐酸的各领域。不同金属的耐腐蚀见表3。
对不同的耐腐金属,可耐受盐酸的腐蚀，但均有腐蚀，只是腐蚀速率不同。钽合金的腐蚀速率最低，为0.025mm/a，如按25年运行计算，25年腐蚀量为0.625 mm。对于小型储能系统，假定管道内表面积 30m计，25年可有312kg钽合金腐蚀，且钽合金成本高，用来制造和道并不经济。如果按钛合金的腐蚀速率 0.1mm/a计，25年腐蚀量为2.5 mm，管道内表面积按30m计，25年可有338kg钛腐蚀。且2.5mm的腐蚀量会影响影响到系统安全。
对于对电解液要求纯度较高的液流电池系统，金属腐蚀会引入新的杂质离子，可能会影响到储能系统。
2.2 耐盐酸腐蚀的非金属材质
高分子材质或改性产品可有效耐盐酸腐蚀，随着材质的技术发展，其耐温性也有显著提升，可应用于储能系统。以下列出常见的高分子材质。
PVC 材质(聚氯乙烯)是氯乙烯单体(VCM)在过氧化物、偶氮化合物等引发剂或在光、热作用下按自由基聚合反应机理聚合而成的聚合物。具有强度高、耐腐蚀性好、廉价、易于加工及色彩丰富等性点。
根据应用范围的不同，PVC可分为3类:通用型PVC树脂、高聚合度PVC树脂以及交联 PVC树脂。工业生产的PVC分子量通常在5万至11万之间，具有较大的分子量分布范围。其分子量随着聚合温度的降低而增加，没有固定的熔点,80~85℃开始软化，130℃时变为粘弹态，160~180℃开始转变为粘流态。PVC具有良好的机械性能，抗张强度约为60MPa，冲击强度在5~10 kJ/㎡之间。此外，PVC表现出卓越的介电性能。其他物理物性见表 4。
这种树脂是通过对聚氯乙烯(PVC)树脂进行氯化改性而制得的。氯化后。PVC树脂分子键的不规则性增加，极性增强，从而提高了树脂的溶解性和化学稳定性。使其更具耐热性、抗酸碱、盐和氧化剂等腐蚀性能。
此过程还改善了树脂的热变形温度和机械性能。氯含量由56.8%提高到61%~68%。而维卡软化温度从 72~82 ℃提高到 90~125 ℃，最高使用温度可达110℃。长期使用温度为 95 ℃。
聚偏二氟乙烯(PVDF)。是一种高度非反应性热塑性含氟聚合物。除了具备出色的耐化学腐蚀性、高温耐性、氧化抗性、耐候性以及抗射线辐射性能之外，PVDF还表现出压电性、介电性、热电性等独特特性。
由于PVDF具备卓越的性能，因此它成为整体或衬里泵、阀、管道、管件、储罐和热交换器的首选材料之一。
PVDF材料的外观呈半透明或白色粉体或颗粒状，分子链之间排列紧密且具有强大的氢键。其氧指数为46%，具备不燃的特性，结晶度介于65%到78%之间，密度为1.77~1.80 g/cm3，熔点为172℃，热变形温度在112~145℃之间，长期使用温度范围为-40~150℃。
PE(聚乙烯)管不会因为化学作用、电解或电化学作用产生锈蚀、腐烂,形成凹坑或腐蚀。对聚乙烯管有潜在威胁的唯一化学环境是强氧化剂或某些烃类。如浓硫酸和浓硝酸是强氧化剂，而柴油和燃料油是烃类物质的典型代表。PE管道用于盐酸的输送是可行的。
PE(聚乙烯)管可在低至-40℃和高达65 ℃的温度下安全使用。一般来说,环境温度低端的极限是材质脆裂的潜在危险，然而大部分PE管材质在很低的温度下测试并没有脆裂迹象。大部分聚乙烯的实际低温脆裂是在-118℃以下，石油化工行业的实践中聚乙烯管已在-40 ℃下使用。
不固定的聚乙烯管的线膨胀系数大约为金属或水泥的10倍,因此由于温度的波动,未固定的聚乙烯管的长度可能发生较大变化。但其产生的应力与膨胀系数无关，聚乙烯管道系统伸缩产生的应力通常约为刚性管材质的 5%到 10%。
聚烯烃(PO)是由乙烯、丙烯和丁烯共聚而成的烯烃共聚物，同时具备乙烯和丙烯的耐腐蚀性，以及良好的耐热性、耐冲击性和电绝缘性能。其使用温度相较于聚乙烯和聚丙烯可以高出 20~30℃。
此外，聚烯烃克服了聚乙烯和聚丙烯与金属结合力差的问题，表现出很强的粘结力。尽管其自身强度较低，但通常在应用时会采用钢衬里的方式，因此其整体强度主要取决于所选用的钢材的强度。
钢衬 PO储罐使用温度-60~100℃，用特殊热融旋转成型,新工艺加工，价格比较低廉，用作衬里与钢塑的黏着力很强，目前在国内外化工、冶金、食品、交通、医药及纺织等行业大量采用。
钢衬PO管道采用国际先进的滚塑工艺一次性模式成型，产品具有整体一次成型无焊接缝、抗冲击、抗老化、重量轻、不渗漏、耐酸碱、寿命长及符合卫生标准等优点。在实际应用过程中，衬里厚度一般为6~8mm，但产品质量受到加工工艺影响较大，若在衬层过程中操作不规范，容易出现钢和塑料脱层，导致防腐失败。
聚氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene,PTFE)，俗称“塑料王”，是一种以四氟乙烯作为单体聚合制得的高分子聚合物。白色蜡状、半透明、耐热、耐寒性优良，可在-180~260℃长期使用。它几乎不溶于所有的溶剂。钢衬四氟(PTFE)多应用管道和储罐采用的材质比纯 PTFE管道具有更高的强度。实际应用中，其使用寿命和性能稳定性直接受到温度、压力、介质等因素的影响。为了确保产品质量，优质材料和先进制造工艺是聚四氟乙烯衬里产品的关键。
根据电解液成分和工作参数,对管道材质 PPH、PE、钢衬 PO、钢衬 PTF进行性能、适用性和经济性分析。PPH 材质在耐腐蚀、使用温度上具有明显优势，PE 材质耐腐蚀可行，应用温度范围为-60~65 ℃。钢衬PO和钢衬PTFE材质适用温度范围广，且衬里材质不与电解液反应，绝缘性好，但造价较PPH高出一倍左右。因此PPH、PE材质为液流电池较适用的管道可选材质之一。
图摄于STUB展台
由于液流电池体系统工艺的特殊性和电解液的酸性，储能系统管道的选择具有特殊性。
1) 耐腐蚀金属材质虽然在石油化工行业中广泛应用，但受到应用环境、价格的影响，在液流电池储能系统中并不适用。而且对于对电解液要求纯度较高的液流电池系统，金属腐蚀会引入新的杂质离子，可能会影响到储能系统。
2) 高分子材质或改性产品可有效耐盐酸腐蚀，且耐温性也随着材质改性提升，有多种可选的的材质。
3) PPH 材质在耐腐蚀、使用温度上具有明显优势。通过对进口材质与国产材质对比，在-15℃和90℃试验温度下，国产PPH的拉伸强度均小于进口与PPH随着温度升高，国产和进口PPH的拉伸强度均下降，2种材质拉伸强度的差距越来越小。
4）PE 材质耐腐蚀可行,应用温度范围为-60~65℃。
5）钢衬 PO 和钢衬 PTEE 材质适用温度范围广，钢衬PO 使用温度-60~100℃，钢衬PTFE 使用温度为-180~260℃。且衬里材质不与电解液反应，绝缘性好，但造价较PPH 高出一倍左右，应用时需要考虑价格因素。
左元杰,郑新,郭霄宇,杨林,张国强,.液流电池管道材质选材研究【J】.科技创新与应用,2024,(25):97-100.
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原文始发于微信公众号（艾邦液流电池网）：液流电池管道材质选材研究
