全钒液流电池(All-Vanadium Redox Flow Battery,简称VRB)是一种可用在大规模储能领域的新技术,由于其具有使用寿命长、电池容量大、电池效率高等特点,因此在新能源发电、远程供电系统和海岛管理维护工作中得到了广泛应用。但是,由于全钒液流电池的能量密度不够高,并且难以在极端温度条件下稳定运行,因此难以应用在更广泛的领域。研究发现,提升液流电池能量密度的途径主要有两个,分别是改善极化现象和改良电化学反应过程。为了解全钒液流电池充电过程中的能量损失和钒离子在电池内的分布特性,本文分别使用实验和数值模拟两种方法研究了全钒液流电池充放电过程的内在规律和电解液的传质过程。本文首先介绍了全钒液流电池研究过程中所涉及的电化学热力学和电极过程动力学等基础理论。搭建了由充电装置、电子负载、电解液储液罐、蠕动泵、电池监测系统、计算机管理系统等组成的全钒液流电池测试平台,调试成功后搭载多种全钒液流电池流场板进行试验,并强调了测试平台操作过程中需要遵循的程序和注意事项。利用上述试验平台,对全钒液流电池的充放电过程和交流阻抗进行了测试,分析了全钒液流电池的充放电特性、电池阻抗、电池效率等参数受不同的流场条件和电解液流量的影响情况。研究发现:对比传统的平行、蛇形流场板,搭载自行设计的龟形、螺旋形流场板,电极反应时电解液流动分布状况得到改善,减小了电解液在反应过程中的浓差极化与屯化学极化现象,电池的充放电性能得到改善,加快了化学反应的发生速率,使全钒液流电池充放电时间缩短,法拉第阻抗减小,电池库伦效率、电压效率、能量效率均增大,其中螺旋形流场板为最优性能流场板,龟形流场板次之;当全钒液流电池的荷电状态相同时,电池的放电持续时间和电解液的流速呈正相关,所对应的电压效率、能量效率提高;研究中搭载自行设计的流场板提升了全钒液流电池的整体性能,提高了电池运行效率,对于全钒液流电池的后续研究具有推动意义。基于固体力学、流体动力学、传质学和电化学原理,利用COMSOL软件通过耦合不同物理场建立了混合模型,对全钒液流电池石墨毡应力分布、变形分布、有效孔隙率分布和电流分布进行了模拟,分析了装配预应力对上述参数的影响。研究发现:在装配预应力的作用下,流脊下石墨毡的应力和变形大,而流道下石墨毡应力和变形小,而且随着装配预应力的增大,石墨毡内应力和变形分布不均匀性加剧,由此导致电极内的孔隙率降低,且不均衡;由于石墨毡内孔隙率的不均匀性,导致全钒液流电池电极内反应物和生成物传递阻力不均匀,因而石墨毡内电流密度分布不均匀,装配预应力越大,石墨毡内电流密度不均匀性越剧烈;电极在反应时,电解液总流量不变,装配力越大,流脊压缩处电解液流量减小,质子交换膜处电解液流量增大,因此在质子交换膜附近电极反应电流密度升高,流脊压缩处电极反应电流密度减小。