全钒液流电池(All Vanadium Flow Battery,VRB)是一种高效、清洁的储能系统,具有容量大、功率高、循环寿命长等优点,比较适用于大规模储能,近年来发展比较迅速,已经在美国、日本、中国和加拿大等国家进行示范性应用,主要用于风能、太阳能等发电站以及电网调峰等方面。但由于其适用温度范围小、能量密度低等缺点,限制了全钒液流电池的应用范围,使其发展受到了一定程度上的影响。改善传质过程和电化学反应过程是提高电池能量密度的关键。论文根据全钒液流电池的热力学理论和电极过程动力学等理论基础,搭建了电池性能测试平台,并对测试平台进行试验调试,重点研究了质子交换膜厚度对全钒液流电池性能的影响以及全钒液流电池隔膜介观传质特性分析。将自主设计的电池流场板、集流板、电极框、石墨毡电极和质子交换膜组装成全钒液流电池单体,测试了质了交换膜厚度、电解液浓度和电流密度对电池单体充放电特性、交流阻抗特性以及库伦效率、电压效率和能量效率的影响。采用等效电路法,得到了全钒液流电池的等效电路,并分析了质子交换膜厚度对电池欧姆阻抗、正极法拉第阻抗和负极法拉第阻抗的影响。研究结果表明:质子交换膜厚度的增加会延长电池的充放电时间,并且交流阻抗图谱右移,电池效率降低;全钒液流电池等效电路由欧姆阻抗、正极和负极法拉第阻抗和正、负极电容组成。降低质子交换膜厚度使得电池的欧姆阻抗降低,有利于提高电池性能。由于传质对全钒液流电池起着至关重要的作用,为了分析水和水合氢离子在质子交换膜中的传递机理,本文采用耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics,DPD),使用Materials Studio软件构建Nafion膜与水和水合氢离子的粗粒化模型,该模型符合牛顿定律。基于耗散粒子动力学理论分析Nafion膜中水通道三维拓扑结构,分析了温度、水和水合氢离子含量以及水分子个数对Nafion膜中水和水合氢离子扩散系数和径向分布函数的影响。并通过径向分布函数分析水和水合氢离子在磺酸基周围的分布情况及水和水合氢离子含量对和磺酸基配位数的影响。研究发现:随着水和水合氢离子含量的增加,Nafion膜中的水团簇能逐渐形成相互连接且贯穿的海绵状连续水通道,促进了水和水合氢离子传递,使得其扩散系数增大。研究成果对改进全钒液流电池液相传质提供了参考。