可再生新能源的不断发展及其本身所具有的不稳定性促进了人们对大规模能源储存技术的研究。氧化还原液流电池,尤其是全钒液流电池,由于其功率与容量相互独立、安全环保、运行生命周期长等优点,在工程和学术领域均受到了普遍关注。在过去的几十年里,研究团队针对全钒液流电池材料进行不断地革新,电池性能得到了较大的提高。然而,目前全钒液流电池系统的成本仍处于较高水平,限制了全钒液流电池的在储能领域的大规模应用。全钒液流电池的理论能量密度为50 W·h/kg,而在充放电循环中由于受到欧姆损失、浓差过电势损失、储罐与电堆之间活性物质浓度差异等因素的影响,实际可用容量通常只能达到理论值的70%左右,即为35 W·h/kg。考虑到全钒液流电池较为昂贵的电解液成本,以及提高电池系统的可用能量容量对降低电池系统成本、降低电解液使用体积、拓宽液流电池应用领域的关键影响,如何在电池运行过程中提高电解液利用率成为了目前研究的关键目标之一。液流电池系统结构设计及运行策略是提高可用能量容量的一种较为便捷的方法,通常无需较大的改进成本,且优化运行参数在电池系统的工程化应用中具有指导意义。本文对现有的液流电池系统结构设计及运行策略优化进行全面梳理和比较,发现目前的研究工作还存在以下几点不足:对降低储罐与电堆之间活性物质浓度差异的关注较少,尚缺乏降低该差异并提高可用能量容量的有效手段;在基于系统结构设计的优化研究中尚缺乏对储罐的关注;在系统运行参数的优化策略研究中尚缺乏针对液流电池系统的运行电流优化,以及在结合电解液流量条件下的动态电流优化策略。针对以往研究的不足,首先,本文以降低储罐与电堆之间活性物质浓度差异为目标,提出一种非混合型液流电池结构,通过对储罐及液路循环的设计,避免了已充电和未充电电解液在外部储罐中的混合。其次,本文以降低充放电末期的欧姆损失为目标,提出一种基于传质平衡方程的动态电流优化策略,根据电堆电解液的荷电状态实时调控电池系统的施加电流,并可根据电解液流量的选择进行调控的反馈。通过模拟和实验结合的方法研究表明,本文提出的设计或策略能有效降低储罐与电堆之间活性物质浓度差异,并可将电池系统的可用能量容量提高10%以上。本文的第一部分设计了一种非混合型液流电池。通过模拟和实验探究了非混合型设计在不同电解液流量比、电解液体积比、电流密度下的有效性,并与传统二储罐模式的结果进行了对比。结果表明在储罐电解液体积较大时,非混合型设计的电解液利用率能有较大幅度的增益,并能将电压效率提高约2%。通过数学解析的方法,预测了非混合型设计在给定设计及运行参数条件下的最大电解液利用率增益幅度,推导出了储罐与电堆之间活性物质浓度差异与电解液流量、储罐电解液体积及电流密度的关系式。此外,还进行了经济性分析和实用性讨论。在本文的第二部分工作中提出了一种新型电流优化策略。通过模拟探究了该策略在不同运行及设计参数条件下的效果,通过实验验证了该策略的可操作性,同时针对该策略进行了实用性讨论。结果表明,在合适的运行及设计参数下,通过电流优化策略可使充放电末期的欧姆损失、浓差过电势损失等得到有效降低,并在保证一定平均功率密度与系统效率的基础上提高电解液利用率。电流优化策略还可通过与电解液流量优化策略结合,进一步提高电池系统的可用能量容量。通过实验和模拟结果,以及经济性和实用性分析表明,非混合型设计较适合应用于储罐电解液体积较大时的大规模储能场景,而动态电流优化策略则较适合应用于对功率变化无较大限制的离网场景。由于非混合型设计电解液利用率增益的效果不受到电流密度的影响,而动态电流优化策略只针对施加电流值进行调控。因此非混合型设计可以和动态电流优化策略叠加采用,共同发挥增益效果,以获得更高的可用能量容量。本文的研究以及得到的结果对电池储能系统的工程化应用具有一定的现实指导意义与借鉴参考价值。