Caratterizzazione sperimentale e analisi modellistica del catodo di una batteria a flusso al vanadio

The energy distribution system has faced a profound transformation in the last years because of the exploitation of renewable sources such that the introduction of energy storage systems is needed to ensure proper operation and balancing of the electricity grid. One of the most promising technologies is the all-vanadium flow battery, which combines response speed, efficiency, reliability and an improved lifetime to the independence between installed power and storage capacity. However, they have different problems, including low energy density and high costs, which limit market competitiveness, but nonetheless they give an indication of the considerable room for improvement available. The objectives of the present work are the study of the loss phenomena of the cathodic electrode of a vanadium flow battery, as a function of different operating parameters and materials, and subsequently the development of a model which allows to better understand its working principles and the mechanisms that define its performance. Firstly, the results obtained during the experimental campaign performed at the MRT Fuel Cell Lab of Politecnico di Milano,will be presented. Thanks to the construction of an hydrogen-vanadium flow battery, it was possible to evaluate the relative performance of the cathodic half-cell of a VRFB by means of a series of tests performed on different types of materials, in multiple flow and operating conditions. These results were then analyzed and interpreted in light of a three-dimensional model, developed to investigate the fluid dynamic phenomena, and a twodimensional model, thanks to which the performance obtained during the experimental campaign were reproduced. The model sets itself as an useful instrument to better understand the problems of the various loss mechanisms and their mutual interaction and influence on the performance of the battery.

Negli ultimi anni il sistema energetico ha subito, anche a causa dello sfruttamento delle fonti rinnovabili, una profonda trasformazione, che rende necessaria l’introduzione di sistemi di accumulo per garantire un corretto esercizio e bilanciamento della rete elettrica. Tra questi una delle tecnologie più promettenti è quella delle batterie a flusso al vanadio, le quali combinano velocità di risposta, efficienza, affidabilità ed un’elevata vita utile all’indipendenza tra la potenza installata ed energia accumulata. Esse presentano tuttavia diverse problematiche, tra cui la ridotta densità energetica e i costi elevati, che ne limitano la competitività sul mercato, ma rappresentano altresì un indicatore dei notevoli margini di miglioramento perseguibili. Gli obiettivi del presente lavoro sono in primo luogo lo studio dei fenomeni di perdita dell’elettrodo catodico di una batteria a flusso al vanadio in funzione di diversi parametri operativi e materiali, e inoltre lo sviluppo di un modello che permetta di capire più a fondo i meccanismi che ne governano il funzionamento e ne determinano le prestazioni. Verranno presentati i risultati ottenuti durante la campagna sperimentale svolta presso l’MRT Fuel Cell Lab del Politecnico di Milano: grazie alla realizzazione di una batteria a flusso idrogeno-vanadio, è stato possibile valutare le prestazioni relative alla semi-cella catodica mediante una serie di test eseguiti su diversi tipi di materiali, in molteplici condizioni di flusso e operative . Questi risultati sono poi stati analizzati e interpretati alla luce di un modello tridimensionale, sviluppato per indagare i fenomeni fluidodinamici, e di un modello bidimensionale, sulla base del quale sono stati invece riprodotte le prestazioni ottenute durante la campagna sperimentale. Il modello si pone quindi come un utile strumento atto a comprendere più a fondo le problematiche proprie dei diversi meccanismi di perdita e soprattutto la loro mutua interazione e influenza nella determinazione delle prestazioni della batteria.