Analysis of flow field design in vanadium redox flow batteries through the development and validation of CFD codes

The recent penetration of renewable sources in the energy system caused a transformation of the needs of the distribution system and amplified the need of energy storage systems to properly balance the electricity grid. Among electrochemical energy storage devices, all vanadium flow batteries are one of the most promising technologies due to their high efficiency, long lifetime, reliability and independence between installed power and storage capacity. Oppositely, the low energy density and the high costs are preventing this technology from spreading at commercial level, even if many are the opportunities of improvement. If research on materials is working towards better and cheaper components, other works are meant to improve the performance of the system by means of a smart stack configuration or optimizing the operating condition. This work deals with the impact on the performance of the battery of a single part of the system, the flow field, and, in order to accomplish the desired purpose, numerical models have to be implemented and validated on experimental data. The knowledge of the fluid dynamic and electrochemical phenomena is intended as a tool for the optimization of the geometrical characteristics of the flow field. Starting from a fitting procedure performed on a bidimensional model, a threedimensional code to solve fluid dynamics and electrochemistry will be developed using a commerical CFD code: "ANSYS Fluent". It will be used to characterize a 5 cm x 5 cm hydrogen-vanadium battery, a particular cell setup aimed at enlightening the losses of just the positive electrode of a Vanadium Redox Flow Battery. Various geometries are simulated, including a serpentine flow field, a parallel flow field and an interdigitated flow field, while a novel geometry will be proposed. A dedicated procedure to analyze the impact of the flow field considering both the electrochemical performance and the pressure drop of the component is refined. By means of the hydrogen-vanadium cell in MRT Fuel Cell Lab, four different flow fields are tested to understand which could be the optimal flow field configuration in a real system and to experimentally validate the numerical results.

La recente penetrazione di fonti rinnovabili all’interno del sistema energetico ha causato un cambiamento nelle necessità del sistema di distribuzione e ha messo in luce l’esigenza di sistemi di accumulo per bilanciare la rete. Tra i dispositivi elettrochimici, le batterie a flusso al vanadio rappresentano una delle migliori tecnologie a causa della loro alta efficienza, la lunga vita utile, l’affidabilità e l’indipendenza tra potenza installata e capacità immagazzinata. La scarsa densità energetica e gli alti costi non permettono ancora uno sviluppo su scala commerciale di questi sistemi, tuttavia sono presenti margini di miglioramento. Se la ricerca nel campo dei materiali porta allo sviluppo di componenti più performanti ed economici, altri lavori sono intesi aumentare la prestazione del sistema attraverso una gestione intelligente dell’architettura dello stack oppure ottimizzando il punto di funzionamento. Questo lavoro quantifica l’impatto sulla prestazione della batteria di un singolo componente, il distributore, e, per ottemperare a questo obiettivo, sono stati sviluppati dei modelli numerici. La comprensione dei fenomeni fisici è intesa essere strumento per l’ottimizzazione delle caratteristiche geometriche del distributore. Partendo da una procedura di fitting usando un modello bidimensionale, un modello tridimensionale capace di risolvere fluidodinamica ed elettrochimica sarà sviluppato usando un codice CFD commerciale: "ANSYS Fluent ® ". Esso sarà usato per caratterizzare una cella idrogeno-vanadio di 5 cm x 5 cm, un particolare setup sperimentale atto all’analisi delle perdite del solo elettrodo positivo di batterie a flusso al vanadio. Saranno simulate differenti geometrie, partendo da una geometria a serpentina e da una geometria in parallelo fino a una geometria interdigitated, mentre una nuova geometria verrà proposta. E’ sviluppata una procedura per quantificare tenendo conto dei consumi degli ausiliari l’efficienza del sistema. Usando la cella idrogeno-vanadio presente nel laboratorio MRT Fuel Cell Lab, quattro distributori sono testati per capire quale sia la miglior configurazione per il distributore in un sistema reale e per validare sperimentalmente i risultati numerici.