Design of innovative flow fields for VRFBs through local experimental analysis and 3D CFD model development

The recent and quick development of renewable technology and micro-grids, accompanied with their fast entry in the energy scenario requires energy storage support for increasing systems efficiency and grid stability purposes. Vanadium Redox Flow Batteries (VRFB) are one of the most promising devices among electrochemical energy storage systems for large-scale applications due to their high round-trip efficiency, long lifetime and independence between power and energy. Although these advantages, they are not competitive in the market because of the high cost and low power and energy densities, which strongly limit their commercial spread. This thesis objective is to design and test innovative solutions to increase the battery performances. It focuses on two main components of the cell: the electrodes, whose thickness study has been preliminarily conducted, and the flow fields, core of the work analysis. The design phase is assisted by a CFD 3D model, validated with experimental data, which allows to perform preliminary analysis useful to forecast the cell behaviour and inspire novel flow field geometries. Well understanding the fluid dynamics and the electrochemistry behind these systems, it is possible to improve and optimize the flow fields geometrical characteristics in order to enhance the interaction between electrolyte flow and porous electrode. Starting from interdigitated geometry, two innovative flow fields have been designed, called double outlet and 4 inlet, whose tests show their capability to improve the reactants distribution and hence increasing the cell performance homogeneity. Further analyses lead to local modifications of the interdigitated flow field by means of suitably designed inserts, whose presence accelerates and increases the under the rib fluxes, without excessively penalizing the pressure drops. The promising tests results obtained with these inserts lay the foundations for advanced research on these components, able to significantly improve the cell performances.

Il recente sviluppo delle tecnologie rinnovabili e delle micro-reti, con il loro rapido ingresso nello scenario energetico, richiede il supporto dello stoccaggio di energia per aumentare l'efficienza dei sistemi e la stabilità della rete. Le batterie a flusso di Vanadio (VRFBs) sono uno dei dispositivi più promettenti tra i sistemi elettrochimici di accumulo di energia per le applicazioni su larga scala grazie alla loro elevata efficienza, alla lunga vita utile e all'indipendenza tra potenza ed energia. Nonostante questi vantaggi, non sono competitive sul mercato a causa degli alti costi e delle basse densità di potenza ed energia, che limitano fortemente la loro diffusione commerciale. L'obiettivo di questa tesi è quello di progettare e testare soluzioni innovative per aumentare le prestazioni di questo genere di batterie. Si concentra su due componenti principali della cella: gli elettrodi, il cui studio sullo spessore è stato condotto in via preliminare, e i flow fields, vero e proprio nucleo dell'analisi del lavoro. La fase di design è accompagnata da un modello CFD 3D, validato con i dati sperimentali, che consente di eseguire una analisi preliminare utile per prevedere il comportamento della cella e ispirare nuove geometrie dei flow fields. Ben comprendendo la fluidodinamica e l'elettrochimica che c'è dietro questi sistemi, è possibile migliorare e ottimizzare le caratteristiche geometriche dei flow fields al fine di migliorare l'interazione tra il flusso di elettrolita e l'elettrodo poroso. A partire dalla geometria interdigitated, sono stati progettati due innovativi flow fields, chiamati double outlet e 4 inlet, i cui test dimostrano la loro capacità di migliorare la distribuzione dei reagenti e quindi di aumentare l'omogeneità delle prestazioni delle celle. Ulteriori analisi hanno portato a modifiche locali del flow field di tipo interdigitated mediante inserti opportunamente progettati, la cui presenza accelera e aumenta i flussi under the rib, senza penalizzare eccessivamente la perdita di pressione. I promettenti risultati dei test ottenuti con questi inserti gettano le basi per una ricerca avanzata su questi componenti, in grado di migliorare significativamente le prestazioni delle celle.