Design of scaled-up flow fields for vanadium redox flow battery through 3D CFD modelling and experimental analysis

The increasing electricity demand worldwide together with the growing environmental concerns related to energy production are favoring the quick inclusion of renewable technologies and micro-grids in the power generation portfolio. In this scenario, considering the intermittent nature of renewable energy, storage technologies play a key role to ensure grid stability and maintain high grid efficiency. Among the electrochemical energy storage systems, Vanadium Redox Flow Batteries (VRFB) are one of the most promising devices for large-scale stationary applications due to their high round-trip efficiency, long lifetime and independence between power and energy. Despite these appealing characteristics, VRFB are not competitive on the market because of the high cost and the low energy and power density. This thesis objective is to perform a VRFB scale-up to prototype level starting from a lab-scale cell. The focus is placed on the effect that the flow field architecture has on cell performance and cycle life as well as its impact on cross-contamination phenomenon and pressure drops. The design phase is assisted with a 3D CFD physical model, indeed, understanding how the fluid-dynamic and electrochemical quantities of the cell are influenced by the flow field geometry the more promising distributors could be selected and analyzed through a detailed experimental campaign. Interdigitated geometries characterized by different design concepts are investigated with particular attention to the impact that mass transport phenomena and reactants’ distribution have at larger scales. In a second phase, the flow fields cycling operations are evaluated to understand how cross-contamination and degradation phenomena influence the VRFB cycle life. A continuous comparison with the reference lab-scale cell is performed to understand how fluid-dynamic and electrochemical quantities change varying the cell dimension. A further local analysis wants to establish the effectiveness of local flow field modifications by means of suitably designed graphite inserts, whose presence influences the velocity field enhancing the mass transport mechanisms, without excessively penalizing the pressure drops. The entire experimental campaign leads to promising results, especially referring to the cycling operations of the battery. Moreover, the information collected concerning the influence of flow field architecture on characteristic cell phenomena at larger scales lay the foundations for advanced research on pre-commercial scale VRFB.

La crescente domanda di energia elettrica a livello globale unita alle crescenti preoccupazioni ambientali legate alla produzione di energia favorisce la rapida inclusione di tecnologie rinnovabili e micro-reti nel settore energetico. In questo scenario, vista la natura intermittente delle energie rinnovabili, le tecnologie di stoccaggio si pongono in un ruolo fondamentale per garantire la stabilità e mantenere un'elevata efficienza della rete. Tra i sistemi di accumulo di energia elettrochimica, le batterie a flusso di vanadio (VRFBs) sono uno dei dispositivi più promettenti per applicazioni stazionarie su larga scala grazie alla loro elevata efficienza complessiva, alla loro lunga vita utile e all’indipendenza tra potenza ed energia. Nonostante questi vantaggi, non sono competitive sul mercato a causa dell'alto costo e della bassa densità di energia e di potenza. L’obiettivo della tesi è quello di aumentare le dimensioni di una VRFB fino al livello di prototipo a partire da una cella su scala di laboratorio. L'attenzione si concentra sull'effetto che l'architettura del flow field ha sulle prestazioni della cella, sulla durata dei cicli e sul suo impatto sul fenomeno della cross-contamination e sulle cadute di pressione. La fase di progettazione è assistita da un modello fisico CFD tridimensionale. Infatti, comprendendo come le quantità fluidodinamiche ed elettrochimiche della cella siano influenzate dalla geometria del flow field i distributori più promettenti possono essere selezionati e successivamente analizzati attraverso una dettagliata campagna sperimentale. Diverse geometrie interdigitated caratterizzate da diversi principi di funzionamento sono studiate con particolare attenzione, valutando l'effetto che i fenomeni di trasporto di massa e la distribuzione dei reagenti hanno su scale più grandi. In una seconda fase vengono valutate le prestazioni cicliche degli stessi flow field per capire come i fenomeni di cross-contamination e degradazione influenzino le operazioni della batteria. Nel corso dell’elaborato le prestazioni delle celle scalate sono continuamente confrontate con quella della cella di riferimento, per capire come le quantità fluidodinamiche ed elettrochimiche cambino variando la dimensione della cella. Un'ulteriore analisi locale stabilirà l'efficacia delle modifiche locali al flow field mediante inserti in grafite opportunamente progettati. I risultati della campagna sperimentale sono promettenti. Le informazioni raccolte sull'impatto che l'architettura del flow field ha sui fenomeni caratteristici della batteria pongono le fondamenta per una ricerca approfondita sulle batterie a flusso di vanadio su scala pre-commerciale.