Experimental and modelling analysis of operative heterogeneity in a Vanadium Redox Flow Battery focusing on the design of innovative flow fields for large-scale devices

Vanadium redox flow battery (VRFB) technology is one of the most promising candidates to tackle the rapidly increasing need of stationary energy storage capacity due to the huge development of the renewable energy sources. The technology features the decoupling between the power density of the device and the stored energy, a high efficiency, long charge/discharge cycle life and reversible cross-contamination between the cell sides. However, the commercialization is still prevented by technological issues, among which one of the most relevant is the complex electrolyte distribution throughout the porous electrode area, regulated by the flow field geometry. The higher overpotentials, deriving from a hindered electrolyte transport over the cell area, limit the system power density and reduce also the capacity exchanged by the battery, consequently raising the specific cost of the technology. In this Ph.D. dissertation, the issue of the flow field geometry is addressed, investigating and understanding the physical phenomena that determine the reactants distribution on a 25 cm2 device and later on designing and testing an innovative flow field able to raise the performance, with limited pressure drop, heterogeneity of operation and performance fade in time. The designed geometry of the distributor will be manufactured and tested in a 100 cm2 battery to verify the validity of the proposed solution on a scale more representative of a real-life device.

La tecnologia delle batterie a ossido-riduzione a flusso di vanadio (VRFB) rappresenta uno dei candidati più promettenti per far fronte alla necessità rapidamente crescente di capacità di accumulo stazionario di energia, dovuta all’enorme sviluppo delle fonti rinnovabili di energia. La tecnologia è caratterizzata da un disaccoppiamento tra la densità di potenza del dispositivo e l’energia immagazzinata, da una elevata efficienza, una lunga vita utile nei cicli di carica/scarica e da una contaminazione incrociata reversibile tra i due lati della cella. Nonostante ciò, la commercializzazione è ancora impedita da alcuni limiti tecnologici, tra i quali uno dei più rilevanti è la complessa distribuzione dell’elettrolita attraverso l’area dell’elettrodo poroso, determinata dalla geometria del distributore. I maggiori sovra-potenziali, derivanti dal difficoltoso trasporto dell’elettrolita attraverso l’area della cella, limitano la densità di potenza del sistema e riducono anche la capacità scambiata dalla batteria, aumentando conseguentemente il costo specifico della tecnologia. In questa tesi di Dottorato di Ricerca, viene affrontata la problematica della geometria del distributore, indagando e comprendendo i fenomeni fisici che determinano la distribuzione dei reagenti su un dispositivo di 25 cm2 di area e successivamente progettando e testando un distributore innovativo capace di aumentare la prestazione, limitando la caduta di pressione, la disomogeneità di funzionamento e la riduzione di prestazione nel tempo. La geometria del distributore progettata verrà realizzata e testata anche su una batteria di area 100 cm2, per verificare la validità della soluzione proposta su una scala maggiormente rappresentativa di un dispositivo reale.