Analysis and mitigation of capacity decay and water transport in vanadium redox flow battery

The energy transition towards renewable energy is one of the new challenges that world is facing. Among the criticalities which are rising pursuing this objective, stabilizing the electrical distribution system, along with guaranteeing the access to electrical power even during the stop of power production from non-programmable sources, are the ones which are mostly hindering the switch to green power plants. The need of storage systems is becoming more and more actual and, among the different proposed technologies, the Vanadium Redox Flow Battery show numerous advantages. The main important feature which makes this technology really promising is the power and energy detachment. Moreover, this type of battery is characterized by fast response, high round trip efficiency and long lifetime. On the other hand, low energy density and high electrolyte cost are delaying the commercialization. The performances of Vanadium Redox Flow Battery are critically affected by different phenomenon occurring during the operation, such as vanadium crossover, water transport and parasitic reactions. The present thesis work represents the continuation of a previous study in which it has been shed light on the different water transfer mechanisms. As a next step, this work will still focus on water transport but in a more complete manner and it will add the comprehension of a particular effect of vanadium crossover which is referred as “discharged capacity decay”. In the first part of the work, a new transient model is developed to justify the use of the steady state model approach exploited in the previous thesis work. Once a confirmation has been obtained, the attention switches towards the experimental test of different membranes and on their performance and volumetric behaviour. After that, the analysis of the two main aforementioned phenomenon (discharged capacity decay and volume variation) is presented thanks to the exploitation of the upgrade of the previous battery model. As consequence, mitigation strategies have been introduced and validated through experimental test. Then, the effect of the variation of the operative conditions and the impact related to the employment of a different flow field are studied in order to enhance the reliability of the results. Lastly, is reported a further confirmation of the promising outcomes of the mitigation strategy thanks to the development of ad-hoc simile realistic cycling test.

La transizione energetica verso le energie rinnovabili è una delle nuove sfide che il mondo sta affrontando. Tra le criticità che stanno emergendo nel perseguimento di tale obiettivo, la stabilizzazione del sistema di distribuzione elettrico e la necessità di garantire l'accesso all'energia elettrica anche durante l'interruzione della produzione di energia da fonti non programmabili, sono quelle che ostacolano maggiormente il passaggio verso sistemi di produzione di energia pulita. La necessità di sistemi di accumulo sta diventando sempre più attuale e, tra le diverse tecnologie proposte, le Batterie a Flusso di Vanadio presentano numerosi vantaggi. La principale caratteristica che rende questa tecnologia davvero promettente è il disaccoppiamento tra energia e potenza. Inoltre, questo tipo di batteria è caratterizzato da un breve tempo di risposta, da un'elevata efficienza energetica e da una lunga durata della vita utile. Di contro, la bassa densità di energia e l’alto costo dell’elettrolita ne stanno ritardando la commercializzazione. Le prestazioni delle Batterie a Flusso di Vanadio sono influenzate in modo critico da diversi fenomeni che si verificano durante il funzionamento, come il crossover del vanadio, il trasporto dell'acqua e le reazioni parassite. Il presente lavoro di tesi rappresenta la continuazione di uno studio precedente in cui è stata fatta luce sui diversi meccanismi di trasporto dell'acqua. Essendo la continuazione di una tesi precedente, questo lavoro si concentra ancora sul trasporto d’ acqua, ma in modo più completo, e, in aggiunta, riporta la comprensione di un particolare effetto del crossover del vanadio che viene indicato come decadimento della capacità scaricata. Nella prima parte del lavoro viene sviluppato un nuovo modello transitorio al fine di giustificare l’utilizzo di un approccio modellistico a stati stazionari già impiegato nel lavoro di tesi precedente. Una volta ottenuta la conferma, l'attenzione si sposta sulla valutazione sperimentale delle prestazioni e del comportamento volumetrico di diverse membrane. Successivamente, in seguito all’integrazione di un modello di batteria precedentemente sviluppato, viene presentata l'analisi dei due principali fenomeni sopra citati (decadimento della capacità scaricata e variazione di volume). Di conseguenza, sono state introdotte e validate strategie di mitigazione attraverso test sperimentali. In seguito, sono stati studiati l'effetto della configurazione di cella e delle condizioni operative al fine di aumentare l'affidabilità dei risultati ottenuti. Infine, grazie allo sviluppo di test simil-realistici, i promettenti risultati della strategia di mitigazione sono stati ulteriormente confermati.