A multi-scale experimental and modelling approach to design improved vanadium redox flow batteries

In recent years, the strong integration of renewable sources in the energy market has led to the necessity of using large-scale storage technologies to guarantee grid stability due to their intermittent nature. Vanadium Redox Flow Batteries (VRFBs) are among the most promising storage technologies, because of their capability of decoupling power and energy, their long cycle life and their high round trip efficiency. However, their commercial widespread is mainly hindered by the limited energy and power density, the non-ideal membrane selectivity that causes the self-discharge of the battery and high investment costs. This thesis, carried out at the MRT Fuel Cell & Battery Lab, aims at promoting VRFBs commercialization with comprehensive analyses of innovative components, with a focus on their scalability. As regards the membrane, the process deposition parameters of an innovative selective layer deposited via Ultrasonic Spray Coating (USC) have been investigated in a 25 cm^2 cell to obtain a compact coating, that reduces vanadium diffusivity without hindering proton transport. Then, the barrier has been tested on a 100 cm^2 cell to assess its scalability. For mitigating capacity decay, also the introduction of an electrolyte imbalance at the beginning of the test, which maintains the negolyte at a lower state of charge than the posolyte, has been studied. Subsequently, flow through and interdigitated flow fields, coupled with carbon felt and carbon paper electrodes have been tested in 25 cm^2 and a 100 cm^2 cells to highlight the main limitations of each configuration. Moreover, innovative components previously designed for the 25 cm^2 cell have been tested in the 100 cm^2 cell to evaluate their effect in a scaled-up configuration. Then, a modified flow field, intended to improve the cell performance, has been developed after fluid dynamic analyses in ANSYS® Fluent and it has been produced and tested to assess its actual impact on cell performance. In the end, a physics-based techno-economic model has been developed in Matlab® to evaluate the economic feasibility of a VRFB plant coupled with a PV system with the implementation of a battery operational strategy, introducing also the impact of shunt current losses.

Il significativo aumento di impianti rinnovabili ha reso necessario l’utilizzo di sistemi di accumulo su larga scala per gestire l’intermittenza nella produzione di energia e garantire la stabilità della rete elettrica. Le batterie a flusso di vanadio (VRFBs) sono tra le tecnologie di stoccaggio più promettenti grazie al disaccoppiamento tra energia e potenza, la lunga vita utile e l’elevata efficienza. Tuttavia, la loro diffusione su scala industriale è limitata dalla bassa densità di energia e di potenza, dalla selettività non ideale della membrana, che permette il passaggio di ioni vanadio, causandone l’auto-scarica, e dagli elevati costi di investimento. L’obiettivo di questa tesi, svolta presso l’MRT Fuel Cells & Battery Lab, è lo sviluppo di componenti innovativi, focalizzandosi anche sulla loro scalabilità, per promuovere la commercializzazione delle VRFBs. Sono stati studiati i parametri di deposizione di uno strato selettivo aggiuntivo sul separatore in una cella di 25 cm^2, usando la macchina Ultrasonic Spray Coating, al fine di ridurre la diffusività degli ioni vanadio, senza ostacolare il passaggio di protoni. La barriera è stata poi testata su una cella di 100 cm^2 per valutarne le prestazioni in una scala più rappresentativa delle applicazioni industriali. In seguito, per mitigare la perdita di capacità, è stato introdotto uno sbilanciamento tra elettrolita positivo e negativo all’inizio del test, mantenendo il negolita a uno stato di carica minore rispetto al posolita. Sono state poi analizzate le criticità di varie configurazioni comprendenti diversi flow field (flow through e interdigitated) ed elettrodi (feltri e carbon paper) in celle di 25 cm^2 e 100 cm^2. Inoltre, sono stati testati dei componenti innovativi, realizzati per una cella di 25 cm^2, anche su una scala maggiore. Successivamente, a seguito di analisi fluidodinamiche in ANSYS® Fluent, sono state introdotte modifiche al flow field per migliorarne le prestazioni. Questo componente è stato poi prodotto e testato per valutarne l’impatto sulle prestazioni di cella. Infine, è stato ulteriormente sviluppato un modello tecnico-economico in Matlab® per studiare la fattibilità economica di un impianto di batterie al vanadio accoppiato con un campo solare, con l’introduzione di una logica di gestione e dell’effetto delle correnti di shunt.