Experimental analysis of negative electrode properties and innovative separators for hydrogen-vanadium redox flow batteries

The global energy sector is undergoing a deep transition towards sustainability, driven by the growing integration of renewable sources into national energy systems. However, the intermittent and variable nature of renewable generation poses significant challenges to maintaining grid reliability and stability. To address these fluctuations, efficient and scalable energy storage technologies are essential. Among the various solutions under consideration, Vanadium Redox Flow Batteries (VRFBs) stand out as a promising large-scale storage technology. They offer several advantages, including independent scaling of power and energy capacity, high round-trip efficiency, long cycle life, and rapid response to load variations. Despite these strengths, the commercial deployment of VRFBs is still constrained by high capital costs, mainly associated with the vanadium electrolyte, and by gradual capacity fading resulting from vanadium ion crossover through the membrane. To overcome these limitations, research has recently focused on the development of alternative redox couples, with Hydrogen–Vanadium Redox Flow Batteries (HVRFBs) emerging as a particularly attractive option. These systems retain the intrinsic benefits of VRFBs while replacing the vanadium-based electrolyte on the negative side with hydrogen. This substitution leads to lower electrolyte costs and mitigates the capacity losses while increasing the power density. However, the literature still shows a lack of deeper knowledge of the phenomena occurring in these devices. Hence this work, conducted at MRT Fuel Cell & Battery Lab, focuses on the analysis of two components: the negative electrode and the membrane. The investigation of the negative electrode involves the study of the impact of the various catalyst layer properties, through the testing of specimens manufactured at the university of Connecticut with the so called Reactive Spray Deposition Technique. Moreover, some innovative separators, including PFSA-less membranes, have been investigated. Simultaneously, a cost analysis to assess the economic advantages and drawbacks of both VRFB and HVRFB is made.

Il settore energetico globale sta attraversando una profonda trasformazione orientata alla sostenibilità, trainata dalla crescente integrazione delle fonti rinnovabili nei sistemi energetici nazionali. Tuttavia, la natura intermittente e variabile di tali fonti rappresenta una sfida per la stabilità e l’affidabilità della rete elettrica. In questo contesto, lo sviluppo di tecnologie di accumulo energetico efficienti e scalabili risulta essenziale per garantire un equilibrio tra produzione e domanda di energia. Tra le diverse soluzioni attualmente studiate, le batterie a flusso di vanadio (VRFBs) si distinguono come una delle tecnologie più promettenti per l’accumulo di energia su larga scala. Esse offrono numerosi vantaggi, tra cui la possibilità di disaccoppiare potenza ed energia, un’elevata efficienza, una lunga vita utile e tempi di risposta rapidi alle variazioni di carico. Nonostante ciò, la diffusione commerciale delle VRFBs risulta ancora limitata a causa degli elevati costi d’investimento, principalmente legati al prezzo dell’elettrolita a base di vanadio, e del graduale decadimento della capacità dovuto al fenomeno di crossover degli ioni di vanadio attraverso la membrana. Per superare tali limitazioni, la ricerca si sta orientando verso lo sviluppo di coppie redox alternative, tra cui le batterie a flusso idrogeno-vanadio (HVRFBs) stanno suscitando un crescente interesse. Questi sistemi mantengono i principali vantaggi delle VRFBs, ma sostituiscono l’elettrolita a base di vanadio del lato negativo con idrogeno, riducendo così i costi dell’elettrolita e mitigando le perdite di capacità, oltre ad aumentare la densità di potenza. Nonostante il loro potenziale, in letteratura si evince una conoscenza ancora limitata dei fenomeni che avvengono all’interno di tali dispositivi. Per questo motivo, il presente lavoro di tesi, svolto presso il MRT Fuel Cell & Battery Lab, si concentra sull’analisi di due componenti fondamentali: l’elettrodo negativo e la membrana. Lo studio relativo all’elettrodo negativo prevede l’indagine dell’impatto delle proprietà dello strato catalitico sulle prestazioni, attraverso l’analisi di campioni realizzati mediante una tecnica sviluppata dall’università del Connecticut chiamata Reactive Spray Deposition Technique. Inoltre, sono stati testati separatori innovativi, tra cui membrane prive di PFSA. Parallelamente, è stata condotta un’analisi economica comparativa volta a valutare i vantaggi e le criticità economiche delle VRFBs e delle HVRFBs.