Model-based Design and Optimization of Vanadium Redox Flow Batteries

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Steigerung des Wirkungsgrads der Vanadium Redox Flow Batterie (VRFB) mit einem modellbasierten Ansatz. Zu Beginn wird eine detaillierte Anleitung zum Aufbau eines VRFB-Modells auf Systemebene gegeben. Modelliert werden Leerlaufspannung, ohmsche Überspannung, Konzentrationsüberspannung, Vanadium Crossover, Streuströme (engl. Shunt currents), sowie der Leistungsbedarf der Pumpen. Alle Teilmodelle werden mit numerischen Beispielen illustriert.

Das Spannungsmodell wird anschließend mit Hilfe experimenteller Daten dreier Batteriehersteller validiert. ... mehrAnhand der auftretenden Abweichungen werden Schwächen im Literaturmodell aufgezeigt. Durch eine korrekte Herleitung der Massentransferkoeffizienten und eine Anpassung der effektiven Elektrodenoberfläche werden die Abweichungen beseitigt.

Das validierte Batteriemodell wird darauf hin in einer umfangreichen Designstudie eingesetzt. Durch eine Variation der Elektrodenfläche zwischen 1000 und 4000 cm² und Veränderungen im Entwurf des Zuleitungskanals werden mittels Finite Element Methode 24 verschiedene Zelldesigns erstellt. Diese werden anschließend in Stacks mit 40 Zellen in einem System mit einem einzelnen Stack, sowie in einem System mit einem Strang aus drei Stacks simuliert. Dabei werden die Einflüsse der verschiedenen Entwurfsparameter auf die verschiedenen Verlustmechanismen untersucht.

In der Betriebsphase stellt der Volumenstrom den wichtigsten Betriebsparameter dar. Es wird eine neuartige, modelbasierte Optimierungsstrategie präsentiert und mit den etablierten Betriebsstrategien verglichen. Weiterhin wird ein Spannungsregler vorgestellt, der durch die Regelung des Volumenstroms die Verletzung der Zellspannungsgrenzen so lange hinauszögert, wie es die Kapazität der installierten Pumpen erlaubt.

This work targets on increasing the efficiency of the Vanadium Redox Flow Battery (VRFB) using a model-based approach. First, a detailed instruction for setting up a VRFB model on a system level is given. Modelling of open-circuit-voltage, ohmic overpotential, concentration overpotential, Vanadium crossover, shunt currents as well as pump power demand is presented. All sub-models are illustrated using numerical examples.

Using experimental data from three battery manufacturers, the voltage model validated. The identified deviations reveal deficiencies in the literature model. ... mehrBy correctly deriving the mass transfer coefficients and adapting the effective electrode area, these deficiencies are eliminated.

The validated battery model is then deployed in an extensive design study. By varying the electrode area between 1000 and 4000 cm² and varying the design of the electrolyte supply channel, twenty-four different cell designs are created using finite element analysis. These designs are subsequently simulated in 40-cell stacks deployed in systems with a single stack and systems with a three-stack string. Using the simulation results, the impact of different design parameters on different loss mechanisms is investigated.

While operating the VRFB, the electrolyte flow rate is the most important operational parameter. A novel, model-based optimization strategy is presented and compared to established flow rate control strategies. Further, a voltage controller is introduced which delays the violation of cell voltage limits by controlling the flow rate as long as the pump capacity is not fully exploited.