Modellierung, Charakterisierung und Verbesserung von Strömungsfeldern für Vanadium-Redox-Flow-Batterien

Energiespeicher werden auf Grund der zunehmenden Nutzung erneuerbarer Energiequellen, wie der intermittierend verfügbaren Sonnen- und Windenergie, benötigt, um Energie bedarfsgerecht bereitzustellen. Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VFB), für welche die Durchströmung der Zellen mit dem Vanadiumelektrolyten charakteristisch ist, zählen zu den elektrochemischen Energiespeichern. Die Leistung der VFB ergibt sich in Abhängigkeit von der Zellgröße und die Kapazität aus der externen Tankgröße, sodass Batterieleistung und -kapazität unabhängig voneinander skalierbar sind. Die Durchströmung der VFB wird durch die Einbringung von zusätzlichen Strukturen, wie den Kanälen sogenannter Strömungsfelder, vorteilhaft beeinflusst. Die Anpassung der Parameter dieser Strömungsfeld-Designs kann zur Kostenreduktion von VFB und zur besseren Ausnutzung des Vanadiumelektrolyten führen. Um entsprechende Strukturen zu identifizieren, wird in dieser Arbeit die Durchströmung einer VFB mit Strömungsfeld modelliert, charakterisiert und verbessert. Zunächst wird für eine VFB Halbzelle mit interdigitalem Strömungsfeld ein dreidimensionales CFD-Modell entwickelt. Das Elektrodenfilz wird in diesem als poröses Medium beschrieben. Durch die systematische Variation der Kanalabmaße werden im nächsten Schritt Strömungsfelder bestimmt, welche definierte Zielgrößen bestmöglich erfüllen. Bei diesen Zielgrößen handelt es sich um die Druckdifferenz zwischen Zellein- und -auslass, dem Volumen der Kanäle, den Gleichmäßigkeitsfaktor der Elektrodendurchströmung und die limitierende Grenzstromdichte. So führt etwa ein Design mit vielen breiten und tiefen Kanälen zur geringsten Druckdifferenz. Durch die Überführung der genannten Zielgrößen in die Gesamtkosten eines VFB Systems im Megawattbereich, wird das vorteilhafteste Strömungsfeld für die jeweilige Fertigungsmethode ermittelt. So ergeben sich für die Fertigung mittels Spritzguss die niedrigsten Gesamtkosten für ein Design mit mittlerer Kanal- und Stegbreite sowie großer Kanalhöhe. Dieses Strömungsfeld besitzt zudem den höchsten Gleichmäßigkeitsfaktor im betrachteten Parameterraum. Dem Einfluss von Rand- und Anfangsbedingungen auf die untersuchten Zielgrößen wird in einer Parameterstudie nachgegangen. Es wird der Effekt auf die Zielgrößen von Faktoren, welche als zentrale Parameter ausgewählt werden, aufgezeigt und die jeweilige Effektgröße bestimmt. Zusätzlich zu den systematisch variierten Kanalabmaßen haben beispielsweise die spezifische Elektrodenoberfläche und die Einlassgeschwindigkeit einen Effekt auf die limitierende Grenzstromdichte. Experimentelle Untersuchungen dienen der Validierung des Modells und zeigen dessen Grenzen auf. Die Visualisierung der realen Durchströmung in einer VFB gelingt durch die entwickelte Methode der optischen Messungen. Es wird sichtbar, dass sich bevorzugte Strömungswege zwischen den zu- und abführenden Kanälen des interdigitalen Strömungsfeldes ausbilden. Zusätzliche hydrodynamische und elektrochemische Messungen bestätigen, dass das entwickelte CFD-Modell einen validen Vergleich von Strömungsfeldern untereinander ermöglicht. Dies erlaubt die Bewertung der Gesamtkosten einer VFB mit Strömungsfeld. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der modellbasierten Analyse und experimentellen Charakterisierung der Durchströmung von VFB mit bestmöglichem Strömungsfeld. Für zukünftige Untersuchungen erlaubt das entwickelte CFD-Modell sowohl die Analyse anderer Zellgrößen, als auch die Untersuchung weiterer Strömungsfeld-Designs oder zusätzlicher Typen von Redox-Flow-Batterien. Diese lassen sich durch die Anpassung von einzelnen Modellparametern umsetzen, was schlussendlich zu einer signifikanten Reduktion der vom Strömungsfeld abhängigen Gesamtkosten führt.