Modelización y Optimización de Baterías de Flujo Redox de Vanadio mediante Métodos Numéricos

Abstract

En los últimos años, las baterías han ganado protagonismo debido a una combinación de factores que han aumentado su importancia. Algunos de estos factores incluyen la creciente demanda de energía y la adopción de fuentes de energía renovable. Las baterías de flujo redox de vanadio (VRFB, Vanadium Redox Flow Batteries) se presentan como una opción adecuada para aplicaciones estacionarias, ya que ofrecen una vida útil prolongada, alta eficiencia y seguridad. Sin embargo, su baja densidad de potencia y los altos costos se consideran desventajas importantes para su integración comercial. Para hacer frente a estos problemas, se están probando nuevas geometrías de celda y configuraciones de electrodos. El objetivo de este trabajo es analizar el impacto de aplicar una compresión variable a los electrodos en el rendimiento electroquímico de las baterías de flujo redox de vanadio. Para la realización de la tarea se han empleado herramientas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, Computational Fluid Dynamics). Se ha realizado el análisis fluidodinámico y electroquímico de la celda. Además, se ha llevado a cabo la comparación de los resultados obtenidos de aplicar una compresión variable con casos con compresión de electrodo, a fin de comprender el comportamiento de la celda bajo diferentes condiciones. La compresión variable ofrece valores de voltaje y densidad de potencia mayores cuando trabaja con caudales de electrolito mayores. Sin embargo, determinar el valor de área activa bajo una compresión variable es un factor importante a la hora de mejorar el rendimiento obtenido de la compresión variable.

Azken urteotan, bateriek protagonismoa irabazi dute, garrantzia handitu duten faktoreen konbinazioaren ondorioz. Faktore horietako batzuk energia-eskaera gero eta handiagoa eta energia-iturri berriztagarriak hartzea dira. Banadiozko redox fluxu-bateriak (VRFB, Vanadium Redox Flow Batteries) aplikazio egonkorretarako aukera egoki gisa aurkezten dira, balio-bizitza luzea, efizientzia eta segurtasun handia eskaintzen baitute. Hala ere, bere potentzia dentsitate baxua eta kostu handiak desabantaila garrantzitsutzat jotzen dira bere integrazio komertzialerako. Arazo horiei aurre egiteko, gelaxkaren geometria berriak eta elektrodoen konfigurazioak probatzen ari dira. Lan honen helburua da banadioko redox fluxu-baterien errendimendu elektrokimikoan elektrodoei konpresio aldakor bat aplikatzearen inpaktua aztertzea. Ataza egiteko Fluido Konputazionalen Dinamikako tresnak erabili dira (CFD, Computational Fluid Dynamics). Gelaxkaren analisi fluidodinamikoa eta elektrokimikoa egin du. Gainera, elektrodo-konpresioa duten kasuekin konpresio aldakor bat aplikatzean lortutako emaitzak alderatu dira, gelaxkaren portaera baldintza desberdinetan ulertzeko. Konpresio aldakorrak tentsio eta potentzia dentsitate balio handiagoak eskaintzen ditu elektrolitozko emari handiagoekin lan egiten duenean. Hala ere, konpresio aldakor baten pean eremu aktiboaren balioa zehaztea faktore garrantzitsua da konpresio aldakorretik lortutako errendimendua hobetzeko.

In recent years, batteries have gained prominence due to a combination of factors that have increased their importance. Some of these factors include the increasing demand for energy and the adoption of renewable energy sources. Vanadium Redox Flow Batteries (VRFB) are presented as a suitable option for stationary applications, as they offer long life, high efficiency and safety. However, their low power density and high costs are considered major disadvantages for their commercial integration. To address these problems, new cell geometries and electrode configurations are being tested. The aim of this work is to analyse the impact of applying variable electrode compression on the electrochemical performance of vanadium redox flow batteries. Computational Fluid Dynamics (CFD) tools have been used to carry out this task. The fluid dynamic and electrochemical analysis of the cell has been carried out. In addition, a comparison of the results obtained from applying variable compression with cases with electrode compression has been carried out in order to understand the behaviour of the cell under different conditions. Variable compression offers higher voltage and power density values when working with higher electrolyte flow rates. However, determining the active area value under variable compression is an important factor in improving the performance obtained from variable compression.