The Investigation of Battery Performance Parameters and Thermal Behaviour in Vanadium Redox Flow Battery. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (M.S. Thesis) M.S. Thesis_Omer Farooq.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 26 December 2025. Download (9MB)

Arabic Abstract

بطاريات الفاناديوم ذات تدفق الأكسدة والاختزال هي تقنية واعدة لتخزين الطاقة الكهربائية المتولدة من مصادر متجددة. الفكرة الرئيسية لهذه البطاريات هي تخزين الطاقة في السائل الحامل للأيونات (الكترولايت)، حيث يتم تخزين الطاقة في شكل طاقة كهروكيميائية في الإلكترولايت المخزن في خزانات مستقلة. ميزتها الرئيسية هي فصل كمية الطاقة المخزنة وقدرة (أو سرعة) التخزين مما يسهل عملية الزيادة والنقصان في كل منهما على حدة. يستخدم الفاناديوم في هذا النوع من البطاريات لقدرته الفريدة على إظهار أربع حالات أكسدة مما يجعله قابلاً للاستخدام كنوع واحد من المواد النشطة كهربائيًا في الإلكترولايت. المادة الأساسية لهذا النوع من البطاريات هي خماسي أكسيد الفاناديوم (V2O5)، حيث يكون الفاناديوم في خماسي أكسيد الفاناديوم في حالة أكسدة V+5، يجب تقليل حالة أكسدة V+5 هذه إلى V+4 وV+3 لجعل الإلكترولايت مناسبًا للشحن، والعامل المختزِل المستخدم في هذه العملية هو حمض الأكساليك، يتم إذابة خماسي أكسيد الفاناديوم في محلول حمض الكبريتيك المائي ويضاف إليه حمض الأكساليك، يتم تحريك هذا المحلول بسرعة 600 دورة في الدقيقة لمدة 72 ساعة تقريبًا حتى يذوب المحلول ويختزل بشكل كامل، يتم تجميع الخلية بألواح ثنائية القطب وأقطاب كهربائية وغشاء ومجمعات تيار وإطارات نهائية. الألواح ثنائية القطب مصنوعة من مادة الجرافيت ذات مجال تدفق ثلاثي المسارات. تبلغ مساحة مجال التدفق 25 سم2. الأقطاب الكهربائية مصنوعة من لباد الجرافيت الذي يحتاج إلى التنشيط لجعله متقبلا للماء عن طريق تسخينه إلى 400 درجة مئوية لمدة 10 ساعات تقريبًا. الغشاء المستخدم هو غشاء Nafion-212 وهو غشاء تبادل كاتيوني يسمح فقط للأيون الموجب بالانتشار من خلاله. يتم إدخال مستشعر درجة الحرارة من DiLiCo Engineering بين اللوحة ثنائية القطب ومجمع التيار لقياس توزيع درجة الحرارة على اللوحة. يحتوي المستشعر على 48 قطعة تسجل درجة حرارة القطب بشكل فردي. يتم أخذ 40 مل من الإلكترولايت المحضر على شكل أنوليت وكاثوليت . يهدف هذا البحث إلى دراسة أنماط توزيع درجة الحرارة وتغيرها مع الوقت على القطب السالب والقطب الموجب للبطارية. يتم تحليل الأنماط تحت كثافات تيار كهربائي مختلفة (60 و 75 و 90 مللي أمبير لكل سم 2) ومعدلات تدفق الإلكترولايت (50 و 100 مل في الدقيقة) ودرجات حرارة تشغيل مختلفة للخلية والخزانات (25 درجة مئوية و 30 درجة مئوية). يتم تسجيل الاختلافات في درجة الحرارة في الوقت الحقيقي عند الأقطاب السالبة والموجبة أثناء دورة الشحن والتفريغ ثم يتم تمثيلها في خطوط توزيع درجة الحرارة ثنائية الأبعاد. يلاحظ أن درجة حرارة القطب السالب تزداد أثناء الشحن وتنخفض أثناء التفريغ. وعلى العكس من ذلك، تنخفض درجة حرارة القطب الموجب أثناء الشحن وتزداد أثناء التفريغ. يتم تقديم تحليل شامل ومناقشة لتوزيع درجة الحرارة عند الأقطاب. علاوة على ذلك، يتم رسم خريطة توزيع كثافة التيار أثناء الشحن والتفريغ عند كلا القطبين بعناية. تقدم الدراسة رؤى قيمة حول سلوك توزيع درجات الحرارة لبطاريات تدفق الفاناديوم المؤكسدة، والتي قد تساعد لفهم عمليات الترسب في هذا النوع من البطاريات وإيجاد حلول هندسية للتغلب على التبيان في درجات الحرارة وتزايدها.

English Abstract

Vanadium Redox flow batteries are promising technologies that store energy generated through renewable means. The main idea of these flow batteries is to store energy in liquids, unlike solid-state batteries. The energy is stored in the form of electrochemical energy in the electrolyte stored in tanks. Their main advantage is the decoupling of the energy and power making it feasible for its scalability independently from each other. These batteries are used for stationary energy storage applications like grid storage. The advantage of Vanadium is its unique ability to exhibit four oxidation states making it viable to use as a single electroactive species in the electrolyte. This feature also reduced the risk of mixing up and cross-contamination for the electrolyte. The primary element of VRFB is the Vanadium Pentoxide (V2O5). The Vanadium in Vanadium Pentoxide is in the V+5 oxidation state. This V+5 oxidation state needs to be reduced to V+4 and V+3 to make the electrolyte suitable for galvanostatic cycling. The reducing agent used for this process is Oxalic acid. The Vanadium Pentoxide is dissolved in aqueous sulfuric acid solution and oxalic acid is added to it. This solution is stirred at 600 rpm for about 72 hours for the solution to dissolve and reduce properly. The cell is assembled with bipolar plates, electrodes, membrane, current collectors, and end-frames. The bipolar plates are made of graphite material having a triple serpentine flow field. The area of the flow field is 25 cm2. The electrodes are made of graphite felt which needs to be activated to make it hydrophilic by heating it to 400oC for about 10 hours. The membrane used is the Nafion-212 membrane which is a cation exchange membrane which allows only the positive ion to diffuse through it. The temperature sensor from DiLiCo Engineering is introduced between the bipolar plate and the current collector to measure the temperature distribution on the plate. The sensor has 48 segments which record the temperature of the electrode individually. 40 ml of the prepared electrolyte is taken as anolyte and catholyte for galvanostatic cycling. The study analyzes the real-time temperature distribution patterns on the anode (negative electrode) and cathode (positive electrode) of the vanadium redox flow battery in a full-cell configuration. The patterns are analyzed under various current densities (60, 75, and 90 mA cm–2), electrolyte flow rates (50 and 100 mL min–1), and different operating temperatures of the cell and tanks (25 °C and 30 °C) during the galvanostatic cycling. The real-time temperature variations are recorded at the negative and positive electrodes during the charge-discharge cycling and then represented in 2D temperature distribution contours. It is noted that the temperature of the negative electrode increases during charging and falls during discharge. Conversely, the temperature of the positive electrode decreases during charging and increases during discharging. A comprehensive analysis and discussion of the temperature distribution at the electrodes are presented. Furthermore, the distribution of applied current density during the galvanostatic cycling at both electrodes is carefully mapped. The study offers valuable insights into the temperature distribution behavior of vanadium redox flow batteries, which could be advantageous for future technological advancements. Specifically, catholyte species precipitate during galvanostatic cycling at moderate temperatures, a problem for vanadium redox flow batteries.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Munteshari, Obaidallah
Committee Members:	Qamar, Mohammad and Alshehri, Ali Mohammad
Depositing User:	OMER MOHAMMED (g202208060)
Date Deposited:	29 Dec 2024 12:12
Last Modified:	29 Dec 2024 12:12
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143178