Effektive Crossover-Modellierung in Vanadium-Redox-Flow-Batterien

Abstract

Elektrolyt Crossover führt im Betrieb einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB) zu Kapazitätsverlust und Selbstentladung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein 0-D Crossover-Modell einer VRFB von einem 2-D Referenzmodell aus der Forschung abgeleitet. Das erarbeitete Modell bildet Crossover durch Diffusion und Migration ab. Die Qualität der Modellergebnisse wurde im Rahmen einer Verifizierung und Validierung nachgewiesen. Es wurden Kontrollvariablen eingeführt, die verifizieren, dass die Migration und Diffusion nach einer vereinfachten 0-D Version der Nernst-Planck-Gleichung die Prinzipien der Ladungserhaltung, Elektroneutralität und Massenerhaltung erfüllen. Abweichungen zum Referenzmodell wurden im Rahmen der Validierung untersucht. Für den überwiegenden Teil der Elektrolytbestandteile lag die relative Abweichung der Stoffmengenflüsse des erarbeiteten Modells zum Referenzmodell bei unter 10 %. Künftig kann das Crossover-Modell dazu genutzt werden, Messergebnisse zu validieren und empirische Crossover Größen zu bestimmen.

Electrolyte crossover leads to capacity loss and self-discharge during operation of a vanadium redox flow battery (VRFB). In this work, a 0-D crossover model of a VRFB was developed based on a 2-D reference model from research. The developed model includes crossover by diffusion and migration. The quality of the model results was demonstrated during a verification and validation process. Control variables were introduced to verify that migration and diffusion satisfy the principles of charge conservation, electroneutrality, and mass conservation according to a simplified 0-D version of the Nernst-Planck equation. Deviations from the reference model were investigated during validation. For the majority of the electrolyte constituents, the relative deviation of the mass fluxes of the developed model from the reference model was less than 10%. In the future, the crossover model can be used to validate measurement results and to determine empirical crossover quantities.