ساخت، توسعه و شبیه‌سازی باتری جریانی اکسایشی کاهشی وانادیومی باهدف ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

در عصر حاضر، ضرورت ذخیره‌سازی انرژی با توجه به کاربردهای گسترده آن، امری مهم و حیاتی محسوب می‌شود. باتری‌های جریانی اکسایشی کاهشی وانادیومی باقابلیت ذخیره‌سازی انرژی در اندازه‌های کلان، یکی از مهم‌ترین فناوری‌های الکتروشیمیایی به‌روز در جهان به شمار می‌آیند. طراحی خاص این باتری‌ها امکان افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی تا مقدارهای بسیار بالا را فراهم نموده است. ازاین‌رو از این فنّاوری به‌عنوان تأمین‌کننده برق شهرها در آینده‌ای نه‌چندان دور یاد می‌شود. در این پژوهش، ساخت، توسعه و شبیه‌سازی باتری جریانی وانادیومی به‌منظور طی کردن گامی مهم در برای دست‌یابی به دانش فنی این فنّاوری امیدبخش ذخیره‌سازی، موردنظر بوده است. در این خصوص نخست ساختار سل طراحی‌شده، معرفی‌شده است و روش انتخاب مواد و آماده‌سازی اولیه باتری برای راه‌اندازی شرح داده‌شده است. از سوی دیگر مدل ریاضی حاکم بر این سامانه ارایه شده است. پس‌ازآن و در گام پسین، بررسی تجربی و عددی عملکرد سامانه با اعتبارسنجی شبیه‌سازی انجام‌شده، دنبال شده است. بررسی و تحلیل عملکرد سیکلی، راندمان سامانه، اثر دانسیته جریان، اثر غلظت الکترولیت، روش توزیع فشار و توزیع سرعت الکترولیت ازجمله دیگر موارد موردتوجه در این پژوهش بوده است. مدل ریاضی ارایه‌شده و شبیه‌سازی انجام‌شده در این پژوهش با مقدار متوسط خطای 92/4% بر داده‌های تجربی چرخه‌های شارژ و تخلیه در دانسیته‌های جریان mA/cm2 40 و mA/cm2 60 منطبق شده است. نتیجه‌های به‌دست‌آمده از عملکرد سیکلی باتری نشان داد که متوسط راندمان کولنی سامانه در دانسیته‌های جریان mA/cm2 40، mA/cm2 50 و mA/cm2 60 به ترتیب برابر 25/90%، 45/92%، و 35/94% بوده است. در غلظت mol/L 1 و شدت جریان mL/min 40، ظرفیت ذخیره‌سازی mA.h  133 با افت فشار Pa 2400 به‌دست‌آمده که نشان‌دهنده عملکرد مناسب هیدرودینامیکی و سینتیکی سامانه طراحی‌شده است.

کلیدواژه‌ها

مراجع

[1] Deane P., Gallachóir B.Ó., Pumped Hydro Energy Storage, Handb. Clean Energy Syst, 1–16 (2015).
[2] Greenblatt J.B., Succar S., Denkenberger D.C., Williams R.H., Socolow R.H., Baseload Wind Energy: Modeling the Competition between Gas Turbines and Compressed Air Energy Storage for Supplemental Generation, Energy Policy, 35: 1474–1492 (2007).
[3] Bolund B., Bernhoff H., Leijon M., Flywheel Energy and Power Storage Systems, Renew. Sustain. Energy Rev, 11: 235–258 (2007).
[4] Saleem A.M., Desmaris V., Enoksson P., Performance Enhancement of Carbon Nanomaterials for Supercapacitors, J. Nanomater, 2016: 1537269 (2016).
[5] Zhang H., Li X., Zhang J., "Redox Flow Batteries: Fundamentals and Applications", CRC Press (2017).
[6] Menictas C., Skyllas-Kazacos M., Lim T.M., Advances in Batteries for Medium and Large-Scale Energy Storage: Types and Applications, Elsevier (2014).
[7] Faisal M., Hannan M.A., Ker P.J., Hussain A., Mansor M.B., Blaabjerg F., Review of Energy Storage System Technologies in Microgrid Applications: Issues and Challenges, IEEE Access, 6: 35143–35164 (2018).
[8] Alotto P., Guarnieri M., Moro F., Redox Flow Batteries for the Storage of Renewable Energy: A Review, Renew. Sustain. Energy Rev, 29: 325–335 (2014).
[9] Skyllas-Kazacos M., Chakrabarti M. H., Hajimolana S. A., Mjalli F.S., Saleem M., Progress in Flow Battery Research and Development, J. Electrochem. Soc, 158: R55 (2011).
[10] Gür M.T., Review of Electrical Energy Storage Technologies, Materials and Systems: Challenges and Prospects for Large-Scale Grid Storage, Energy Environ. Sci., 11: 3055 (2018).
[11] Nadeem F., Hussain S.M. S., Tiwari P.K., Goswami A.K., Ustun T.S., Comparative Review of Energy Storage Systems, their Roles, and Impacts on Future Power Systems, IEEE Access, 7: 4555–4585 (2019).
[12] Braff W.A., Bazant M.Z., Buie C.R., Membrane-Less Hydrogen Bromine Laminar Flow Battery, Nature Communications, 4: 2346 (2013).
[13] Kim S., Vanadium Redox Flow Batteries: Electrochemical Engineering. in Energy Storage Devices, IntechOpen (2019).
[14] Liu Q.H., Grim G.M., Papandrew A.B., Turhan A., Zawodzinski T.A., Mench M.M., High Performance Vanadium Redox Flow Batteries with Optimized Electrode Configuration and Membrane Selection, J. Electrochem. Soc., 159: A1246–A1252 (2012).
[15] Jiang B., Wu L., Yu L., Qiu X., Xi J., A Comparative Study of Nafion Series Membranes for Vanadium Redox Flow Batteries, J. Memb. Sci., 510: 18–26 (2016).
[16] Park S.K., Shim J., Yang J.H., Jin C.S., Lee B.S., Lee Y.S., Shin K.H., Jeon J.D., The Influence of Compressed Carbon Felt Electrodes on the Performance of a Vanadium Redox Flow Battery, Electrochim. Acta, 116: 447–452 (2014).
[17] Shah A.A., Watt-Smith M.J., Walsh F.C., A Dynamic Performance Model for Redox-Flow Batteries Involving Soluble Species, Electrochim. Acta, 53: 8087–8100 (2008).
[18] Knehr K.W., Agar E., Dennison C.R., Kalidindi A.R., Kumbur E.C., A Transient Vanadium Flow Battery Model Incorporating Vanadium Crossover and Water Transport through the Membrane, J. Electrochem. Soc., 159: A1446–A1459 (2012).
[19] Monteiro R., Leirós J., Boaventura M., Mendes A., Insights into All-Vanadium Redox Flow Battery: A Case Study on Components and Operational Conditions, Electrochim. Acta, 267: 80–93 (2018).
[20] Bagher M., Mohammadi F., Hooshyari K., Effect of Deep Eutectic Solvents Hydrogen Bond Acceptor on the Anhydrous Proton Conductivity of Nafion Membrane for Fuel Cell Applications, J. Memb. Sci, 605: 118116 (2020).
[21] Bard A.J., Faulkner L.R., Fundamentals and Applications: Electrochemical Methods, Electrochem. Methods, 2: 482 (2001)
[22] Yamamura T., Watanabe N., Yano T., Shiokawa Y., Electron-Transfer Kinetics of Np3+∕ Np4+, NpO2+∕ NpO22+, V2+∕ V3+, and VO2+∕ VO2+ at Carbon Electrodes, J. Electrochem. Soc, 152: A830 (2005).
[23] Newman J., Thomas-Alyea E.K., "Electrochemical Systems", John Wiley & Sons. (2004).
[24] Doyle M., Lewittes M.E., Roelofs M.G., Perusich S.A., Lowrey R.E., Relationship between Ionic Conductivity of Perfluorinated Ionomeric Membranes and Nonaqueous Solvent Properties, J. Memb. Sci, 184: 257–273 (2001).
[25] Sel O., To Thi Kim L., Debiemme-Chouvy C., Gabrielli C., Laberty-Robert C., Perrot H., Determination of the Diffusion Coefficient of Protons in Nafion Thin Films by ac-Electrogravimetry, Langmuir, 29: 13655–13660 (2013).
[26] Brown, J. C., Determination of the Exposed Specific Surface of Pulp Fibers from Air Permeability Measurements, Tappi, 33: 130–137 (1950).
[27] Shi Y., Eze C., Xiong B., He W., Zhang H., Lim T.M., Ukil A., Zhao J., Recent Development of Membrane for Vanadium Redox Flow Battery Applications: A Review, Appl. Energy, 238: 202–224 (2019).
[28] Yin C., Gao Y., Guo S., Tang H., A Coupled Three Dimensional Model of Vanadium Redox Flow Battery for Flow Field Designs, Energy, 74: 886–895 (2014).
[29] Parsons R., Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions, J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem, 13: 471 (1967).
[30] Leung P., Li X., De León C.P., Berlouis L., Low C.J., Walsh F.C., Progress in Redox Flow Batteries, Remaining Challenges and their Applications in Energy Storage, Rsc Adv, 2: 10125–10156 (2012).
[31] Maurya S., Nguyen P.T., Kim Y.S., Kang Q., Mukundan R., Effect of Flow Field Geometry on Operating Current Density, Capacity and Performance of Vanadium Redox Flow Battery, J. Power Sources, 404: 20–27 (2018).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار