Performance analysis and gradient-porosity electrode design of vanadium redox flow batteries based on CFD simulations under open-source environment

过电位 多孔性 电解质 流动电池 材料科学 电极 浓差极化 复合材料 化学 冶金 电化学 生物化学 物理化学
作者
Qingchen Gao,Zhiming Bao,Weizhuo Li,Zhichao Gong,Linhao Fan,Kui Jiao
出处
期刊:Energy [Elsevier]
卷期号:289: 129995-129995 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.energy.2023.129995
摘要

As a promising large-scale energy storage device, the vanadium redox flow battery (VRFB) has attracted attention due to its excellent safety, the independence between energy capacity and power capacity, the suitable polarization potential, and the ability to avoid cross-contamination. In this work, a 3D model of VRFB is developed based on the open-source computational fluid dynamics (CFD) platform OpenFOAM, which is well-validated. Then, the effect of operating conditions is studied, which shows that a higher electrolyte concentration can reduce the overpotential and increase the discharge voltage. Reducing the current density can increase the deepness of charge and discharge, reduce the electrolyte concentration gradient, the mass transfer loss and the activation loss. In addition, the effect of electrode porosity is studied that the overpotential decreases near the membrane and increases near the current collector with increasing porosity. Finally, the effect of porosity changes in different directions is studied, and an attempt is made to utilize this overpotential distribution by introducing the gradient-porosity electrode to reduce the non-uniformity of overpotential. The gradient-porosity electrode design using higher porosity near the membrane and lower porosity near the current collector can effectively improve the distribution of overpotential and increase battery performance by 1.67 mV.
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