Electrolyte flow rate control for Hydrogen Bromine Flow Batteries

• Main Author: Kerekes, Rudolf
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM) 2019
• Subjects: Engineering and Technology; Teknik och teknologier
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-263240

The need for energy storage solutions became more significant with the increasing penetration of renewable energy sources in the electricity grid. In the last decades, the flow batteries have gained increasing attention. They have several advantages compared to the conventional battery technologies. Among these, the Hydrogen Bromine Flow Batteries offer a low cost energy storage solution by using globally abundant materials, since Hydrogen and Bromine can be found in large quantities in the oceans. This study was conducted to find out the relation between electrolyte flow rate and electrochemical cell performance and to give a suggestion for dynamic flow rate control to maximize the battery system performance. First, a theoretical model was built to describe the behaviour of the system in various conditions. However, the lack of information of the parameters led the research towards experimental analysis. A small scale system with cell power range of 10 to 14 W and pump power range of 2.6 to 6.8 W was built for the experiments to analyse the cell power at different flow rate values (122 ml/min, 185 ml/min and 230 ml/min). Also, the aim was to observe the gains of using dynamic flow rate (122 ml/min and 230 ml/min used at specific periods of the cycles). The results show that for small scale systems there is no net positive energy gain due to the small power of the battery compared to the power of the pump. However, there were improvements found in battery capacity with 28 % increase, and in Coulombic efficiency with 2.47 % increase, if the largerflow rate was used. Furthermore, a 55% pumping energy saving was reached if the dynamic flow rate was used instead of constant maximum flow rate. In addition, a large scale system was designed, which would be able to integrate a PID control concept for dynamic flow rate control in kW scale batteries. Further work will be required for building and testing the proposed large scale system, which tend to model a commercial size Hydrogen Bromine Flow Battery. === Behovet av energilagringslösningar blev mer betydande med den ökande penetrationen av förnybara energikällor i elnätet. Under de senaste decennierna har flödesbatterierna fått ökad uppmärksamhet. De harflera fördelar jämfört med konventionella batteriteknologier. Då väte och brom finns i stora mängder i haven, erbjuder vätebromflödesbatterier en billig lösning för energilagring genom att använda globalt rikligt förekommande material. Denna studie genomfördes för att ta reda på sambandet mellan elektrolytflödeshastighet och elektrokemisk cellprestanda och för att ge ett förslag för dynamisk flödeshastighetskontroll för att maximera batterisystemets prestanda. Först byggdes en teoretisk modell för att beskriva systemets beteende under olika förhållanden. Emellertid ledde bristen på information om parametrarna forskningen mot experimentell analys. Ett småskaligt system med celleffektintervall från 10till 14 W och pumpeffektintervall på 2.6 till 6.8 W byggdes för experimenten för att analysera celleffekten vid olika flödeshastighetsvärden (122 ml / min, 185 ml / min och 230 ml / min). Syftet var också att observera vinsterna med att använda dynamisk flödeshastighet (122 ml / min och 230 ml / min använd vidspecifika perioder av cyklerna). Resultaten visar att för småskaliga system finns det ingen nettopositiv energivinst på grund av batteriets lilla effekt jämfört med pumpens effekt. Det fanns emellertid förbättringari batterikapacitet med en ökning på 28% och i Coulombic effektivitet med en ökning på 2.47% om den större flödeshastigheten användes. Det uppnåddes även en energibesparing på 55% om den dynamiska flödeshastigheten användes istället för konstant maximal flödeshastighet. Dessutom utformades ett storskaligt system som skulle kunna integrera ett PID-kontrollkoncept för dynamisk flödeshastighetskontroll i kW-skalbatterier. Ytterligare arbete kommer att krävas för att bygga och testa det föreslagna storskaliga systemet, som tenderar att modellera ett kommersiellt vätebromflödesbatteri.