Vanadyum redoks akış bataryalarda termal ve yapısal analiz
Thermal and structural analysis of vanadium redox flow batteries
Yazar: PHIL JACQUES ALPHONSE
Danışman: DOÇ. DR. GÜLŞAH ELDEN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Batarya = Battery ; Batarya termal yönetim sistemi = Battery thermal management system ; Enerji depolama = Energy storage ; Membranlar = Membranes ; Vanadyum = Vanadium

Özet:
Bu tez çalışmasında, vanadyum redoks akış bataryasında şarj ve deşarj işlemi sırasında ele alınan parametrelerin (çalışma sıcaklığı, elektrolit konsantrasyonu, farklı membran tipi ve kademeli gözeneklilik) bataryanın potansiyel performansına, sıcaklık dağılımlarına ve ısı kaynaklarına etkileri sayısal olarak derinlemesine analiz edilmiştir. Ayrıca, bataryaya uygulanan farklı kuvvetler altında batarya bileşenlerinin mekanik davranışları incelenmiştir. Ele alınan parametrelerin etkilerini ortaya koymak için ilk olarak Vanadyum elektrolitinin molar konsantrasyonu sabit tutularak çalışma sıcaklığı 283 K'den 313 K'e (10 K artışlarla) değiştirilmiştir. Daha sonra batarya çalışma sıcaklığı 313 K'de sabit tutularak elektrolitin molar konsantrasyonu 1.25 M'dan 2 M'a kadar (0.25 M artışla) artırılmıştır. Ayrıca bataryadaki membranın etkisini araştırmak için farklı ticari Nafyon membranlar için ayrı ayrı modeller oluşturulmuştur. Son olarak, elektrottaki kademeli gözenekliliğin etkisini görebilmek için dört farklı durumun tasarlandığı modeller geliştirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre çalışma sıcaklığını artırmak, elektrolit molar konsantrasyonunu artırmak, daha kalın membran kullanmak ve her iki elektrot için membrana doğru elektrot gözenekliliğini %64'ten %94'e artırmak bataryanın potansiyel performansını iyileştirmiştir. Ele alınan parametreler batarya içerisinde büyük bir sıcaklık farkı yaratmamıştır. Batarya içerisinde meydana gelen ısı kaynakları, ele alınan her bir parametreye göre farklı bir davranış sergilemiştir. Ayrıca batarya üzerine uygulanan kuvvetler artırıldığında bileşenlerde plastik bir deformasyon olmadığı tespit edilmiştir. 
Anahtar Kelimeler: Enerji depolama, Vanadyum redoks akış batarya, Termal Model, Elektrot gözenekliliği, Membran.

Abstract:
In this thesis, the effects of the considered parameters (operating temperature, electrolyte concentration, different membrane type and gradual porosity on the potential performance of the battery, temperature distributions and heat sources were numerically analyzed in depth in vanadium redox flow battery during charge and discharge processes. Furthermore, the mechanical behaviors of the battery components under different forces were also investigated. To reveal the effects of the parameters discussed, firstly, the operating temperature was changed from 283 K to 313 K (stepping by 10 K) by keeping the molar concentration of the Vanadium electrolyte constant. Then, the molar concentration of the electrolyte was increased from 1.25 M to 2 M (stepping by 0.25 M) while keeping the battery operating temperature constant at 313 K. In addition, to analyze the effects of the membrane in the battery, separate models were created for the commercial Nafion membranes. Finally, models were developed in which four different states were designed to see the effects of gradually increasing porosity in the electrode. According to the obtained numerical results, increasing the operating temperature and the electrolyte molar concentration, using a thicker membrane, and gradually increasing the electrode porosity towards the membrane from 64% to 94% in both electrodes improved the potential performance of the battery. The considered parameters did not cause a large temperature difference in the battery. The heat sources occurring in the battery exhibited a different behavior depending on each considered parameter. In addition, when the forces applied on the battery are increased, there is no plastic deformation in the components.

Keywords: Energy storage, vanadium redox flow batteries, Thermal Modelling, Electrode porosity, membrane.