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Zusammenfassung (German abstract) Die vorliegende Arbeit besteht aus drei Teilen. Unter zu Hilfenahme zahlreicher Publikationen wird zuerst ein umfangreiches multiphysikalisches Modell einer Vanadium Redox Flow Batterie (VRFB) aufgebaut. Das Model nutzt den Ansatz der konzentrierten Parameter um die Batterie auf der Systemebene zu beschreiben. Die unterschiedlichen Teilmodelle werden durch numerische Beispiele illustriert. Dank der Unterstützung durch drei verschiedene Hersteller kann das erstellte Modell einer umfangreichen Validierung unterzogen werden. Die weithin verwendeten Literaturmodelle zeigen sich nicht in der Lage, die Realität mit akzeptabler Genauigkeit abzubilden. Daher wird mit Hilfe der Messdaten der Hersteller ein Versuch unter- nommen, die elektrochemisch aktive Oberfläche des Graphitfilzes, welcher als Elektrode dient, zu bestimmen. Diese Oberfläche ist ein kritischer Eingabeparameter für das Modell der Konzentrationspolarisation. Nach der Validierung und unter Einsatz der neu bestimmten Fläche ist das Modell in der Lage, die Systeme zweier Hersteller mit hoher Genauigkeit zu beschreiben. Auch das System des dritten Herstellers wird wesentlich genauer beschrieben als vom Literaturmodell, jedoch verbleiben hier noch signifikante Abweichungen. Im zweiten Teil der Arbeit wird das validierte Modell genutzt um eine umfangreiche Designstudie durchzuführen. Mit Hilfe der Finite-Element-Analyse werden insgesamt 24 verschiedene Zellentwürfe erstellt, die sich in der verwendeten Elektrodenfläche und dem Aufbau der internen Elektrolytzu- und -ableitung unterscheiden. Die entworfenen Zellen werden anschließend in Stacks auf ihre Eignung in einer VRFB mit nur einem Stack und einer VRFB mit einem Strang aus drei seriell verschalteten Stacks hin untersucht. Ein Alleinstellungsmerkmal der durchgeführten Studie ist die gleichzeitig erfolgende Optimierung des Volumenstroms, welche für eine bestmögliche Vergleich- barkeit der verschiedenen Entwürfe unerlässlich ist. Anhand der Studie können vier wichtige Zusammenhänge identifiziert werden: Für die Reduktion der Streuströme ist eine Vergrößerung der Elektrodenfläche und ein längerer und engerer Zuleitungskanal gleich effektiv. Beide Maßnahmen erfahren jedoch einen starken Sättigungseffekt. Für einen gegebenen Flussfaktor und ein konstantes Seitenverhältnis erzielt eine Elektrode mit einer größeren Fläche eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten und daher auch einen höheren Massentransferkoeffizienten. Umgekehrt benötigt eine größere Elektrode für einen optimalen Betrieb einen kleineren Flussfaktor. Bei einer großen Elektrode verursacht ein Zuleitungskanal mit einem vernünftigen Geometriefaktor einen überproportional hohen Druckabfall verglichen mit kleineren Elektroden, bedingt durch den großen Elektrolytbedarf. 1PDF Image | Model-based Design Vanadium Redox Flow Batteries
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