유닛셀/스택 유동프레임 설계 개선을 통한 레독스 흐름전지 성능향상에 대한 연구 A Study for Performance Improvement of Redox Flow Battery through the Design of Unit Cell/Stack Flow Frame원문보기
ESS의 한 분야인 레독스 흐름전지는 전해액의 산화·환원 반응을 통해 전기를 생성 또는 저장하는 장치로, 흐름전지 효율은 전해액 펌프 에너지와 충·방전 에너지량으로 결정된다. 흐름전지의 출력은 유동의 균일성이 높은 경우 반응량 증가로 인해 상승될 수 있으며, 용량은 압력강하가 작을수록 많은 유량을 투입할 수 있기 때문에 증가할 수 있다. 하지만, ...
ESS의 한 분야인 레독스 흐름전지는 전해액의 산화·환원 반응을 통해 전기를 생성 또는 저장하는 장치로, 흐름전지 효율은 전해액 펌프 에너지와 충·방전 에너지량으로 결정된다. 흐름전지의 출력은 유동의 균일성이 높은 경우 반응량 증가로 인해 상승될 수 있으며, 용량은 압력강하가 작을수록 많은 유량을 투입할 수 있기 때문에 증가할 수 있다. 하지만, 유동 균일도 확보를 위해서는 하나의 입구로부터 전체 전극으로 유동을 균일하게 분배해야하기 때문에 유로 형태가 복잡해지고, 이로 인한 압력강하량이 증가하여 전체 스택의 구성 개수가 줄어들어 전체 시스템 용량을 감소시키게 된다. 반면 압력강하량 감소는 shunt current를 발생시켜 셀 내부의 반응량 감소를 가져오게 되며 이로 인한 출력 저하가 발생된다. 이처럼 유동 균일도와 압력강하는 득실(trade off)관계를 가지게 된다. 본 연구에서는 레독스 흐름전지의 종류 중 하나인 Zn/Br과 바나듐 레독스 흐름전지의 내부유동 특성을 파악하고, 다양한 조건에 따른 흐름전지의 유동프레임의 특성을 나타낼 수 있는 유동균일도 평가지수 제안 및 시스템 효율 향상을 위한 유닛셀의 유동프레임 및 스택 매니폴드 형상을 제안하였다. 이를 통해 흐름전지의 출력상승과 대용량 구성이 가능하도록 하였다. 현 수준 Zn/Br 흐름전지의 유동균일도 평가 결과, 대칭계수가 3.8%로 나타났으며 네 번째 분기점에서 가장 높은 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한 각 분기의 유량의 좌우 편차로 인하여 전극으로 토출되는 전해액의 최대속도편차가 38.5%로 낮은 균일성을 보이고 있다. 그리고 chevrons의 영향으로 압력강하량이 증가하여 채널에서 높은 압력강하량을 보이게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 기존 형상에서 대칭계수가 가장 높이 나타난 네 번째와 다섯 번째 분기점을 제거하여 하나의 토출구로 변경하였으며, chevrons의 위치를 변경하여 압력강하량을 감소시켰다. 그 결과 대칭계수가 최대 98% 감소하였으며, 최대속도편차() 역시 64.1%로 기존 형상에 비해 균일도가 크게 개선된 것을 확인할 수 있다. 또한 유로의 간소화 및 chevrons의 재배치를 통해 약 13.3%의 압력강하 감소 효과를 확인할 수 있었다. 현 수준 바나듐 흐름전지의 유동균일도 계산 결과, 최대속도편차가 11.89%로 전극으로 토출되는 전해액이 균일하게 토출되지 못하는 것을 확인할 있다. 또한 전극으로 토출되는 유로의 개수가 90개로 나누어지기 때문에 전극 대비 면적이 1/2로 감소되어 압력 강하가 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 입구채널의 입구부터 다섯 개의 분기로 나누어 전해액을 각 구역으로 분산시켰으며, 전해액이 정체되는 dead-zone을 없애기 위해 전체적인 형상을 1/4 타원으로 구성하였다. 그 결과 최대속도편차가 기존 11.89%에서 54.16%로 균일도가 크게 개선된 것을 확인할 수 있다. 또한 각 채널의 90개의 토출구를 하나로 통합하여 채널에서의 압력강하를 약 40% 이상 크게 개선하였다. 현 수준 Zn/Br 흐름전지의 유량 분배는, 처음 셀부터 마지막 셀까지 선형적으로 유량이 증가하며 분배된다. 유량 분배특성은 최대유량편차를 통해 계산 할 수 있으며, 현 수준 매니폴드의 최대 유량편차는 약 8.16%로 나타난다. 이러한 유량분배 불균일성을 해소하고자 trunk 형태의 새로운 매니폴드를 구성하여 평가하였다. 매니폴드의 최대유량편차 계산 결과, 첫 번째 스택에서 1.61%, 두 번째 스택에서 0.33%, 그리고 세 번째 스택에서 1% 값을 가지며 기존에 비해 크게 균일도가 향상된 것을 확인할 수 있다. 또한 스택의 매니폴드 및 유동프레임의 개선 효과로 전해액의 전체 농도 및 에너지가 약 7% 증가한 것으로 나타났다. 유동균일도 향상 및 압력강하량을 감소시킬 수 있는 고출력 흐름전지 유동프레임을 개발하여, 출력을 7% 향상시켰으며, 압력강하량은 40%이상 감소시켜 전체 용량을 증가시킬 수 있었다. 이를 통해 소형 및 대형 흐름전지에 모두 적용할 수 있는 흐름전지 구성에 대한 방법을 제시하였다.
ESS의 한 분야인 레독스 흐름전지는 전해액의 산화·환원 반응을 통해 전기를 생성 또는 저장하는 장치로, 흐름전지 효율은 전해액 펌프 에너지와 충·방전 에너지량으로 결정된다. 흐름전지의 출력은 유동의 균일성이 높은 경우 반응량 증가로 인해 상승될 수 있으며, 용량은 압력강하가 작을수록 많은 유량을 투입할 수 있기 때문에 증가할 수 있다. 하지만, 유동 균일도 확보를 위해서는 하나의 입구로부터 전체 전극으로 유동을 균일하게 분배해야하기 때문에 유로 형태가 복잡해지고, 이로 인한 압력강하량이 증가하여 전체 스택의 구성 개수가 줄어들어 전체 시스템 용량을 감소시키게 된다. 반면 압력강하량 감소는 shunt current를 발생시켜 셀 내부의 반응량 감소를 가져오게 되며 이로 인한 출력 저하가 발생된다. 이처럼 유동 균일도와 압력강하는 득실(trade off)관계를 가지게 된다. 본 연구에서는 레독스 흐름전지의 종류 중 하나인 Zn/Br과 바나듐 레독스 흐름전지의 내부유동 특성을 파악하고, 다양한 조건에 따른 흐름전지의 유동프레임의 특성을 나타낼 수 있는 유동균일도 평가지수 제안 및 시스템 효율 향상을 위한 유닛셀의 유동프레임 및 스택 매니폴드 형상을 제안하였다. 이를 통해 흐름전지의 출력상승과 대용량 구성이 가능하도록 하였다. 현 수준 Zn/Br 흐름전지의 유동균일도 평가 결과, 대칭계수가 3.8%로 나타났으며 네 번째 분기점에서 가장 높은 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한 각 분기의 유량의 좌우 편차로 인하여 전극으로 토출되는 전해액의 최대속도편차가 38.5%로 낮은 균일성을 보이고 있다. 그리고 chevrons의 영향으로 압력강하량이 증가하여 채널에서 높은 압력강하량을 보이게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 기존 형상에서 대칭계수가 가장 높이 나타난 네 번째와 다섯 번째 분기점을 제거하여 하나의 토출구로 변경하였으며, chevrons의 위치를 변경하여 압력강하량을 감소시켰다. 그 결과 대칭계수가 최대 98% 감소하였으며, 최대속도편차() 역시 64.1%로 기존 형상에 비해 균일도가 크게 개선된 것을 확인할 수 있다. 또한 유로의 간소화 및 chevrons의 재배치를 통해 약 13.3%의 압력강하 감소 효과를 확인할 수 있었다. 현 수준 바나듐 흐름전지의 유동균일도 계산 결과, 최대속도편차가 11.89%로 전극으로 토출되는 전해액이 균일하게 토출되지 못하는 것을 확인할 있다. 또한 전극으로 토출되는 유로의 개수가 90개로 나누어지기 때문에 전극 대비 면적이 1/2로 감소되어 압력 강하가 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 입구채널의 입구부터 다섯 개의 분기로 나누어 전해액을 각 구역으로 분산시켰으며, 전해액이 정체되는 dead-zone을 없애기 위해 전체적인 형상을 1/4 타원으로 구성하였다. 그 결과 최대속도편차가 기존 11.89%에서 54.16%로 균일도가 크게 개선된 것을 확인할 수 있다. 또한 각 채널의 90개의 토출구를 하나로 통합하여 채널에서의 압력강하를 약 40% 이상 크게 개선하였다. 현 수준 Zn/Br 흐름전지의 유량 분배는, 처음 셀부터 마지막 셀까지 선형적으로 유량이 증가하며 분배된다. 유량 분배특성은 최대유량편차를 통해 계산 할 수 있으며, 현 수준 매니폴드의 최대 유량편차는 약 8.16%로 나타난다. 이러한 유량분배 불균일성을 해소하고자 trunk 형태의 새로운 매니폴드를 구성하여 평가하였다. 매니폴드의 최대유량편차 계산 결과, 첫 번째 스택에서 1.61%, 두 번째 스택에서 0.33%, 그리고 세 번째 스택에서 1% 값을 가지며 기존에 비해 크게 균일도가 향상된 것을 확인할 수 있다. 또한 스택의 매니폴드 및 유동프레임의 개선 효과로 전해액의 전체 농도 및 에너지가 약 7% 증가한 것으로 나타났다. 유동균일도 향상 및 압력강하량을 감소시킬 수 있는 고출력 흐름전지 유동프레임을 개발하여, 출력을 7% 향상시켰으며, 압력강하량은 40%이상 감소시켜 전체 용량을 증가시킬 수 있었다. 이를 통해 소형 및 대형 흐름전지에 모두 적용할 수 있는 흐름전지 구성에 대한 방법을 제시하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.