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문제 정의
- 양이온 교환막을 제작하였다. 또한 이 막들의 V-RFB에서의 내구성에 대해 평가하였다.
- 본 연구에서는 바나듐레독스-흐름 전지용 격막으로 사용하기 위해, 내산화성 및 내열성이 뛰어난 엔지니어링 플라스틱의 일종인 폴리설폰(Psf)에 폴리페닐렌 설파이드 설폰(PPSS)을 블록 공중합시킨 폴리머로 Psf-PPSS 양이온교환막과 블록 공중합에 HPAs의 일종인 텅스토포스포릭 산(TPA, tungstophosphoric acid)을 첨가하여 PstTPA-PPSS 양이온 교환막을 제작하였다. 또한 이 막들의 V-RFB에서의 내구성에 대해 평가하였다.
제안 방법
- 1 M (mol/L) H2SO4수용액에서의 막 저항을 측정하였다. 막 저항은 Hwang 등[9-12] 의 방법에 따라 측정하였다.
- 1 M H2SO4 수용액에서의 막 저항은 실온, 1 kHz- 100 kHz의 주파수에서 LCR메터 (Furuka Co. PM-6304) 를 이용하여 측정하였다. 막 저항은 식(1)로부터 계산하였다.
- 방전 심도를 조절하였다. 또한 디지털 멀티메터(digital multi-meter, Agilent Co.)> 측정용 셀에 연결하여 정전류 실험시의 셀전압을 측정하였다.
- 따른 V-RFB의 충.방 방전 셀 저항을 측정 함으로써 내구성을 평가하였다.
- 충.방 전 심도는 전기량계를 이용하여 충전상태 (SOC, state of charge)가 0~100%가 되도록 정전류 충전하였고, 전기화학적 특성실험은 각 충전 상태에서 ±1, ± 2, ± 3, ± 4 A의 전류를 흘려 정전류충 . 방전을 진행하여 각 전류값에서 셀전압을 기록함으로써 진행하였다.
- , HAL-201)를 설치하여 충. 방전 심도를 조절하였다. 또한 디지털 멀티메터(digital multi-meter, Agilent Co.
- 측정용 셀의 충.방전을 위하여 정전위/정전류기 (potentiostat/gal.,anostat, Hokudodenko Co., HAL-301) 를 사용하였고, 전기량계(coulometer, Hokudodenko Co., HAL-201)를 설치하여 충. 방전 심도를 조절하였다.
- 방 전 심도는 전기량계를 이용하여 충전상태 (SOC, state of charge)가 0~100%가 되도록 정전류 충전하였고, 전기화학적 특성실험은 각 충전 상태에서 ±1, ± 2, ± 3, ± 4 A의 전류를 흘려 정전류충 . 방전을 진행하여 각 전류값에서 셀전압을 기록함으로써 진행하였다.
- 본 연구에서는 바나듐레독스-흐름 전지용 격막으로 사용하기 위해, 내산화성 및 내열성이 뛰어난 엔지니어링 플라스틱의 일종인 폴리설폰(Psf)에 폴리페닐렌 설파이드 설폰(PPSS)을 블록 공중합시킨 폴리머로 Ps&PPSS 양이온교환막과 블록 공중합에 H頂As의 일종인 텅스토포스포릭 산(TPA, tungstophosphoric acid)을 첨가하여 Psf-TPA-PPSS 양이온 교환막을 제작하였고, 이 막들의 V-RFB에서의 내구성에 대해 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 제작한 양이온 교환막의 내구성은 산화제로도 사용되는 강산성인 5가 바나듐이온 수용액에 막을 침적시켜, 침적시간 경과에 따른 V-RFB에서의 전기화학적 특성을 평가함으로서 진행하였다. V-RFB에서의 전기화학적 특성평가는 2.
- 반응기 온도를 160。(2로 승온시킨 후 일정 교반 속도로 약 3시간 동안 중합시켰다. 중합이 완료되는 시점에 반응정지제인 CMP (3-chloro-2-methyl-l-propene)를 서서히 주입하여 반응을 정지시켰다. 반응이 정지된 후 미 반응물과 과량의 반응 정지제를 제거하기 위해 증류수를 사용하여 여러 번 세척하였고, 메탄올을 이용하여 다시 세척하였으며, 140℃에서 감압건조하여 블록공중합체(Ps&PPSS) 를 얻었다.
대상 데이터
- 실험장치는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 측정용 셀, 2 개의 수용액 탱크, 펌프로 구성하였다. 양극액은 1몰 황산 바나듐(VOSQ0을 2몰 황산에 녹인 용액을 사용하였고(5가 바나듐 수용액), 음극액은 양극액을 전해 환원한 수용액(3가 바나듐 수용액)을 사용하였다.
- 3에 나타낸 바와 같이 측정용 셀, 2 개의 수용액 탱크, 펌프로 구성하였다. 양극액은 1몰 황산 바나듐(VOSQ0을 2몰 황산에 녹인 용액을 사용하였고(5가 바나듐 수용액), 음극액은 양극액을 전해 환원한 수용액(3가 바나듐 수용액)을 사용하였다. 양극액은 과충전을 억제하기 위해 음극액보다 약간 많은 양을 사용하였다.
- 양극액은 과충전을 억제하기 위해 음극액보다 약간 많은 양을 사용하였다. 제작한 양이온 교환막의 V-RFB에서의 전기화학적 특성을 평가하는 측정용 셀은 Fig. 4와 같이 카본 집 전체, 제작한 양이온 교환막, 카본크로스 (carbon cloth) 전극으로 구성하였다. 측정용 셀의 유로면적은 33 cm?이다.
이론/모형
- PsePPSS 블록 공중합체는 Hwang 등[9-12] 의 방법에 따라 제조하였다.
- PsfTPA-PPSS 블록 공중합체는 Hwang 등[9]의 방법에 따라 제조하였다.
- 막 저항은 Hwang 등[9-12] 의 방법에 따라 측정하였다.
성능/효과
- 1) 제작한 PstPPSS, Psf-TPA-PPSS 양이온교환막의 1 M H2SO4용액에서의 막 저항은 약 0.94 Q ・cm2을나타냈으며, Nafionl 17의 값과 비교하여 거의 동등한 값을 갖는다는 것을 알 수 있었다.
- 2) 제작한 양이온 교환막을 사용한 바나듐 레독스-흐름 전지의 100% 충전 상태에서의 기전력은 바나듐 레독스-흐름 전지의 기전력값인 1.4 V를 나타냈다.
- 5) 막의 내구성은 제작한 Psf-PPSS막이 가장 우수하였으며, Nafionll7막과 제작한 Psf-TPA-PPSS막이 , 서로 동등하였고, 제작한 양이온 교환막은 좋은 내구성과 함께 V-RFB용 격막으로 충분히 사용 가능하다는 것을 알 수 있었다.
- 4 A의 전류에서 측정한 V-RFB의 충.방 방전 셀 저항은 막의 종류에 따라 Nafionl 17 < PsfeTPA-PPSS < Psf-PPSS의 순서로 값이 낮았다.
- 4 A의 전류에서 측정한 V-RFB의 충.방 방전 셀 저항은 막의 종류에 따라 Nafionl 17 < PsfeTPA-PPSS < Psf-PPSS의 순서로 값이 낮았다.
- V-RFB에서의 충. 방전 셀 저항 측면에서 막의 내구성은 제작한 Psf-PPSS막이 가장 우수하며, Nafionl 17 막과 제작한 PsGTPA-PPSS막이 서로 동등하다는 것을 알 수 있었다.
- 위의 결과로부터 제작한 양이온 교환막은 낮은 막 저항과 함께 V-RFB용 격막으로서 충분히 사용할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- 이상의 결과로부터, 제작한 PsFPPSS와 PsFTPA- PPSS 양이온 교환막은 내구성 및 막 저항면에서 Nafion 117막과 비교하여 동등이상의 성능을 가지고 있으며, V-RFB용 격막으로 충분히 사용 가능하다는 것을 알 수 있었다.
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