두 종류의 집전체(BP, bipolar plate)를 사용하여 바나듐 레독스-흐름 전지(V-RFB, vanadium redox-flow battery)의 성능을 평가하였다. V-RFB의 성능평가는 $60mA/cm^2$의 전류밀도에서 진행하였다. A 집전체를 사용한 V-RFB의 기전력(SOC 100%에서의 OVC)은 1.47V, B 집전체를 사용한 V-RFB의 기전력은 1.54V를 나타냈다. A 집전체를 사용한 V-RFB의 셀 저항은 충전시에 $4.44{\sim}5.00{\Omega}{\cdot}cm^2$을, 방전시에 $3.28{\sim}3.75{\Omega}{\cdot}cm^2$를 보였으며, B 집전체를 사용한 V-RFB의 셀 저항은 충전시에 $4.19{\sim}4.42{\Omega}{\cdot}cm^2$, 방전시에 $4.71{\sim}5.49{\Omega}{\cdot}cm^2$를 나타냈다. 각 집전체를 사용한 V-RFB의 성능은 5회 충방전 실험을 진행하여 평가하였다. A 집전체를 사용한 V-RFB는 평균 전류효율 93.1%, 평균 전압효율 76.8%, 평균 에너지효율 71.4%를 나타냈으며, B 집전체를 사용한 V-RFB는 평균 전류효율 96.4%, 평균 전압효율 73.6%, 평균 에너지효율 71.0%를 나타냈다.
두 종류의 집전체(BP, bipolar plate)를 사용하여 바나듐 레독스-흐름 전지(V-RFB, vanadium redox-flow battery)의 성능을 평가하였다. V-RFB의 성능평가는 $60mA/cm^2$의 전류밀도에서 진행하였다. A 집전체를 사용한 V-RFB의 기전력(SOC 100%에서의 OVC)은 1.47V, B 집전체를 사용한 V-RFB의 기전력은 1.54V를 나타냈다. A 집전체를 사용한 V-RFB의 셀 저항은 충전시에 $4.44{\sim}5.00{\Omega}{\cdot}cm^2$을, 방전시에 $3.28{\sim}3.75{\Omega}{\cdot}cm^2$를 보였으며, B 집전체를 사용한 V-RFB의 셀 저항은 충전시에 $4.19{\sim}4.42{\Omega}{\cdot}cm^2$, 방전시에 $4.71{\sim}5.49{\Omega}{\cdot}cm^2$를 나타냈다. 각 집전체를 사용한 V-RFB의 성능은 5회 충방전 실험을 진행하여 평가하였다. A 집전체를 사용한 V-RFB는 평균 전류효율 93.1%, 평균 전압효율 76.8%, 평균 에너지효율 71.4%를 나타냈으며, B 집전체를 사용한 V-RFB는 평균 전류효율 96.4%, 평균 전압효율 73.6%, 평균 에너지효율 71.0%를 나타냈다.
Two commercial carbon plates were evaluated as a current collector (bipolar plate) in the all vanadium redox-flow battery (V-RFB). The performance properties of V-RFB were test in the current density of $60mA/cm^2$. The electromotive forces (OCV at SOC 100%) of V-RFB using A and B current...
Two commercial carbon plates were evaluated as a current collector (bipolar plate) in the all vanadium redox-flow battery (V-RFB). The performance properties of V-RFB were test in the current density of $60mA/cm^2$. The electromotive forces (OCV at SOC 100%) of V-RFB using A and B current collector were 1.47 V and 1.54 V. The cell resistance of V-RFB using A current collector was $4.44{\sim}5.00{\Omega}{\cdot}cm^2$ and $3.28{\sim}3.75{\Omega}{\cdot}cm^2$ for charge and discharge, respectively. The cell resistance of V-RFB using B current collector was $4.19{\sim}4.42{\Omega}{\cdot}cm^2$ and $4.71{\sim}5.49{\Omega}{\cdot}cm^2$ for charge and discharge, respectively. The performance of V-RFB using each current collector was evaluated. The performance of V-RFB using A current collector was 93.1%, 76.8% and 71.4% for average current efficiency, average voltage efficiency and average energy efficiency, respectively. The performance of V-RFB using B current collector was 96.4%, 73.6% and 71.0% for average current efficiency, average voltage efficiency and average energy efficiency, respectively.
Two commercial carbon plates were evaluated as a current collector (bipolar plate) in the all vanadium redox-flow battery (V-RFB). The performance properties of V-RFB were test in the current density of $60mA/cm^2$. The electromotive forces (OCV at SOC 100%) of V-RFB using A and B current collector were 1.47 V and 1.54 V. The cell resistance of V-RFB using A current collector was $4.44{\sim}5.00{\Omega}{\cdot}cm^2$ and $3.28{\sim}3.75{\Omega}{\cdot}cm^2$ for charge and discharge, respectively. The cell resistance of V-RFB using B current collector was $4.19{\sim}4.42{\Omega}{\cdot}cm^2$ and $4.71{\sim}5.49{\Omega}{\cdot}cm^2$ for charge and discharge, respectively. The performance of V-RFB using each current collector was evaluated. The performance of V-RFB using A current collector was 93.1%, 76.8% and 71.4% for average current efficiency, average voltage efficiency and average energy efficiency, respectively. The performance of V-RFB using B current collector was 96.4%, 73.6% and 71.0% for average current efficiency, average voltage efficiency and average energy efficiency, respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 바나듐 레독스-흐름 전지용 집전체로 2종류의 카본플레이트를 사용하여, 전지에서의 전기화학적 특성평가를 진행하였다. 또한 이 집전체를 사용하였을 때의 전지의 성능에 대해서도 평가하였다.
가설 설정
일반적으로 V-RFB의 성능에 있어서 전류효율은 사용되는 이온교환막에 의존하고, 전압효율은 사용되는 이온교환막, 전극과 집전체에 의존한다. 본 연구에서는 사용하는 이온교환막과 전극이 같기 때문에 전압효율은 집전체에 의해 결정될 것이다.
제안 방법
V-RFB의 성능은 충전시에 1.8 V까지, 방전시에 0.8 V까지 cut-off 방법을 이용하여 충·방전을 진행하여 사이클에 따른 전지의 전류효율, 전압효율, 에너지효율을 평가하였다.
V-RFB의 성능평가는 60 mA/cm2의 전류밀도에서 진행하였다. 또한 각 집전체를 사용한 V-RFB의 성능은 5회 충방전 실험을 진행하여 평가하였다. 이와 같은 실험에 의해 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 두 종류의 집전체(BP, bipolar plate)를 사용하여 바나듐 레독스-흐름 전지(V-RFB, vanadium redox-flow battery)의 성능을 평가하였다. V-RFB의 성능평가는 60 mA/cm2의 전류밀도에서 진행하였다.
본 연구에서는 바나듐 레독스-흐름 전지용 집전체로 2종류의 카본플레이트를 사용하여, 전지에서의 전기화학적 특성평가를 진행하였다. 또한 이 집전체를 사용하였을 때의 전지의 성능에 대해서도 평가하였다.
전기화학적 특성 실험은 각 충전상태에서 정전류 충·방전을 진행하여 주어진 전류 값에서 측정된 셀 전압을 기록함으로서 진행하였다.
충·방전심도는 충전상태(SOC, state of charge)가 0~100%가 되도록 정전류 충전하였고, OCV(open circuit voltage)는 각 충전상태에서 충전을 멈춘 후 측정하였다.
측정용 셀의 충·방전을 위하여 정전류/정전압의 공급이 가능한 ModulLab(Solartron Co.)을 사용하였고, 충·방전 심도를 측정하였다.
)을 사용하였고, 충·방전 심도를 측정하였다. 컴퓨터를 ModulLab에 연결하여 정전류 실험시의 셀 전압 변화를 모니터하였다.
대상 데이터
V-RFB에서의 전기화학적 특성을 평가하는 측정용 셀은 Fig. 2와 같이 카본 집전체, 양이온교환막, 카본 펠트 전극으로 구성하였다.
격막으로 양이온교환막인 Nafion117(Dupont Co.)을, 전극으로는 XF30A(Toyobo Co.)을 사용하였다.
본 논문에서는 일도 F&C의 8710을 A 집전체, 일본카본의 ESG를 B 집전체로 표시하였다.
실험 장치는 Fig. 1에 나타낸바와 같이 측정용 셀, 2개의 수용액 탱크, 펌프로 구성하였다. 양극액은 1몰 황산바나듐(VOSO4)을 2몰 황산에 녹인 용액을 사용하였고(5가 바나듐 수용액), 음극액은 양극액을 전해 환원한 수용액(3가 바나듐 수용액)을 사용하였다.
1에 나타낸바와 같이 측정용 셀, 2개의 수용액 탱크, 펌프로 구성하였다. 양극액은 1몰 황산바나듐(VOSO4)을 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.
집전체는 일도 F&C(한국)의 8710과 일본카본의 ESG를 사용하였다.
측정용 셀의 전극면적은 72 cm2(60×120 mm)이다.
성능/효과
(1) A 집전체를 사용한 V-RFB의 기전력(SOC 100%에서의 OVC)은 1.47 V, B 집전체를 사용한 V-RFB의 기전력은 1.54 V를 나타냈다.
(2) 충전시의 셀 저항은 B 집전체를 사용한 V-RFB가 A 집전체를 사용한 V-RFB보다 낮았으며, 방전시의 셀 저항은 A 집전체를 사용한 V-RFB가 B 집전체를 사용한 V-RFB보다 낮았다.
(3) A 집전체를 사용한 V-RFB의 평균 전압효율(76.8%)은 B 집전체를 사용한 V-RFB의 평균 전압효율(73.6%)보다 높은 값을 보였다. 이 결과로부터 V-RFB의 전압효율 측면에서 A 집전체를 사용하는 것이 B 집전체를 사용하는 것보다 유용하다는 것을 알 수 있었다.
A 집전체를 사용한 V-RFB는 평균 전류효율 93.1%, 평균 전압효율 76.8%, 평균 에너지효율 71.4%를 나타냈다. B 집전체를 사용한 V-RFB는 평균 전류효율 96.
A 집전체를 사용한 V-RFB의 경우, 충전상태 0%에서 0.67 V의 개회로전압이 충전상태 5%에서 1.17V로 급격히 증가하였고, 충전상태의 증가와 함께 개회로전압도 서서히 증가하여 충전상태 100%에서 1.47 V를 나타냈다. 또한 방전상태 0%에서 1.
A 집전체를 사용한 V-RFB의 평균 전압효율은 B 집전체를 사용한 V-RFB의 평균 전압효율보다 높은 값을 보였다. 이는 A 집전체의 저항이 B 집전체의 저항보다 낮기 때문으로 판단된다.
4%를 나타냈다. B 집전체를 사용한 V-RFB는 평균 전류효율 96.4%, 평균 전압효율 73.6%, 평균 에너지효율 71.0%를 나타냈다.
각 집전체를 사용한 V-RFB의 개회로전압은 충전상태(SOC, state of charge)의 증가와 함께 증가하였고, 방전상태(SOD, state of discharge)의 증가와 함께 감소하였고, A 집전체를 사용한 V-RFB의 기전력(SOC 100%에서의 OVC)은 1.47 V, B 집전체를 사용한 VRFB의 기전력은 1.54 V를 나타냈다.
이 결과들로부터 A 집전체를 사용한 V-RFB의 경우 안정한 입출력 전력을 얻기 위해서는 충전상태 5~100%와 방전상태 0~95%에서 운전하는 것이 적당하다는 것을 알 수 있었다. 또한 B 집전체를 사용한 V-RFB의 경우 안정한 입출력 전력을 얻기 위해서는 충전상태 10~100%와 방전상태 0~90%에서 운전하는 것이 적당하다는 것을 알 수 있었다.
0 V를 나타냈다. 또한 방전상태 0%에서 1.24 V의 셀 전압이 방전상태 증가와 함께 서서히 감소하여 방전상태 90%에서 0.82 V를 나타낸 후, 급격히 감소하여 방전상태 100%에서 -0.59 V를 나타냈다.
75 V를 나타냈다. 또한 방전상태 0%에서 1.29 V의 셀 전압이 방전상태 증가와 함께 서서히 감소하여 방전상태 100%에서 0.97 V를 나타냈다.
47 V를 나타냈다. 또한 방전상태 0%에서 1.47 V의 개회로전압이 방전상태 증가와 함께 서서히 감소하여 방전상태 100%에서 1.27 V를 나타냈다.
54 V를 나타냈다. 또한 방전상태 0%에서 1.54 V의 개회로전압이 방전상태 증가와 함께 서서히 감소하여 방전상태 90%에서 1.22 V를 나타낸 후, 급격히 감소하여 방전상태 100%에서 0.49 V를 나타냈다.
셀 저항은 전압효율에 영향을 미치게 되며, Fig. 4의 결과로부터 방전시 셀 저항이 낮은 A 집전체를 사용한 V-RFB의 전압효율이 B 집전체를 사용한 V-RFB의 전압효율보다 높은 값을 가질 것으로 추측할 수 있다.
이 결과들로부터 A 집전체를 사용한 V-RFB의 경우 안정한 입출력 전력을 얻기 위해서는 충전상태 5~100%와 방전상태 0~95%에서 운전하는 것이 적당하다는 것을 알 수 있었다. 또한 B 집전체를 사용한 V-RFB의 경우 안정한 입출력 전력을 얻기 위해서는 충전상태 10~100%와 방전상태 0~90%에서 운전하는 것이 적당하다는 것을 알 수 있었다.
이 결과로부터 V-RFB의 전압효율 측면에서 A 집전체를 사용하는 것이 B 집전체를 사용하는 것보다 유용하다는 것을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
V-RFB의 전극은 어떤 역할을 하는가?
V-RFB는 집전체(BP, bipolar plate)-전극-격막-전극-집전체로 구성되어 하나의 셀을 형성하고, 이 셀이 수십장 체결되어 스택을 구성하게 된다. 전극은 카본펠트 또는 카본 크로스가 사용되며, 레독스 반응이 발생할 수 있는 사이트와 발생하는 전자의 통로를 제공하는 역할을 하며, 저항이 낮고, 레독스 반응 효율이 좋아야 한다. 격막은 양이온교환막 또는 음이온교환막이 사용되며, 막 저항이 낮고, VRFB의 전해액으로 사용되는 4가지 바나듐 이온들(V2+, V3+, VO2+, VO2+)의 투과성이 낮아야 한다.
바나듐레독스-흐름전지의 충·방전반응은 어떻게 일어나는가?
바나듐레독스-흐름전지(V-RFB)의 충·방전반응은 충전시에는 양극에서 4가 바나듐 이온(VO2+)이 5가(VO2+)로, 음극에서는 3가 바나듐 이온(V3 )이 2가(V2+)로 변환되어 충전이 진행되며, 방전시에는 역으로 바나듐 이온의 가수가 변화하여 방전이 진행된다.
재생에너지를 이용하는 발전의 특징은 무엇인가?
최근, 지구규모의 환경문제, 특히 지구온난화 가스(CO2)의 발생 억제에 관심이 모아지면서 전 세계적으로 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용하는 발전시스템에 관한 연구 및 보급이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 재생에너지를 이용하는 발전은 에너지 밀도가 낮고, 간헐적이기 때문에 원활한 전력의 공급 및 운전을 위해 대용량 전력 저장 기술이 필요하며, 레독스-흐름 전지는 그 중의 하나로 연구가 활발히 진행되고 있다[1,2]. 특히, 활물질로 바나듐을 사용하는 바나듐 레독스-흐름 전지(V-RFB, vanadium redox-flow battery)는 재생에너지의 원활한 전력공급과 부하 평준화, 비상용 전력을 위한 전력 저장 시스템으로 연구가 진행되고 있다[3-12].
참고문헌 (12)
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Chen, D., Hickner, M. A., Agar, E. and Kumbur, E. C., "Selective Anion Exchange Membranes for High Coulombic Efficiency Vanadium Redox Flow Batteries," Electrochem. Com., 26, 37-40(2013).
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