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산화그라핀 (Graphene Oxide, GO)이 코팅된 양이온 교환막을 용한 바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium Redox Flow attery, VRB) 시스템에 관한 연구
Graphene Oxide (GO) Layered Structure Ion Exchange Membrane Application for Vanadium Redox Flow Battery (VRB) System Study 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.17 no.2, 2014년, pp.94 - 102  

이관주 (상지대학교, 환경공학과) ,  주영환 (상지대학교, 신에너지.원공학과)

초록
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바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium redox flow battery, VRB) 시스템 운전 중 양이온 교환막을 통한 바나듐이온의 투과로 인하여 성능이 저하되는 문제점을 보완하기 위해 판상형태의 탄소물질인 산화그라핀 (Graphene Oxide, GO)을 기존에 사용하였던 양이온 교환막인 Nafion 양이온 교환막 표면에 열압착 방식으로 코팅하여 양이온 교환막 개선 및 VRB 성능 향상을 도모하였다. 개선된 양이온 교환막의 물리화학적 특성분석을 위하여 SEM (Scanning Electron Microscopy)분석, 이온 교환 용량, 수분 흡수 및 수소이온 전도도를 측정하였다. 산화그라핀층을 코팅한 결과, SEM 분석을 통해 양이온 교환막 표면에 약 $0.93{\mu}m$의 산화그라핀층이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 산화그라핀을 코팅하여 개선된 양이온 교환막의 수소이온 전도도 측정 결과, 상용 양이온 교환막의 27% 수준으로 감소하였음을 확인하였으며, 동시에 바나듐이온 투과실험을 실시한 결과, 개선된 양이온 교환막의 바나듐이온 투과도가 기존 상용 양이온 교환막의 25% 이하 수준으로 감소하였음을 확인할 수 있었다. VRB 단위전지 성능실험을 실시하여 충-방전 특성을 분석한 결과, 산화그라핀을 코팅하여 개선된 양이온 교환막을 VRB 시스템에 적용하였을 경우, 바나듐이온의 투과도 감소로 인하여 쿨롱효율이 증가하였음을 확인할 수 있었고, 그로 인하여 전체적인 에너지효율이 상용막을 적용하였을 때 보다 증가하였음을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 연구를 통해 양이온 교환막 표면에 판상형태의 탄소물질인 산화그라핀을 코팅하는 방법이 바나듐이온 투과도를 저하시키고 VRB의 시스템성능을 향상시킬 수 있는 효과적인 방법임을 제시할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Cation exchange membrane (Nafion) was modified to reduce the vanadium ion permeation through the membrane and to increase the vanadium redox flow battery (VRB) system performance by coating the graphene oxide (GO) which has nano-plate like morphology. Modified membrane properties were studied by mea...

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 양이온 교환막을 통한 바나듐이온 투과현상에 대한 시스템 성능저하 문제점을 해결하기 위하여, VRB 시스템에서 사용되는 기존 Nafion 양이온 교환막 표면에 산화그라핀 (Graphene Oxide, GO)층을 코팅하여 바나듐이온의 투과도를 감소시키고자 하였다. 제조된 양이온 교환막의 바나듐 투과특성을 분석하기 위하여 바나듐이온 투과실험을 실시하였고, 개선된 양이온 교환막의 물리화학적 특성분석을 위하여 SEM (Scanning Electron Microscopy) 분석, 이온 교환 용량 (Ion Exchange Capacity), 수분 흡수 (Water uptake) 및 수소 이온 전도도를 측정하였다.

가설 설정

  • 오른쪽 저장소에서 일정한 시간간격으로 용액을 채취한 후 Inductively Coupled Plasma (ICP, thermo fisher scientific, ICAP-6500 DUO)를 이용하여 바나듐이온의 농도를 분석하였다. 왼쪽 저장소의 바나듐이온 농도의 변화는 실험 중 변하지 않는다고 가정하였으며 모든 투과도 실험은 상온에서 실시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
VRB의 장점은? 바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium Redox Flow Battery, VRB)는 산화수가 다양한 바나듐이온을 활물질로 사용하여 이들의 산화 및 환원 반응을 통해 화학적 에너지가 전기적 에너지로 전환되는 원리를 활용한 대용량 에너지 저장 시스템으로써, 1985년 Skyllas-Kazacos 등에 의해 연구되기 시작하여 많은 관심을 받고 있으며, 현재도 활발한 연구가 진행되고 있다. VRB 는 다른 이차전지에 비해 수명이 길고 유지보수 비용이 저렴하고, 상온에서 작동이 가능하며 환경오염물질을 많이 배출하지 않는 등 많은 장점을 가지고 있다.1-4) VRB는 양극에서 VO2+/VO2+ 커플 산화-환원 반응에 의해 발생된 1.
바나듐 레독스 흐름 전지의 구성요소는? 26 V의 전압을 나타낼 수 있다.5) 이러한 VRB 시스템은 기본적으로 황산용액에 VO2+/VO2+와 V2+/V3+의 산화수가 서로 다른 바나듐이온이 용해되어 있는 용액을 각각 양극전해질과 음극전해질로 사용하고 있으며, 2개의 펌프, 전기활성 종들의 산화와 환원이 이루어지는 베터리 스택, 카본 펠트 전극, 그리고 수소이온 교환을 위한 양이온 교환막 등으로 구성되어 있다. 그 중에서 양이온 교환막은 양극과 음극전해질의 효율적인 분리를 통해 시스템의 전기적 균형을 유지하며, 동시에 수소이온을 전도시켜 시스템이 효율적으로 작동 될 수 있도록 하는 VRB 시스템에서 상당히 중요한 구성요소 중의 하나이다.
바나듐 레독스 흐름 전지란? 바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium Redox Flow Battery, VRB)는 산화수가 다양한 바나듐이온을 활물질로 사용하여 이들의 산화 및 환원 반응을 통해 화학적 에너지가 전기적 에너지로 전환되는 원리를 활용한 대용량 에너지 저장 시스템으로써, 1985년 Skyllas-Kazacos 등에 의해 연구되기 시작하여 많은 관심을 받고 있으며, 현재도 활발한 연구가 진행되고 있다. VRB 는 다른 이차전지에 비해 수명이 길고 유지보수 비용이 저렴하고, 상온에서 작동이 가능하며 환경오염물질을 많이 배출하지 않는 등 많은 장점을 가지고 있다.
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참고문헌 (24)

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