[논문]온도와 이온농도의 변화에 대한 바나듐 레독스 플로우 배터리의 방전 효율에 관한 수치해석

이종현; 박희성

doi:10.3795/ksme-b.2016.40.12.769

온도와 이온농도의 변화에 대한 바나듐 레독스 플로우 배터리의 방전 효율에 관한 수치해석
Numerical Investigation of the Discharge Efficiency of a Vanadium Redox Flow Battery with Varying Temperature and Ion Concentration 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.40 no.12 = no.375, 2016년, pp.769 - 776

이종현 (창원대학교 대학원 기계공학과) , 박희성 (창원대학교 대학원 기계공학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 화학종을 포함한 반응을 위해 종합적인 보존법칙과 운동학적 모델을 사용하여 수치해석을 진행하였다. 삼차원 형상으로 전극 전위, 바나듐 이온농도, 과전압 그리고 저항손실을 계산하였다. 셀의 온도, 초기 바나듐 이온농도를 변수로 설정하고 각 변수에 따른 전압과 손실을 계산하였다. 계산된 양극, 음극에서의 과전압과 전해액 상의 저항 손실을 통해 각각의 변수가 바나듐 레독스 플로우 배터리의 전기화학적 성능에 미치는 영향을 수치해석적으로 예측하고 분석하였다. 셀의 온도가 $20^{\circ}C$에서 $80^{\circ}C$로 증가되면 전압효율은 89.34%에서 87.29%로 2.05% 감소한다. 바나듐 농도가 $1500mol/m^3$에서 $3000mol/m^3$으로 증가되면 전압효율은 88.65%에서 89.25%로 0.6% 상승하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a numerical simulation of a vanadium redox flow battery was investigated for reactions involving an electrochemical species using comprehensive conservation laws and a kinetic model. For a 3-D geometry of the cell, the distributions of electric potential, vanadium concentration, overpotential, and ohmic loss were calculated. The cell temperature and initial vanadium ion concentration were set as variables. The voltage and electrochemical loss were calculated for each variable. The effects of each variable's impact on the electrochemical performance of a vanadium redox flow battery was numerically analyzed using the calculated overpotential in the electrode and the ohmic loss in the electrolyte phase. The cell temperature increased from $20^{\circ}C$ to $80^{\circ}C$ when the voltage efficiency decreased from 89.34% to 87.29%. The voltage efficiency increased from 88.65% to 89.25% when the vanadium concentration was changed from $1500mol/m^3$ to $3000mol/m^3$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

(1) 바나듐 레독스 플로우 배터리에 대한 삼차 원적 수치해석 기법을 성공적으로 개발하였다.
기존의 논문이 VRFB의 내구성과 저가격, 그리고 재료의 특성이나 기술연구에 주로 의존하고 있으나 본 논문은 수치해석을 통해 VRFB의 배터리셀 온도, 바나듐 이온 농도 변화에 따른 성능을 예측하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
바나듐 농도를 1500mol/m 3 에서 3000 mol/m³까지 변화시켰을 때 전압, 전압효율 그리고 손실을 계산하였다. 전압을 SOC별로 Fig.
셀 온도 40°C, 유량 2ml/s, 이온농도 3000mol/m3, 전류밀도 80mA/cm2일 때의 VRFB전압변화를 SOC 별로 게시하였다.
셀 온도를 20°C에서 80°C까지 변화시켰을 때 전압, 전압효율 그리고 손실을 계산하였다.
위의 지배방정식을 토대로 배터리 셀의 온도와 바나듐 이온 농도에 대한 SOC별 배터리 전압과 손실 및 전압효율을 계산하였다. 수치해석은 상용 전산유체역학 프로그램(COMSOL Multiphysics)을 이용하였다.

이론/모형

위의 지배방정식을 토대로 배터리 셀의 온도와 바나듐 이온 농도에 대한 SOC별 배터리 전압과 손실 및 전압효율을 계산하였다. 수치해석은 상용 전산유체역학 프로그램(COMSOL Multiphysics)을 이용하였다.

참고문헌 (26)

Castillo, A. and Gayme, D. F., 2014, "Grid-scale Energy Storage Applications in Renewable Energy Integration: A Survey," Energy Conversion and Management 87, pp. 885-894.

상세보기
Pires, V. F., Cadaval, E. R., Vinnikov, D., Roasto, I. and Martins, J. F., 2014, "Power Converter Interfaces for Electrochemical Energy Storage Systems - A Review," Energy Conversion and Management 86, pp. 453-475.

상세보기
Shah, A. A., Al-Fetlawi, H. and Walsh, F. C., 2010, "Dynamic Modelling of Hydrogen Evolution Effects in the All-vanadium Redox Flow Battery," Electrochimica Acta 55.3, pp. 1125-1139.

상세보기
Ma, X., Zhang, H. and Xing. F., 2011, "A Three-dimensional Model for Negative Half Cell of the Vanadium Redox Flow Battery," Electrochimica Acta 58, pp. 238-246.

상세보기
Turker, B., Klein, S. A., Komsiyska, L. and Trujillo, J. J., 2013, "Utilizing a Vanadium Redox Flow Battery to Avoid Wind Power Deviation Penalties in an Electricity Market," Energy Conversion and Management 76, pp. 1150-1157.

상세보기
Xu, Q., Zhao, T. S. and Leung. P. K., 2013, "Numerical Investigations of Flow Field Designs for Vanadium Redox Flow Batteries," Applied energy 105, pp. 47-56.

상세보기
Kim, S. and Kim, D., 2013, "Study of Li-Ion Diffusion and Phase Transition in Cathode of Li-Ion Battery," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 7, 665-667.
Chen, D., Wang, S., Xiao, M. and Meng. Y., 2010, "Synthesis and Properties of Novel Sulfonated Poly (arylene ether sulfone) Ionomers for Vanadium Redox Flow Battery," Energy Conversion and Management 51.12, pp. 2816-2824.

상세보기
Turker, B., Klein, S. A., Hammer, E. M., Lenz, B. amd Komsiyska, L., 2013, "Modeling a Vanadium Redox Flow Battery System for Large Scale Applications," Energy Conversion and Management 66, pp. 26-32.

상세보기
Boyle, G., 2012, "Renewable Electricity and the Grid: the Challenge of Variability," Earthscan.
Yamamoto, T., Nohira, T., Hagiwara, R., Fukunaga, A., Sakai, S. and Nitta, K., 2016, "Charge-discharge Behavior of Sn-Ni Alloy Film Electrodes in an Intermediate Temperature Ionic Liquid for the Electrolyte of a Sodium Secondary Battery," Electrochimica Acta.
Hyun, Y., Choi, J. Y., Park, H. K. and Lee, C. S., 2016, "Synthesis and Electrochemical Performance of Ruthenium Oxide-coated Carbon Nanofibers as Anode Materials for Lithium Secondary Batteries," Applied Surface Science.
Hwang, B. and Kim, K, 2013, "Redox Pairs in Redox Flow Batteries," Korean Electrochemical Society 16, pp. 99-110.

원문보기 상세보기
Zhou, X. L., Zhao, T. S., An, L., Zeng, Y. K. and Yan, X. H., 2015, "A Vanadium Redox Flow Battery Model Incorporating the Effect of Ion Concentrations on Ion Mobility," Applied Energy 158, pp. 157-166.

상세보기
Sim, S. H., Gang, J. H., An, D., Kim, S. I., Kim, J. Y. and Choi, J. H., 2013, "Remaining Useful Life Prediction of Li-Ion Battery Based on Charge Voltage Characteristics," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 4, pp. 313-322.
Khazaeli, A., Vatani, A., Tahouni, N. and Panjeshahi, M. H., 2015, "Numerical Investigation and Thermo Dynamic Analysis of the Effect of Electrolyte Flow Rate on Performance of all Vanadium Redox Flow Batteries," Journal of Power Sources 293, pp. 599-612.

상세보기
Shah, A. A., Watt-Smith, M. J. and Walsh, F. C., 2008, "A Dynamic Performance Model for Redox-flow Batteries Involving Soluble Species," Electrochimica Acta53.27: 8087-8100.

상세보기
You, S. B., Jung, J. S., Cheong, K. B. and Go. J. Y., 2011, "Numerical Simulation of Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 35, No. 6, pp. 649-656.

원문보기 상세보기
Tang, A., Bao, J. and Skyllas-Kazacos, M., 2014, "Studies on Pressure Losses and Flow Rate Optimization in Vanadium Redox Flow Battery," Journal of power sources 248, pp. 154-162.

상세보기
Knehr, K. W. and Kumbur, E. C., 2011, "Open Circuit Voltage of Vanadium Redox Flow Batteries: Discrepancy between Models and Experiments," Electrochemistry Communications 13.4, pp. 342-345.

상세보기
Knehr, K. W., Agar, E., Dennison, C. R., Kalidindi, A. R. and Kumbur, E. C., 2012, "A Transient Vanadium Flow Battery Model Incorporating Vanadium Crossover and Water Transport Through the Membrane," Journal of The Electrochemical Society 159.9, pp. A1446-A1459.

상세보기
Aaron, D. S., Liu, Q., Tang, Z., Grim, G. M., Papandrew, A. B., Turhan, A. and Mench, M. M., 2012, "Dramatic Performance Gains in Vanadium Redox Flow Batteries Through Modified Cell Architecture," Journal of Power sources 206, pp. 450-453.

상세보기
Knopf, D. A., Luo, B. P., Kreger, U. K. and Koop, T., 2013, "Thermodynamic Dissociation Constant of the Bisulfate Ion from Raman and Ion Interaction Modeling Studies of Aqueous Sulfuric Acid at Low Temperatures," The Journal of Physical Chemistry A 107.21, pp. 4322-4332.
Newman, J. and Thomas-Alyea, K. E., 2004, "Electrochemical systems."
Yin, C., Guo, S., Fang, H., Liu, J., Li, Y., Tang, H. 2015, "Numerical and Experimental Studies of Stack Shunt Current for Vanadium Redox Flow Battery," Applied Energy 151, pp. 237-248.

상세보기
Tang, A., Bao, J. and Skyllas-kazacos, M., 2011, "Dynamic Modelling of the Effects of Ion Diffusion and Side Reactions on the Capacity Loss for Vanadium Redox Flow Battery," Power Sources 196, pp. 10737-10747.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증