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문제 정의
- 본 연구에서는 바나듐 레독스 흐름 전지용 전극으로 사용되는 카본펠트에 대한 전극 특성과 VRFB에서의 전기화학적 특성에 대해 평가하였다.
제안 방법
- 전극의 CV를 측정함으로서 전기화학적 특성을 평가하였다.
- 8 cm2였다. 기준전극, 비교전극과 작동전극은 측정하고자 하는 전해액이 담겨 있는 비커에 설치하여, 정전류/정전압 계측기(HPCS2, Wonatech Co.)에 연결하였고, 전극의 CV 특성은 10 mV/s의 스캔 속도로 측정하였다. 전해액은 바나듐 전해질인 2.
- 바나듐 레독스 흐름 전지(vanadium redox flow battery, VRFB)용 전극의 전기화학적 특성에 대해 평가하였다. 전극 특성은 CV를 측정함으로서 진행하였다.
- 전극 특성은 CV를 측정함으로서 진행하였다. 또한 VRFB에서 전극의 전기화학적 특성에 대해 평가하였다.
대상 데이터
- 백금 와이어를 비교전극(counter electrode)으로 사용하였고, 작동 전극(working electrode)으로는 카본 펠트인 Totobo사의 XF30A, JNTG사의 GF040BH5와 GF051BH3를, 기준전극(reference electrode)으로는 포화 카로멜 전극(saturated calomel electrode, SCE)을 사용하였다. 작동전극의 면적은 0.
- 격막으로 양이온교환막인 Nafion117 (Dupont Co.)을, 집전체로 고분자 함침의 그라파이트 플레이트(8650, 일도F&C)를, 전극으로 카본 펠트를 사용하였고, 전극면적은 72 cm2였다.
- 전해액은 2 M (mol/L)의 황산(H2SO4)에 2.0 mol의 바나딜 셀페이트(VOSO4ㆍnH2O)를 용해한 수용액을 사용하였다. 양극액으로 55 mL의 제조한 전해액(4가 바나듐이온 수용액)을, 음극액으로 50 mL의 제조한 전해액을 전해환원한 수용액(3가 바나듐 이온 수용액)을 사용하였다.
이론/모형
- VRFB 전지의 충ㆍ방전은 정전류/정전압 계측기(HPCS2, Wonatech Co.)를 사용하여 60 mA/cm2의전류밀도에서, 충전은 1.6 V까지, 방전은 1.0 V까지 진행하는 cut-off 방법에 의해 진행하였다.
성능/효과
- 각 전극의 최대 전류밀도에서의 전위차는 XF30A가 GF040BH5와 GF051BH3보다 약간 높은 값을 보였다. 또한 각 전극에서의 최대피크 전류비는 XF30A, GF040BH5와 GF051BH3가 거의 비슷한 값을 보였다.
- 일반적으로 최대 피크 전류비가 1의 값에 가까울수록 반응메커니즘은 가역적으로 진행된다는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서 실험한 3가지 전극에서의 전극반응은 가역적으로 진행됨을 알 수 있다.
- 따라서 위 결과로부터 JNTG사의 GF040BH5와 GF051BH3도 기존에 사용되고 있는 XF30A와 마찬가지로 VRFB용 전극으로 충분히 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- XF30A 전극을 사용한 VRFB의 평균 전류효율은 90.5%, 평균 전압효율은 85.9%, 평균 에너지효율은 77.8%를 보였다. 또한 GF040BH5 전극을 사용한VRFB의 평균 전류효율은 90.
- 3%를 보였다. 그리고 GF051BH3 전극을 사용한 VRFB의 평균 전류효율은 90.6%, 평균 전압효율은 87.4%, 평균 에너지효율은 79.2%를 보였다.
- Table 3을 보면 알 수 있듯이, XF30A와 GF040BH5 전극을 사용한 VRFB의 평균 에너지 효율은 거의 비슷한 값을 보였으며, GF051BH3 전극을 사용한 VRFB의 평균 에너지효율은 다른 2가지 전극(XF30A와 GF040BH5)을 사용한 VRFB의 평균 에너지효율보다 약간 높은 값을 보였다.
- 이상의 결과로부터 JNTG사의 GF040BH5와 GF051BH3 전극은 기존의 Toyobo사의 XF30A와 마찬가지로 VRFB용 전극으로 충분히 활용이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 1) CV 측정 결과, XF30A, GF040BH5와 GF051BH3의 최대피크 전류비(IPA/IPC)는 1보다 약간 높은 값을 보였으며, 전극 반응이 가역적으로 진행된다는 것을 확인하였다.
- 2) XF30A, GF040BH5와 GF051BH3 전극을 사용한 VRFB의 충ㆍ방전 실험 결과로부터 효율을 계산한 결과, XF30A와 GF040BH5 전극을 사용한 VRFB의 평균 에너지 효율은 거의 비슷한 값을 보였으며(77.3~77.8%), GF051BH3 전극을 사용한 VRFB의 평균 에너지효율은 약간 높은 값(79.2%)을 보였다.
- 3) GF040BH5와 GF051BH3 전극은 XF30A와 마찬가지로 VRFB용 전극으로 충분히 활용이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 또한 각 전극에서의 최대피크 전류비는 XF30A, GF040BH5와 GF051BH3가 거의 비슷한 값을 보였다. 이 결과로부터 3종류의 전극은 VRFB용 전극으로 사용될 경우 레독스 반응이 발생할 수 있는 사이트와 발생하는 전자의 통로를 제공하는 역할을 충분히 담당할 것으로 판단된다.
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