[논문]전류밀도에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지의 효율 변화

최호상; 인대민; 송영준; 유철휘; 황갑진

doi:10.7316/khnes.2017.28.5.531

전류밀도에 따른 바나듐 레독스 흐름 전지의 효율 변화
Change of the Efficiency in All-Vanadium Redox Flow Battery with Current Density 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.5, 2017년, pp.531 - 535

최호상 (경일대학교 화학공학과) , 인대민 (호서대학교 일반대학원 그린에너지공학과) , 송영준 (호서대학교 일반대학원 그린에너지공학과) , 유철휘 (호서대학교 일반대학원 그린에너지공학과) , 황갑진 (호서대학교 일반대학원 그린에너지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The performance of all-vanadium redox flow battery (VRFB) was tested with an increase of the current density. APS membrane (anion exchange membrane) and GF050CH (cabon felt) were used as a separator and electrode, respectively. An average energy efficiency of the VRFB was 79.5%, 68.1%, and 62.8% for the current density of $60mA/cm^2$, $120mA/cm^2$, and $160mA/cm^2$, respectively. It was confirmed that VRFB can be used as a energy storage system at the higher current density even if the energy efficiency was deceased about 21%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 바나듐 레독스 흐름 전지용 전극과 격막으로 기존의 소재를 사용하여, 전류밀도 향상에 따른 VRFB에서의 효율변화에 대해 평가하였다.

제안 방법

VRFB전지의 충ㆍ방전은 정전류/정전압 계측기 (HPCS2, Wonatech Co.)를 사용하여 충전은 전류밀도에 따라 1.6 V, 1.8 V, 2.0 V까지, 방전은 1.0 V까지 진행하는 cut-off 방법에 의해 진행하였다. 전류 밀도는 60, 120, 160 mA/cm² 로 하여 측정하였으며, 전해액의 유속은 유속에 따른 영향을 최소화하기 위해 전류밀도가 60 mA/cm²에서는 2 mL/minㆍcm²로, 120 mA/cm²에서는 3 mL/minㆍcm²로, 160 mA/cm²에서는 4 mL/minㆍcm²로 하였다.
바나듐 레독스 흐름 전지(vanadium redox flow battery, VRFB)의 전류밀도에 따른 전기화학적 특성에 대해 평가하였다. 격막으로 음이온교환막을 사용하였으며, 전극으로 5 mm 두께의 카본펠트를 사용하였다.
전류밀도 120 mA/cm²와 160 mA/cm²에서 측정한 경우, 충전시 cut-off 조건인 1.6 V에서는 빠른 시간 내에 충전이 멈추는 경향을 보이기 때문에, 충전 cut-off 조건을 각각 1.8 V와 2.0 V로 하여 진행하였다. 120 mA/cm²와 160 mA/cm²의 전류밀도에서는충ㆍ방전 사이클 회수의 증가와 함께 충ㆍ방전 시간이 줄어드는 경향은 보이지 않고 있다.

대상 데이터

바나듐 레독스 흐름 전지(vanadium redox flow battery, VRFB)의 전류밀도에 따른 전기화학적 특성에 대해 평가하였다. 격막으로 음이온교환막을 사용하였으며, 전극으로 5 mm 두께의 카본펠트를 사용하였다.
격막으로 음이온교환막인 APS막(ASTOM Co.) 을, 집전체로 고분자 함침의 그라파이트 플레이트 (8650, 일도F&C)를, 전극으로 두께가 5 mm인 카본 펠트(GF050CH, JNTG Co.)를 사용하였고, 전극면적은 25 cm²였다.
전해액은 2 M (mol/L)의 황산(H₂SO₄)에 2.0 mol의 바나딜 셀페이트(VOSO₄ㆍnH₂O)를 용해한 수용액을 사용하였다.

성능/효과

1) 전류밀도의 증가와 함께 충ㆍ방전 사이클 회수의 증가에 따른 충ㆍ방전시간의 감소는 보이지 않았다.
3) 에너지효율은 60 mA/cm²의 전류밀도에서 79.5%, 120 mA/cm²의 전류밀도에서 68.1%, 160 mA/cm²의 전류밀도에서 62.8%를 보였다.
4) VRFB의 경우 전류밀도를 설계 값의 약 2.7배이상 증가시켜도 전력 저장용 전지로서의 역할을 충분히 담당할 수 있음을 알 수 있었다.

후속연구

이는 전류밀도의 증가와 함께 셀의 구성요소인 막, 전극의 저항 값이 증가하여 셀 전압이 증가하였기 때문으로 판단된다. 따라서 VRFB의 전류밀도 향상으로 위해서는 전극펠트의 두께를 줄이거나, 막과 전극간의 제로갭 체결을 위한 압축률 등에 관한 연구가 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	VRFB의 에너지저장 용량은 무엇에 의해 결정되는가?	VRFB의 에너지저장 용량은 황산에 용해시켜 각각 양극액(VO2+/VO2+) 및 음극액(V3+/V2+)으로 사용되는 레독스 커플의 농도와 전해액 양에 의해 결정된다15-17).
	바나듐 레독스 흐름 전지란?	바나듐 레독스 흐름 전지(vanadium redox flow battery, VRFB)는 재생에너지의 원활한 전력공급과 부하 평준화, 주파수 조절, 비상용 전력을 위한 전력저장 시스템으로 연구가 진행되고 있다1-5).
	VRFB의 전압효율이 전류밀도의 증가와 함께 감소하는 경향을 보이는 이유는?	VRFB의 전압효율은 전류밀도의 증가와 함께 감소하는 경향을 보이고 있다. 이는 전류밀도의 증가와 함께 셀의 구성요소인 막, 전극의 저항 값이 증가하여 셀 전압이 증가하였기 때문으로 판단된다. 따라서 VRFB의 전류밀도 향상으로 위해서는 전극펠트의 두께를 줄이거나, 막과 전극간의 제로갭 체결을 위한 압축률 등에 관한 연구가 필요하다고 판단된다.

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