초록 ▼

전극, 전해질, 이온교환막 등은 전지의 성능에 중요한 역할을 하는 레독스 흐름 전지의 구성 요소로서 2차년도에는 이 소재들의 전기화학적 특성에 대한 연구를 수행하고 나노급 고분자 섬유 제조 및 탄화하여 탄소섬유 웹을 제조하였으며, 단셀 제조 및 특성 평가하였다. 대용량 신형 레독스 흐름 전지 에너지저장시스템 개발을 위해 2차년도 연구목표로 $3{\Omega}{\cdot}cm^2$ 이하 막 저항을 갖고 0.5meq./g-dry-membrane 이상의 이온교환용량을 갖는 양이온교환막 소재의 개발 연구를 진행하였다.

전극, 전해질, 이온교환막 등은 전지의 성능에 중요한 역할을 하는 레독스 흐름 전지의 구성 요소로서 2차년도에는 이 소재들의 전기화학적 특성에 대한 연구를 수행하고 나노급 고분자 섬유 제조 및 탄화하여 탄소섬유 웹을 제조하였으며, 단셀 제조 및 특성 평가하였다. 대용량 신형 레독스 흐름 전지 에너지저장시스템 개발을 위해 2차년도 연구목표로 $3{\Omega}{\cdot}cm^2$ 이하 막 저항을 갖고 0.5meq./g-dry-membrane 이상의 이온교환용량을 갖는 양이온교환막 소재의 개발 연구를 진행하였다. 1 kW급 레독스 흐름 전지 스택 모듈을 설계, 제작하여 개발하였다. 또한 대면적 전극의 대량 처리에 적합한 전극 처리 방법을 개발하였다. 태양광 발전시스템 적용 레독스 흐름 전지를 위한 설계 사양을 정하고 태양전지 어레이에 대한 정량적인 모델링을 제안하였다.

Abstract ▼

Among consisting elements of the redox flow battery, the electrode, electrolyte and membrane play important roles. For the second year, these elements have been developed and electrochemical properties investigated. The research target is to develop a cation exchange membrane haying below $3{\O

Among consisting elements of the redox flow battery, the electrode, electrolyte and membrane play important roles. For the second year, these elements have been developed and electrochemical properties investigated. The research target is to develop a cation exchange membrane haying below $3{\Omega}{\cdot}cm^2$ of membrane resistance and over 0.5meq./g-dry-membrane of ion exchange capacity. This research target to develop a 1 kW class stack of RFB. The electrical specification of the power conversion system will be determined and the quantitative analysis of solar cell will be provided also. By the modeling of solar cell, the simulation of the PV redox flow power conversion system is accomplished.

목차 Contents

• 제 1 장 서론 ...18
• 제 1 절 연구 배경 ...18
• 제 2 절 레독스 흐름 전지 ...20
• 제 3 절 연구개발 현황 ...23
• 제 4 절 연구목표 및 내용 ...30
• 제 2 장 소재 및 셀 특성 연구 ...31
• 제 1 절 실험방법 ...31
• 1. 카본 전극 소재 특성 ...31
• 2. 블록공중합체 및 양이온교환막의 제작 ...33
• 3. 양이온교환막의 전기화학적 특성 평가 ...35
• 4. 이온교환막의 이온교환용량 평가 ...37
• 제 2 절 소재 및 셀 특성 연구 ...38
• 1. 카본 전극 소재 전처리와 전기화학적 특성 연구 ...38
• 2. 전극 소재용 고분자 섬유 제조 및 탄화 ...79
• 3. 단셀 제작 및 특성 ...82
• 4. 양이온교환막의 열적 특성 ...84
• 5. 양이온교환막의 전기화학적 특성 ...85
• 6. 양이온교환막의 이온교환용량 ...89
• 제 3 장 스택 설계 및 제작 ...92
• 제 1 절 대면적 전극 제작을 위한 카본 펠트의 열처리 방법 연구 ...92
• 제 2 절 VRB용 카본 펠트 전극의 전자선 처리 ...105
• 제 3 절 1 kW급 스택 모듈의 설계 및 제작 기술 개발 ...116
• 1. 1 kW급 스택 모듈의 설계 및 제작 ...116
• 2. 1 kW급 스택의 운전 ...120
• 제 4 장 레독스 흐름 전지를 위한 태양광 전력변환장치 개발 ...124
• 제 1 절 전력변환장치의 설계 사양 ...124
• 제 2 절 기본 제어방식 및 시뮬레이션 ...127
• 1. 태양전지 어레이 모델링 ...127
• 2. 기본 제어방식 ...134
• 3. 시뮬레이션 ...135
• 3. 실험결과 ...138
• 제 5 장 결론 ...147
• 참고문헌 ...149
• [그림 1- 1] 전기에너지저장 시스템 분류 ...19
• [그림 1- 2] RFB의 기본적인 구조 ...21
• [그림 1- 3] RFB의 가능한 레독스 쌍 ...22
• [그림 1- 4] RFB의 설치 운용 사례 ...29
• [그림 2- 1] 블록공중합체 제작 및 슬폰화를 위한 반응장치 ...33
• [그림 2- 2] 블록공중합체의 반응 메커니즘 ...34
• [그림 2- 3] 슬폰화 반응 메커니즘 ...34
• [그림 2- 4] 양이온교환막의 제작 공정 ...35
• [그림 2- 5] 이온교환막의 면적저항 측정용 셀 ...36
• [그림 2- 6] 이온교환막의 면적저항 측정 실험장치 개략도 ...36
• [그림 2- 7] 활성화한 전극(GF-20-3F)의 싸이클 횟수에 따른 저항변화 ...40
• [그림 2- 8] 활성화한 전극(GF-20-3F)의 싸이클 횟수에 따른 SEM 이미지 ...41
• [그림 2- 9] GF-20-3F 전극의 전기화학적 처리 전.후 XRD 패턴 ...42
• [그림 2-10] 다양한 싸이클로 활성화한 GF-20-3F의 2전극 cycle voltammetry ...43
• [그림 2-11] 다양한 싸이클로 활성화한 GF-20-3F의 3전극 cycle voltammetry ...44
• [그림 2-12] 다양한 싸이클로 활성화한 GF-20-3F 전극 적용 레독스 전지 용량변화 ...46
• [그림 2-13] GF-20-5FH의 열처리 온도별 무게 감소 ...49
• [그림 2-14] GF-20-5FH의 열처리 온도별 SEM 이미지 ...51
• [그림 2-15] GF-20-5FH의 열처리 온도별 XRD 패턴 ...52
• [그림 2-16] GF-20-5FH의 열처리 온도별 저항변화 ...53
• [그림 2-17] GF-20-5FH의 열처리 온도별 2전극 cycle voltammetry ...54
• [그림 2-18] GF-20-5FH의 열처리 온도별 3전극 cycle voltammetry ...55
• [그림 2-19] 열처리 온도별 GF-20-5FH 사용 레독스 전지의 방전용량 ...56
• [그림 2-20] 열처리 온도별 GF-20-5FH를 레독스 전지에 적용시 전압 profile ...59
• [그림 2-21] 열처리 온도별 GF-20-5FH의 탄소판을 적용한 레독스 전지의 방전용량 ...60
• [그림 2-22] 열처리한 GF-20-5FH를 탄소판으로 적용한 레독스 전지의 전압 profile ...61
• [그림 2-23] GF-20-5FH의 열처리 시간에 따른 무게감소 ...62
• [그림 2-24] GF-20-5FH의 열처리 시간에 따른 저항 변화 ...63
• [그림 2-25] GF-20-5FH의 열처리 시간에 따른 2전극 cycle voltammetry ...64
• [그림 2-26] GF-20-5FH의 열처리 시간에 따른 3전극 cycle voltammetry ...65
• [그림 2-27] 열처리한 GF-20-5FH를 레독스 전지 적용시 방전용량 ...67
• [그림 2-28] 열처리 시간에 따른 GF-20-5FH를 레독스 전지에 적용시 전압 profile ...68
• [그림 2-29] 레독스 흐름 전지의 전류밀도에 따른 용량 변화 ...69
• [그림 2-30] 열처리 온도별 GF-20-5FH의 산소피크에서 탄소와 산소결합의 fitting ...72
• [그림 2-31] 열처리 전.후 GF-20-5FH의 탄소피크($Cl_s$)에서 탄소결합의 fitting ...73
• [그림 2-32] 열처리한 GF-20-5FH의 탄소와 산소의 단일/탄소와 산소의 이중결합 비의 변화 ...73
• [그림 2-33] 전기화학적 처리 전후 GF-20-3F의 산소피크에서 탄소와 산소결합의 fitting ...74
• [그림 2-34] 싸이클에 따른 카본 펠트의 탄소와 산소의 단일/탄소와 산소의 이중결합비의 변화 ...76
• [그림 2-35] 열처리 조건에 따른 GF-20-5FH의 broad XPS scan pattern과 산소에 따른 탄소 비율 변화 ...77
• [그림 2-36] 전기화학적 전처리에 따른 GF-20-3F의 broad XPS scan pattern과 산소에 따른 탄소 비율 변화 ...78
• [그림 2-37] 전기 방사장치 및 프로세스 ...79
• [그림 2-38] 방사조건에 따른 고분자 섬유 직경 변화 SEM 이미지 ...80
• [그림 2-39] 탄소섬유 웹 제조 과정 ...81
• [그림 2-40] 탄소섬유 웹 제조 공정에 따른 SEM 이미지 ...81
• [그림 2-41] 단셀 구성 및 충방전 실험 ...82
• [그림 2-42] 전류밀도에 따른 단셀 충방전 실험 ...83
• [그림 2-43] 단셀 수명시험 ...83
• [그림 2-44] TG 분석 결과 ...84
• [그림 2-45] 제작한 양이온교환막의 SEM사진 ...86
• [그림 2-46] 제작한 양이온교환막의 사진 ...86
• [그림 2-47] TPA 첨가 없이 제작한 양이온교환막의 막 저항과 CSA양과의 관계 ...87
• [그림 2-48] 막의 두께와 막 저항과의 관계 ...87
• [그림 2-49] TPA 첨가에 의해 제작한 양이온교환막의 막 저항과 CSA양과의 관계 ...88
• [그림 2-50] TPA 첨가없이 제작한 양이온교환막의 이온교환용량과 CSA양과의 관계 ...90
• [그림 2-51] TPA 첨가에 의해 제작한 양이온교환막의 이온교환용량과 CSA양과의 관계 ...90
• [그림 2-52] TPA 첨가없이 제작한 양이온교환막의 함수율과 CSA양과의 관계 ...91
• [그림 3- 1] 바나듐 레독스 흐름 전지의 단전지 시스템 ...94
• [그림 3- 2] Graphite raw felt 열중량 분석 ...94
• [그림 3- 3] 전극 처리 방법에 따른 CV curves ...96
• [그림 3- 4] 전극 처리 방법에 따른 Polarization curves ...97
• [그림 3- 5] 펠트 SEM 이미지 ...99
• [그림 3- 6] 열처리 온도에 따른 펠트 BET 질소흡착곡선 ...100
• [그림 3- 7] 열처리 온도에 따른 XPS data ...102
• [그림 3- 8] 전극 처리 방법에 따른 충방전 성능곡선 ...103
• [그림 3- 9] VRFB 단전지 구조 ...107
• [그림 3-10] E-beam treatment and $500^{\circ}C$ 4hr thermally treatment한 전극 열중량 분석 ...108
• [그림 3-11] 전자빔과 열처리에 따른 펠트 CV voltammogram ...109
• [그림 3-12] E-beam과 열처리 전극 Polarization curves ...110
• [그림 3-13] 전극의 Impedance spectroscopy ...112
• [그림 3-14] 전자빔 선량 및 열처리에 개질 방법에 따른 충방전 성능곡선 ...113
• [그림 3-15] 충방전 전류밀도에 따른 성능곡선 ...114
• [그림 3-16] 충방전 cycle 특성 ...115
• [그림 3-17] 스택의 구조 ...117
• [그림 3-18] 제작된 1 kW급 VRB 스택 사진 ...118
• [그림 3-19] 제작한 1 kW급 스택 모듈 사진 ...119
• [그림 3-20] 1 kW급 스택의 precharge 그래프 ...121
• [그림 3-21] 1kW급 스택의 충방전 곡선 ...122
• [그림 3-22] 1 kW 스택의 방전시 SOD 25%, 50%, 75%에서의 각 셀별 전압 ...123
• [그림 4- 1] 전체 회로 구성도 ...125
• [그림 4- 2] 태양전지의 등가회로 ...128
• [그림 4- 3] 태양전지 어레이 시뮬레이션 구성도 ...129
• [그림 4- 4] 일사량에 따른 태양전지 어레이의 출력특성곡선 ...130
• [그림 4- 5] 병렬저항과 온도함수를 추가한 태양전지 모듈 시뮬레이션 구성도 ...131
• [그림 4- 6] 일사량 및 온도에 따른 태양전지 모듈의 출력특성곡선 ...132
• [그림 4- 7] 시뮬레이션의 모델인 BP Solar의 200w 모듈의 카달로그 ...133
• [그림 4- 8] Boost 컨버터의 제어 블럭도 ...134
• [그림 4- 9] ImP&O MPPT 알고리즘 순서도 ...136
• [그림 4-10] 전체 시뮬레이션 구성도 ...137
• [그림 4-11] 부스트 컨버터 및 MPPT 동작특성 ...138
• [그림 4-12] 1차 시제작된 레독스 흐름전지용 전력변환장치 ...139
• [그림 4-13] 1차 시제작된 전력변환장치의 입출력 특성곡선 ...139
• [그림 4-14] 1차 시제작품의 출력전압 고조파 분석 ...140
• [그림 4-15] 시제작품의 MPPT 특성 ...140
• [그림 4-16] 레독스 흐름 전지용 전력변환장치 2차 시제작품 ...142
• [그림 4-17] 성능평가를 위한 1kW급 태양전지 어레이 ...142
• [그림 4-18] 2차 시제작품의 입출력 특성 곡선 ...143
• [그림 4-19] 2차 시제품의 입출력 성능 ...143
• [그림 4-20] 2차 시제품의 MPPT 성능 ...144
• [그림 4-21] 흐린 날의 일사량과 출력전력 및 충방전 전압 특성 ...146
• [그림 4-22] 맑은 날의 일사량과 출력전력 및 충방전 전압 특성 ...146
• [표 1- 1] 대용량 전력저장을 위한 2차전지 특성 비교 ...19
• [표 1- 2] 흐름 전지 시스템 종류별 성능 ...21
• [표 1- 3] 5kW급 RFB와 납축전지 사양 및 성능 비교 ...28
• [표 2- 1] 활성화한 GF-20-3F를 레독스 전지 적용시 효율 ...47
• [표 2- 2] GF-20-5FH의 열처리 온도에 따른 물리적 특성 ...49
• [표 2- 3] $500^{\circ}C$에서 5시간동안 열처리한 카본 펠트를 레독스 전지에 적용시 효율 ...57
• [표 2- 4] GF-20-5FH의 열처리 시간에 따른 물리적 특성변화 ...62
• [표 2- 5] 열처리한 레독스 전지의 전류밀도별 싸이클에 따른 효율 ...70
• [표 2- 6] 제조한 탄소섬유 웹의 저항 특성 ...80
• [표 3- 1] 열처리 온도에 따른 원소분석 결과 ...103
• [표 3- 2] 전극 처리 방법에 따른 충방전 효율 ...104
• [표 3- 3] 전자선 선량과 열처리 온도에 따른 충방전 효율 ...113
• [표 3- 4] 2000kGy 전자선 개질 전극의 전류밀도에 따른 효율변화 ...114
• [표 3- 5] 1 kW급 스택의 적층 셀 수 ...116
• [표 3- 6] 1 kW급 스택의 충방전 효율 및 출력 ...123
• [표 4- 1] 방식 및 성능 ...126
• [표 4- 2] 개별 사양 ...126