보고서 정보
주관연구기관 |
LG화학 |
연구책임자 |
노태근
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2017-10 |
과제시작연도 |
2016 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO201800040106 |
과제고유번호 |
1415148758 |
사업명 |
소재부품기술개발 |
DB 구축일자 |
2018-10-13
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키워드 |
Redox Flow Battery(RFB).Membrane.Efficiency.
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초록
▼
핵심기술
부분불소계 고분자 합성을 통한 강화분리막 제조 기술과 R2R 연속공정 기술 개발 (기타 kW급 스택 및 평가방법 개발)
최종목표
-Vanadium-RFB용 분리막 개발
: LG화학의 블록 고분자 특허 기술을 적용한 강화분리막
: 물성확보(전도도[≥0.1S/cm], 두께[≤40μm], 이온교환량
[≥ 1.2 meq./g], Crossover[≤ 1×10-7cm2/min], 내구성
[4,000시간, 무게감소 없음] 등)
: R2R 공정을
핵심기술
부분불소계 고분자 합성을 통한 강화분리막 제조 기술과 R2R 연속공정 기술 개발 (기타 kW급 스택 및 평가방법 개발)
최종목표
-Vanadium-RFB용 분리막 개발
: LG화학의 블록 고분자 특허 기술을 적용한 강화분리막
: 물성확보(전도도[≥0.1S/cm], 두께[≤40μm], 이온교환량
[≥ 1.2 meq./g], Crossover[≤ 1×10-7cm2/min], 내구성
[4,000시간, 무게감소 없음] 등)
: R2R 공정을 통한 대면적 분리막 제조[폭 ≥50cm]
: 단전지 [80% 효율, 1,000Cycle] 및 5kW급 스택 최적화/성능 확보[80% 효율, 500Cycle]
-ZnBr-RFB용 분리막 개발
: LG화학의 SRSⓇ 특허 기술을 적용한 강화복합막
: 나노무기복합물 개발 및 분리막 적용
: 물성확보(저항[≤2Ω/cm2], 두께[≤100μm,], Crossover [≤20 %, Ref. 대비 1/5이하], 내구성[≥4,000시간] 등)
: R2R 공정을 통한 대면적 분리막 제조[폭 50cm]
: 단전지[75% 효율, 500Cycle] 및 5kW급 스택 최적화/평가
[75% 효율, 250Cycle]
개발내용 및 결과
- Vanadium-RFB용 이온 전달 소재 개발
: LG화학 블록공중합체 기술을 이용한 부분 불소계 이온교환 수지를 합성하였으며, IEC 조절을 통한 최적의 V-RFB 이온 교환 수지를 선정하여 대량합성를 진행하였음.
: 대량 합성으로 제조한 신규 이온교환수지와 불소계 다공성 소재를 이용하여 강화 분리막 제조하였으며, 본 과제 목표인 이온 전도도(0.191 S/cm), 두께(39.3μm), 이온교환용량 (1.665meq./g), VO2+ ion crossover(1×10-7cm2/min), 내구성(전해질, VO2+ 황산수용액 내에서 12,864시간, 무게 감소 없음), 막 사이즈(503mm, Roll to Roll방식)등의 목표를 달성함.
: 또한 분리막 성능 평가를 위한 단전지와 스택의 유로/설계 최적화를 진행하였으며, 단전지 및 1~5kW급 스택평가 스테이션 구축하고 운전 변수 및 BOP의 최적화를 진행함
: Vanadium-RFB 단전지 분리막의 성능 및 내구성 평가 결과, 목표한 에너지 효율(89.7%)과 내구성(1000 cycle)을 얻을 수 있었으며, 5kW급 스택의 에너지 효율(80.8%)과 내구성(500 cycle) 결과를 얻음
- ZnBr-RFB용 이온 전달 소재 개발
: 저가 상용 이온교환수지 및 Br 투과를 줄이는 나노 무기 입자를 제조하여 용매 및 이온교환수지에 분산하여 강화 복합 분리막 제조함. 본 과제의 목표인 면적 저항(1.02 Ω/cm2), 두께(112 μm), Br 이온 crossover(24%, 자체 평가 결과 1.7%), 내화학성(ZnBr2 수용액내 12,000시간 이상 무게감소 없음), 막 사이즈(533mm, Roll to Roll 연속생산)을 달성함
: 또한 단전지 및 1~5kW 스택 및 테스트 스테이션 구축하였으며, 운전 변수 및 BOP의 최적화를 통해 단전지와 스택 성능을 확보함
: Zn-Br-RFB 단전지 성능 평가결과 목표치인 효율(84.69%)과 내구성(500 cycle)을 확보하였으며, 5kW 스택의 에너지 효율(68.2%) 과 내구성(250 cycle) 목표치를 달성하였음
기술개발 배경
- 국제 유가의 상승, 화석에너지의 고갈 및 CO2 배출로 인한 환경오염 등에 따른 각국의 에너지 정책에 대한 인식은 저탄소 사회 구축을 목표로 집중되고 있음. 태양광, 풍력, 연료전지와 같은 신재생에너지의 보급 확대 정책을 입안하고, 실증 보급을 위한 국가적인 관심이 집중되고 있음.
- 신재생에너지는 입지환경이나 자연 조건에 영향을 받으므로 출력 변동이 심하여 연속적인 공급이 불가능하고 에너지 생산시점과 수요 시점의 시간차가 발생하여 에너지저장 시스템이 중요하게 대두됨.
- 에너지저장 시스템(Energy Storage System, ESS) 중 레독스 플로우 전지(RFB)는 전지반응이 일어나는 스택과 반응물질이 있는 저장조의 독립된 설계를 가능하게 함으로서, 이를 통해 스택수의 증가에 따른 출력, 저장조의 크기에 따른 에너지저장 용량을 쉽게 변화 시킬 수 있어, 대용량화 용이함.
- RFB는 활물질의 조성, 이동되는 이온의 종류에 따라 양이온, 음이온 분리막 또는 양쪽성이온 분리막을 사용하며, 활물질을 투과시키지 않고 양이온 또는 음이온만 선택적으로 이동시킬 수 있는 선택적 이온 전달 소재를 개발하려 함. 본 과제에서는 대용량 장주기의 장점을 갖고 있는 RFB의 수명, 가격 및 성능 등을 결정하는 핵심부품인 이온교환 수지 및 분리막을 개발, 단전지 및 스택에 적용하여 상용화 가능성을 확보하려 함
핵심개발 기술의 의의
- LG화학의 합성기술을 이용하여 신규 부분불소계 고분자를 합성하여 제조하여 적용함
- Vanadium-RFB용 신규 강화분리막을 개발/적용하여 바나듐 투과도를 낮추고, 이온 전도도를 향상시켜 상용 분리막 대비 낮은 용량 감소와 높은 에너지 효율 및 내구성을 확보함
- 대면적 연속 강화 분리막 생산을 위한 Roll to Roll 장비를 설계, 제작 및 최적화를 진행하였으며, 강화 분리막의 연속 제막이 가능하게 됨
- 개발된 강화분리막의 단전지 및 스택 적용 시, 최적의 운전 조건 확보를 통해 최고의 효율 및 내구성을 확보하게 됨
- ZnBr-RFB용 분리막을 개발 적용하여 브롬 투과도를 낮추고 이온전도도를 높임으로 상용 분리막 대비 높은 성능을 확보함
- 상용 저가 이온교환수지를 이용, 용액 공정프로세스를 도입함으로 제조 단가를 낮춰 가격경쟁력을 확보함
- 신규 분리막을 적용한 ZnBr RFB 단전지 및 스택(모듈화)을 개발/최적화 하여 분리막의 성능 및 내구성을 확인하였으며, 안정적인 시스템 운전 기술을 확보함
적용 분야
- 본 과제에서 개발 중인 분리막은 선택적인 이온전달 구현이 가능하므로, RFB 시스템 이외 다양한 분야에 적용 가능성이 있음. 구체적으로, 저온형 연료전지의 스택에 적용되는 핵심 소재 및 수소 생산을 위한 물분해 공정에 적용 가능함.
- 또한 수전해 공정에 사용되는 이온 전달 분리막으로 적용이 가능할 것으로 판단되며, 본 과제를 진행하면서 현재 개발 진행 중인 분리막의 추가 적용 기회를 검토하여, RFB 시스템 이외의 다양한 시스템 적용 및 시장 확장 가능성의 검토를 진행할 중임
(출처 : 최종보고서 초록 4p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 16
- 제 1 장 서론 ... 33
- 제 1 절 과제의 개요 ... 33
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 37
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 37
- 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 49
- 제 3 절 수행 결과의 보안등급 ... 85
- 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 86
- 제 3 장 결과 ... 92
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 92
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 172
- 제 3 절 고용 창출 효과 ... 174
- 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 176
- 제 4 장 사업화 계획 ... 177
- 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 177
- 제 2 절 사업화 계획 ... 178
- 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 178
- 부 록 ... 180
- 끝페이지 ... 208
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