<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2016.40.12.777 ISSN 1226-4881(Print) 2288-5324(Online)
바나듐계 산화-환원 유동 전지의 최대 방전전류와 유량의 상관성에 대한 실험적 연구
김 정 명* · 박 희 성*†
* 창원대학교 대학원 기계공학과
Discharged Maximum Current Density of Vanadium Redox Flow Battery with Increased Electrolyte Flow Rate
Jung Myoung Kim* and Hee Sung Park*†
* Dept. of Mechanical Engineering, Changwon Nat’l Univ.
(Received May 30, 2016 ; Revised September 2, 2016 ; Accepted October 8, 2016)
- 기호설명 - A : 활성화 면적(cm2)
c : 활성화 바나듐 농도(mol/m3) c : 수소 몰 농도(mol/m3) c : n가 바나듐 몰 농도(mol/m3) C : 저장용기 바나듐 농도(mol/m3) E : 표준전극전위(V)
E : 음극 표준 전극 전위(V)
E : 양극 표준 전극 전위(V) E : 셀 전압(V)
E : 가역 개회로 과전압(V) E : 활성화 과전압(V) E : 저항 전압 강하(V) E : 농도차 과전압(V)
F : 패러데이 상수(96 487C/mol) I : 전류(A)
i : 최대 전류 밀도(mA/cm2) R : 교환막 저항 Ω)
R : 전해액 저항(Ω)
Key Words: Vanadium Redox Flow Battery(V-RFB), Flow Rate(유량), Mass Transfer Coefficient(질량전달계수), Maximum Current Density(최대 전류밀도), Discharge Performance(방전 성능)
초록: 바나듐 전해질 산화-환원 흐름전지(vanadium redox flow batteries, VRFBs)는 간헐적 에너지 저장 시 스템의 에너지 저장장치로 사용된다. VRFBs는 재료 및 동작조건에 따라 성능의 차이를 보이며, 각 성 능특성에 따른 VRFBs개발이 요구된다. 본 연구에 사용된 단위셀은 반응면적 25cm2이며, 전해액은 0.6 의 충전상태를 나타낸다. 방전전류밀도를 0에서 520mA/cm 까지 변화시키면서 동시에 전해질 유량도 5mL/min에서 60mL/min까지 변화시켰다. 동일한 입구 전해액 상태에 따른 방전 성능 평가를 위해 4개 의 탱크를 사용한 비순환 시스템을 구축하였다. 본 논문은 유량 및 전류밀도의 변화에 대한 단자전압을 측정하였으며, 25cm2 반응면적을 가지는 바나듐계 산화-환원 유동전지 시스템의 최대전류밀도에 대한 실험식을 도출하였다.
Abstract: All-vanadium redox flow batteries (VRFBs) are used as energy storage systems for multiple intermittent power sources. The performance of the VRFBs depends on the materials and operating conditions. Hence, performance characterization is of great importance in the development of the VRFBs. This paper proposes a method for determining the maximum current density based on stoichiometric ratios. A laboratory-scaled VRFB with a projected electrode area of 25 cm2 is electrically charged when the state of the charge has begun from 0.6. The operating conditions, such as current density and volumetric flow rate are important in the test, and the maximum current density is influenced by the mass transfer coefficient. The results show that increasing the electrolyte flow rate from 5 mL/min to 60 mL/min enhances the maximum current density up to 520 mA/cm2.
† Corresponding Author, [email protected]
Ⓒ 2016 The Korean Society of Mechanical Engineers
778 R : 집전 k : 물질 n : 참여 Q : 유량 R : 몰 기 R : 시스 T : 온도 v : 전해 V : 2가 V : 3가 VO : 4가 VO : 5가 ζ : 화학
전 세계적 서 2020년 으로 예상됨 저탄소 발전 전력공급으 며, 또한 발 에 따라 신 전설비의 활 스템’ (Energ 되고 있다.( 표적인 예이 라 납-축전지 (Ni-Cd Bat- 화-환원 흐름 RFB)로 분류 를 가지며 효율이 낮으 의 한계가 충/방전 효율 은 메모리 전력밀도와 효율 충/방전 용이 높기 (Large Scale 하기 부적합 의 크기, 단 지 증대, 긴 가질 수 있 스템(LSESS 적용 가능한 다.(14~17)
전장치 저항(Ω 질 전달 계수(
여 전자 수 량(mL/min)
기체 상수(J/K 스템 저항(mΩ 도(K)
해액 속도(m/s 바나듐 이온 바나듐 이온 바나듐 이온 바나듐 이온 학양론비
1.
적인 에너지 72.5조kWh로 됨에 따라 발 전설비(풍력,
로 인해 수 발전설비의 활 신재생 에너지 활용률을 높이
gy Storage Sy
(1~7) 이차전지
이며, 이는 양 지(Lead-acid -tery), 리튬이 름 전지(Redu
류된다.(8~15) 납
기술적인 성 으며 납 사용 있다. 니켈카 율이 높지만 효과를 가진 에너지밀도 전이 가능한
때문에 M e Energy Stor 합하다. 반면 단위셀 면적
긴 시스템 수 다.(3,4,16) 따라 S)및 스마트 한 RFB의 활
Ω) (m/s)
K mol) Ω)
s) 온 온 온 온
서 론
수요는2010 로 매년 2.7%
발전용량 증 지열, 태양 수요편차의 불
활용률 감소를 지의 수요편차 이기 위해 ‘ ystem, ESS)의 지는 에너지저
양극과 음극 Battery), 니켈 이온 전지(Li-
uction-Oxidat 납-축전지는 성숙도가 높지 용 규제로 인한
카드뮴축전지는 만 낮은 전력
진다. 리튬-이 도 및 셀 전압
특성이 있지 MW급 에너지
rage System, 면 RFB는 전 증가에 따라 수명, 전기화 라서 대용량
그리드, 분산 활발한 연구가
김 정
년 21조 kW
%씩 증가될 증대가 요구된 양광)는 간헐적
불균형이 발생 를 야기한다 차를 줄이고
에너지 저장 의 필요성이 대
저장시스템의 의 전해질에 켈카드뮴 축전
-ion Battery) tion Flow Bat
높은 전력밀 지만 에너지밀
한 저장장치로 는 수명이 길 /에너지밀도, 온 전지는 높 압이 높으며 지만, 전해액 지 저장 시스
LSESS)에 적 전해액 저장용 라 출력 및 에 화학적 안정성 에너지 저장 산형 전원 등 가 진행되고
정 명 · 박 희
Wh에 될 것 된다.
적인 생하 . 이 고 발 장 시 대두 의 대 에 따 전지 , 산 ttery, 밀도 밀도,
로서 길고,
, 높 높은 , 고 액 비 스템 적용 용기 에너 성을 장 시 등에 고 있
R tics Cen 발견 이 듐을 Red Kaz V 극과 전해 바나 화학 두 따른 특성 능을 성능 조건 전해 전기 조건 다.( 어를 에서 전해 수학
F 도 적
Fig 희 성 RFB는 최초1
And Space A ntre)에서 Cr, 견 이후 현재 계속되고 있 을 이용한
dox Flow Ba zacos group에 V-RFB시스템 과 음극으로 해질 용액을 나듐 산화-환 학반응에 의해
가지로 조절 른 성능변화는 성에 따른 전 을 조절하는 능변화는 시스 건, 지속시간 해질의 비가 기화학적 부반 건에서 효율
(29,30) 따라서, 를 위한 구동 서는 25cm2의 해질 유량에 학적 모델링을
Fig. 1은 본 연 이다. 단위셀 에너지를 상
. 1 Schematic in this stu
973년 미국 Administration
Fe, Ti 산화 재까지 새로운 있다.(21) 여러
산화-환원 attery, V-RFB
의해 발견되 의 전기 에너 분리된 유동 강제 공급 환원 쌍(V /V
해 진행된다.
절할 수 있다 는 분리막, 전 전기화학적 반
것이다.(28) 스템의 유량,
, 주변온도 가역적 변화를
반응을 최소 적인 구동을 , V-RFB 시스 동조건의 선정 의 활성화 면
따른 최대 을 제안한다.
2. V-RFB의
연구에 사용 셀은 바나듐 상호 변환하는
c diagram of udy
NASA(Natio n)의 LRC(Le -환원 쌍(red 운 산화-환원 산화-환원
유동 전지 ) 는 1987년
되었다.(22~25)
너지 저장 및 동채널 및 전 급하며, 활성화
V , VO /VO . V-RFB성능 다. 첫째, 시스
전극, 집전장 반응을 통해
둘째, 구동조 , 충/방전 전
등 시스템 조 를 방지하고 소화 하여 안정
을 위해 제어 스템의 전기화 정이 요구되 면적을 갖는
전류밀도 선 .
의 원리
된 V-RFB실 전해액의 화 는 영역으로,
the circulated
onal Aeronau- ewis Research dox couple)의 원 쌍의 발견 쌍 중 바나 (Vanadium M. Skyllas- 및 소비는 양 전극표면으로 화 영역에서 O )의 전기 특성은 크게 스템 재료에 장치 등 재료 시스템의 성 조건에 따른 전류 및 전압 조건에 따른 셀 요소의 정적인 구동 되어야 한 화학반응 제 며, 본 연구 단위셀에서 선정을 위한
험장치 개략 화학 및 전기 V-RFB성능
d V-RFB cell - h
나 m
- 양 로
료 른 압 른 동 한 구 한
략 능
l
의 핵심요소이다. 셀의 기능적 구성 요소는 분리 막(membrane), 전극(electrode), 집전장치(current coll- ector), 유로(flow channel)로 분류되며, 각 요소는 독립적인 전기화학적 특성을 보인다. 분리막의 경 우 전해질간 접촉을 막고, 전기전도를 위해 높은 이온 전도도와 낮은 저항손실(Ohmic loss)을 필요 로 한다. 본 실험에서는 Nafion계열의 전해질 분리 막을 사용하였다.(22,23,25,26) 전극의 경우 전기 전도 성이 높고 화학적으로 안정적인 다공성 탄소 재료 를 사용한다.(22,27) 집전장치는 전극, 전해액과 직접 접촉하며 외부전극을 전해질로부터 보호하기 때문 에 불투과성 구조를 사용해야 하며, 높은 내화학 성 및 낮은 산소투과율이 요구된다. 유로의 경우 내부전극에 전해액을 이송하기 위해 집전장치에 내장된다.(30) 또한 셀의 전극 표면에서 발생하는 바나듐 전해액의 충/방전 전기화학반응식은 다음 과 같다.(31)
양극:
VO 2 ⇋ ;
1.00 . (1) 음극:
⇋ ;
0.26 . (2) 전체 반응식:
V VO 2 ⇋ ;
1.26 (3)
3. 이 론
V-RFB시스템의 전기화학 반응 식을 식 (1)~(3) 에 나타내었다. 일반적인 구동조건에서 전류인가 에 의한 전위차 E 은 식 (4)로 계산된다.
E E (4)
식 (4)에서 E 은 가역 개회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)이며, 시스템 동작 시 전극에서 발생 하는 수소, 산소 기체에 의한 활성화 과전압 (activation overpotential)은 E 로 나타내며, E 은 충/방전 과정에서 전류전도에 의한 셀 구성요소의 저항으로서 전해액과 교환막 또는 셀 요소 사이에 서 접촉이온저항의 크기이다. E 은 농도과전압 이이며, V-RFB 시스템의 전기화학적 성능과 연관 된 질량수송을 나타낸다. 이는 활성화 면적인 전
극 표면에서 전기화학반응 중에 발생하는 국소적 농도 불균형이 원인이다. 위 세가지 손실은 전극 과 전해질 계면에서 전자이동 및 질량 수송에 의 한 에너지 장벽에 의해 발생하는 과전압 손실이다.
식 (5)는 셀 요소 별(교환막 IR , 전해액 IR , 집전장치 IR ) 저항 전압 강하(Ohmic drop)를 나타 낸다.
E (5)
가역 개회로 전압 E 은 각 탱크 전해액 바나 듐 농도에 기초한 Nernst’s식을 통해 계산된다.(32)
E ln (6)
식 (6)의 E , E 은 양극과 음극에서 반응에 의한 표준 환원 전위이며, 몰 기체상수 R, 셀 온도 T, 패러데이 상수 F, 바나듐 종에 따른 몰 농도 C 로 나타낸다. 측정된 개회로 전압을 통해 바나듐 종 의 몰 농도 및 충전상태를 식 (7)을 통해 계산하 였다.
SOC (7)
활성화 과전압은 Tafel식[식 (8)]을 통해 근사할 수 있다.
E ln (8)
식 (8)의 α, i 는 방전과정의 시스템 분극곡선과 일치하는 값을 선정하여 활성화 과전압을 계산하 였다.
식 (9)는 저항에 의한 과전압으로 셀 요소의 내 부 저항으로 인한 전압강하이다. 반응면적 A , 시스템 저항 R 은 각 구성품의 저항과 접촉에 의한 저항으로 구성되며, 임피던스 미터를 사용하 여 측정할 수 있다.
E (9)
농도 과전압에 의한 활성화 전극표면에서 V2+ / VO+2의 바나듐 활물질 농도편차는 식 (10)으로 계 산된다.
E ln (10)
최대 전류밀도 i 은 식 (11)에 따라 전해액 탱
780 크의 바나듐 환원 반응에 F로 표현 할
식 (12)의 듐 농도c 고려할 수 향을 계산할
본 연구에 하였다. 실험 식 (11)을 사 해 질량전달 여 실험 결 로 본 실험 예측 식을 도
본 연구에 밀도 선정 의 탱크를 순환 구조 개회로 전압 하였다. 둘째 전상태의 전 을 구성하였 선을 통해 템의 최대
4.1 실험장 본 연구에 셀 구조 및 셀은 전해질 을 위해 제 조 적용을 통 25cm 활성 Lt., USA Na 다. 흑연판(
로 및 분리 여 세척 후 쪽 내부 전 다.(32) 음극 을 통해 V
듐 농도 C 및 에 참여하는 할 수 있다.(33
i 의 화학양론비
를 이용하여 있으며, 유량 할 수 있다.(33
ζ 에서는 전류밀
험을 통해 사용하여 유량 달계수(k )를
과와 계산결 에 사용된 V 도출한다.
4.
에서는 두 과 방법 및 결과
사용하여 충 시스템을 구 압 및 식 (6),
째, 네 개의 전해액을 공급
였으며, 시스 유량 및 전류 전류밀도를 장치
에 사용된 V 부품을 Fig 질 유량에 따
작하였다. 본 통해 접촉저 성영역 단위셀
afion 117을 양 (70 70 10
판으로 사용 후 건조된 다공
전극(50 50 전해액 탱크 와 산소 접
및 물질전달 전자 수 n,
3)
비 ζ는 전해 여 충전상태(
량 Q 항을 통
3)
밀도와 유량 측정된 최대 량과 전류밀
유속의 다항 결과를 비교하
V-RFB 시스템
실 험
과정의 실험을 과를 도출한 충/방전 사이 구성하였으며 , (7)을 통해
탱크를 사용 급할 수 있는 스템 동작 시 류밀도에 따 측정하였다.
V-RFB시스템 g. 2에 나타내 따른 시스템의
본 실험에서는 항에 의한 손 셀을 사용하 양성자 교환막
0 mm )을 양 용하였으며, 증
공성 전극인 0 2.5 mm 크의 지속적인
접촉에 의한
김 정 달계수 k , 산
패러데이 상
액의 활성 바 (SOC)의 변화 통해 시스템에
을 변수로 선 대전류밀도 i
도의 관계를 항식으로 표현 하였다. 결과적 템에서 전류밀
을 통해 최대전 다. 첫째, 두 이클을 진행하 며, 이때 측정 충전상태를 용하여 일정한 는 비순환 시스
측정된 분극 따라 V-RFB 시
의 25cm 단 내었다. 본 단 의 성능특성 예 는 ‘Zero-gap 손실을 감소시 하였으며, Du
막으로 사용하 양극과 음극의
증류수를 사용 카본펠트를 )으로 사용하 인 질소가스 주 산화를 방지
정 명 · 박 희 산화-
상수
(11) 바나 화를 에 영
(12) 선정 를 를 통
현하 적으 밀도
전류 두 개 하는 정된 를 구 한 충 스템 극곡 시스
단위 단위 예측
’ 구 시킨 Pont 하였 의 유 용하 를 양 하였 주입 지하
였다 바나 반응 을 이다
4 본 전해 충/방 전해 충전 하였 4 유 비순 액을 전을 전압 었다 60m
본 전 특성 정 로 Fig
희 성
다. 시스템의 나듐 전해액의 응을 방지하였 사용하였으며 다.
4.2 전해액의 본 실험은 H 해액을 사용하
방전(충전 1.
해액을 초기 전상태 전해액 였다.
4.3 방전과정 유량과 전류밀 순환 시스템에 을 공급하였다 을 진행하였으 압 측정 및 안 다. 연동펌프 mL/min로 설
본 연구는 단 사이클 및 방 성을 분석하
방법을 제시 선정하였다.
. 2 The V-RF view of th
연결부위는 의 화학적 특 였다. 외부 프 며, 시스템의
전하 형성 H , 4 과 하였으며, 열
.5V, 방전 1.
화 하였다.
액을 각 저장
밀도에 따른 에 초기화 과
다. 방전과정 으며, 각 방전 안정화를 위한 프를 통한 유 설정하였다.
5. 결과 및
단위셀을 통한 방전과정에서
였으며, 시스 시한다. 실험변 FB cell used he assembled
는 PTFE재질을 특성에 따라
프레임은 알루 작동 온도는
V / , 1 번의 정전류 .1V) 사이클을 초기화 과정 장소에 1200
방전성능 평 과정을 통해 정은 0.025-13
전 과정 종료 한 3분의 지 유량은 5,
및 토론
한 V-RFB시스 서 실험변수에
스템의 최대전 변수는 전류밀 during the s cell
을 사용하여 나타나는 부 루미늄 합금 는 298 2K
1.6 의 혼합 류(40mA/
을 진행하여 정이 완료된 0mL 씩 준비
평가를 위해 충전된 전해 3A정전류 방 료 후 개회로 연시간을 두 10, 20, 40,
스템의 충/방 에 따른 성능 전류밀도 선 밀도, 유량으 study on plan
부 금 K
합 ) 된
방 로 두 ,
방 능 으 n
Fig. 3 Cons curve 5.1 충전과 충전과정 구조 시스템 행하였으며, 을 하였다.
의 전압임계 량 0.67cm 설정하였다.
VO2+)상태의 V 로 변환 V3+/VO2+)과 이클에서 열 시하였다. 1 위셀은 전하 의 바나듐 활성물질의 평형 전위를 반한다.
5.2 전류밀 본 실험은 밀도의 효과 일 SOC 전 를 적용하여 전해액 저장 적유량 5m 류밀도에 따 도시하였다.
Fig. 4(a)는 구동 조건(
분포이다. 단 과 같이 방 감소한다. 이 해액, 분리막
tant current d e
과정
에서 전해액 템을 사용한 , 사이클 실험
충전과정의 계치 1.1V, 전
/ , 시스템의 . 충/방전 과 의 전해액을 환하였다. 혼합 과 황산수용액
열 번째 방전 10번의 충/방 하가 인가되며
전기활성물질 농도 변화는 를 보이며, 열
밀도의 효과 은 V-RFB시스 과를 알아보기 전해액에 1-5
여 정전류 방 장소에 1200
L/min 으로 따른 단위셀
.
는 부반응의 (20-120 mA/
단위셀 방전 방전전류밀도가
이 현상의 원 막)에 의한
density charg
액의 전하 형 10회 충/방 험 조건으로
전압임계치 전류밀도40m 의 주변온도는 과정을 통해
양극탱크(V 합 바나듐 종 액(4 mol/dm ) 전/충전 셀전압
방전 과정을 며, 이에 따 질은 산화-환 는 식 (6)에 열역학적 상태
스템의 방전 기 위해 충전 20mA/ 범 방전 실험을
0mL 의 충전된 일정하게 공 방전과정의 효과가 크지 /cm )에서의
전압 특성 가 증가할 때 원인은 셀 내
효과인 과전
ge-discharge c
성을 위해 순 전 사이클을
정전류 충/방 1.5V, 방전과 mA/ , 체적 는 298 2K으 초기 혼합(V VO ), 음극탱
종(1.6 mol/d )의 전하형성 압을 Fig. 3에 거치는 동안 라 양쪽 전해 환원반응을 한
따라 서로 다 태 변화 또한
과정에서 전 전과정을 거친
범위의 전류밀 진행하였다 된 전해액을 공급하였으며
결과를 Fig.
지 않은 안정적 전압-전류밀 에서 나타난 때 방전 전압
부요소(전극 전압과 저항전
cycle
순환 을 진 방전 과정 적유 으로 V3+ / 탱크 dm , 성 사 에 도 안 단 해액 한다.
다른 한 수
전류 친 균 밀도 . 각 을 체
, 전 4에 적인 밀도 난 것
압은 극, 전
전압
강하 는 조건 전류 하며 활성 기 응은 전류 인이 5 V 직접 전극 농도 이동 이 Fig.
하이다. Fig. 4 전압-전류밀 건으로 분류되 류밀도가 일정 며, 이는 전 성화 영역에서
하기 때문이 은 산성 전해 류밀도는 시스 이다.(34) 5.3 유량의 효 V-RFB시스템 접적으로 연관 극에서 바나듐 도편차의 불 동량을 위해 증가하기 때 . 4 Voltage v teristics:
and (b) fro
4(b)에서 160- 밀도 분포를
되며, 이는 부 정수치 이상
해액의 비가 서 부반응이 이며, 셀 요소
해질에 의해 스템의 수명
효과
의 질량 이 관된다. 낮은 듐 활성 이온 균형을 야기
유량을 증가 때문에 시스템
(a)
(b) vs. time repre (a) from 20m om 160mA/c
-320mA/cm 통해 비정상 부반응에 의한 상일 때 전압강 가역적 현상으
음극의 수소 소의 전기화학 야기된다. 결 을 단축시키
이동량은 배터 은 질량 이동
온의 농도 편 기한다. 또한
가시키면 펌프 템 효율을 감
esenting disch mA/cm to m to 320 mA
의 전류밀도 상적인 구동 한 영향이다.
강하가 발생 으로 양극의 소 발생을 야 학적 부식 반 결국 과도한 키는 주된 원
터리 성능과 량은 다공성 편차를 높여 높은 질량 프 소모전력 감소시킨다.(35) harge charac- 120 mA/cm A/cm
도 동
.
야 반 한
과
량
)
-
782
따라서 V-R 량에 따른 5mL/min에 실험을 진행 도시하였다.
서는 농도편 농도 보상을 에 참여하는 과가 증가한 감소시켜 셀 5.4 유속에 앞선 실험 전과정을 진 일정 SOC조 대전류밀도분 차이를 통해 질량전달에 Fig. 5 Cell v
chara
Fig. 6 Effec densi disch
RFB시스템의 효과를 알아 서 60 mL/m 행하였으며,
. 유량이 감 편차가 발생하 을 위해 단위 는 부반응이 한다. 따라서 셀 전압을 증 에 대한 최대 험과 같은 조
진행하였다.
조건의 전해액 분포를 Fig.
해 셀에 인가 의한 농도차 voltage vs. fl acteristics
ct of electrol ity behavior o harge cycle
방전 과정 아보기 위해 min의 유량 범
그에 따른 결 감소함에 따라
하며, 이에 따 위셀의 요소가 발생하며, 그 유량의 증가 증가시키는 원
대전류밀도 조건의 전해액
식 (6), (7)을 액에 대하여
6에 나타내 가되는 전류밀
차가 크게 나 ow rate repre
lyte flow rat of the V-RFB
김 정
에서 전해액 25cm 단위셀 범위를 적용하
결과를 Fig.
라 활성화면적 따라 활성화물 가 전기화학반 그 결과 분극 가는 분극효과 원인이 된다.
액을 사용하여 을 통해 계산
유량에 따른 내었다. 분극전
밀도가 높을수 나타남을 알 esenting disch
te on the cu system during
정 명 · 박 희
액 유 셀에 하여
5에 적에 물질 반응 극효 과를
여 방 산된 른 최
전압 수록 알 수
있다 할 났으 에서 cm
F 유량 현 같이 통해 예측 속에 최대 최대 다. 작은 적을 나타 속을 였을
식 른 화면 성으 해액 전해 전압 하고 한다 harge
rrent g the
Fig.
희 성
다. 또한 5m 수 있는 최 으며, 10mL/
서는 400mA , 60mL/min Fig. 7에 바나 량 및 전류밀 하였다. 최대 이 질량전달 해 측정한 최 측 식[식 (11) 에 대한 함수 대전류밀도 결 대전류밀도는
따라서 실험 은 전류밀도를 을 가지는 단 타내었다. 셀 을 3.33 10 을 때 최대전
5.4776 2.707 식 (13)에서
상온(298K)에 면적을 통과하 으로 증가됨을 액의 비가역성 해액 침전물 압강하 등 시 고 시스템의 다.
. 7 Comparis data
L/min에서 대 전류밀도 min에서는 A/cm , 40m
n에서는 520 나듐계 산화-환 밀도 변화에 따 대전류밀도는
계수에 비례 최대전류밀도를
)]에 따라 질 수로 표현하 결과를 Fig.
는 부반응이 시 험식은 측정 를 나타내었 단위셀의 최대
내부의 활성 / 에서 전류밀도는 식
6 10
10 5
나타난 바와 에서 시스템의
하는 유속에 을 볼 수 있
성 및 셀, 분 발생으로 인 시스템의 전기
관리 및 제 on of empiric
부반응 없이 도는 160mA/
280mA/cm mL/min 에서 0mA/cm 로 나
환원 유동전 따른 최대전 는 식 (11)에
례하여 증가한 를 수학적 최 질량전달계수(
하였으며, 실험 7에 나타내었 시작되는 전
값에서 10m 다. 25cm 의 대전류밀도를 성화면적(act
40 10 m/
식 (13)과 같이 6.2885 10 5.55 10 와 같이 유속
의 최대전류 대하여 비선 다. 전류밀도 분리막, 전극 인한 질량전달
기화학적인 손 제어를 위해 cal results and
이 셀에 인가 /cm 로 나타 , 20mL/min 는 480mA/
나타났다.
지의 성능을 류밀도로 표 나타난 바와 한다. 실험을 최대전류밀도 (k )항의 유 험과 계산된 었다. 측정된 류밀도 값이
mA/ 만큼
의 활성화 면 를 식 (13)에 tive area) 유 /s로 증가하 이 표현된다.
(13) 속 증가에 따 밀도는 활성 선형적인 특 도 선정은 전 극의 부반응, 달 비효율화, 손상을 방지 선행되어야 experimental
가 타 n / 을 표 와 을 도 유 된 된 큼
유 하
) 따 특 전 , , 야
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6. 결 론
본 연구에서는 V-RFB시스템 전해액의 비가역반 응 및 단위셀 재료의 부반응 방지를 위한 최대 전 류밀도 선정법을 제시하였다. 네 개의 전해액 탱 크를 사용하는 비순환 VRFB 시스템을 통해 균일 한 SOC의 전해액을 통한 방전과정을 진행하였다.
이에 따라 시스템 유동 속도의 함수인 최대전류밀 도를 예측 할 수 있는 경험식을 도출하였다. 시스 템의 질량전달 계수는 V-RFB 방전특성의 주요 변 수이므로 향후 재질 및 반응면적의 변화에 따른 V-RFB시스템의 설계 및 구동조건 선정에 응용될 수 있다.
후 기
이 연구논문은 2016년도 정부(교육부)의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구 사업임(No. 2015R1D1A3A01019588). 또한 2014년도 창원대학교 신임교수 연구비 지원에 의하여 연구 되었음.
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