Pseudo-channel 효과를 활용한 바나듐 레독스 흐름 전지용 카본 페이퍼 적층 전극 설계

Abstract

높은 안정성과 긴 수명을 갖는 바나듐 레독스 흐름 전지 (Vanadium Redox Flow Battery, VRFB)는 시스템 대용량화에 용이하여 미래 에너지 저장시스템 (Energy Storage System, ESS)으로써 각광받고 있다. 최근에는 VRFB의 에너지 효율을 향상시켜 보다 효율적인 ESS을 구축하기 위한 선행 연구들이 진행되고 있다. 그러나 VRFB의 전극 재료로 널리 사용되는 카본 펠트 (Carbon Felt)의 경우, 작은 반응면적 및 낮은 전기 전도도로 인해 에너지 효율을 향상시키는데 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 카본 펠트에 비해 상대적으로 반응 면적이 넓고 전기 전도도가 높은 카본 페이퍼 (Carbon Paper, CP)를 적층하여, 기존 카본 펠트보다 높은 에너지 효율을 갖는 전극을 설계하고자 한다. 그러나, 전극 재료로써 카본 페이퍼는 낮은 공극률 (Porosity)과 면내 방향 (In-plane)으로 무질서하게 배열되어있는 섬유들 때문에 전극 내부에 균일한 유동을 만들기 어려워 실질 반응면적이 작고, 전해질이 전극 외곽으로 흐르는 현상에 의한 효율 손실이 발생하므로 이를 보완하기 위한 방법이 필요하다. 본 연구에서는 카본 페이퍼에 면내 방향으로의 스크래치 (Scratch) 또는 두께 방향으로 구멍 (Perforation)을 일정한 간격으로 가공하여 전해질이 균일하게 분포하여 흐를 수 있도록 유도하고, 이를 통해 상대적으로 전극 외부로 흐르는 유동을 줄임으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 제안하였다. 제작한 전극의 성능은 VRFB single cell test를 통해 분석하였으며, 수치해석을 통해 성능 향상의 메커니즘을 분석하였다. 그 결과, 전류 밀도 100 mA/cm2에서 Perforated CP의 에너지 효율은 패턴이 가공되지 않은 전극 및 상용으로 사용되는 카본 펠트에 비해 각각 9.08%, 4.05% 상승하였다. 또한 FLUENT를 이용한 수치해석 결과, Perforated CP 전극의 Pseudo-channel 효과로 인해 전해질의 균일한 분배가 유도되었고, 전극 외부로 흐르는 전해질 유동이 줄어들어 에너지 효율이 향상됨을 확인하였다.