A vanadium redox flow battery (VRFB) is one of the most promising energy storage systems (ESSs) due to its safety, durability and scalability. However, high cost of its components has been obstacle for commerciali-zation of VRFB. In this thesis, a carbon composite BP for the VRFB has been developed considering its elec-trical as well as chemical stability against strong acids. Charge/discharge tests of the VRFB using the optimal carbon composite BPs were performed to observe its energy and voltage efficiencies, from which the durabil-ity of the composite BP was estimated. Additionally, a high temperature heat treatment of carbon felt elec-trode for short process time is suggested. The change of surface morphology of the carbon felt electrode has been investigated with respect to treatment temperature and time, and, the cyclic charge/discharge tests have been conducted to verify the effects of surface treatment on the efficiency of VRFB.
Although the redox flow battery has long life cycle and flexible design advantages, low performance due to the damage of components or leakage of electrolytes are remaining concern. The main cause of the damage of components is the shunt current in the redox flow battery stack. Therefore, in this thesis, a method was developed to investigate the shunt current with independent cell design. Since the shunt current path connect-ed through the manifold in a stack, the discrete flow control with gas injection was developed, which could induce the significant reduction of shunt current. Finally, an electrolyte leakage sensor for the detection of small leakage of electrolyte over large area was developed with adhesively bonded insulating layer and con-ducting layers.
본 연구에서는 VRFB Stack 제조를 위한 기술을 개발하였다. 기존의 VRFB stack 제조 시 문제가 되었던 높은 생산 가격과 낮은 생산 효율을 극복하기 위하여 주요 부품인 분리판의 효율을 높이고 전극 전처리 과정을 개선하는 연구를 수행하였다. 기존 흑연 분리판은 높은 취성과 낮은 강도로 인하여 VRFB Stack 조립 신뢰성을 낮추는 가장 큰 원인 중 하나이다. 따라서 탄소섬유 복합재료 분리판을 적용하여 조립성과 신뢰성을 향상시켰다. 탄소섬유 복합재료 분리판의 전기적 성능 향상을 위하여 표면에 팽창 흑연 박막을 코팅하였으며, 분리판과 탄소 전극 사이의 접촉면을 분석하여 전기적 성능을 예측할 수 있는 모델을 제안하였다. 또한 전기 화학적 부식 실험을 통해 내화학성을 검증하여, 탄소섬유 복합재료 분리판이 120 μm 이상의 코팅 두께에서 내화학성을 가짐을 확인하였다. 분리판의 대면적화를 위하여 생산 공정을 최적화 하였고, 이를 통해 높은 두께 균일도를 확보하였다.
VRFB Stack 내의 탄소 전극은 전처리를 하지 않을 경우 약 69%의 낮은 충방전 효율을 보이기 때문에 탄소 전극 표면의 활성화를 위한 열처리 등의 전처리가 필수적이다. 기존 500oC, 4시간의 조건에서 진행되는 탄소 전극 열처리 공정은 충방전 효율을 약 85% 이상으로 향상시키지만, 긴 처리 시간으로 인해 생산성이 낮아지는 단점이 있다. 본 연구에서는 탄소 전극 열처리 공정을 700oC, 30분 또는 900oC, 2분으로 바꿔 적용하였다. 실험 결과, 높은 열처리 온도로 인하여 기존 대비 현저히 낮은 처리 시간으로도 85% 이상의 높은 충방전 효율을 보였다. 또한 열처리 전 후의 표면 조성 분석과 비표면적 변화를 확인한 결과 탄소 전극 표면에 형성된 산소 관능기가 탄소 전극 충방전 효율에 직접적인 영향을 끼침을 확인하였다.
본 연구에서는VRFB stack의 수명과 신뢰성을 향상하기 위하여 부품 손상의 주요 원인 중 하나인 분로 전류 현상을 분석하고 이를 효율적으로 제거하는 방법을 연구하였다. 분로 전류는 전해질의 공통 유로를 통해 흐르는 전류이며 이는 분리판 등의 부품 손상을 유발한다. 본 연구를 통해 분로 전류를 실험적으로 측정하는데 성공하였으며, 전해질의 공통 유로를 물리적으로 차단해주는 ‘공기 주입식 분로 전류 차단법’을 적용하여 VRFB Stack 전체의 효율에는 영향을 주지 않으면서 분로 전류만을 효과적으로 차단하는 방법을 개발하였다.
마지막으로 복합재료 누설 센서를 개발하여 부품의 부식을 유발하는 전해질의 누설을 검출하는 장비를 개발하였다. 복합재료 누설 센서는 두 장의 전도층 사이에 절연층이 적층되어 있는 구조로 이루어져 있으며 전해질의 누설로 두 전도층 사이가 전기적으로 연결될 경우 이를 효과적으로 검출할 수 있다. 본 연구를 통해 탄소섬유 직물과 유리섬유 직물로 이루어진 복합재료 누설 센서가 가장 높은 정밀도인 0.05 ml 를 갖는 것을 확인하였다.
