Vanadium Redox Flow Battery (VRFB), which has high stability and long life, is spotlighted as a future energy storage system because it is easy to increase the system capacity. Recently, many studies have been conducted to build a more efficient energy storage system by improving the energy efficiency of VRFB. However, carbon felt, which is a common electrode material of VRFB, has a limitation in improving energy efficiency due to a small reaction area and low electrical conductivity. Therefore, this study intends to design an electrode with higher energy efficiency than conventional carbon felt by stacking carbon paper, which has a relatively large reaction area and high electrical conductivity compared to carbon felt. However, as an electrode material, carbon paper is difficult to create a uniform flow inside the electrode due to low porosity and fibers arranged in an in-plane direction. Also, Due to the high flow resistance of electrodes, electrolyte flows along the outer edge of the electrode. A solution is needed to solve the above problems. In this study, the carbon paper is manufactured with scratches in the in-plane direction or perforations in the thickness direction at regular intervals to induce the electrolyte to be uniformly distributed and flow through it. The performance of the fabricated electrode was analyzed through VRFB single cell test, and the mechanism of performance improvement was analyzed through numerical analysis. As a result, the energy efficiency of the perforated CP at a current density of 100 mA/cm 2 was increased by 9.08% and 4.05%, respectively, compared to the neat stacked carbon paper and commercially carbon felt. In addition, as a result of numerical analysis using FLUENT, it was confirmed that the uniform distribution of electrolyte flowing into the electrode was induced due to the pseudo channel effect of the perforated CP electrode, thereby improving energy efficiency.
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.
