바나듐 레독스 흐름전지용 이온교환막의 수명 예측

Abstract

바나듐 레독스 흐름 전지는 서로 다른 산화수를 가지는 이온의 산화 환원 반응을 이용하여 전기에너지와 화학에너지를 상호 변환하여 충전 및 방전하는 원리의 에너지 변환 장치로, 구동 중요 요소로는 전극, 전해액, 이온교환막이 있다. 여기서 이온교환막은 산화 환원 반응의 수소이온의 전달 및 전해액을 분리하는 역할을 하며, 이상적인 특징으로는 높은 내산성, 낮은 저항과 높은 수소 전도도와 낮은 바나듐 이온의 투과성과 낮은 가격이다. 최근 이러한 목표에 도달하기 위해서 이온 교환막에 대한 활발한 개발이 이루어지고 있다. 개발된 이온교환막은 여러 물성 평가를 통해 적합막인지 판별하며, 그 평가 중 장기 내구성 평가는 막대한 시간이 걸린다. 이러한 단점을 보완하고자 본 연구에서는 평가 시간이 긴 낮은 전류밀도부터 평가 시간이 짧은 고 전류밀도에서 수행한 단기 실험(총 운전시간 87.5 시간)을 통하여 하나의 식을 만들어 그 수명을 예측하였으며, 실제 장기 내구성 평가(총 예상 운전시간 2,296 시간)를 진행하여 해당 식의 오차율이 5~6%로 적용 타당성을 확인하였다. 그 결과 본 식을 통하여 수명을 예측할 경우 96.2%의 시간을 단축시킬 수 있었다. Vanadium redox flow battery (VRFB) is an energy conversion device in which charging and discharging are alternatively carried out by oxidation and reduction reactions of vanadium ions with different oxidation states. VRFB consists of electrolyte, electrode, ion-exchange membrane, etc. The role of ion-exchange membranes in VRFB separates anolyte and catholyte and provides a high conductivity to hydrogen ions. Recently much attention has been devoted to develop ideal ion-exchange membranes for VRFB. A number of developed ion-exchange membranes should be evaluated to find out ideal ion-exchange membranes for VRFB. Long-term durability test is a crucial characterization of ion-exchange membranes for commercialization, but is very time-consuming. In this study, the life time prediction protocol of ion-exchange membranes in VRFB cell tests was developed through short-term single cell performance evaluation (real total operation time, 87.5 hrs) at three different current densities. We confirmed a decrease in test time up to 96.2% of real durability tests (expected total operation time, 2,296 hrs) and 5~6% of relative error discrepancy between the predicted and the real life time in a unit cell.