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SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 서론 18
제1절 연구 배경 18
제2절 레독스 흐름 전지 20
제3절 연구개발 현황 23
제4절 연구목표 및 내용 30
제2장 소재 및 셀 특성 연구 31
제1절 실험방법 31
1. 카본 전극 소재 특성 31
2. 블록공중합체 및 양이온교환막의 제작 33
3. 양이온교환막의 전기화학적 특성 평가 35
4. 이온교환막의 이온교환용량 평가 37
제2절 소재 및 셀 특성 연구 38
1. 카본 전극 소재 전처리와 전기화학적 특성 연구 38
2. 전극 소재용 고분자 섬유 제조 및 탄화 79
3. 단셀 제작 및 특성 82
4. 양이온교환막의 열적 특성 84
5. 양이온교환막의 전기화학적 특성 85
6. 양이온교환막의 이온교환용량 89
제3장 스택 설계 및 제작 92
제1절 대면적 전극 제작을 위한 카본 펠트의 열처리 방법 연구 92
제2절 VRB용 카본 펠트 전극의 전자선 처리 105
제3절 1 kW급 스택 모듈의 설계 및 제작 기술 개발 116
1. 1 kW급 스택 모듈의 설계 및 제작 116
2. 1 kW급 스택 운전 120
제4장 레독스 흐름 전지를 위한 태양광 전력변환장치 개발 124
제1절 전력변환장치의 설계 사양 124
제2절 기본 제어방식 및 시뮬레이션 127
1. 태양전지 어레이 모델링 127
2. 기본 제어방식 134
3. 시뮬레이션 135
4. 실험결과 138
제5장 결론 147
참고문헌 149
서지정보양식 156
BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET 157
〈표 1-1〉 대용량 전력저장을 위한 2차전지 특성 비교 19
〈표 1-2〉 흐름 전지 시스템 종류별 성능 21
〈표 1-3〉 5kW급 RFB와 납축전지 사양 및 성능 비교 28
〈표 2-1〉 활성화한 GF-20-3F를 레독스 전지 적용시 효율(활성화 조건 : ±2V, 1V/s, 200cyc) 47
〈표 2-2〉 GF-20-5FH의 열처리 온도에 따른 물리적 특성(열처리시간 : 5h) 49
〈표 2-3〉 500℃에서 5시간동안 열처리한 카본 펠트를 레독스 전지에 적용시 효율 57
〈표 2-4〉 GF-20-5FH의 열처리 시간에 따른 물리적 특성변화(열처리 온도 500℃) 62
〈표 2-5〉 열처리한 레독스 전지의 전류밀도별 싸이클에 따른 효율 70
〈표 2-6〉 제조한 탄소섬유 웹의 저항 특성 80
〈표 3-1〉 열처리 온도에 따른 원소분석 결과 103
〈표 3-2〉 전극 처리 방법에 따른 충방전 효율 (%) 104
〈표 3-3〉 전자선 선량과 열처리 온도에 따른 충방전 효율 113
〈표 3-4〉 2000kGy 전자선 개질 전극의 전류밀도에 따른 효율변화 114
〈표 3-5〉 1 kW급 스택의 적층 셀 수 116
〈표 3-6〉 1 kW급 스택의 충방전 효율 및 출력 123
〈표 4-1〉 방식 및 성능 126
〈표 4-2〉 개별 사양 126
[그림 1-1] 전기에너지저장 시스템 분류 19
[그림 1-2] RFB의 기본적인 구조 21
[그림 1-3] RFB의 가능한 레독스 쌍 (redox couples) 22
[그림 1-4] RFB의 설치 운용 사례 29
[그림 2-1] 블록공중합체 제작 및 슬폰화를 위한 반응장치도 33
[그림 2-2] 블록공중합체의 반응메커니즘 34
[그림 2-3] 슬폰화 반응메커니즘 34
[그림 2-4] 양이온교환막의 제작 공정 35
[그림 2-5] 이온교환막의 면적저항 측정용 셀 36
[그림 2-6] 이온교환막의 면적저항 측정 실험장치 개략도 36
[그림 2-7] 활성화한 전극(GF-20-3F)의 싸이클 횟수에 따른 저항변화(활성화 조건 : ±2V, 1V/s) 40
[그림 2-8] 활성화한 전극(GF-20-3F)의 싸이클 횟수에 따른 SEM 이미지(활성화 조건 : ±2V, 1V/s) 41
[그림 2-9] GF-20-3F 전극의 전기화학적 처리 전·후 XRD 패턴(활성화 조건 : ±2V, 1V/s, 200cyc) 42
[그림 2-10] 다양한 싸이클로 활성화한 GF-20-3F의 2전극 cycle voltammetry(활성화 조건 : ±2V, 1V/s) 43
[그림 2-11] 다양한 싸이클로 활성화한 GF-20-3F의 3전극 cycle voltammetry(활성화 조건 : ±2V, 1V/s) 44
[그림 2-12] 다양한 싸이클로 활성화한 GF-20-3F 전극 적용 레독스 전지 용량변화(활성화 조건 : ±2V, 1V/s) 46
[그림 2-13] GF-20-5FH의 열처리 온도별 무게 감소(열처리시간 : 5h) 49
[그림 2-14] GF-20-5FH의 열처리 온도별 SEM 이미지 51
[그림 2-15] GF-20-5FH의 열처리 온도별 XRD 패턴 52
[그림 2-16] GF-20-5FH의 열처리 온도별 저항변화 53
[그림 2-17] GF-20-5FH의 열처리 온도별 2전극 cycle voltammetry 54
[그림 2-18] GF-20-5FH의 열처리 온도별 3전극 cycle voltammetry 55
[그림 2-19] 열처리 온도별 GF-20-5FH 사용 레독스 전지의 방전용량 56
[그림 2-20] 열처리 온도별 GF-20-5FH를 레독스 전지에 적용시 전압 profile 59
[그림 2-21] 열처리 온도별 GF-20-5FH의 탄소판을 적용한 레독스 전지의 방전용량 60
[그림 2-22] 열처리한 GF-20-5FH를 탄소판으로 적용한 레독스 전지의 전압 profile 61
[그림 2-23] GF-20-5FH의 열처리 시간에 따른 무게감소(열처리 온도 500℃) 62
[그림 2-24] GF-20-5FH의 열처리 시간에 따른 저항 변화(열처리 온도 500℃) 63
[그림 2-25] GF-20-5FH의 열처리 시간에 따른 2전극 cycle voltammetry(열처리 온도 500℃) 64
[그림 2-26] GF-20-5FH의 열처리 시간에 따른 3전극 cycle voltammetry(열처리 온도 500℃) 65
[그림 2-27] 열처리한 GF-20-5FH를 레독스 전지 적용시 방전용량(열처리 온도 500℃) 67
[그림 2-28] 열처리 시간에 따른 GF-20-5FH를 레독스 전지에 적용시 전압 profile(열처리 온도 500℃) 68
[그림 2-29] 레독스 흐름 전지의 전류밀도에 따른 용량 변화(열처리조건 : 500℃에서 10시간) 69
[그림 2-30] 열처리 온도별 GF-20-5FH의 산소피크(O1s(이미지참조))에서 탄소와 산소결합의 fitting 그림(열처리 시간 : 5h) 72
[그림 2-31] 열처리 전·후 GF-20-5FH의 탄소피크(C1s(이미지참조))에서 탄소결합의 fitting 그림(열처리조건 : 500℃에서 15시간) 73
[그림 2-32] 열처리한 GF-20-5FH의 탄소와 산소의 단일/탄소와 산소의 이중결합의 비의 변화 73
[그림 2-33] 전기화학적 처리 전·후 GF-20-3F의 산소피크(O1s(이미지참조))에서 탄소와 산소결합의 fitting 그림(wjsrlghkgkrwjr wjscjfl whrjs : e62V, 1V/s) 74
[그림 2-34] 싸이클에 따른 카본 펠트의 탄소와 산소의 단일/탄소와 산소의 이중결합의 비의 변화 76
[그림 2-35] 열처리 조건에 따른 GF-20-5FH의 broad XPS scan pattern과 산소에 따른 탄소 비율 변화 77
[그림 2-36] 전기화학적 전처리에 따른 GF-20-3F의 broad XPS scan pattern과 산소에 따른 탄소 비율 변화(전처리 조건 : ±2V, 1V/s) 78
[그림 2-37] 전기방사장치 및 프로세스 79
[그림 2-38] 방사조건에 따른 고분자 섬유 직경 변화 SEM 이미지 (x5,000) 80
[그림 2-39] 탄소섬유 웹 제조 과정 81
[그림 2-40] 탄소섬유 웹 제조 공정에 따른 SEM 이미지 (x100,000) 81
[그림 2-41] 단셀 구성 및 충방전 실험 82
[그림 2-42] 전류밀도에 따른 단셀 충방전 실험 83
[그림 2-43] 단셀 수명시험 83
[그림 2-44] TG 분석 결과 84
[그림 2-45] 제작한 양이온교환막의 SEM사진 86
[그림 2-46] 제작한 양이온교환막의 사진 86
[그림 2-47] TPA 첨가 없이 제작한 양이온교환막의 막 저항과 CSA양과의 관계 87
[그림 2-48] 막의 두께와 막 저항과의 관계 87
[그림 2-49] TPA 첨가에 의해 제작한 양이온교환막의 막 저항과 CSA양과의 관계 88
[그림 2-50] TPA 첨가없이 제작한 양이온교환막의 이온교환용량과 CSA양과의 관계 90
[그림 2-51] TPA(0.3g) 첨가에 의해 제작한 양이온교환막의 이온교환용량과 CSA양과의 관계 90
[그림 2-52] TPA 첨가없이 제작한 양이온교환막의 함수율과 CSA양과의 관계 91
[그림 3-1] 바나듐 레독스 흐름전지의 단전지 시스템 94
[그림 3-2] Graphite raw felt 열중량 분석(Nippon carbon : GF20-5) 94
[그림 3-3] 전극 처리 방법에 따른 CV curves(scan rate : 10mV/s) 96
[그림 3-4a] 전극 처리 방법에 따른 Polarization curves(산화) 97
[그림 3-4b] 전극 처리 방벌에 따른 Polarization corves(환원) 98
[그림 3-5a] Raw felt SEM image(10000, 50000 배율) 99
[그림 3-5b] 400℃ 4시간 열처리 펠트 SEM image(10000, 50000 배율) 99
[그림 3-5c] 500℃ 4시간 열처리 펠트 SEM image(10000, 50000 배율) 99
[그림 3-6] 열처리 온도에 따른 펠트 BET 질소흡착곡선 100
[그림 3-7] 열처리 온도에 따른 XPS data (C1s) 102
[그림 3-8] 전극 처리 방법에 따른 충방전 성능곡선 103
[그림 3-9] VRFB 단전지 구조 107
[그림 3-10] E-beam treatment and 500℃ 4hr thermally treatment한 전극 열중량 분석 108
[그림 3-11] 전자빔과 열처리에 따른 펠트 CV voltammogram 109
[그림 3-12a] E-beam과 열처리 전극 Polarization curves(산화) 110
[그림 3-12b] E-beam과 열처리 전극 Polarization curves(환원) 110
[그림 3-13a] 500℃ 4시간 열처리 전극의 Impedance spectroscopy 112
[그림 3-13b] 전자빔 500kGy 전극의 Impedance spectroscopy 112
[그림 3-14] 전자빔 선량 및 열처리에 개질 방법에 따른 충방전 성능곡선 113
[그림 3-15] 충방전 전류밀도에 따른 성능곡선(2000kGy) 114
[그림 3-16] 충방전 cycle 특성(2000kGy) 115
[그림 3-17] 스택의 구조 117
[그림 3-18] 제작된 1 kW급 VRB 스택 사진 118
[그림 3-19] 제작한 1 kW급 스택 모듈 사진 119
[그림 3-20] 1 kW급 스택의 precharge 그래프 121
[그림 3-21] 1kW급 스택의 충방전 곡선(50 mA/㎠) 122
[그림 3-22] 1 kW 스택의 방전시 SOD 25%, 50%, 75%에서의 각 셀별 전압 123
[그림 4-1] 전체 회로 구성도 125
[그림 4-2] 태양전지의 등가회로 128
[그림 4-3] 태양전지 어레이 시뮬레이션 구성도 129
[그림 4-4] 일사량에 따른 태양전지 어레이의 출력특성곡선 130
[그림 4-5] 병렬저항과 온도함수를 추가한 태양전지 모듈 시뮬레이션 구성도 131
[그림 4-6] 일사량 및 온도에 따른 태양전지 모듈의 출력특성곡선 132
[그림 4-7] 시뮬레이션의 모델인 BP Solar의 200W 모듈의 카달로그 133
[그림 4-8] Boost 컨버터의 제어 블럭도 134
[그림 4-9] ImP&O MPPT 알고리즘 순서도 136
[그림 4-10] 전체 시뮬레이션 구성도(컨버터 제어 및 MPPT 제어 포함) 137
[그림 4-11] 부스트 컨버터 및 MPPT 동작특성 138
[그림 4-12] 1차 시제작된 레독스 흐름 전지용 전력변환장치 139
[그림 4-13] 1차 시제작된 전력변환장치의 입출력 특성곡선 139
[그림 4-14] 1차 시제작품의 출력전압 고조파 분석 140
[그림 4-15] 시제작품의 MPPT 특성 140
[그림 4-16] 레독스 흐름 전지용 전력변환장치 2차 시제작품 142
[그림 4-17] 성능평가를 위한 1kW급 태양전지 어레이 142
[그림 4-18] 2차 시제작품의 입출력 특성 곡선 143
[그림 4-19] 2차 시제품의 입출력 성능 143
[그림 4-20] 2차 시제품의 MPPT 성능 144
[그림 4-21] 흐린 날의 일사량과 출력전력 및 충방전 전압 특성 146
[그림 4-22] 맑은 날의 일사량과 출력전력 및 충방전 전압 특성 146
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