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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 정승훈
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 전남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수30
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화석연료의 과도한 사용이 초래한 수많은 사회적, 환경적 문제들에 대한 위기의식이 커지면서 태양광 및 풍력발전과 같은 신재생에너지의 사용 비중이 전 세계적으로 점차 증가하고 있다. 신재생에너지는 안정적인 전력공급이 어렵기 때문에 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)과의 연계를 통해 효율을 향상시킬 수 있다. 다양한 ESS 기술 중에서, 시스템의 출력과 용량을 독립적으로 설계 가능한 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB, Vanadium Redox Flow Battery)가 최근 많은 관심을 받고 있다.
VRFB 시스템은 스택, 전해액 탱크, 펌프, 전력조절장치(power control system, PCS) 등으로 구성되며, 그중에서 스택은 시스템의 출력과 효율에 결정적 영향을 미친다. 따라서 고성능 스택 설계를 통해 VRFB 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. RFB가 갖는 구조적 특성상 매니폴드, 채널과 같은 유로를 통해 이온 전해질을 공유하므로, 스택 내 직렬로 적층된 셀 간의 전위차에 의해 션트전류가 발생한다. 이는 시스템 효율을 감소시키는 중요 원인이 된다.
이러한 션트전류로 인한 효율저하를 감소시키기 위해서는 유동채널의 저항을 크게 해야 하나 이는 스택 내부의 압력강하를 증가시키는 원인이 되어 펌프 소요 동력을 증가시켜 시스템 효율 감소를 야기한다. 또한, 높아진 스택의 압력은 전해액의 누설 가능성을 증가시킨다. 따라서 스택설계에서는 션트전류와 압력강하의 최적화가 필요하다. 이를 위하여 션트전류와 압력강하의 해석모델을 개발 및 활용하여 합리적인 유동채널의 설계안을 도출하였다. 도출한 치수에 따른 채널 및 플로우 프레임을 설계하였고, 플로우 프레임을 기준으로 나머지 스택 부품들을 설계하였다. 설계한 스택을 제작하기에 앞서 설계 신뢰성을 높이기 위해, CFD를 활용한 션트저항, 압력강하, 유동분배의 시뮬레이션을 수행하였고 그 결과를 설계값과 비교검증 하였다.
검증 완료한 스택(short-stack, 3개 셀)을 제작하고 테스트베드 및 충·방전기와 함께 VRFB 시스템을 구축을 완료하였다. 구축한 시스템으로 스택의 전류밀도별 충·방전 사이클 실험을 통해 성능을 확인하였다. 실험 결과 0.08 A/cm2의 전류밀도에서 85.7%의 에너지효율을 확인하였다.
VRFB 시스템은 스택, 전해액 탱크, 펌프, 전력조절장치(power control system, PCS) 등으로 구성되며, 그중에서 스택은 시스템의 출력과 효율에 결정적 영향을 미친다. 따라서 고성능 스택 설계를 통해 VRFB 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. RFB가 갖는 구조적 특성상 매니폴드, 채널과 같은 유로를 통해 이온 전해질을 공유하므로, 스택 내 직렬로 적층된 셀 간의 전위차에 의해 션트전류가 발생한다. 이는 시스템 효율을 감소시키는 중요 원인이 된다.
이러한 션트전류로 인한 효율저하를 감소시키기 위해서는 유동채널의 저항을 크게 해야 하나 이는 스택 내부의 압력강하를 증가시키는 원인이 되어 펌프 소요 동력을 증가시켜 시스템 효율 감소를 야기한다. 또한, 높아진 스택의 압력은 전해액의 누설 가능성을 증가시킨다. 따라서 스택설계에서는 션트전류와 압력강하의 최적화가 필요하다. 이를 위하여 션트전류와 압력강하의 해석모델을 개발 및 활용하여 합리적인 유동채널의 설계안을 도출하였다. 도출한 치수에 따른 채널 및 플로우 프레임을 설계하였고, 플로우 프레임을 기준으로 나머지 스택 부품들을 설계하였다. 설계한 스택을 제작하기에 앞서 설계 신뢰성을 높이기 위해, CFD를 활용한 션트저항, 압력강하, 유동분배의 시뮬레이션을 수행하였고 그 결과를 설계값과 비교검증 하였다.
검증 완료한 스택(short-stack, 3개 셀)을 제작하고 테스트베드 및 충·방전기와 함께 VRFB 시스템을 구축을 완료하였다. 구축한 시스템으로 스택의 전류밀도별 충·방전 사이클 실험을 통해 성능을 확인하였다. 실험 결과 0.08 A/cm2의 전류밀도에서 85.7%의 에너지효율을 확인하였다.
목차
제 1 장 서론 11.1 연구배경 11.2 문헌조사 41.3 연구목적 및 방법 5제 2 장 전산기법을 활용한 스택설계 62.1 소개 62.2 플로우 프레임의 채널 설계 조건 92.2.1 션트저항 92.2.2 압력강하 172.3 플로우 프레임 설계 202.4 CFD를 활용한 설계 검증 242.5 요약 29제 3 장 VRFB 시스템 구축 및 스택 성능 검증 303.1 소개 303.2 VRFB 시스템 구축 323.2.1 스택 제작 323.2.2 BOP : 테스트베드 및 충?방전기 363.3 스택 성능검증 실험 403.4 요약 47제 4 장 결론 48참고문헌 49Abstract 53
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