흐름 전지용 프레임 개발을 위한 수치해석적 연구

Abstract

전 세계적으로 전기 에너지 수요가 증가함에 따라, 화석연료 에너지 사용으로 인한 이산화탄소와 같은 유해 가스의 발생량이 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 환경오염 및 기후변화의 심각성이 대두되면서, 태양광, 풍력, 바이오에너지 등과 같은 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 신재생에너지는 자연 환경과 지리적 특성과 같은 입지 조건에 따라 에너지 출력 특성이 변동되는데, 이는 출력 품질에 피해를 주는 주요 원인이 된다. 현재, 이에 대한 해결 방안으로 ESS (Energy Storage System)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. ESS는 출력과 사용 시간 및 에너지 저장 방식에 따라 분류되는데, 그 중 레독스 흐름전지는 전해액을 구성하는 활물질 간의 산화 환원 반응을 통해 전기를 생성 또는 저장하는 장치로, 전지의 용량을 결정하는 전해액 탱크와 출력을 결정하는 스택 크기가 독립적으로 구성되어 있어 대용량화에 유리하며 수명이 길다는 특성을 가지고 있다. 본 연구에서는 레독스 흐름전지의 고효율화 기술 중 하나인 프레임 유로 설계를 통해 배터리 출력과 시스템 효율 향상을 목적으로 한다. 연구는 크게 두 가지 측면에 따라 배터리 출력 및 효율을 증진시키고자 하였다. 첫 번째는 전해액의 흐름 균일도 향상이다. 배터리의 출력은 전극에서 반응하는 활물질의 면적에 의해 결정된다. 이에 전극으로 토출되는 유동 속도의 균일도를 향상시켜 해당 반응 면적을 최대화하는 유로 형상을 제안한다. 두 번째는 펌프와 shunt current에 의한 에너지 손실량 최소화이다. 배터리의 시스템 효율은 전해액 펌프 에너지와 충방전 에너지량으로 결정되는데, 펌프에서의 소비 에너지 최소화는 유로 저항이 작을수록, 충방전 에너지 최대화는 유로 저항이 클수록 유리하므로 두 특성 간의 trade-off 관계를 최적화하는 유로 설계가 핵심 요소이다. 이에 본 연구에서는 배터리에서 발생하는 손실 전류 예측을 위해 analog circuit model을 적용하여 유로 길이에 따른 손실 전류와 유동의 압력 강하를 비교하였다. 이로부터 배터리에서 발생하는 전체 손실을 최소화하는 채널 길이의 효과적인 선정이 가능할 것으로 사료되며, 또한 유동의 균일도를 최대화하는 유로 디자인을 설계할 수 있는 적절한 방안이 될 것으로 예상한다.