흐름 전지용 프레임 개발을 위한 수치해석적 연구
A numerical study for the flow frame development of a flow battery
- 주제(키워드) Computational fluid dynamics (CFD) , Redox flow battery (RFB) , Zn/Br battery , Flow frame , Flow uniformity , Shunt current , Analog circuit model
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 최윤호
- 발행년도 2017
- 학위수여년월 2017. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000025644
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
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.
more초록/요약
Along with growing interest in environmental problems and increase in electricity demand around the world, renewable energy plays a leading role as a future energy resource. However, because of its intermittent nature in terms of energy output, research on Energy Storage System (ESS) is required to solve this problem. Capacitors, electrochemical capacitors, batteries, fuel cells and flow batteries are among the leading ESS devices for the future. For storing electrical energy, Batteries, fuel cells and flow batteries are more suitable. Among them, Redox flow battery (RFB) is an electrochemical energy storage device that converts the chemical energy in solutions containing active materials to electrical energy through chemical reduction and oxidation reactions and is capable of storing large-scale electrical energy. The RFB has been studied since 1975 based on Fe/Cr system developed by the National Aeronautics and Space Administration (NASA). Currently, There are many types as Zn/Br battery, Vanadium redox cell and Iron/Cr battery. Unlike to a conventional secondary cell, it is possible to design the battery according the desired electric capacity because battery specification that determine power and energy are independent. In this study, the computational fluid dynamics (CFD) was used to simulate a Zn/Br battery channel flow field and new design was proposed to improve battery system efficiency. For the conventional flow frame, the patent, 'US 2014/0162095 A1' was selected. The study was conducted to improve battery system efficiency in three aspects. The first is to determine the effective location of the chevrons in the channel. In the conventional frame model, V-shaped chevrons are used inside the channel to mix oily bromide complex that was formed in the catholyte during charge. However, this shape affects to increase the pressure drop. Accordingly, location of chevrons to decrease pressure loss are selected. The second is to uniform the electrolyte flow. The electrolyte flow uniformity plays a very important role in terms of battery output efficiency since the high uniformity increases the electrode active area where redox reaction occurs. For this purpose, this study propose new model to improve the flow uniformity. The final is to minimize shunt current. Shunt current is the leakage current that occurs parallel flow system because of the conductivity of electrolyte. The electrochemical reactions with shunt current lead to problems such as component wear and loss in energy efficiency. It is generally known that the thinner and longer channel is effective to reduce shunt current. But this causes to increase the pressure drop. In this study, The trade-off between shunt current and pressure loss was analyzed according to channel length, based on the analog circuit model developed to calculate shunt current losses in flow battery system by NASA in 1976.
more목차
제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 국내 및 국외 연구 동향 3
1.3 Redox flow battery 5
1.3.1 종류 및 관련 기술 범위 6
1.3.2 Shunt current 원리 8
1.4 연구 방법 9
제 2 장 흐름 전지 프레임의 유동 특성 분석을 위한 수치해석 절차 10
2.1 개요 10
2.2 지배방정식 10
2.2.1 Navier-stokes 방정식 10
2.2.2 다상 유동 모델 11
2.2.3 Porous media model 12
2.3 유동 균일도 평가 변수 정의 13
2.4 격자의존성 평가 15
2.5 계산 영역 및 해석조건 18
2.5.1 계산 영역 18
2.5.2 경계 조건 19
2.5.3 Spacer의 기공률 20
제 3 장 계산 결과 22
3.1 개요 22
3.2 계산 결과 검증 22
3.2.1 유동 가시화 실험 22
3.2.2 압력강하 측정 실험 26
3.3 계산 결과 31
3.3.1 기존 형상의 유동 특성 31
3.3.2 Chevrons 영향 분석 35
제 4 장 흐름 전지의 고효율화를 위한 유로 설계 39
4.1 개요 39
4.2 흐름 전지 내부 유동 균일화를 위한 형상 개발 40
4.2.1 전극 토출 유동 균일화를 위한 형상 제안 40
4.2.2 Chevrons 위치 선정 45
4.3 Shunt current 최소화를 위한 형상 개발 47
4.3.1 Analog circuit model 47
4.3.2 채널 저항 계산 48
4.3.3 Analog circuit model 코드 검증 51
4.3.4 계산 결과 53
제 5 장 결 론 57
참고문헌 61
ABSTRACT 63
