All-vanadium redox flow battery (VRFB) has been considered as a promising candidate for the construction of renewable energy storage system. Expanded graphite possesses immense potential for use as typical bipolar plates in VRFB stacks. Nevertheless, the pure expanded graphite bipolar plates suffer from severe swelling in electrolyte, resulting in the losses of mechanical stability and electrical conductivity, thus leading to the efficiency decay within several cycles. Herein, we present a “nanoglue” strategy for tuning the structure/surface properties of expanded graphite by employing polyvinylidene fluoride (PVDF) polymer as structural sealant. Such PVDF “nanoglue” on expanded graphite results in the fine-repairment toward the surface microcracks and cross-section edges, which is beneficial to suppress the electrolyte permeation and improve the anti-swelling capacity. Moreover, it has been found that the PVDF “nanoglue” can improve the flexibility, allowing for the fabrication of ultrathin bipolar plates (0.67 mm) with low electrical resistivity. Benefiting from these integrated characteristics, the VRFB employing the as-fabricated composite bipolar plates delivers excellent cyclic efficiencies (voltage efficiency, coulombic efficiency, and energy efficiency) and ultralow ohmic voltage loss of less than 1.1 mV (< 0.1% of the VRFB rated voltage of 1.25 V) at a high current density of 200 mA cm− 2.

본 연구에서는 Na2SO4 폐수 처리를 위한 바이폴라막 전기투석(bipolar membrane electrodialysis, BPED)에 적용하 기 위한 sulfonated poly(phenylence oxide) (SPPO) 기반 강화 양이온교환막(cation-exchange membrane, CEM)을 제조하고 그 성능을 평가하였다. 특히, 다양한 open area, opening size, 두께를 가지는 직조형 지지체를 사용하여, 지지체가 강화막의 물리 적 및 전기화학적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, open area와 opening size가 증가할수록 이오노머의 충진율 이 증가하고 이온 전도 경로가 개선되어 막의 전기적 저항이 감소하고 함수율은 증가하는 경향성을 나타내었다. 한편, OH- 이온은 함수율이 높은 조건에서 막을 통해 더 쉽게 투과하였으며, SO4 2‒ 이온은 지지체의 특성과는 상관없이 전반적으로 낮 은 투과도를 나타내었다. 또한 제조막의 특성과 산/알칼리 조건에서의 내화학성을 종합적으로 고려한 결과, polypropylene (PP)이 가장 적합한 보강재 소재로 판단되었으며, 이를 활용하여 제조한 강화막은 상용막 대비 우수한 인장강도와 구조적 안 정성을 나타내었다. 개발된 강화 CEM을 BPED에 적용한 결과, 상용막 대비 막을 통한 SO4 2‒ 누출이 현저히 억제되어 산/염 기 순도, 전류 효율, 및 에너지 효율이 향상됨을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 상용 폴리염화비닐을 개질하여 두 종류의 PVC 기반 이온교환용 고분자를 성공적으로 제조하였다. 이후 개질된 두 이온교환 고분자를 활용한 전기방사 공정과 열 압착 공정을 거쳐 2차원 계면(2D-PVC-BPM)과 3차원 접합부 (3D-PVC-BPM)를 갖는 바이폴라막(BPM)을 제조하였다. 제조된 3D-PVC-BPM은 2D-PVC-BPM에 비해 우수한 물 분해 효율 및 안정성을 보였다. 구체적으로, 300 mA cm-2의 고전류 밀도에서 3D-PVC-BPM은 2D-PVC-BPM가 나타낸 전위보다 4.4 V 낮은 8.05 V의 막 전위를 나타냈다. 더욱이, PVC 주쇄가 가진 내화학성 덕분에 3D-PVC-BPM은 가혹한 조건에서도 높은 화 학적 안정성을 보였고, 이는 4 M H2SO4 및 4 M NaOH 용액에 28일간 침지한 후 관측된 질량 손실이 각각 2.8%와 2.1%에 그친 것을 통해 입증되었다. 끝으로, 3차원 접합부가 3D-PVC-BPM에 맞물림(interlocking) 효과와 넓은 계면면적을 제공해준 덕분에 3D-PVC-BPM의 인장 강도는 36 MPa를 초과했고 신장률 또한 약 50%에 이르는 등 우수한 기계적 물성을 나타냈다.

For the commercialization of bipolar plates, several properties must be considered together. Electrical conductivity, corrosion resistance, contact resistance, mechanical strength, and light weight are essential evaluation factors, with corrosion resistance and durability being significant for unitized regenerative fuel cells (URFCs), which must operate in electrolysis and fuel cell mode. However, improving both properties is challenging, since corrosion resistance is largely inversely proportional to conductivity. In this study, to improve both properties together, composites composed of Pb and Zn with excellent conductivity and corrosion resistance were prepared with graphite powder and formed as a coating layer on the surface of 304 stainless steel (SS304) and evaluated for electrical conductivity and corrosion resistance. Among the ZnPb/C composites prepared at various ratios, Zn8Pb2/C exhibited the lowest transmittance resistance of 1.566 Ω, and improved electrical conductivity and durability compared to bare SS304.

본 연구에서는 이온성 물질 제거와 재생을 동시 수행하는 바이폴라막에 대한 운전 조건에 따른 성능 영향과 고회 수율을 위한 재생 조건을 연구하였다. 유입수의 농도와 유량이 증가할수록 제거율이 빠르게 감소하였으며 제거율 80% 지점 까지 유입수 농도 300 mg/L에서 최대의 TDS 제거용량을 나타내었고, 유입수 유량은 낮을수록 더 많은 TDS 제거용량을 나 타내었다. 낮은 전압에서는 제거율이 급격하게 감소하였고 전압이 높아질수록 제거율이 증가하지만, 일정 수준 이상의 전압 에서는 추가적인 제거율 향상을 보이지 않았다. 한편 재생을 위한 전압은 75 V로 선정하였는데, 이 이상의 재생 전압에서는 온도의 급격한 상승 및 이로 인한 바이폴라막의 손상이 관찰되었다. 재생 시 재생수의 공급을 최소화하기 위한 다양한 운전 모드가 평가되었고 70%의 고회수율을 구현할 수 있는 재생모드를 제안하였다.