지구규모의 환경문제를 해결하기 위해 CO₂와 같은 지구온난화 가스의 발생 억제에 관심이 모아지면서 전 세계적으로 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용하는 발 전시스템의 연구 및 보급이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용하는 발전은 에너지 밀도가 낮고, 간헐적이기 때문에 원활한 전력의 공급 및 운전을 위해 대용량 전력저장 기술이 필요하 며, RFB는 그 중의 하나로 연구가 활발히 진행되고 있 다[1,2]. 특히, 활물질로 바나듐을 사용하는 바나듐 레 독스 흐름 전지(VRFB, vanadium redox flow battery)는 재생에너지의 원활한 전력공급과 부하 평준화, 비상용 전력을 위한 전력저장 시스템으로 연구가 진행되고 있 다[3-5]. 또한, VRFB는 출력과 에너지 저장 용량을 쉽 게 스케일-업 시킬 수 있다는 장점이 있다.

VRFB의 출력은 전극의 면적과 셀 수에 의해 결정된 다. 그라파이트 펠트(graphite felt)는 높은 산성의 용액 에서 좋은 안정성, 레독스 반응 사이트의 충분한 제공 과 커다란 반응 표면적을 가지고 있어서 VRFB의 전극 물질로 많이 사용되고 있으며[6], 전극 물질의 전기화학 적 성능을 향상을 위한 연구도 진행되었다[7-10].

양극에 황산수용액에 녹인 VO²⁺/VO₂⁺ 레독스 쌍을, 음극에 황산수용액에 녹인 V³⁺/V²⁺ 레독스 쌍을 사용하 는 VRFB의 에너지저장 용량은 전해액의 부피와 농도 에 의해 결정된다. VRFB의 낮은 에너지밀도(20~40 Wh/kg)는 증가하는 온도에 따른 활성 바나듐의 낮은 용해도와 안정성이 원인이 된다. 특히 전해질로 바나딜 설페이트(vanadyl sulfate, VOSO₄)를 사용한 5가 바나 듐 수용액의 경우 40°C 이상에서 산화바나듐(vanadium oxide, V₂O₅) 침전물을 형성하고, 저온(-5°C)에서 황산 에 대한 용해도가 약 1.7 M (mol/L) 미만으로 낮다 [11-13]. 이러한 전해액의 낮은 용해도와 안정성, 5가 바나듐 수용액에서의 침전물 형성에 대한 문제점을 개 선하기 위해 전해액에 안정제 또는 유기, 무기 첨가제 를 첨가하는 연구가 진행되고 있다[14-17].

VRFB의 격막으로 사용되는 이온교환막은 iR손실에 의한 전압효율의 저하를 방지하기 위해 낮은 막 저항 또는 높은 이온전도도를 가져야하며, 전해액으로 사용 되는 4가지 바나듐 이온(V²⁺, V³⁺, VO²⁺, VO₂⁺)이 막을 통해 상대 전극으로 이동하여 자기 방전함으로서 발생 하는 전류효율의 저하를 방지하기 위해 각 바나듐 이온의 투과도가 낮아야 한다. 또한 산화제로도 사용되는 5가 바나듐이온에 대한 내구성이 높아야하며, 가격도 낮아 야 한다[18]. 이러한 목적으로 많은 연구자들이 VRFB 용 이온교환막에 대한 연구를 진행하고 있다[18-25].

VRFB 시스템 가격에서 전해액이 차지하는 비중은 약 40%로 상당히 높으며, 전해액에 사용되는 바나듐 전해질의 가격은 매우 높다[26]. 따라서 낮은 가격으로 전해액을 제조할 수 있는 기술이 필요하다.

메타바나듐산 암모늄(ammonium metavanadate, AMV, NH₄VO₃)은 바나듐 광석, 석탄연소 후 회분과 폐 촉매 로부터 바나듐을 회수할 때 처음으로 생성되는 물질이 며, 바나딜 설페이트와 산화바나듐은 AMV를 이용하여 몇몇의 공정을 통해 제조된다[27]. 따라서 AMV를 이 용하여 전해액을 제조할 수 있다면 전해액 가격을 절감 할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 바나딜 설페이트보다 가격이 싼 메타 바나듐산 암모늄(ammonium metavanadate, AMV, NH₄VO₃) 으로 전해액을 제조하고, 양이온교환막인 Nafion 117을 이용하여 VRFB의 성능평가를 진행하였다. 또한 바나 딜 설페이트(vanadyl sulfate, VOSO₄)로 제조한 전해액 을 사용하는 VRFB와 성능을 비교평가 하였다.