KR101494188B1 - 측정 셀, 그를 이용한 측정 장치 및 레독스 플로우 전지 - Google Patents

측정 셀, 그를 이용한 측정 장치 및 레독스 플로우 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 측정 셀, 그를 이용한 측정 장치 및 레독스 플로우 전지에 관한 것으로, 레독스 플로우 전지의 전해액의 전기화학적 특성변화를 실시간으로 모니터링하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 레독스 플로우 전지는 측정 장치, 단위 셀, 양극 전해액 순환부 및 음극 전해액 순환부를 포함한다. 측정 장치는 측정 셀과 기준 전극을 포함한다. 단위 셀은 이온 교환막과, 이온 교환막의 양쪽에 위치하는 양극과 음극을 포함한다. 양극 및 음극 전해액 순환부는 단위 셀의 양극 및 음극으로 각각 양극 및 음극 전해액을 순환시킨다. 그리고 측정 장치는 양극 또는 음극 전해액 순환부의 전해액이 순환되는 배관에 설치되어 해당 전해액의 전기화학적 특성변화를 실시간으로 모니터링을 수행한다.

Description

측정 셀, 그를 이용한 측정 장치 및 레독스 플로우 전지{Measuring cell, measuring apparatus and redox flow battery using the same}
본 발명은 레독스 플로우 전지(redox flow battery)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전해액의 전기화학적 특성변화를 실시간으로 모니터링할 수 있는 측정 셀, 그를 이용한 측정 장치 및 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.
전력 저장 기술은 전력 이용의 효율화, 전력 공급 시스템의 능력이나 신뢰성 향상, 시간에 따라 변동 폭이 큰 신재생 에너지의 도입 확대, 이동체의 에너지 회생 등 에너지 전체에 걸쳐 효율적 이용을 위해 중요한 기술이며 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있다.
마이크로 그리드와 같은 반자율적인 지역 전력 공급 시스템의 수급 균형의 조정과, 풍력이나 태양광 발전과 같은 신재생 에너지 발전의 불균일한 출력을 적절히 분배하고 기존 전력 계통과의 차이에서 발생하는 전압 및 주파수 변동 등의 영향을 제어하기 위해서 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 이러한 분야에서 이차 전지의 활용도에 대한 기대치가 높아지고 있다.
대용량 전력 저장용으로 사용될 이차 전지에 요구되는 특성을 살펴보면 에너지 저장 밀도가 높아야 하며, 이러한 특성에 가장 적합한 고용량 및 고효율의 이차 전지로서 레독스 플로우 전지가 가장 각광받고 있다.
레독스 플로우 전지는 기존 이차 전지와는 달리 전해액 중의 활물질(active material)이 산화 환원되어 충방전되는 시스템으로, 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 저장시키는 전기화학적 축전 장치이다. 레독스 플로우 전지에 대한 연구는 1974년 미국 나사(NASA; National Aeronautics and Space Admi-nistration)의 LRC(Lewis Research Centre)에서 시작되었다. 레독스 플로우 전지는 레독스 커플, 전기화학 반응 메카니즘, 이온교환막 개발, 성능 시험 등의 연구가 활발하게 진행되어, 2000년경부터 스미토모 전기공업이 판매를 개시해 전력 저장용 시스템으로서 주야간 부하 변동의 평준화, 순간 저전압 보상, 풍력 발전의 출력 균등화 등에 이용되고 있다.
레독스 플로우 전지는 외부 태양광, 풍력 등과 같은 전원 공급 장치에서 전기를 공급받아 충전을 수행한다. 또한 레독스 플로우 전지의 방전은 부하에 전기적으로 연결함으로써 이루어진다.
이러한 레독스 플로우 전지는 사용하는 레독스 커플 물질에 따라서 고유의 충전전압과 방전전압을 갖는다. 이때 레독스 플로우 전지의 성능을 결정하는 주요 인자로서 과전압이라는 개념이 도입된다. 즉 레독스 플로우 전지는 이론적인 충전전압보다 과전압만큼 전압을 추가적으로 공급해주어야 만이 요구하는 전류밀도에서의 충전이 가능하다.
과전압을 결정하는 요소로는 전극 간의 거리, 전해액의 전기전도도, 전극 표면에서의 레독스 커플 반응속도 등 다양하다. 특히 전해액의 전기전도도는 레독스 플로우 전지가 충방전을 수행함에 따라 실시간으로 변화하는 값으로 과전압을 결정하는 매우 중요한 인자이다.
등록특허 제10-1265863호(2013.05.13.)
이로 인해 레독스 플로우 전지에 대한 충전과 방전을 수행하면서 전해액의 전기화학적 특성평가는 매우 중요한 의미를 갖는다. 전기전도도와 함께 전해액의 조성이 함께 변화하기 때문에 이에 따른 전극반응의 속도도 달라진다.
따라서 본 발명의 목적은 레독스 플로우 전지의 전해액의 전기화학적 특성변화를 실시간으로 모니터링할 수 있는 측정 셀, 그를 이용한 측정 장치 및 레독스 플로우 전지를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 레독스 플로우 전지의 전해액이 흐르는 배관에 개재되는 측정 셀로서, 플로우 프레임, 작업 전극, 상대 전극, 제1 엔드 플레이트 및 제2 엔드 플레이트를 포함한다. 상기 플로우 프레임은 중심 부분에 상기 전해액이 흐를 수 있는 개방부가 형성되어 있다. 상기 작업 전극은 상기 플로우 프레임을 중심으로 한 쪽에 배치되며, 상기 전해액의 전기화학적 특성변화의 모니터링에 필요한 전압이 인가된다. 상기 상대 전극은 상기 플로우 프레임을 중심으로 상기 작업 전극의 반대편에 배치되며, 상기 작업 전극에서 전자전달이 이루어짐에 따른 전하 밸러스를 유지한다. 상기 제1 엔드 플레이트는 상기 작업 전극의 외측에 배치된다. 그리고 상기 제2 엔드 플레이트는 상기 상대 전극의 외측에 배치된다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 측정 셀에 있어서, 상기 플로우 프레임의 단면적은 상기 플로우 프레임에서의 전해액의 속도가 상기 레독스 플로우 전지 내부의 분리판 입·출구에서의 전해액 선속도와 동일하게 설계될 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 측정 셀에 있어서, 상기 상대 전극의 단면적은 상기 작업 전극의 단면적 보다 10배 이상이다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 측정 셀에 있어서, 상기 작업 전극과 상기 상대 전극은 탄소, 백금, 구리, 알루미늄 또는 이들의 혼합물을 소재로 하며, 평판 형태를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 측정 셀에 있어서, 상기 상대 전극은 표면은 상기 소재의 파우더로 코팅될 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 측정 셀에 있어서, 상기 파우더 입자의 크기는 10nm 내지 0.1mm이다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 측정 셀은, 상기 작업 전극과 상기 제1 엔드 플레이트 사이에 배치되는 제1 개스킷과, 상기 상대 전극과 상기 제2 엔드 플레이트 사이에 배치되는 제2 개스킷을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 전술된 측정 셀, 기준 전극 및 제어부를 포함하는 레독스 플로우 전지용 측정 장치를 제공한다. 상기 기준 전극은 상기 측정 셀에 이웃하게 상기 배관에 설치되며, 상기 측정 셀로 인가되는 전압에 대한 기준값을 제공한다. 그리고 상기 제어부는 상기 기준 전극의 기준값에 대한 상대값으로 상기 작업 전극에 전압을 인가한 후, 상기 작업 전극으로부터 획득되는 측정값을 분석하여 상기 전해액의 상태를 실시간으로 모니터링한다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 측정 장치에 있어서, 상기 측정값은 상기 작업 전극의 전류값일 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 측정 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 전해액의 충전 상태에 따라 순환전압전류법 또는 임피던스 측정을 통해 상기 전해액의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 측정 장치에 있어서, 상기 기준 전극은 수용성 기준 전극 또는 유용성 기준 전극일 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 측정 장치에 있어서, 상기 전해액이 흐르는 방향에 대해서, 상기 측정 셀이 앞쪽에 설치되고 뒤쪽에 상기 기준 전극이 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 측정 장치에 있어서, 단위 셀에서 전해액이 배출되는 배관에 상기 측정 셀이 설치되고, 상기 단위 셀과 상기 측정 셀 사이의 배관에 상기 기준 전극이 설치될 수 있다.
본 발명은 또한, 전술된 측정 장치, 단위 셀, 양극 전해액 순환부 및 음극 전해액 순환부를 포함하는 레독스 플로우 전지를 제공한다. 상기 단위 셀은 이온 교환막과, 상기 이온 교환막의 양쪽에 위치하는 양극과 음극을 포함한다. 상기 양극 전해액 순환부는 상기 단위 셀의 양극으로 양극 전해액이 공급 및 배출될 수 있도록 양극 전해액을 순환시킨다. 그리고 상기 음극 전해액 순환부는 상기 단위 셀의 음극으로 음극 전해액이 공급 및 배출될 수 있도록 음극 전해액을 순환시킨다. 이때 상기 측정 장치는 상기 양극 전해액 순환부 또는 상기 음극 전해액 순환부의 전해액이 순환되는 배관에 설치되어 해당 전해액의 전기화학적 특성변화를 실시간으로 모니터링한다.
그리고 본 발명에 따른 레독스 플로우 전지에 있어서, 상기 측정 장치는 양극 측정부, 음극 측정부 및 제어부를 포함한다. 상기 양극 측정부는 상기 양극 전해액 순환부의 양극 전해액이 순환되는 배관에 설치되는 제1 측정 셀과 제1 기준 전극을 포함한다. 상기 음극 측정부는 상기 음극 전해액 순환부의 음극 전해액이 순환되는 배관에 설치되는 제2 측정 셀과 제2 기준 전극을 포함한다. 그리고 상기 제어부는 상기 제1 또는 제2 측정 셀로부터 획득되는 측정값을 분석하여 양극 또는 음극 전해액의 상태를 실시간으로 모니터링한다.
본 발명에 따르면, 레독스 플로우 전지의 측정 장치는 측정 셀과 기준 전극을 이용하여 전해액의 전기화학적 특성변화에 대한 실시간 모니터링이 가능하다. 즉 측정 장치는 측정 셀과 기준 전극을 이용한 전기화학적 기법을 적용함으로써, 전극 반응이 일어나는 산화 환원 포텐셜, 전자전달 저항, 용액 저항 등에 대한 저항 요소 분석이 가능하다.
이러한 특성 결과값들은 레독스 플로우 전지의 성능 변화를 모니터링하는 데 도움을 준다. 예컨대 특성 결과값들은 레독스 플로우 전지의 충전전압, 방전전압, 부반응의 발생 가능성, 사이클에 따른 전해액의 특성변화 등에 대한 분석에 필요한 자료로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 플로우 전지를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 측정 셀을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 양극 전해액의 충전 상태(state of charge; SOC)에 따른 순환전압전류법(cyclic voltammetry)으로 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 1의 양극 전해액의 충전 상태에 따른 임피던스를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 플로우 전지를 보여주는 도면이다. 도 2는 도 1의 측정 셀을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 레독스 플로우 전지(100)는 단위 셀(10), 양극 전해액 순환부(20), 음극 전해액 순환부(30) 및 측정 장치(40)를 포함하며, 측정 장치(40)가 양극 전해액 순환부(20) 또는 음극 전해액 순환부(30)의 전해액이 순환되는 배관에 설치되어 해당 전해액의 전기화학적 특성변화를 실시간으로 모니터링한다.
단위 셀(10)은 이온 교환막과, 이온 교환막의 양쪽에 위치하는 양극과 음극을 포함한다. 단위 셀(10)에서 가수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응이 이루어진다. 산화 환원 반응은 이온 교환막을 통해 양극 및 음극의 전극 상호 간에 이루어지며, 이러한 산화 환원 반응에 의해 충방전이 이루어진다.
한편 본 실시예에서는 단위 셀(10) 하나가 설치된 예를 개시하였지만, 복수 개가 적층되어 스택형 전지를 구성할 수 있음은 물론이다.
양극 전해액 순환부(20)는 단위 셀(10)의 양극으로 양극 전해액이 공급 및 배출될 수 있도록 양극 전해액을 순환시킨다. 이러한 양극 전해액 순환부(20)는 제1 탱크(21), 제1 펌프(23), 제1 공급 배관(25) 및 제1 배출 배관(27)을 포함한다.
제1 탱크(21)는 양극 전해액을 저장한다. 제1 탱크(21)는 제1 펌프(23)의 구동에 따라 양극 전해액을 제1 펌프(23)를 통하여 양극으로 공급한다. 제1 탱크(21)는 양극에서 배출되는 양극 전해액을 다시 공급받는다.
제1 펌프(23)는 제1 탱크(21)로부터 양극 전해액을 인출하여 단위 셀(10)의 양극으로 공급하며, 양극 전해액을 순환시킨다.
제1 공급 배관(25)은 제1 탱크(21), 제1 펌프(23) 및 단위 셀(10)의 양극을 연결하는 배관으로, 제1 탱크(21)의 양극 전해액을 양극으로 공급한다.
그리고 제1 배출 배관(27)은 단위 셀(10)과 제1 탱크(21)를 연결하며, 단위 셀(10)로 공급된 양극 전해액을 제1 탱크(21)로 배출시킨다.
음극 전해액 순환부(30)는 단위 셀(10)의 음극으로 음극 전해액이 공급 및 배출될 수 있도록 음극 전해액을 순환시킨다. 이러한 음극 전해액 순환부(30)는 제2 탱크(31), 제2 펌프(33), 제2 공급 배관(35) 및 제2 배출 배관(37)을 포함한다.
제2 탱크(31)는 음극 전해액을 저장한다. 제2 탱크(31)는 제2 펌프(33)의 구동에 따라 음극 전해액을 제2 펌프(33)를 통하여 음극으로 공급한다. 제2 탱크(31)는 음극에서 배출되는 음극 전해액을 다시 공급받는다.
제2 펌프(33)는 제2 탱크(31)로부터 음극 전해액을 인출하여 단위 셀(10)의 음극으로 공급하며, 음극 전해액을 순환시킨다.
제2 공급 배관(35)은 제2 탱크(31), 제2 펌프(33) 및 단위 셀(10)의 음극을 연결하는 배관으로, 제2 탱크(31)의 음극 전해액을 음극으로 공급한다.
그리고 제2 배출 배관(37)은 단위 셀(10)과 제2 탱크(31)를 연결하며, 단위 셀(10)로 공급된 음극 전해액을 제2 탱크(31)로 배출시킨다.
이와 같은 양극 전해액 순환부(20) 및 음극 전해액 순환부(30)를 통한 양극 전해액 및 음극 전해액의 단위 셀(10)로의 순환을 통해 단위 셀(10)에서 발생되는 산화 환원 반응에 의해 충방전이 이루어진다. 따라서 전해액에 대한 실시간 전기화학적 특성 평가를 수행하기 위해서 전해액이 흐르는 배관에 측정 장치(40)의 측정 셀(41,43)을 설치한다.
이러한 측정 장치(40)는 측정부(60,70)와 제어부(49)를 포함한다. 측정부(60,70)는 측정 셀(41,43)과 기준 전극(45,47)을 포함한다. 측정부(60,70)는 양극 전해액이 흐르는 제1 배출 배관(27)에 설치되거나, 음극 전해액이 흐르는 제2 배출 배관(37)에 설치될 수 있다.
본 실시예에 따른 측정 장치(40)는 양극 측정부(60), 음극 측정부(70) 및 제어부(49)를 포함한다. 양극 측정부(60)는 양극 전해액 순환부(20)의 양극 전해액이 순환되는 배관에 설치되는 제1 측정 셀(41)과 제1 기준 전극(45)을 포함한다. 이때 배관은 제1 배출 배관(27)일 수 있다. 양극 전해액이 흐르는 방향에 대해서, 앞쪽에 제1 측정 셀(41)이 설치되고 뒤쪽에 제1 기준 전극(45)이 설치될 수 있다. 즉 단위 셀(10)에 가까운 제1 배출 배관(27)에 제1 측정 셀(41)이 설치되고, 제1 측정 셀(41)과 단위 셀(10) 사이의 제2 배출 배관(37)에 제1 기준 전극(45)이 설치된다.
음극 측정부(70)는 음극 전해액 순환부(30)의 음극 전해액이 순환되는 배관에 설치되는 제2 측정 셀(43)과 제2 기준 전극(47)을 포함한다. 이때 배관은 제2 배출 배관(37)일 수 있다. 음극 전해액이 흐르는 방향에 대해서, 앞쪽에 제2 측정 셀(43)이 설치되고 뒤쪽에 제2 기준 전극(47)이 설치될 수 있다. 즉 단위 셀(10)에 가까운 제2 배출 배관(37)에 제2 측정 셀(43)이 설치되고, 제2 측정 셀(43)과 단위 셀(10) 사이의 제2 배출 배관(37)에 제2 기준 전극(47)이 설치된다.
그리고 제어부(49)는 제1 또는 제2 측정 셀(43)로부터 획득되는 측정값을 분석하여 양극 전해액 또는 음극 전해액의 상태를 실시간으로 모니터링한다.
전술된 바와 같이, 단위 셀(10)에서는 전해액에 통과할 때, 충방전이 이루어진다. 따라서 전해액 내부의 활물질이 전자를 얻거나 잃게 되기 때문에, 전해액의 조성이 실시간으로 변화하게 된다. 조성이 변화한 전해액은 기준 전극(45,47)이 설치되어 있는 유로를 통과하여 측정 셀(41,43)로 들어간다. 측정 셀(41,43)에서는 아주 미미한 양(무시 가능한 수준)의 전류가 흐르기 때문에, 전해액의 조성에 큰 영향을 주지 않는다.
여기서 전해액에 레독스 커플이 녹아 있는 구조에서의 정확한 특성 분석을 위해서는 기준 전극(45,47)의 설치가 필요하다. 따라서 본 실시예에서는 기준 전극(45,47)을 전해액이 흐르는 배관에 설치함으로써 측정의 정확도를 증진시켰다. 즉 기준 전극(45,47)은 측정 셀(41,43)에 이웃하게 배출 배관(27,37)에 설치되며, 측정 셀(41,43)로 인가되는 전압에 대한 기준값을 제공한다. 예컨대 기준 전극(45,47)으로는 수용성 기준 전극 또는 유용성 기준 전극이 사용될 수 있다.
측정 셀(41,43)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 플로우 프레임(51), 작업 전극(52), 작업 전극(52), 상대 전극(53), 제1 엔드 플레이트(56) 및 제2 엔드 플레이트(57)를 포함한다. 플로우 프레임(51)은 중심 부분에 전해액이 흐를 수 있는 개방부가 형성되어 있다. 작업 전극(52)은 플로우 프레임(51)을 중심으로 한 쪽에 배치되며, 전해액의 전기화학적 특성변화의 모니터링에 필요한 전압이 인가된다. 상대 전극(53)은 플로우 프레임(51)을 중심으로 다른 쪽에 배치되며, 작업 전극(52)에서 전자전달이 이루어짐에 따른 전하 밸러스를 유지한다. 그리고 제1 엔드 플레이트(56)는 작업 전극(52)의 외측에 배치되고, 제2 엔드 플레이트(57)는 상대 전극(53)의 외측에 배치된다.
이러한 측정 셀(41,43)은 단위 셀(10)과 유사한 구조를 갖지만, 양극 전해액과 음극 전해액 가운데 하나의 전해액만이 관통하도록 설계된다. 측정 셀(41,43)은 작업 전극(52)과 상대 전극(53)을 포함하며, 작업 전극(52)과 상대 전극(53) 사이를 전해액이 일정한 유속으로 통과할 수 있도록 중심 부분에 개방부(59)를 갖는 플로우 프레임(51)이 위치한다. 즉 배출 배관(27,37)에 측정 셀(41,43)이 설치되더라도 전해액의 흐름에 영향을 주지 않도록, 플로우 프레임(51)의 단면적은 플로우 프레임(51)에서의 전해액의 속도가 레독스 플로우 전지(100) 내부의 분리판 입·출구에서의 전해액 선속도와 동일하게 설계된다.
전기화학적 특성분석에서 작업 전극(52)은 실제로 전극 표면 반응에 대한 특성변화를 관찰하는 전극이다. 따라서 상대 전극(53)에서 반응에 대한 영향을 주어서는 안 된다. 상대 전극(53)은 전류가 흐를 수 있도록 하는 보조 역할을 수행한다. 이러한 이유로, 상대 전극(53)은 전극 단면적은 작업 전극(52)의 전극 단면적보다 수십배 이상 넓은 단면적을 갖도록 제작된다. 예컨대 상대 전극(53)은 작업 전극(52) 면적의 최소 10배 이상의 단면적을 갖는 것이 바람직하다. 이유는 상대 전극(53)의 단면적이 이보다 작을 경우 전기화학적 특성 분석에서 수집되는 정보에 오차를 유발할 수 있기 때문이다.
작업 전극(52)과 상대 전극(53)은 탄소, 백금, 구리, 알루미늄 또는 이들의 혼합물을 소재로 하며, 평판 형태로 제조될 수 있다. 다만 상대 전극(53)의 표면적이 작업 전극(52)보다 커야 하기 때문에, 상대 전극(53)의 표면에 유사한 전극 물질을 미세 파우더 형태로 코팅하여 제조할 수 있다. 미세 파우더는 구형 또는 판형의 형태를 취하며, 입자의 크기가 10nm 내지 0.1mm의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 이유는 미세 파우더의 입자 크기가 10nm 보다 작은 경우 표면적 증가에 미치는 효과가 미미해지고, 0.1 mm 보다 클 경우에는 전해액의 흐름을 방해하는 저항 요소로 작용할 수 있기 때문이다.
그리고 측정 셀(41,43)은 작업 전극(52)과 제1 엔드 플레이트(56) 사이에 배치되는 제1 개스킷(54)과, 상대 전극(53)과 제2 엔드 플레이트(57) 사이에 배치되는 제2 개스킷(55)을 더 포함할 수 있다.
작업 전극(52)에 인가되는 전압은 제어부(49)에 의해 조절된다. 제어부(49)는 작업 전극(52)에 인가되는 전압을 기준 전극(45,47)의 기준값에 대한 상대값으로 조절한다. 즉 제어부(49)는 기준 전극(45,47)의 기준값에 대한 상대값으로 작업 전극(52)에 전압을 인가한 후, 작업 전극(52)으로부터 획득되는 측정값을 분석하여 전해액의 상태를 실시간으로 모니터링한다. 이때 측정값은 작업 전극(52)의 전류값일 수 있다. 예컨대 제어부(49)는 전해액의 충전 상태에 따라 순환전압전류법(cyclic voltammetry) 또는 임피던스 측정을 통해 획득한 측정값과, 이 측정값의 분석을 통해 전해액 상태에 대한 실시간 모니터링을 수행할 수 있다.
여기서 순환전압전류법은 고체 전극 등에서 전류 전위 곡선을 얻는 방법의 하나로서, 삼각파를 이용하여 전극 전위를 주기적으로 변화시킨다. 순환전압전류법을 통해서 용액 중의 화합물과 전극 물질 자신의 산화 환원 거동을 알 수 있다. 임피던스 측정을 통해서 전해액의 전하전달 저항과 용액 저항을 알 수 있다.
이러한 제어부(49)는 전해액의 전기화학적 특성 분석을 수행할 수 있는 단말 장치로서, 예컨대 퍼스널 컴퓨터, 퍼텐쇼스탯(potentiostat) 등이 사용될 수 있다. 퍼텐쇼스탯은 주로 전기화학계에서 전기회로 내의 특정한 두 점 간의 전위차가 회로 중의 각종 조건의 변화 등과는 상관없이 사전에 설정한 값을 유지되도록 하기 위한 장치로서, 정전위 전해 등의 전기화학 계측에 널리 이용되는 장치이다.
한편 본 실시예에 따른 측정 장치(40)는 양극 측정부(60), 음극 측정부(70) 및 제어부(49)를 포함하는 예를 개시하였지만, 양극 측정부(60) 및 음극 측정부(70) 중에 하나만 포함할 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 측정 장치(40)를 레독스 플로우 전지(100)에 적용하여 측정한 결과는 도 3 및 도 4와 같다. 레독스 플로우 전지로 아연/브롬 레독스 프로우 전지를 사용하였다.
도 3은 도 1의 양극 전해액의 충전 상태에 따른 순환전압전류법으로 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 단위 셀에서 충전이 진행함에 따라서 양극 전해액의 전자전달 반응의 가역성이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 이것은 충전 시 생성되는 폴리브로마이드 착화합물이 전극 표면에 용이하게 흡착되기 때문으로 해석된다.
도 4는 도 1의 양극 전해액의 충전 상태에 따른 임피던스를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 단위 셀에서 충전 상태가 증가함에 따라서 전자전달 저항은 감소하는 반면에 용액 저항은 일정하게 유지됨을 알 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 레독스 플로우 전지(100)의 측정 장치(40)는 측정 셀(41,43)과 기준 전극(45,47)을 이용하여 전해액의 전기화학적 특성변화에 대한 실시간 모니터링이 가능하다. 즉 측정 장치(40)는 측정 셀(41,43)과 기준 전극(45,47)을 이용한 전기화학적 기법을 적용함으로써, 전극 반응이 일어나는 산화 환원 포텐셜, 전자전달 저항, 용액 저항 등에 대한 저항 요소 분석이 가능하다.
이러한 특성 결과값들은 레독스 플로우 전지의 성능 변화를 모니터링하는 데 도움을 준다. 예컨대 특성 결과값들은 레독스 플로우 전지의 충전전압, 방전전압, 부반응의 발생 가능성, 사이클에 따른 전해액의 특성변화 등에 대한 분석에 필요한 자료로 사용할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 단위 셀 20 : 양극 전해액 순환부
21 : 제1 탱크 23 : 제1 펌프
25 : 제1 공급 배관 27 : 제1 배출 배관
30 : 음극 전해액 순환부 31 : 제2 탱크
33 : 제2 펌프 35 : 제2 공급 배관
37 : 제2 배출 배관 40 : 측정 장치
41 : 제1 측정 셀 43 : 제2 측정 셀
45 : 제1 기준 전극 47 : 제2 기준 전극
49 : 제어부 51 : 플로우 프레임
52 : 작업 전극 53 : 상대 전극
54 : 제1 개스킷 55 : 제2 개스킷
56 : 제1 엔드 플레이트 57 : 제2 엔드 플레이트
60 : 양극 측정부 70 : 음극 측정부
100 : 레독스 플로우 전지

Claims (12)

  1. 레독스 플로우 전지의 전해액이 흐르는 배관에 개재되는 측정 셀로서,
    중심 부분에 상기 전해액이 흐를 수 있는 개방부가 형성된 플로우 프레임;
    상기 플로우 프레임을 중심으로 한 쪽에 배치되며, 상기 전해액의 전기화학적 특성변화의 모니터링에 필요한 전압이 인가되는 작업 전극;
    상기 플로우 프레임을 중심으로 상기 작업 전극의 반대편에 배치되며, 상기 작업 전극에서 전자전달이 이루어짐에 따른 전하 밸러스를 유지하는 상대 전극;
    상기 작업 전극의 외측에 배치되는 제1 엔드 플레이트;
    상기 상대 전극의 외측에 배치되는 제2 엔드 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 측정 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플로우 프레임의 단면적은 상기 플로우 프레임에서의 전해액의 속도가 상기 레독스 플로우 전지 내부의 분리판 입·출구에서의 전해액 선속도와 동일하게 설계된 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 측정 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상대 전극의 단면적은 상기 작업 전극의 단면적 보다 10배 이상인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 측정 셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 작업 전극과 상기 상대 전극은 탄소, 백금, 구리, 알루미늄 또는 이들의 혼합물을 소재로 하며, 평판 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 측정 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상대 전극은 표면은 상기 소재의 파우더로 코팅된 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 측정 셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 파우더 입자의 크기는 10nm 내지 0.1mm인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 측정 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 작업 전극과 상기 제1 엔드 플레이트 사이에 배치되는 제1 개스킷;
    상기 상대 전극과 상기 제2 엔드 플레이트 사이에 배치되는 제2 개스킷;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 측정 셀.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 측정 셀;
    상기 측정 셀에 이웃하게 상기 배관에 설치되며, 상기 측정 셀로 인가되는 전압에 대한 기준값을 제공하는 기준 전극;
    상기 기준 전극의 기준값에 대한 상대값으로 상기 작업 전극에 전압을 인가한 후, 상기 작업 전극으로부터 획득되는 측정값을 분석하여 상기 전해액의 상태를 실시간으로 모니터링하는 제어부;
    를 포함하는 레독스 플로우 전지용 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 전해액의 충전 상태에 따라 순환전압전류법 또는 임피던스 측정을 통해 상기 전해액의 상태를 실시간으로 모니터링하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 측정 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    단위 셀에서 전해액이 배출되는 배관에 상기 측정 셀이 설치되고, 상기 단위 셀과 상기 측정 셀 사이의 배관에 상기 기준 전극이 설치되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 측정 장치.
  11. 제8항에 따른 측정 장치;
    이온 교환막과, 상기 이온 교환막의 양쪽에 위치하는 양극과 음극을 포함하는 단위 셀;
    상기 단위 셀의 양극으로 양극 전해액이 공급 및 배출될 수 있도록 양극 전해액을 순환시키는 양극 전해액 순환부;
    상기 단위 셀의 음극으로 음극 전해액이 공급 및 배출될 수 있도록 음극 전해액을 순환시키는 음극 전해액 순환부;를 포함하며,
    상기 측정 장치는 상기 양극 전해액 순환부 또는 상기 음극 전해액 순환부의 전해액이 순환되는 배관에 설치되어 해당 전해액의 전기화학적 특성변화를 실시간으로 모니터링하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지.
  12. 제11항에 있어서, 상기 측정 장치는,
    상기 양극 전해액 순환부의 양극 전해액이 순환되는 배관에 설치되는 제1 측정 셀과 제1 기준 전극을 포함하는 양극 측정부;
    상기 음극 전해액 순환부의 음극 전해액이 순환되는 배관에 설치되는 제2 측정 셀과 제2 기준 전극을 포함하는 음극 측정부;
    상기 제1 또는 제2 측정 셀로부터 획득되는 측정값을 분석하여 양극 또는 음극 전해액의 상태를 실시간으로 모니터링하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지.
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