KR101679940B1 - 향상된 내구성을 갖는 플로우 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플로우 배터리에 관한 것으로, 플로우 배터리는 제1 전극, 제1 전극으로부터 이격되는 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 분리기를 갖는 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함한다. 제1 저장부와 제2 저장부는 각각 적어도 하나의 전기화학 전지와 유체 연통한다. 제1 액체 전해질과 제2 액체 전해질은 각각 제1 저장부와 제2 저장부 내에 위치된다. 제1 전극은 제1 액체 전해질에 대해 촉매 활성인 영역을 갖고 제2 전극은 제2 액체 전해질에 대해 촉매 활성인 영역을 가지며, 제1 전극의 영역이 제2 전극의 영역보다 크다.

Description

향상된 내구성을 갖는 플로우 배터리 {FLOW BATTERY WITH ENHANCED DURABILITY}
본 개시내용은 전기 에너지를 선택적으로 저장 및 방출하기 위한 플로우 배터리에 관한 것이다.
리독스 플로우 배터리(redox flow batteries) 또는 리독스 플로우 전지로도 알려진 플로우 배터리는 전기 에너지를, 저장될 수 있고 나중에 수요가 있을 때 방출될 수 있는 화학 에너지로 변환하도록 설계된다. 일 예로써, 플로우 배터리는 소비자 수요를 초과하는 에너지를 저장하고 나중에 더 큰 수요가 있을 때 그 에너지를 방출하기 위해 풍력 발전 시스템과 같은 재생 가능한 에너지 시스템과 함께 이용될 수 있다.
기본적인 플로우 배터리는 이온 교환막과 같은 분리기를 포함할 수 있는 전해질 층에 의해 분리되는 음극과 양극을 갖는 리독스 플로우 전지를 포함한다. 음의 액체 전해질은 음극으로 전달되고 양의 액체 전해질은 양극으로 전달되어 전기화학적으로 가역적인 산화환원반응을 일으킨다. 충전 시에, 공급된 전기 에너지는 하나의 전해질에서 화학적 환원 반응을 발생시키고 다른 전해질에서 산화 반응을 발생시킨다. 분리기는 전해질들이 혼합되는 것을 방지하고 선택된 이온을 통과시켜 산화환원반응을 완료한다. 방출 시에, 액체 전해질에 내장된 화학 에너지는 역반응으로 방출되고 전기 에너지가 전극으로부터 인출될 수 있다. 플로우 배터리는 특히 가역적인 전기화학적 반응에 참여하는 외부에서 공급되는 액체 전해질을 사용한다는 점에서 다른 전기화학적 장치들과 구별된다.
플로우 배터리가 개시되며, 플로우 배터리는 제1 전극, 제1 전극으로부터 이격되는 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 분리기를 갖는 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함한다. 제1 저장부와 제2 저장부는 각각 적어도 하나의 전기화학 전지와 유체 연통한다. 제1 액체 전해질과 제2 액체 전해질은 각각 제1 저장부와 제2 저장부 내에 위치된다. 제1 전극은 제1 액체 전해질에 대해 촉매 활성인 영역을 갖고 제2 전극은 제2 액체 전해질에 대해 촉매 활성인 영역을 가지며, 제1 전극의 영역이 제2 전극의 영역보다 크다.
플로우 배터리의 열화를 제어하기 위한 방법이 또한 개시된다. 이 방법은 제1 전극의 영역이 제2 전극의 영역보다 크도록 제1 전극이 제1 액체 전해질에 대해 촉매 활성인 영역을 갖고 제2 전극이 제2 액체 전해질에 대해 촉매 활성인 영역을 갖게 함으로써 부식을 일으키는 전위를 제어하는 단계를 포함한다.
개시된 예들의 다양한 특징들과 이점들이 이하의 상세한 설명으로부터 당해 기술분야의 숙련자에게 명백해질 것이다. 상세한 설명에 동반된 도면들은 다음과 같이 간단하게 설명될 수 있다.
도 1은 예시적인 플로우 배터리를 도시한다.
도 2는 예시적인 전기화학 전지를 도시한다.
도 3은 상이한 크기의 제1 전극과 제2 전극을 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 전극들의 또 다른 구성을 도시한다.
도 5는 제1 전극과 제2 전극의 주연부 주위의 프레임 실(seal)을 도시한다.
도 6은 제1 전극의 영역의 주연부로부터 제2 전극의 영역의 주연부가 후퇴된 상태를 도시한다.
도 1은 전기 에너지를 선택적으로 저장 및 방출하기 위한 예시적인 플로우 배터리(20)의 선택된 부분들을 개략적으로 도시한다. 일 예로써, 플로우 배터리(20)는 재생가능한 에너지 시스템에서 생성된 전기 에너지를, 더 큰 수요가 있을 때까지 저장되는 화학 에너지로 변환하는데 이용될 수 있고 그 때 플로우 배터리(20)는 화학 에너지를 다시 전기 에너지로 변환한다. 플로우 배터리(20)는 예를 들어 전기 그리드에 전기 에너지를 공급할 수 있다. 아래에 설명된 바와 같이, 개시된 플로우 배터리(20)는 내구성 향상을 위한 특징들을 포함한다.
플로우 배터리(20)는 제2 반응물(26)에 대해 산화환원 쌍으로 기능하는 전기화학적 활성종(24)을 갖는 적어도 하나의 액체 전해질(22)을 포함하고, 이것은 전기화학적 활성종 또는 예를 들어 수소 또는 공기와 같은 또 다른 전기화학적 활성종을 갖는 또 다른 액체 전해질일 수 있다. 예를 들어, 전기화학적 활성종들은 바나듐, 브롬, 철, 크롬, 아연, 세륨, 납 또는 이들의 조합을 기반으로 한다. 실시예에서, 액체 전해질(22, 26)들은 하나 이상의 전기화학적 활성종(24, 30)들을 포함하는 수성 용액일 수 있다.
액체 전해질(22)과 반응물(26)은 탱크와 같은 각각의 저장부(32, 34)에 저장된다. 도시된 대로, 저장부(32, 34)들은 실질적으로 동등한 원통형 저장 탱크들이다. 그러나, 저장부(32, 34)들은 대안적으로 다른 형상 및 크기를 가질 수 있다.
액체 전해질(22, 26)들은 각각의 공급 라인(38)을 통해 플로우 배터리(20)의 하나 이상의 전기화학 전지(36)로 전달되고(예를 들어 펌핑되고) 복귀 라인(40)을 거쳐 전기화학 전지(36)로부터 저장부(32, 34)로 복귀된다. 따라서, 저장부(32, 34)들은 전기화학 전지(36)의 외부에 위치하고 전기화학 전지(36)를 통해 액체 전해질(22, 26)들을 순환시키기 위해 전기화학 전지(36)와 유체 연통한다.
작동 시에, 액체 전해질(22, 26)들은 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하거나 화학 에너지를 방출될 수 있는 전기 에너지로 변환하기 위해 전기화학 전지(36)로 전달된다. 전기 에너지는 회로를 완성하고 전기화학적 산화환원 반응의 완결을 가능하게하는 전기적 경로(42)를 통해 전기화학 전지(36)로 그리고 전기화학 전지(36)로부터 전달된다.
도 2는 전기화학 전지(36)들 중 하나의 일부의 단면을 도시한다. 플로우 배터리(20)는 플로우 배터리(20)의 설계 용량에 따라 하나의 스택에 이러한 전기화학 전지(36)들을 복수 개 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이 예에서, 전기화학 전지(36)는 제1 쌍극 판(50)과, 제1 쌍극 판(50)로부터 이격되는 제2 쌍극 판(52)을 포함한다. 쌍극 판(50, 52)들은 전기 전도성을 갖고 예를 들어 흑연 판 또는 금속 판일 수 있다. 쌍극 판(50, 52)들은 전기화학 전지(36) 내부에서 액체 전해질(22, 26)들을 전달하기 위한 유동장의 역할을 하는 복수의 채널(54)들을 포함할 수 있다.
제1 쌍극 판(50)에 바로 인접하여 제1 전극(62)이 배치되고 제2 쌍극 판(52)에 바로 인접하여 제2 전극(64)이 배치된다. 도시된 실시예에서, 제1 전극(62)은 제1 쌍극 판(50)의 면과 접촉하고 제2 전극(64)은 제2 쌍극 판(52)의 면과 접촉한다. 이온 교환막(66)과 같은 분리기가 전극(62, 64)들 사이에 이들과 접촉하여 배치된다. 이 예에서, 제1 전극(62)은 애노드 전극이고 제2 전극(64)은 캐소드 전극이다.
제1 전극(62)과 제2 전극(64)은 다공성 카본 전극과 같이 전기 전도성을 갖고 원하는 산화환원 반응을 위해 촉매 활성인 다공성 재료이다. 일 예로써, 전극(62, 64)들 중 하나 또는 둘 모두는 액체 전해질(22, 26)들에 대해 촉매 활성인, 카본 페이퍼 또는 펠트 재료를 포함한다. 즉, 카본 재료의 표면들은 플로우 배터리(20)에서 촉매 활성이다. 플로우 배터리(20)의 산화환원 반응에서는, 반응에 대한 에너지 장벽이 비교적 낮아서, 산소 또는 수소와 같은 가스 반응물을 이용하는 전기화학적 장치에서처럼 귀금속 또는 합금과 같은 더 강한 촉매 재료가 일반적으로 요구되지 않는다. 카본 재료는 카본 재료를 세척하고 활성 촉매 부위의 역할을 하는 산화물을 생성하기 위해 열 및/또는 화학 처리 공정을 이용하여 활성화된다.
작동 시에, 액체 전해질(22, 26)들은 저장부(32, 34)들로부터 각각의 쌍극 판(50, 52) 내로 펌핑된다. 이와 관련하여, 쌍극 판은 액체 전해질(22, 26)들을 채널(54)들로 전달하기 위한 매니폴드 등을 포함할 수 있다. 액체 전해질(22, 26)들은 채널(54)들을 통해 유동하고 전극(62, 64)으로 전달된다. 쌍극 판(50, 52)과 채널(54)들은 플로우 배터리(20)에서 선택적임이 이해되어야 한다. 즉, 플로우 배터리(20)는 대안적으로 액체 전해질(22, 26)들이 유동장 채널을 이용하지 않고 전극(62, 64) 내로 직접 펌핑되는 "플로우-스루(flow-through)" 작동하도록 구성될 수 있다.
작동 시에, 제2 전극(64)(캐소드)에서 높은 과전위가 발생할 수 있고, 이것은 플로우 배터리(20) 내의 재료들의 부식 열화를 야기한다. 따라서, 용어 "높은 과전위"는 전기화학 전지(36) 내의 하나 이상의 재료들의 부식 열화를 발생시키기에 충분한 전위를 지칭한다. 전기화학 전지(36)의 설계된 작동 조건 하에서, 전위는 선택된 재료들의 부식 열화를 발생시키는 전위 아래로 유지된다. 그러나, 애노드액(anolyte)의 국소 결핍은 플로우 배터리의 애노드 전극의 국소 영역에서 전위가 변하게 할 수 있는 하나의 조건이다. 제2 전극(64) 및/또는 쌍극 판(52)의 카본과 같은 카본 재료, 임의의 금속 또는 금속 합금 또는 전기화학 전지(36)에서 부식 열화되기 쉬운 다른 재료들은 이 과전위 조건에서 열화될 수 있고 궁극적으로 플로우 배터리(20)의 내구성이 악화된다. 열화의 원인이 되는 전기화학 메커니즘과 작동 환경은 당해 기술 분야의 숙련자에 의해 이해되므로 본원에서 더 상세하게 언급되지 않는다.
전기화학 전지(36)는 부식 열화를 일으키는 전위를 제어하는(예를 들어, 제한하는) 특징들을 포함한다. 도 3은 도 2에 도시된 섹션에 따른 제1 전극(62)과 제2 전극(64)의 단면을 도시한다. 제1 전극(62)은 제1 액체 전해질(22)에 대해 촉매 활성인 영역(A1)을 갖고 제2 전극(64)은 제2 액체 전해질(26)에 대해 촉매 활성인 영역(A2)을 갖는다. 영역(A1)은 영역(A2) 보다 크다. 분리기(66)는 또한 이 예에서 영역(A1)과 동일한 영역(A3)을 갖는다.
영역(A1)을 영역(A2) 보다 크게 선택하는 것은 캐소드액[액체 전해질(26)]이 제2 전극(64) 내에 존재하는 어느 곳에서든지 애노드액의 국소 결핍이 제한되거나 방지되도록 애노드액[제1 전해질(22)]이 또한 제1 전극(62) 내에 존재하는 것을 보장한다. 따라서, 영역(A1)을 영역(A2) 보다 크게 설정하는 것은 부식 열화를 일으키는 전위를 제어하여 플로우 배터리(20)의 내구성을 향상시킨다.
각각의 전극(62, 64)들이 촉매 활성인 영역(A1, A2)들, 또는 "유효 영역들"은 각각의 액체 전해질(22, 26)을 수용하기 위한 개방 다공성을 갖는 영역이다. 아래에 설명된 바와 같이, 영역(A1, A2)들은 전극(62, 64)들의 물리적 크기에 의해, 또는 유효 영역들의 주연부의 크기에 의해, 또는 양자에 의해 형성될 수 있다.
추가 실시예에서, 차등 영역(A1, A2)에 따라, 제1 쌍극 판(50)은 제2 쌍극 판(52) 보다 더 큰 유동장을 선택적으로 포함한다. 유동장의 영역은 각각의 쌍극 판(50, 52)의 모든 채널(54)들을 둘러싸는 주연부에 의해 형성된다. 도 2에서, 제1 쌍극 판(50)의 유동장의 영역은 "50a"로 표시되고 제2 쌍극 판(52)의 유동장의 영역은 "52a"로 표시된다.
도 3에 도시된 예에서, 전극(62, 64)은 각각의 에지(62a, 64a)들 사이에서 연장된다. 도시된 대로, 에지(62a, 64a)들은 4개의 변에서 연장되고, 따라서 전극(62, 64)들은 각각 정방형 형상으로 제공되나, 다른 형상들이 대안적으로 선택될 수 있다. 제2 전극(64)의 에지(64a)들은 제1 전극(62)의 에지(62a)에 대해 안쪽으로 후퇴되어 있다. 따라서, 이 실시예의 영역(A1, A2)들은 에지(62a, 64a)들에 의해 그리고 따라서 전극(62, 64)의 물리적인 크기에 의해 형성된다. 추가 실시예에서, 에지(64a)들은 에지(62a)들로부터 안쪽으로 균일한 거리만큼 후퇴되어 제2 전극(64)의 주연부 주위에 실질적으로 균일한 밴드(65)가 존재한다.
도 4에 도시된 또 다른 예에서는, 후퇴 거리가 제2 전극(64) 주위에서 균일하지 않아서 적어도 일 면 상의 후퇴 거리가 다른 면 상의 후퇴 거리보다 더 크다. 예를 들어, 에지(62a, 64a)들 사이의 후퇴 거리는 전극(62, 64)들 주위에서 균일하지 않다. 비교하면, 도 3에 도시된 예에서, 에지(64a)들은 에지(62a)로부터 안쪽으로 균일한 거리로 후퇴된다. 추가 실시예에서, 설계된 후퇴 거리는 예상되는 제조 공차로부터 발생할 수 있는 최대 후퇴 보다 약간 더 커야 한다.
도 5에 도시된 또 다른 예에서, 프레임 실(66)들은 영역(A1, A2)들을 형성한다. 프레임 실(66)들은 각각의 전극(62, 64)의 외주연부 주위에서 연장된다. 일 예로써, 각각의 프레임 실(66)은 액체 전해질(22, 26)의 이탈을 방지하기 위해서 전극(62, 64)의 에지(62a, 64a) 내부로 주입되는 폴리머 재료와 같은 실 재료를 포함한다. 실 재료는 전극(62, 64)의 세공으로 침투하고, 고형화 시에 액체 전해질이 전극(62 또는 64)의 그 부분으로 유입되는 것을 방지하거나 실질적으로 방지한다. 따라서, 전극(62, 64)의 프레임 실(66)들의 영역들은 촉매 활성이 아니고 따라서 전기화학 반응에 참여하기 위한 전극(62, 64)의 유효 영역의 부분이 아니다.
프레임 실(66)은 영역(A1, A2)의 주연부 경계부 역할을 한다. 실 재료가 제1 전극(62) 보다 제2 전극(64) 내부로 더 큰 평면 내 거리를 침투하도록 실 재료의 함침이 제어될 수 있다. 즉, 평면 내 방향으로, 제1 전극(62)의 프레임 실(66)의 두께는 제2 전극(64)의 프레임 실(66)의 두께보다 작다. 도면에서, 62b는 영역(A1)의 주연부를 나타내고 64b는 영역(A2)의 주연부를 나타낸다.
도 6은 주연부(62b, 64b)의 또 다른 단면을 도시한다. 도시된 대로, 에지(64a, 62a)의 후퇴와 유사하게, 제2 전극(64)의 주연부(64b)는 제1 전극(62)의 영역(A1)의 주연부(62b)로부터 안쪽으로 후퇴되어 있다. 따라서, 에지(62a, 64a)들은 동일 평면 상에 있거나 또는 그렇지 않을 수도 있지만, 주연부(62b, 64b)들은 A1와 A2 사이의 영역에서 상이한 영역을 달성하기 위해 동일 평면 상에 있지 않는다.
특징들의 조합이 설명된 예들에 개시되었지만, 본 개시내용의 다양한 실시예들의 이점들을 실현하기 위해 그 모두가 조합되어야 할 필요는 없다. 즉, 본 개시내용의 실시예에 따라 설계된 시스템은 반드시 도면들 중 어느 하나에 도시된 모든 특징들 또는 도면들에 개략적으로 도시된 모든 부분들을 포함하지는 않는다. 게다가, 일 실시예의 선택된 특징들은 다른 실시예의 특징들과 조합될 수 있다.
상기 설명은 성질을 한정하기보다는 예시적인 것이다. 개시된 예들의 변형과 변경들이 반드시 본 개시내용의 본질을 벗어나는 것이 아님이 당해 기술 분야의 숙련자에게 명백해질 것이다. 본 개시내용에 주어진 법적 보호의 범위는 이하의 특허청구 범위를 연구함으로써만 결정될 수 있다.

Claims (13)

  1. 플로우 배터리이며,
    제1 전극, 제1 전극으로부터 이격되는 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 이들과 접촉하여 배치되는 분리 층을 포함하는 적어도 하나의 전기화학 전지와,
    제1 저장부와 제2 저장부로서, 적어도 하나의 전기화학 전지의 외부에 있고, 적어도 하나의 전기화학 전지와 각각 유체 연결되어 제1 및 제2 전해질을 공급하고, 제1 및 제2 전해질의 적어도 하나는 액체 전해질인, 제1 저장부와 제2 저장부를 포함하고,
    제1 저장부 또는 제2 저장부의 적어도 하나는 공급 라인 및 복귀 라인을 통해 적어도 하나의 전기화학 전지와 연결되어, 적어도 하나의 전기화학 전지를 통해 액체 전해질을 순환시키고,
    제1 전극은 제1 전해질에 대해 촉매 활성인 영역(A1)을 갖고 제2 전극은 제2 전해질에 대해 촉매 활성인 영역(A2)을 갖고, 영역(A1)은 영역(A2)보다 크고,
    제1 전극은 전극들의 에지 정렬에 대해 제2 전극과 동일 평면 상에 있지 않는
    플로우 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 전극은 애노드 전극이고 제2 전극은 캐소드 전극인
    플로우 배터리.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    영역(A2)의 주연부는 영역(A1)의 주연부로부터 안쪽으로 후퇴된
    플로우 배터리.
  5. 제4항에 있어서,
    영역(A2)의 주연부는 영역(A1)의 주연부 주위에서 균일한 거리로 후퇴된
    플로우 배터리.
  6. 제4항에 있어서,
    영역(A2)의 주연부는 영역(A1)의 주연부 주위에서 균일하지 않은 거리로 후퇴된
    플로우 배터리.
  7. 제1항에 있어서,
    제2 전극의 에지들은 제1 전극의 에지들로부터 안쪽으로 후퇴된
    플로우 배터리.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 전극과 제2 전극은 영역(A1) 및 영역(A2)을 각각 제공하기 위해 제1 전극과 제2 전극으로 각각 함침되는 실 재료를 포함하는 프레임 실을 각각 포함하고, 프레임 실은 제1 전극의 프레임 실의 평면 내 두께가 제2 전극의 프레임 실의 평면 내 두께보다 작도록 제1 전극과 제2 전극 각각의 에지에서 평면 내 두께를 갖는
    플로우 배터리.
  9. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 전기화학 전지는 제1 전극에 인접하여 배치되는 제1 쌍극 판과 제2 전극에 인접하여 배치되는 제2 쌍극 판을 포함하고, 제1 쌍극 판은 제1 유동장을 포함하고 제2 쌍극 판은 제1 유동장이 연장되는 영역보다 작은 영역에 걸쳐 연장되는 제2 유동장을 포함하는
    플로우 배터리.
  10. 제1항에 있어서,
    분리기는 이온 교환막인
    플로우 배터리.
  11. 제1항에 있어서,
    분리기는 영역(A1)과 동일한 영역(A3)을 갖는
    플로우 배터리.
  12. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 전해질의 하나는 수소 및 공기로부터 선택되는 기체인
    플로우 배터리.
  13. 제1항에 기재된 플로우 배터리의 열화를 제어하는 방법이며,
    제1 전극은 전극들의 에지 정렬에 대해 제2 전극과 동일 평면 상에 있지 않도록 하는 단계 및
    영역(A1)이 영역(A2) 보다 크도록 제1 전극이 제1 전해질에 대해 촉매 활성인 영역(A1)을 갖게 하고 제2 전극이 제2 전해질에 대해 촉매 활성인 영역(A2)을 갖게 함으로써 플로우 배터리 전기화학 전지 구성요소의 부식을 일으키는 전위를 제어하는 단계를 포함하는
    플로우 배터리의 열화를 제어하는 방법.
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