KR101722153B1 - 전해액 주입 필터 및 이를 이용한 아연-브롬 레독스 흐름전지 - Google Patents

전해액 주입 필터 및 이를 이용한 아연-브롬 레독스 흐름전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해액 주입 필터 및 이를 이용한 아연-브롬 레독스 흐름전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수상(aqueous phase) 양극 전해액과 2 단계(2nd phase) 양극 전해액에 포함된 폴리 브로마이드(polybromide)의 균질한 혼합을 위한 것으로서 내부에 메시(mesh)가 구비되는 것을 특징으로 하는 전해액 주입 필터 및 이를 이용한 아연-브롬 레독스 흐름전지를 제공한다.
이에 의하면, 폴리 브로마이드를 포함하는 양극 전해액을 균질하게 전지의 스택에 공급하여, 전지의 성능을 향상시킬 뿐 아니라, 전지의 충방전 시 양극 전해액 공급펌프 부하의 증가 폭을 감소시켜 전지의 전체 시스템의 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 전해액 주입 필터 및 이를 이용한 아연-브롬 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다.

Description

전해액 주입 필터 및 이를 이용한 아연-브롬 레독스 흐름전지{fiter for injecting electrolyte and zinc-bromine redox battery using the same}
본 발명은 전해액 주입 필터 및 이를 이용한 아연-브롬 레독스 흐름전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아연-브롬 레독스 흐름전지의 스택에 균질한 양극 전해액을 공급하여 전지의 성능을 향상시키고 아연-브롬 레독스 흐름전지 전체 시스템의 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 전해액 주입 필터 및 이를 이용한 아연-브롬 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
화석 연료를 사용하여 대량의 온실 가스 및 환경 오염 문제를 야기하는 화력 발전이나 시설 자체의 안정성이나 폐기물 처리의 문제점을 갖는 원자력 발전 등의 기존 발전 시스템들이 다양한 한계점을 드러내면서 보다 친화경적이고 높은 효율을 갖는 에너지의 개발과 이를 이용한 공급 시스템의 개발에 대한 연구가 크게 증가하고 있다.
특히, 전력 저장 기술은 외부 조건에 큰 영향을 받는 재생 에너지를 보다 다양하고 넓게 이용할 수 있도록 하며 전력 이용의 효율을 보다 높일 수 있어서, 이러한 기술 분야에 대한 개발이 집중되어 있으며, 이들 중 2 차 전지에 대한 관심 및 연구 개발이 크게 증가하고 있는 실정이다.
레독스 흐름전지는 활성 물질의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 전환할 수 있는 산화/환원 전지를 의미하며, 태양광, 풍력 등 외부 환경에 따라 출력 변동성이 심한 신재생 에너지를 저장하여 고품질 전력으로 변환할 수 있는 에너지 저장시스템이다. 구체적으로, 레독스 흐름전지에서는 산화/환원 반응을 일으키는 활물질을 포함한 전해액이 반대 전극과 저장 용기 사이를 순환하며 충방전이 진행된다.
이러한 레독스 흐름전지는 기본적으로 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장된 용기와 충방전시 활물질을 순화시키는 펌프, 그리고 분리막으로 분획되는 단위셀이 장착된 스택을 포함하며, 상기 단위셀은 전극, 전해질 및 분리막을 포함한다.
아연-브롬 레독스 흐름전지의 성능에 가장 큰 영향을 주는 요소 중 하나는 폴리 브로마이드를 포함하는 양극 전해액을 보다 균질한 상태로 스택에 공급하는 것이라 할 수 있다.
그러나 폴리 브로마이드는 전지의 충전 시에 양극 전해액의 저장용기 내에서 침전하게 되므로 이를 포함하는 양극 전해액의 균질한 공급이 어려워, 전지의 성능을 저하시키고, 전지의 충방전 시 양극 전해액 공급펌프 부하의 증가 폭을 증가시켜 아연-브롬 레독스 흐름전지 전체 시스템의 에너지 효율을 감소시키는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폴리 브로마이드를 포함하는 양극 전해액을 균질하게 전지의 스택에 공급하여, 전지의 성능을 향상시킬 뿐 아니라, 전지의 충방전 시 양극 전해액 공급펌프 부하의 증가 폭을 감소시켜 전지의 전체 시스템의 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 전해액 주입 필터 및 이를 이용한 아연-브롬 레독스 흐름전지를 제공하는 것이다.
전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 필터 및 이를 이용한 아연-브롬 레독스 흐름전지는, 수상(aqueous phase) 양극 전해액과 2 단계(2nd phase) 양극 전해액에 포함된 폴리 브로마이드(polybromide)의 균질한 혼합을 위한 것으로서 내부에 메시(mesh)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 필터 및 이를 이용한 아연-브롬 레독스 흐름전지에 의하면, 폴리 브로마이드를 포함하는 양극 전해액을 균질하게 전지의 스택에 공급하여, 전지의 성능을 향상시킬 뿐 아니라, 전지의 충방전 시 양극 전해액 공급펌프 부하의 증가 폭을 감소시켜 전지의 전체 시스템의 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 전해액 주입 필터 및 이를 이용한 아연-브롬 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입필터가 아연-브롬 레독스 흐름전지에 배치된 모습을 나타낸 개략적인 개념도이다.
도 2a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 필터의 사시도이다.
도 2b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 필터의 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 필터 장착 전의 전해액 공급펌프 부하를 보이기 위한 도면이다.
도 4 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 필터 장착 후의 전해액 공급펌프 부하를 보이기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입필터가 아연-브롬 레독스 흐름전지에 배치된 모습을 개략적으로 나타낸 개념도이며, 음극 전해액 측의 도시는 생략하였다.
아연-브롬 레독스 흐름전지의 양극 전해액은 수상(aqueous phase) 양극 전해액과 2 단계(2nd phase) 양극 전해액으로 이루어지며, 이들은 각각 수상(aqueous phase) 양극 전해액 저장용기와 2 단계(2nd phase) 양극 전해액 저장용기에 각각 나뉘어 저장된다.
상기 수상 양극 전해액은 아연 이온(Zn2 +)과 브롬 이온(Br-) 및 염소 이온(Cl-)이 1 ~ 3M의 농도로 물에 녹아 있는 성분을 가진다.
또한 상기 2 단계 양극 전해액은 반응이 없는 상태인 충전 초기(방전 말기)에는 아연 이온(Zn2 +)과 브롬 이온(Br-) 및 염소 이온(Cl-)의 성분을 가지지만, 충전 후에는 폴리 브로마이드(polybromide)가 생성되어 상기 2 단계 양극 전해액 저장용기에 침전되게 된다.
즉, 상기 2 단계 양극 전해액은 전지의 충전 및 방전 단계에 따라 2 가지의 상을 가지게 되는 것이다.
한편, 전지의 방전 시에는 상기 2 단계 양극 전해액 측의 밸브가 열리면서 폴리 브로마이드를 포함하는 2 단계 양극 전해액과 상기 수상 양극 전해액이 합류되어 스택(stack)에 공급되게 되며, 상기 스택에서 음극 전해액과 전기화학적 반응에 의하여 전기를 생성 공급하게 된다.
상기와 같이 폴리 브로마이드를 포함하는 2 단계 양극 전해액과 상기 수상 양극 전해액이 스택에 공급되는 경우에, 상기 폴리 브로마이드와 상기 수상 양극 전해액의 혼합이 균일하지 않은 경우 전지의 성능이 저하되게 된다.
또한 상기 스택에 양극 전해액의 공급을 위하여 양극 전해액 공급 펌프가 설치되는데, 상기 폴리 브로마이드와 상기 수상 양극 전해액의 혼합이 균일하지 않으면 전지의 방전 시에 상기 양극 전해액 공급펌프의 부하가 급격하게 증가하게 되어 아연-브롬 레독스 흐름전지 전체 시스템의 에너지 효율을 감소시키게 되는 문제가 있다.
본 발명은 전지의 성능을 향상시키기 위하여 상기 스택에 공급되는 상기 폴리 브로마이드를 포함하는 상기 2 단계 양극 전해액과 상기 수상 양극 전해액을 균일하게 혼합해주는 전해액 주입 필터를 상기 2 단계 양극 전해액 및 상기 수상 양극 전해액의 합류지점과 상기 스택 사이에, 바람직하게는 양극 전해액 공급펌프에 공급되는 양극 전해액의 점도를 일정하게 유지하여 양극 전해액 공급펌프의 부하의 증가 폭을 감소시키기 위하여 상기 양극 전해액 공급펌프 및 상기 합류지점 사이에 설치하는 것으로서, 이하 도 2a 및 도 2b 와 함께 상기 전해액 주입 필터에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2a 및 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 필터의 사시도 및 단면도이다.
도 2a 및 도 2b 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 전해액 주입 필터(1)는 상기 2 단계 양극 전해액과 상기 수상 양극 전해액이 흐르는 중공관(10), 상기 중공관에 삽입 또는 장착되는 메시(mesh)(11, 12), 상기 중공관(10)을 지지하기 위한 지지부재(20) 및 상기 중공관(10) 및 상기 지지부재(20)를 고정하기 위한 고정부재(30)로 구성될 수 있다.
상기 중공관(10)은 유리 소재로 제작될 수 있으며, 상기 지지부재(20) 및 상기 고정부재(30)는 각각 상기 중공관(10) 소재의 강도가 낮은 경우 상기 중공관(10)의 주변에 배치되어 상기 중공관(10)을 지지 및 상기 중공관(10)과 상기 지지부재(20)를 일체로 연결하여 고정하기 위한 것으로서, 상기 지지부재(20) 및 상기 고정부재(20)는 일반적으로 사용되는 형상 또는 방법 등에 의할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 메시(11, 12)는 망사 또는 그물 등의 형상을 가지며, 다양한 소재에 의하여 제작될 수 있고, 다수개의 메시(11, 12)를 겹쳐서 사용하는 것도 가능하다.
한편 상기 메시(11, 12)는 상기 중공관(10)의 내부에 상기 중공관(10)의 내주부를 따라 나권형으로 삽입되는 혼합용 메시(11)과, 상기 중공관(10)의 말단 부분에 상기 중공관(10)과 수직하게 장착되는 분산용 메시(12)로 구성될 수 있다.
상기 분산용 메시(12)는 상기 2 단계 양극 전해액에 포함된 폴리 브로마이드를 1 차적으로 분산시키는 역할을, 상기 혼합용 메시(11)는 분산된 폴리 브로마이드와 상기 수상 양극 전해액을 균일하게 혼합하는 역할을 수행하게 된다.
상기와 같은 구성에 의하여, 상기 전해액 주입 필터(1)가 결과적으로 상기 전지의 스택에 균질한 양극 전해액을 공급해주고, 이에 의하여 전지의 성능이 향상되고 양극 전해액 공급펌프의 부하 증가가 감소되는 것이다.
이와 관련하여, 전해액 주입 필터가 아연-브롬 레독스 흐름전지에 장착되기 전후의 아연-브롬 레독스 흐름전지의 성능을 표 1에 기재하였다.
상기 성능의 측정 시 아연-브롬 레독스 흐름전지의 조건은 셀 수 8개, 전극면적 858cm2, 전류밀도 20mA/cm2, 인가 전류 20A 로 하였다.
또한 전해액 공급 펌프의 전압은, 전해액 주입 필터 장착 전에는 양극 전해액 공급펌프 15.1V, 음극 전해액 공급펌프 14.9V 로 하였으며, 전해액 주입 필터 장착 후에는 양극 전해액 공급펌프 15.6V, 음극 전해액 공급펌프 15.1V 로 하였다.
에너지효율 전류효율 전압효율
장착 전 71.8 88.2 80.8
장착 후 73 90 81
차이 + 1.2% + 1.8% +0.2
표 1 에서 보는 바와 같이, 전류효율의 증가 폭이 전압효율의 증가 폭 보다 크다는 것을 통해 두 전해액의 균일한 혼합으로 인해 스택 내부에서 전해액의 전기화학반응이 향상되었다는 것을 확인할 수 있었다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 주입 필터 장착 전 및 후의 전해액 공급펌프 부하를 보이기 위한 도면이며, 상기 전해액 공급펌프의 부하를 측정하기 위하여 정전압(constant voltage) 상태에서 전해액 공급펌프의 전류(current)값을 측정하였다.
도 4 에 나타난 전류값은 도 3 에 나타난 전류값과 비교하여, 방전(discharge) 시에 전류값 자체는 다소 상승하였지만(이는 전해액 주입 필터 내부에 삽입된 메시에 의하여 양극 전해액이 흐르는 중공관의 단면적이 감소하였기 때문이라 판단됨), 전류값 증가 폭은 크게 감소되는 것을 확인할 수 있었으며, 이에 의하여 양극 전해액 공급펌프(Br site)의 부하의 증가 폭이 크게 감소되는 것을 알 수 있었다(음극 전해액 공급펌프(Zn site) 에 대한 설명은 생략함).
결과적으로, 상기 실험에 의하여 전해액 주입 필터의 장착에 의하여 아연-브롬 레독스 흐름전지의 성능이 향상되고, 양극 전해액 공급펌프 부하의 증가 폭이 감소하여 아연-브롬 레독스 흐름전지 전체 시스템의 에너지 효율이 증가하는 효과를 확인하였다.
1 : 전해액 주입 필터
10 : 중공관
11 : 분산용 메시
12 : 혼합용 메시
20 : 지지부재
30 : 고정부재

Claims (7)

  1. 아연-브롬 레독스 흐름전지의 수상(aqueous phase) 양극 전해액과 2 단계(2nd phase) 양극 전해액에 포함된 폴리 브로마이드(polybromide)의 균질한 혼합을 위한 것으로서, 내부에 메시(mesh)가 구비되고,
    상기 2 단계 양극 전해액과 상기 수상 양극 전해액이 흐르는 중공관을 포함하고,
    상기 메시는, 상기 중공관의 내부에 내주부를 따라 나권형으로 삽입되거나, 상기 중공관의 말단 부분에 상기 중공관과 수직하게 장착되는 것을 특징으로 하는 전해액 주입 필터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 메시가 상기 중공관의 내부에 내주부를 따라 나권형으로 내주부를 따라 나권형으로 삽입 및 상기 중공관의 말단 부분에 상기 중공관과 수직하게 장착되는 것을 특징으로 하는 전해액 주입 필터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해액 주입 필터는 상기 수상 양극 전해액 및 상기 2 단계 양극 전해액의 합류지점과 상기 아연-브롬 레독스 흐름전지의 스택 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 전해액 주입 필터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 합류지점 및 상기 스택 사이에는 양극 전해액 공급 펌프가 설치되며, 상기 전해액 주입 필터는 상기 양극 전해액 공급 펌프 및 상기 합류지점 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 전해액 주입 필터.
  7. 제 1 항 및 제 4 항 내지 제 6항 중 어느 한 항의 전해액 주입 필터를 이용하는 것을 특징으로 하는 아연-브롬 레독스 흐름전지.
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