KR101736539B1 - Module for regulating concentration of electrolyte and method for regulating concentration of electrolyte for flow battery using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액 저장부에서 소량의 전해액을 취출하여 농도 구배를 사전에 확인하고, 전해액 간의 농도 균형이 이루어질 수 있도록 사전에 이온 농도 조절제를 제공함으로써, 농도 구배에 의한 삼투 현상을 미연에 방지하고 그로 인해 플로우 배터리의 용량을 증가시킬 수 있는 전해액 농도 조절 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 관한 것이다. The present invention provides an ion concentration adjusting agent in advance so that a small amount of electrolytic solution is taken out from a cathode and a cathode electrolyte storage portion of a flow battery to confirm a concentration gradient in advance and a concentration balance between electrolytes can be achieved, To an electrolyte concentration control module capable of increasing the capacity of a flow battery, and a method for adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery using the same.

Description

플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 농도 조절 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법{Module for regulating concentration of electrolyte and method for regulating concentration of electrolyte for flow battery using the same} [0001] The present invention relates to an electrolyte concentration control module applicable to a flow battery, and a method of controlling an electrolyte concentration balance of a flow battery using the same,

본 발명은 전해액 농도 조절 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액 저장부에서 소량의 전해액을 취출하여 농도 구배를 사전에 확인하고, 전해액 간의 농도 균형이 이루어질 수 있도록 사전에 이온 농도 조절제를 제공함으로써, 농도 구배에 의한 삼투 현상을 미연에 방지하고 그로 인해 플로우 배터리의 용량을 증가시킬 수 있는 전해액 농도 조절 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 관한 것이다.
[0001] The present invention relates to an electrolyte concentration control module and a method for adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery using the electrolyte concentration control module. More particularly, the present invention relates to an electrolyte concentration control module, An electrolytic solution concentration control module capable of preventing an osmosis phenomenon due to a concentration gradient and thereby increasing a capacity of a flow battery by providing an ion concentration adjusting agent in advance so that a concentration balance between the electrolytic solutions can be achieved, The present invention relates to a method for adjusting concentration balance.

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. Power storage technology is an important technology for efficient use of energy, such as efficient use of power, improvement of power supply system's ability and reliability, expansion of new and renewable energy with a large fluctuation over time, energy recovery of mobile body, There is a growing demand for possibilities and social contributions.

마이크로 그리드와 같은 반 자율적인 지역 전력 공급 시스템의 수급 균형의 조정 및 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. The supply and demand balances of semi-autonomous regional electricity supply systems such as micro grid and the uneven output of renewable energy such as wind power and solar power are appropriately distributed and voltage and frequency fluctuations Researches on secondary batteries have been actively conducted to control the influence of secondary batteries, and expectations for utilization of secondary batteries are increasing in these fields.

특히 대용량 전력 저장용으로 사용될 이차 전지에 요구되는 특성을 살펴보면, 에너지 저장 밀도가 높아야 하며 이러한 특성에 적합한 고용량 및 고효율의 이차 전지로서 레독스 플로우 배터리(RFB, redox flow battery)가 최근들어 각광받고 있는 실정이다. Particularly, the characteristics required for a secondary battery to be used for a large-capacity power storage have to be high in energy storage density, and a redox flow battery (RFB) as a secondary battery with high capacity and high efficiency suitable for such characteristics has recently been attracting attention It is true.

레독스 플로우 배터리도 일반적인 이차 전지와 동일하게 충전 과정을 통하여 입력된 전기 에너지를 화학 에너지로 변환시켜 저장하고, 방전 과정을 통하여 기저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 출력하게 된다. 그러나, 이러한 레독스 플로우 배터리는 에너지를 보유하고 있는 전극 활물질이 고체 상태가 아닌 액체 상태로 존재하기 때문에 전극 활물질을 저장하는 탱크 혹은 보관 용기가 필요하다는 점에서 일반적인 이차 전지와는 상이하다. The redox flow battery converts the electrical energy input through the charging process into chemical energy and stores it, and converts the stored chemical energy into electric energy through the discharging process. However, such a redox flow battery is different from a general secondary battery in that a tank or a storage container for storing an electrode active material is required because an electrode active material having energy is present in a liquid state rather than a solid state.

이와 같이, 레독스 플로우 배터리는 대용량화가 가능하며, 유지 보수 비용이 적고, 상온에서 작동 가능하며, 그리고 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 이차 전지로 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다. As such, the redox flow battery is capable of large capacity, low maintenance cost, can operate at room temperature, and can design the capacity and output independently. Therefore, many studies have been made with the large capacity secondary battery .

이 중에서도, 바나듐 이온을 이용하는 바나듐 레독스 플로우 배터리가 차세대 에너지 저장 장치로서 각광을 받고 있으나, 바나듐 이온의 분리막(혹은 이온교환막) 크로스오버(cross-over) 현상, 음극에서의 수소 발생, 그리고 공기 노출시 바나듐 이온의 산화 반응 등으로 레독스 플로우 배터리의 용량 저하가 발생하는 문제점 있어 이를 개선하려는 연구가 지속적으로 진행되고 있는 실정이다. Among them, the vanadium redox flow battery using vanadium ion receives the light as a next-generation energy storage device, but the cross-over phenomenon of the vanadium ion separation membrane (or ion exchange membrane), the hydrogen generation at the cathode, There is a problem in that the capacity of the redox flow battery is lowered due to the oxidation reaction of the vanadium ion in the city.

더욱이, 음극과 양극에 각각 적용되는 바나듐 전해액은 작동 중에 부피 변화가 관찰되는데, 이러한 현상은 막연히 분리막을 통과하는 물과 바나듐 이온의 크로스오버 현상으로 생각되어왔다. 하지만, 보다 근본적인 이유는 음극과 양극에 각각 적용되는 바나듐 전해액의 농도 구배(concentration gradient)에 의한 삼투 현상이 주원인으로 파악된다. 구체적으로 바나듐 레독스 플로우 배터리의 전해액에서는 증류수 및 황산과 같은 용매의 이동이 양쪽 전해액 간 부피 불균형을 초래하는 가장 큰 이유가 되며, 이러한 용매의 이동 시 바나듐 이온이 함께 이동되면서 바나듐 전해액 중 바나듐 이온의 균형을 붕괴시켜, 결과적으로 바나듐 레독스 플로우 배터리의 용량을 감소시키게 되는 문제점을 발생시키게 된다.
Moreover, the volume change of the vanadium electrolyte applied to the cathode and the anode is observed during operation, and this phenomenon has been considered to be a crossover phenomenon of water and vanadium ions vaguely passing through the separator. However, the more fundamental reason is the osmotic phenomenon caused by the concentration gradient of the vanadium electrolyte applied to the cathode and the anode, respectively. Specifically, in the electrolytic solution of the vanadium redox flow battery, the movement of the solvent such as distilled water and sulfuric acid is the main reason for the volume imbalance between the electrolytic solution of both the electrolytic solution and the vanadium ion. Causing the balance to be disrupted and consequently reducing the capacity of the vanadium redox flow battery.

한국특허공개 제10-2014-0016918호Korean Patent Publication No. 10-2014-0016918

본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액 저장부에서 소량의 전해액을 취출하여 농도 구배를 사전에 확인하고, 전해액 간의 농도 균형이 이루어질 수 있도록 사전에 이온 농도 조절제를 제공함으로써, 농도 구배에 의한 삼투 현상을 미연에 방지할 수 있는 전해액 농도 조절 모듈을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the problems described above, and it is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for removing a small amount of electrolytic solution from a negative electrode and a positive electrode electrolytic solution storage portion of a flow battery, Which is capable of preventing an osmosis phenomenon due to a concentration gradient in advance by providing an ion concentration adjusting agent in advance so as to be able to prevent the osmosis phenomenon.

또한 본 발명의 목적은, 상기의 전해액 농도 조절 모듈을 이용함으로써 농도 구배에 의한 삼투 현상을 미연에 방지하고 그로 인해 플로우 배터리의 용량을 증가시킬 수 있는 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법을 제공하는 것이다.
It is also an object of the present invention to provide a method for adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery capable of preventing the osmosis phenomenon by the concentration gradient by using the above described electrolyte concentration control module and thereby increasing the capacity of the flow battery .

본 발명은 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 농도 조절 모듈에 있어서, 일측이 음극 전해액 저장부에 연결 가능하고, 타측이 양극 전해액 저장부에 연결 가능한 취출관; 상기 취출관에 연결되어 음극 및 양극 전해액을 각각 보관 가능하게 구성되는 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부; 및 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 사이에 위치하며, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 각각 보관되는 음극 및 양극 전해액의 혼합 여부를 조절하는 제1 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to an electrolytic solution concentration adjusting module applicable to a flow battery, comprising: a take-out tube having one side connected to a catholyte storage and a second side connected to a catholyte storage; A pair of negative electrodes and a positive electrode electrolyte reservoir connected to the take-out tube and configured to store a negative electrode and a positive electrode electrolyte, respectively; And a first valve positioned between the pair of cathodes and a cathode electrolyte reservoir and controlling mixing of the cathode and the anode electrolyte stored in the pair of cathodes and the anode electrolyte reservoir, do.

바람직하게는, 상기 전해액 농도 조절 모듈은, 상기 제1 밸브를 개방하여 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 수용된 상기 음극 및 양극 전해액을 혼합시켜 상기 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써, 상기 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the electrolyte concentration adjusting module measures the degree of diffusion of the cathode and the anode electrolyte by mixing the cathode and the anode electrolyte contained in the pair of cathodes and the anode electrolyte reservoir by opening the first valve, And a concentration gradient between the negative electrode and the positive electrode electrolyte is confirmed.

바람직하게는, 상기 전해액 농도 조절 모듈은, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 수용된 상기 음극 및 양극 전해액이 혼합되는 경우 상기 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정하는 모니터링부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the electrolyte concentration control module further includes a monitoring unit for measuring a degree of diffusion of the negative electrode and the positive electrode electrolyte when the negative electrode and the positive electrode electrolyte contained in the negative electrode and the positive electrode electrolyte reservoir are mixed, .

바람직하게는, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에는 수용된 음극 및 양극 전해액의 부피를 측정할 수 있도록 눈금 형태의 계측부가 제공되는 것을 특징으로 한다. Preferably, the pair of cathodes and the positive electrode electrolyte reservoir are provided with a measuring unit in the form of a scale so that the volume of the negative electrode and the positive electrode electrolyte contained therein can be measured.

바람직하게는, 상기 전해액 농도 조절 모듈은, 상기 농도 구배에 근거하여, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the electrolyte concentration regulating module provides the ion concentration regulating agent to at least one of the pair of the negative electrode and the positive electrode electrolyte reservoir based on the concentration gradient.

바람직하게는, 상기 전해액 농도 조절 모듈은, 상기 농도 구배에 근거하여, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 이온 농도 조절제 투입부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the electrolyte concentration adjusting module further comprises an ion concentration adjusting agent injecting section for providing an ion concentration adjusting agent to at least one of the pair of the cathode and the anode electrolyte containing section based on the concentration gradient .

바람직하게는, 상기 전해액 농도 조절 모듈은, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 위치하는 전해액과 상기 이온 농도 조절제를 교반할 수 있는 교반 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the electrolyte concentration regulating module further comprises an agitator capable of agitating the electrolytic solution located in the pair of cathodes and the cathodic electrolytic solution containing section and the ion concentration regulating agent.

바람직하게는, 상기 교반 장치는 임펠라(impeller), 아지테이터(agitator) 및 마그네틱 스티러(magnetic stirrer) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다. Preferably, the stirring device is any one of an impeller, an agitator, and a magnetic stirrer.

바람직하게는, 상기 음극 전해액 저장부와 상기 음극 전해액 수용부 사이에는 제2 밸브가 제공되어, 상기 음극 전해액 저장부에 저장된 음극 전해액이 상기 음극 전해액 수용부로 취출되는 것을 조절하는 것을 특징으로 한다. Preferably, a second valve is provided between the negative electrode electrolyte reservoir and the negative electrode electrolyte reservoir to control the negative electrode electrolyte stored in the negative electrode electrolyte reservoir to be taken out to the negative electrode electrolyte reservoir.

바람직하게는, 상기 양극 전해액 저장부와 상기 양극 전해액 수용부 사이에는 제3 밸브가 제공되어, 상기 양극 전해액 저장부에 저장된 양극 전해액이 상기 양극 전해액 수용부로 취출되는 것을 조절하는 것을 특징으로 한다. Preferably, a third valve is provided between the positive electrode electrolyte reservoir and the positive electrode electrolyte reservoir to control the extraction of the positive electrode electrolyte stored in the positive electrode electrolyte reservoir into the positive electrode electrolyte reservoir.

바람직하게는, 상기 전해액 농도 조절 모듈은, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 보관되거나 혼합된 전해액을 외부로 배출할 수 있도록 구성되는 하나 이상의 배수부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the electrolyte concentration control module further comprises one or more drain portions configured to discharge an electrolyte solution stored or mixed in the pair of cathodes and the anode electrolyte reservoir.

바람직하게는, 상기 하나 이상의 배수부는 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 각각 제공되며, 그리고 전해액의 배출 여부를 조절할 수 있는 제4 밸브 및 제5 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. Preferably, the one or more drain portions are provided respectively in the pair of cathode and anode electrolyte containing portions, and further include a fourth valve and a fifth valve capable of controlling whether the electrolyte is discharged or not.

바람직하게는, 상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인것을 특징으로 한다. Preferably, the flow battery is a vanadium redox flow battery.

바람직하게는, 상기 이온 농도 조절제는 황산(H2SO4), 포름산(HCOOH), 질산(HNO3) 및 염산(HCl) 수용액 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. Preferably, the ionic concentration adjusting agent is at least one of an aqueous solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), formic acid (HCOOH), nitric acid (HNO 3 ) and hydrochloric acid (HCl).

본 발명은 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 있어서, (a) 취출관을 이용하여 음극 전해액 저장부 및 양극 전해액 저장부로부터 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부로 음극 전해액 및 양극 전해액을 취출하여 보관하는 단계; (b) 상기 보관된 음극 전해액 및 양극 전해액을 혼합시켜 상기 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써, 상기 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 단계; (c) 상기 혼합된 전해액을 외부로 배출하는 단계; 및 (d) 상기 (a) 단계를 재차 수행한 후, 상기 농도 구배에 근거하여, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery, comprising the steps of: (a) taking out a negative electrode electrolyte and a positive electrode electrolyte from a negative electrode electrolyte reservoir and a positive electrode electrolyte reservoir to a pair of negative electrodes and a positive electrode electrolyte reservoir using a take- ; (b) confirming a concentration gradient between the cathode and the anode electrolyte by mixing the stored cathode electrolyte and the anode electrolyte to measure the degree of diffusion of the cathode and the anode electrolyte; (c) discharging the mixed electrolyte to the outside; And (d) after the step (a) is performed again, providing an ion concentration adjusting agent to at least one of the pair of cathode and anode electrolyte containing parts based on the concentration gradient. .

바람직하게는, (e) 상기 (b) 단계, 상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계를 반복적으로 수행함으로써, 음극 전해액 및 양극 전해액의 농도 균형에 상응하는 이온 농도 조절제의 양을 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step of (e) determining the amount of the ion concentration-adjusting agent corresponding to the concentration balance of the cathode electrolyte and the cathode electrolyte by repeatedly performing the step (b), the step (c) ; ≪ / RTI >

바람직하게는, (f) 상기 결정된 이온 농도 조절제의 양에 근거하여, 상기 양극 전해액 저장부 및 음극 전해액 저장부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the method further comprises: (f) providing an ion concentration adjusting agent to at least one of the cathode electrolyte storage and cathode electrolyte storage, based on the determined amount of the ion concentration adjusting agent.

바람직하게는, 상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계 사이에는, 상기 취출관 및 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부를 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step (c) further comprises the step of washing the take-out tube, the pair of cathodes, and the cathode electrolyte containing portion between the step (c) and the step (d).

바람직하게는, 상기 (d) 단계에서, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 위치하는 전해액과 상기 이온 농도 조절제를 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step (d) further comprises stirring the electrolyte and the ion concentration adjusting agent in the pair of cathodes and the anode electrolyte reservoir.

바람직하게는, 상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인 것을 특징으로 한다.Preferably, the flow battery is a vanadium redox flow battery.

바람직하게는, 상기 이온 농도 조절제는 황산(H2SO4), 포름산(HCOOH), 질산(HNO3) 및 염산(HCl) 수용액 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
Preferably, the ionic concentration adjusting agent is at least one of an aqueous solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), formic acid (HCOOH), nitric acid (HNO 3 ) and hydrochloric acid (HCl).

일반적으로, ICP(Inductively coupled plasma, 고주파 유도 결합 플라즈마) 분광법으로 플로우 배터리에 적용되는 전해액의 농도(예를 들어, 바나듐 농도를 분석할 수 있으며, 이온크로마토그래피법(Ion Chromatography), pH meter, 혹은 지시약을 이용한 적정법으로 황산의 농도를 예측할 수 있다. 그러나, 공정이 복잡하다던지, pH meter법은 정확한 농도 계산이 어렵고, 적정법은 전해액 희석과 함께 적절한 지시약을 선정해야 한다는 번거로움이 있다는 문제점이 있다.Generally, the concentration of an electrolyte solution (for example, vanadium concentration can be analyzed by an inductively coupled plasma (ICP) spectroscopy), ion chromatography (Ion Chromatography), pH meter, or However, there is a problem in that the pH meter method is difficult to calculate the accurate concentration, and the titration method is troublesome in that it is necessary to select an appropriate indicator together with dilution of the electrolyte, because the process is complicated or the process is complicated .

한편, 본 발명에 따르면, 레독스 플로우 배터리 시스템 구축시에 매우 간단한 구성 요소만을 추가함으로써 음극 및 양극 전해액 간의 농도 구배를 용이하게 파악할 수 있으며, 이러한 음극 및 양극 전해액 간의 농도 균형이 이루어질 수 있도록 사전에 이온 농도 조절제를 제공함으로써, 농도 구배에 의한 삼투 현상을 미연에 방지할 수 있게 된다.According to the present invention, it is possible to easily grasp the concentration gradient between the cathode and the anode electrolyte by adding a very simple component at the time of constructing the redox flow battery system. By providing the ion concentration adjusting agent, the osmosis phenomenon due to the concentration gradient can be prevented in advance.

또한 그로 인해, 비교적 저렴한 비용으로 플로우 배터리의 용량을 증가시킬 수 있다는 효과가 발생하게 된다.
This also has the effect of increasing the capacity of the flow battery at a relatively low cost.

도 1은 레독스 플로우 배터리의 일반적인 구조를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)이 플로우 배터리에 적용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)을 확대한 개략도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법을 설명한 순서도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 따라 전해액 농도 균형을 조절한 경우와 그렇지 않은 경우에 대한 배터리 성능 시험 결과를 나타낸 그래프이다. 1 is a view schematically showing a general structure of a redox flow battery,
2 is a view schematically showing a state in which the electrolyte concentration control module 100 according to an embodiment of the present invention is applied to a flow battery,
3 is an enlarged schematic view of an electrolyte concentration control module 100 according to an embodiment of the present invention,
4 is a flowchart illustrating a method of adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery according to an embodiment of the present invention,
FIG. 5 is a graph showing battery performance test results for a case where the electrolyte concentration balance is adjusted according to the method of adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery according to an embodiment of the present invention, and the case where the electrolyte concentration balance is adjusted.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, a repeated description, a known function that may obscure the gist of the present invention, and a detailed description of the configuration will be omitted. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of the elements in the drawings and the like can be exaggerated for clarity. Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.

<전해액 농도 조절 모듈><Electrolyte concentration control module>

도 1은 레독스 플로우 배터리의 일반적인 구조를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)이 플로우 배터리에 적용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)을 확대한 개략도이다.
FIG. 1 is a view schematically showing a general structure of a redox flow battery, FIG. 2 is a view schematically showing a state in which an electrolyte concentration adjusting module 100 according to an embodiment of the present invention is applied to a flow battery 3 is an enlarged schematic view of an electrolyte concentration control module 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 일반적으로 레독스 플로우 배터리는 분리막(31)과 이러한 분리막(31)의 양쪽에 각각 위치하는 음극(32) 및 양극(33)을 포함하는 전극 어셈블리를 포함하고, 상기 음극(32)에 공급되는 음극 전해액을 수용 및 보관하는 음극 전해액 저장부(10) 및 상기 양극(33)에 공급되는 양극 전해액을 수용 및 보관하는 양극 전해액 저장부(20)를 포함한다. 1, a redox flow battery generally includes a separator 31 and an electrode assembly including a cathode 32 and an anode 33 located on both sides of the separator 31, And a positive electrode electrolytic solution storage unit 20 for receiving and storing the positive electrode solution supplied to the positive electrode 33. The negative electrode electrolytic solution storage unit 10 includes:

이때, 음극 전해액 저장부(10)에 저장되는 음극 전해액은 펌프(11)를 통하여 음극 전해액 유입구(41)를 통하여 음극(32)에 전달된 후 레독스 반응이 완료되면, 음극 전해액 유출구(51)를 통하여 다시 음극 전해액 저장부(10)로 이동하게 된다. 유사하게, 양극 전해액 저장부(20)에 저장되는 양극 전해액은 펌프(21)를 통하여 양극 전해액 유입구(42)를 통하여 양극(33)에 전달된 후 레독스 반응이 완료되면, 양극 전해액 유출구(52)를 통하여 다시 양극 전해액 저장부(20)로 이동하게 된다. At this time, the negative electrode electrolyte stored in the negative electrode electrolyte reservoir 10 is transferred to the negative electrode 32 through the negative electrode electrolyte inflow port 41 through the pump 11, and after the redox reaction is completed, To the cathode electrolyte storage part 10 through the cathode side. Similarly, the positive electrode electrolyte stored in the positive electrode electrolyte storage part 20 is transferred to the positive electrode 33 through the positive electrode electrolyte inflow port 42 through the pump 21, and after the redox reaction is completed, the positive electrode electrolyte outflow port 52 To the anode electrolyte storage part 20 through the anode side.

즉 레독스 플로우 배터리가 바나듐 레독스 플로우 배터리의 경우에는, 충전 반응시 양극(33)에서는 4가의 바나듐 이온이 산화되어 5가의 바나듐 이온으로 변환되고, 전자가 소모되며 수소 이온은 분리막(31)을 통하여 양극(33)에서 음극(32)으로 이동하는 산화 반응이 일어나게 되고, 음극(32)에서는 3가의 바나듐 이온이 전자를 받아들여 2가의 바나듐 이온으로 변환하는 환원반응이 일어나게 된다. 반면에 방전 반응시에는 상술된 반응과 반대로 바나듐 이온의 산화수가 변화되는 산화/환원 반응(즉 레독스 반응)이 일어남으로써 충전 및 방전을 효과적으로 수행된다. That is, when the redox flow battery is a vanadium redox flow battery, in the charging reaction, tetravalent vanadium ions are oxidized in the anode 33 to be converted into pentavalent vanadium ions and electrons are consumed, An oxidation reaction that moves from the positive electrode 33 to the negative electrode 32 occurs and the reduction reaction in which the trivalent vanadium ion accepts electrons and converts to the divalent vanadium ion occurs in the negative electrode 32. On the other hand, during the discharge reaction, the oxidation / reduction reaction (that is, the redox reaction) in which the oxidation number of the vanadium ion is changed, as opposed to the above-mentioned reaction, is performed, thereby charging and discharging are effectively performed.

여기서, 분리막(31)은 수소 이온은 전달시키고, 음극 및 양극 전해액의 양이온이 상대극으로 이동하는 것은 차단시켜주는 역할을 수행하며, 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20)는 상술된 바와 같이 각각 음극 및 양극 전해액을 저장하는 역할을 수행하며, 각 저장부의 내부 압력을 균등하게 분배하거나 작동 중에 발생할 수 있는 가스를 배출하도록 설계가 된다.
The separator 31 serves to transfer hydrogen ions and to block the movement of positive and negative ions of the positive and negative electrode electrolytes to the counter electrode. The negative electrode electrolyte reservoir 10 and the positive electrode electrolyte reservoir 20 As described above, the cathode and the anode electrolyte are respectively stored and designed to evenly distribute the internal pressures of the respective storage units or to discharge gas that may occur during operation.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)은 취출관(110), 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130) 및 제1, 제2 및 제3 밸브(111, 112, 113)를 포함할 수 있다. 또한 추가적으로 모니터링부(140), 이온 농도 조절제 투입부(150) 및 배수부(160)를 더 포함할 수 있다. 2 and 3, an electrolyte concentration control module 100 according to an embodiment of the present invention includes a take-out tube 110, a pair of cathode and anode electrolyte receptacles 120 and 130, 2, and a third valve 111, 112, 113. In addition, it may further include a monitoring unit 140, an ion concentration adjusting agent input unit 150, and a drainage unit 160.

취출관(110)은 일측이 음극 전해액 저장부(10)에 연결 가능하고, 타측이 양극 전해액 저장부(20)에 연결 가능하도록 구성된다. 바람직하게는 취출관(110)은 각각의 저장부 하단에 연결되는 것이 전해액의 취출을 위해 유리하다. The take-out tube 110 can be connected to the cathode electrolyte storage part 10 on one side and to the anode electrolyte storage part 20 on the other side. Preferably, the take-out tube 110 is connected to the lower end of each storage part, which is advantageous for taking out the electrolytic solution.

음극 전해액 수용부(120)와 양극 전해액 수용부(130)는 각각 취출관(110)에 연결되도록 형성되며, 각각 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20)로부터 음극 및 양극 전해액을 취출하여 보관 가능하게 구성된다. 이때 음극 전해액 수용부(120)와 양극 전해액 수용부(130)는 메스실린더와 같이 상측부가 개방되어 있는 구조인 것이 바람직하다. The negative electrode electrolyte storage part 120 and the positive electrode electrolyte storage part 130 are connected to the take-out tube 110 and are connected to the negative electrode electrolyte storage part 10 and the positive electrode electrolyte storage part 20, It can be taken out and stored. At this time, it is preferable that the cathode electrolyte containing portion 120 and the anode electrolyte containing portion 130 have a structure in which the upper side portion is opened like a scalpel cylinder.

전해액 취출을 위해, 음극 전해액 저장부(10)와 음극 전해액 수용부(120) 사이에는 제2 밸브(112)가 제공되며, 그리고 양극 전해액 저장부(20)와 양극 전해액 수용부(130) 사이에는 제3 밸브(113)가 제공될 수 있다. 이러한 제2 밸브(112) 및 제3 밸브(113)를 이용함으로써 음극 전해액 저장부(10)에 저장된 음극 전해액이 음극 전해액 수용부(120)로 소량 취출되는 것과 양극 전해액 저장부(20)에 저장된 양극 전해액이 양극 전해액 수용부(130)로 소량 취출되는 것을 보다 용이하게 조정할 수 있게 된다. A second valve 112 is provided between the cathode electrolyte storage part 10 and the cathode electrolyte storage part 120 for taking out the electrolyte solution and between the anode electrolyte storage part 20 and the anode electrolyte storage part 130 A third valve 113 may be provided. By using the second valve 112 and the third valve 113, a small amount of negative electrode electrolyte stored in the negative electrode electrolyte storage part 10 is taken out to the negative electrode electrolyte storage part 120 and a small amount of negative electrode solution stored in the positive electrode electrolyte storage part 20 It is possible to more easily adjust that a small amount of the positive electrode electrolyte solution is taken out to the positive electrode electrolyte reservoir 130. [

이때, 음극 전해액 수용부(120)와 양극 전해액 수용부(130) 사이에는 제1 밸브(111)가 제공되는데, 이러한 제1 밸브(111)는 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 보관되는 음극 및 양극 전해액의 혼합 여부를 조절하는 역할을 수행하게 되며, 특히 전해액 취출시 폐쇄되어 있어 음극 및 양극 전해액이 혼합되는 것을 방지하게 된다. A first valve 111 is provided between the cathode electrolyte storage part 120 and the anode electrolyte storage part 130. The first valve 111 includes a pair of cathode and anode electrolyte storage parts 120 and 130 The cathode and the anode are prevented from being mixed with each other because they are closed when the electrolyte is taken out.

여기서, 취출관(110)이나 음극 전해액 수용부(120)와 양극 전해액 수용부(130)는 PP, PE, Teflon과 같은 폴리머 또는 유리(glass) 및 고분자재료가 코팅된 금속 등과 같이 내산성이 확보된 재질의 관(pipe) 형태나 실린더 형태일 수 있으며, 기타 다양한 재료나 형태가 사용될 수 있음을 유의한다.
Here, the take-out tube 110, the cathode-electrolyte-containing portion 120, and the anode-electrolyte-containing portion 130 are made of a material such as a polymer such as PP, PE, Teflon or a metal coated with a polymer material, It is to be understood that the material may be in the form of a pipe of a material or a cylinder, and various other materials or forms may be used.

본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)에 의하면, 제1 밸브(111)를 개방하는 경우 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 각각 수용된 음극 및 양극 전해액을 혼합되게 된다. 이때 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써, 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인할 수 있게 된다. According to the electrolyte concentration control module 100 according to an embodiment of the present invention, when the first valve 111 is opened, the negative electrode and the positive electrode electrolyte contained in the negative and positive-electrode-electrolyte containing portions 120 and 130 are mixed . At this time, the concentration gradient between the cathode and the anode electrolyte can be confirmed by measuring the degree of diffusion of the cathode and the anode electrolyte.

이러한 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 과정은, 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 기계적으로 측정하는 별도의 모니터링부(140)를 통하여 자동으로 수행할 수 있다. The process of confirming the concentration gradient between the cathode and the anode electrolyte can be automatically performed through a separate monitoring unit 140 that mechanically measures the diffusion of the cathode and the anode electrolyte.

한편, 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 사용자의 시각을 통하여 수동으로 수행할 수도 있음을 유의한다. 이를 위해 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에는 눈금 형태의 계측부(121, 131)가 각각 제공되게 된다. 이러한 계측부(121, 131)를 통하여 사용자는 시각을 이용하여 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 수용된 음극 및 양극 전해액의 부피뿐만 아니라 음극 및 양극 전해액의 확산 정도 역시 정확하게 측정할 수 있게 된다. It should be noted that the degree of diffusion of the negative electrode and the positive electrode electrolyte may be manually performed through the user's view. For this purpose, graduated measuring portions 121 and 131 are provided in the cathode and anode electrolyte receiving portions 120 and 130, respectively. Through the measurement units 121 and 131, the user can accurately measure not only the volume of the negative electrode and the positive electrode electrolyte contained in the negative and positive electrode electrolyte reservoirs 120 and 130, but also the diffusion of the negative and positive electrode electrolytes using time .

이러한 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하여 전해액 사이의 농도가 불균형하다고 판단되는 경우, (기존에 혼합된 전해액을 배수한 후 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 각각 음극 및 양극 전해액을 다시 취출하는 단계를 거친 후) 농도 구배에 근거하여, 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하여 농도의 균형을 조절하게 된다. When the concentration gradient between the cathode and the anode electrolyte is confirmed and the concentration between the electrolytic solutions is determined to be unbalanced (the cathode and the anode electrolyte solution are supplied to the cathode and anode electrolyte containing portions 120 and 130, respectively, The ion concentration adjusting agent is provided to at least one of the pair of the cathode and the anode electrolyte accommodating portion based on the concentration gradient to regulate the balance of the concentration.

만약에 바나듐 레독스 플로우 배터리의 경우, 이온 농도 조절제는 수소 이온을 포함하는 물질이 될 수 있으며, 구체적으로 황산(H2SO4), 포름산(HCOOH), 질산(HNO3) 및 염산(HCl) 수용액 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. In the case of a vanadium redox flow battery, the ion concentration adjusting agent may be a substance containing hydrogen ions, specifically sulfuric acid (H 2 SO 4 ), formic acid (HCOOH), nitric acid (HNO 3 ) And an aqueous solution.

이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)은 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130) 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 이온 농도 조절제 투입부(150)를 더 포함할 수 있다.
To this end, the electrolyte concentration control module 100 according to an embodiment of the present invention includes an ion concentration adjusting agent input unit 150 (FIG. 1) for providing an ion concentration adjusting agent to at least one of a pair of cathode and anode electrolyte containing units 120 and 130 ).

추가적으로 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 위치하는 전해액과 이온 농도 조절제를 교반할 수 있는 교반 장치를 더 포함하는 것이 바람직하며, 이러한 교반 장치는 임펠라(impeller), 아지테이터(agitator) 및 마그네틱 스티러(magnetic stirrer) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다. In addition, it is preferable to further include an agitating device capable of agitating the electrolytic solution and the ion concentration adjusting agent located in the pair of cathode and anode electrolyte containing portions 120 and 130, and the agitating device may include an impeller, an agitator an agitator, and a magnetic stirrer.

또한 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 보관되거나 혼합된 전해액을 외부로 배출할 수 있도록 구성되는 하나 이상의 배수부(160)를 더 포함하는 것이 바람직하다. The battery further includes one or more drain portions 160 configured to discharge the electrolyte stored or mixed in the pair of cathode and anode electrolyte containing portions 120 and 130 to the outside.

이러한 하나 이상의 배수부(160)는 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)와 일체화될 수도 있으며 혹은 별도로 존재할 수도 있음을 유의한다. 일체화되는 경우에는 전해액의 배출 여부를 조절할 수 있는 제4 밸브(161) 및 제5 밸브(162)를 더 포함함으로써 상술된 배수의 기능을 효과적으로 수행할 수 있게 되며, 이러한 제4 밸브(161) 및 제5 밸브(162)는 전해액 배수시를 제외하고는 폐쇄되어 있는 것이 바람직하다. It should be noted that the at least one drainage section 160 may be integrated with the cathode and anode electrolyte receptacles 120 and 130 or may be separately provided. The fourth valve 161 and the fifth valve 162 can control the discharge of the electrolyte solution when the first valve 161 and the second valve 161 are integrated. It is preferable that the fifth valve (162) is closed except when the electrolyte is drained.

한편 상술된 밸브의 재질은 기존 스테인리스스틸 재질 또는 금속 볼이 그대로 적용된 밸브는 내산성을 고려하였을 때 바람직하지 않으며, 내산성 고분자를 코팅하거나, PP, PVC, PE 등의 재질로 구성되는 2방향 밸브가 바람직함을 유의한다.
Meanwhile, the above-mentioned valve material is not preferable when considering the acid resistance, and the conventional valve made of stainless steel material or metal ball is not preferable when it is coated with acid-resistant polymer or a two-way valve made of PP, PVC, PE or the like is preferable .

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도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법을 설명한 순서도이다. 4 is a flowchart illustrating a method of adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법은 (a) 취출관(110)을 이용하여 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20)로부터 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)로 음극 전해액 및 양극 전해액을 취출하여 보관하는 단계; (b) 보관된 음극 전해액 및 양극 전해액을 혼합시켜 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써, 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 단계; (c) 혼합된 전해액을 외부로 배출하는 단계; 및 (d) 상기 (a) 단계를 재차 수행한 후, 농도 구배에 근거하여, 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130) 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계;를 포함할 수 있다. 추가적으로, (e) 상기 (b), (c) 및 (d) 단계를 반복적으로 수행함으로써, 음극 전해액 및 양극 전해액의 농도 균형에 상응하는 이온 농도 조절제의 양을 결정하는 단계;와 (f) 결정된 이온 농도 조절제의 양에 근거하여, 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20) 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
Referring to FIG. 4, a method of adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery according to an embodiment of the present invention includes the steps of: (a) removing the negative electrode electrolyte solution from the cathodic electrolyte solution reservoir 10 and the positive electrode electrolyte solution reservoir 20 Extracting and storing a negative electrode electrolyte and a positive electrode electrolyte in a pair of a negative electrode and a positive electrode electrolyte storage part (120, 130); (b) determining the concentration gradient between the cathode and the anode electrolyte by measuring the diffusion of the cathode and the anode electrolyte by mixing the stored cathode electrolyte and the anode electrolyte; (c) discharging the mixed electrolyte to the outside; And (d) providing the ion concentration adjusting agent to at least one of the pair of cathode and anode electrolyte containing portions (120, 130) based on the concentration gradient after performing the step (a) again can do. (E) determining the amount of the ion concentration control agent corresponding to the concentration balance of the cathode electrolyte and the cathode electrolyte by repeatedly performing steps (b), (c) and (d) Providing the ionic concentration adjusting agent to at least one of the cathode electrolyte storage portion 10 and the anode electrolyte storage portion 20 based on the amount of the ion concentration adjusting agent.

(a) 단계는, 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)로 음극 전해액 및 양극 전해액을 취출하여 보관하는 단계이다. In the step (a), the negative electrode electrolytic solution and the positive electrode electrolytic solution are taken out and stored in a pair of the negative electrode and the positive electrode electrolyte containing parts 120 and 130, respectively.

이때 취출관(110)을 통하여 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20)로부터 전해액을 취출하게 되며, 제2 밸브(112) 및 제3 밸브(113)를 이용함으로써 음극 전해액 저장부(10)에 저장된 음극 전해액이 음극 전해액 수용부(120)로 소량 취출되는 것과 양극 전해액 저장부(20)에 저장된 양극 전해액이 양극 전해액 수용부(130)로 소량 취출되는 것을 보다 용이하게 조정할 수 있게 된다.
At this time, the electrolyte is taken out from the cathode electrolyte storage part 10 and the anode electrolyte storage part 20 through the extraction tube 110. By using the second valve 112 and the third valve 113, It is possible to more easily control that a small amount of negative electrode electrolyte stored in the positive electrode electrolyte storage part 20 is taken out from the negative electrode electrolyte storage part 120 and that a small amount of positive electrode electrolyte stored in the positive electrode electrolyte storage part 20 is taken out to the positive electrode electrolyte storage part 130 do.

(b) 단계는, 음극 및 양극 전해액을 혼합시켜 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 단계이다. In the step (b), the concentration gradient between the cathode and the anode electrolyte is confirmed by mixing the cathode and the anode electrolyte to measure the diffusion of the cathode and the anode electrolyte.

이때, 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 과정은, 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 기계적으로 측정하는 별도의 모니터링부(140)를 통하여 자동으로 수행할 수 있으며 혹은 사용자의 시각을 통하여 수동으로 수행할 수도 있음을 유의한다. At this time, the process of confirming the concentration gradient between the cathode and the anode electrolyte can be performed automatically through a separate monitoring unit 140 that mechanically measures the diffusion degree of the cathode and the anode electrolyte, &Lt; / RTI &gt;

전해액 사이의 농도 균형이 이루어져 있다면 추가 단계를 수행할 필요가 없으나, 일반적으로, 음극의 전해액의 황산 농도가 초기에 제조된 농도보다 낮을 수 있으며, 반대로 양극의 전해액의 황산 농도는 초기에 제조된 농도보다 높을 수 있기에 추가 단계를 수행할 필요가 있다.
If the concentration between the electrolytes is balanced, there is no need to carry out an additional step, but in general, the sulfuric acid concentration of the electrolyte in the anode may be lower than the concentration initially produced, and conversely, It is necessary to perform additional steps.

(c) 단계는, 혼합된 전해액을 외부로 배출하는 단계이다. (c) is a step of discharging the mixed electrolytic solution to the outside.

이를 위해 하나 이상의 배수부(160)와 전해액의 배출 여부를 조절할 수 있는 제4 밸브(161) 및 제5 밸브(162)를 이용하여 혼합된 전해액을 외부로 배출하게 된다. To this end, the mixed electrolyte is discharged to the outside by using at least one drainage unit 160 and a fourth valve 161 and a fifth valve 162 which can control whether the electrolyte is discharged or not.

이때, (c) 단계와 후술되는 (d) 단계 사이에는, 취출관(110), 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130) 및 배수부(160)를 증류수와 같은 세척액으로 세척하는 단계를 더 포함할 수도 있음을 유의한다.
Between the step (c) and the step (d) to be described later, the extraction tube 110, the pair of cathode and anode electrolyte containing parts 120 and 130, and the drain part 160 are washed with a washing solution such as distilled water It should be noted that the step of FIG.

(d) 단계는, 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)로 음극 전해액 및 양극 전해액을 취출하여 보관한 후 (즉 (a) 단계를 다시 수행한 후), 확인된 농도 구배에 근거하여, 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130) 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계이다. (d) is a step in which the cathode electrolyte and the anode electrolyte are taken out and stored in the pair of cathode and anode electrolyte containing portions 120 and 130 (that is, after performing the step (a) again) The step of providing an ion concentration adjusting agent to at least one of a pair of the cathode and the anode electrolyte containing portions 120 and 130.

이때, 바나듐 레독스 플로우 배터리의 경우, 이온 농도 조절제는 수소 이온을 포함하는 물질이 될 수 있으며, 구체적으로 황산(H2SO4), 포름산(HCOOH), 질산(HNO3) 및 염산(HCl) 수용액 중 어느 하나 이상일 수 있다. In this case, in the case of the vanadium redox flow battery, the ion concentration adjusting agent may be a substance containing hydrogen ions, specifically sulfuric acid (H 2 SO 4 ), formic acid (HCOOH), nitric acid (HNO 3 ) Aqueous solution.

예를 들어, 음극 전해액 수용부(120)에 이온 농도 조절제로서 황산을 일정량 투입할 수 있다. 한편, 추가 투입되는 황산의 비중은 약 1.8 수준이므로 전해액 수용부 하단에 위치하기 쉽기 때문에 전해액과 이온 농도 조절제를 교반할 수 있는 교반 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
For example, a certain amount of sulfuric acid can be added to the cathode electrolyte containing portion 120 as an ion concentration adjusting agent. The specific gravity of sulfuric acid to be added is about 1.8, and therefore, it is preferable to further include an agitating device capable of agitating the electrolytic solution and the ionic concentration adjusting agent because the electrolytic solution is easily positioned at the lower end of the electrolytic solution receiving portion.

(e) 단계는, 상술된 (b) 단계, (c) 단계 및 (d) 단계를 반복적으로 수행함으로써, 음극 전해액 및 양극 전해액의 농도 균형에 상응하는 이온 농도 조절제의 양을 결정하는 단계이다. The step (e) is a step of repeatedly performing the steps (b), (c), and (d) to determine the amount of the ion concentration control agent corresponding to the concentration balance of the cathode electrolyte and the cathode electrolyte.

즉, 상술된 바와 같이 투입되는 이온 농도 조절제의 양을 조절하면서 반복적으로 농도 구배를 확인하는 과정을 통하여, 농도 구배에 의해 발생되는 삼투 현상을 억제 혹은 방지할 수 있는 수준의 이온 농도 조절제의 양을 결정하는 단계이다. That is, through the process of repeatedly determining the concentration gradient while adjusting the amount of the ion concentration adjusting agent to be added as described above, the amount of the ion concentration adjusting agent that can suppress or prevent the osmotic phenomenon caused by the concentration gradient .

이러한 단계는, 사용자의 시각을 통하여 수동으로 수행할 수도 있으나 혹은상술된 모니터링부(140) 및 이온 농도 조절제 투입부(150)와 연결된 제어부(170)가 자동으로 연산할 수도 있음을 유의한다.
Note that this step may be performed manually through the user's eyes, but it is noted that the above-described monitoring unit 140 and the controller 170 connected to the ion concentration adjusting agent injecting unit 150 may automatically calculate the step.

(f) 단계는, 결정된 이온 농도 조절제의 양에 근거하여, 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20) 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계이다. The step (f) is a step of providing an ion concentration adjusting agent to at least one of the cathode electrolyte storage part 10 and the anode electrolyte storage part 20 based on the determined amount of the ion concentration adjusting agent.

이때, 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20)에 제공되는 이온 농도 조절제의 양은 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 위치하던 전해액의 부피와 투입된 이온 농도 조절제의 양과 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)의 부피를 고려하여 산출되게 된다. At this time, the amount of the ion concentration adjusting agent provided in the cathode electrolyte storage portion 10 and the anode electrolyte storage portion 20 is determined by the volume of the electrolytic solution located in the pair of cathode and anode electrolyte containing portions 120 and 130, And the volume of the negative electrode and the positive and negative electrode electrolyte storage portions 10 and 20, respectively.

한편, 음극 전해액이 2가 바나듐 형태로 존재할 경우, 그와 함께 2가 전해액의 농도가 낮아서 음극 전해액 저장부(10)에 황산을 투입할 경우, 공기 중에 노출 시 2가 바나듐 이온은 3가 바나듐 이온으로 급격히 산화할 수 있으므로, N2, He, Ar과 같은 비활성 기체를 퍼지(purge) 하면서 황산 투입 공정을 수행하여야 함을 유의한다. On the other hand, when the negative electrode electrolyte exists in the form of divalent vanadium, when the concentration of the divalent electrolyte is low, and sulfuric acid is introduced into the negative electrode electrolyte reservoir 10, , It is necessary to perform the sulfuric acid addition process while purging the inert gas such as N2, He and Ar.

또한 산화를 방지하기 위해서는 비중이 낮은 무극성 용매나 오일류 등을 미리 2가 바나듐 전해액에 투입하여, 전해액 상층에 위치시킴으로서 전해액의 공기노출을 미연에 차단함으로써 산화를 방지할 수도 있음을 유의한다.
It should be noted that in order to prevent oxidation, a non-polar solvent or oil having a low specific gravity may be preliminarily charged into a divalent vanadium electrolytic solution and placed in an upper layer of the electrolytic solution to prevent oxidation of the electrolytic solution by blocking air exposure.

<< 실험예Experimental Example > >

1몰 VOSO4가 용해된 3몰 황산 용액을 5가 및 2가 바나듐으로 전기화학적 산화환원시키고, 이 용액을 각각 양극과 음극에 동량 적용하여 단위 전지를 구성하였다. 평가에 사용된 단위 전지에는 50 x 50mm 크기의 탄소펠트가 전극으로 적용되며, 나피온 이온 교환막이 사용되었다. 또한, 전해액의 공급 속도는 25cc/min이었으며, 각 전해액의 최초 부피는 75cc였다. A 3 molar sulfuric acid solution in which 1 mol of VOSO 4 was dissolved was subjected to electrochemical oxidation and reduction with 5-valent and 2-valent vanadium, and this solution was applied to the positive electrode and the negative electrode in the same amount, respectively. For the unit cell used in the evaluation, a 50 × 50 mm carbon felt was applied as an electrode, and Nafion ion exchange membrane was used. The supply rate of the electrolytic solution was 25 cc / min, and the initial volume of each electrolyte was 75 cc.

이때 음극에 2가 전해액에 황산을 부피비로 4% 추가 투입한 후 전지 용량을 시험하였다.
At this time, 4% by volume of sulfuric acid was added to the negative electrode and the cell capacity was tested.

<< 비교예Comparative Example > >

실험예와 동일한 상태로 단위 전지를 구성하였고, 음극에 추가 황산을 투입하지 않은 것만을 제외하고는 동일한 조건으로 전지 용량을 시험하였다.
A unit cell was constructed in the same condition as the experimental example, and the cell capacity was tested under the same conditions except that no additional sulfuric acid was added to the cathode.

<결과 논의><Discussion of results>

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 따라 전해액 농도 균형을 조절한 경우와 그렇지 않은 경우에 대한 배터리 성능 시험 결과를 나타낸 그래프이다. FIG. 5 is a graph showing battery performance test results for a case where the electrolyte concentration balance is adjusted according to the method of adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery according to an embodiment of the present invention, and the case where the electrolyte concentration balance is adjusted.

비교예와 같이, 추가적으로 황산을 투입하지 않은 전지(즉 농도 균형 절차를 수행하지 않음)에서는 충방전 싸이클이 거듭될수록 배터리 용량 저하가 발생하였으며, 29 싸이클 후에 5가 전해액의 부피가 9% 증가된 것이 관찰되었다. As in the comparative example, the battery capacity was lowered as the charge / discharge cycles were repeated in the battery without addition of sulfuric acid (i.e., the concentration balance procedure was not performed), and the volume of the electrolyte was increased by 9% after 29 cycles Respectively.

반면에 실험예와 같이, 2가 전해액에 황산을 부피비로 4% 추가 투입한 전지에서는 충방전 싸이클이 거급되더라도 배터리 용량 저하가 크지 않았으며, 29 싸이클 후에도 양쪽 전해액의 부피변화는 거의 없는 것이 관찰되었다. On the other hand, in the battery in which 4% by volume of sulfuric acid was additionally added to the bivalent electrolytic solution as in the experimental example, the decrease in the capacity of the battery was not significant even when the charge / discharge cycle was performed, and the volume change of both electrolytic solutions was hardly observed even after 29 cycles .

이와 같이, 배터리 성능 테스트 전 미리 황산을 적당량 추가 투입하여 이온 균형을 맞춘 경우, 그렇지 않은 경우보다 방전 용량이 20% 이상 크다는 것을 알 수 있었다. 이러한 이유는 미리 전해액의 농도 균형을 조절하여, 삼투현상을 미연에 방지함으로써 물의 이동 및 기타 이온의 분리막 투과 현상을 억제하였기 때문이라고 판단되며, 그로 인해 발생할 수 있는 바나듐 이온 균형의 붕괴를 방지하였기 때문이라고 판단된다.
As described above, when the ion balance was adjusted by appropriately adding an appropriate amount of sulfuric acid before the battery performance test, it was found that the discharge capacity was 20% or more higher than that when the ion balance was adjusted. This is because the concentration balance of the electrolytic solution was previously controlled to prevent the osmotic phenomenon beforehand, thereby suppressing the movement of water and the permeation of other ions to the membrane, thereby preventing the vanadium ion balance from being collapsed .

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims It can be understood that

10 : 음극 전해액 저장부 11 : 펌프
20 : 음극 전해액 저장부 21 : 펌프
31 : 분리막
32 : 음극 33 : 양극
41 : 음극 전해액 유입구 42 : 양극 전해액 유입구
51 : 음극 전해액 유출구 52 : 양극 전해액 유출구
100 : 전해액 농도 조절 모듈 110 : 취출관
120, 130 : 음극 및 양극 전해액 수용부
121, 131 : 계측부
111, 112, 113, 114, 115 : 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 밸브
140 : 모니터링부
150 : 이온 농도 조절제 투입부
160 : 배수부
170 : 제어부 10: cathode electrolytic solution storage part 11: pump
20: cathode electrolytic solution storage part 21: pump
31: Membrane
32: cathode 33: anode
41: cathode electrolyte inlet 42: anode electrolyte inlet
51: cathode electrolyte outlet 52: anode electrolyte outlet
100: electrolyte concentration control module 110: extraction tube
120, and 130: a negative electrode and a positive electrode electrolyte reservoir
121 and 131:
111, 112, 113, 114, 115: first, second, third, fourth and fifth valves
140:
150: ion concentration adjusting agent input portion
160:
170:

Claims (21)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 있어서,
(a) 취출관을 이용하여 음극 전해액 저장부 및 양극 전해액 저장부로부터 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부로 음극 전해액 및 양극 전해액을 취출하여 보관하는 단계;
(b) 상기 보관된 음극 전해액 및 양극 전해액을 혼합시켜 상기 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써, 상기 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 단계;
(c) 상기 혼합된 전해액을 외부로 배출하는 단계; 및
(d) 상기 (a) 단계를 재차 수행한 후, 상기 농도 구배에 근거하여, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
A method for controlling an electrolyte concentration balance of a flow battery,
(a) extracting and storing a negative electrode electrolyte solution and a positive electrode electrolyte solution from a negative electrode electrolyte reservoir and a positive electrode electrolyte reservoir into a pair of negative electrodes and a positive electrode electrolyte reservoir using a take-out tube;
(b) confirming a concentration gradient between the cathode and the anode electrolyte by mixing the stored cathode electrolyte and the anode electrolyte to measure the degree of diffusion of the cathode and the anode electrolyte;
(c) discharging the mixed electrolyte to the outside; And
(d) providing the ion concentration-adjusting agent to at least one of the pair of the cathode and the anode electrolyte-containing portions based on the concentration gradient after performing the step (a) again doing,
A method for adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery.
제15항에 있어서,
(e) 상기 (b) 단계, 상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계를 반복적으로 수행함으로써, 음극 전해액 및 양극 전해액의 농도 균형에 상응하는 이온 농도 조절제의 양을 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
16. The method of claim 15,
(e) repeating the steps (b), (c), and (d) to determine the amount of the ionic concentration adjusting agent corresponding to the concentration balance of the cathode electrolyte and the cathode electrolyte Lt; RTI ID = 0.0 &gt;
A method for adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery.
제16항에 있어서,
(f) 상기 결정된 이온 농도 조절제의 양에 근거하여, 상기 음극 전해액 저장부 및 양극 전해액 저장부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
17. The method of claim 16,
(f) providing an ion concentration adjusting agent to at least one of the cathode electrolyte storage and the anode electrolyte storage, based on the determined amount of the ion concentration adjusting agent.
A method for adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery.
제15항에 있어서,
상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계 사이에는,
상기 취출관 및 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부를 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
16. The method of claim 15,
Between the step (c) and the step (d)
Further comprising the step of washing the take-out tube and the pair of cathodes and the positive electrode electrolyte reservoir.
A method for adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery.
제15항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 위치하는 전해액과 상기 이온 농도 조절제를 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
16. The method of claim 15,
In the step (d)
And stirring the electrolyte and the ion concentration adjusting agent in the pair of cathodes and the anode electrolyte reservoir.
A method for adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery.
제15항에 있어서,
상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the flow battery is a vanadium redox flow battery.
A method for adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery.
제15항에 있어서,
상기 이온 농도 조절제는 황산(H2SO4), 포름산(HCOOH), 질산(HNO3) 및 염산(HCl) 수용액 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the ionic concentration adjusting agent is at least one of an aqueous solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), formic acid (HCOOH), nitric acid (HNO 3 ) and hydrochloric acid (HCl)
A method for adjusting the electrolyte concentration balance of a flow battery.
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