KR101751987B1 - 생산성이 향상된 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지용 전해액 제조방법 - Google Patents

생산성이 향상된 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지용 전해액 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치는, 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도, 온도 및 유량을 실시간으로 모니터링 가능하여, 온도 및 유량을 일정하게 유지하고, 전해액 제조 완료시점을 판단할 수 있으므로 전해액 제조장치를 효율적으로 운전할 수 있다.
또한, 격자 및 타공이 형성된 전극을 구비하여 정전압과 정전류를 효과적으로 공급할 수 있어, 전해단계에서 발생할 수 있는 염의 형성을 억제하고, 전해시간을 줄일 수 있으므로 전해액을 효과적으로 제조할 수 있다.

Description

생산성이 향상된 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지용 전해액 제조방법{Manufacturing equipment of electrolyte for redox flow battery enhanced productivity comprising punched electrode with lattice structure}
본 발명은 생산성이 향상된 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지용 전해액 제조방법에 관한 것이다.
최근 화석연료의 사용으로 인해 발생되는 악영향을 줄이고자 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있으며, 발생된 신재생에너지를 저장하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
레독스 흐름 전지(Redox flow battery)란, 양극과 양극 활물질을 포함하는 양극 전해액과, 음극과 음극 활물질을 포함하는 음극 전해액을, 격막으로 격리하여, 양 활물질의 산화 환원 반응을 이용하여 충방전하고, 상기 양 활물질을 포함하는 전해액을 비축 탱크로부터 전해조에 유통시켜 전류를 생산 및 저장하는 기술로서, 대용량의 에너지를 저장할 수 있다.
상기한 레독스 흐름 전지는 전해액의 활물질인 이온이 전극의 표면에서 산화 및 환원 전위차를 이용해 충·방전 하므로 전극과 전해액을 분리하여 설계할 수 있다는 점에서 대용량화가 용이하는 장점이 있어, 전해액을 효율적으로 제조할 수 있는 방법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 레독스 흐름 전지의 전해액 교환시기나 전해액 공급 제어를 위한 정보를 취득하기 위하여, 외부전원 및 부하 연결을 차단한 상태에서 전지셀 전압을 측정하고 이를 분석하여 제어하므로 운전관리가 번거롭고 전해액의 상태를 실시간으로 확인하기 힘든 불편함이 있어, 이를 개선할 수 있는 방법에 관한 연구가 필요한 실정이다.
한국공개특허 : 제10-2014-0112708호(공개일 : 2014.09.24) 한국공개특허 : 제10-2015-0006147호(공개일 : 2015.01.16) 한국공개특허 : 제10-2015-0007566호(공개일 : 2015.01.21) 한국공개특허 : 제10-2015-0087876호(공개일 : 2015.07.31)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도, 온도 및 유량을 실시간으로 모니터링하고 전해액 제조시 일정 시간 간격으로 정전압과 한계 전류치의 정전류를 반복적으로 전해하여 생산성이 높은 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, 양극액 챔버와 음극액 챔버가 격막부에 의해 서로 구분된 전해조; 상기 양극액 챔버와 음극액 챔버에 각각 구비된 전극을 통해 정전압 및 정전류를 순차적으로 반복해서 공급하고, 복수개의 금속선이 서로 교차하여 형성된 격자부 및 타공이 내부에 형성되며 상기 격자부의 사이에 배치되는 복수개의 타공부를 포함하는 전극이 구비된 전원부; 상기 양극액 챔버에 배관연결되어 상기 양극액 챔버에서 전해한 양극액을 저장하는 양극 전해액 탱크; 및 상기 음극액 챔버에 배관연결되어 상기 음극액 챔버에서 전해한 음극액을 저장하는 음극 전해액 탱크;를 포함하고,
상기 전해조 상부에 구비되며, 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도, 온도 및 유량을 측정하는 측정부; 및
상기 측정부에 의해 측정된 정보로부터 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도, 온도 및 유량 상태를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 전해액 제조장치를 제공한다.
또한, 상기 격막부는, 상기 양극액 챔버 및 음극액 챔버 사이에 고정 설치되는 격막; 및 상기 격막에 인접하며, 상기 음극액 챔버의 방향으로 배치되는 양이온 투과 방지막을 포함하며,
상기 전극은, 복수개의 금속선이 서로 평행하게 교차하여 형성된 격자부; 및 상기 격자부의 사이에 배치되며 내부에 타공이 형성된 복수개의 타공부;를 포함하되, 상기 전극은 부도체를 천공하여 격자무늬의 상기 격자부와 홀 형상의 상기 타공부가 형성된 후, 상기 격자부에 백금(Pt), 티타늄(Ti), 금(Au), 은(Ag) 또는 이들의 혼합물이 코팅되어 상기 금속선이 형성됨으로써, 상기 타공부를 통해서는 전자의 이동성을 향상시키고, 상기 격자부를 통해서는 상기 금속선을 통해 전기를 이동시켜 정전압과 정전류를 고출력으로 공급하도록 함으로써 전해 시간을 단축시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 전해액의 온도가 제어부에 의해 15~25 ℃로 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극액 챔버 및 상기 음극액 챔버는 질소 공급장치가 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양극액은 5가(V5+)의 바나듐 양이온을 포함하는 전해액인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 음극액은 2가(V2+)의 바나듐 양이온을 포함하는 전해액인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원부는 20 내지 40분 간격으로 정전압 및 정전류를 순차적으로 반복 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원부는 3 내지 24V의 정전압을 공급하고, 1 내지 50A의 정전류을 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치는, 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도를 실시간으로 측정하여 전해액 제조 완료시점을 판단할 수 있으며, 전해액의 온도 및 유량을 실시간으로 모니터링 가능하여 온도 및 유량이 일정하게 유지되어 전해액 제조장치를 효율적으로 운전할 수 있다.
또한, 격자 및 타공이 형성된 전극을 구비하여 정전압과 정전류를 효과적으로 공급할 수 있어, 전해단계에서 발생할 수 있는 염의 형성을 억제하고, 전해시간을 줄일 수 있으므로 전해액을 효과적으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치에 사용되는 전극을 나타낸 개략도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치(100)를 나타낸 구성도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명은, 양극액 챔버(110)와 음극액 챔버(120)가 격막부(150)에 의해 서로 구분된 전해조(130); 상기 양극액 챔버(110)와 음극액 챔버(120)에 각각 구비된 전극을 통해 정전압 및 정전류를 순차적으로 반복해서 공급하고, 복수 개의 금속선이 서로 교차하여 형성된 격자부(143); 및 타공이 내부에 형성되며 상기 격자부의 사이에 배치되는 복수개의 타공부를 포함하는 전극이 구비된 전원부(140); 상기 양극액 챔버(110)에 배관연결되어 상기 양극액 챔버(110)에서 전해한 양극액을 저장하는 양극 전해액 탱크(180); 및 상기 음극액 챔버(120)에 배관연결되어 상기 음극액 챔버(120)에서 전해한 음극액을 저장하는 음극 전해액 탱크(190);를 포함하고, 상기 전해조(130) 상부에 구비되며, 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도, 온도 및 유량을 측정하는 측정부(131); 및 상기 측정부(131)에 의해 측정된 정보로부터 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도, 온도 및 유량 상태를 제어하는 제어부(133)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 전해액 제조장치(100)를 제공한다.
상기 전해조(130)는 레독스 흐름 전지용 전해액의 제조를 위한 원료인 바나딜황산염(VOSO4)이 용해된 황산용액을 포함하는 원료공급부(170)와 배관 연결되어 순환펌프를 이용해 상기 양극액 챔버(110) 및 음극액 챔버(120)에 원료인 바나딜황산염(VOSO4)이 용해된 황산용액을 공급하도록 구성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지 전해액 제조장치는, 상기 전해조(130) 상부에 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도, 온도 및 유량 상태를 측정하는 측정부(131)가 구비된다.
구체적으로, 상기 측정부는 상기 양극액 챔버(110) 및 음극액 챔버(120) 상부에 각각 구비되어 각 챔버 내 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도, 온도 및 유량 상태를 실시간으로 측정할 수 있으며, 측정된 정보는 후술할 제어부(131)로 유선 또는 무선으로 전송될 수 있다.
또한, 상기 측정부(131)는 전해액 제조장치의 효율적인 운전 조건을 확립하기 위한 전극의 전류 밀도 및 젖음성을 더 측정할 수 있다.
또한, 측정부(131)에서 상기 산화환원전위와 수소이온농도를 측정함으로써 전해액 제조의 완료시점을 판단할 수 있어, 정전류 및 정전압을 계속해서 공급하지 않아도되므로 전해액 제조장치를 효율적으로 운전할 수 있다.
아울러, 상기 측정부(131)는 LED 등과 같은 표시수단을 더 포함하여, 색 변화 또는 문자메세지 등을 통해 동작 상태를 표시하여 관리자에게 알리도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 양극액 및 음극액은 챔버 내부를 순환하면서 산화·환원 반응을 일으키며, 이 과정에서 반응열이 발생하므로 전해액의 온도가 상승하게 된다. 전해조 내부 온도가 30 ℃ 이상으로 상승하면 부반응이 발생하며, 상기 이온투과막 및 교환막의 변형이 발생하며 이에 따라 전해액의 생산성이 저하되는 문제점이 발생하므로 실시간으로 온도를 측정하고 온도를 일정하게 유지하도록 제어부에 측정정보를 전송할 수 있다.
본 발명의 상기 제어부(133)는 상기 측정부(131)에 의해 측정된 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도, 온도 또는 유량 상태 등의 정보를 이용하여 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도, 온도 및 유량을 제어할 수 있다.
일례로, 상기 측정부(131)로부터 측정된 산화환원전위(oxidation reduction potential, ORP) 및 수소이온농도(pH) 정보가 상기 제어부(133)로 수신되면, 제어부(133)에서는 상기 수신된 정보를 미리 설정된 ORP 및 pH 값의 범위와 대비하여, 상기 수신된 ORP 및 pH 값이 미리 설정된 ORP 및 pH 값의 범위를 벗어나지 않도록, 실시간 측정에 대응하여 원료공급부 및 전해액 탱크와 연결된 펌프의 개폐 및 속도를 조절할 수 있다.
또한, 전해액의 ORP 및 pH를 측정함으로써 전해액 제조의 완료시점을 판단하고 펌프의 개폐를 제어할 수 있다.
아울러, 전해조 내부 온도는 최적온도인 15~25 ℃, 보다 바람직하게는 18~23 ℃가 유지되도록 제어함이 바람직하다. 이를 위해, 전해조 내에 항온장치가 추가로 구비될 수 있다.
또한, 제어부(133)에 의해 상기한 펌프의 개폐 및 속도가 조절됨으로써 전해조 내의 유량이 조절되도록 구성할 수 있다. 상기 펌프의 속도가 같더라도 이온 이동에 의해 양극액과 음극액의 유량이 동일하지 않을 수 있으므로, 챔버(110, 120) 내 전해액의 높이를 측정하고 펌프의 개폐 및 속도를 조절하여 챔버(110, 120) 내 전해액의 유량을 일정하게 유지하도록 조절할 수 있다.
예를 들어, 양극액의 높이가 낮아질 경우, 원료공급부(170)로부터 황산바나듐이 용해된 황산용액을 양극액 챔버(110)로 공급하도록 제어할 수 있다.
아울러, 상기 제어부(133)는 압력계(미도시) 및 제어밸브(미도시)를 더 포함하도록 구성하여, 제어부(133)를 조절하거나 미리 설정된 데이터에 맞춰 제어할 수 있도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 제어부(133)는 전해액의 전기화학적 성능을 향상시키고 비가역적인 석출물의 침전을 막아 장치의 장기 구동에도 안정하도록 전해액에 첨가제를 첨가하도록 제어할 수 있다. 이를 위해, 전해조(130) 외부에 첨가제 투입장치가 추가로 구비될 수 있다.
상기 첨가제는 유기계 첨가제로, 히드록시기와 아민기를 갖는 에탄올아민(ethanolamine), 수산화아민(hydroxylamine), 아민기와 술폰산기를 갖는 2-아미노에탄술폰산(2-aminoethanesulfonic acid), 술팜산(sulfamic acid), 금속 착물을 형성하는 분자인 L-히스티딘(L-histidine), 1,4,7,10,13,16-헥사옥사시클로옥타데케인(1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadecane) 등을 사용할 수 있으며, 무기계 첨가제로는 인산 및 암모늄염 등을 사용하여 장치의 안정성을 개선할 수 있다.
상기 첨가제의 작용기와 바나듐이온의 결합으로 산화 및 환원 반응이 촉진되어 전기화학적 활성이 개선되며, 구체적으로, 에탄올아민의 경우 아민기와 히드록실기를 포함하고 있어 아민기와 금속 이온 간의 결합, 바나듐 이온과 히드록실기와의 상호 작용으로 석출물이 억제되는 효과가 있다.
또한, 상기 첨가제는 0.1 내지 1.0 mM의 농도로 전해액에 포함되도록 제어함이 바람직하다.
그리고, 상기 양극액 챔버(110) 및 음극액 챔버(120)에는 질소 공급장치(160)를 연결하여, 전해 반응을 질소가스가 흐르는 환원분위기에서 진행하도록 구성할 수 있으며, 각각의 챔버는 질소가스를 배출할 수 있도록 배출구(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극액 챔버(110)는 구연산, 초산, 아세트산, 탄산, 인산 또는 이들의 혼합물로 이루어진 약산을 포함하도록 구성하여 후술할 전해과정 중 발생할 수 있는 염의 형성을 효과적으로 방지하도록 구성할 수 있다.
상기 전원부(140)는 양극(141a) 및 음극(141b)을 포함하는 전극을 구비하고 상기 전해조(130)에 정전압 및 정전류를 순차적으로 반복해서 공급할 수 있으며, 상기 전극은 복수 개의 금속선이 서로 교차하여 형성된 격자부(143) 및 타공이 내부에 형성되며 상기 격자부(143)의 사이에 배치되는 복수 개의 타공부(147)를 포함하는 것을 사용하도록 구성할 수 있다.
종래에는 바나딜황산염을 전해하여 전해액을 제조할 때, 면전극에 형성된 격자가 바나딜 황산염 입자로 막히게 되면 이온들의 이동에 의한 전류의 흐름이 입자 내에서는 전자의 흐름으로 바뀌게 되고 입자 표면에는 이온들이 집중되어 과전압이 발생되는 현상이 나타났다.
이에 본 발명에서는 도 2에 나타낸 바와 같은 복수 개의 금속선이 서로 평행하게 교차하여 형성된 격자부(143)와 상기 격자부(143) 사이의 면에 천공하여 형성시킨 타공부(147)를 포함하는 전극을 사용하도록 구성하여 형성된 타공부(147)를 통해 전자의 이동성이 향상되어 종래에 전해액 제조시 사용되었던 격자면전극에 비해 전자의 흐름이 원활할 뿐만 아니라 격자무늬를 이루는 격자부(143)의 금속선을 따라 전기가 흘러 높은 출력으로 정전압과 정전류를 공급할 수 있어 전해 시간을 효과적으로 단축할 수 있다.
상기 전극은 부도체에 천공을 통해 격자무늬의 격자부(143)와 홀 형상의 타공부(147)를 형성시킨 후, 상기 격자부(143)에 전자의 이동성을 향상시켜 전류를 효과적으로 공급할 수 있는 소재의 백금(Pt), 티타늄(Ti), 금(Au), 은(Ag) 또는 이들의 혼합물을 코팅하여 금속선을 형성시킨 형태의 전극을 사용하도록 구성할 수 있으며, 이에 제한받지 않고, 공지된 다양한 형태의 메쉬형 격자부(143)를 포함하는 면전극에 타공부(147)를 형성시킨 것을 사용하도록 구성할 수 있다.
따라서, 상기 격자부를 통해서는 상기 금속선을 통해 전기를 이동시켜 정전압과 정전류를 고출력으로 공급하도록 함으로써 전해 시간을 단축시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 전극은 부도체를 천공하여 격자무늬의 격자부(143)와, 이러한 격자부(143) 사이에 홀 형상의 타공부(147)를 형성할 수 있는데, 상기한 격자부(143)에 백금(Pt), 티타늄(Ti), 금(Au), 은(Ag) 또는 이들의 혼합물을 코팅함으로써 내부가 천공된 형태로 금속선이 서로 평행하게 교차 형성된 격자부를 형성할 수 있고, 격자부(143) 사이의 면을 천공함으로써 타공이 내부에만 형성된 부도체인 타공부를 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 타공부(147)를 통해서 전자의 이동성을 향상시킴으로써 전자의 흐름을 원활하게 하고, 또한, 격자부를 통해서는 금속선에 의해 전기를 이동시켜 높은 출력으로 정전압과 정전류를 공급하도록 함으로써 전해 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다.
또한, 상기 전원부(140)는 20 내지 40분 간격으로 순차적으로 반복해서 정전압 및 정전류를 반복 공급할 수 있는 것이라면 제한없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 3 내지 24V의 정전압을 공급하고, 1 내지 50A의 정전류을 공급할 수 있는 전원공급 장치를 전원부(140)로 사용하도록 구성할 수 있다.
상기 격막부(150)는 상기 전해조(130)의 양극액 챔버(110) 및 음극액 챔버(120) 사이에 고정 설치되는 격막(151) 및 상기 격막(151)에 인접하며, 음극액 챔버(120)의 방향으로 배치되는 양이온 투과 방지막(153)을 포함한다.
상기 양극액 챔버(110) 및 음극액 챔버(120) 사이에 격막(151) 만이 설치되면, 전해과정 중에 양극액에서 포함된 바나듐 양이온(VO2 +) 및 수소가 형성된 정전압에 의해 음극액 챔버(120)로 유입될 수 있으며, V2(SO4)3를 포함하는 음극액에 염(salt)이 형성될 수 있다.
이에 본 발명은, 형성된 격막(151)에서 음극액 챔버(120)의 방향으로 양이온 투과 방지막(153)을 배치하도록 구성할 수 있다.
상기 양이온 투과 방지막(153)은 수소 이온 및 양이온의 투과를 방지하는 역할을 하여 양이온 투과 방지막(153)에 의해 수소 이온 및 바나듐 양이온의 유입을 억제하고, 음극액 챔버(120)에 음이온 농도를 증가시켜, 음극액의 순도를 증가시킬 수 있다.
이때, 상기 양이온 투과 방지막(153)은 수소 이온 및 양이온의 투과를 방지할 수 있는 공지된 다양한 소재로 이루어진 것을 사용하도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 격막(151)은 베타-알루미나(β alumina, β-Al2O3)를 포함하는 다공성 세라믹 재질을 이용하는 것이 바람직하다. 참고로, 베타-알루미나(β alumina, β-Al2O3)를 포함하는 다공성 세라믹 재질로 이루어진 격막(151)은 나노크기의 베타-알루미나를 포함하도록 구성되어 전해액 보유 능력이 우수하고, 전해액 젖음성과 열적 안정성을 나타내며 유연성이 우수해 레독스 흐름 전지용 전해액 제조에 효율적으로 이용할 수 있다.
나아가, 상기 독스 흐름 전지용 전해액 제조장치(100)에 의해 전해가 완료된 양극액 챔버(110)에는 5가(V5+)의 바나듐 이온을 포함하는 전해액이 생성되고, 음극액 챔버(120)에는 2가(V2+)의 바나듐 이온을 포함하는 전해액이 생성되며, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치(100)는 상기 양극액 챔버(110)는 양극(141a)에서 전해한 양극액을 저장하는 양극 전해액 탱크(180)를 포함하고, 상기 음극액 챔버(120)는 음극(141b)에서 전해한 음극액을 저장하는 음극 전해액 탱크(190)를 포함하도록 구성하여, 5가(V5+)의 바나듐 이온을 포함하는 양극액 및 2가(V2+)의 바나듐 이온을 포함하는 음극액을 각각 분리하여 저장하도록 구성할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치(100)를 이용하여 전해액을 제조하는 과정에 대해 상세히 설명하도록 한다.
상기 전해조(130)의 양극액 챔버(110) 및 음극액 챔버(120)에 바나딜황산염(VOSO4)이 용해된 황산용액을 공급하고, 전원부(140)를 이용해 정전압과, 정전류를 20 내지 40분 간격으로 순차적으로 공급하면, 양극액 챔버(110)에서는 화학식 1과 같은 반응을 거쳐서 VO2 + 이온이 먼저 생성된다.
이때, 정전압은 3 내지 24V, 정전류는 1 내지 50A의 한계전류치를 공급하도록 구성하는 것이 바람직하며, 정전류의 한계전류치는 전해에 사용되는 황산용액이 격막(151)과 닿은 면적과 격막(151)의 전류치의 곱으로 산출할 수 있다.
<화학식 1>
Figure 112016027301565-pat00001
그리고, 생성된 VO2 + 이온은 반복 공급되는 정전압 및 정전류에 의해 하기 화학식 2와 같은 반응을 거쳐서 (VO2)2SO4가 생성되며, 5가 바나듐 이온 VO2 + 이온이 생성되어 최종적으로 V5+를 포함하는 양극액이 양극액 챔버(110)에 형성된다.
<화학식 2>
Figure 112016027301565-pat00002
또한, 음극액 챔버(120)에서는 공급되는 정전압 및 정전류에 의해 반복 전해되어 하기 화학식 3과 같은 반응을 거쳐 V2(SO4)3이 먼저 생성된다.
<화학식 3>
Figure 112016027301565-pat00003
이때, 일반적인 양극액 챔버(110) 및 음극액 챔버(120) 사이에 격막(151)만이 설치되면, 양극액에서 포함된 바나듐 양이온(VO2 +) 및 수소가 형성된 정전압에 의해 음극액 챔버(120)로 유입될 수 있으며, V2(SO4)3를 포함하는 음극액에 염(salt)이 형성될 수 있다.
이에 본 발명은, 음극액 챔버(120)에 형성된 격막(151)의 음극(141b)방향으로 설치되는 양이온 투과 방지막(153)에 의해 수소 이온 및 바나듐 양이온의 유입을 억제하고, 음극액 챔버(120)에 음이온 농도를 증가시켜, 음극액의 순도를 증가시킬 수 있으며, 상기한 양이온 투과 방지막(153)은 수소 이온 및 양이온의 투과를 방지하는 역할을 할 수 있다.
그리고, 상기와 같이 생성된 V2(SO4)3는 반복 공급되는 정전압 및 정전류에 의해 하기 화학식 4와 같은 반응을 거쳐서 2VSO4가 생성되며 2가 바나듐이온이 생성될 수 있다.
화학식 4는 본 발명에 따른 제2 전해장치(200)를 통해서 V2+를 포함하는 용액이 형성되는 것을 보여주는 화학식이다.
<화학식 4>
Figure 112016027301565-pat00004
상기한 반복 전해는 전원부(140)의 정전압을 일정 순서로 설정하여 공급되는 전류가 전해조(130)의 한계 전류치에 도달할 때까지 정전압으로 전해하며, 한계전류치에 도달한 후에는 전기분해 모드를 정전류로 변환하여 계속 전해하며 정전압은 3 내지 24V로, 정전류는 1 내지 50A의 범위로 공급하고, 전해조(130)의 온도를 18 내지 25 ℃의 범위로 일정하게 유지하면서, 수소이온농도(pH)와 산화환원전위(oxidation reduction potential, ORP) 계측을 병행하면서 수행하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치(100)를 이용하면 정전압과 정전류의 혼합으로 인해서 염의 발생이 현저히 줄어들어 전해 횟수를 줄이고, 순도가 높은 전해액을 제조할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치(100)를 이용하여 전해액을 제조시, 제조되는 음극액의 V2+ 이온의 농도는 원하는 정도까지 낮출 수 있지만 양극액의 V5+ 이온의 농도를 확보하는 것이 어렵다. 이와 같은 현상이 발생할 수 있기 때문에, 양쪽 극 이온의 전하 균형(밸런스)을 맞추기 위해서 전해단계 및 방전단계를 반복해서 수행할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 전해액 제조장치는, 격자 및 타공이 형성된 전극을 구비하여 전자의 이동성을 개선하고, 정전류를 효과적으로 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 전극 표면에 이온들이 집중되어 과전압이 발생되는 현상을 억제하여, 정전압과 한계 전류치의 정전류를 효과적으로 공급할 수 있어 반복 전해를 통한 초기 바나듐의 이온화 시간을 줄여 전해시간을 50% 이상 단축할 수 있어 레독스 흐름 전지용 전해액을 효과적으로 제조할 수 있으며, 제조되는 전해액은 정전압과 정전류의 혼합으로 인해 염의 발생이 현저히 줄어들어 순도가 높다.
100 : 전해액 제조장치 110 : 양극액 챔버
120 : 음극액 챔버 130 : 전해조
131 : 측정부 133 : 제어부
140 : 전원부 141a : 양극
141b : 음극 150 : 격막부
151 : 격막 153 : 양이온 투과 방지막
160 : 질소 공급장치 170 : 원료공급부
180 : 양극 전해액 탱크 190 : 음극 전해액 탱크

Claims (8)

  1. 양극액 챔버와 음극액 챔버가 격막부에 의해 서로 구분된 전해조;
    상기 양극액 챔버와 음극액 챔버에 각각 구비된 전극을 통해 정전압 및 정전류를 순차적으로 반복해서 공급하고, 복수개의 금속선이 서로 교차하여 형성된 격자부 및 타공이 내부에 형성되며 상기 격자부의 사이에 배치되는 복수개의 타공부를 포함하는 전극이 구비된 전원부;
    상기 양극액 챔버에 배관연결되어 상기 양극액 챔버에서 전해한 양극액을 저장하는 양극 전해액 탱크;
    상기 음극액 챔버에 배관연결되어 상기 음극액 챔버에서 전해한 음극액을 저장하는 음극 전해액 탱크;
    상기 양극액 챔버 및 상기 음극액 챔버의 상부에 각각 구비되어 각 챔버 내 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도, 온도, 유량 상태, 전극의 전류 밀도 및 젖음성을 실시간으로 측정하고 측정된 정보를 유선 또는 무선으로 전송하는 측정부;
    상기 측정부에 의해 측정되어 전송된 정보를 수신하여 전해액의 산화환원전위, 수소이온농도, 온도 및 유량 상태를 제어하고, 전해액의 온도가 18 ~ 23℃로 유지되도록 제어하는 제어부; 및
    상기 전해조 외부에 구비되어 에탄올아민(ethanolamine), 수산화아민(hydroxylamine), 2-아미노에탄술폰산(2-aminoethanesulfonic acid), 술팜산(sulfamic acid), L-히스티딘(L-histidine), 1,4,7,10,13,16-헥사옥사시클로옥타데케인(1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadecane), 인산 및 암모늄염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어지는 첨가제를 투입하는 첨가제 투입장치를 포함하여 구성되고,
    상기 측정부는,
    LED를 포함하는 표시수단을 더 포함하여, 색 변화 또는 문자메시지를 통해 동작 상태를 표시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 전해액 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 격막부는,
    상기 양극액 챔버 및 음극액 챔버 사이에 고정 설치되는 격막; 및 상기 격막에 인접하며, 상기 음극액 챔버의 방향으로 배치되는 양이온 투과 방지막을 포함하며,
    상기 전극은,
    복수개의 금속선이 서로 평행하게 교차하여 형성된 격자부; 및 상기 격자부의 사이에 배치되며 내부에 타공이 형성된 복수개의 타공부;를 포함하되,
    상기 전극은 부도체를 천공하여 격자무늬의 상기 격자부와 홀 형상의 상기 타공부가 형성된 후,
    상기 격자부에 백금(Pt), 티타늄(Ti), 금(Au), 은(Ag) 또는 이들의 혼합물이 코팅되어 상기 금속선이 형성됨으로써,
    상기 타공부를 통해서는 전자의 이동성을 향상시키고, 상기 격자부를 통해서는 상기 금속선을 통해 전기를 이동시켜 정전압과 정전류를 고출력으로 공급하도록 함으로써 전해 시간을 단축시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 전해액 제조장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양극액 챔버 및 상기 음극액 챔버는 질소 공급장치가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 전해액 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극액은 5가(V5+)의 바나듐 양이온을 포함하는 전해액인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 전해액 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 음극액은 2가(V2+)의 바나듐 양이온을 포함하는 전해액인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 전해액 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전원부는 20 내지 40분 간격으로 정전압 및 정전류를 순차적으로 반복 공급하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 전해액 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전원부는 3 내지 24V의 정전압을 공급하고, 1 내지 50A의 정전류을 공급하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 전해액 제조장치.
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