KR101752890B1 - 레독스 흐름 전지 - Google Patents

레독스 흐름 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR101752890B1
KR101752890B1 KR1020150136915A KR20150136915A KR101752890B1 KR 101752890 B1 KR101752890 B1 KR 101752890B1 KR 1020150136915 A KR1020150136915 A KR 1020150136915A KR 20150136915 A KR20150136915 A KR 20150136915A KR 101752890 B1 KR101752890 B1 KR 101752890B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrolyte
electrolyte tank
negative electrode
module
electrode electrolyte
Prior art date
Application number
KR1020150136915A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170037388A (ko
Inventor
조화연
김세진
박선아
Original Assignee
롯데케미칼 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 롯데케미칼 주식회사 filed Critical 롯데케미칼 주식회사
Priority to KR1020150136915A priority Critical patent/KR101752890B1/ko
Publication of KR20170037388A publication Critical patent/KR20170037388A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101752890B1 publication Critical patent/KR101752890B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04276—Arrangements for managing the electrolyte stream, e.g. heat exchange
    • H01M2/40—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/528—

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈들을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 모듈; 상기 모듈에 전해액을 공급하고 상기 모듈에서 유출되는 전해액을 저장하는 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크; 상기 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하여 전해액 펌프의 구동으로 상기 전해액을 상기 모듈에 유입하는 전해액 유입라인; 및 상기 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하여 상기 전해액을 상기 모듈로부터 유출하는 전해액 유출라인;을 포함하고, 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 내부에는 1개 이상의 다공성 판이 전해액 수면과 수평 방향으로 설치된, 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.

Description

레독스 흐름 전지 {REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름 전지에 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 친환경적이고 높은 효율을 갖는 에너지의 개발과 이를 이용한 전력 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 집중되고 있으며, 이들 중 2차 전지에 대한 관심 및 연구 개발이 크게 증가하고 있는 실정이다.
화학흐름전지는 활성 물질의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 전환할 수 있는 산화/환원 전지를 의미하며, 태양광, 풍력 등 외부 환경에 따라 출력변동성이 심한 신재생 에너지를 저장하여 고품질 전력으로 변환할 수 있는 에너지 저장시스템이다. 구체적으로, 화학흐름전지에서는 산화/환원 반응을 일으키는 활물질을 포함한 전해액이 반대 전극과 저장 탱크 사이를 순환하며 충방전이 진행된다.
이러한 화학흐름전지는 기본적으로 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장된 탱크와 충/방전 시 활물질을 순환시키는 펌프, 그리고 분리막으로 분획되는 단위셀을 포함하며, 상기 단위셀은 전극, 전해액, 집전체 및 분리막을 포함한다.
상기 화학흐름전지의 구체적인 예로 아연/브롬(Zn/Br) 등을 레독스쌍(Redox-Couple)으로 사용하는 레독스 흐름 전지를 들 수 있다.
이러한 레독스 흐름 전지의 양극 전해액(캐소드 전해액)은 양극(캐소드 전극) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 캐소드 전해액 탱크에 저장되고, 음극 전해액(애노드 전해액)은 음극(애노드 전극) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 애노드 전해액 탱크에 저장된다.
구체적으로, 상기 레독스 흐름 전지의 충전시, 멤브레인과 캐소드 전극 사이에서,
2Br- → Br2＋2e- (식 1)
와 같은 화학 반응이 일어나서 캐소드 전해액에 포함된 브로민이 생산되어 캐소드 전해액 탱크에 저장된다.
또한, 상기 레독스 흐름 전지의 충전시, 멤브레인과 애노드 전극 사이에서,
Zn2＋＋2e- → Zn (식 2)
와 같은 화학 반응이 일어나서, 애노드 전해액에 포함된 아연이 애노드 전극에 증착되어 저장된다.
아연-브롬 레독스 흐름 전지에서는 충전 시 발생하는 브롬 가스의 발생을 막기 위해 브롬 착제를 첨가하는데, 충전이 진행됨에 따라 브롬 착제와 브롬이 점도가 높은 브롬 착화합물을 형성하여 흐름에 지장을 주게 된다. 또한, 수계 기반의 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 경우, 징크의 환원 전위가 수소의 환원전위보다 낮아 징크의 환원보다 수소의 환원이 쉽게 일어난다.
Zn (s)⇔Zn2+ (aq) + 2e- E0 = - 0.76 V
H+(aq) ⇔ H2(g) E0 = 0.0 V
아연-브롬 레독스 흐름 전지의 운전 과정에서 수소발생으로 인해 pH가 상승되어, pH 5이상이 되면, Zn(OH)2 와 ZnO의 경우 결정형으로 석출되어 유로 막힘의 문제가 발생하여 전해액의 흐름에 지장을 주게 된다.
한편, 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 충전 시에 발생하는 브롬 착화합물 생성으로 인한 흐름성의 저하를 막기 위하여, 4-웨이밸브 (4-way valve)를 이용하여 주기적으로 흐름의 방향을 바꾸어 주는 방법이 알려져 있다. 이와 같은 주기적 흐름의 방향전환은 브롬 착화합물로 인한 흐름성 저하를 막는 역할을 하였으나, 장치 증가로 인한 비용상승과 동시에 흐름방향을 전환 시에 발생하는 토크로 인한 4-웨이 밸브의 고장이 문제점으로 발생했다.
또한, 전해액에 계면활성제를 첨가하여 브롬 착화합물의 분산도를 높임으로서 전해액의 흐름성 저하를 최소화하는 방법이 또한 알려져 있다. 그러나, 사용하는 계면활성제가 적정범위 이상에서는 저항으로 작용하여 전압효율이 떨어지는 단점을 지니고 있는데, 징크/브롬 반응의 전압 대에서 계면활성제가 안정하지 못해 분해됨에 따라 일정량의 계면활성제를 유지하는데 어려움이 따른다.
또한, 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 운전시 전해액의 pH 상승으로 인한 부산물인 Zn(OH)2와 ZnO에 따른 전해액의 흐름성 저하를 방지하기 위하여 HBr 또는 HCl 등의 산을 첨가하는 방법이 알려져 있으나, 전해액에 산을 첨가하는 방법에 의해서는 전해액의 pH를 일시적으로 조절할 수는 있으나, 전해액의 안정성이 크게 저하되어 수사이클 이내에 전해액이 pH가 상승하게 되고 전지의 성능도 함께 저하되는 한계가 있었다.
본 발명은, 전해액의 흐름성 저하와 장기 운전에 따른 전해액의 pH 상승을 최소화하면서 보다 향상된 성능을 구현할 뿐만 아니라, 별도의 설비, 추가적인 첨가제 또는 전해액의 교체 등을 사용하지 않고서도 용이하게 전지의 성능을 재생할 수 있는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.
본 명세서에서는, 전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈들을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 모듈; 상기 모듈에 전해액을 공급하고 상기 모듈에서 유출되는 전해액을 저장하는 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크; 상기 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하여 전해액 펌프의 구동으로 상기 전해액을 상기 모듈에 유입하는 전해액 유입라인; 및 상기 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하여 상기 전해액을 상기 모듈로부터 유출하는 전해액 유출라인;을 포함하고, 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 내부에는 1개 이상의 다공성 판이 전해액 수면과 수평 방향으로 설치된 레독스 흐름 전지가 제공될 수 있다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 레독스 흐름 전지에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명자들은 레독스 흐름 전지의 성능 향상 및 상기 전지의 운전시 전해액의 흐름성 향상에 관한 연구를 진행하여, 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 내부에는 1개 이상의 다공성 판을 설치한 레독스 흐름 전지가 전해액의 흐름성 저하와 장기 운전에 따른 전해액의 pH 상승을 최소화하면서 보다 향상된 성능을 구현할 수 있으며, 아울러 레독스 흐름 전지의 충전시 발생하는 브롬착화합물로 인한 흐름성 저하와 pH상승으로 인해 석출되는 Zn(OH)2와 ZnO로 인한 흐름성 저하에 의한 성능 저하의 문제를 별도의 설비, 추가적인 첨가제 또는 전해액의 교체 등을 사용하지 않고서도 용이하게 해결할 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다.
구체적으로, 일 구현예의 레독스 흐름 전지는 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 내부에는 1개 이상의 다공성 판이 전해액 수면과 수평 방향으로 설치될 수 있다.
상기 다공성 판은 전해액 수면과 수평 방향으로 설치되며, 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 측벽에 접할 수 있다. 이에 따라 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 내부에 2개 이상의 다공성 판이 설치되는 경우, 적어도 2개 이상의 상기 다공성 판에 의하여 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 내부가 구획될 수 있다.
상기 다공성 판은 85% 내지 99%의 기공도를 가질 수 있다. 상기 기공도는 상기 다공성 판의 기재와 기공을 합한 전체 부피 중 기공의 부피의 비율로 정의된다.
상기 다공성 판은 1 ㎛ 내지 1000 ㎛ 최대 직경을 갖는 기공을 포함할 수 있다.
또한, 상기 다공성 판의 두께가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 10 ㎛ 내지 2000 ㎛ 의 두께를 가질 수 있다.
상기 다공성 판은 고분자 수지로 이루어질 수 있으며, 내할로겐성을 갖는 고분자 수지를 별 다른 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 다공성 판은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 올레핀계 공중합체 등의 올레핀계 수지나 PVDF 또는 PTFE 등의 불소계 수지를 사용할 수 있다.
한편, 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 내부에는 2개 이상의 다공성 판이 전해액 수면과 수평 방향으로 설치될 수 있는데, 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 하부 방향으로 갈수록 상기 다공성 판의 기공도가 감소할 수 있다.
예를 들어, 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크의 상부에서 하부로 내려갈 수록(지상 방향으로 내려갈 수록), 다공성 판의 기공도가 점점 작아질 수 있다. 구체적으로, 상기 이웃하는 2개의 다공성 판의 기공도 차이가 1%이상, 또는 1% 내지 5%일 수 있다.
상기 음극 전해액 탱크의 상부에서 하부로 내려갈수록 다공성 판의 기공도가 낮아지고 다공성 판의 조밀도가 높아짐에 따라서, 브롬 착화합물을 물리적으로 분산시킴으로써 흐름성을 증가시킬 수 있다. 즉, 별도의 분산제 등을 첨가하지 않고서도 브롬 착화합물을 분산시킴으로써 전해액의 흐름성을 증가시킬 수 있어 안정적인 레독스 흐름 전지의 구동이 가능하다.
또한, 상기 레독스 흐름 전지의 충전 시에는 브롬 착화합물이 아닌 프리 브롬(Free Bromine)만이 유입되어 브롬 착화합물에 의한 흐름성 저하를 최소화할 수 있으며, 방전 시에는 브롬 착화합물과 프리 브롬(Free Bromine) 동시에 공급되어 흐름성 저하를 최소화 할 수 있다.
그리고, 상기 양극 전해액 탱크에서도 하부로 내려갈수록 다공성 판의 기공도가 낮아지고 다공성 판의 조밀도가 높아짐에 따라서, 부산물인 Zn(OH)2와 ZnO를 걸러내어 흐름성을 증가시킬 수 있으며, 부산물에 의하여 유로가 막히는 현상을 방지할 수 있다.
한편, 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각이 2개 이상의 다공성 판을 포함할 수 있으며, 상기 다공성 판에 의하여 구획되는 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 부분의 부피가 동일하거나 상이할 수 있다.
즉, 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각에서는 다공성 판은 구획하는 부분의 부피가 동일하거나 상이하도록 설치될 수 있으며, 또한 3개 이상의 다공성 판이 설치되는 경우 이웃하는 다공성판 간의 거리가 동일하거나 상이할 수 있다.
한편, 상기 구현예의 레독스 흐름 전지에서는 상기 다공성 판이 설치되지 않는 제2의 음극 전해액 탱크 1개 이상이 상기 셀스택과 상기 음극 전해액 탱크 사이에 더 위치할 수 있다. 즉, 상기 구현예의 레독스 흐름 전지는 음극 전해액 탱크를 2개 이상 포함할 수 있으며, 음극 전해액 탱크가 유입되는 전해액 탱크에 다공성 판을 1개 이상 설치하여 브롬 착화합물을 분산시킴으로써 음극 전해액의 흐름성을 증가시킬 수 있다.
도1에는 상기 레독스 흐름 전지의 구성을 개략적으로 나타내었다. 다만, 도1은 상기 구현예의 레독스 흐름 전지의 일 예를 나타낸 것일 뿐이며, 상기 구현예의 구체적인 사항이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 구현예의 레독스 흐름 전지는 충전시 발생하는 브롬착화합물로 인한 흐름성 저하와 pH상승으로 인해 석출되는 Zn(OH)2와 ZnO로 인한 흐름성 저하에 의한 성능 저하의 문제를 별도의 설비, 추가적인 첨가제 또는 전해액의 교체 등을 사용하지 않고서도 용이하게 해결할 수 있다
구체적으로, 상기 구현예의 레독스 흐름 전지는 장시간 운전에 따른 pH 상승으로 석출되는 Zn(OH)2와 ZnO로 인한 흐름성 저하를 최소화할 수 있으며, 또한 전지 성능 저하 시에도 추가적인 장치의 사용이나 전해액의 교체 등을 하지 않고서도 양극 전해액 및 음극 전해액 중 어느 하나의 전해액의 일부를 다른 전해액에 유입 시킴으로서 전지 성능을 회복할 수 있다. 특히, 장시간 운전 이후 양극 전해액 탱크에 있는 전해질을 음극 전해액 탱크로 유입시킴에 따라, Zn(OH)2의 징크 이온으로의 회복되어 전지의 성능을 회복시킬 수 있다.
상기 레독스 흐름 전지의 구체적인 예가 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 아연/브롬(Zn/Br) 레독스 커플을 사용할 수 있다.
상기 레독스 흐름 전지의 전해액 중 아연/브롬(Zn/Br) 레독스 커플의 농도가 0.2 M 내지 10 M일 수 있다.
상기 레독스 흐름 전지는 통상적으로 알려진 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어 상기 레독스 흐름 전지는 이온교환막과 전극을 포함하는 단위 셀; 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장된 탱크; 및 충전 및 방전시 상기 단위셀과 탱크 사이에서 활물질을 순환시키는 펌프;를 포함할 수 있다.
상기 레독스 흐름 전지는 상기 단위 셀을 1이상 포함하는 모듈(module)을 포함할 수 있다.
상기 레독스 흐름 전지는 플로우 프레임 (Flow frame)을 더 포함할 수 있다. 상기 플로우 프레임은 전해액의 이동 통로 역할을 할 뿐만 아니라, 실제 전지의 전기 화학 반응이 잘 일어날 수 있도록 전극과 분리막 사이로 전해액의 고른 분포를 제공할 수 있다. 상기 플로우 프레임은 0.1 mm 내지 10.0 mm의 두께를 가질 수 있고, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리염화비닐 등의 고분자로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 전해액의 흐름성 저하와 장기 운전에 따른 전해액의 pH 상승을 최소화하면서 보다 향상된 성능을 구현할 뿐만 아니라, 별도의 설비, 추가적인 첨가제 또는 전해액의 교체 등을 사용하지 않고서도 용이하게 전지의 성능을 재생할 수 있는 레독스 흐름 전지가 제공될 수 있다.
도 1은 실시예의 레독스 흐름 전지의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2은 실험예에서 수행한 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 성능 재생 평가에서 에너지 효율 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 실험예에서 수행한 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 성능 재생 평가에서 전하율 효율 측정 결과를 나타낸 것이다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예 및 비교예: 아연/브롬 레독스 흐름 전지의 제조]
하기 표1에 기재된 바와 같이, 아연/브롬 레독스 흐름 전지의 제조하였다. 구체적으로, 제조된 아연/브롬 레독스 흐름 전지는 전극/플로우프레임/분리막/플로우프레임/ 전극 순으로 제작하였으며, 아연/브롬 전해액으로는 2.25M의 아연/브롬 수용액을 사용하였다. 그리고, 실시예의 아연/브롬 레독스 흐름 전지에서는 하기 표2의 조건을 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각에 다공성 판을 설치하였다. 실시예의 아연/브롬 레독스 흐름 전지의 개략적인 구성은 도1에 나타난 바와 같다.
상기 제조된 아연/브롬 레독스 흐름 전지에 대하여 충전 완료 전하량 2.98Ahr/cell과 방전 완료 전압 1.0V/cell로를 적용하여 운전을 진행하였다.
상기 운전 결과 아연/브롬 레독스 흐름 전지의 전하량효율은 각 싸이클의 충전 전하량 용량 대비 방전용량의 비율로 측정하였다.
구성 상세내역
전극 제조사 (제품명) Morgan Korea (Graphite plate)
두께 (mm) 3
분리막 제조사 (제품명) Asahi (SF601)
두께 (㎛) 600
내 용 상세내역
다공성 판 기공도 전해액 수면의 수평 방향 단면적 기준 90% 내지 95%
재질 PVDF
다공성 판 위치 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 전체 길이를 n+1등분하는 위치에 n개의 다공성 판을 설치하여 전해액 탱크의 내부과 구획됨
(다공성 판의 개수는 하기 표3 및 4에 기재)
위치에 따른 종류 전해액 탱크 아래면으로 갈수록 기공도가 낮은
그물망 사용 (95% 내지 90%의 기공도)
실시예 및 비교예 각각의 아연/브롬 레독스 흐름 전지에 대하여 성능 평가를 하였으며, 그 결과를 하기 표3 및 4에 기재하였다.
이하의 실험예에서는 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 에너지 효율, 전압 효율 및 전하 효율을 다음과 같은 방법으로 측정하였다.
(1) 에너지 효율 (Energy Efficiency, EE)
= (방전에너지 (Wh) / 충전에너지 (Wh)) *100
(2) 전압 효율 (Voltage Efficiency, VE)
= (에너지 효율 / 전하량 효율) *100
(3) 전하량 효율 (Current Efficiency, CE)
= (방전용량 (Ah) / 충전용량(Ah)) * 100
다공성 판 종류
(기공도/두께)		 다공성판의 설치 위치 다공성 판의
개수 		효율[%]
에너지 전압 전하량
실시예 1 95% / 500 μm
93% / 500 μm
90% / 500 μm		 음전해액 탱크 3개
3개
4개		 70.7 78.0 90.7
실시예 2 95% / 500 μm
94% / 500 μm
92% / 500 μm		 양전해액 탱크 3개
3개
4개		 70.4 77.7 90.7
실시예3 95% / 500 μm
93% / 500 μm
90% / 500 μm		 음전해액 탱크 2개
4개
3개		 70.8 77.8 91.0
실시예 4 95% / 500 μm
94% / 500 μm
92% / 500 μm		 양전해액 탱크 3개
4개
3개		 70.6 77.7 90.8
실시예 6 95% / 500 μm
93% / 500 μm
90% / 500 μm		 음전해액 탱크 3개
3개
4개		 70.9 77.9 91.0
95% / 500 μm
94% / 500 μm
92% / 500 μm		 양전해액 탱크 3개
3개
4개
실시예 7 95% / 500 μm
93% / 500 μm
90% / 500 μm		 음전해액 탱크 2개
4개
3개		 71.0 77.8 91.3
95% / 500 μm
94% / 500 μm
92% / 500 μm		 양전해액 탱크 3개
4개
3개
총 다공성 판의 수가 n개의 경우, 전해조통의 n+1 간격으로 나누어 설치하였으며, 아래로 내려갈수록 기공도가 낮은 다공성 판을 설치하였다.
다공성 판 설치 효율[%]
에너지 전압 전하량
비교예 1 없음 69.6 77.4 89.8
상기 표3 및 표4에 기재된 바와 같이, 다공성 판을 설치한 실시예 1 내지 4 및 6 내지 7의 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 운전한 결과 비교예의 아연-브롬 레독스 흐름 전지를 운전한 경우에 비하여 상대적으로 높은 에너지 효율, 전하량 효율 및 전압 효율을 구현하였다.
특히, 실시예 1 내지 4 및 6 내지 7의 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 운전 결과, 음전해액의 충전시 발생하는 브롬 착화합물의 흐름성이 개선으로 인한 방전 전하량 증가로 인해 에너지 효율이 증가된 것을 확인하였다.
[실험예: 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 성능 재생 평가]
상기 실시예1의 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 성능 재생 평가를 다음과 같이 진행하였다:
상기 실시예1에 대하여 기재한 조건으로 실시예1의 아연 브롬 레독스 흐름 전지를 최초 5회 운전하여 초기 에너지 효율, 전압 효율 및 전하 효율을 측정하고, 한달 이상 추가로 운전하여 전해액의 pH 상승으로 성능이 저하된 상태에서의 에너지 효율, 전압 효율 및 전하 효율을 측정하였다.
상기 추가 운전 이후, 양극 전해액 탱크에 전해액 유입부로부터 첫번째에 설치된 2개의 다공성 판 사이의 전해액을 음극 전해액 부피 대비 10%의 양으로 음극 전해액 탱크로 유입하였다. 그리고, 상기 전해액 이동 이후 실시예1의 아연 브롬 레독스 흐름 전지를 5회 운전하여 초기 에너지 효율, 전압 효율 및 전하 효율을 재차 측정하였다.
그 측정 결과를 하기 표5 및 도 2 내지 3에 나타내었다.
구분 cycle 효율[%]
에너지 전압 전하량
1) 초기 성능 1 70.3 77.6 90.6
2 69.5 77.4 89.7
3 69.5 77.1 90.0
4 69.5 77.1 90.0
5 69.2 77.8 88.9
2) 성능 저하 1 64.1 78.1 82.1
2 66.3 77.9 85.2
3 67.0 77.1 86.9
4 67.4 77.0 87.4
5 67.1 76.9 87.2
3) 전해액 이동 후 1 71.4 77.7 91.9
2 71.6 77.7 92.2
3 70.1 76.3 91.8
4 70.6 76.3 92.5
5 70.9 77.1 91.9
상기 표5와 도2 내지 3에 나타난 바와 같이, 상기 실시예1의 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 장시간 운전에 따른 pH 상승으로 석출되는 Zn(OH)2와 ZnO로 인한 흐름성 저하를 최소화할 수 있으며, 또한 전지 성능 저하 시에도 추가적인 장치의 사용이나 전해액의 교체 등을 하지 않고서도 전해액의 이동 및 기존의 반응물질을 이용하여서도 전지 성능의 회복이 가능하다는 점이 확인되었다.
특히, 장시간 운전 이후 양극 전해액 탱크의 특정의 위치에 있는 전해질을 음극 전해액 탱크로 유입시킴에 따라, Zn(OH)2의 징크 이온으로의 회복되어 전하량 효율이 상승한 것을 확인하였다.

Claims (12)

  1. 전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈들을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 모듈;
    상기 모듈에 전해액을 공급하고 상기 모듈에서 유출되는 전해액을 저장하는 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크;
    상기 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하여 전해액 펌프의 구동으로 상기 전해액을 상기 모듈에 유입하는 전해액 유입라인; 및
    상기 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하여 상기 전해액을 상기 모듈로부터 유출하는 전해액 유출라인;을 포함하고,
    상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 내부에는 적어도 2개 이상의 다공성 판이 전해액 수면과 수평 방향으로 설치되며,
    상기 다공성 판이 설치되지 않는 제2의 음극 전해액 탱크 1개 이상이 상기 단위 스택과 상기 음극 전해액 탱크 사이에 위치하고,
    적어도 2개 이상의 상기 다공성 판에 의하여 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 내부가 구획되고,
    상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 하부 방향으로 갈수록 상기 다공성 판의 기공도가 감소하며,
    상기 다공성 판은 85% 내지 99%의 기공도를 가지며,
    상기 이웃하는 2개의 다공성 판의 기공도 차이가 1% 내지 5%인,
    레독스 흐름 전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 판에 의하여 구획되는 상기 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크 각각의 부분의 부피가 동일하거나 상이한, 레독스 흐름 전지.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 판은 1 ㎛ 내지 1000 ㎛ 최대 직경을 갖는 기공을 포함하는, 레독스 흐름 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 판은 10 ㎛ 내지 2000 ㎛의 두께를 갖는, 레독스 흐름 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 판이 설치되지 않는 제2의 음극 전해액 탱크 1개 이상이 상기 단위 스택과 상기 음극 전해액 탱크 사이에 더 위치하는, 레독스 흐름 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 레독스 흐름 전지의 전해액 중 아연/브롬(Zn/Br) 레독스 커플의 농도가 0.2 M 내지 10 M인, 레독스 흐름 전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 스택은 이온교환막과 1쌍의 전극을 포함하는, 레독스 흐름 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스택은 플로우 프레임 (Flow frame)을 더 포함하는, 레독스 흐름 전지.
KR1020150136915A 2015-09-25 2015-09-25 레독스 흐름 전지 KR101752890B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150136915A KR101752890B1 (ko) 2015-09-25 2015-09-25 레독스 흐름 전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150136915A KR101752890B1 (ko) 2015-09-25 2015-09-25 레독스 흐름 전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170037388A KR20170037388A (ko) 2017-04-04
KR101752890B1 true KR101752890B1 (ko) 2017-07-11

Family

ID=58588420

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150136915A KR101752890B1 (ko) 2015-09-25 2015-09-25 레독스 흐름 전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101752890B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10886543B2 (en) 2018-03-20 2021-01-05 DOOSAN Heavy Industries Construction Co., LTD Redox flow battery using electrolyte concentration gradient and operation method thereof

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101855290B1 (ko) 2017-03-02 2018-05-04 스탠다드에너지(주) 레독스 흐름전지
KR102106059B1 (ko) 2017-12-15 2020-04-29 한국에너지기술연구원 안전장치가 구비된 레독스 흐름전지 시스템
KR102031981B1 (ko) * 2018-03-20 2019-10-14 두산중공업 주식회사 전해액 농도 구배를 이용한 산화 환원 흐름전지 및 그 운전방법
KR102650133B1 (ko) * 2018-11-21 2024-03-21 롯데케미칼 주식회사 아연-브롬 레독스 흐름 전지의 전해액 회복방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6085332B2 (ja) * 2015-05-28 2017-02-22 華為技術有限公司Ｈｕａｗｅｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． キー装置を有する蓋ユニットを有するモバイル端末

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6085332B2 (ja) * 2015-05-28 2017-02-22 華為技術有限公司Ｈｕａｗｅｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． キー装置を有する蓋ユニットを有するモバイル端末

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10886543B2 (en) 2018-03-20 2021-01-05 DOOSAN Heavy Industries Construction Co., LTD Redox flow battery using electrolyte concentration gradient and operation method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170037388A (ko) 2017-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101752890B1 (ko) 레독스 흐름 전지
JP6263127B2 (ja) 電気的に再充電可能な金属アノードセルおよびバッテリシステムならびに方法
KR102261603B1 (ko) 플로우 배터리를 위한 전해질 평형화 방법
KR102560077B1 (ko) 플로우 배터리 내의 기생 반응의 경감
KR101394255B1 (ko) 레독스 흐름전지 및 그 운전 방법
KR20180050431A (ko) 전기적으로 재충전가능한, 금속－공기 배터리 시스템들 및 방법들
EP2301098A1 (en) Redox flow cell
AU2012323979A1 (en) Vanadium flow cell
KR101862368B1 (ko) 아연-브롬 화학흐름전지의 운전 방법
US20170229728A1 (en) Electrolyte for redox flow battery and redox flow battery system
KR20170137139A (ko) 바이폴라 막을 가진 플로우 배터리 평형화 셀 및 이것의 사용 방법
US20150050570A1 (en) Production of vanadium electrolyte for a vanadium flow cell
KR101851376B1 (ko) 레독스 흐름 전지용 전해액 및 레독스 흐름 전지
KR101570700B1 (ko) 레독스 흐름전지용 매니폴드 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지
KR20200082458A (ko) 레독스 흐름전지
US9184454B1 (en) Mixing arrangement for a flow cell of an energy storage system
KR101491784B1 (ko) 화학흐름전지의 운전 방법
KR20160082372A (ko) 전해질을 물리적으로 분리하는 계층부를 포함하지 않는 레독스 흐름 이차전지 및 적층형 레독스 흐름 이차전지
WO2016069402A1 (en) Production of vanadium electrolyte for a vanadium flow cell
KR20160064545A (ko) 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템
KR101732686B1 (ko) 레독스 흐름 전지용 전해액 및 레독스 흐름 전지
KR102489785B1 (ko) 흐름 전지 및 이를 포함하는 발전 시스템
WO2021209585A1 (en) Redox flow battery with immiscible electrolyte and flow through electrode
JP7149623B2 (ja) レドックスフロー電池
KR102091449B1 (ko) 크로스 전해액 탱크가 마련된 레독스 흐름 전지 시스템.

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant