KR101763044B1 - Method for controlling operation of redox flow battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레독스 흐름 전지의 운전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바나듐을 포함하는 활물질 및 음이온 교환막을 이용하는 레독스 흐름 전지에 있어서 급격한 저항값 상승을 방지하고, 저항값이 상승된 경우 이를 낮출 수 있는 레독스 흐름 전지의 운전 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of operating a redox flow cell, and more particularly, to a redox flow battery using an active material containing vanadium and an anion exchange membrane to prevent an abrupt increase in resistance value, And a method of operating the redox flow cell.

Description

레독스 흐름 전지의 운전 방법{METHOD FOR CONTROLLING OPERATION OF REDOX FLOW BATTERY}METHOD FOR CONTROLLING OPERATION OF REDOX FLOW BATTERY [0001]

본 발명은 레독스 흐름 전지의 운전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바나듐을 포함하는 활물질 및 음이온 교환막을 이용하는 레독스 흐름 전지에 있어서 급격한 저항값 상승을 방지하고, 저항값이 상승된 경우 이를 낮출 수 있는 레독스 흐름 전지의 운전 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of operating a redox flow cell, and more particularly, to a redox flow battery using an active material containing vanadium and an anion exchange membrane to prevent an abrupt increase in resistance value, And a method of operating the redox flow cell.

고효율 에너지 저장 시스템인 이차 전지에 있어서, 높은 에너지 저장 밀도와 고출력, 고내구성을 갖는 레독스 흐름 전지가 대용량 전력 저장 기술 또는 비상전원용으로 각광받고 있다.BACKGROUND ART In a secondary battery which is a high-efficiency energy storage system, a redox flow cell having high energy storage density, high output and high durability is attracting attention as a large-capacity power storage technology or an emergency power source.

레독스 흐름 전지는 전해액에 포함된 이온의 산화/환원 반응을 통해 전기 에너지를 충전 또는 방전하는 전기화학적 축전 장치이다. A redox flow cell is an electrochemical storage device that charges or discharges electrical energy through oxidation / reduction reactions of ions contained in an electrolyte solution.

특히, 바나듐 레독스 흐름 전지는 전극 반응이 단순하고, 기전력이 높고, 바나듐 이온의 전극 반응이 빠르며, 내구성이 우수하며, 출력이 높은 등의 이점을 갖기 때문에 가장 널리 이용되고 있는데, 바나듐을 활물질로 사용하는 레독스 전지는 음극에 있어서의 바나듐의 2가(V2 +)/3가(V3 +)의 산화 환원 반응과 양극에 있어서의 바나듐의 4가(V4 +)/5가(V5 +)의 산화 환원 반응을 이용한다.Particularly, the vanadium redox flow cell is most widely used because it has a simple electrode reaction, high electromotive force, fast electrode reaction of vanadium ion, excellent durability, and high output. Vanadium is used as an active material The redox battery used has a redox reaction of vanadium divalent (V 2 + ) / 3 valence (V 3 + ) in the anode and a quaternary (V 4 + ) / 5 valence of vanadium 5 + ) oxidation-reduction reaction.

이러한 바나듐 레독스 흐름 전지의 운전 시 음극과 양극을 나누는 격막 역할을 하는 물질로 이온의 선택적 투과에 효과적인 이온 교환막을 사용하는데, 이온 교환막은 분자 구조 말단의 작용기의 전하에 따라 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 분류할 수 있다.The vanadium redox flow cell is a material that acts as a diaphragm to divide the cathode and the anode in operation. The ion exchange membrane, which is effective for the selective permeation of ions, is used as a cation exchange membrane and anion exchange membrane Can be classified.

음이온 교환막을 사용할 경우 격막의 표면이 양극 전하를 띠어 대부분의 음이온과 수소 이온을 통과시키게 된다. 하지만 전해액에 음이온을 띠는 이온 클러스터(복수의 원자가 응집한 집합체)가 고농도로 존재할 경우 음이온의 입자가 전기적 인력에 의해 음이온 교환막의 표면에 붙어 수소 이온의 통과를 방해하는 문제가 있다. 이 경우 전지의 저항이 순간적으로 급격하게 상승하여 전지는 정상적인 회로를 이루지 못하고 전지의 역할을 하지 못하게 된다.When the anion exchange membrane is used, the surface of the diaphragm is charged with a positive electric charge so that most of the anions and hydrogen ions pass through. However, when ion clusters (aggregates of a plurality of atoms aggregated) having anions in the electrolyte are present at high concentrations, there is a problem that the particles of anions are stuck on the surface of the anion exchange membrane due to the electrical attraction and interfere with the passage of hydrogen ions. In this case, the resistance of the battery suddenly rises instantaneously, so that the battery can not perform a normal circuit and can not function as a battery.

바나듐 레독스 흐름전지에서 음극액 중에 V2 + 및 V3 +을 포함하고, 양극액이 V4 + 및 V5 +을 포함하는 시스템에서, V5 +는 일부 음이온 전하를 띠는 형태로 존재한다. In a system where V 2 + and V 3 + are contained in the catholyte and the anolyte contains V 4 + and V 5 + in a vanadium redox flow cell, V 5 + exists in the form of some anionic charge .

화학종의 분자 형태는 온도 및 pH등 다양한 요소에 의해 영향을 받아 결정이 되지만, 해당 전해액 중 V5 + 이온은 과반수 이상은 VO2SO4 - 음전하를 띠는 이온 클러스터 형태로 존재한다. 따라서 배터리의 충전 상태충전 상태(State of Charge; SOC)가 높은 경우 음의 전하를 띠는 이온 클러스터의 농도가 높아지고 이는 음이온 교환막의 표면에서 원활한 전자의 반응이 일어나는 것을 방해하여 전지의 저항이 급격히 상승하는 요인이 된다.The molecular form of the chemical species is determined by various factors such as temperature and pH. However, more than half of the V 5 + ions in the electrolyte exists in the form of ion clusters with VO 2 SO 4 - negative charge. Therefore, when the state of charge (SOC) of the battery is high, the density of the ion cluster having a negative charge increases, which hinders the smooth reaction of the electrons on the surface of the anion exchange membrane, .

Figure 112015129356129-pat00001
Figure 112015129356129-pat00001

따라서, 음이온 교환막을 적용한 레독스 흐름 전지나, 다양한 음이온 종을 전해액에 포함하는 레독스 흐름 전지의 경우 급격한 저항 상승으로 인한 전지 기능 불량을 방지하기 위한 기술 개발이 필요하다.
Therefore, in the case of a redox flow cell to which an anion exchange membrane is applied and a redox flow cell including various anion species in an electrolyte, it is necessary to develop a technique for preventing a battery malfunction due to an abrupt increase in resistance.

본 발명은 음이온 교환막을 사용하는 레독스 흐름 전지의 저항이 급격하게 높아지지 않도록 조절하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a method for controlling the resistance of a redox flow cell using an anion exchange membrane so as not to increase rapidly.

또한, 본 발명은 레독스 흐름 전지의 음이온 교환막의 표면에서 원활한 화학 반응이 일어나도록 조절하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a method for controlling a smooth chemical reaction on the surface of an anion exchange membrane of a redox flow cell.

또한, 본 발명은 음이온 교환막을 사용하는 레독스 흐름 전지의 저항이 급격하게 높아진 경우, 전지 저항을 낮추는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for lowering the battery resistance when the resistance of a redox flow cell using an anion exchange membrane is rapidly increased.

또한, 본 발명은 점검을 위한 중단 및 재운전이 필요없이 연속적이고 안정적으로 레독스 흐름 전지의 운전을 보장할 수 있는 방법을 목적으로 한다.
It is another object of the present invention to provide a method for ensuring continuous and stable operation of a redox flow battery without the need for interruption and re-operation for inspection.

상기 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the above problems,

본 발명의 일 구현예는 양극액, 음극액 및 음이온 교환막을 포함하는 레독스 흐름 전지의 운전 방법으로서, 상기 양극액 및 상기 음극액에 포함되는 이온의 농도, 양극액의 충전 상태 값 및 전지의 온도를 조절하여 상기 레독스 흐름 전지의 저항이 초기 저항값의 80 내지 150%의 값으로 유지되는 레독스 흐름 전지의 운전 방법을 제공할 수 있다.An embodiment of the present invention is a method of operating a redox flow cell comprising an anolyte, a catholyte and an anion exchange membrane, the method comprising: determining the concentration of ions contained in the anolyte and the catholyte, And the resistance of the redox flow cell is maintained at a value of 80 to 150% of the initial resistance value by adjusting the temperature of the redox flow battery.

상기 양극액에 포함되는 바나듐 이온의 농도는 V mol/L, 황산 이온의 농도를 S mol/L, 염소 이온의 농도를 C mol/L 라고 할 때, 상기 양극액은 하기 식 1을 만족할 수 있다.When the concentration of the vanadium ion contained in the anolyte is V mol / L, the concentration of the sulfate ion is S mol / L, and the concentration of the chloride ion is C mol / L, the anolyte can satisfy the following formula 1 .

[식 1] [Formula 1]

0 ≤ V + S + C/2 ≤7 , 여기서, V>0, S>0, C≥0 이다.0? V + S + C / 2? 7, where V> 0, S> 0,

또한, 상기 양극액에 포함되는 바나듐 이온의 농도는 V mol/L, 황산 이온의 농도를 S mol/L, 염소 이온의 농도를 C mol/L 라고 할 때, 상기 양극액은 하기 식 2를 만족할 때,When the concentration of the vanadium ion contained in the anolyte is V mol / L, the concentration of the sulfate ion is S mol / L, and the concentration of the chloride ion is C mol / L, the anolyte satisfies the following formula 2 time,

[식 2] [Formula 2]

7 < V + S + C/2 ≤20 (여기서, V>0, S>0, C≥0 이다.)7 < V + S + C / 2 20 wherein V > 0, S >

상기 레독스 흐름 전지의 온도(A℃)와 양극액의 충전 상태 값(B%)은 하기와 같이 조절될 수 있다.The temperature (A DEG C) of the redox flow cell and the charge state value (B%) of the anolyte can be adjusted as follows.

0≤A≤15 일 때, 0 < B ≤ 50,0? A? 15, 0 < B? 50,

15<A≤30일 때, 0 < B ≤75,15 < A? 30, 0 < B? 75,

30<A≤45일 때, 0 < B ≤ 100,30 < A < 45, 0 &lt; B &lt;

상기 양극액의 충전 상태 값은 75% 이하로 조절될 수 있다.The state of charge of the anolyte can be adjusted to 75% or less.

상기 양극액과 상기 음극액 내 포함되는 바나듐의 농도와 각 전해액의 액량이 동일할 때, 상기 양극액과 상기 음극액 내 전체 바나듐의 산화수의 평균은 3.25 내지 3.375로 조절될 수 있다.When the concentration of vanadium contained in the anolyte and the catholyte is equal to that of each of the anolyte, the average oxidation number of the total vanadium in the anolyte and the catholyte can be adjusted to 3.25 to 3.375.

상기 양극액과 상기 음극액 내 포함되는 바나듐의 농도가 동일하며, 음극액량이 양극액량의 75% 이하일 때,When the concentration of the anolyte and the vanadium contained in the catholyte are the same and the amount of the catholyte is 75% or less of the amount of the anolyte,

상기 양극액과 상기 음극액 내 전체 바나듐의 산화수의 평균은 3.57 내지 3.65로 조절될 수 있다. The average oxidation number of the total vanadium in the anolyte and the catholyte can be adjusted to 3.57 to 3.65.

또한, 상기 음극액에 포함되는 바나듐의 농도(mol/L)가 상기 양극액 내 포함되는 바나듐의 농도보다 클 때, 각 전해액의 액량(L)을 조절하여 상기 양극액과 상기 음극액에 포함되는 바나듐 몰수가 동일하게 조절될 수 있다.Further, when the concentration (vanadium / vanadium) contained in the catholyte solution is greater than the concentration of vanadium contained in the anolyte, the liquid amount L of each electrolytic solution is adjusted so that the anolyte The number of moles of vanadium can be controlled to be the same.

이 때, 상기 음극액의 바나듐의 농도는 1 내지 1.7일 수 있다.
At this time, the concentration of vanadium in the cathode liquid may be 1 to 1.7.

또한, 본 발명의 다른 구현예는 양극액, 음극액 및 음이온 교환막을 포함하고, 상기 양극액 및 상기 음극액은 바나듐 이온, 황산 이온 및 염소 이온을 포함하는 레독스 흐름 전지의 운전 방법으로서, 상기 레독스 흐름 전지의 저항이 초기 저항값의 150%를 초과하는 값에 도달한 경우, 상기 전지의 온도 또는 전류밀도를 조절하여 상기 레독스 흐름 전지의 저항이 초기 저항값의 80 내지 150%의 값으로 조절하는 레독스 흐름 전지 운전 방법이 제공될 수 있다.Another embodiment of the present invention is a method for operating a redox flow cell comprising an anode liquid, a cathode liquid, and an anion exchange membrane, wherein the anode liquid and the cathode liquid include vanadium ions, sulfate ions and chlorine ions, When the resistance of the redox-flow battery reaches a value exceeding 150% of the initial resistance value, the temperature or the current density of the battery is adjusted so that the resistance of the redox-flow battery is 80 to 150% A redox flow cell operating method may be provided.

상기 전지의 온도는 저항이 초기 저항값의 150%를 초과하는 값에 도달한 시점의 온도값(℃) 대비 1.1 내지 2.0배의 값으로 조절될 수 있다.The temperature of the battery can be adjusted to a value of 1.1 to 2.0 times the temperature value (占 폚) at which the resistance reaches a value exceeding 150% of the initial resistance value.

상기 전지의 전류밀도는 저항이 초기 저항값의 150%를 초과하는 값에 도달한 시점의 전류밀도값(A/cm2) 대비 0.5 내지 0.9배의 값으로 조절될 수 있다.The current density of the battery can be adjusted to 0.5 to 0.9 times the current density value (A / cm 2 ) at the time when the resistance reaches a value exceeding 150% of the initial resistance value.

이와 같이 레독스 흐름 전지의 전해액에 포함되는 바나듐 이온의 농도뿐만 아니라 각 음이온 종의 농도와 운전 온도를 조절함으로써, 전지의 급격한 저항 상승을 방지하거나 상승된 저항을 낮춰 원활한 전지 작동을 실현할 수 있다.
By controlling not only the concentration of the vanadium ion contained in the electrolytic solution of the redox-flow battery but also the concentration of each of the anion species and the operating temperature, it is possible to prevent the rapid increase of the resistance of the battery or lower the increased resistance.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 음이온 교환막이 적용된 레독스 흐름 전지의 급격한 저항 상승 현상을 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention as described above, there is an advantage that a sudden increase in resistance of a redox flow cell to which an anion exchange membrane is applied can be prevented in advance.

또한, 본 발명은 음이온 교환막이 적용된 레독스 흐름 전지의 저항이 급격히 상승한 경우 빠른 시간 내에 이를 낮춰 전지의 장기적인 신뢰성을 확보할 수 있다.In addition, when the resistance of the redox-flow battery to which the anion-exchange membrane is applied is rapidly increased, the present invention can be shortened within a short period of time to secure long-term reliability of the battery.

또한, 본 발명은 전지 점검을 위한 중단이나 재운전이 필요없어, 연속적이고 안정적으로 레독스 흐름 전지의 운전을 보장할 수 있는 장점이 있다.Further, the present invention is advantageous in that the operation of the redox flow battery can be ensured continuously and stably without interruption or re-operation for checking the battery.

또한, 본 발명은 음이온 교환막의 두께나 소재등에 제한되지 않고 전지가 원활하게 작동되도록 제어할 수 있는 장점이 있다.
Further, the present invention is advantageous in that the battery can be smoothly operated without being limited to the thickness and material of the anion exchange membrane.

도 1은 레독스 흐름 전지의 음이온 교환막에서의 반응 원리를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 양극액과 음극액의 충전 상태 값과 바나듐 산화수에 따른 저항을 나타낸 그래프이다.
도 4는 양극액과 음극액의 충전 상태 값에 따른 전지의 운전을 나타낸 그래프이다.
도 5는 전지 온도에 따른 전지의 충방전 성능을 나타낸 그래프이다.
도 6은 작동 전류밀도에 따른 전지의 충방전 성능을 나타낸 그래프이다.
1 shows the principle of reaction in an anion exchange membrane of a redox flow cell.
2 schematically illustrates the structure of a redox flow cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a charged state value of an anolyte and a catholyte and a resistance according to vanadium oxidation number.
4 is a graph showing the operation of the battery according to the charged state values of the anolyte and the catholyte.
5 is a graph showing the charge / discharge performance of the battery according to the battery temperature.
6 is a graph showing the charge / discharge performance of the battery according to the operating current density.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described hereinafter. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

일반적으로 바나듐 레독스 흐름 전지는 운전 시 음극과 양극을 나누는 격막으로 이온교환막이나 세퍼레이터를 주로 사용한다. 세퍼레이터는 가격이 저렴한 장점이 있으나, 이온 선택성이 없이 격막을 통과하게 되므로 전지의 쿨롱 효과를 저하시킬 뿐만 아니라 전지 용량 유지가 어려워 운용 효율이 떨어지는 문제점이 있다.In general, a vanadium redox flow cell uses an ion exchange membrane or a separator as a diaphragm for separating a cathode and an anode during operation. The separator has an advantage of low cost, but it has a problem that the Coulomb effect of the battery is deteriorated because it passes through the diaphragm without ion selectivity, and the battery capacity is difficult to maintain.

따라서, 양극 간의 이온 밸런스를 유지하기 위하여 다공성 고분자의 이온 선택성을 갖는 이온 교환막을 주로 사용하는데, 이온 교환막은 고분자의 말단 작용기 전하에 따라 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 분류할 수 있다.Therefore, an ion exchange membrane having ion selectivity of a porous polymer is mainly used to maintain the ion balance between the anodes. The ion exchange membrane can be classified into a cation exchange membrane and an anion exchange membrane depending on the terminal functional group charge of the polymer.

양이온 교환막의 경우 양이온을 우세하게 통과시키고 음이온은 일부만 통과되며, 음이온 교환막의 경우 음이온을 우세하게 통과시키고 양이온은 일부만 통과된다.In the case of cation exchange membranes, the cation is predominantly passed and the anions are only partially passed, whereas the anion exchange membranes predominantly pass the anions and some of the cations pass.

따라서, 바나듐 레독스 흐름 전지의 경우 주 반응물이 양극 전하를 띠는 바나듐 이온이므로 음이온 교환막을 사용하면 양극 전하를 띠는 바나듐 이온의 격막 통과를 효과적으로 저지할 수 있는 장점이 있다.Accordingly, in the case of the vanadium redox flow cell, since the main reactant is a vanadium ion carrying a positive electric charge, the use of an anion exchange membrane is advantageous in effectively preventing passage of vanadium ions having a positive electric charge through the diaphragm.

다만, 도 1에 나타난 바와 같이, 음이온 교환막을 사용하는 경우 격막의 말단의 양이온과 비교적 이온 반경이 큰 음이온이 결합하여 막 표면에 뭉치는 현상이 발생할 수 있다. 이 때, 비교적 크기가 큰 이온 클러스터들이 다른 이온들의 교환을 방해하게 되고, 결과적으로 전지 저항이 높아져 전지의 작동 효율을 떨어트리는 문제점이 있다.However, as shown in FIG. 1, when an anion exchange membrane is used, a cation at the terminal of the diaphragm and an anion having a relatively large ion radius may combine with each other to cause aggregation on the membrane surface. At this time, ion clusters of relatively large size interfere with exchange of other ions, resulting in an increase in battery resistance, thereby deteriorating the operating efficiency of the battery.

이에 본 발명은 음이온 교환막을 사용하는 레독스 흐름 전지에 있어서, 각종 음이온의 농도와 운전 조건을 조절함으로써, 충방전 효율 및 에너지 효율을 높일 수 있는 전지 운전 방법을 제공하고자 한다. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a battery operating method capable of increasing charge / discharge efficiency and energy efficiency by controlling various anion concentrations and operating conditions in a redox flow battery using an anion exchange membrane.

본 발명의 일 측면에 따르면, 음이온 교환막이 적용된 레독스 흐름 전지의 급격한 저항 증가를 방지함으로써, 갑작스러운 기기 고장 및 운전 능력 저하 현상을 대비할 수 있는 레독스 흐름 전지의 운전 방법이 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there can be provided a method of operating a redox flow cell, which prevents a sudden increase in resistance of a redox flow cell to which an anion exchange membrane is applied, so as to cope with a sudden failure of a device and a drop in driving capability.

구체적으로, 본 발명은 양극액, 음극액 및 음이온 교환막을 포함하는 레독스 흐름 전지의 운전 방법으로서, 상기 양극액 및 상기 음극액에 포함되는 이온의 농도, 양극액의 충전 상태 값 및 전지의 온도를 조절하여 상기 레독스 흐름 전지의 저항이 초기 저항값의 80 내지 150%, 바람직하게는 100 내지 120%의 값으로 유지되는 레독스 흐름 전지의 운전 방법을 제공할 수 있다.Specifically, the present invention provides a method of operating a redox flow cell comprising an anolyte, a catholyte, and an anion exchange membrane, the method comprising the steps of: determining the concentrations of ions contained in the anolyte and the catholyte, The resistance of the redox flow cell is maintained at a value of 80 to 150%, preferably 100 to 120% of the initial resistance value.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.2 schematically illustrates the structure of a redox flow cell according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 레독스 흐름 전지의 전해액(양극액 및 음극액)에는 바나듐 이온이 포함될 수 있는데, 양극액(양극 전해액)은 양극액 이온으로서 V4 + 이온 또는 V5 + 이온을 포함하고, 음극액(음극 전해액)은 음극액 이온으로서 V2 + 이온 또는 V3 + 이온을 포함할 수 있다. The electrolytic solution (anolyte and catholyte) of the redox flow cell of the present invention may contain vanadium ions. The anolyte (anode electrolytic solution) contains V 4 + ion or V 5 + ion as the anolyte solution, (Cathode electrolytic solution) may include V 2 + ions or V 3 + ions as cathode solution ions.

또한, 양극액과 음극액은 바나듐 활물질을 용해시키기 위한 전해질로서 HSO4 -, SO4 2 - 및 Cl-을 포함하는 용액(즉, 황산 및 염산을 포함하는 혼합산)을 사용할 수 있다.In addition, the anolyte and catholyte solution may use a solution containing HSO 4 - , SO 4 2 - and Cl - (that is, a mixed acid including sulfuric acid and hydrochloric acid) as an electrolyte for dissolving the vanadium active material.

상기 양극액(110) 및 음극액(112)은 펌프(114, 116)를 통해 각각 셀(102)의 양극 셀(102A) 및 음극 셀(102B)로 유입된다. 양극 셀(102A)에서는 전원/부하(118)의 동작에 따라 전극(106)을 통한 전자의 이동이 발생하며, 이에 따라 V5 + ↔ V4 +의 충전/방전(산화/환원) 반응이 일어난다. The anolyte 110 and the catholyte 112 flow into the anode cell 102A and the cathode cell 102B of the cell 102 through the pumps 114 and 116, respectively. In the anode cell 102A, electrons move through the electrode 106 in accordance with the operation of the power source / load 118, so that a charge / discharge (oxidation / reduction) reaction of V 5 + ↔ V 4 + occurs .

마찬가지로, 음극 셀(102B)에서는 전원/부하(118)의 동작에 따라 전극(108)을 통한 전자의 이동이 발생하며, 이에 따라 V2 + ↔ V3 +의 충전/방전(산화/환원) 반응이 일어난다.Similarly, the negative electrode cell (102B), the power / the movement of the electron occurs through the electrode 108 in accordance with an operation of the load 118, so that V 2 + ↔ V 3 + charging / discharging (oxidization / reduction) reaction of This happens.

산화/환원 반응을 마친 양극액과 음극액은 각각 양극액 저장탱크(110)와 음극액 저장탱크(112)로 순환된다.After the oxidation / reduction reaction, the anolyte and catholyte are circulated to the catholyte storage tank 110 and the catholyte storage tank 112, respectively.

양극액에 포함되는 바나듐 이온 중 4가 바나듐 이온은 VO2 +의 양이온 형태로, 5가 바나듐 이온은 VO2 + 의 양이온 형태와 VO2SO4 - 의 음이온 형태로 가장 많이 존재한다.Vanadium ions of tetravalent vanadium ion contained in the anolyte is a cation in the form of VO 2 +, 5 vanadium ions VO 2 + in cationic form and VO 2 SO 4 - are present in most of the anionic form.

한편, 양극 셀(102A) 및 음극 셀(102B)은 이온이 통과할 수 있는 음이온 교환막(104)에 의해 분리된다. 이에 따라 양극 셀(102A) 및 음극 셀(102B) 간에 이온의 이동, 즉 크로스오버가 일어날 수 있다. On the other hand, the anode cell 102A and the cathode cell 102B are separated by an anion exchange membrane 104 through which ions can pass. Accordingly, ion movement, that is, crossover, may occur between the anode cell 102A and the cathode cell 102B.

즉, 레독스 흐름 전지의 충전/방전 과정에서 양극 셀(102A)의 양극액 이온(V5 +, V4 +)이 음극 셀(102B)로 이동하고, 음극 셀(102B)의 음극액 이온(V2 +, V3 +)은 양극 셀(102A)로 이동할 수 있다.That is, during the charging / discharging process of the redox flow cell, the anolyte ions (V 5 + , V 4 + ) of the anode cell 102A move to the cathode cell 102B and the catholyte ions V 2 + , V 3 + ) can move to the anode cell 102A.

본 발명은 특히, 음이온 교환막(104)을 사용하는 레독스 흐름 전지의 운전 방법에 관한 것으로, 각 전해액의 이온의 농도, 양극액의 충전 상태 값 및 전지의 온도를 조절하여 음이온 교환막에서의 전자 반응을 원활하게 하여, 상기 레독스 흐름 전지의 저항이 초기 저항값의 80 내지 150%의 값으로 유지될 수 있다.In particular, the present invention relates to a method of operating a redox flow cell using an anion exchange membrane (104), wherein the concentration of ions in each electrolyte, the state of charge of the anolyte, and the temperature of the battery are controlled, So that the resistance of the redox flow cell can be maintained at a value of 80 to 150% of the initial resistance value.

구체적으로, 상기 양극액에 포함되는 바나듐 이온의 농도는 V mol/L, 황산 이온의 농도를 S mol/L, 염소 이온의 농도를 C mol/L 라고 할 때, 상기 양극액은 하기 식 1을 만족할 수 있다.Specifically, when the concentration of the vanadium ion contained in the anolyte is V mol / L, the concentration of the sulfate ion is S mol / L, and the concentration of the chloride ion is C mol / L, Can be satisfied.

[식 1] [Formula 1]

0 ≤ V + S + C/2 ≤ 7, 여기서, V>0, S>0, C≥0 이다.0? V + S + C / 2? 7, where V> 0, S> 0,

이들은 전해액 내 바나듐 활물질의 용해량을 증가시키기 위한 것으로, 전해액이 굳거나 석출되는 등의 현상을 방지하여 전지 효율을 증가시킬 수 있다.These are for increasing the dissolution amount of the vanadium active material in the electrolytic solution, and prevent the phenomenon that the electrolytic solution hardens or precipitates, thereby increasing the battery efficiency.

구체적으로, 양극액에 포함되는 바나듐 이온의 양이온종과 음이온종의 전체와, 여기에 황산 이온 및 절반의 염소 이온의 총 몰농도가 0mol/L 미만인 경우, 양극액 내에 반응 가능한 이온종이 없어 이온 전도성을 얻지 못하는 문제점이 있고, 7 mol/L을 초과하는 경우, 녹지 않은 물질이 석출되거나 너무 진한 농도로 인해 유동성이 저하되고 배터리 효율이 감소되는 문제가 있다.Specifically, when the total molar concentration of the cationic species and the anionic species of the vanadium ion contained in the anolyte and the total of the sulfate ion and the half chloride ion is less than 0 mol / L, there are no ions capable of reacting in the anolyte, And when it exceeds 7 mol / L, there is a problem that the non-dissolved substance precipitates or the fluidity is lowered due to too dark concentration and the battery efficiency is reduced.

특히, 상기 범위의 농도를 만족하는 경우, 전지 온도 전구간(약 0 내지 45℃) 및 양극액 충전 상태값 전구간(0 내지 100%)에서, 전지 온도와 충전 상태값에 제한되지 않고 전지를 정상 운전할 수 있는 이점이 있다.Particularly, when the concentration in the above range is satisfied, the battery is operated normally without being limited to the battery temperature and the charging state value in the entire battery temperature range (about 0 to 45 ° C) and the whole anolyte charging state value range (0 to 100% There is an advantage to be able to.

따라서, 상기 범위로 양극액 내 바나듐 이온, 황산 이온 및 절반의 염소 이온의 총합을 조절함으로써, 온도로 전지 저항의 조절이 가능하여 전지의 충방전 성능 등을 최적화시킬 수 있다. Therefore, by adjusting the total amount of vanadium ion, sulfate ion and half chloride ion in the anolyte within the above range, it is possible to adjust the battery resistance at a temperature, thereby optimizing the charging and discharging performance of the battery.

또한, 상기 각각의 이온종의 농도가 하기 식 2를 만족하는 경우에는 상기 레독스 흐름 전지의 온도와 양극액의 충전 상태 값을 조절하여 레독스 흐름 전지의 저항을 초기 저항값의 80 내지 150%의 값으로 유지할 수 있다.When the concentration of each of the ion species satisfies the following formula 2, the temperature of the redox-flow battery and the charge state of the anolyte are controlled so that the resistance of the redox-flow battery is 80 to 150% . &Lt; / RTI &gt;

[식 2]  [Formula 2]

7 < V + S + C/2 ≤ 20, 여기서, V>0, S>0, C≥0 이다.7 <V + S + C / 2? 20 where V> 0, S> 0, C?

도 3은 바나듐 산화수에 따른 전지 저항의 차이를 나타낸 그래프로, 이를 참조하면 1% 미만의 충전 상태에서 양극액과 음극액은 더미셀의 측정 저항값이 50mΩ 정도로 나타나고, 99% 충 이상 충전 상태의 음극액도 비슷한 수준으로 측정된다.FIG. 3 is a graph showing a difference in cell resistance according to vanadium oxidation number. Referring to FIG. 3, in case of less than 1% of charged state, the measured resistance value of the anolyte and the catholyte is about 50 mΩ. The catholyte is also measured at a similar level.

이에 반해, 5가 바나듐 이온이 우세하게 존재하는 99% 이상의 충전 상태에서 양극액은 다른 경우에 비해 2 내지 3배 더 큰 저항값을 보인다.On the other hand, the anolyte exhibits a resistance value two to three times larger than that of the other cases in a state of charging more than 99% where predominantly pentavalent vanadium ions are present.

즉, 음이온 교환막을 사용하는 레독스 흐름 전지에서 양극액의 충전 상태 값이 높으면 상대적으로 저항 값이 증가하는 것을 알 수 있다.That is, in a redox flow cell using an anion exchange membrane, the resistance value is relatively increased when the charged state of the anolyte is high.

이는 충전 조건에서 양극액 내 5가 바나듐이 우세하게 존재할 때, 다수의 이온이 결합하여 크기가 큰 클러스터 형태로 존재하는 VO2SO4 - 인 5가 바나듐 이온의 농도가 높아지면, 양극액과 음이온 교환막에서의 전자 반응을 저해하여 막의 저항이 급격히 상승하기 때문으로, 이로 인해 비정상적으로 운전되거나 작동이 멈추는 문제가 발생한다.This is because when the concentration of vanadium in the anolyte is higher than that in the anolyte, the concentration of VO 2 SO 4 - The resistance of the membrane is rapidly increased due to the inhibition of the electron reaction in the exchange membrane, resulting in abnormal operation or stoppage of operation.

따라서, 음이온 교환막을 사용하는 레독스 흐름 전지에서, 충전 상태에 따라 작동 온도를 조절하면 저항을 높아지는 것을 방지할 수 있고, 정상적인 충방전을 실현시킬 수 있다. Therefore, in the redox-flow battery using the anion-exchange membrane, it is possible to prevent the resistance from being increased by adjusting the operating temperature according to the charging state, and normal charge-discharge can be realized.

구체적으로, 상기 식 2를 만족하는 이온농도를 유지하는 경우 상기 레독스 흐름 전지의 온도(A℃)와 양극액의 충전 상태 값(B%)은 하기와 같이 조절하여 전지를 정상 운전할 수 있다.Specifically, when the ion concentration satisfying Formula 2 is maintained, the temperature (A ° C) of the redox-flow battery and the charging state value (B%) of the anolyte can be adjusted as follows to operate the battery normally.

0≤A≤15 일 때, 0 < B ≤ 50,0? A? 15, 0 < B? 50,

15<A≤30일 때, 0 < B ≤75,15 < A? 30, 0 < B? 75,

30<A≤45일 때, 0 < B ≤ 100,30 < A < 45, 0 &lt; B &lt;

이는 양극액의 충전 상태 값과 전지 온도를 변화시켜 전지 운전 상태를 조절하는 것인데, 예를 들어 완전 충전 상태인 SOC 100% 조건에서 전지 온도는 30℃ 초과 45℃ 미만으로 조절될 수 있고, 전지 온도가 15℃ 이하인 경우 충전 상태 값의 최대 값을 50%로 한정하여 전지를 운전할 수 있다.For example, the battery temperature can be adjusted to more than 30 ° C and less than 45 ° C under the SOC 100% condition in the fully charged state, and the battery temperature The battery can be operated by limiting the maximum value of the charge state value to 50%.

이는 전지의 작동 온도에 따라 전자 반응 속도와 반응에 따른 생성물의 양이 비례하여 조절되기 때문으로, 양극액의 충전 상태 값에 따라 온도를 변화시켜 저항이 높아지는 것을 방지할 수 있다.This is because the electron reaction rate and the amount of the product depending on the reaction are controlled in proportion to the operating temperature of the battery, so that it is possible to prevent the resistance from being increased by changing the temperature according to the charged state value of the anolyte.

따라서, 본 발명은 음이온 교환막을 사용하는 레독스 흐름 전지에서 양극액 내 음이온 형태의 5가 바나듐이 우세하게 존재함으로써 발생하는 문제를 외부적 조건을 통해 저항을 저하시킴으로써 해결할 수 있다.Therefore, the present invention can be solved by reducing resistance through external conditions, which is caused by predominantly existing anion-like pentavalent vanadium in the anolyte in a redox flow cell using an anion exchange membrane.

또한, 상기 레독스 흐름 전지의 운전 중 상기 양극액 내 전체 바나듐 이온 대비 VO2SO4 - 형태의 바나듐 이온의 몰농도는 47% 미만인 상태로 유지하여, 저항을 높이는 원인이되는 이온종의 농도 자체를 낮춰 문제를 방지할 수 있다.In addition, the redox VO 2 SO contrast within the entire vanadium ions the anolyte during operation of the flow cell 4 - molar concentration of the form of vanadium ions, the concentration of the ion to maintain a 47% lower than the state, which cause to increase the resistance species itself The problem can be prevented.

5가 바나듐이 우세한 충전 조건에서 특히 VO2SO4 - 형태의 바나듐 이온은 다수의 이온이 결합하여 비교적 큰 이온 클러스터를 형성하기 때문에 음이온 교환막에서의 전자 반응을 저해한다.Vanadium ions in the form of VO 2 SO 4 - especially in the case of the predominantly pentavalent vanadium, inhibit the electron reaction in the anion exchange membrane because many ions bind to form a relatively large ion cluster.

따라서, 본 발명은 상기 레독스 흐름 전지의 운전 중 상기 양극액 내 전체 바나듐 이온 대비 VO2SO4 - 형태의 바나듐 이온의 몰농도를 47% 미만인 상태로 유지시킴으로써, 양극액과 음이온 교환막에서의 전자 반응을 원활하게 조절하여 전지 저항의 급격한 상승을 막을 수 있다.Accordingly, the present invention is the rail whole within the anolyte of the operation of the redox flow battery vanadium ions compared to VO 2 SO 4 - by maintaining the molar concentration of the form of vanadium ions to 47% lower than the state, electrons in the anolyte and an anion exchange membrane The reaction can be smoothly controlled to prevent the battery resistance from rising sharply.

상기 양극액의 충전 상태 값은 특히, 75% 이하로 조절될 수 있는데, 양극액의 충전 상태 값이 높을 수 록 5가 바나듐 이온의 농도가 높아져 전지 성능이 떨어질 우려가 있는 바, 충전 상태값이 75% 이하로 조절하는 것이 저항의 급격한 증가를 방지하는데 가장 바람직하다.In particular, the charged state value of the anolyte can be adjusted to 75% or less. The higher the charged state value of the anolyte, the higher the concentration of the vanadium ion is, and the battery performance may deteriorate. Adjusting to 75% or less is most desirable to prevent a sharp increase in resistance.

또한, 상기 양극액과 상기 음극액 내 포함되는 바나듐의 농도와 각 전해액의 액량이 동일할 때, 상기 양극액과 상기 음극액 내 전체 바나듐의 산화수의 평균은 3.25 내지 3.375로 조절될 수 있다.When the concentration of vanadium contained in the anolyte and the catholyte and the amount of each electrolyte are the same, the average oxidation number of the total vanadium in the anolyte and the catholyte can be adjusted to 3.25 to 3.375.

레독스 흐름 전지의 완전 충전 시(SOC 100%), 양극 전해액 중 바나듐 활물질은 V5 +, 음극 전해액 중 바나듐 활물질은 V2 +상태로 존재한다. 반대로, 완전 방전 시(SOC 0%), 양극 전해액 중 바나듐 활물질은 V4 +, 음극 전해액 중 바나듐 활물질은 V3+로 존재한다.When the redox flow cell is fully charged (SOC 100%), the vanadium active material in the positive electrode electrolyte is V 5 + , and the vanadium active material in the negative electrode electrolyte is in the V 2 + state. On the contrary, when the battery is completely discharged (SOC 0%), the vanadium active material in the positive electrode electrolyte is V 4 + , and the vanadium active material in the negative electrode electrolyte is V 3+ .

또한, 충전 상태 값이 50% 상태에는 양극 전해액 중 바나듐 활물질은 V5 +와 V4+가 50 : 50의 비율로 존재하여 +4.5의 산화수를 나타내며, 음극 전해액 중 바나듐 활물질은 V3 +와 V2 +가 50 : 50의 비율로 존재하여 +2.5의 산화수를 나타내며, 평균 산화수는 +3.5이다.In addition, the charge value 50% of the positive electrode active material state, vanadium electrolytic solution is 5 V + and V 4+, 50: to present in a proportion of 50 represents the oxidation state of +4.5, vanadium active material of the negative electrode electrolytic solution is V 3 + and V 2 + is present in a ratio of 50:50, indicating an oxidation number of +2.5 and an average oxidation number of +3.5.

즉, 상기 양극액과 상기 음극액 내 전체 바나듐의 산화수의 평균은 3.25 내지 3.375로 조절하는 것은, 음극액의 충전 상태 값을 양극액의 충전 상태 값보다 더 크게 조절하는 것을 의미한다.That is, the average value of the oxidation number of the total vanadium in the anolyte and the catholyte is adjusted to 3.25 to 3.375, which means that the state of charge of the catholyte is adjusted to be larger than the value of the state of the anolyte.

이렇게 조절된 레독스 흐름 전지에서는 음극액이 100% 충전 되어도 양극액에 포함되는 5가 음이온의 수가 적고, 따라서 이온 클러스터의 형성률이 크지 않기 때문에 음이온 교환막에서의 전자 반응을 원활하게 할 수 있다.In this modified redox flow cell, even when the cathode solution is 100% charged, the number of pentavalent anions contained in the anolyte solution is small and the formation rate of the ion clusters is not so large, so that the electron reaction in the anion exchange membrane can be smoothly performed.

도 4는 음극액과 양극액의 충전 상태 값에 따른 전지의 운전을 나타낸 그래프이다. 4 is a graph showing the operation of the battery according to the charged state values of the catholyte and the anolyte.

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도 4에 나타난 100% 충전상태인 양극액과 50% 충전상태인 음극액을 투입한 레독스 흐름전지는 작동 상태가 좋지 않은 것을 확인하였다. 그러나, 도면에 도시되지는 않았지만, 50% 충전상태인 양극액과 100% 충전상태인 음극액을 투입한 레독스 흐름전지의 충방전은 원활하게 작동되었다.It was confirmed that the redox flow battery having the anode solution of the 100% charged state and the cathode solution of the 50% charged state shown in FIG. However, although not shown in the drawing, charging and discharging of the redox flow cell into which the anolyte filled in the 50% charged state and the catholyte filled in the 100% charged state were smoothly operated.

도 4에서 40분 이후의 전지는 온도나 농도를 조절하여 전지 성능을 조절한 것이고, 약 2시간 20분 후 조절을 멈춤으로써 다시 전지의 작동 상태가 불량해 지는 것을 알 수 있다. In FIG. 4, after 40 minutes, the battery performance was adjusted by controlling the temperature and the concentration. After about 2 hours and 20 minutes, the operation of the battery was deteriorated.

이 때, 전술한 맥락에 따라, 상기 양극액과 상기 음극액 내 포함되는 바나듐의 농도가 동일하며, 음극액량이 양극액량의 75% 이하일 때, 상기 양극액과 상기 음극액 내 전체 바나듐의 산화수의 평균은 3.57 내지 3.65로 조절될 수 있다.In this case, when the concentration of vanadium contained in the catholyte and the catholyte is equal to that of the anolyte and the amount of catholyte is 75% or less of the amount of the anolyte, the oxidation number of the total vanadium in the anolyte and the catholyte The average can be adjusted from 3.57 to 3.65.

또한, 상기 음극액에 포함되는 바나듐의 농도(mol/L)가 상기 양극액 내 포함되는 바나듐의 농도보다 클 때, 각 전해액의 액량(L)을 조절하여 상기 양극액과 상기 음극액에 포함되는 바나듐 몰수를 동일하게 조절될 수 있다.Further, when the concentration (vanadium / vanadium) contained in the catholyte solution is greater than the concentration of vanadium contained in the anolyte, the liquid amount L of each electrolytic solution is adjusted so that the anolyte The molar number of vanadium can be controlled to be the same.

양극액과 음극액 내 바나듐 활물질의 양이 서로 달라지게 되면, 이 때 일 측 전해액의 활물질이 전자 반응에 참여하지 않고 남기 때문에 전지 용량의 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.If the amounts of the anode solution and the vanadium active material in the cathode solution are different from each other, the efficiency of the battery capacity may be lowered because the active material of one side electrolyte does not participate in the electron reaction at this time.

이 때, 상기 음극액의 바나듐의 농도는 1 내지 1.7일 수 있다.At this time, the concentration of vanadium in the cathode liquid may be 1 to 1.7.

양극액에 포함되는 바나듐 이온의 농도가 황산, 염산 이온의 농도와 함께 조절될 뿐만 아니라, 음극액의 바나듐의 농도를 상기 범위로 조절함으로써, 양극액과 음극액 간의 밸런스 차이를 줄이고, 전지 온도를 제어하는 때에 보다 원활하게 저항이 유지될 수 있는 효과가 있다. Not only the concentration of the vanadium ion contained in the anolyte is adjusted together with the concentration of the sulfuric acid and the hydrochloride ion but also the balance difference between the anolyte and the catholyte is reduced by adjusting the vanadium concentration of the catholyte to the above range, There is an effect that the resistance can be maintained more smoothly at the time of control.

이와 같이 레독스 흐름 전지의 전해액에 포함되는 바나듐 이온의 농도뿐만 아니라 각 음이온 종의 농도와 운전 온도를 조절함으로써, 전지의 급격한 저항 상승을 방지하여 원활한 전지 작동을 실현할 수 있다.Thus, by controlling not only the concentration of the vanadium ion contained in the electrolytic solution of the redox-flow battery but also the concentration of each of the anion species and the operating temperature, it is possible to prevent a rapid increase in resistance of the battery, thereby realizing smooth battery operation.

또한, 본 발명의 다른 구현예는 양극액, 음극액 및 음이온 교환막을 포함하고, 상기 양극액 및 상기 음극액은 바나듐 이온, 황산 이온 및 염소 이온을 포함하는 레독스 흐름 전지의 운전 방법으로서, 상기 레독스 흐름 전지의 저항이 초기 저항값의 150%를 초과하는 값에 도달한 경우, 상기 전지의 온도 또는 전류밀도를 조절하여 상기 레독스 흐름 전지의 저항이 초기 저항값의 80 내지 150%의 값으로 조절되는 레독스 흐름 전지 운전 방법을 제공할 수 있다.Another embodiment of the present invention is a method for operating a redox flow cell comprising an anode liquid, a cathode liquid, and an anion exchange membrane, wherein the anode liquid and the cathode liquid include vanadium ions, sulfate ions and chlorine ions, When the resistance of the redox-flow battery reaches a value exceeding 150% of the initial resistance value, the temperature or the current density of the battery is adjusted so that the resistance of the redox-flow battery is 80 to 150% The flow rate of the redox flow cell can be reduced.

이는 음이온 교환막을 사용하는 레독스 흐름 전지에서, 아니라 이미 과량의 음이온 종이 격막의 표면을 막아 배터리의 저항을 급격하게 상승하게 하였을 때, 전지 온도와 전류밀도를 제어하여 전지의 저항을 정상 운전 상태가 가능한 값까지 낮춰 전지의 장기적인 신뢰성을 확보할 수 있는 운전 방법이다.This is because, in a redox flow cell using an anion exchange membrane, when the resistance of the battery is rapidly increased by blocking the surface of an excess anion paper diaphragm, the resistance of the battery is controlled to be in a normal operation state by controlling the battery temperature and current density It is a driving method which can secure the long-term reliability of the battery by lowering it to a possible value.

구체적으로, 상기 전지의 온도는 저항이 초기 저항값의 150%를 초과하는 값에 도달한 시점의 온도값(℃) 대비 1.1 내지 2.0배의 값으로 조절될 수 있다.Specifically, the temperature of the battery may be adjusted to a value of 1.1 to 2.0 times the temperature value (占 폚) at which the resistance reaches a value exceeding 150% of the initial resistance value.

도 5는 전지 온도에 따른 전지의 충방전 성능을 나타낸 그래프이다. 도 5에 나타난 바와 같이, 저항의 급격한 상승에 의해 원활하게 운전하지 않는 전지의 온도를 조절하여 저항을 낮출 수 있다.5 is a graph showing the charge / discharge performance of the battery according to the battery temperature. As shown in Fig. 5, the resistance can be lowered by regulating the temperature of the battery which does not operate smoothly due to the rapid rise of the resistance.

특히, 저항이 급격히 높아진 시점의 온도값(℃) 대비 1.1 내지 1.5배 높은 온도로 높여주면, 레독스 흐름 전지의 저항을 정상 운전 가능한 상태로 조절할 수 있다. In particular, if the temperature is raised to 1.1 to 1.5 times higher than the temperature at which the resistance is rapidly increased, the resistance of the redox flow cell can be adjusted to a normal operation state.

예를 들어, 상기 전지의 온도를 조절함으로써, 초기 저항값의 150%를 초과하는 값에 도달한 시점의 저항값 대비 약 10 내지 50% 감소된 저항값으로 조절하여 전지의 원활한 운전을 가능하게 한다.For example, by adjusting the temperature of the battery, it is possible to adjust the resistance value to about 10 to 50% of the resistance value at the time when the value exceeds 150% of the initial resistance value, thereby enabling smooth operation of the battery .

또한, 상기 전지의 전류밀도는 저항이 초기 저항값의 150%를 초과하는 값에 도달한 시점의 전류밀도값(A/cm2) 대비 0.5 내지 0.9배의 값으로 조절될 수 있다.Also, the current density of the battery may be adjusted to a value of 0.5 to 0.9 times the current density value (A / cm 2) at the time when the resistance reaches a value exceeding 150% of the initial resistance value.

도 6은 작동 전류밀도에 따른 전지의 충방전 성능을 나타낸 그래프이다. 도 6을 참고하면, 작동 전류밀도를 낮출 경우 전지에 걸리는 전압차가 작아져서 정상적인 충방전이 가능한 것을 알 수 있다.6 is a graph showing the charge / discharge performance of the battery according to the operating current density. Referring to FIG. 6, when the operating current density is lowered, the difference in voltage across the battery becomes smaller, so that normal charging and discharging are possible.

예를 들어, 상기 전지의 온도를 조절함으로써, 초기 저항값의 150%를 초과하는 값에 도달한 시점의 저항값 대비 약 10 내지 70% 감소된 저항값으로 조절하여 정상 작동 가능한 상태로 운전할 수 있다.For example, by adjusting the temperature of the battery, it is possible to operate in a normal operation state by adjusting the resistance value by about 10% to 70% of the resistance value at the time of reaching the value exceeding 150% of the initial resistance value .

이와 같이 본 발명에 따르면 음이온 교환막을 사용하는 레독스 흐름 전지의 저항을 정상 운전 가능한 상태로 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전지 저항이 높아진 경우에도 전지 온도와 작동 전류밀도를 조절함으로써, 전지의 원활한 운전과 장기 신뢰성을 확보할 수 있다.
As described above, according to the present invention, it is possible not only to maintain the resistance of the redox flow cell using an anion exchange membrane in a normal operation state but also to control the battery temperature and the operating current density even when the battery resistance is increased, And long-term reliability can be ensured.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

실시예Example  And 비교예Comparative Example

1. 본 발명의 운전 방법의 효과를 확인하기 위해, 하기 표 1에 나타난 조건을 만족하는 전체 배터리 스택과 탱크에 열평형이 일어나, 더 이상의 온도 변화가 없는 시점에서 저항 측정하였다.
1. In order to confirm the effect of the operation method of the present invention, the resistance was measured at the point where there was no further temperature change due to thermal equilibrium in the entire battery stack and the tank satisfying the conditions shown in Table 1 below.

양극액 내 각 이온의 농도(mol/L)The concentration of each ion in the anolyte (mol / L) 양극액 충전 상태 값
(%)
Anodic solution charge state value
(%)
전지 온도
(℃)
Battery temperature
(° C)
초기 저항값 대비 저항값 변화율(%)Change rate of resistance value against initial resistance value (%)
바나듐vanadium 염산Hydrochloric acid 황산Sulfuric acid 실시예1Example 1 1.51.5 00 4.54.5 100100 2525 100100 실시예2Example 2 1.51.5 00 4.54.5 100100 00 120120 실시예3Example 3 1.81.8 00 4.84.8 100100 2525 110110 실시예4Example 4 2.02.0 2.02.0 4.24.2 7575 2525 130130 실시예5Example 5 2.02.0 2.02.0 4.24.2 7070 2525 130130 비교예1Comparative Example 1 2.02.0 2.02.0 4.24.2 8080 1010 170170 비교예2Comparative Example 2 2.02.0 2.02.0 4.24.2 100100 2525 200200

실시예 1 내지 3은 바나듐 농도와 황산 농도의 합이 7mol/L가 되지 않는 양극액을 포함하기 때문에, 초기 저항값 대비 저항값 변화율이 120%이하로 전지가 정상 작동되도록 운전되는 것을 알 수 있다.It can be seen that Examples 1 to 3 contain the anolyte solution in which the sum of the vanadium concentration and the sulfuric acid concentration does not reach 7 mol / L, so that the battery is operated so that the rate of change in resistance value relative to the initial resistance value is 120% .

한편, 실시예 4, 5와 비교예 1, 2는 바나듐, 황산 농도의 합과 염산 농도의 절반의 합이 7 몰 농도를 넘는 조건이다. 실시예들은 전지 온도 25℃에서 양극액 충전 상태 값을 75% 이하로 조절함으로써 초기 저항값 대비 저항값 변화율이 130% 이하로 비교적 원활한 작동이 이루어질 수 있다. 반면, 비교예들은 전지 온도가 10℃일 때, 양극액 충전 상태값 80% 또는 전지 온도가 25℃ 일 때, 양극액 충전 상태값을 100%로 조절함으로써, 초기 저항값의 170% 를 웃도는 저항값을 나타내는 것을 확인하였는 바, 전지 온도와 양극액 충전 상태값을 조절하여 전지를 효율적으로 운전할 수 있다.On the other hand, in Examples 4 and 5 and Comparative Examples 1 and 2, the sum of the sum of the concentrations of vanadium and sulfuric acid and the half of the concentration of hydrochloric acid exceeds 7 molar. The embodiments can achieve a comparatively smooth operation with the rate of change of the resistance value to the initial resistance value being 130% or less by adjusting the anolyte charged state value to 75% or less at the battery temperature of 25 ° C. On the other hand, in the comparative examples, when the battery temperature is 10 ° C, the anolyte packed state value is 80% or the battery temperature is 25 ° C, the anolyte charged state value is adjusted to 100% , It is possible to efficiently operate the battery by adjusting the battery temperature and the anolyte charge state value.

즉, 본 발명에 따라 양극액 내 각 이온의 농도와 양극액 충전 상태값, 전지 온도를 조절하면 초기 저항값 대비 저항값 변화율이 작도록 레독스 플로우 전지를 운전할 수 있다.
That is, according to the present invention, when the concentration of each ion in the anolyte, the state of the anolyte filling state, and the battery temperature are adjusted, the redox flow battery can be operated such that the rate of change in resistance value is smaller than the initial resistance value.

2. 저항값이 이미 초기 저항값 대비 150% 이상의 값에 도달한 경우, 하기 표 2 및 3에 나타난 조건의 온도 및 전류 밀도로 전체 배터리의 저항을 측정하였다.
2. When the resistance value already reached 150% or more of the initial resistance value, the resistance of the whole battery was measured at the temperature and current density under the conditions shown in Tables 2 and 3 below.

초기 저항값 대비 현재 저항값
(%)
Current resistance value relative to initial resistance value
(%)
현재 전지 온도
(℃)
Current battery temperature
(° C)
조절된
전지 온도
(℃)
Regulated
Battery temperature
(° C)
초기 저항값 대비 저항값 변화율(%)Change rate of resistance value against initial resistance value (%)
실시예6Example 6 200200 2525 4040 110110 실시예7Example 7 150150 2525 3030 110110 실시예8Example 8 200200 1515 2525 120120 비교예3Comparative Example 3 200200 2525 2020 230230

표 2에 나타난 바와 같이, 이상 저항을 나타내는 시점에서의 온도의 약 1.2 내지 1.7 배의 온도로 승온하는 경우 전지가 정상 작동 가능한 범주로 돌아 오는 것을 알 수 있다. 반면, 본 발명과 같이 온도가 조절되지 않은 비교예 3을 참조하면 저항값이 오히려 높아진 것을 확인하였다.
As shown in Table 2, when the temperature is raised to about 1.2 to 1.7 times the temperature at the point of time when the abnormal resistance is exhibited, it is found that the battery returns to the normal operable range. On the other hand, referring to Comparative Example 3 in which the temperature was not controlled as in the present invention, it was confirmed that the resistance value was rather high.

초기 저항값 대비 현재 저항값
(%)
Current resistance value relative to initial resistance value
(%)
현재 전류밀도
(A/cm2)
Current density
(A / cm 2 )
조절된
전류밀도
(A/cm2)
Regulated
Current density
(A / cm 2 )
초기 저항값 대비 저항값 변화율(%)Change rate of resistance value against initial resistance value (%)
실시예9Example 9 160160 100100 8080 110110 실시예10Example 10 180180 100100 5050 110110 비교예4Comparative Example 4 180180 100100 120120 210210

표 3에 나타난 바와 같이, 이상 저항을 나타내는 시점에서의 전류 밀도의 약 0.5 내지 0.8 배의 전류 밀도로 하강시킨 경우, 저항값이 낮아져 원활한 전지 작동이 이루어지는 것을 알 수 있다. 이에 반해, 전류 밀도를 1.2 배 높인 비교예 4의 경우 저항값이 오히려 증가한 것을 확인하였다.
As shown in Table 3, when the current density is lowered at a current density of about 0.5 to 0.8 times the current density at the time of exhibiting the abnormal resistance, the resistance value is lowered and the battery operation is smooth. On the other hand, in Comparative Example 4 in which the current density was increased 1.2 times, it was confirmed that the resistance value was rather increased.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 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 of the invention as set forth in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.

Claims (11)

양극액, 음극액 및 음이온 교환막을 포함하는 바나듐 레독스 흐름 전지의 운전 방법으로서,
상기 양극액 및 상기 음극액에 포함되는 이온의 농도, 양극액의 충전 상태 값 및 전지의 온도를 조절하여 상기 레독스 흐름 전지의 저항이 초기 저항값의 80 내지 150%의 값으로 유지되도록 하되,
상기 양극액의 충전 상태 값은 75% 이하로 조절되되,
상기 양극액과 상기 음극액 내 포함되는 바나듐의 농도와 각 전해액의 액량이 동일할 때,
상기 양극액과 상기 음극액 내 전체 바나듐의 산화수의 평균은 3.25 내지 3.375로 조절되는,
바나듐 레독스 흐름 전지의 운전 방법.
A method of operating a vanadium redox flow cell comprising an anode liquid, a cathode liquid, and an anion exchange membrane,
Wherein a resistance of the redox flow cell is maintained at a value of 80 to 150% of an initial resistance value by adjusting a concentration of ions contained in the positive electrode liquid and the negative electrode liquid, a charged state value of the positive electrode liquid and a temperature of the battery,
The charged state value of the anolyte is adjusted to 75% or less,
When the concentration of vanadium contained in the anolyte and the catholyte and the amount of each electrolyte are the same,
Wherein an average number of oxidation of all the vanadium in the anolyte and the catholyte is adjusted to 3.25 to 3.375,
A method of operating a vanadium redox flow cell.
양극액, 음극액 및 음이온 교환막을 포함하는 바나듐 레독스 흐름 전지의 운전 방법으로서,
상기 양극액에 포함되는 바나듐 이온의 농도는 V mol/L, 황산 이온의 농도를 S mol/L, 염소 이온의 농도를 C mol/L 라고 할 때, 상기 양극액은 하기 식 1을 만족하여, 상기 레독스 흐름 전지의 저항이 초기 저항값의 80 내지 150%의 값으로 유지되는,
[식 1]
0 ≤ V + S + C/2 ≤ 7 (여기서, V>0, S>0, C≥0 이다.)
바나듐 레독스 흐름 전지의 운전 방법.
A method of operating a vanadium redox flow cell comprising an anode liquid, a cathode liquid, and an anion exchange membrane,
Wherein the anolyte satisfies the following formula 1 when the concentration of the vanadium ion contained in the anolyte is V mol / L, the concentration of the sulfate ion is S mol / L, and the concentration of the chloride ion is C mol / L, Wherein the resistance of the redox flow cell is maintained at a value of 80 to 150% of the initial resistance value,
[Formula 1]
0? V + S + C / 2? 7, where V> 0, S> 0,
A method of operating a vanadium redox flow cell.
제1항에 있어서,
상기 양극액에 포함되는 바나듐 이온의 농도는 V mol/L, 황산 이온의 농도를 S mol/L, 염소 이온의 농도를 C mol/L 라고 할 때, 상기 양극액은 하기 식 2를 만족할 때,
[식 2]
7 < V + S + C/2 ≤ 20 (여기서, V>0, S>0, C≥0 이다.)
상기 레독스 흐름 전지의 온도(A℃)와 양극액의 충전 상태 값(B%)은 하기와 같이 조절되는,
0≤A≤15 일 때, 0 < B ≤ 50,
15<A≤30일 때, 0 < B ≤ 75,
30<A≤45일 때, 0 < B ≤ 100,
바나듐 레독스 흐름 전지의 운전 방법.
The method according to claim 1,
When the concentration of the vanadium ion contained in the anolyte is Vol / L, the concentration of the sulfate ion is Sol / L, and the concentration of the chloride ion is Col / L, when the anolyte satisfies the following formula 2,
[Formula 2]
7 < V + S + C / 2 20 wherein V > 0, S >
The temperature (A DEG C) of the redox flow cell and the charge state value (B%) of the anolyte are controlled as follows:
0? A? 15, 0 < B? 50,
15 < A? 30, 0 < B? 75,
30 < A < 45, 0 &lt; B &lt;
A method of operating a vanadium redox flow cell.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 양극액과 상기 음극액 내 포함되는 바나듐의 농도가 동일하며, 음극액량이 양극액량의 75% 이하일 때,
상기 양극액과 상기 음극액 내 전체 바나듐의 산화수의 평균은 3.57 내지 3.65로 조절되는,
바나듐 레독스 흐름 전지의 운전 방법.
The method according to claim 1,
When the concentration of the anolyte and the vanadium contained in the catholyte are the same and the amount of the catholyte is 75% or less of the amount of the anolyte,
Wherein an average oxidation number of the total vanadium in the anolyte and the catholyte is adjusted to 3.57 to 3.65,
A method of operating a vanadium redox flow cell.
삭제delete 삭제delete 양극액, 음극액 및 음이온 교환막을 포함하고, 상기 양극액 및 상기 음극액은 바나듐 이온, 황산 이온 및 염소 이온을 포함하는 바나듐 레독스 흐름 전지의 운전 방법으로서,
상기 레독스 흐름 전지의 저항이 초기 저항값의 150%를 초과하는 값에 도달한 경우,
상기 전지의 온도 또는 전류밀도를 조절하여 상기 레독스 흐름 전지의 저항이 초기 저항값의 80 내지 150%의 값으로 조절되도록 하되,
상기 전지의 온도는 저항이 초기 저항값의 150%를 초과하는 값에 도달한 시점의 온도값(℃) 대비 1.1 내지 2.0배의 값으로 조절되는,
바나듐 레독스 흐름 전지의 운전 방법.
A method for operating a vanadium redox flow cell comprising an anolyte, a catholyte and an anion exchange membrane, wherein the anolyte and the catholyte comprise vanadium ions, sulfate ions and chlorine ions,
When the resistance of the redox flow cell reaches a value exceeding 150% of the initial resistance value,
The temperature or the current density of the battery is adjusted to adjust the resistance of the redox flow battery to a value of 80 to 150% of the initial resistance value,
The temperature of the battery is adjusted to a value of 1.1 to 2.0 times the temperature value (占 폚) at the time when the resistance reaches a value exceeding 150% of the initial resistance value.
A method of operating a vanadium redox flow cell.
삭제delete 제9항에 있어서,
상기 전지의 전류밀도는 저항이 초기 저항값의 150%를 초과하는 값에 도달한 시점의 전류밀도값(A/cm2) 대비 0.5 내지 0.9배의 값으로 조절되는,
바나듐 레독스 흐름 전지의 운전 방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the current density of the battery is adjusted to a value of 0.5 to 0.9 times a current density value (A / cm &lt; 2 &gt;) at the time when the resistance reaches a value exceeding 150%
A method of operating a vanadium redox flow cell.
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