KR101772274B1 - 레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 방법 및 장치 - Google Patents

레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레독스 흐름 전지의 셀에 공급되는 전해액의 유량을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레독스 흐름 전지의 스택에 공급되는 전해액의 유량을 제어하는 방법은 상기 스택의 충전 상태 값을 측정하는 단계, 상기 전해액의 온도 값을 측정하는 단계, 상기 스택을 통과하는 전해액의 압력 강하 값을 측정하는 단계, 상기 충전 상태 값, 상기 온도 값 및 상기 압력 강하 값을 이용하여 상기 스택에 공급되는 전해액의 현재 유량을 계산하는 단계 및 상기 현재 유량을 참조하여 상기 전해액의 실제 유량이 미리 설정된 목표 유량에 도달하도록 상기 레독스 흐름 전지의 펌프를 제어하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 유량계를 사용하지 않고 전해액의 압력 강하 측정 만으로 레독스 흐름 전지의 전해액의 유량을 적절히 제어할 수 있는 장점이 있다.

Description

레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING FLOW OF ELECTROLYTIC SOLUTION IN REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름 전지의 셀에 공급되는 전해액의 유량을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지의 효율을 높이기 위해서는 스택에 공급되는 전해액의 유량을 정밀하게 제어해야 한다. 전해액의 유량을 정밀하게 제어하기 위해서는 레독스 흐름 전지 내에서 흐르는 전해액의 유량을 정확하게 측정해야 한다. 전해액의 유량을 측정하기 위해 가장 흔히 이용되는 것이 유량계이다.
레독스 흐름전지 시스템의 전해질 용액의 유량을 정밀하게 제어하기 위해서는 조건에 맞는 유량계를 선정하는 것이 중요하고, 이를 위해서는 측정 유체의 상태를 파악하는 것이 선행돼야 한다. 측정 유체에 적합한 유량계를 선정하기 위해 고려해야 할 사항으로는 관로의 형상, 유체흐름의 상태, 유체의 종류, 유체의 조건, 유체의 성상, 유량의 측정범위, 배관의 직관부, 허용 압력손실 등이 있다. 이와 같은 요소들을 고려하여 전자 유량계, 차압 유량계, 면적식 유량계, 용적식 유량계, 터빈 유량계, 초음파 (전파시간차방식) 유량계, vortex 유량계, 열질량 유량계, 코리올리 (Coriolis) 유량계, 등압식 (피토관) 유량계, 격막식 유량계, 패들형 유량계 중 택일하여 시스템에 적용할 수 있다.
레독스 흐름 전지에서 사용되는 전해액은 강산 특성을 갖기 때문에, 산성 용액에 대한 높은 내식성을 갖는 유량계를 사용해야 한다. 뿐만 아니라 시스템 효율 증대 효과를 극대화시키기 위해서는 유량계의 사용으로 인한 전해액의 압력 강하가 최소화되어야 한다. 또한 일반적으로 레독스 흐름전지에 사용되는 전해액의 순환 유속이 높지 않기 때문에 낮은 유속에서도 정밀한 측정이 가능한 유량계가 필요하다.
그러나 전지 효율을 보장할 수 있는 수준으로 높은 정밀도를 가지고 유량을 제어하기 위해서는 일정 수준 이상의 속도로 전해액을 흘려주어야 하는데, 이 경우 불필요하게 큰 압력 강하가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
또한 레독스 흐름 전지에 사용되는 전해액에는 전류가 흐른다는 특징이 있는데, 내부에 전자 소자를 장착한 유량계의 경우 전해액에 흐르는 전류로 인한 영향을 받을 수 있다는 문제도 있다.
이와 같은 문제점들로 인해 레독스 흐름 전지에 적용될 수 있는 유량계의 종류는 매우 한정적이다. 또한 위와 같은 모든 조건을 충족시키는 유량계의 경우 가격이 매우 높기 때문에 레독스 흐름 전지 시스템을 구축하는 비용을 상승시킨다는 문제점이 있다.
본 발명은 유량계를 사용하지 않고 전해액의 압력 강하 측정 만으로 레독스 흐름 전지의 전해액의 유량을 적절히 제어할 수 있는 레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 비교적 저렴한 비용으로 레독스 흐름 전지의 전해액의 유량을 정확하게 제어할 수 있는 레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 방법 및 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 레독스 흐름 전지에서 사용되는 전해액의 특성에 영향을 받지 않고 레독스 흐름 전지의 전해액의 유량을 정확하게 제어할 수 있는 레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 방법 및 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레독스 흐름 전지의 스택에 공급되는 제1 전해액 또는 제2 전해액의 유량을 제어하는 방법은 상기 스택의 충전 상태 값을 측정하는 단계, 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 온도 값을 측정하는 단계, 상기 스택을 통과하는 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 압력 강하 값을 측정하는 단계, 상기 충전 상태 값, 상기 온도 값 및 상기 압력 강하 값을 이용하여 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 현재 유량을 계산하는 단계 및 상기 현재 유량을 참조하여 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 실제 유량이 미리 설정된 목표 유량에 도달하도록 상기 레독스 흐름 전지의 펌프를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 현재 유량을 참조하여 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 실제 유량이 미리 설정된 목표 유량에 도달하도록 제어하는 단계는 상기 목표 유량과 상기 현재 유량의 차이 값을 계산하는 단계 및 상기 목표 유량과 상기 현재 유량의 차이 값을 참조하여 상기 스택과 전해액 탱크 사이에 연결되는 펌프의 회전 수 또는 속도를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스택을 통과하는 전해액의 압력 강하 값을 측정하는 단계는 상기 스택으로 유입되는 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 제1 압력 값을 측정하는 단계, 상기 스택으로부터 유출되는 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 제2 압력 값을 측정하는 단계 및 상기 제1 압력 값 및 상기 제2 압력 값의 차이를 이용하여 상기 압력 강하 값을 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레독스 흐름 전지의 펌프를 제어하는 단계는 상기 제1 전해액의 실제 유량과 상기 제2 전해액의 실제 유량을 독립적으로 제어하는 단계를 포함한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레독스 흐름 전지의 스택에 공급되는 제1 전해액 또는 제2 전해액의 유량을 제어하는 장치는 상기 스택의 충전 상태 값을 측정하는 충전 상태 값 측정부, 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 온도 값을 측정하는 온도 값 측정부, 상기 스택을 통과하는 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 압력 강하 값을 측정하는 압력 강하 값 측정부, 상기 충전 상태 값, 상기 온도 값 및 상기 압력 강하 값을 이용하여 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 현재 유량을 계산하고, 상기 현재 유량을 참조하여 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 실제 유량이 미리 설정된 목표 유량에 도달하도록 상기 레독스 흐름 전지의 펌프를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 목표 유량과 상기 현재 유량의 차이 값을 계산하고, 상기 목표 유량과 상기 현재 유량의 차이 값을 참조하여 상기 스택과 전해액 탱크 사이에 연결되는 펌프의 회전 수 또는 속도를 조절한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압력 강하 값 측정부는 상기 스택으로 유입되는 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 제1 압력 값 및 상기 스택으로부터 유출되는 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 제2 압력 값을 측정하고, 상기 제1 압력 값 및 상기 제2 압력 값의 차이를 이용하여 상기 압력 강하 값을 계산한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제1 전해액의 실제 유량과 상기 제2 전해액의 실제 유량을 독립적으로 제어한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 유량계를 사용하지 않고 전해액의 압력 강하 측정을 이용하여 레독스 흐름 전지의 전해액의 유량을 적절히 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의하면 비교적 저렴한 비용으로 레독스 흐름 전지의 전해액의 유량을 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의하면 레독스 흐름 전지에서 사용되는 전해액의 특성에 영향을 받지 않고 레독스 흐름 전지의 전해액의 유량을 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 장점을 정리하면 다음과 같다. 첫째, 온도나 충전 상태와 같은 가변적인 조건이 레독스 흐름 전지의 효율에 영향을 미치는데, 이러한 운전 조건들을 관측하고 피드백하여 실시간적으로 반영할 수 있다. 본 발명에 따르면 레독스 흐름 전지 내에서 발생하는 전해액의 압력 강하, 온도, 충전 상태, 유량 간의 관계를 이용하여 유량계 없이 압력 센서만을 이용하여 전해액의 유량을 조절할 수 있다.
둘째, 가변 조건(온도, 충전 상태)을 반영하여 양극부과 음극부의 유량을 독립적으로 제어함으로써 맞춤형 유량 제어가 가능해진다는 장점이 있다. 레독스 흐름 전지에서는 충전과 방전시 양극과 음극의 전해질 용액의 점도가 다르기 때문에 동일한 시간에 서로 다른 압력 값을 가지게 된다. 바나듐 레독스 흐름 전지의 경우, 양극과 음극에 동일한 조성의 바나듐 수용액을 전해액으로 사용하나, 충전과 방전시에 이온 가수가 서로 다르며 이에 따라 전해액의 물리적 성질인 점도가 다르게 변한다. 이로 인해 양극과 음극 각각의 전해액은 서로 다른 압력 값을 갖게 되기 때문에 전해액의 유량 제어를 위해서 양극과 음극 각각의 압력을 측정해야 한다. 이에 본 발명은 양극과 음극에 각각 배치되어 있는 압력 센서를 통해 각각의 압력 강하를 독립적으로 측정하고, 이에 따른 전해액의 유량 제어를 양극부과 음극부 별로 독립적으로 수행함으로써 보다 정밀하게 유량을 제어할 수 있다.
결국 본 발명에 따르면 i) 유량계를 배제한 시스템의 구현이 가능하므로 유량계로 인해 발생되는 비용 상승 및 시스템 오류 가능성을 최소화하고, ii) 각각의 전해액의 유량을 독립적으로 제어함으로써 보다 정밀한 펌프 출력 제어가 가능해지고, 이에 따른 시스템 효율의 향상이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 및 전해액 유량 제어 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 충전 상태 값(SOC)의 변화에 따른 제1 전해액의 압력 강하 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 충전 상태 값(SOC)의 변화에 따른 제2 전해액의 압력 강하 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 유량 제어 장치에 의해 측정된 전해액의 현재 유량과 전해액의 실제 유량 간 오차율을 시간의 흐름에 따라서 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 및 전해액 유량 제어 방법의 흐름도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 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 구성 요소를 지칭한다.
전술한 바와 같이, 레독스 흐름 전지의 운전 시 스택으로 유입되는 전해액의 유량에 따라 펌프의 기계적 출력과 전지의 전기적 출력이 달라지므로, 전해액의 유량은 레독스 흐름 전지의 특성에 큰 영향을 미치는 중요한 요소이다. 따라서 레독스 흐름 전지의 효율을 높이기 위해서는 실시간으로 변하는 전지의 온도나 충전 상태 등을 감안하여 전해액의 유량을 정밀하게 제어할 필요가 있다. 그러나 유량계를 이용한 종래의 유량 제어는 정밀도와 가격 측면에서 바람직하지 않다.
따라서 본 발명은 유량계를 사용하지 않고 전해액의 압력 강하 측정을 이용하여 레독스 흐름 전지의 전해액의 유량을 적절히 제어할 수 있는 레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 방법 및 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 및 전해액 유량 제어 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는 제1 전해액 탱크(102), 제1 펌프(104), 제1 압력 센서(106), 제2 압력 센서(110), 제2 전해액 탱크(112), 제2 펌프(114), 제3 압력계(116), 제4 압력계(120), 스택(122)을 포함한다.
제1 전해액 탱크(102) 및 제2 전해액 탱크(112)에는 각각 제1 전해액과 제2 전해액이 수용된다. 본 발명의 일 실시예에서 제1 전해액은 음극 전해질이 포함된 음극 전해액일 수 있고, 제2 전해액은 양극 전해질이 포함된 양극 전해액일 수 있다. 그러나 실시예에 따라서 제1 전해액이 양극 전해액, 제2 전해액이 음극 전해액일 수도 있다.
제1 펌프(104)는 제1 전해액 탱크(102)에 수용된 제1 전해액을 제1 경로(108)로 공급하기 위한 펌프 동작을 수행한다. 또한 제2 펌프(114)는 제2 전해액 탱크(112)에 수용된 제2 전해액을 제2 경로(118)로 공급하기 위한 펌프 동작을 수행한다. 제1 경로(108) 및 제2 경로(118)에 공급되는 전해액의 유량은 제1 펌프(104) 및 제2 펌프(114)의 회전 수 또는 펌프의 속도에 따라서 결정된다. 다시 말해서, 제1 펌프(104) 및 제2 펌프(114)의 단위 시간 당 회전 수 또는 속도가 높아질 수록 제1 경로(108) 및 제2 경로(118)에 공급되는 전해액의 유량이 증가한다.
스택(122)에서는 유입되는 전해액의 산화-환원 반응을 통해 전기에너지의 충전 또는 방전이 일어난다. 스택(122)은 다수의 셀(cell)로 구성되며, 스택(122)을 구성하는 각각의 셀은 이온이 통과할 수 있는 격막을 포함한다. 이 격막을 통해 각 셀에 유입되는 제1 전해액과 제2 전해액에 포함된 이온이 서로 교환될 수 있다. 이러한 이온 교환에 의해 셀 내부에서는 전해액 간 산화-환원 반응이 일어난다. 이러한 산화-환원 반응으로 인해 스택(122) 내부에 전기 에너지가 충전되거나 스택(122) 내부에 충전된 전기 에너지가 외부로 방전될 수 있다.
도 1에서, 스택(122)과 제1 전해액 탱크(102)를 연결하는 모든 유로는 제1 유로(108)로 정의된다. 또한 스택(122)과 제2 전해액 탱크(112)를 연결하는 모든 유로는 제2 유로(118)로 정의된다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 유량 제어 장치(10)는 충전 상태 값 측정부(12), 온도 값 측정부(14), 압력 강하 값 측정부(16), 제어부(18)를 포함한다.
충전 상태 값 측정부(12)는 스택(122)에 배치되는 충전 상태 값 측정 센서(미도시)를 이용하여 스택(122)의 충전 상태(State Of Charge, SOC) 값을 측정한다.
온도 값 측정부(14)는 온도 센서(미도시)를 이용하여 제1 전해액 및 제2 전해액의 온도 값을 각각 측정할 수 있다. 온도 센서(미도시)는 제1 전해액 탱크(102) 및 제2 전해액 탱크(112)에 각각 배치될 수도 있고, 스택(122) 에 배치될 수도 있다. 또한 실시예에 따라서 온도 센서(미도시)는 제1 유로(108) 또는 제2 유로(118)에 배치될 수도 있다.
압력 강하 값 측정부(16)는 스택(122)을 통과하는 전해액의 압력 강하 값을 측정한다. 여기서 압력 강하 값은 스택(122)으로 유입되는 전해액의 압력 값과 스택(122)으로부터 유출되는 전해액의 압력 값 간의 차이 값을 의미한다. 압력 강하 값 측정을 위해, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 유로(108) 상에서 스택(122)의 양단에 제1 압력 센서(106) 및 제2 압력 센서(110)가 배치되고, 제2 유로(118) 상에서 스택(122)의 양단에 제3 압력 센서(116) 및 제4 압력 센서(120)가 배치된다.
제1 유로(108)를 예로 들어 설명하면, 압력 강하 값 측정부(16)는 제1 압력 센서(106)를 이용하여 스택(122)으로 유입되는 제1 전해액의 제1 압력 값을 측정하고, 제2 압력 센서(110)를 이용하여 스택(122)으로부터 유출되는 제1 전해액의 제2 압력 값을 측정한다. 그리고 나서, 압력 강하 값 측정부(16)는 제2 압력 값과 제1 압력 값 간의 차이 값을 제1 전해액의 압력 강하 값으로 결정한다. 제2 전해액의 압력 강하 값 또한 이와 동일한 방식으로 결정될 수 있다.
제어부(18)는 전술한 바와 같이 획득되는 충전 상태 값, 온도 값 및 압력 강하 값을 이용하여, 제1 경로(108) 및 제2 경로(118)에 공급되는 각 전해액의 현재 유량을 계산할 수 있다.
본 발명에서는 유량계를 사용하지 않고 스택(122)을 통과하는 제1 전해액 및 제2 전해액 각각의 현재 유량을 계산하기 위해 충전 상태 값, 온도 값, 압력 강하 값, 현재 유량 간의 관계식을 이용한다. 이 관계식은 아래에서 설명되는 바와 같은 실험 및 계산에 의해 도출될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 충전 상태 값(SOC)의 변화에 따른 제1 전해액의 압력 강하 값의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에서 충전 상태 값(SOC)의 변화에 따른 제2 전해액의 압력 강하 값의 변화를 나타내는 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 2 및 도 3에 도시된 그래프는 스택(122)의 온도 및 각 경로(108, 118)로 유입되는 전해액의 유량을 고정한 상태에서 충전 상태 값(SOC)의 변화에 따른 각 경로의 압력 강하 값(ΔP)을 측정한 결과를 나타낸다. 도 2 및 도 3에 도시된 각 결과 별 운전 조건, 그리고 충전 상태 값(SOC)과 압력 강하 값(ΔP)간의 관계는 다음과 같다.
(1) 202, 302: 온도 5℃, 유량 0.7 ML·MIN-1·CM-2
- 제1 전해액(202): ΔP = -0.2829×SOC + 81.786
- 제2 전해액(302): ΔP = -0.0745×SOC + 47.610
(2) 204, 304: 온도 25℃, 유량 0.7 ML·MIN-1·CM-2
- 제1 전해액(204): ΔP = -0.1252×SOC + 41.892
- 제2 전해액(304): ΔP = -0.0341×SOC + 26.292
(3) 206, 306: 온도 35℃, 유량 0.7 ML·MIN-1·CM-2
- 제1 전해액(206): ΔP = -0.0959×SOC + 32.775
- 제2 전해액(306): ΔP = -0.0302×SOC + 21.103
위 (1), (2), (3)을 통해 도출된 관계식들을 이용하여 셀의 충전 상태 값, 각 전해액의 온도 값, 각 경로에 흐르는 전해액의 압력 강하 값, 각 경로에 흐르는 전해액의 현재 유량 간의 관계식을 다음과 같이 구할 수 있다.
- 제1 전해액: ΔP = FR×[(-0.00037×T2 + 0.02303×T - 0.5023)×SOC + 0.06276×T2 + 4.7994×T + 138.59]
- 제2 전해액: ΔP = FR×[(-0.000066×T2 + 0.004799×T - 0.1295)×SOC + 0.0270×T2 + 2.339×T + 78.976]
여기서 FR은 각 전해액의 현재 유량, ΔP는 각 전해액의 압력 강하 값, T는 각 전해액의 온도 값, SOC는 스택의 충전 상태 값을 나타낸다.
결국 충전 상태 값(SOC), 온도 값(T), 압력 강하 값(ΔP), 현재 유량(FR) 간의 관계식은 다음과 같이 정리할 수 있다.
Figure 112015078954283-pat00001
(단, a, b, c, d, e, f는 실험에 의해 획득되는 상수)
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 유량 제어 장치에 의해 측정된 전해액의 현재 유량과 전해액의 실제 유량 간 오차율을 시간의 흐름에 따라서 나타낸 그래프이다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 유량 제어 장치(10)에 의해 측정된 제1전해액의 현재 유량과 실제 초음파 유량계를 통해 측정된 제1 전해액의 실제 유량 간 오차율(402), 그리고 전해액 유량 제어 장치(10)에 의해 측정된 제2 전해액의 현재 유량과 실제 초음파 유량계를 통해 측정된 제2 전해액의 실제 유량 간 오차율(404)이 각각 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 유량 제어 장치(10)에 의해 측정된 현재 유량과 실제 초음파 유량계를 통해 측정된 실제 유량 간 오차율은 5%를 넘지 않는다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 유량 제어 장치(10)를 이용하여 비교적 정확하게 각 경로(108, 118)의 유량을 측정할 수 있음을 알 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제어부(18)는 전술한 바와 같이 획득되는 충전 상태 값, 온도 값 및 압력 강하 값과 [수학식 1]에 기재된 관계식을 이용하여 각 전해액의 현재 유량(FR)을 계산할 수 있다.
제어부(18)는 이와 같이 계산된 전해액의 현재 유량을 참조하여, 전해액의 실제 유량이 미리 설정된 목표 유량에 도달하도록 펌프(104, 114)를 제어한다.
본 발명에서는 레독스 흐름 전지가 효율적으로 동작할 수 있도록 레독스 흐름 전지의 온도 및 충전 상태에 따라 목표 유량이 설정될 수 있다. 이와 같은 목표 유량은 사용자에 의해 임의로 지정될 수도 있고, 미리 저장된 테이블이나 수식을 이용하여 레독스 흐름 전지의 현재 온도 및 충전 상태에 적합한 목표 유량이 자동으로 설정될 수도 있다.
제어부(18)는 앞서 [수학식 1]을 통해 계산된 각 전해액의 현재 유량과 미리 설정된 목표 유량의 차이 값을 계산할 수 있다. 그리고 나서, 제어부(18)는 계산된 현재 유량과 목표 유량 간 차이 값을 참조하여 각 펌프(104, 114)의 회전 수 또는 속도를 조절함으로써 스택(122)으로 유입되는 전해액의 실제 유량이 목표 유량에 도달하도록 제어한다. 예를 들어 제어부(18)는 계산된 현재 유량이 목표 유량보다 낮은 경우 각 펌프(104, 114)를 제어하여 스택(122)으로 유입되는 제1 전해액 또는 제2 전해액의 유량을 개별적으로 증가시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 과정을 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 유량 제어 장치(10)는 스택(122)에 유입되는 제1 전해액의 실제 유량과 스택(122)에 유입되는 제2 전해액의 실제 유량을 독립적으로 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 및 전해액 유량 제어 방법의 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 유량 제어 장치는 먼저 스택의 충전 상태 값을 측정하고(502), 스택으로 유입되는 각 전해액의 온도 값을 측정한다(504). 또한 전해액 유량 제어 장치는 스택을 통과하는 각 전해액의 압력 강하 값을 측정한다(506). 본 발명의 일 실시예에서, 전해액 유량 제어 장치는 각 스택으로 유입되는 전해액의 제1 압력 값과 각 스택으로부터 유출되는 전해액의 제2 압력 값의 차이를 전해액의 압력 강하 값으로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스택을 통과하는 전해액의 압력 강하 값을 측정하는 단계(506)는 스택으로 유입되는 제1 전해액 또는 제2 전해액의 제1 압력 값을 측정하는 단계, 스택으로부터 유출되는 제1 전해액 또는 제2 전해액의 제2 압력 값을 측정하는 단계 및 제1 압력 값 및 제2 압력 값의 차이를 이용하여 압력 강하 값을 계산하는 단계를 포함한다.
다음으로, 전해액 유량 제어 장치는 앞서 측정된 충전 상태 값, 온도 값 및 압력 강하 값을 이용하여 각 전해액의 현재 유량을 계산한다(508). 이 때 전해액 유량 제어 장치는 [수학식 1]을 이용하여 전해액의 현재 유량을 계산할 수 있다.
전해액 유량 제어 장치는 이와 같이 계산된 현재 유량을 참조하여 전해액의 실제 유량이 미리 설정된 목표 유량에 도달하도록 레독스 흐름 전지의 펌프를 제어한다(510). 예를 들어 전해액 유량 제어 장치는 계산된 현재 유량이 목표 유량보다 낮은 경우 각 펌프를 제어하여 스택으로 유입되는 각 전해액의 유량을 증가시킬 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 전해액 유량 제어 장치는 제1 전해액의 실제 유량과 제2 전해액의 실제 유량을 독립적으로 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 현재 유량을 참조하여 전해액의 실제 유량이 미리 설정된 목표 유량에 도달하도록 레독스 흐름 전지의 펌프를 제어하는 단계(510)는 목표 유량과 현재 유량의 차이 값을 계산하는 단계 및 목표 유량과 상기 현재 유량의 차이 값을 참조하여 스택과 전해액 탱크 사이에 연결되는 펌프의 회전 수 또는 속도를 조절하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레독스 흐름 전지의 펌프를 제어하는 단계(510)는 제1 전해액의 실제 유량과 제2 전해액의 실제 유량을 독립적으로 제어하는 단계를 포함한다.
레독스 흐름 전지의 운전 시 스택으로 유입되는 전해액의 유량에 따라 펌프의 기계적 출력과 전지의 전기적 출력이 달라지므로, 전해액의 유량은 레독스 흐름 전지의 특성에 큰 영향을 미치는 중요한 요소이다. 따라서 레독스 흐름 전지의 효율을 높이기 위해서는 실시간으로 변하는 전지의 온도나 충전 상태 등을 감안하여 전해액의 유량을 정밀하게 제어할 필요가 있다. 그러나 유량계를 이용한 종래의 유량 제어는 정밀도와 가격 측면에서 바람직하지 않다.
레독스 흐름전지 시스템의 전해질 용액의 유량을 정밀하게 제어하기 위해서는 조건에 맞는 유량계를 선정하는 것이 중요하고, 이를 위해서는 측정 유체의 상태를 파악하는 것이 선행돼야 한다. 측정 유체에 적합한 유량계를 선정하기 위해 고려해야 할 사항으로는 관로의 형상, 유체흐름의 상태, 유체의 종류, 유체의 조건, 유체의 성상, 유량의 측정범위, 배관의 직관부, 허용 압력손실 등이 있다. 이와 같은 요소들을 고려하여 전자 유량계, 차압 유량계, 면적식 유량계, 용적식 유량계, 터빈 유량계, 초음파 (전파시간차방식) 유량계, vortex 유량계, 열질량 유량계, 코리올리 (Coriolis) 유량계, 등압식 (피토관) 유량계, 격막식 유량계, 패들형 유량계 중 택일하여 시스템에 적용할 수 있다.
또한, 레독스 흐름전지 시스템에 사용되는 전해질 용액은 강산 특성이 있기 때문에 높은 수준의 황산 내식성을 갖는 유량계가 적합하다. 뿐만 아니라 시스템 효율 증대 효과를 극대화시키기 위해서는 유량계의 센서에 의한 압력강하가 최소화돼야 한다. 또한, 일반적으로 레독스 흐름전지에 사용되는 전해액의 순환 유속이 높지 않기 때문에 낮은 선속도에서도 정밀한 측정이 가능한 유량계가 적합하다고 할 수 있다.
하지만 일반적으로 시스템 효율을 보장할 수 있는 수준으로 높은 정밀도를 가지고 유량을 제어하기 위해서는 일정 수준 이상의 선속도로 전해액을 흘려주어야 하는데, 이 경우 불필요하게 큰 압력강하가 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 더불어 레독스 흐름 전지에 사용되는 전해액에는 전류가 흐른다는 특징이 있는데, 내부에 전자소자를 장착한 유량계의 경우 전해액에 흐르는 전류가 계측기에 영향을 줄 수 있기 때문에 이 점 또한 유량계 선정에 제약을 가하는 요소이다.
이런 점들을 감안할 때, 레독스 흐름 전지 시스템에 적용할 수 있는 유량계는 패들형 유량계와 초음파 유량계로 범위가 좁혀진다. 하지만 패들형 유량계의 경우 낮은 유속의 조건에서는 측정 신뢰도를 유지하기 어려워 측정 상의 오차가 크거나 측정 자체가 불가능할 수 있다는 단점이 있다. 한편, 초음파 유량계의 경우는 가격이 매우 높기 때문에 초기 매몰 비용을 증가시킨다는 단점이 있다.
본 발명에 따르면 전해액의 압력 강하 측정을 이용하여 전해액의 유량을 제어하므로, 유량계를 이용한 종래의 유량 제어에 비해 상대적으로 낮은 비용으로 정밀하게 유량을 제어할 수 있다.
본 발명의 장점을 정리하면 다음과 같다. 첫째, 온도나 충전 상태와 같은 가변적인 조건이 레독스 흐름 전지의 효율에 영향을 미치는데, 이러한 운전 조건들을 관측하고 피드백하여 실시간적으로 반영할 수 있다. 본 발명에 따르면 레독스 흐름 전지 내에서 발생하는 전해액의 압력 강하, 온도, 충전 상태, 유량 간의 관계를 이용하여 유량계 없이 압력 센서만을 이용하여 전해액의 유량을 조절할 수 있다.
둘째, 가변 조건(온도, 충전 상태)을 반영하여 양극부과 음극부의 유량을 독립적으로 제어함으로써 맞춤형 유량 제어가 가능해진다는 장점이 있다. 레독스 흐름 전지에서는 충전과 방전시 양극과 음극의 전해질 용액의 점도가 다르기 때문에 동일한 시간에 서로 다른 압력 값을 가지게 된다. 바나듐 레독스 흐름 전지의 경우, 양극과 음극에 동일한 조성의 바나듐 수용액을 전해액으로 사용하나, 충전과 방전시에 이온 가수가 서로 다르며 이에 따라 전해액의 물리적 성질인 점도가 다르게 변한다. 이로 인해 양극과 음극 각각의 전해액은 서로 다른 압력 값을 갖게 되기 때문에 전해액의 유량 제어를 위해서 양극과 음극 각각의 압력을 측정해야 한다. 이에 본 발명은 양극과 음극에 각각 배치되어 있는 압력 센서를 통해 각각의 압력 강하를 독립적으로 측정하고, 이에 따른 전해액의 유량 제어를 양극부과 음극부 별로 독립적으로 수행함으로써 보다 정밀하게 유량을 제어할 수 있다.
결국 본 발명에 따르면 i) 유량계를 배제한 시스템의 구현이 가능하므로 유량계로 인해 발생되는 비용 상승 및 시스템 오류 가능성을 최소화하고, ii) 각각의 전해액의 유량을 독립적으로 제어함으로써 보다 정밀한 펌프 출력 제어가 가능해지고, 이에 따른 시스템 효율의 향상이 가능하다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (10)

  1. 레독스 흐름 전지의 스택에 공급되는 제1 전해액 또는 제2 전해액의 유량을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 스택의 충전 상태 값을 측정하는 단계;
    상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 온도 값을 측정하는 단계;
    상기 스택을 통과하는 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 압력 강하 값을 측정하는 단계;
    상기 충전 상태 값, 상기 온도 값 및 상기 압력 강하 값을 이용하여 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 현재 유량을 계산하는 단계; 및
    상기 현재 유량을 참조하여 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 실제 유량이 미리 설정된 목표 유량에 도달하도록 상기 레독스 흐름 전지의 펌프를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 현재 유량은 하기 [수학식 1]에 의해 계산되는
    레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 방법.

    [수학식 1]
    Figure 112017046220893-pat00002


    (단, FR은 상기 현재 유량, ΔP는 상기 압력 강하 값, T는 상기 온도 값, SOC는 상기 충전 상태 값, a, b, c, d, e, f는 상수 값)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 현재 유량을 참조하여 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 실제 유량이 미리 설정된 목표 유량에 도달하도록 제어하는 단계는
    상기 목표 유량과 상기 현재 유량의 차이 값을 계산하는 단계; 및
    상기 목표 유량과 상기 현재 유량의 차이 값을 참조하여 상기 스택과 전해액 탱크 사이에 연결되는 펌프의 회전 수 또는 속도를 조절하는 단계를
    포함하는 레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스택을 통과하는 전해액의 압력 강하 값을 측정하는 단계는
    상기 스택으로 유입되는 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 제1 압력 값을 측정하는 단계;
    상기 스택으로부터 유출되는 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 제2 압력 값을 측정하는 단계; 및
    상기 제1 압력 값 및 상기 제2 압력 값의 차이를 이용하여 상기 압력 강하 값을 계산하는 단계를 포함하는
    레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레독스 흐름 전지의 펌프를 제어하는 단계는
    상기 제1 전해액의 실제 유량과 상기 제2 전해액의 실제 유량을 독립적으로 제어하는 단계를 포함하는
    레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 방법.
  6. 레독스 흐름 전지의 스택에 공급되는 제1 전해액 또는 제2 전해액의 유량을 제어하는 장치에 있어서,
    상기 스택의 충전 상태 값을 측정하는 충전 상태 값 측정부;
    상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 온도 값을 측정하는 온도 값 측정부;
    상기 스택을 통과하는 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 압력 강하 값을 측정하는 압력 강하 값 측정부;
    상기 충전 상태 값, 상기 온도 값 및 상기 압력 강하 값을 이용하여 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 현재 유량을 계산하고, 상기 현재 유량을 참조하여 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 실제 유량이 미리 설정된 목표 유량에 도달하도록 상기 레독스 흐름 전지의 펌프를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 현재 유량은 하기 [수학식 1]에 의해 계산되는
    레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 장치.

    [수학식 1]
    Figure 112017046220893-pat00003


    (단, FR은 상기 현재 유량, ΔP는 상기 압력 강하 값, T는 상기 온도 값, SOC는 상기 충전 상태 값, a, b, c, d, e, f는 상수 값)
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 목표 유량과 상기 현재 유량의 차이 값을 계산하고, 상기 목표 유량과 상기 현재 유량의 차이 값을 참조하여 상기 스택과 전해액 탱크 사이에 연결되는 펌프의 회전 수 또는 속도를 조절하는
    레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 장치.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 압력 강하 값 측정부는
    상기 스택으로 유입되는 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 제1 압력 값 및 상기 스택으로부터 유출되는 상기 제1 전해액 또는 상기 제2 전해액의 제2 압력 값을 측정하고, 상기 제1 압력 값 및 상기 제2 압력 값의 차이를 이용하여 상기 압력 강하 값을 계산하는
    레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 제1 전해액의 실제 유량과 상기 제2 전해액의 실제 유량을 독립적으로 제어하는
    레독스 흐름 전지의 전해액 유량 제어 장치.
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