KR101960779B1 - 플로우 배터리 시스템 내의 수소 방출을 감지하고 완화시키는 시스템 및 방법 - Google Patents

플로우 배터리 시스템 내의 수소 방출을 감지하고 완화시키는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

복수의 플로우 배터리 셀들, 파워 컨버터, 및 전기화학 셀을 포함하는 플로우 배터리 시스템 내에서의 수소 방출을 완화시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 플로우 배터리 시스템 내에서의 수소 방출에 의해 발생된 수소를 전기화학 셀에 제공하는 단계를 포함한다. 수소와 반응물 간의 전기화학 반응에 의해 발생된 제 1 전류가 감지되고, 감지된 전류는 플로우 배터리 셀들과 파워 컨버터 간의 전력 교환을 제어하는 데 사용된다.

Description

플로우 배터리 시스템 내의 수소 방출을 감지하고 완화시키는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR SENSING AND MITIGATING HYDROGEN EVOLUTION WITHIN A FLOW BATTERY SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 플로우 배터리(flow battery)에 관한 것으로, 특히 플로우 배터리 시스템 내의 수소 방출(hydrogen evolution)을 감지하고 완화시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전형적인 플로우 배터리 시스템은 플로우 배터리 스택, 양극액 저장부(anolyte reservoir) 및 음극액 저장부(catholyte reservoir)를 포함한다. 양극액 용액은 양극액 저장부와 플로우 배터리 스택 사이에서 순환된다. 음극액 용액은 음극액 저장부와 플로우 배터리 스택 사이에서 순환된다.
작동 시, 플로우 배터리 스택은 전기 에너지를 화학 에너지로 전환하고, 양극액 및 음극액 용액들에 화학 에너지를 저장할 수 있다. 하지만, 전기 에너지가 화학 에너지로 전환되고 있는 중에 양극액 용액 내에서 수소 방출이 발생할 수 있다. "수소 방출"이라는 용어는 양전하 수소 이온들이 음전하 전자들과 조합하여 수소 가스를 형성하는 이차 반응을 설명한다. 양극액 용액 내에서의 수소의 형성은 시스템 효율성을 감소시킬 수 있으며, 양극액 및 음극액 용액들의 충전 상태(state of charge)들 사이에 불균형을 생성할 수도 있다. 또한, 이는 용액들의 조성에 대해 지속 불가능한 변화들을 유도할 수 있고, 이로 인해 이 용액들은 보충되어야 할 수 있다. 플로우 배터리 시스템 내의 수소 방출을 감지하고 완화시키는 시스템 및 방법이 필요하다.
본 발명은 플로우 배터리 시스템 내의 수소 방출을 감지하고 완화시키는 시스템 및 방법을 제공하려는 것이다.
본 발명에 따르면, 제 1 가역적 산화환원 커플 반응물(reversible redox couple reactant)을 포함한 제 1 용액을 포함하는 제 1 저장부; 상기 제 1 용액을 수용하는 복수의 플로우 배터리 셀들; 및 상기 제 1 저장부와 유체 연통(in fluid communication)하는 수소 센서를 포함하는 플로우 배터리 시스템이 제공된다.
본 발명에 따르면, 복수의 플로우 배터리 셀들, 파워 컨버터, 및 전기화학 셀을 포함하는 플로우 배터리 시스템 내에서의 수소 방출을 완화시키는 방법이 제공되고, 이는 상기 플로우 배터리 시스템 내에서의 수소 방출에 의해 발생된 수소를 상기 전기화학 셀에 제공하는 단계; 상기 전기화학 셀에 반응물을 제공하는 단계; 상기 전기화학 셀을 이용한 상기 수소와 상기 반응물 간의 전기화학 반응을 통해 제 1 전류를 발생시키는 단계; 및 상기 제 1 전류에 응답하여 상기 플로우 배터리 셀들과 상기 파워 컨버터 간의 전력 교환을 제어하는 단계를 포함한다.
도 1은 플로우 배터리 시스템을 나타내는 도면;
도 2는 플로우 배터리 셀의 단면도;
도 3은 수소 방출을 완화시키는 방식으로 플로우 배터리 시스템을 충전하는 단계들의 흐름도;
도 4는 시간에 대한 감지된 전류를 나타내는 제 1 곡선, 및 시간에 대한 제 1 용액의 전위를 나타내는 제 2 곡선의 그래프; 및
도 5는 플로우 배터리 시스템의 대안적인 실시예를 나타내는 도면이다.
도 1은 플로우 배터리 시스템(10)을 예시한다. 플로우 배터리 시스템(10)은 제 1 저장부(12), 제 2 저장부(14), 제 1 용액 유동 회로(solution flow circuit: 16), 제 2 용액 유동 회로(18), 플로우 배터리 스택(20), 전기화학 셀(22), 밸브(24), 퍼지 가스 저장부(purge gas reservoir: 26), 퍼지 가스 유동 조절기(28), 파워 컨버터(power converter: 30), 및 제어기(32)를 포함한다.
제 1 저장부(12)는 저장부 외벽(exterior reservoir wall: 34)을 갖고, 저장부 내부 공동(interior reservoir cavity: 36) 내에 제 1 용액(예를 들어, 바나듐 양극액)을 포함하며, 상기 제 1 용액은 제 1 가역적 환원-산화("redox") 커플 반응물(예를 들어, V2 + 및/또는 V3 + 이온들)을 갖는다. 제 2 저장부(14)는 저장부 외벽(38)을 갖고, 저장부 내부 공동(40) 내에 제 2 용액(예를 들어, 바나듐 음극액)을 포함하며, 상기 제 2 용액은 제 2 가역적 환원-산화("redox") 커플 반응물(예를 들어, V4 + 및/또는 V5 + 이온들)을 갖는다.
제 1 및 제 2 용액 유동 회로들(16 및 18)은 각각 소스 도관(source conduit: 42, 44), 리턴 도관(return conduit: 46, 48), 및 용액 유동 조절기(50, 52)를 포함한다. 용액 유동 조절기(50, 52)는, 예를 들어 소스 도관(42, 44) 내에 직렬로 연결된 변속 펌프를 포함할 수 있다.
플로우 배터리 스택(20)은 1 이상의 플로우 배터리 셀(54)들을 포함한다.
도 2는 도 1에 나타낸 플로우 배터리 셀(54)들 중 하나의 단면을 예시하고 있다. 각각의 플로우 배터리 셀(54)은 제 1 전류 컬렉터(current collector: 56), 제 2 전류 컬렉터(58), 액체-다공성(liquid-porous)의 제 1 전극 층(60), 액체-다공성의 제 2 전극 층(62), 및 상기 제 1 및 제 2 전극 층들(60 및 62) 사이의 분리기(separator: 64)를 포함한다. 제 1 전극 층(60)은 양극일 수 있으며, 제 2 전극 층(62)은 음극일 수 있다. 분리기(64)는 이온-교환 멤브레인(ion-exchange membrane)(예를 들어, 미국 델라웨어주 윌밍턴의 DuPont이 제조한 Nafion® 폴리머 멤브레인)일 수 있다. 전극 층들(60 및 62)은 제 1 및 제 2 전류 컬렉터들(56 및 58) 사이에 위치된다. 플로우 배터리 셀들의 추가적인 예시들은 PCT/US09/68681 및 미국 특허 출원 제 13/084,156호 및 제 13/023,101호에 개시되어 있으며, 이들 각각은 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 소스 도관(42)은 각각의 플로우 배터리 셀(54) 내의 제 1 전류 컬렉터(56) 및/또는 제 1 전극 층(60)이 제 1 용액을 수용하도록 플로우 배터리 스택(20)에 제 1 저장부(12)를 유체 연결(fluidly connect)한다. 리턴 도관(46)은 상반되게(reciprocally), 제 1 저장부(12)가 각각의 플로우 배터리 셀(54) 내의 제 1 전류 컬렉터(56) 및/또는 제 1 전극 층(60)으로부터 제 1 용액을 수용하도록 제 1 저장부(12)에 플로우 배터리 스택(20)을 연결한다. 소스 도관(44)은 각각의 플로우 배터리 셀(54) 내의 제 2 전류 컬렉터(58) 및/또는 제 2 전극 층(62)이 제 2 용액을 수용하도록 플로우 배터리 스택(20)에 제 2 저장부(14)를 유체 연결한다. 리턴 도관(48)은 상반되게, 제 2 저장부(14)가 각각의 플로우 배터리 셀(54) 내의 제 2 전류 컬렉터(58) 및/또는 제 2 전극 층(62)으로부터 제 2 용액을 수용하도록 제 2 저장부(14)에 플로우 배터리 스택(20)을 연결한다.
도 1을 참조하면, 전기화학 셀(22)은 수소 센서로서 구성될 수 있다. 전기화학 셀(22)은 기체-다공성(gas-porous)의 제 1 전극 층(65), 기체-다공성의 제 2 전극 층(66), 분리기(68), 및 전류 센서(70)를 포함한다. 제 1 전극 층(65)은 양극일 수 있으며, 제 2 전극 층(66)은 음극일 수 있다. 분리기(68)는 양성자-교환 또는 음이온 교환 전해질 층일 수 있다. 분리기(68)는, 전극 층들(65 및 66) 및 분리기(68)가 연료 셀(72)을 형성할 수 있도록 제 1 및 제 2 전극 층들(65 및 66) 사이에 구성된다. 연료 셀의 다른 예시들은 미국 특허 제 5,156,929호 및 제 6,617,068호에 개시되어 있으며, 이들 각각은 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다. 전류 센서(70)는 제 1 및 제 2 전극 층들(65 및 66) 사이에 전기 연결된다.
밸브(24)는 단방향 체크 밸브일 수 있다. 밸브(24)는 제 1 저장부(12)를 전기화학 셀(22)에, 특히 저장부 내부 공동(36)의 최상부 구역을 제 1 전극 층(65)에 유체 연결한다. 그러므로, 제 1 전극 층(65)은 도 1에 나타낸 실시예에서 저장부 외벽(34)의 외부에 위치된다.
퍼지 가스 저장부(26)는, 예를 들어 질소(N2) 가스와 같은 퍼지 가스를 포함한다. 퍼지 가스의 다른 예시들로는 이산화탄소(CO2) 가스, 아르곤 가스 등과 같은 불활성 가스들을 포함한다.
퍼지 가스 유동 조절기(28)는 변속 펌프 또는 전자 작동형 밸브(예를 들어, 단방향 밸브)를 포함할 수 있다. 퍼지 가스 유동 조절기(28)는 퍼지 가스 저장부(26)를 제 1 저장부(12)에 유체 연결한다.
파워 컨버터(30)는 양방향 파워 컨버터 또는 한 쌍의 단방향 파워 컨버터들을 포함할 수 있다. 파워 컨버터(30)는, 예를 들어 DC 버스(도시되지 않음)에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터 또는 양방향 파워 인버터로서 구성될 수 있다. 파워 컨버터(30)는 플로우 배터리 스택(20)에 전기 연결된다. 예를 들어, 파워 컨버터(30)는 제 1 및 제 2 전류 컬렉터들(56 및 58)에 전기 연결될 수 있다.
제어기(32)는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 하드웨어는, 예를 들어 1 이상의 프로세서, 메모리, 아날로그 및/또는 디지털 회로소자 등을 포함할 수 있다. 제어기(32)는 유동 조절기들(50 및 52), 전류 센서(70), 퍼지 가스 유동 조절기(28), 및 파워 컨버터(30)와 신호 통신한다(예를 들어, 배선 또는 무선 연결됨).
플로우 배터리 시스템(10)은 제 1 및 제 2 용액들에 에너지를 저장하는 에너지 저장 모드, 또는 제 1 및 제 2 용액들로부터 에너지를 방출하는 에너지 방출 모드에서 작동될 수 있다. 두 작동 모드들 동안, 제어기(32)는 용액 유동 조절기(50)에 제 1 용액 유동 회로(16)를 통해 제 1 저장부(12)와 플로우 배터리 스택(20) 사이에서 제 1 용액을 순환시키라고 신호한다. 제어기(32)는 용액 유동 조절기(52)에 제 2 용액 유동 회로(18)를 통해 제 2 저장부(14)와 플로우 배터리 스택(20) 사이에서 제 2 용액을 순환시키라고 신호한다. 또한, 제어기(32)는 파워 컨버터(30)에 플로우 배터리 스택(20) 및 이에 따른 플로우 배터리 셀(54)들과 셀(54)들 내의 선택된 전류 밀도에 대응하는 비율로 전류를 교환하라고(예를 들어, 플로우 배터리 스택에 전류를 제공하거나, 이로부터 전류를 수용하라고) 신호한다. "전류 밀도"라는 용어는 (ⅰ) 플로우 배터리 스택(20)에 전달되거나 이로부터 얻어지는 총 전류 대 (ⅱ) 플로우 배터리 셀(54)들 중 하나, 및 특히 분리기(64)(도 2 참조)의 활성 영역(active area: 도시되지 않음)의 비를 설명한다. 대안적으로, 전기 에너지는 파워 컨버터(30)와 플로우 배터리 스택(20) 사이에 실질적으로 일정한 파워 교환이 존재하거나, 파워 컨버터의 전압이 일정하게 유지될 수 있도록 교환될 수 있다. 또는, 정전류(galvanostatic), 정전위(potentiostatic), 또는 정전력(constant power) 모드들의 여하한 조합이 이용될 수 있다.
에너지 저장 작동 모드 동안, 파워 컨버터(30)로부터 플로우 배터리 스택(20)에 제공된 전기 에너지는 화학 에너지로 전환된다. 전환 과정은 제 1 용액 및 제 2 용액에서의 전기화학 반응들, 및 각각의 플로우 배터리 셀(54)들 및 특히 각각의 분리기(64)들을 가로지르는 제 1 용액으로부터 제 2 용액으로의 비-산화환원 커플 반응물들(예를 들어, H+ 이온들)의 전달을 통해 일어난다. 그 후, 화학 에너지는 제 1 및 제 2 저장부들(12 및 14)에 각각 저장되어 있는 제 1 및 제 2 용액들 내에 저장된다. 에너지 방출 작동 모드 동안, 제 1 및 제 2 용액들 내에 저장된 화학 에너지는 제 1 용액 및 제 2 용액에서의 전기화학 역반응들, 및 각각의 플로우 배터리 셀(54)들을 가로지르는 제 2 용액으로부터 제 1 용액으로의 비-산화환원 커플 반응물들의 전달을 통해 다시 전류로 전환된다. 그 후, 전류는 플로우 배터리 스택(20)으로부터 파워 컨버터(30)로 제공된다.
에너지 저장 작동 모드 동안, 예를 들어 제 1 용액이 특히 높은 충전 상태에 도달한 경우(예를 들어, V+3 이온들의 약 90 % 이상이 V+2 이온들로 전환된 경우) 제 1 용액 내에서 수소 방출이 발생할 수 있다. "수소 방출"이라는 용어는 양전하 수소 이온들이 음전하 전자들과 조합하는 바람직한 에너지 저장 과정에 대한 이차 반응을 설명한다. 예를 들어, 바람직한 에너지 저장 반응(2V+3 + 2e- → 2V+2)이 발생하는 대신에, 다음 이차 수소 방출 반응이 발생한다: 2H+ + 2e- → H2. 전자들은 제 2 용액에서의 반응(예를 들어, 2V+4 → 2V+5 + 2e-)에 의해 생성된다. 불리하게는, 전기 에너지가 저장된 화학물질들(즉, 산화환원 커플들)로 전환되지 않기 때문에, 제 1 용액 내에서의 수소의 형성이 시스템 효율성을 감소시킬 수 있다. 추가적으로, 이차 반응은 제 1 용액 및 제 2 용액의 충전 상태들 사이에 불균형을 초래할 수 있다.
도 3은 수소 방출을 완화시키는 방식으로 플로우 배터리 시스템(10)을 충전하는 방법을 예시한다. 설명의 용이함을 위해, 다음 서술은 (ⅰ) 제 1 용액의 충전 상태가 약 80 % 미만이고, 및/또는 (ⅱ) 제 1 용액 내에서 수소 방출이 거의 발생하지 않거나 전혀 발생하고 있지 않다는 가정에서 시작한다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 단계 300에서 제어기(32)는 플로우 배터리 셀(54)들이 제 1 에너지 유입 비율(input rate)에서 작동되도록 플로우 배터리 스택(20)에 전력(예를 들어, 일정한 전류)을 제공하라는 신호를 파워 컨버터(30)에 보낸다. 전력은 실질적으로 일정한 전류, 파워, 및/또는 전압에서 제어될 수 있다.
단계 302에서, 제어기(32)는 제 1 저장부(12)에 퍼지 가스를 제공하라는 신호를 퍼지 가스 유동 조절기(28)에 보낸다. 주입된 퍼지 가스는 퍼지 가스 및 제 1 저장부(12) 내의 다른 가스들이 밸브(24)를 통해 제 1 전극(65)으로 흐르도록 제 1 저장부(12) 내에 정압(positive pressure)을 생성한다. 정압 및 밸브(24)는 가스(예를 들어, 공기)의 역류가 전기화학 셀(22)로부터 제 1 저장부(12)로 들어오는 것을 감소시킨다/방지한다. 대안적인 실시예에서, 단계 302는 수소 방출에 의해 생성된 과압(overpressure)이 밸브(24)를 통해 제 1 전극(65)으로 제 1 저장부(12) 내의 가스들을 밀어내는 경우에 생략될 수 있다.
단계 304에서, 제 2 전극(66)에 반응물(예를 들어, 공기)이 제공된다. 반응물은 전자 작동형 반응물 조절기(도시되지 않음)를 통해, 또는 제 2 전극이 단순히 주위 공기에 노출되는 확산에 의해 제공될 수 있다.
수소는, 예를 들어 제 1 용액이 비교적 높은(예를 들어, 80 내지 90 %보다 높은) 충전 상태에 도달한 경우, 수소 방출을 통해 제 1 용액 내에 형성될 수 있다. 단계 306에서, 전극들(65 및 66)에 걸친 비교적 낮은 저항 및/또는 비교적 낮은 전위(예를 들어, 0.2 V)로 작동될 수 있는 전기화학 셀(22)은 수소 방출에 의해 형성된 수소가 퍼지 가스와 함께 제 1 전극(65)에 제공되는 경우 전류를 발생시킨다. 전류는 연료 셀(72)에서와 같이, 분리기(68) 양측의 전기화학 반응들을 통해 발생된다.
단계 308에서, 전류 센서(70)는 수소와 반응물 간의 전기화학 반응에 의해 발생된 전류를 감지하고, 제어기(32)에 감지된 전류를 나타내는 전류 신호를 제공한다.
단계 310에서, 제어기(32)는 전류 신호를 처리하고, 파워 컨버터(30)에 제어 신호를 제공한다. 전류 신호는, 예를 들어 전류 신호의 값을 1 이상의 임계값들에 비교함으로써 처리될 수 있다. 각각의 임계값은 사전설정된 전류 신호 값을 나타낸다.
도 4는 (ⅰ) 시간에 대한 감지된 전류를 나타내는 제 1 곡선(400), 및 (ⅱ) 시간에 대한 제 1 용액의 (수소 기준 전극에 대한) 전위를 나타내는 제 2 곡선(402)의 그래프이다. 임계값의 일 예시는 감지된 전류가 0보다 커지는 시간 t33에 도시되며, 이는 제 1 용액 내에 수소가 형성되기 시작하는 때에 해당한다. 또 다른 임계값은 시간 t36(예를 들어, 감지된 전류가 약 1.8 amps와 같음)에 도시되며, 이는 제 1 용액이 과충전되는(즉, 약 100 % 충전 상태에 도달하는) 때에 해당한다. 또한, 이는 부반응(수소 방출)이 실질적으로 모든 전류를 소모하기 시작하므로 제 1 용액의 전위가 레벨오프(level off)되는 경우이며, 이는 바람직하지 않고, 이러한 이유로 이것이 발생하기 전에 이 조건을 검출하는 방법이 유리하다. 그러므로, 도 4는 전기화학 셀(22)이 예를 들어 수소 방출이 과도해지기 전에 이를 검출할 수 있는 방식을 나타낸다.
제 1 용액 내 수소 방출의 검출은, 제 1 용액(수소가 발생된 경우, 이를 포함)이 제 1 저장부(12)로 되돌아가기 때문에 플로우 배터리 스택 내에서 어느 플로우 배터리 셀 또는 셀들이 수소를 발생시키고 있는지에 의존하지 않는다. 반면, 플로우 배터리 셀 전위를 이용하려는 경우, 기준 전극을 이용하여 하프-셀 전위(half-cell potential)들을 측정하는 것뿐 아니라, 개별 셀들 각각의 셀 전압들을 측정하여야 한다. 하지만, 이러한 방법은 많은 계측(instrumentation) 및 데이터 수집을 필요로 한다. 제어 신호는 전기화학 셀(22)에 의해 발생된 전류의 함수로서 파워 컨버터(30)와 플로우 배터리 셀(54)들 간의 전력 교환을 제어하기 위해 파워 컨버터(30)에 제공된다. 예를 들어, 전류 신호 값이 임계값들 중 1 이상보다 크거나 같은 경우, 제어 신호는 (ⅰ) 플로우 배터리 셀(54)들 내의 파워(예를 들어, 전류 밀도)를 반복적 또는 지속적으로 감소시키거나, 또는 (ⅱ) 플로우 배터리 셀(54)들과 파워 컨버터(30) 간의 전력 교환을 중지시키기 위해 사용될 수 있다. 전류 밀도는, 예를 들어 전류 신호 값이 임계치들에 도달할 때마다 각각에 대응하는 사전설정된 레벨로 감소될 수 있다. 대안적으로, 전류 밀도는 전류 신호 값이 증가함에 따라 전류 밀도가 감소하도록 전기화학 셀(22)에 의해 발생되는 전류의 함수로서 감소될 수 있다.
수소 방출로 인한 제 1 용액 내에서의 수소의 형성은 앞서 언급된 방법을 이용하여 완화될 수 있다. 예를 들어, 전류 센서(70)가 초기에 수소와 반응물 간의 전기화학 반응에 의해 야기된 전류를 감지하는 경우, 제어기(32)는 파워 컨버터(30)에 플로우 배터리 스택(20)에 전류를 제공하는 것을 중지하라고 신호하여 수소의 추가 형성을 방지할 수 있다. 또 다른 예시에서, 전류 센서(70)가 초기에 전류를 감지하는 경우, 제어기(32)는 파워 컨버터(30)에 플로우 배터리 스택(20)에 제공되고 있는 전류를 감소시키라고 신호하여 수소 방출 비율을 감소시킬 수 있다. 하지만, 전류 신호 값이 명시된 임계값보다 크거나 같아지면(예를 들어, 이때 수소 생성 비율이 과도한 것으로 간주됨), 제어기(32)는 파워 컨버터(30)에 플로우 배터리 스택(20)에 전류를 제공하는 것을 중지하라고 신호하여, 제 1 용액이 과충전되고 이에 따라 과도한 수소를 발생시키는 것을 방지할 수 있다. 또한, 앞서 언급된 방법은 전기화학 셀(22) 내의 전기화학 반응을 통해 수소 방출에 의해 생성된 수소 가스를 소모함으로써 플로우 배터리 시스템(10)의 안전성을 개선할 수도 있다.
몇몇 실시예들에서, 제어기(32)는 추가적으로 또는 대안적으로 패러데이의 법칙을 이용하여 제 1 용액 내에서 얼마나 많은 수소가 형성되고 있는지를 결정하기 위해 감지된 전류 신호를 처리할 수 있다. 제 1 전극(65)에서 소모되는 수소는 예를 들어 I/2F와 같으며, 이때 I는 센서(70)에 의해 감지된 전류이고, F는 패러데이 상수(96,485 coulombs/mol)이다.
도 5는 플로우 배터리 시스템(510)의 대안적인 실시예를 나타낸다. 도 1에 나타낸 플로우 배터리 시스템(10)과 대조적으로, 제 1 전극(65)은 저장부 외벽(34) 내에 위치되는 한편, 제 2 전극(66)은 여전히 저장부 외벽(34) 외부에 위치되어 있다. 이 구성은, 예를 들어 밸브(24)가 생략될 수 있기 때문에, 시스템의 복잡도를 감소시킬 수 있다. 또한, 제 1 전극(65)이 제 1 저장부(12) 내에 밀폐되어 공기가 제 1 전극(65)에 들어가고 제 1 저장부(12)로 흘러들어갈 가능성이 매우 감소하기 때문에, 퍼지 가스 저장부(26)도 생략될 수 있다. 또한, 전극들(65 및 66) 및 분리기(68)는 필요에 따라 생성되는 물 대부분이 다시 제 1 저장부(36)로 배출될 것을 보장하는 방식으로 설계되고 구성될 수 있다.
플로우 배터리 시스템의 다양한 실시예들이 개시되었지만, 당업자라면 플로우 배터리 시스템의 범위 내에서 더 많은 실시예들 및 구현예들이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 플로우 배터리 시스템은 첨부된 청구항들 및 그 균등물들을 고려하지 않고는 제한되지 않아야 한다.

Claims (21)

  1. 플로우 배터리 시스템(flow battery system)에 있어서:
    제 1 가역적 산화환원 커플 반응물(reversible redox couple reactant)을 포함한 제 1 용액을 포함하는 제 1 저장부(reservoir);
    상기 제 1 용액을 수용하는 복수의 플로우 배터리 셀들;
    상기 제 1 저장부와 연결되고 유체 연통(in fluid communication)하는 수소 센서 및
    상기 수소 센서에 의해 제공된 전류 신호의 함수로서 상기 플로우 배터리 셀들과 전력 교환을 제어하라는 신호를 제공받는 파워 컨버터(power converter)
    를 포함하는 플로우 배터리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 센서는 전기화학 셀을 포함하고, 상기 전기화학 셀은
    상기 제 1 저장부로부터 수소를 수용하는 제 1 전극;
    반응물을 수용하는 제 2 전극; 및
    상기 수소와 상기 반응물 간의 전기화학 반응에 의해 상기 전기화학 셀 내에서 발생된 전류를 감지하고, 상기 감지된 전류를 나타내는 전류 신호를 제공하는 전류 센서를 포함하는 플로우 배터리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기화학 셀은 상기 제 2 전극으로부터 상기 제 1 전극을 분리하는 양성자 교환 전해질 층 및 음이온 교환 전해질 층 중 하나를 더 포함하는 플로우 배터리 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 저장부는 양극액을 포함하고;
    상기 제 1 전극은 양극을 포함하며;
    상기 제 2 전극은 음극을 포함하는 플로우 배터리 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 반응물은 공기를 포함하는 플로우 배터리 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 상기 제 1 저장부의 외부에 위치되는 플로우 배터리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 단방향 밸브를 통해 상기 제 1 저장부에 유체 연결(fluidly connect)되는 플로우 배터리 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 저장부는, 상기 제 1 저장부 내의 수소가 상기 제 1 전극으로 흐르도록 퍼지 가스(purge gas)를 수용하는 플로우 배터리 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 상기 제 1 저장부의 저장부 외벽(exterior reservoir wall) 내에 위치되고;
    상기 제 2 전극은 상기 제 1 저장부의 저장부 외벽 외부에 위치되는 플로우 배터리 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 신호를 수신하고, 상기 파워 컨버터가 상기 플로우 배터리 셀들과 전력을 교환하는 비율을 제어하기 위해 상기 파워 컨버터에 제어 신호를 제공하는 제어기를 더 포함하는 플로우 배터리 시스템.
  12. 복수의 플로우 배터리 셀들, 파워 컨버터, 저장부 및 상기 저장부와 연결된 전기화학 셀을 포함하는 플로우 배터리 시스템 내에서의 수소 방출(hydrogen evolution)을 완화시키는 방법에 있어서:
    상기 플로우 배터리 시스템 내에서의 수소 방출에 의해 발생된 수소를 상기 전기화학 셀에 제공하는 단계;
    상기 전기화학 셀에 반응물을 제공하는 단계;
    상기 전기화학 셀을 이용한 상기 수소와 상기 반응물 간의 전기화학 반응을 통해 제 1 전류를 발생시키는 단계; 및
    상기 제 1 전류에 응답하여 상기 플로우 배터리 셀들과 상기 파워 컨버터 간의 전력 교환을 제어하는 단계
    를 포함하는 수소 방출 완화 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 반응물은 공기를 포함하는 수소 방출 완화 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 전력 교환을 제어하는 단계는, 상기 제 1 전류가 임계값보다 큰 경우에 상기 플로우 배터리 셀들과 상기 파워 컨버터 간의 전력 교환을 중지시키는 단계를 포함하는 수소 방출 완화 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 임계값은
    상기 플로우 배터리 시스템 내의 제 1 용액이 90 %보다 높은 충전 상태(state of charge)를 갖는 경우; 및
    상기 제 1 용액 내에 수소가 형성되기 시작하는 경우 중 하나에 대응하는 수소 방출 완화 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 전력 교환을 제어하는 단계는
    상기 제 1 전류가 임계값보다 큰 경우에 상기 플로우 배터리 셀들 내의 전류 밀도를 감소시키는 단계; 및
    상기 제 1 전류가 상기 임계값보다 큰 경우에 상기 플로우 배터리 셀들에 걸리는 전압을 감소시키는 단계 중 하나를 포함하는 수소 방출 완화 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 임계값은
    상기 플로우 배터리 시스템 내의 제 1 용액이 90 %보다 높은 충전 상태를 갖는 경우; 및
    상기 제 1 용액 내에 수소가 형성되기 시작하는 경우 중 하나에 대응하는 수소 방출 완화 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 전력 교환을 제어하는 단계는
    전류 센서를 이용하여 상기 제 1 전류를 감지하고, 상기 감지된 제 1 전류를 나타내는 전류 신호를 제어기에 제공하는 단계; 및
    상기 파워 컨버터에 제어 신호를 제공하도록 상기 전류 신호를 처리하는 단계를 포함하는 수소 방출 완화 방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 수소는 제 1 가역적 산화환원 커플 반응물을 갖는 제 1 용액을 포함하는 상기 플로우 배터리 시스템 내의 상기 저장부로부터 상기 전기화학 셀에 제공되는 수소 방출 완화 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    밸브를 통해 상기 저장부로부터 상기 전기화학 셀로 상기 수소를 지향하는 단계를 더 포함하는 수소 방출 완화 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 수소가 상기 전기화학 셀로 흐르도록 상기 저장부로부터 상기 수소를 퍼징(purge)하는 단계를 더 포함하는 수소 방출 완화 방법.
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