KR102007776B1 - 레독스 흐름 전지 - Google Patents

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Abstract

레독스 흐름 전지는 복수의 전지 셀이 적층된 스택과, 스택보다 낮은 위치에 설치되며 전해액을 저장하는 전해액 탱크와, 스택과 전해액 탱크를 연결하는 순환 배관 및 순환 배관에 설치된 펌프를 포함하는 전해액 순환부와, 스택과 전해액 탱크를 연결하는 공기 배관 및 공기 배관에 설치된 밸브를 구비하는 압력 조절부를 포함한다.

Description

레독스 흐름 전지 {REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택과 전해액 탱크의 연결 구조에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지는 대용량 전력을 저장할 수 있는 이차 전지의 한 종류이다. 통상의 레독스 흐름 전지는 복수의 전지 셀이 적층된 스택과, 스택과 연결된 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크와, 스택과 전해액 탱크로 양극 전해액과 음극 전해액을 순환시키는 배관과 펌프 등의 순환 장치를 포함한다.
레독스 흐름 전지는 휴지기 및 종료 시점에서 펌프의 가동을 중단하여 전해액의 흐름을 정지시킨다. 그러면 스택 내부의 전해액이 중력에 의해 하강하면서 스택 하부의 전해액 탱크로 수집된다.
그런데 이 과정에서 배관과 전해액 탱크의 압력이 상승하여 전해액 배출이 원활하게 이루어지지 않으며, 스택 내부에 잔류한 전해액이 자가방전 현상을 일으켜 레독스 흐름 전지의 효율을 저하시킬 수 있다. 또한, 압력에 의해 배관과 전해액 탱크가 파손되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 휴지기 및 종료 시점에서 전해액의 흐름을 정지시킬 때, 스택 내부의 전해액을 신속하게 배출시켜 잔류 전해액의 자가방전 현상에 따른 효율 저하를 억제하고, 압력 상승에 의한 배관과 전해액 탱크의 파손을 방지할 수 있는 레독스 흐름 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는 복수의 전지 셀이 적층된 스택과, 스택보다 낮은 위치에 설치되며 전해액을 저장하는 전해액 탱크와, 스택과 전해액 탱크를 연결하는 순환 배관 및 순환 배관에 설치된 펌프를 포함하는 전해액 순환부와, 스택과 전해액 탱크를 연결하는 공기 배관 및 공기 배관에 설치된 밸브를 구비하는 압력 조절부를 포함한다.
밸브는 전해액 탱크로부터 스택을 향하는 방향의 흐름만 허용하는 일 방향 밸브일 수 있고, 설정치 이상의 압력차에서 작동할 수 있다. 공기 배관은 전해액 탱크의 상측과 스택에 형성된 전해액 유로의 상측을 연결하여 전해액 탱크의 내부 공기를 전해액 유로로 이동시킬 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는 스택, 양극 전해액 탱크, 음극 전해액 탱크, 전해액 순환부, 및 압력 조절부를 포함한다. 스택은 내부에 양극 전해액 유로와 음극 전해액 유로가 형성된 복수의 전지 셀을 포함한다. 전해액 순환부는 양극 전해액 탱크와 양극 전해액 유로를 연결하는 양극 전해액 순환 배관, 음극 전해액 탱크와 음극 전해액 유로를 연결하는 음극 전해액 순환 배관, 양극 전해액 순환 배관과 음극 전해액 순환 배관 각각에 설치된 펌프를 포함한다. 압력 조절부는 양극 전해액 탱크의 상측과 양극 전해액 유로의 상측을 연결하는 제1 공기 배관 및 음극 전해액 탱크의 상측과 음극 전해액 유로의 상측을 연결하는 제2 공기 배관을 포함하는 공기 배관부와, 공기 배관부에 설치된 밸브를 포함한다.
밸브는 제1 공기 배관과 제2 공기 배관 각각에 설치될 수 있다. 다른 한편으로, 제1 공기 배관과 제2 공기 배관은 제1 지점에서 합류할 수 있고, 공유 배관을 거쳐 제2 지점에서 분기될 수 있으며, 밸브는 공유 배관에 설치될 수 있다.
밸브는 양극 전해액 탱크 및 음극 전해액 탱크로부터 양극 전해액 유로 및 음극 전해액 유로를 향하는 방향의 흐름만 허용하는 일 방향 밸브일 수 있으며, 설정치 이상의 압력차에서 작동할 수 있다.
본 발명에 따르면, 운전 휴지기 및 종료 시점에서 펌프의 가동이 중지될 때 전해액 탱크의 양압 및 스택 내부의 음압을 해소할 수 있다. 따라서, 스택으로부터 전해액을 신속하게 배출하여 스택 내부에 전해액이 잔류하지 않으며, 자가방전 현상을 방지하여 효율 저하를 예방할 수 있다. 또한, 압력에 의한 전해액 순환부와 전해액 탱크의 누수 또는 파손 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 스택 중 한 개 전지 셀을 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 스택 중 두 개 전지 셀의 결합 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예의 레독스 흐름 전지(100)는 스택(10)과, 스택(10)보다 낮은 위치에 설치된 전해액 탱크(21, 22)와, 스택(10)과 전해액 탱크(21, 22)에 연결 설치된 전해액 순환부(30) 및 압력 조절부(40)를 포함한다.
스택(10)은 복수의 전지 셀(50)로 구성되며, 내부에 양극 전해액 유로 및 음극 전해액 유로를 형성한다. 양극 전해액 탱크(21)는 양극 전해액을 저장하고, 음극 전해액 탱크(22)는 음극 전해액을 저장한다.
전해액 순환부(30)는 전해액 탱크(21, 22)의 양극 및 음극 전해액을 스택(10)으로 공급하고, 스택(10)에서 사용된 양극 및 음극 전해액을 전해액 탱크(21, 22)로 회수한다. 압력 조절부(40)는 전해액 탱크(21, 22)의 압력 상승 시 공기를 배출하여 압력 상승을 억제한다.
본 실시예의 레독스 흐름 전지(100)는 징크-브로민 레독스 흐름 전지 또는 바나듐 레독스 흐름 전지일 수 있다. 징크-브로민 레독스 흐름 전지는 양극 및 음극 전해액으로 ZnBr2를 사용하며, 반응식은 아래와 같다.
음극: Zn ↔ Zn2 + + 2e- 양극: Br2 + 2e- ↔ 2Br-
바나듐 레독스 흐름 전지는 양극 및 음극 전해액으로 H2SO4를 사용하며, 반응식은 아래와 같다.
음극: V2+ ↔ V3+ + e- 양극: VO2 + + e- ↔ VO2+
양극 및 음극 전해액에 포함된 서로 다른 산화수를 가지는 두 종류의 레독스 커플이 전기화학 반응을 일으키면서 충방전이 이루어진다. 구체적으로 산화 반응에 의해 충전이 이루어지고, 환원 반응에 의해 방전이 이루어진다. 본 실시예의 레독스 흐름 전지(100)는 징크-브로민 또는 바나듐 타입으로 한정되지 않는다.
도 2는 도 1에 도시한 스택 중 한 개 전지 셀을 나타낸 분해 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시한 스택 중 두 개 전지 셀의 결합 단면도이다.
도 2와 도 3을 참고하면, 전지 셀(50)은 이온 교환막인 멤브레인(51)과, 멤브레인(51)의 일측에 위치하는 제1 다공성 전극(52) 및 양극 전극(53)과, 멤브레인(51)의 타측에 위치하는 제2 다공성(54) 전극 및 음극 전극(55)을 포함한다. 이웃한 두 개의 전지 셀(50)에서 양극 전극(53)과 음극 전극(55)은 일체로 형성되며, 이를 바이폴라 플레이트(56)라 한다.
멤브레인(51)은 중앙 프레임(57)에 고정될 수 있다. 제1 다공성 전극(52)은 제1 흐름 프레임(58)에 고정될 수 있고, 제2 다공성 전극(54)은 제2 흐름 프레임(59)에 고정될 수 있다. 바이폴라 플레이트는 제1 흐름 프레임과 제2 흐름 프레임 사이에 고정될 수 있다. 제1 및 제2 다공성 전극(52, 54)은 카본 펠트로 제작될 수 있고, 바이폴라 플레이트(56)는 흑연으로 제작될 수 있다.
중앙 프레임(57)과 제1 및 제2 흐름 프레임(58, 59)의 모서리에는 전해액 순환을 위한 네 개의 홀이 형성된다. 중앙 프레임(57)에 위치하는 네 개의 홀 중 두 개는 양극 전해액 통과공이고, 나머지 두 개는 음극 전해액 통과공이다.
제1 흐름 프레임(58)에 위치하는 네 개의 홀 중 어느 하나는 양극 전해액 주입구이고, 다른 하나는 양극 전해액 배출구이며, 나머지 두 개는 음극 전해액 통과공이다. 제1 흐름 프레임(58) 내부에는 양극 전해액 주입구와 제1 다공성 전극(52) 및 양극 전해액 통과공을 연결하는 유로가 형성되어 제1 다공성 전극(52)에 양극 전해액이 흐르도록 한다.
제2 흐름 프레임(59)에 위치하는 네 개의 홀 중 어느 하나는 음극 전해액 주입구이고, 다른 하나는 음극 전해액 배출구이며, 나머지 두 개는 양극 전해액 통과공이다. 제2 흐름 프레임(59) 내부에는 음극 전해액 주입구와 제2 다공성 전극(54) 및 음극 전해액 통과공을 연결하는 유로가 형성되어 제2 다공성 전극(54)에 음극 전해액이 흐르도록 한다.
양극 전해액과 음극 전해액은 멤브레인(51)의 양측 표면에서 서로 교차하는 방향으로 흐르면서 전기화학 반응을 일으키고, 전류는 바이폴라 플레이트(56)를 통해 양극 집전판 및 음극 집전판으로 수집된다.
다시 도 1을 참고하면, 스택(10)은 복수의 전지 셀(50)의 최외곽에 위치하는 한 쌍의 엔드 캡(61, 62)을 포함한다. 양극 및 음극 집전판(도시하지 않음)은 한 쌍의 엔드 캡(61, 62) 바로 안쪽에 위치할 수 있다. 제1 엔드 캡(61)에 양극 및 음극 전해액 주입 포트(IP1, IP2)가 위치할 수 있고, 제2 엔드 캡(62)에 양극 및 음극 전해액 배출 포트(OP1, OP2)가 위치할 수 있다.
양극 전해액 주입 포트(IP1)와 양극 전해액 배출 포트(OP1)는 양극 전해액 유로와 연통한다. 구체적으로, 양극 전해액 주입 포트(IP1)는 각 전지 셀(50)의 양극 전해액 주입구 및 어느 하나의 양극 전해액 통과공과 연통하고, 양극 전해액 배출 포트(OP1)는 각 전지 셀(50)의 양극 전해액 배출구 및 다른 하나의 양극 전해액 통과공과 연통한다.
음극 전해액 주입 포트(IP2)와 음극 전해액 배출 포트(OP2)는 음극 전해액 유로와 연통한다. 구체적으로, 음극 전해액 주입 포트(IP2)는 각 전지 셀(50)의 음극 전해액 주입구 및 어느 하나의 음극 전해액 통과공과 연통하고, 음극 전해액 배출 포트(OP2)는 각 전지 셀(50)의 음극 전해액 배출구 및 다른 하나의 음극 전해액 통과공과 연통한다.
양극 및 음극 전해액 주입 포트(IP1, IP2)는 제1 엔드 캡(61)의 상측에서 서로간 거리를 두고 위치할 수 있고, 양극 및 음극 전해액 배출 포트(OP1, OP2)는 제2 엔드 캡(62)의 하측에서 서로간 거리를 두고 위치할 수 있다.
다른 한편으로, 도 1에 도시한 것과 다르게 제1 엔드 캡(61)에 양극 전해액 주입 포트(IP1)와 음극 전해액 배출 포트(OP2)가 위치할 수 있고, 제2 엔드 캡(62)에 음극 전해액 주입 포트(IP2)와 양극 전해액 배출 포트(OP1)가 위치할 수 있다. 이 경우에도 양극 및 음극 전해액 주입 포트(IP1, IP2)는 양극 및 음극 전해액 배출 포트(OP1, OP2)보다 상측에 위치할 수 있다.
전해액 순환부(30)는 양극 전해액 탱크(21)와 양극 전해액 주입 포트(IP1)를 연결하는 제1 공급관(31)과, 제1 공급관(31)에 설치된 제1 펌프(32)와, 양극 전해액 배출 포트(OP1)와 양극 전해액 탱크(21)를 연결하는 제1 배출관(33)을 포함한다.
제1 공급관(31)은 양극 전해액 탱크(21)의 하측에 연결될 수 있고, 제1 배출관(33)은 양극 전해액 탱크(21)의 상측에 연결될 수 있다. 제1 공급관(31)과 제1 배출관(33)이 양극 전해액 순환 배관을 구성한다.
또한, 전해액 순환부(30)는 음극 전해액 탱크(22)와 음극 전해액 주입 포트(IP2)를 연결하는 제2 공급관(34)과, 제2 공급관(34)에 설치된 제2 펌프(35)와, 음극 전해액 배출 포트(OP2)와 음극 전해액 탱크(22)를 연결하는 제2 배출관(36)을 포함한다.
제2 공급관(34)은 음극 전해액 탱크(22)의 하측에 연결될 수 있고, 제2 배출관(36)은 음극 전해액 탱크(22)의 상측에 연결될 수 있다. 제2 공급관(34)과 제2 배출관(36)이 음극 전해액 순환 배관을 구성한다.
압력 조절부(40)는 양극 전해액 탱크(21)와 스택(10) 내부를 연결하는 제1 공기 배관(41)과, 제1 공기 배관(41)에 설치된 제1 밸브(42)와, 음극 전해액 탱크(22)와 스택(10) 내부를 연결하는 제2 공기 배관(43)과, 제2 공기 배관(43)에 설치된 제2 밸브(44)를 포함한다.
제1 공기 배관(41)과 제2 공기 배관(43)이 공기 배관부를 구성하며, 두 개의 밸브(42, 44)가 제1 및 제2 공기 배관(41, 43) 각각에 설치된다. 제1 및 제2 밸브(42, 44)는 일 방향 밸브로서, 제1 및 제2 탱크(21, 22)로부터 스택(10)을 향하는 공기 흐름만 허용한다.
제1 공기 배관(41)은 양극 전해액 탱크(21)의 상측과 스택(10) 내부의 양극 전해액 주입구를 연결할 수 있다. 이를 위해 각 전지 셀(50)의 양극 전해액 주입구와 연통하는 제1 공기 주입 포트(IP3)가 제2 엔드 캡(62)에 위치할 수 있다. 제1 공기 주입 포트(IP3)는 전지 셀(50)의 적층 방향을 따라 양극 전해액 주입 포트(IP1)와 마주한다.
제2 공기 배관(43)은 음극 전해액 탱크(22)의 상측과 스택(10) 내부의 음극 전해액 주입구를 연결할 수 있다. 이를 위해 각 전지 셀(50)의 음극 전해액 주입구와 연통하는 제2 공기 주입 포트(IP4)가 제2 엔드 캡(62)에 위치할 수 있다. 제2 공기 주입 포트(IP4)는 전지 셀(50)의 적층 방향을 따라 음극 전해액 주입 포트(IP2)와 마주한다.
제1 및 제2 밸브(42, 44)는 설정치 이상의 압력차에서 개방되어 양극 및 음극 전해액 탱크(21, 22)의 공기를 스택(10) 내부로 전달한다. 즉 양극 및 음극 전해액이 스택(10)과 양극 및 음극 탱크(21, 22)를 순환하며 충전 또는 방전이 이루어지는 정상 운전 시에 제1 및 제2 밸브(42, 44)는 닫힌 상태를 유지하며, 스택(10) 내부로 공기가 혼입되는 것을 방지한다.
레독스 흐름 전지(100)는 휴지기 및 운전 종료 시 제1 및 제2 펌프(32, 35)의 가동을 중단하여 양극 및 음극 전해액의 흐름을 정지시킨다. 그러면 스택(10) 내부의 양극 및 음극 전해액이 중력에 의해 하강하면서 제1 및 제2 배출관(33, 36)을 타고 양극 및 음극 전해액 탱크(21, 22)로 모이게 된다.
이 과정에서 제1 및 제2 배출관(33, 36)과, 양극 및 음극 전해액 탱크(21, 22)의 내부 압력이 상승하며, 제1 및 제2 밸브(42, 44)가 상승 압력에 의해 개방된다.
따라서 양극 및 음극 전해액 탱크(21, 22)의 내부 공기가 스택(10) 내부로 이동하면서 제1 및 제2 배출관(33, 36)과, 양극 및 음극 전해액 탱크(21, 22)의 압력 상승이 해소된다. 그러한 결과, 스택(10) 내부에서는 유입된 공기로 인해 양극 및 음극 전해액이 신속하게 배출된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이다.
도 4를 참고하면, 제2 실시예의 레독스 흐름 전지(200)에서 제1 공기 배관(41)과 제2 공기 배관(43)은 제1 지점(P1)에서 합류하고, 공유 배관(45)을 거쳐 제2 지점(P2)에서 분기되며, 하나의 밸브(46)가 공유 배관(45)에 설치된다.
제1 공기 배관(41)과 공유 배관(45) 및 제2 공기 배관(43)이 공기 배관부를 구성하며, 제1 및 제2 공기 배관(41, 43)이 하나의 밸브(46)를 공유한다. 밸브(46)는 설정치 이상의 압력차에서 개방되어 양극 및 음극 전해액 탱크(21, 22)의 공기를 스택(10) 내부로 전달한다.
제2 실시예의 레독스 흐름 전지(200)는 공유 배관(45)에 하나의 밸브(46)가 설치되는 압력 조절부(40)의 구성을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
제1 및 제2 실시예의 레독스 흐름 전지(100, 200)는 전술한 압력 조절부(40) 구성에 의해 양극 및 음극 전해액 탱크(21, 22)의 양압과, 스택(10) 내부의 음압을 해소할 수 있다. 따라서, 스택(10)으로부터 전해액을 신속하게 배출하여 스택(10) 내부에 전해액이 잔류하지 않으며, 자가방전 현상을 방지하여 효율 저하를 예방할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 실시예의 레독스 흐름 전지(100, 200)는 압력 상승에 의한 전해액 순환부(30)와 양극 및 음극 전해액 탱크(21, 22)의 누수 또는 파손 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200: 레독스 흐름 전지 10: 스택
21: 양극 전해액 탱크
22: 음극 전해액 탱크
30: 전해액 순환부 40: 압력 조절부
41: 제1 공기 배관 42: 제1 밸브
43: 제2 공기 배관 44: 제2 밸브
45: 공유 배관 46: 밸브
50: 전지 셀 61, 62: 엔드 캡

Claims (7)

  1. 전해액 주입구와 전해액 유로 및 전해액 배출구가 각각 형성된 복수의 전지 셀이 적층된 스택;
    상기 스택보다 낮은 위치에 설치되며, 전해액을 저장하는 전해액 탱크;
    상기 전해액 주입구 및 상기 전해액 배출구와 상기 전해액 탱크를 연결하는 순환 배관과, 상기 순환 배관에 설치된 펌프를 포함하는 전해액 순환부; 및
    상기 전해액 주입구와 상기 전해액 탱크의 상측을 연결하는 공기 배관과, 상기 공기 배관에 설치된 일 방향 밸브를 구비하는 압력 조절부를 포함하며,
    상기 일 방향 밸브는 상기 펌프 정지 후 상기 전해액 탱크의 압력이 설정치 이상으로 상승할 때 개방되어 상기 전해액 탱크의 공기를 상기 전해액 주입구로 공급하고, 상기 전해액 유로에 잔류한 전해액은 공기에 의해 밀려 상기 전해액 배출구로 배출되는 레독스 흐름 전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 내부에 양극 전해액 유로와 음극 전해액 유로가 형성된 복수의 전지 셀을 포함하는 스택;
    양극 전해액 탱크;
    음극 전해액 탱크;
    상기 양극 전해액 탱크와 상기 양극 전해액 유로를 연결하는 양극 전해액 순환 배관, 상기 음극 전해액 탱크와 상기 음극 전해액 유로를 연결하는 음극 전해액 순환 배관, 상기 양극 전해액 순환 배관과 상기 음극 전해액 순환 배관 각각에 설치된 펌프를 포함하는 전해액 순환부; 및
    상기 양극 전해액 탱크의 상측과 상기 양극 전해액 유로의 상측을 연결하는 제1 공기 배관 및 상기 음극 전해액 탱크의 상측과 상기 음극 전해액 유로의 상측을 연결하는 제2 공기 배관을 포함하는 공기 배관부와, 상기 공기 배관부에 설치된 일 방향 밸브를 구비하는 압력 조절부를 포함하며,
    상기 일 방향 밸브는 상기 펌프 정지 후 상기 양극 전해액 탱크와 상기 음극 전해액 탱크의 압력이 설정치 이상으로 상승할 때 개방되어 상기 양극 전해액 탱크의 공기를 상기 양극 전해액 유로로 공급함과 동시에 상기 음극 전해액 탱크의 공기를 상기 음극 전해액 유로로 공급하고,
    상기 양극 전해액 유로에 잔류한 양극 전해액과 상기 음극 전해액 유로에 잔류한 음극 전해액은 공기에 의해 밀려 상기 스택에서 배출되는 레독스 흐름 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 제1 공기 배관과 상기 제2 공기 배관 각각에 설치되는 레독스 흐름 전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 공기 배관과 상기 제2 공기 배관은 제1 지점에서 합류하고, 공유 배관을 거쳐 제2 지점에서 분기되며,
    상기 밸브는 상기 공유 배관에 설치되는 레독스 흐름 전지.
  7. 삭제
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