KR102102507B1 - 동시 충방전이 가능한 레독스 흐름전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

레독스 흐름전지 시스템이 개시된다. 레독스 흐름전지 시스템은 N개의 단전지 그룹들을 포함하는 전지 유닛, N개의 단전지 그룹들의 양극 전해질 챔버들 각각과 N개의 양극 전해질 순환 경로들을 형성하고 양극 전해질을 수용하는 양극 전해질 챔버, N개의 단전지 그룹들의 음극 전해질 챔버들 각각과 N개의 음극 전해질 순환 경로를 형성하고 음극 전해질을 수용하는 음극 전해질 챔버, 외부 전력발생장치로부터 공급된 전력을 기초로 N개의 단전지 그룹들 중 기 설정된 기준에 따라 선택된 단전지 그룹에만 전력이 공급되고 양극 전해질 및 음극 전해질이 순환하도록 제어하는 입력 제어 유닛 및 N개의 단전지 그룹들 중 입력 제어 유닛에 의해 선택되지 않은 단전지 그룹을 외부 로드에 연결시키고 이에 방전 반응이 일어나도록 양극 전해질 및 상기 음극 전해질이 순환시키는 출력 제어 유닛을 포함한다.

Description

동시 충방전이 가능한 레독스 흐름전지 시스템{REDOX FLOW BATTERY SYSTEM CAPABLE OF CONCURRENTLY PERFORMING CHARGE AND DISCHARGE OF REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 전해질 내에 포함된 활물질의 산화환원 반응을 통해 외부 전력발생장치에서 생성된 전력을 저장할 수 있는 레독스 흐름전지 시스템에 관한 것이다.
국제 유가의 상승으로 인한 에너지 위기와 유한한 화석에너지의 고갈에 따른 우려를 계기로 각국의 에너지 정책에 대한 인식이 전환되고 있다. 이와 함께 선진국의 온실가스 감축에 대한 의무적인 이행을 내용으로 하는 교토의정서 채택 이후 에너지 효율 향상을 위한 법률 제정 및 규제 강화 등 전반적인 에너지 절감 정책이 확산되고 있다. 각국 정부에서는 저탄소 사회 구축을 목표로 태양광 및 풍력과 같은 신재생에너지의 보급 확대 정책을 입안하고 있으며, 이는 미래의 성장 동력 발굴과 현재 경기부양의 핵심으로 떠오르면서 국가적인 관심이 집중되고 있다.
신재생에너지의 실용화에는 대용량의 전력 저장장치 개발이 필수적이며, 이에 대한 각국 정부 및 산업계의 연구개발 투자가 급증하고 있다. 대용량의 전력 저장을 위한 방법으로 2차 전지, 양수발전, 울트라 커패시터, 플라이휠, 압축공기 저장, 초전도 코일 등이 활발히 연구되고 있다. 하지만, 양수발전은 막대한 투자 비용과 입지선정이 어렵고, 울트라 커패시터, 플라이휠, 압축공기 저장 및 초전도 코일은 현재까지 실증사업을 통한 기술 개발 단계로서 실용화에 다소 시간이 필요한 상태이다. 그리고 2차 전지는 낮은 효율, 환경오염 문제 및 짧은 수명 등이 문제이다.
따라서 대용량의 전력 저장장치로서 최근 상온 작동이 가능하고 유지보수가 용이하며 환경 친화적인 레독스 흐름 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 레독스 흐름 전지는 산화수가 변하는 활물질을 강산 수용액에 용해하여 전해질을 제공하고, 펌프를 이용하여 이를 셀에 공급하는 전지로서, 전해질은 셀 외부의 탱크에 액체 상태로 저장되어 있고, 충방전이 필요한 경우에만 펌프를 통해 셀 내부에 공급되므로 신속한 기동정지가 가능하고 장시간 정지해도 전력손실이 적으며, 비활성 전극을 사용하여 수명이 긴 장점이 있다.
하지만, 종래의 레독스 흐름전지 시스템의 충전시, 외부 입력 전력과 관계없이 시스템 내의 모든 단전지들 내부로 전해질을 순환시켜 충전 반응을 유도하므로, 시스템의 수명이 저하되는 문제점이 발생할 수 있을 뿐만 아니라 하나의 시스템 내에서 충전 반응과 방전 반응을 동시에 수행하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 시스템 내부의 스택들 중 일부 스택들을 이용하여 충전 반응을 수행하는 동시에 나머지 스택들을 이용하여 방전 반응을 수행할 수 있는 레독스 흐름전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템은 N개의 단전지 그룹들을 포함하는 전지 유닛; 상기 N개의 단전지 그룹들의 양극 전해질 챔버들 각각과 양극 전해질이 순환하는 N개의 양극 전해질 순환 경로들을 형성하고, 상기 양극 전해질을 수용하는 양극 전해질 탱크; 상기 N개의 단전지 그룹들의 음극 전해질 챔버들 각각과 음극 전해질이 순환하는 N개의 음극 전해질 순환 경로를 형성하고, 상기 음극 전해질을 수용하는 음극 전해질 탱크; 외부 전력발생장치로부터 공급된 전력을 기초로, 상기 N개의 단전지 그룹들 중 기 설정된 기준에 따라 선택된 단전지 그룹에만 상기 전력발생장치로부터 공급된 전력이 공급되고 상기 양극 전해질 및 상기 음극 전해질이 순환하도록 제어하는 입력 제어 유닛; 및 상기 N개의 단전지 그룹들 중 상기 입력 제어 유닛에 의해 선택된 단전지 그룹을 제외한 나머지 단전지 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 외부 로드에 연결시키고 상기 양극 전해질 및 상기 음극 전해질이 순환하도록 제어하는 출력 제어 유닛을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전력발생장치는 태양전지, 풍력발전기 또는 수력 발전기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 N개의 단전지 그룹들 각각은 하나 이상의 단전지 스택을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 레독스 흐름전지 시스템은 상기 N개의 양극 전해질 순환 경로들을 따라 상기 양극 전해질을 각각 독립적으로 순환시키는 N개의 양극 전해질 순환 펌프; 및 상기 N개의 음극 전해질 순환 경로들을 따라 상기 음극 전해질을 각각 독립적으로 순환시키는 N개의 음극 전해질 순환 펌프를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 입력 제어 유닛은 상기 양극 전해질 순환 펌프들 및 상기 음극 전해질 순환 펌프들 중 상기 입력 제어 유닛에 의해 선택된 단전지 그룹에 상기 양극 전해질 및 상기 음극 전해질을 순환시키는 펌프들만이 작동하도록 상기 펌드들의 동작을 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 입력 제어 유닛은 상기 N개의 단전지 그룹들과 각각 연결되고, 상기 전력발생장치에 전기적으로 연결된 N개의 입력 스위칭 소자를 포함하는 제1 스위칭부; 상기 전력발생장치로부터 공급되는 전력 성분 중 전압 또는 전류를 감지한 후 이를 기초로 상기 N개의 입력 스위칭 소자의 동작을 제어하는 게이트 전압을 생성하여 상기 N개의 입력 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제1 스위칭 제어부; 및 상기 N개의 입력 스위칭 소자의 출력 전류를 감지하여 이를 기초로 상기 펌프들의 동작을 제어하는 펌프 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 출력 제어 유닛은 상기 N개의 단전지 그룹들과 각각 연결되고, 상기 외부 로드로 연결하기 위한 출력 단자에 전기적으로 연결된 N개의 출력 스위칭 소자를 포함하는 제2 스위칭부; 및 상기 제1 스위칭 제어부 또는 상기 펌프 제어부로부터 제공된 신호를 기초로 상기 N개의 출력 스위칭 소자의 동작을 제어하는 게이트 전압을 생성하여 상기 N개의 출력 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제2 스위칭 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 스위칭 제어부는 상기 N개의 단전지 그룹 중 상기 전력발생장치로부터 전력을 공급받지 않는 단전지 그룹에 연결된 출력 스위칭 소자를 개방시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 출력 제어 유닛은 상기 전력발생장치로부터 전력을 공급받지 않는 단전지 그룹에 상기 양극 전해질 및 상기 음극 전해질이 순환하도록 상기 펌프 제어부를 통해 상기 펌프들의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 레독스 흐름전지 시스템에 따르면, 외부 입력 전력 크기를 기초로 선정된 시스템 내의 단전지들 중 일부에 대해서만 외부 전력을 공급하고 전해질을 순환시킴으로써, 시스템의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있다. 그리고 상기 충전 반응 중에 외부 로드에 전력을 공급할 필요가 있는 경우, 충전 반응이 일어나지 않는 단전지 그룹을 외부 로드에 연결시킴으로써 충전 반응과 방전 반응을 동시에 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 입력 제어 유닛 및 출력 제어 유닛을 설명하기 위한 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에서 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", “구비하다”또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되고 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템을 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 입력 제어 유닛 및 출력 제어 유닛을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템(100)은 전지 유닛(110), 양극 전해질 탱크(120a), 음극 전해질 탱크(120b), 복수의 펌프(130), 입력 제어 유닛(140) 및 출력 제어 유닛(150)을 포함할 수 있고, 외부 전력발생장치(10)에서 공급된 전력을 저장할 수 있다. 상기 외부 전력발생장치(10)로는 태양전지, 풍력발전기, 수력 발전기 등의 신재생 에너지 발생장치뿐만 아니라 일반 전원 공급장치 등이 제한 없이 적용될 수 있다.
상기 전지 유닛(110)은 복수의 단전지 그룹들(111, 112, 113)을 포함할 수 있고, 상기 단전지 그룹들(111, 112, 113) 각각은 1개 이상의 레독스 흐름전지 단전지들을 포함할 수 있다. 도 1에는 상기 전지 유닛(110)이 3개의 단전지 그룹(111, 112, 113)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 상기 전지 유닛(110)은 2개 또는 4개 이상의 단전지 그룹들을 포함할 수도 있다. 이하 설명의 편의를 위해, 상기 전지 유닛(110)이 3개의 단전지 그룹, 즉, 제1 내지 제3 단전지 그룹(111, 112, 113)을 포함하는 경우를 예로 들어 설명한다.
일 실시예로, 상기 제1 내지 제3 단전지 그룹들(111, 112, 113) 각각은 1개의 단전지 스택 내에 적층된 단전지들 중 일부를 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 단전지들 각각은 이온교환막을 사이에 두고 형성된 양극 전해질 챔버와 음극 전해질 챔버, 상기 양극 전해질 챔버와 음극 전해질 챔버 내에 각각 배치된 양의 전극과 음의 전극을 포함할 수 있다. 그리고 상기 단전지 스택은 상기 단전지들이 쌍극판과 함께 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
이와 다른 실시예로, 상기 제1 내지 제3 단전지 그룹들(111, 112, 113) 각각은 하나 이상의 단전지 스택을 포함할 수 있다.
상기 양극 전해질 탱크(120a)는 상기 레독스 흐름전지 단전지들의 양극 전해질 챔버로 공급되는 양극 전해질을 수용할 수 있고, 상기 음극 전해질 탱크(120b)은 상기 레독스 흐름전지 단전지들의 음극 전해질 챔버로 공급되는 음극 전해질을 포함할 수 있다. 상기 양극 전해질 및 상기 음극 전해질로는 공지의 레독스 흐름전지용 양극 전해질 및 음극 전해질이 제한 없이 적용될 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 양극 전해질은 상기 양극 전해질 탱크(120a)로부터 상기 제1 단전지 그룹(111)의 양극 전해질 챔버들로 상기 양극 전해질을 공급하기 위한 제1 양극 전해질 공급관 및 상기 제1 단전지 그룹(111)의 양극 전해질 챔버들로부터 상기 양극 전해질 탱크(120a)로 상기 양극 전해질을 배출하기 위한 제1 양극 전해질 배출관을 통해 상기 양극 전해질 탱크(120a)와 상기 제1 단전지 그룹(111) 사이에 형성된 제1 양극 전해질 순환 경로, 상기 양극 전해질 탱크(120a)로부터 상기 제2 단전지 그룹(112)의 양극 전해질 챔버들로 상기 양극 전해질을 공급하기 위한 제2 양극 전해질 공급관 및 상기 제2 단전지 그룹(112)의 양극 전해질 챔버들로부터 상기 양극 전해질 탱크(120a)로 상기 양극 전해질을 배출하기 위한 제2 양극 전해질 배출관을 통해 상기 양극 전해질 탱크(120a)와 상기 제2 단전지 그룹(112) 사이에 형성된 제2 양극 전해질 순환 경로 및 상기 양극 전해질 탱크(120a)로부터 상기 제3 단전지 그룹(113)의 양극 전해질 챔버들로 상기 양극 전해질을 공급하기 위한 제3 양극 전해질 공급관 및 상기 제3 단전지 그룹(113)의 양극 전해질 챔버들로부터 상기 양극 전해질 탱크(120a)로 상기 양극 전해질을 배출하기 위한 제3 양극 전해질 배출관을 통해 상기 양극 전해질 탱크(120a)와 상기 제3 단전지 그룹(113) 사이에 형성된 제3 양극 전해질 순환 경로를 순환할 수 있다.
그리고 상기 음극 전해질은 상기 음극 전해질 탱크(120b)로부터 상기 제1 단전지 그룹(111)의 음극 전해질 챔버들로 상기 음극 전해질을 공급하기 위한 제1 음극 전해질 공급관 및 상기 제1 단전지 그룹(111)의 음극 전해질 챔버들로부터 상기 음극 전해질 탱크(120b)로 상기 음극 전해질을 배출하기 위한 제1 음극 전해질 배출관을 통해 상기 음극 전해질 탱크(120b)와 상기 제1 단전지 그룹(111) 사이에 형성된 제1 음극 전해질 순환 경로, 상기 음극 전해질 탱크(120b)로부터 상기 제2 단전지 그룹(112)의 음극 전해질 챔버들로 상기 음극 전해질을 공급하기 위한 제2 음극 전해질 공급관 및 상기 제2 단전지 그룹(112)의 음극 전해질 챔버들로부터 상기 음극 전해질 탱크(120b)로 상기 음극 전해질을 배출하기 위한 제2 음극 전해질 배출관을 통해 상기 음극 전해질 탱크(120b)와 상기 제2 단전지 그룹(112) 사이에 형성된 제2 음극 전해질 순환 경로 및 상기 음극 전해질 탱크(120b)로부터 상기 제3 단전지 그룹(113)의 음극 전해질 챔버들로 상기 음극 전해질을 공급하기 위한 제3 음극 전해질 공급관 및 상기 제3 단전지 그룹(113)의 음극 전해질 챔버들로부터 상기 음극 전해질 탱크(120b)로 상기 음극 전해질을 배출하기 위한 제3 음극 전해질 배출관을 통해 상기 음극 전해질 탱크(120b)와 상기 제3 단전지 그룹(113) 사이에 형성된 제3 음극 전해질 순환 경로를 순환할 수 있다.
상기 복수의 펌프(130)는 상기 제1 내지 제3 양극 전해질 순환 경로를 따라 상기 양극 전해질을 각각 독립적으로 순환시키기 위한 제1 내지 제3 양극 전해질 순환 펌프(131a, 132a, 133a) 그리고 상기 제1 내지 제3 음극 순환 경로를 따라 상기 음극 전해질을 각각 독립적으로 순환시키기 위한 제1 내지 제3 음극 전해질 순환 펌프(131b, 132b, 133b)를 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 내지 제3 양극 전해질 순환 펌프(131a, 132a, 133a)는 상기 제1 내지 제3 양극 전해질 공급관에 각각 설치될 수 있고, 상기 제1 내지 제3 음극 전해질 순환 펌프(131b, 132b, 133b)는 상기 제1 내지 제3 음극 전해질 공급관에 각각 설치될 수 있다.
상기 입력 제어 유닛(140)은 외부 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력을 기초로 상기 제1 내지 제3 단전지 그룹(111, 112, 113) 중 기 설정된 기준에 따라 선택된 단전지 그룹에만 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력을 공급하고, 상기 선택된 단전지 그룹에만 양극 전해질 및 음극 전해질이 순환하도록 상기 펌프들(130)의 동작을 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 입력 제어 유닛(140)은 상기 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력 성분 중 전압 또는 전류의 크기를 기준으로 상기 제1 내지 제3 단전지 그룹(111, 112, 113) 중 선택된 1개, 2개 또는 3개의 단전지 그룹에만 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력을 공급하고, 상기 선택된 단전지 그룹에만 양극 전해질 및 음극 전해질이 순환하도록 상기 펌프들(130)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력 성분 중 전압이 제1 전압 미만인 경우, 상기 입력 제어 유닛(140)은 상기 제1 내지 제3 단전지 그룹(111, 112, 113) 중 선택된 1개의 단전지 그룹, 예를 들면, 제1 단전지 그룹(111)에만 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력을 공급하고 상기 선택된 1개의 단진지 그룹에만 양극 전해질 및 음극 전해질이 순환하도록 상기 펌프들(130)의 동작을 제어할 수 있다. 그리고, 상기 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력 성분 중 전압이 상기 제1 전압 이상 제2 전압 미만인 경우, 상기 입력 제어 유닛(140)은 상기 제1 내지 제3 단전지 그룹(111, 112, 113) 중 선택된 2개의 단전지 그룹, 예를 들면, 제1 및 제2 단전지 그룹(111, 112)에만 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력을 공급하고 상기 선택된 2개의 단진지 그룹에만 양극 전해질 및 음극 전해질이 순환하도록 상기 펌프들(130)의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 상기 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력 성분 중 전압이 상기 제2 전압 이상인 경우, 상기 입력 제어 유닛(140)은 상기 제1 내지 제3 단전지 그룹(111, 112, 113) 모두에 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력을 공급하고 상기 제1 내지 제3 단전지 그룹(111, 112, 113)에 모두에 양극 전해질 및 음극 전해질이 순환하도록 상기 펌프들(130)의 동작을 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 입력 제어 유닛(140)은 제1 스위칭부(141), 제1 스위칭 제어부(142) 및 펌프 제어부(143)을 포함할 수 있다.
상기 제1 스위칭부(141)는 상기 외부 전력발생장치(10)와 상기 전지 유닛(110)에 전기적으로 연결된 복수의 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c)를 포함할 수 있고, 상기 제1 스위칭 제어부(142)의 제어 동작에 따라 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력을 상기 전지 유닛(110)에 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 스위칭부(141)는 상기 외부 전력발생장치(10)와 상기 제1 단전지 그룹(111)에 전기적으로 연결되고 제1 임계 전압 이상의 게이트 전압이 인가되는 경우에 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력을 상기 제1 단전지 그룹(111)에 전달하는 제1 입력 스위칭 소자(141a), 상기 외부 전력발생장치(10)와 상기 제2 단전지 그룹(112)에 전기적으로 연결되고 상기 제1 임계 전압보다 큰 제2 임계 전압 이상의 게이트 전압이 인가되는 경우에 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력을 상기 제2 단전지 그룹(112)에 전달하는 제2 입력 스위칭 소자(141b) 및 상기 외부 전력발생장치(10)와 상기 제3 단전지 그룹(113)에 전기적으로 연결되고 상기 제2 임계 전압보다 큰 제3 임계 전압 이상의 게이트 전압이 인가되는 경우에 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력을 상기 제3 단전지 그룹(113)에 전달하는 제3 입력 스위칭 소자(141b)를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 제1 스위칭부(141)는 상기 외부 전력발생장치(10)와 상기 제1 단전지 그룹(111)에 전기적으로 연결된 제1 입력 스위칭 소자(141a), 상기 외부 전력발생장치(10)와 상기 제2 단전지 그룹(112)에 전기적으로 연결된 제2 입력 스위칭 소자(141b) 및 상기 외부 전력발생장치(10)와 상기 제3 단전지 그룹(113)에 전기적으로 연결된 제3 입력 스위칭 소자(141b)를 포함할 수 있고, 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자들(141a, 141b, 141c)의 임계 전압은 서로 동일 또는 유사할 수 있다.
상기 제1 스위칭 제어부(142)는 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급되는 전력 성분 중 전압 또는 전류를 감지한 후 이를 기초로 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c)의 동작을 제어하는 게이트 전압을 생성하고, 이를 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자들(141a, 141b, 141c)의 게이트 전극에 인가할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자들(141a, 141b, 141c)이 서로 다른 상기 제1 내지 제3 임계 전압을 갖고, 상기 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력 성분 중 전압이 상기 제1 전압 미만인 경우, 상기 제1 스위칭 제어부(142)는 상기 제1 입력 스위칭 소자(141a)의 임계 전압인 제1 임계 전압보다 크고, 상기 제2 입력 스위칭 소자(141b)의 임계 전압인 제2 임계 전압보다 작은 게이트 전압을 생성하여 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c)의 게이트 전극들에 인가할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 입력 스위칭 소자(141a)만이 온 상태(on-state)가 되어 상기 제1 단전지 그룹(111)에만 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급되는 전력이 공급될 수 있다. 그리고 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자들(141a, 141b, 141c)이 서로 다른 상기 제1 내지 제3 임계 전압을 갖고, 상기 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력 성분 중 전압이 상기 제1 전압 이상 상기 제2 전압 미만인 경우, 상기 제1 스위칭 제어부(142)는 상기 제2 입력 스위칭 소자(141b)의 임계 전압인 제2 임계 전압보다 크고, 상기 제3 입력 스위칭 소자(141c)의 임계 전압인 제3 임계 전압보다 작은 게이트 전압을 생성하여 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c)의 게이트 전극들에 인가할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 및 제2 입력 스위칭 소자(141a, 141b)만이 온 상태(on-state)가 되어 상기 제1 및 제2 단전지 그룹(111, 112)에만 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급되는 전력이 공급될 수 있다. 또한, 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자들(141a, 141b, 141c)이 서로 다른 상기 제1 내지 제3 임계 전압을 갖고, 상기 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력 성분 중 전압이 상기 제2 전압 이상인 경우, 상기 제1 스위칭 제어부(142)는 상기 제3 입력 스위칭 소자(141b)의 임계 전압인 제3 임계 전압보다 큰 게이트 전압을 생성하여 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c)의 게이트 전극들에 인가할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c) 모두 온 상태(on-state)가 되어 상기 제1 내지 제3 단전지 그룹(111, 112, 113) 모두에 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급되는 전력이 공급될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 제1 스위칭부(141)의 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c)가 모두 동일 유사한 임계 전압을 가지는 경우, 상기 제1 스위칭 제어부(142)는 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c) 각각에 대한 게이트 전압을 생성하여 독립적으로 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c)에 인가할 수 있다. 예를 들면, 상기 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력 성분 중 전압이 상기 제1 전압 미만인 경우에는 상기 제1 입력 스위칭 소자(141a)에만 임계 전압 이상의 게이트 전압을 인가하여 상기 제1 단전지 그룹(111)에만 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급되는 전력을 공급할 수 있고, 상기 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력 성분 중 전압이 상기 제1 전압 이상 상기 제2 전압 미만인 경우에는 상기 제1 및 제2 입력 스위칭 소자(141a, 141b)에만 임계 전압 이상의 게이트 전압을 인가하여 상기 제1 및 제2 단전지 그룹(111, 112)에만 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급되는 전력을 공급할 수 있으며, 상기 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력 성분 중 전압이 상기 제2 전압 이상인 경우에는 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c) 모두에 임계 전압 이상의 게이트 전압을 인가하여 상기 제1 내지 제3 단전지 그룹(111, 112, 113) 모두에 상기 외부 전력발생장치(10)로부터 공급되는 전력을 공급할 수 있다.
상기 펌프 제어부(143)는 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c)의 출력 전류를 감지한 후 이를 기초로 상기 펌프들(130)의 동작을 제어할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c) 중 상기 제1 입력 스위칭 소자(141a)만이 온 상태(on-state)여서 상기 제1 입력 스위칭 소자(141a)의 출력 전류만이 감지된 경우, 상기 펌프 제어부(143)는 상기 펌프들(130) 중 제1 양극 전해질 순환 펌프(131a) 및 상기 제1 음극 전해질 순환 펌프(131b)만을 동작시킬 수 있다. 다른 실시예로, 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c) 중 상기 제1 및 제2 입력 스위칭 소자(141a, 141b)만이 온 상태(on-state)여서 상기 제1 및 제2 입력 스위칭 소자(141a, 141b)의 출력 전류만이 감지된 경우, 상기 펌프 제어부(143)는 상기 펌프들(130) 중 제1 및 제2 양극 전해질 순환 펌프(131a, 132a) 그리고 상기 제1 및 제2 음극 전해질 순환 펌프(131b, 132b)만을 동작시킬 수 있다. 또 다른 실시예로, 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c) 모두가 온 상태(on-state)여서 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자(141a, 141b, 141c) 모두의 출력 전류가 감지된 경우, 상기 펌프 제어부(143)는 상기 펌프들(130) 모두, 즉, 상기 제1 내지 제3 양극 전해질 순환 펌프(131a, 132a, 133a) 그리고 상기 제1 내지 제3 음극 전해질 순환 펌프(131b, 132b, 133b)를 동작시킬 수 있다.
상기 출력 제어 유닛(150)은 상기 전지 유닛(110) 및 상기 입력 제어 유닛(140)에 전기적으로 연결되고, 외부 로드(load)가 출력 단자(160)에 연결된 경우에 상기 단전지 그룹들(111, 112, 113) 중 충전 반응이 일어나지 않는 단전지 그룹을 선택하여 이를 상기 출력 단자(160)에 연결하고, 상기 선택된 단전지 그룹에서 방전 반응이 일어나도록 상기 펌프들(130)의 동작을 제어하는 신호를 상기 입력 제어 유닛(140)의 펌프 제어부(143)에 제공할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 출력 제어 유닛(150)은 제2 스위칭부(151) 및 제2 스위칭 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제2 스위칭부(151)는 상기 전지 유닛(110)과 상기 출력 단자(160)에 전기적으로 연결된 복수의 출력 스위칭 소자들(151a, 151b, 151c)을 포함할 수 있고, 상기 제2 스위칭 제어부(152)의 제어 동작에 따라 상기 전지 유닛(110)의 단전지 그룹들(111, 112, 113) 중 충전 반응이 일어나지 않는 단전지 그룹들로부터 생성된 전력을 상기 출력 단자(160)에 연결된 외부 로드에 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 스위칭부(151)는 상기 제1 단전지 그룹(111)과 상기 출력 단자(160)에 전기적으로 연결된 제1 출력 스위칭 소자(151a), 상기 제2 단전지 그룹(112)과 상기 출력 단자(160)에 전기적으로 연결된 제2 출력 스위칭 소자(151b) 및 상기 제3 단전지 그룹(113)과 상기 출력 단자(160)에 전기적으로 연결된 제3 출력 스위칭 소자(151c)를 포함할 수 있다.
상기 제2 스위칭 제어부(152)는 상기 입력 제어 유닛(140)의 제1 스위칭 제어부(142) 또는 펌프 제어부(143)로부터 제공된 신호를 기초로 상기 전지 유닛(110)의 제1 내지 제3 단전지 그룹(111, 112, 113) 중 충전 반응이 일어나지 않는 단전지 그룹을 선별하고, 선별된 단전지 그룹에 연결된 출력 스위칭 소자의 동작을 제어하는 게이트 전압을 생성하여 이를 상기 출력 스위칭 소자들의 게이트 전극에 인가할 수 있다.
상기 제2 스위칭 제어부(152)에 의한 상기 제1 내지 제3 출력 스위칭 소자들(151a, 151b, 151c)의 동작 제어는 앞에서 설명한 제1 스위칭 제어부(142)에 의한 상기 제1 내지 제3 입력 스위칭 소자들(141a, 141b, 141c)의 동작 제어와 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 제2 스위칭 제어부(152)는 상기 전지 유닛(110)의 단전지 그룹들(111, 112, 113) 중 충전 반응이 일어나지 않는 단전지 그룹들에서 방전 반응이 일어나도록, 상기 펌프 제어부(143)를 통해 상기 펌프들(130)의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 레독스 흐름전지 시스템에 따르면, 외부 입력 전력 크기를 기초로 선정된 시스템 내의 단전지들 중 일부에 대해서만 외부 전력을 공급하고 전해질을 순환시킴으로써, 시스템의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있다. 그리고 상기 충전 반응 중에 외부 로드에 전력을 공급할 필요가 있는 경우, 충전 반응이 일어나지 않는 단전지 그룹을 외부 로드에 연결시킴으로써 충전 반응과 방전 반응을 동시에 수행할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 레독스 흐름전지 시스템 110: 전지 유닛
120a: 양극 전해질 탱크 120b: 음극 전해질 탱크
130: 펌프 140: 입력 제어 유닛
141: 제1 스위칭부 142: 제1 스위칭 제어부
143: 펌프 제어부 150: 출력 제어 유닛
151: 제2 스위칭부 152: 제2 스위칭 제어부

Claims (9)

  1. N개의 단전지 그룹들을 포함하는 전지 유닛;
    상기 N개의 단전지 그룹들의 양극 전해질 챔버들 각각과 양극 전해질이 순환하는 N개의 양극 전해질 순환 경로들을 형성하고, 상기 양극 전해질을 수용하는 양극 전해질 탱크;
    상기 N개의 단전지 그룹들의 음극 전해질 챔버들 각각과 음극 전해질이 순환하는 N개의 음극 전해질 순환 경로를 형성하고, 상기 음극 전해질을 수용하는 음극 전해질 탱크;
    상기 N개의 양극 전해질 순환 경로들을 따라 상기 양극 전해질을 각각 독립적으로 순환시키는 N개의 양극 전해질 순환 펌프;
    상기 N개의 음극 전해질 순환 경로들을 따라 상기 음극 전해질을 각각 독립적으로 순환시키는 N개의 음극 전해질 순환 펌프;
    외부 전력발생장치로부터 공급된 전력을 기초로, 상기 N개의 단전지 그룹들 중 기 설정된 기준에 따라 선택된 제1 단전지 그룹에만 상기 전력발생장치로부터 공급된 전력이 공급되고 상기 양극 전해질 및 상기 음극 전해질이 순환하도록 제어하는 입력 제어 유닛; 및
    상기 N개의 단전지 그룹들 중 상기 제1 단전지 그룹을 제외한 나머지 단전지 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 제2 단전지 그룹을 외부 로드에 연결시키고 상기 양극 전해질 및 상기 음극 전해질이 순환하도록 제어하는 출력 제어 유닛을 포함하고,
    상기 입력 제어 유닛은,
    상기 N개의 단전지 그룹들과 각각 연결되고, 상기 전력발생장치에 전기적으로 연결되고, 서로 다른 임계 전압을 갖는 N개의 입력 스위칭 소자를 포함하는 제1 스위칭부;
    상기 전력발생장치로부터 공급되는 전력 성분 중 전압 또는 전류를 감지한 후 이의 크기를 기초로 상기 N개의 입력 스위칭 소자 중 상기 제1 단전지 그룹에 연결된 제1 입력 스위칭 소자만을 활성화시키는 제1 게이트 전압을 생성하여 상기 N개의 입력 스위칭 소자의 게이트 전극에 인가하는 제1 스위칭 제어부; 및
    상기 N개의 입력 스위칭 소자의 출력 전류를 감지하여 이를 기초로 상기 N개의 양극 전해질 순환 펌프 및 상기 N개의 음극 전해질 순환 펌프 중 상기 제1 단전지 그룹을 경유하는 양극 전해질 순환 경로 및 음극 전해질 순환 경로에만 양극 전해질 및 음극 전해질이 각각 순환하도록 상기 펌프들의 동작을 제어하는 펌프 제어부를 포함하고,
    상기 출력 제어 유닛은,
    상기 N개의 단전지 그룹들과 각각 연결되고, 상기 외부 로드로 연결하기 위한 출력 단자에 전기적으로 연결되며, 서로 다른 임계 전압을 갖는 N개의 출력 스위칭 소자를 포함하는 제2 스위칭부; 및
    상기 제1 스위칭 제어부로부터 제공된 상기 제1 게이트 전압의 크기를 기초로, 상기 N개의 출력 스위칭 소자 중 상기 제2 단전지 그룹에 연결된 출력 스위칭 소자만을 활성화시키는 제2 게이트 전압을 생성하여 상기 N개의 출력 스위칭 소자의 게이트 전극에 인가하는 제2 스위칭 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력발생장치는 태양전지, 풍력발전기 또는 수력 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 N개의 단전지 그룹들 각각은 하나 이상의 단전지 스택을 포함하는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 출력 제어 유닛은 상기 제2 단전지 그룹에만 상기 양극 전해질 및 상기 음극 전해질이 순환하도록 상기 펌프 제어부를 통해 상기 펌프들의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름전지 시스템.
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