KR102106059B1 - 안전장치가 구비된 레독스 흐름전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레독스 흐름전지용 전해액 필터 및 이를 이용한 레독스 흐름 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전해액 상의 이물질 또는 전지 시스템의 작동이나 부반응에 따라 발생할 수 있는 석출물을 제거할 수 있는 전해액 필터와 이를 이용한 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 부식에 강한 탄소재로 등 다공성 매체를 적용한 필터를 사용하여 전해액 상의 이물질이나 석출물을 용이하게 포집할 수 있으며, 이물질 등이 포집된 필터는 카트리지 방식으로 용이하게 교체함으로써 안정적인 흐름전지의 시스템을 제공할 수 있다. 또한 다공성 매체의 포어(pore)를 조절하여 흐름전지의 전해액을 균일하게 분산시켜 공급함으로써 스택 및 전지 시스템의 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면 부식에 강한 탄소재로 등 다공성 매체를 적용한 필터를 사용하여 전해액 상의 이물질이나 석출물을 용이하게 포집할 수 있으며, 이물질 등이 포집된 필터는 카트리지 방식으로 용이하게 교체함으로써 안정적인 흐름전지의 시스템을 제공할 수 있다. 또한 다공성 매체의 포어(pore)를 조절하여 흐름전지의 전해액을 균일하게 분산시켜 공급함으로써 스택 및 전지 시스템의 효율을 높일 수 있다.
Description
본 발명은 안전장치가 구비된 레독스 흐름전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전해액 상의 이물질 또는 전지 시스템의 작동이나 부반응에 따라 발생할 수 있는 석출물을 제거할 수 있는 전해액 필터와 압력게이지를 구비함으로써 안정적인 흐름 시스템을 구현할 수 있는 레독스 흐름전지 시스템에 관한 것이다.
현재 전기차(EV)와 에너지저장장치(ESS: Energy Storage System)는 온실가스 저감 및 수입에 의존하는 에너지 절감에 기여하는 기술로서 매우 중요한 핵심기술이다.
다양한 종류의 이차전지 중, 레독스 흐름전지는 기존 이차전지가 활물질이 포함되어 있는 전극에 전기에너지를 저장하는 것과는 다르게 전해액에 용해되어 있는 레독스 커플(REDOX COUPLE, ACTIVE MATERIAL)의 산화 환원 반응을 이용하는 전기화학적 축전장치이다. 레독스 흐름전지의 핵심소재중 하나인 전해액은 산화상태가 다른 활물질을 수용성 비수용성 용매에 용해하여 사용한다. 이때 활물질의 종류에 따라 다양한 레독스 흐름전지가 구성되며, 용매의 종류에 따라 수계 및 비수계 전해질로 구분된다. 이러한 활물질을 포함한 전해액의 요구조건으로는 전극과의 빠른 반응성 및 가역성을 가지고 있어야 하며, 에너지 밀도를 높이기 위해서는 넓은 전위(potential window) 및 높은 용해도를 가져야 한다. 레독스 흐름전지의 기전력은 양극 전해액과 음극전해액을 구성하고 있는 레독스 커플의 표준전극전위 Eo의 차이에 의해서 결정되며, 지금까지 개발된 주요 수계 레독스 커플은 Fe/Cr, V/V, V/Br, Zn/Br, Zn/Ce 등이 있으며, 전지 셀의 반응식은 Table 1에 나타내었다.
수계 레독스 커플 반응식 및 표준환원 전위
레독스 흐름전지의 발달은 초기 1974년 미국 NASA(National Aeronautics and Space Administration)에 Fe/Cr 계 활물질을 이용하여 우주항공용으로 레독스 흐름전지 개발을 시작하였다. 초기 레독스 흐름전지 활물질 연구에서 사용된 레독스 커플 Fe/Cr은 분리막을 통한 활물질 투과에 의한 용량 감소 및 부식성 문제로 사용에 제약이 있었다.
이후 많은 연구자들은 안정성이 우수하고 전극과의 가역적인 전기화학 반응을 할 수 있는 레독스 커플에 대한 연구를 진행하였으며, 이후 1980년 호주의 Skyllas-Kazacos 그룹에서 양극과 음극 모두 단일 활물질 바나듐을 사용하는 활물질을 개발하였다. 단일 활물질인 바나듐을 사용할 경우 분리막을 통해 활물질이 투과하여 전지 용량이 감소하더라도 혼액(rebalancing)을 통해 용량을 회복할 수 있는 큰 장점을 가지고 있다. 그러나 바나듐 활물질을 이용한 레독스 흐름전지는 10℃ 이하의 낮은 온도에서 바나듐이 석출되고, 40℃ 이상의 고온에서는 오산화 바나듐(V2O5)이 양극 쪽에서 석출되며. 흐름전지 시스템에서 발생된 석출물은 전해액의 흐름을 방해하게 되고 이로 인해 용량을 감소시킬 수 있으며 누수를 발생시킬 수 있는 문제가 있다.
본 발명은 전해액 상의 이물질 또는 전지 시스템의 작동이나 부반응에 따라 발생할 수 있는 석출물을 제거할 수 있는 전해액 필터와 이를 이용한 레독스 흐름전지를 제공한다.
본 발명은, 양극 셀, 분리막 및 음극 셀로 구성되는 단위셀; 상기 양극 셀과 연결된 양극전해액 탱크; 및 상기 음극 셀과 연결된 음극전해액 탱크를 포함하여 구성되는 레독스 흐름전지로서, 상기 레독스 흐름전지는 양극전해액 탱크와 양극 셀 사이 및, 음극전해액 탱크와 음극 셀 사이에 전해액이 이동되는 배관을 포함하여 구성되며, 상기 전해액이 이동되는 배관에는 다공성 매체로 구성되는 전해액 필터와 압력게이지가 구비되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지를 제공한다.
상기 레독스 흐름전지는, 단위셀이 다수 적층된 스택 형태로 구성될 수 있다.
상기 전해액 필터는 단위셀(스택)의 주입부 부분이나 배출부 부분에 구비될 수 있다. 또한, 열교환기 또는 전해액 탱크부 배관에도 구비될 수 있으며 이에 한정되지 않는다.
상기 다공성 매체는 전해액 상의 이물질 또는 석출물을 제거하기 위한 필터 역할을 할 수 있다.
상기 다공성 매체는 탄소 소재, 플라스틱 소재 또는 고무 소재로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상으로 구성될 수 있다. 구체적으로 산 및 염기성 용액에 강한 탄소 소재를 사용할 수 있으며, 가공이 용이하며 산 및 염기성 용액에 강한 플라스틱 또는 고무 소재를 사용할 수 있다.
상기 탄소 소재는 탄소 섬유일 수 있다.
상기 탄소 섬유는 탄소 펠트일 수 있다.
상기 플라스틱 소재는 PTFE(Polytetrafluoroethylene), 열경화성 수지 또는 열가소성 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 구성될 수 있다.
상기 열경화성 수지로는 페놀수지, 에폭시수지, 멜라민 수지, 우레아 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 규소수지, 알키드 수지 및 폴리우레탄 수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있으며, 열가소성 수지로는 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리스틸렌 수지, 염화비닐 수지, 염화비닐리덴 수지, 플로오르 수지, 아크릴 수지 및 폴리아세트산 비닐수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 고무 소재로는 NBR(nitrile-butadiene rubber), 바이톤 및 EPDM (ethylene propylene diene terpolymer)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 전해액 필터는 다공성 매체의 포어를 조절하여 전해액을 균일하게 분산시킬 수 있다.
상기 전해액 필터는 카트리지 방식으로 교체될 수 있다.
상기 전해액 필터는 압력 게이지를 통해 압력 증가를 확인하는 방법으로 전해액 필터의 교체시기를 확인할 수 있다. 구체적으로 다공성 매체로 구성된 전해액 필터에 이물질 또는 석출물이 물리적으로 흡착되면 전해액 필터의 앞부분에 장착되어 있는 압력 게이지를 통해 압력 증가를 확인할 수 있으며 이후 필터를 제거 및 교체하여 안정적인 흐름 시스템을 구성할 수 있게 된다.
상기 레독스 흐름전지는 전해액이 이동되는 바이패스관을 더 포함하여 구성될 수 있다. 바이패스관을 형성하여 전해액 필터의 교체 시 바이패스관으로 전해액을 흘려주는 형태로 구성하여 흐름전지의 가동에 방해되지 않는 구조를 구현함으로써 지속적으로 흐름 전지 역할을 하도록 할 수 있다.
또한 본 발명은 레독스 흐름전지에서 전해액에 이동되는 배관에 구비되는 레독스 흐름 전지용 전해액 필터로서, 상기 전해액 필터는 다공성 매체로 구성되어 이물질 또는 석출물 제거에 이용되는 레독스 흐름 전지용 전해액 필터를 제공한다.
상기 전해액 필터는 카트리지 방식으로 교체될 수 있다. 또한 상기 전해액 필터는 다공성 매체의 포어 조절을 통해 전해액을 균일하게 분산시킬 수 있다.
상기 전해액 필터는 압력 게이지가 구비된 형태로 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면 부식에 강한 탄소 소재 등으로 구성된 다공성 매체를 적용한 필터를 사용하여 전해액 상의 이물질이나 석출물을 용이하게 포집할 수 있으며, 이물질 등이 포집된 필터는 카트리지 방식으로 용이하게 교체함으로써 안정적인 흐름전지의 시스템을 제공할 수 있다. 또한 다공성 매체의 포어(pore)를 조절하여 흐름전지의 전해액을 균일하게 분산시켜 공급함으로써 스택 및 전지 시스템의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 개념도이다.
도 2a, 2b는 도 1 중 전해액 필터 부분(도 1의 점선으로 되어있는 원 부분)을 상세히 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 매체(다공성 탄소 펠트)에 석출물이 포집된 사진이다.
도 2a, 2b는 도 1 중 전해액 필터 부분(도 1의 점선으로 되어있는 원 부분)을 상세히 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 매체(다공성 탄소 펠트)에 석출물이 포집된 사진이다.
이하, 도면을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 설명을 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명하는 내용에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 설명에 의해 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
현재 상용화에 근접한 레독스 흐름전지는 전바나듐계(all-vanadium redox flow battery), Zn-Br 흐름전지 등이 있다. 전바나듐계 레독스 흐름전지는 양극과 음극 모두에 사용할 수 있는 장점을 가지고 있는 반면에 온도 및 과전위에 따른 석출 등이 문제 시 되고 있다. 또한 전해액 1 M ~ 4 M 의 산성 용액을 사용하기 때문에 석출에 의해 누수가 발생할 경우 안전적인 문제가 발생하게 된다. 이에 본 발명은 흐름전지 시스템의 구동시 발생할 수 있는 상기와 같은 문제를 해결할 수 있는, 전해액 필터가 구비된 레독스 흐름전지 시스템을 구현하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 개념도이다. 도 2a 및 도 2b는 도 1의 점선으로 도시된 원 부분을 상세히 나타내는 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지(100)는 전해액이 이동하는 배관(170)에 다공성 매체(다공성 탄소 펠트 등, 151)로 구성된 전해액 필터(150)를 구비시켜 전해액 상의 이물질 또는 전지 시스템의 작동이나 부반응에 따라 발생할 수 있는 석출물을 제거할 수 있는 특징이 있다. 도 3은 다공성 탄소 펠트에 석출물이 포집된 것을 나타내는 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 다른 레독스 흐름전지(100)에는 전해액 필터(150)와 함께 압력 게이지(160)가 구비될 수 있다. 이에 따라 다공성 매체에 이물질이나 석출물이 물리적으로 흡착되면 전해핵 필터의 앞부분에 장착되어 있는 압력 게이지를 통해 압력 증가를 확인할 수 있고 이후 필터를 제거 및 교체하여 안정적인 흐름 시스템을 구성할 수 있다.
전해액 필터는 스택의 주입부 부분, 배출부 부분 또는 열교환기나 전해액 탱크부의 배관에 구비될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 레독스 흐름전지(100)에 바이패스관(180)을 형성함으로써 전해액의 필터 교체 시 바이패스관으로 전해액을 흘려주도록 하여 흐름전지 가동에 방해되지 않는 구조를 구성할 수 있으며 이에 따라 전해액 필터 교체 중에도 흐름전지가 지속적으로 가동되게 할 수 있다.
100: 레독스 흐름전지
110: 음극 전해액 탱크
120: 양극 전해액 탱크
130; 스택
140: 전해액 펌프
150: 전해액 필터 구조체 151: 다공성 매체(다공성 탄소 펠트)
160: 압력 게이지
170: 전해액 배관
180: 바이패스관
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160: 압력 게이지
170: 전해액 배관
180: 바이패스관
Claims (11)
- 양극 셀, 분리막 및 음극 셀로 구성되는 단위셀;
상기 양극 셀과 연결된 양극전해액 탱크; 및
상기 음극 셀과 연결된 음극전해액 탱크를 포함하여 구성되는 레독스 흐름전지로서,
상기 레독스 흐름전지는 양극전해액 탱크와 양극 셀 사이 및, 음극전해액 탱크와 음극 셀 사이에 전해액이 이동되는 배관을 포함하여 구성되며,
상기 전해액이 이동되는 배관에는 다공성 매체로 구성되는 전해액 필터와 압력게이지가 구비되고,
상기 압력게이지는 전해액의 흐름방향에서 전해액 필터의 앞에 위치하여, 압력 게이지를 통해 압력 증가를 확인하는 방법으로 전해액 필터의 교체시기를 확인할 수 있으며,
상기 전해액이 이동되는 배관에는 상기 전해액 필터를 거치지 않고 전해액이 이동할 수 있는 바이패스관이 구비된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 다공성 매체는 탄소 소재, 플라스틱 소재 또는 고무 소재로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
- 청구항 2에 있어서,
상기 탄소 소재는 탄소 섬유인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
- 청구항 2에 있어서,
상기 플라스틱 소재는 PTFE(Polytetrafluoroethylene), 페놀수지, 에폭시수지, 멜라민 수지, 우레아 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 규소수지, 알키드 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리스틸렌 수지, 염화비닐 수지, 염화비닐리덴 수지, 플로오르 수지, 아크릴 수지 및 폴리아세트산 비닐수지로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
- 청구항 2에 있어서,
상기 고무 소재는 NBR(nitrile-butadiene rubber), 바이톤 및 EPDM (ethylene propylene diene terpolymer)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 구성되는 되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전해액 필터는 다공성 매체의 포어를 조절하여 전해액을 균일하게 분산시키는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전해액 필터는 카트리지 방식으로 교체되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
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