KR102219191B1 - 레독스 흐름전지 시스템과 레독스 흐름전지의 모니터링 방법 및 레독스 흐름전지의 제어방법 - Google Patents

레독스 흐름전지 시스템과 레독스 흐름전지의 모니터링 방법 및 레독스 흐름전지의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레독스 흐름전지 시스템에 관한 것으로, 이온교환막과, 상기 이온교환막의 양쪽에 위치하는 양극과 음극을 포함하는 단위셀을 하나 이상 포함하는 셀스택; 양극 전해액을 보관하는 양극 전해액 탱크를 포함하며, 상기 셀스택의 양극에 양극 전해액이 공급 및 배출될 수 있도록 양극 전해액 탱크와 셀스택 사이에 양극 전해액을 순환시키는 양극 전해액 순환부; 및 음극 전해액을 보관하는 음극 전해액 탱크를 포함하며, 상기 셀스택의 음극에 음극 전해액이 공급 및 배출될 수 있도록 음극 전해액 탱크와 셀스택 사이에 음극 전해액을 순환시키는 음극 전해액 순환부를 포함하며, 상기 음극 전해액 순환부에 설치되어 전해액에서 발생된 수소 가스를 감지하는 음극 수소 가스 감지센서와 상기 양극 전해액 순환부에 설치되어 전해액에서 발생된 수소 가스를 감지하는 양극 수소 가스 감지센서 중에 적어도 하나가 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 수소 가스 감지센서를 구비함으로써, 레독스 흐름전지 시스템이 정상적으로 운영되고 있는지 모니터링이 가능하며, 레독스 흐름전지 시스템을 더욱 효율적으로 운영할 수 있다.

Description

레독스 흐름전지 시스템과 레독스 흐름전지의 모니터링 방법 및 레독스 흐름전지의 제어방법{REDOX FLOW BATTERY SYSTEM, MONITORING METHOD FOR REDOX FLOW BATTERY AND CONTROL METHOD FOR REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 셀스택의 열화 여부를 모니터링 할 수 있는 레독스 흐름전지 시스템에 관한 것이다.
인류 문명의 진보의 척도는 에너지 소비량과 직접적으로 연계되고 있다. 인류 문명의 지속적인 성장으로 인해 에너지 소비량이 급격히 증가함에 따라서 화석연료의 사용 또한 증가하고 있다. 그러나 이러한 화석연료는 연소 시 환경오염의 주범인 CO2를 방출하게 되고, 그것에 따라 기후변화 및 자연재해와 같은 문제점이 나타나고 있다. 인류는 이러한 문제를 해결하기 위해 CO2를 발생하지 않는 신재생 에너지를 사용하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 그러나 이러한 신재생에너지는 자연환경이나 입지조건에 따라 출력 변동이 발생하여 에너지를 연속적으로 공급할 수 없다. 따라서 전력 부하 평준화 및 전력품질향상을 위해서는 불균일한 에너지를 저장하였다가 일정하고 안정적으로 사용이 가능한 에너지 저장시스템(ESS, Energy Storage System)의 활용이 그 대안이 될 수 있다.
다양한 에너지 저장장치 중 레독스 흐름전지는 용량과 출력을 독립적으로 설계 할 수 있으며, 충전과 방전 시 전극 표면에서의 산화환원반응(redox reactions)만을 수반하기 때문에 다른 전지에 비해 부반응이 적고, 수계 활물질을 사용함에 따라 폭발이나 화재에 대한 안전성이 높은 것이 특징이다. 또한 바나듐을 활물질로 사용하는 레독스 흐름전지의 경우 동일한 활물질을 사용함에 따라 충방전 시 활물질의 넘어감 현상(cross-over)에 의한 용량감소를 혼합(리밸런싱)을 통해 다시 회복할 수 있어 수명 특성이 우수하다는 장점이 있다.
현재, 레독스 흐름전지의 사용수명과 관련된 기술은 산화수 등과 같은 전해액의 상태를 유지하는 것에 집중되어 있다. OCV셀로 전압을 측정하여 전해액의 상태를 확인하는 기술(대한민국 공개특허 10-2015-0018148)과 양극측 전해액 및 음극측 전해액의 산화수의 평균값을 이용하여 산화제 또는/및 환원제를 전해액에 투입하여 산화수의 밸런스를 실시간을 모니터링 및 조절하는 기술(대한민국 등록특허 1609907) 및 음극 및 양극탱크에서의 전해질의 레벨을 검출하고, 유량 및 전해질의 온도를 계측 및 제어하는 기술(대한민국 공개특허 10-2017-0076074) 등과 같이 전해액의 상태를 유지하는 기술들이 개발되었다.
하지만 레독스 흐름전지의 수명(SoH, State of Health)에는 전해액 이외에 셀스택을 구성하는 구성부품의 열화에 의한 영향도 상당하며, 종래의 기술들은 이러한 전해액 이외의 부품에 의한 수명(SoH) 저하를 확인하지 못하는 단점이 있다.
대한민국 공개특허 10-2015-0018148 대한민국 등록특허 1609907 대한민국 공개특허 10-2017-0076074
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 레독스 흐름전지의 스택 수명에 영향을 주는 부반응을 감지하고 열화시점을 예측하여 보다 효율적으로 시스템을 운영하고 관리 및 제어할 수 있는 레독스 흐름전지 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 레독스 흐름전지 시스템은, 이온교환막과, 상기 이온교환막의 양쪽에 위치하는 양극과 음극을 포함하는 단위셀을 하나 이상 포함하는 셀스택; 양극 전해액을 보관하는 양극 전해액 탱크를 포함하며, 상기 셀스택의 양극에 양극 전해액이 공급 및 배출될 수 있도록 양극 전해액 탱크와 셀스택 사이에 양극 전해액을 순환시키는 양극 전해액 순환부; 및 음극 전해액을 보관하는 음극 전해액 탱크를 포함하며, 상기 셀스택의 음극에 음극 전해액이 공급 및 배출될 수 있도록 음극 전해액 탱크와 셀스택 사이에 음극 전해액을 순환시키는 음극 전해액 순환부를 포함하며, 상기 음극 전해액 순환부에 설치되어 전해액에서 발생된 수소 가스를 감지하는 음극 수소 가스 감지센서와 상기 양극 전해액 순환부에 설치되어 전해액에서 발생된 수소 가스를 감지하는 양극 수소 가스 감지센서 중에 적어도 하나가 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발명자들은 레독스 흐름전지의 수명(SoH)저하를 초래하는 원인으로서 수소가스 발생에 주목하였다. 바나듐을 사용하는 레독스 흐름전지는 다음과 같이 충전하는 동안 수소가스(H2)가 발생할 수 있다.
Negative electrode V3+ + e- ↔ V2+ ----------------------(1)
And 2H+ + 2e- ↔ H2 ----------------------------------(2)
Positive electrode VO2+ + H2O ↔ VO2 + + 2H+ + e- ----(3)
또한 레독스 흐름전지는 작동하는 동안 과충전이 발생하면 금속이온이 석출되거나, 물이 분해하여 음극에서는 수소가스(H2) 양극에서는 산소가(O2)가 발생될 수 있다. 이러한 수소가스 발생과 같은 부반응은 바나듐 크로스 오버 및 전해질 불균형으로 인한 용량손실의 주된 요인이 된다. 또한 레독스 흐름전지의 작동중 수소 발생반응은 충전전류의 일부를 소비할 뿐만 아니라 산화 환원반응을 위한 유효 표면적을 감소시켜 시스템의 쿨롱효율과 에너지효율을 감소하게 된다. 또한 전지작동중 전해질의 불균일에 의해 양극에서 발생하는 산소(O2)는 전극으로 사용되고 있는 흑연섬유를 부식하게 되고 전도성 및 펠트전극의 공극을 차단할 수 있어 배터리의 효율 및 사이클 수명을 단축시킬 수 있다.
또한 레독스 흐름전지는 셀스택에서 전해액이 전기적으로 병렬 연결된 구조이며, 이때 단위셀들 사이의 전압 편차로 인해 션트전류가 발생하고, 그에 따른 바이폴라 플레이트 및 전극의 부식이 발생하여 수소가스가 생성될 수 있다. 이러한 수소 가스 생성은 전해액의 산화수 밸런스를 무너뜨리게 되며 결국 스택의 수명(SoH)을 줄이게 된다.
이렇듯 발생된 수소 및 산소가스는 잠재적으로 전해액 탱크와 설치장소의 위험을 초래할 수 있어 주기적인 관리와 감시가 필요하며, 압력 증가에 따른 가스 배출 등을 수행하는 것이 바람직하다.
결국, 전해액에서 발생된 수소 가스를 측정하여 핵심 소재 및 스택의 열화를 유추할 수 있으며, 핵심 소재 및 스택의 열화 발생시점을 예측하여 관리할 수 있다.
이와 같은 수소 가스 발생을 감지하기 위한 수소 감지 센서는, 수소가 주로 발생하는 음극 전해액 순환부에 설치되는 것이 바람직하겠으나, 바이패스관을 이용하여 전해액의 리벨런싱시 음극 전해액에서의 수소 가스가 양극 전해액으로 이동할 수 있고, 수소 가스를 이용하여 산화된 양극 전해액의 환원을 환원하는 경우를 고려하면 양극 전해액 순환부에 설치될 수도 있다.
수소 감지 센서는 전해액 탱크 및 배관, 스택반응부 등에 모두 설치가능하며, 바람직하게는 음극 전해액 탱크 및/또는 양극 전해액 탱크에 설치된 것이 바람직하다.
음극 수소 가스 감지센서 및/또는 양극 수소 가스 감지센서와 연결된 모니터링부를 더 포함하는 것이 좋으며, 모니터링부가 BMS 장치와 연결되는 것이 바람직하다.
양극 전해액 탱크와 음극 전해액 탱크에 기체 압력을 측정하는 압력 센서가 설치되는 것이 좋으며, 탱크 상부에 모인 가스를 외부로 배출하기 위한 압력 조절 밸브가 설치되고, 외부의 가스를 주입하기 위한 가스 주입부가 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 형태에 의한 레독스 흐름전지의 모니터링 방법은, 레독스 흐름전지의 운전 상태를 모니터링하는 방법으로서, 셀스택의 양극과 양극 전해액 탱크 사이에서 양극 전해액을 순환시키는 양극 전해액 순환부에 설치된 양극 수소 가스 감지센서와 셀스택의 음극과 음극 전해액 탱크 사이에서 음극 전해액을 순환시키는 음극 전해액 순환부에 설치된 음극 수소 가스 감지센서 중 적어도 하나에서 측정된 수소 가스 검출 데이터를 기준으로 레독스 흐름전지의 상태를 평가하는 것을 특징으로 한다.
양극 수소 가스 감지센서와 음극 수소 가스 감지센서 중 적어도 하나에서 측정된 수소 가스 검출 데이터가 수소 가스의 농도 변화인 것이 바람직하다.
양극 수소 가스 감지센서와 음극 수소 가스 감지센서 중 적어도 하나에서 측정된 수소 가스 검출 데이터와 OCV셀에서 측정된 데이터를 함께 사용하여 레독스 흐름전지의 상태를 평가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 마지막 형태에 의한 레독스 흐름전지의 제어 방법은, 레독스 흐름전지의 운전 상태를 제어하는 방법으로서, 셀스택의 양극과 양극 전해액 탱크 사이에서 양극 전해액을 순환시키는 양극 전해액 순환부에 설치된 양극 수소 가스 감지센서와 셀스택의 음극과 음극 전해액 탱크 사이에서 음극 전해액을 순환시키는 음극 전해액 순환부에 설치된 음극 수소 가스 감지센서 중 적어도 하나에서 측정된 수소 가스 검출 데이터를 기준으로 레독스 흐름전지의 운전을 조절하는 것을 특징으로 한다.
이때, 수소 가스 검출 데이터를 기준으로 하는 조절 대상이 레독스 흐름전지의 출력과 SoC 및 가용용량 중에 하나 이상일 수 있다.
수소 가스 검출 데이터를 기준으로 전해액의 산화수 밸런스를 조절할 수 있다.
양극 수소 가스 감지센서와 음극 수소 가스 감지센서 중 적어도 하나에서 측정된 수소 가스 검출 데이터와 OCV셀에서 측정된 데이터를 함께 사용하여 레독스 흐름전지의 운전을 조절하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 수소 가스 감지센서를 구비함으로써, 레독스 흐름전지 시스템이 정상적으로 운영되고 있는지 모니터링이 가능하며, 레독스 흐름전지 시스템을 더욱 효율적으로 운영할 수 있다.
셀스택의 열화 상태를 모니터링 하고 열화 시점을 예측할 수 있으며, 전해액의 리밸런싱 시점을 예측할 수 있기 때문에, 적절한 유지와 보수 및 교체를 수행할 수 있다.
최종적으로 운영상태의 정확한 모니터링에 의한 적절한 운영과 정확한 예측에 의한 유지와 보수를 통해서 레독스 흐름전지 시스템의 효율을 높이고 수명을 늘릴 수 있는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템의 구성을 도시한 모식도이다.
도 2는 열화가 발생되기 전후의 전극 소재를 촬영한 사진이다.
도 3은 도 1에서 음극 전해액 탱크의 일부를 확대한 도면이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템의 구성을 도시한 모식도이다.
본 실시예의 레독스 흐름전지 시스템은 셀스택(100)과 양극 전해액 순환부(300) 및 음극 전해액 순환부(200)를 포함한다.
셀스택(100)은 레독스 전지를 구성하기 위한 양극과 음극 및 이온교환막을 포함하는 단위셀을 하나 이상 포함한다. 각 단위셀의 양극과 음극은 이온교환막을 사이에 두고 위치하며, 양극과 이온교환막의 사이 및 음극과 이온교환막의 사이에는 각각 양극 전해액과 음극 전해액이 위치할 수 있는 공간이 마련된다. 단위셀 및 단위셀이 복수로 적층된 셀스택의 구성은 일반적인 흐름전지의 구성을 제한 없이 적용할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.
양극 전해액 순환부(300)는, 셀스택(100)에 포함된 단위셀의 양극 표면에 양극 전해액을 공급하고 셀스택(100)에서 배출된 양극 전해액을 보관하여, 양극 전해액을 순환시키기 위한 부분이다. 양극 전해액을 보관하기 위한 양극 전해액 탱크(310)를 포함하며, 양극 전해액 공급관(320)을 통해서 양극 전해액 탱크(310)에 보관된 양극 전해액을 셀스택(100)으로 공급하고 양극 전해액 회수관(330)을 통해서 셀스택(100)에서 배출된 양극 전해액을 양극 전해액 탱크(310)에 보관하는 방법으로 순환시킨다. 양극 전해액의 순환을 위한 양극 전해액 펌프(322)가 양극 전해액 공급관(320)에 설치된다.
음극 전해액 순환부(200)는, 셀스택(100)에 포함된 단위셀의 음극 표면에 음극 전해액을 공급하고 셀스택(100)에서 배출된 음극 전해액을 보관하여, 음극 전해액을 순환시키기 위한 부분이다. 음극 전해액을 보관하기 위한 음극 전해액 탱크(210)를 포함하며, 음극 전해액 공급관(220)을 통해서 음극 전해액 탱크(210)에 보관된 음극 전해액을 셀스택(100)으로 공급하고 음극 전해액 회수관(230)을 통해서 셀스택(100)에서 배출된 음극 전해액을 음극 전해액 탱크(210)에 보관하는 방법으로 순환시킨다. 음극 전해액의 순환을 위한 음극 전해액 펌프(222)가 양극 전해액 공급관(320)에 설치된다.
양극 전해액과 음극 전해액을 순환시키기 위한 순환부의 구성은 일반적인 흐름전지의 구성을 제한 없이 적용할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예의 레독스 흐름전지 시스템은 양극 전해액 순환부(300)의 양극 전해액 탱크(310)와 음극 전해액 순환부(200)의 음극 전해액 탱크(210)에 양극 수소 가스 감지센서(340)와 음극 수소 가스 감지센서(240)가 설치되는 점에 특징이 있다.
구체적으로 양극 수소 가스 감지센서(340)는 양극 전해액 탱크(310)에 보관된 양극 전해액에 접촉하지 않도록 양극 전해액 탱크(310)의 상부에 설치되고, 음극 수소 가스 감지센서(240)는 음극 전해액 탱크(210)에 보관된 음극 전해액에 접촉하지 않도록 음극 전해액 탱크(210)의 상부에 설치된다.
본 발명의 발명자들은, 레독스 흐름전지의 운전과정에서 다음과 같이 충전하는 동안 수소가스가 발생하는 것을 확인하였다.
Negative electrode V3+ + e- ↔ V2+ ----------------------(1)
And 2H+ + 2e- ↔ H2 ----------------------------------(2)
Positive electrode VO2+ + H2O ↔ VO2 + + 2H+ + e- ----(3)
또한 과충전에 의한 물분해에 의해 수소가스와 산소가 발생되며, 작동중 온도가 증가하면 수소의 발생이 더욱더 증가되는 것을 확인하였다.
또한, 셀스택에서 전해액이 전기적으로 병렬 연결된 구조에서, 단위셀들 사이의 전압 편차로 인해 션트전류가 발생하고, 그에 따른 바이폴라 플레이트 및 전극의 부식이 발생하여 수소가스가 생성될 수 있음을 확인하였다.
발생된 수소는 양극과 음극 전해액의 산화수 밸런스를 무너뜨리게 되며 결국 스택의 수명을 줄이게 되고 또한 양극에서 발생된 산소에 의해 전지 소재 전극의 부식이 발생하게 되는 것으로 연구되었다. 작동중 전해액의 불균일 및 소재의 열화는 전극 전위가 평형 전극 전위와 다른 분극현상을 유발시켜 더욱더 수소 발생 및 발생 속도를 증가시키게 된다.
이와 같은 수소 가스 발생을 감지하기 위한 수소 감지 센서는, 수소가 주로 발생하는 음극 전해액 순환부에 설치되는 것이 바람직하겠으나, 바이패스관을 이용하여 전해액의 리벨런싱시 음극 전해액에서의 수소 가스가 양극 전해액으로 이동할 수 있고, 수소 가스를 이용하여 산화된 양극 전해액의 환원을 환원하는 경우를 고려하면 양극 전해액 순환부에도 설치될 필요성이 있다. 이에 본 실시예에서는 양극 전해액 순환부(300)의 양극 전해액 탱크(310)와 음극 전해액 순환부(200)의 음극 전해액 탱크(210)에 각각 양극 수소 가스 감지센서(340)와 음극 수소 가스 감지센서(240)를 설치하였다.
도 2는 열화가 발생되기 전후의 전극 소재를 촬영한 사진이다.
왼쪽에서 열화가 발생되지 않은 전극 소재의 표면은 매끄러운 상태이지만, 부식 및 산화에 의해서 열화가 발생된 오른쪽의 전극 소재는 표면이 매끄럽지 못한 것을 알 수 있다. 전극 소재 표면의 부식 및 산화 과정에서 수소 가스가 발생하여 전해액을 따라서 이동하게 된다.
나아가 이러한 수소 가스는 셀스택을 구성하는 구성부품의 열화에 의해서 발생되는 결과물이기도 하면서, 수소 가스가 전해액의 산화수 밸런스를 무너뜨리기 때문에 셀스택의 수명(SoH)을 줄이는 원인이 되는 것을 확인하였다. 구체적으로 정상적인 배터리 운전 조건에서 레독스 흐름전지는 양극/음극의 평균산화수 밸런스가 V3.5+로 유지되지만, 과충전 및 과전압에 의해 양극에서 산소 가스가 발생되고 음극에서는 수소 가스가 발생되며, 이와 같은 경우 전해질의 평균 산화수의 밸런스가 깨지게 되어 충전용량 및 방전용량이 감소한다.
그 결과, 셀스택에서 발생되는 수소 가스를 측정하면 셀스택의 열화 정도를 알 수 있을 뿐만이 아니라 셀스택과 전해액의 열화 정도를 예측하는 것이 가능함을 확인하였다.
셀스택(100)에서 발생되는 수소 가스는 전해액을 따라서 이동하며, 양극 전해액 탱크(310)의 상부와 음극 전해액 탱크(210)의 상부에 모이게 되므로, 본 실시 예에서는 양극 전해액 탱크(310)의 상부에 양극 수소 가스 감지센서(340)를 설치하고, 음극 전해액 탱크(210)의 상부에는 음극 수소 가스 감지센서(240)를 설치하였다.
양극 수소 가스 감지센서(340)와 음극 수소 가스 감지센서(240)는 전해액 탱크 상부의 공간에 모인 수소 가스를 감지하며, 나아가 수소 가스의 농도를 측정할 수 있는 센서를 사용하는 것이 바람직하다.
레독스 흐름전지가 정상적으로 운영되는 경우에는 수소 가스가 발생되지 않거나 수소 가스의 농도에 변화가 없지만, 수소 가스의 농도가 급격하게 변화하는 경우에는 레독스 흐름전지가 비정상적으로 운영되고 있음을 반영하는 것이며, 수소 가스의 증가로 인하여 전해액의 산화수 밸런스가 무너지는 등의 추가적인 열화를 예측할 수 있다.
Negative electrode V3+ + e- ↔ V2+ ----------------------(1)
And 2H+ + 2e- ↔ H2 ----------------------------------(2)
Positive electrode VO2+ + H2O ↔ VO2 + + 2H+ + e- ----(3)
바나듐 레독스 흐름전지의 전지 반응은 일반적으로 식 (1),(3)으로 진행되어진다. 그러나 식 (2)와 같이 음극에서의 수소 발생에 따른 전해액의 불균형이 발생될 것이며, 양극 전해질은 음극보다 더 산화가 이루어 질 것이다. 이렇게 산화된 전해액은 전하가 줄어들어 전지의 용량이 감소하게 된다. 궁극적으로 용량은 양극과 음극이 다시 같은 SoC를 가질 때까지 양극의 전해질을 화학적으로 환원시킴으로서 회복 할 수 있다. 그러나 이러한 프로세서는 시스템의 운영 및 유지 보수 비용을 증가시킨다. 앞서 설명한 것과 같이 전지가 충전중 발생되는 수소가스를 수소 가스센서를 통해 감지함으로서 전해액의 열화 시점을 파악하고 수소가스의 농도의 변화를 모니터링함으로써 안정적으로 시스템을 구현하기 위한 제어가 들어간다. 또한 수소가스의 발생양과 전해액의 상태를 확인할 수 있는 OCV셀과 전지전압의 차이를 비교하여 전해액의 상태를 좀더 정확하게 확인 할 수 있다. 또한 충전중 음극에서 발생하는 수소가스와 양극에서 발생하는 산소에 의해 전해액 탱크의 압력은 증가할 것이며, 이를 압력센서를 통해 배출함으로서 안전하고 안정적인 시스템의 구현이 가능할 것이다.
양극 수소 가스 감지센서(340)와 음극 수소 가스 감지센서(240)에 의한 측정 결과를 활용하기 위하여 모니터링부가 필요하며, 본 실시예에서는 BMS(battery management system) 장치(400)에 양극 수소 가스 감지센서(340)와 음극 수소 가스 감지센서(240)를 연결하여 모니터링부로서 적용한다.
BMS 장치(400)는 전지를 안정적으로 운영하기 위한 제어 장치이며, 양극 수소 가스 감지센서(340)와 음극 수소 가스 감지센서(240)에 의한 측정 결과를 반영하여 출력이나 SoC(state of charge) 또는 가용용량 범위를 줄이는 방법 등을 적용할 수 있다. 이러한 운영으로 인하여 레독스 흐름전지의 비정상적인 운영을 정상화하거나 급격한 열화를 방지하여 지속적인 운영이 가능하도록 할 수 있다.
본 실시예의 레독스 흐름전지 시스템은 OCV셀(500)을 더 포함하며,
OCV셀(500)은 개방 회로 전압(OCV) 상태에서 양극 및 음극 전해액의 전압측정을 통해 전해액의 상태를 측정할 수 있는 측정용 셀로서, 양극과 음극 및 이온교환막으로 구성되며, OCV 양극 펌프(520)를 구동하여 양극 전해액 공급관(320)으로부터 셀스택(100)에 투입되기 전의 양극 전해액을 공급받고 OCV 음극 펌프(510)를 구동하여 음극 전해액 공급관(220)으로부터 셀스택(100)에 투입되기 전의 음극 전해액을 공급받는다. OCV셀(500)의 구성은 일반적인 레독스 흐름전지의 구성을 제한 없이 적용할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.
이러한 OCV셀(500)은 BMS 장치(400)와 연결되어 레독스 흐름전지의 충전 및 방전상태(SoC)를 모니터링하고 과전압에 따른 스택 및 시스템을 제어하기 위한 데이터로서 사용된다. 본 실시예에서는 양극 수소 가스 감지센서(340)와 음극 수소 가스 감지센서(240)에서 측정된 수소 가스 농도 데이터와 OCV셀(500)에서 측정된 데이터를 결합하여 레독스 흐름전지를 제어하며, 구체적으로 스택 전압의 차이를 통해서 운전을 제어한다.
OCV셀은 개방회로 상태에서 양극과 음극의 전압을 측정 함으로서 전해액의 상태를 확인할 수 있다. 실제 충방전이 진행되기 위해 전류를 인가되는 스택전압과는 차이가 있다. 실제 스택전압은 스택 내부의 구성요소에따른 저항과 전해액의 흐름과 그리고 전류에 따라 차이가 있으며, OCV셀을 통해 전해액의 상태를 예측할 수 있다. 수소 가스센서와 OCV셀 그리고 스택의 전압차이를 통해 조금더 정확한 전해액의 상태를 확인 할 수 있다.
그리고 본 실시예의 레독스 흐름전지 시스템은 전해액의 산화수를 리밸런싱하기 위한 리밸런싱관(600)과 리밸런싱밸브(610)를 더 포함한다. 양극 수소 가스 감지센서(340)와 음극 수소 가스 감지센서(240)에서 측정된 수소 가스 농도 데이터와 OCV셀(500)에서 측정된 데이터를 결합함으로써 더욱 정확하게 음극 전해액 및 양극 전해액의 산화수 밸런스 상태를 확인 및 예측할 수 있으며, 이를 기준으로 리밸런싱밸브(610)를 제어함으로써 전해액의 산화수 밸런스를 적절하게 유지할 수 있다.
한편, 수소 가스가 발생하면 양극 전해액 탱크와 음극 전해액 탱크의 내부 압력이 올라가며, 압력이 과도하게 증가하면 전해액의 누수가 발생할 수도 있다. 본 실시예의 레독스 흐름전지 시스템은 압력 증가에 따른 문제점을 해결하기 위하여 압력 센서와 압력 조절 밸브를 추가로 설치하였다.
도 3은 도 1에서 음극 전해액 탱크의 일부를 확대한 도면이다.
도시된 것과 같이, 음극 수소 가스 감지센서(240)와 함께 압력 센서(242)와 압력 조절 밸브(244)를 음극 전해액 탱크(210)의 상부에 설치하였다.
음극 수소 가스 감지센서(240)는 수소 가스의 발생 및 농도를 측정하고, 압력 센서(242)는 수소 가스의 발생으로 인하여 음극 전해액 탱크(210) 내부의 압력이 상승하는 것을 측정한다.
탱크 내부의 압력이 소정 범위 이상으로 상승하면, 압력 조절 밸브(244)를 열어서 압력 상승으로 인한 전해액 누수를 방지한다. 이에 따라서 레독스 흐름전지 시스템의 수명 및 안정성이 향상된다.
한편, 음극 수소 가스 감지센서(240)가 수소 가스를 검출하여 레독스 흐름 전지의 운전을 정상 범위로 조절한 뒤에는 수소 가스 함량의 영점을 조절할 필요가 있고, 탱크 상부에 보인 수소 가스가 전해액과 접촉하여 전해액의 산화수 밸런스를 무너뜨릴 염려가 있으므로, 수소 가스를 제거할 필요가 있다.
이를 위하여 가스 주입부(246)를 추가로 설치하여 아르곤 가스나 질소 가스를 탱크의 내부로 주입하면서, 압력 조절 밸브(244)를 통해서 수소 가스를 외부로 배출할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 양극 전해액 탱크(310)에도 동일하게 압력 센서와 압력 조절 밸브 및 가스 주입부가 설치된다.
이상에 살펴본 것과 같이, 본 실시예의 레독스 흐름전지 시스템은 음극 수소 가스 감지센서와 양극 수소 가스 감지센서를 설치하여, 셀스택의 열화에 의한 결과이자 전해액의 산화수 밸런스를 무너뜨리는 원인이 되는 수소 가스를 감지한다.
수소 가스 감지센서에서 측정된 결과를 이용하여 레독스 흐름전지 시스템이 정상적으로 운영되고 있는지 모니터링이 가능하며, 레독스 흐름전지 시스템을 더욱 효율적으로 운영할 수 있다.
또한 셀스택의 열화 상태를 모니터링 하고 열화 시점을 예측할 수 있으며, 전해액의 리밸런싱 시점을 예측할 수 있기 때문에, 적절한 유지와 보수 및 교체를 수행할 수 있다.
최종적으로 운영상태의 정확한 모니터링에 의한 적절한 운영과 정확한 예측에 의한 유지와 보수를 통해서 레독스 흐름전지 시스템의 효율을 높이고 수명을 늘릴 수 있는 뛰어난 효과가 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 셀스택
200: 음극 전해액 순환부
210: 음극 전해액 탱크
220: 음극 전해액 공급관
222: 음극 전해액 펌프
230: 음극 전해액 회수관
240: 음극 수소 가스 감지센서
242: 압력 센서
244: 압력 조절 밸브
246: 가스 주입부
300: 양극 전해액 순환부
310: 양극 전해액 탱크
320: 양극 전해액 공급관
322: 양극 전해액 펌프
330: 양극 전해액 회수관
340: 양극 수소 가스 감지센서
400: BMS 장치
500: OCV셀
510: OCV 음극 펌프
520: OCV 양극 펌프
600: 리밸런싱관
610: 리밸런싱밸브

Claims (20)

  1. 이온교환막과, 상기 이온교환막의 양쪽에 위치하는 양극과 음극을 포함하는 단위셀을 하나 이상 포함하는 셀스택;
    양극 전해액을 보관하는 양극 전해액 탱크를 포함하며, 상기 셀스택의 양극에 양극 전해액이 공급 및 배출될 수 있도록 양극 전해액 탱크와 셀스택 사이에 양극 전해액을 순환시키는 양극 전해액 순환부; 및
    음극 전해액을 보관하는 음극 전해액 탱크를 포함하며, 상기 셀스택의 음극에 음극 전해액이 공급 및 배출될 수 있도록 음극 전해액 탱크와 셀스택 사이에 음극 전해액을 순환시키는 음극 전해액 순환부;
    상기 양극 전해액 탱크의 상부에 위치되어 상기 양극 전해액 탱크 내의 수소의 농도를 감지하는 양극 수소 가스 감지센서;
    상기 음극 전해액 탱크의 상부에 위치되어 상기 음극 전해액 탱크 내의 수소의 농도를 감지하는 음극 수소 가스 감지센서;
    상기 양극 전해액을 공급하는 부분에 일측이 연결되고, 상기 음극 전해액을 공급하는 부분에 타측이 연결되어 양극 및 음극 전해액의 전압을 측정하는 OCV셀; 및
    상기 양극 수소 가스 감지센서 및 상기 음극 수소 가스 감지센서에서 측정된 수소의 농도를 측정하여 상기 셀스택의 열화 정도를 체크하고, 상기 수소의 농도가 기설정된 수치 이상으로 변화되면 상기 양극 전해액 및 음극 전해액의 밸런스가 유지되지 않는 것으로 판단하며, 상기 수소의 농도와 상기 OCV셀이 측정한 전압을 통하여 전해액의 상태를 측정하는 BMS
    를 포함하는 레독스 흐름전지 시스템.
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  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극 전해액 탱크에 기체 압력을 측정하는 압력 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 8에 있어서,
    상기 음극 전해액 탱크에 탱크 상부에 모인 가스를 외부로 배출하기 위한 압력 조절 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  10. ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 8에 있어서,
    상기 음극 전해액 탱크에 외부의 가스를 주입하기 위한 가스 주입부가 설치된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 전해액 탱크에 기체 압력을 측정하는 압력 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 11에 있어서,
    상기 양극 전해액 탱크에 탱크 상부에 모인 가스를 외부로 배출하기 위한 압력 조절 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  13. ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 11에 있어서,
    상기 양극 전해액 탱크에 외부의 가스를 주입하기 위한 가스 주입부가 설치된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  14. 레독스 흐름전지의 운전 상태를 모니터링하는 방법으로서,
    셀스택의 양극과 양극 전해액 탱크 사이에서 양극 전해액을 순환시키는 양극 전해액 순환부와 상기 양극 전해액 탱크의 상부에 설치되는 양극 수소 가스 감지센서와 셀스택의 음극과 음극 전해액 탱크 사이에서 음극 전해액을 순환시키는 음극 전해액 순환부와 상기 음극 전해액 탱크의 상부에 설치되는 설치된 음극 수소 가스 감지센서와 상기 셀스택에 공급되기 전 양극 전해액과 음극 전해액을 공급받아 전압을 측정하는 OCV셀을 이용하여
    상기 측정된 수소 가스 검출 데이터를 이용하여 상기 셀스택의 열화정도를 측정하고, 상기 수소 가스 검출 데이터에서 상기 수소 가스의 농도가 기설정된 수치 이상으로 변화되면 상기 양극 전해액 및 음극 전해액의 밸런스가 유지되지 않는 것으로 판단하며,
    상기 수소 가스 검출데이터와 상기 OCV셀이 측정한 데이터를 이용하여 전해액의 상태를 측정하는 레독스 흐름전지의 모니터링 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 레독스 흐름전지의 운전 상태를 제어하는 방법으로서,
    셀스택의 양극과 양극 전해액 탱크 사이에서 양극 전해액을 순환시키는 양극 전해액 순환부와 상기 양극 전해액 탱크 상부에 설치되는 양극 수소 가스 감지센서와 셀스택의 음극과 음극 전해액 탱크 사이에서 음극 전해액을 순환시키는 음극 전해액 순환부와 상기 음극 전해액 탱크 상부에 설치된 음극 수소 가스 감지센서에서 측정된 수소 가스 검출 데이터와 상기 셀스택에 공급되기 전 양극 전해액과 음극 전해액을 공급받아 전압을 측정하는 OCV셀을 이용하여,
    상기 측정된 수소 가스 검출 데이터를 이용하여 상기 셀스택의 열화정도를 측정하고,
    상기 수소 가스 검출 데이터에서 상기 수소 가스의 농도가 기설정된 수치 이상으로 변화되면 상기 양극 전해액 및 음극 전해액의 밸런스가 유지되지 않는 것으로 판단하며
    상기 수소 가스 검출 데이터와 OCV셀이 측정한 데이터를 이용하여 전해액의 상태를 측정하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 제어 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    수소 가스 검출 데이터를 기준으로 하는 조절 대상이 레독스 흐름전지의 출력과 SoC 및 가용용량 중에 하나 이상인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 제어 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    수소 가스 검출 데이터를 기준으로 전해액의 산화수 밸런스를 조절하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 제어 방법.
  20. 삭제
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