KR102310206B1 - 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아연 요오드 흐름전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이온교환막의 양측에 전기적으로 연결된 전기전도층이 형성되어, 아연 전착 반응에 의해 아연 금속이 덴드라이트 형태로 자라나 전기전도층과 접촉될 경우, 아연 금속이 아연 이온으로 용해됨으로써, 이혼교환막이 훼손되어 내부 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있는 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지에 관한 것이다.

Description

내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지{Zn-I flow cell for preventing internal short-circuit}
본 발명은 아연 요오드 흐름전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이온교환막의 양측에 전기적으로 연결된 전기전도층이 형성되어, 아연 전착 반응에 의해 아연 금속이 덴드라이트 형태로 자라나 전기전도층과 접촉될 경우, 아연 금속이 아연 이온으로 용해됨으로써, 이혼교환막이 훼손되어 내부 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있는 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지에 관한 것이다.
일반적으로, 흐름 전지(flow battery)는 충전이 가능한 전지로서, 용해된 전기활물질들(electroactive elements)을 함유하는 전해액이 양극 하프셀과 양극 저장조 사이, 그리고 음극 하프 셀과 음극 저장조 사이를 순환하며 흐르는 구조를 가지고, 전극들에서 전기활물질들의 산화와 환원에 의해 충전 및 방전을 수행할 수 있다.
흐름 전지의 한 예로, 도 1은 종래의 아연 요오드 흐름전지를 설명하기 위한 도면으로, 도 1을 참조하면, 종래의 아연 요오드 흐름전지(10)는 이혼교환막(13)을 경계로 양쪽에 제1 하프셀(11), 제2 하프셀(12)이 배치되며, 제1 하프셀(11) 내에는 제1 전극(11a)과 아연 이온인 제1 전해액(11b)이 배치되고, 제2 하프셀(12) 내에는 제2 전극(12a)과 요오드 이온인 제2 전해액(12b)이 배치된다.
또한, 제1 하프셀(11)과 제1 전해액 저장조(14)는 연결되며, 제1 전해액(11b)은 제1 하프셀(11)과 제1 전해액 저장조(14) 사이를 순환하고, 제2 하프셀(12)과 제2 전해액 저장조(15)는 연결되며, 제2 전해액(12b)은 제2 하프셀(12)과 제2 전해액 저장조(15) 사이를 순환한다.
또한, 제1 하프셀(11)과 제1 전해액 저장조(14) 사이와 제2 하프셀(12)과 제2 전해액 저장조(15) 사이는 전해액의 순환을 위해 펌프(16,17)들이 각각 구비된다.
이러한 아연 요오도 흐름전지(10)는 기존 바나듐 레독스 흐름전지와 비교하여, 높은 에너지 밀도, 낮은 비용 및 유해성이 낮은 장점을 지니는 것으로 보고되고 있다.
하지만, 종래의 아연 요오드 흐름전지는 도 2에 도시된 바와 같이, 전지 충전 반응 중, 음극으로 기능하는 제1 전극(11a)에 전착되는 아연 금속(a)이 덴드라이트 형태로 자라나, 이온교환막(13)을 관통하게 되어, 내부 단락이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 아연 금속이 덴드라이트 형태로 자라나, 이온교환막과 접촉될 경우, 아연 금속이 아연 이온으로 용해되게 함으로써, 이온교환막의 관통에 의한 내부단락이 발생하는 것을 방지할 수 있는 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제1 전극 및 아연 이온을 제1 전해액으로 구비하는 제1 하프셀; 제2 전극 및 요오드 이온을 제2 전해액으로 구비하는 제2 하프셀; 및 상기 제1 하프셀 및 상기 제2 하프셀 사이에 위치하여, 상기 제1 하프셀과 상기 제2 하프셀을 분리하는 이온교환막;을 포함하고, 상기 이온교환막의 표면에는 이온이 투과될 수 있는 전기전도층이 형성되고, 상기 전기전도층은 상기 제1 전극과 인접한 일측에 형성된 제1 전기전도층과 상기 제2 전극과 인접한 타측에 형성된 제2 전기전도층을 포함하며, 상기 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층은 전기적으로 연결되어 구비되는 것을 특징으로 하는 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 전극에서 아연 금속이 덴드라이트 형태로 형성되어, 상기 제1 전기전도층과 접촉될 경우, 상기 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층의 전압이 상기 제1 전극과 동일하게 되고, 동시에 상기 제1 전기전도층과 접촉한 아연 금속은 산화 반응을 일으켜 아연이온으로 용해된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층은 도선으로 연결된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층은 일체로 연결된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2 전기전도층에는 이온이 교환될 수 있는 다공성 절연층이 더 형성되고, 상기 다공성 절연층과 상기 제2 전극 사이에는 탄소 펠트가 구비된다.
또한, 본 발명은 상기 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지; 및 상기 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층 간의 전류 흐름을 검출하는 전류 검출수단;을 더 포함하고, 상기 전류 검출수단에 의해 상기 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층 간의 전류 흐름이 검출될 경우, 아연 덴드라이트가 성장되어 단락 위험성이 존재하는 것으로 검출해내는 것을 특징으로 하는 덴드라이트 검출형 아연 요오드 흐름전지로 제공될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지; 및 상기 제1 전극과 상기 제1 전기전도층 간의 전압 차이를 검출하는 전압 검출수단;을 포함하고, 상기 전압 검출수단에 의해 상기 제1 전극과 상기 제1 전기전도층 간의 전압 차이가 소정 전압 미만일 경우, 아연 덴드라이트가 성장되어 단락 위험성이 존재하는 것으로 검출해내는 것을 특징으로 하는 덴드라이트 검출형 아연 요오드 흐름전지로도 제공될 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
본 발명의 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지에 의하면, 이온교환막의 양측에 전기적으로 연결된 제1 전기전도층과 제2 전기전도층이 형성되어, 아연 금속이 덴드라이트 형태로 자라나 제1 전기전도층과 접촉될 경우, 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층의 전압이 상기 제1 전극과 동일하게 되고, 동시에 제1 전기전도층과 접촉한 아연 금속은 산화반응을 일으켜 아연이온으로 용해됨으로써, 이온교환막의 관통에 의한 내부단락이 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 아연 요오드 흐름전지를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 종래의 아연 요오드 흐름전지에서 발생하는 덴드라이트 형성에 의한 단락 발생 문제를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지의 내부 단락 방지 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지의 전압 검출수단 및 전류 검출수단을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지(100)는 충전 반응 중, 아연 금속이 제1 전극 상에 덴드라이트 형태로 자라나, 이온교환막을 관통하여 내부단락이 발생하는 현상을 방지하기 위한 흐름전지로서, 제1 하프셀(110), 제2 하프셀(120), 이온 교환막(130)을 포함하여 이루어진다.
상기 제1 하프셀(110)에는 제1 전극(111)과 아연 이온인 제1 전해액(112)이 구비된다.
상기 제2 하프셀(120)에는 제2 전극(121)과 요오드 이온인 제2 전해액(122)이 구비된다.
상기 이온 교환막(130)은 상기 제1 하프셀(110)과 상기 제2 하프셀(120) 사시에 위치하여, 상기 제1 하프셀(110)과 상기 제2 하프셀(120)을 분리하며, 이온이 투과될 수 있는 재질로 마련된다.
또한, 상기 이온 교환막(130)의 양측면에는 전기전도성을 지니며, 이온이 투과될 수 있는 전기전도층(131)이 형성된다.
여기서, 상기 전기전도층(131)은 제1 전기전도층(131a)과 제2 전기전도층(131b)을 포함하여 이루어지며, 상기 제1 전기전도층(131a)은 상기 제1 전극(111)과 인접한 상기 이온 교환막(130)의 일측에 설치되고, 상기 제2 전기전도층(131b)은 상기 제2 전극(121)과 인접한 상기 이온 교환막(130)의 타측에 설치된다.
또한, 상기 제1 전기전도층(131a)과 상기 제2 전기전도층(131b)은 전기적으로 연결되어 구비된다.
예를 들면, 상기 제1 전기전도층(131a)과 상기 제2 전기전도층(131b)은 도선(131c)으로 연결될 수 있다.
다른 예로, 상기 제1 전기전도층(131a)과 상기 제2 전기전도층(131b)은 일체로 연결될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제2 전기전도층(131b)과 상기 제2 전극(121)이 탄소 펠트(121a)로 연결될 경우, 상기 제2 전기전도층(131b)과 상기 탄소 펠트(121a)사이에는, 이온은 투과되고 절연되는 상기 다공성 절연층(132)이 더 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지(100)는 제1 전해액 저장조, 제2 전해액 저장조 및 펌프들을 더 포함하여 구비될 수 있다.
예를 들면, 상기 제1 전해액 저장조는 상기 제1 하프셀(110)과 연결되고, 상기 제2 전해액 저장조는 상기 제2 하프셀(120)과 연결되며, 상기 펌프는 제1 하프셀(110)과 제1 전해액 저장조 사이와 제2 하프셀(120)과 제2 전해액 저장조 사이에 각각 설치되어, 상기 제1 전해액(112)이 상기 제1 하프셀(110)과 상기 제1 전해액 저장조 사이를 순환하게 하고, 상기 제2 전해액(122)이 상기 제2 하프셀(120)과 상기 제2 전해액 저장조 사이를 순환되게 한다.
이하에서는 도 5 (a) 및 도 5 (b)를 참조하여, 본 발명에 따른 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지의 내부 단락 방지 원리를 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지(100)는 상기 제1 전극(111)과 상기 제2 전극(121)에서 하기와 같은 반응이 일어날 수 있다.
(제1 전극)
Zn2+ + 2e- ↔ Zn
(제2 전극)
3l- ↔ I3 - + 2e-
또한, 본 발명에 따른 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름 전지(100)는 충전 중, 상기 제1 전극(111)에서 아연 전착 반응이 일어나, 아연 금속(a)이 덴드라이트 형태로 형성되어, 상기 제1 전기전도층(131a)과 접촉될 경우, 상기 제1 전기전도층(131a)과 상기 제2 전기전도층(131b)의 전압이 상기 제1 전극(111)과 동일하게 되고, 상기 제2 하프셀(120)에 존재하는 폴리요오드화물(I3 -)이 요오드 이온(I-)로 환원되며, 동시에 상기 제1 전기전도층(131a)과 접촉한 아연 금속(a)은 산화 반응을 일으켜 아연이온으로 용해되는 것이다.
이에 따라, 상기 아연 금속(a)에 의해 상기 이온교환막(130)이 관통되어 내부단락이 발생되는 것을 차단할 수 있게 된다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 아연 요오드 흐름 전지(100)는 상기 제1 전기전도층(131a)과 상기 제2 전기전도층(131b) 간의 전류 흐름을 검출하는 전류 검출수단(140)을 더 포함하여, 덴드라이트 검출형 아연 요오드 흐름전지로 제공될 수 있다.
이는 상기 전류 검출 수단(140)에 의해, 상기 제1 전기전도층(131a)에서 상기 제2 전기전도층(131b)으로의 전류 흐름을 검출함으로써, 아연 덴드라이트의 성장에 의한 상기 이온교환막(130)의 단락 위험성을 검출해낼 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 아연 요오드 흐름 전지(100)는 상기 제1 전극(111)과 상기 제1 전기전도층(131a) 간의 전압 차이를 검출하는 전압 검출수단(150)을 더 포함하여 덴드라이트 검출형 아연 요오드 흐름전지로도 제공될 수 있다.
이는 상기 전압 검출수단(150)에 의해 상기 제1 전극(111)과 상기 제1 전기전도층(131a) 간의 전압 차이가 소정 전압 미만일 경우, 아연 덴드라이트의 성장에 의한 상기 이온교환막(130)의 단락 위험성을 용이하게 검출할 수 있게 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이온교환막의 양측에 전기적으로 연결된 제1 전기전도층과 제2 전기전도층이 형성되어, 아연 금속이 덴드라이트 형태로 자라나 제1 전기전도층과 접촉될 경우, 아연 금속은 산화반응을 일으켜 아연이온으로 용해됨으로써, 이온교환막의 관통에 의한 내부단락이 발생되는 것을 방지할 수 있으며, 전류 검출수단 또는 전압 검출수단에 의해, 아연 덴드라이트의 성장에 의한 이온교환막의 단락 위험성을 용이하게 검출해낼 수 있는 장점을 지닌다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
110 : 제1 하프셀 111 : 제1 전극
112 : 제1 전해액 120 : 제2 하프셀
121 : 제2 전극 121a : 탄소 펠트
122 : 제2 전해액 130 : 이온 교환막
131 : 전기전도층 131a : 제1 전기전도층
131b : 제2 전기전도층 131c : 도선
132 : 다공성 절연층 a : 아연 금속

Claims (7)

  1. 제1 전극 및 아연 이온을 제1 전해액으로 구비하는 제1 하프셀;
    제2 전극 및 요오드 이온을 제2 전해액으로 구비하는 제2 하프셀; 및
    상기 제1 하프셀 및 상기 제2 하프셀 사이에 위치하여, 상기 제1 하프셀과 상기 제2 하프셀을 분리하는 이온교환막;을 포함하고,
    상기 이온교환막의 표면에는 이온이 투과될 수 있는 전기전도층이 형성되고, 상기 전기전도층은 상기 제1 전극과 인접한 일측에 형성된 제1 전기전도층과 상기 제2 전극과 인접한 타측에 형성된 제2 전기전도층을 포함하며, 상기 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층은 전기적으로 연결되어 구비되는 것을 특징으로 하는 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극에서 아연 금속이 덴드라이트 형태로 형성되어, 상기 제1 전기전도층과 접촉될 경우, 상기 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층의 전압이 상기 제1 전극과 동일하게 되고, 동시에 상기 제1 전기전도층과 접촉한 아연 금속은 산화 반응을 일으켜 아연이온으로 용해되는 것을 특징으로 하는 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층은 도선으로 연결되는 것을 특징으로 하는 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층은 일체로 연결되는 것을 특징으로 하는 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 전기전도층에는 이온이 교환될 수 있는 다공성 절연층이 더 형성되고,
    상기 다공성 절연층과 상기 제2 전극 사이에는 탄소 펠트가 구비되는 것을 특징으로 하는 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지; 및
    상기 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층 간의 전류 흐름을 검출하는 전류 검출수단;을 포함하고,
    상기 전류 검출수단에 의해 상기 제1 전기전도층과 상기 제2 전기전도층 간의 전류 흐름이 검출될 경우, 아연 덴드라이트가 성장되어 단락 위험성이 존재하는 것으로 검출해내는 것을 특징으로 하는 덴드라이트 검출형 아연 요오드 흐름전지.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지; 및
    상기 제1 전극과 상기 제1 전기전도층 간의 전압 차이를 검출하는 전압 검출수단;을 포함하고,
    상기 전압 검출수단에 의해 상기 제1 전극과 상기 제1 전기전도층 간의 전압 차이가 소정 전압 미만일 경우, 아연 덴드라이트가 성장되어 단락 위험성이 존재하는 것으로 검출해내는 것을 특징으로 하는 덴드라이트 검출형 아연 요오드 흐름전지.
KR1020200032680A 2020-03-17 2020-03-17 내부 단락 방지형 아연 요오드 흐름전지 KR102310206B1 (ko)

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