KR102381015B1 - 레독스 플로우 전지 - Google Patents

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Abstract

전지 셀과, 정극 전해액 및 부극 전해액을 각각 저류하는 정극 전해액 탱크 및 부극 전해액 탱크와, 상기 각 탱크와 상기 전지 셀 사이에서 상기 각 전해액을 순환시키는 정극 순환 유로 및 부극 순환 유로와, 한쪽의 개구단부가 상기 정극 전해액에 침지되고, 중간부가 상기 양 전해액의 액면보다 상방에 가설되고, 다른쪽의 개구단부가 상기 부극 전해액에 침지되는 관재를 갖는 연통관을 포함하는 레독스 플로우 전지.

Description

레독스 플로우 전지
본 발명은 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.
대용량의 축전지의 하나로서, 전지 셀에 정부(正負)의 각 전해액을 순환 유통시켜 충방전을 행하는 레독스 플로우 전지(이하, 「RF 전지」라고 부르는 경우가 있음)가 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1, 2를 참조). RF 전지는 전지 셀과, 정극(正極) 전해액 및 부극(負極) 전해액을 각각 저류(貯留)하는 정극 전해액 탱크 및 부극 전해액 탱크와, 각 탱크와 전지 셀 사이에서 각 전해액을 순환시키는 정극 순환 유로 및 부극 순환 유로를 포함한다. 특허문헌 1, 2에는 정극 전해액 탱크와 부극 전해액 탱크를 연통하는 연통관을 포함하는 RF 전지가 기재되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2013-25964호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2013-37814호 공보
본 개시의 레독스 플로우 전지는,
전지 셀과,
정극 전해액 및 부극 전해액을 각각 저류하는 정극 전해액 탱크 및 부극 전해액 탱크와,
상기 각 탱크와 상기 전지 셀 사이에서 상기 각 전해액을 순환시키는 정극 순환 유로 및 부극 순환 유로와,
한쪽의 개구단부가 상기 정극 전해액에 침지되고, 중간부가 상기 양 전해액의 액면보다 상방에 가설되고, 다른쪽의 개구단부가 상기 부극 전해액에 침지되는 관재를 갖는 연통관을 포함한다.
도 1은 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지의 개략 구성도이다.
도 2는 셀 스택의 개략 구성도이다.
도 3은 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지에 포함하는 연통관의 치수를 설명하는 도면이다.
도 4는 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지에 포함하는 연통관의 개구단부의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 변형예 1에 따른 레독스 플로우 전지의 개략 구성도이다.
도 6은 변형예 2에 따른 레독스 플로우 전지의 개략 구성도이다.
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
레독스 플로우 전지(RF 전지)에서는, 운전 중, 충방전의 반복에 따라, 전지 셀 내에서 정극 전극과 부극 전극 사이에 개재되는 격막을 통하여 정부의 전해액이 한쪽으로부터 다른쪽으로 이동하는 현상(「액 옮김」이라고 불림)이 생기는 경우가 있다. 이에 의해, 정극 전해액 탱크 및 부극 전해액 탱크 내의 전해액의 액량에 차가 생겨, 전지 용량(방전 용량)이 저하하는 경우가 있다.
이러한 액 옮김에 의한 문제점을 해소하기 위해, 특허문헌 1, 2에서는, 정극 전해액 탱크와 부극 전해액 탱크를 연통관으로 접속하고, 각 탱크 내의 전해액의 액량에 차가 생겼을 때에, 연통관을 통해 각 탱크 내의 전해액의 액면이 동일한 높이가 되도록 조정하고 있다. 그러나, 특허문헌 1, 2에서는, 연통관이 각 탱크 내의 전해액의 액면과 대략 동일한 위치, 또는 그보다 낮은 위치에 접속되어 배치되어 있다. 그 때문에, 각 탱크의 연통관의 접속부로부터 전해액이 누출되거나, 연통관이 파손된 경우에는 연통관으로부터 전해액이 유출될 우려가 있다.
그래서, 본 개시는 정극 전해액 탱크 및 부극 전해액 탱크 내의 전해액의 액량을 조정할 수 있으면서, 전해액이 탱크 밖으로 유출되는 것을 억제할 수 있는 레독스 플로우 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[본 개시의 효과]
본 개시에 따르면, 정극 전해액 탱크 및 부극 전해액 탱크 내의 전해액의 액량을 조정할 수 있으면서, 전해액이 탱크 밖으로 유출되는 것을 억제할 수 있는 레독스 플로우 전지를 제공할 수 있다.
[본원 발명의 실시형태의 설명]
먼저 본원 발명의 실시양태를 열기하여 설명한다.
(1) 본원 발명의 일양태에 따른 레독스 플로우 전지는,
전지 셀과,
정극 전해액 및 부극 전해액을 각각 저류하는 정극 전해액 탱크 및 부극 전해액 탱크와,
상기 각 탱크와 상기 전지 셀 사이에서 상기 각 전해액을 순환시키는 정극 순환 유로 및 부극 순환 유로와,
한쪽의 개구단부가 상기 정극 전해액에 침지되고, 중간부가 상기 양 전해액의 액면보다 상방에 가설되고, 다른쪽의 개구단부가 상기 부극 전해액에 침지되는 관재를 갖는 연통관을 포함한다.
상기 레독스 플로우 전지에 따르면, 연통관의 한쪽 및 다른쪽의 개구단부가 각각 정극 전해액 및 부극 전해액에 침지되고, 연통관의 중간부가 양 전해액의 액면보다 상방에 가설되어 있다. 연통관 내에 전해액이 채워짐으로써 연통관이 사이펀(siphon) 상태가 되고, 연통관은 각 탱크 내의 전해액의 액량에 차가 생겼을 때에, 사이펀의 원리에 의해 양 전해액의 액면이 동일해지도록 조정한다. 따라서, 각 탱크 내의 전해액의 액면이 유지되도록, 전해액의 액량을 자동적으로 조정할 수 있다. 연통관이 파손된 경우, 연통관 내에 공기가 들어가, 사이펀 상태가 깨진다. 연통관의 중간부가 양 전해액의 액면보다 상방에 배치되어 있기 때문에, 파손되었다고 해도, 사이펀 상태가 깨짐으로써 연통관 내의 전해액이 각 탱크 내에 복귀된다. 따라서, 연통관이 파손되었다고 해도, 연통관으로부터 전해액이 탱크 밖으로 유출되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 상기 레독스 플로우 전지는 정극 전해액 탱크 및 부극 전해액 탱크 내의 전해액의 액량을 조정할 수 있으면서, 전해액이 탱크 밖으로 유출되는 것을 억제할 수 있다.
(2) 상기 레독스 플로우 전지의 일형태로서,
상기 정극 순환 유로 및 상기부극 순환 유로의 적어도 한쪽의 순환 유로와 상기 연통관을 접속하는 도입관과,
상기 도입관을 개폐하는 개폐 밸브를 포함하는 것을 들 수 있다.
연통관을 사이펀 상태로 하기 위해서는, 연통관 내에 전해액을 채워 둘 필요가 있다. 상기 형태에 따르면, 도입관을 포함함으로써, 레독스 플로우 전지의 시동 시에 도입관을 이용하여 연통관에 전해액을 도입할 수 있어, 연통관 내에 전해액을 채울 수 있다. 또한, 개폐 밸브를 포함하고 있고, 연통관 내에 전해액이 채워진 상태로 개폐 밸브에 의해 도입관을 폐쇄하여 순환 유로와 연통관 사이를 차단함으로써, 사이펀 상태를 형성할 수 있다.
(3) 상기 레독스 플로우 전지의 일형태로서,
상기 연통관의 개구단부가 상기 각 탱크 내의 바닥부측에 위치하는 것을 들 수 있다.
연통관 내에 기체가 들어가면, 사이펀 상태가 깨질 우려가 있다. 각 탱크 내의 전해액의 액면 근방에서는 기포가 발생하는 일이 있기 때문에, 각 탱크 내의 액면에 가까운 위치에 연통관의 개구단부가 위치하는 경우, 개구단부로부터 기포가 취입되기 쉽다. 상기 형태에 따르면, 연통관의 개구단부가 각 탱크 내의 바닥부측에 위치함으로써, 개구단부로부터 기포가 취입되기 어려워, 연통관의 사이펀 상태가 유지되기 쉽다.
(4) 상기 레독스 플로우 전지의 일형태로서,
상기 연통관의 개구단부가 위를 향하도록 형성되어 있는 것을 들 수 있다.
상기 형태에 따르면, 연통관의 개구단부가 위를 향하도록 형성되어 있기 때문에, 개구단부로부터 기포가 취입되기 어려워, 연통관의 사이펀 상태가 유지되기 쉽다.
(5) 상기 레독스 플로우 전지의 일형태로서,
상기 연통관에 유량 조정 밸브를 포함하는 것을 들 수 있다.
상기 형태에 따르면, 연통관에 유량 조정 밸브를 포함함으로써, 연통관을 통해 사이펀의 원리에 의해 양 탱크 내의 전해액의 액량을 조정할 때에, 연통관에 흐르는 전해액의 유량(이동량)을 유량 조정 밸브에 의해 제어하는 것이 가능하다.
(6) 상기 레독스 플로우 전지의 일형태로서,
상기 연통관 내로부터 기포를 빼기 위한 가스 배출 배관을 포함하고,
상기 가스 배출 배관은 상기 연통관에 일단부가 접속되고, 상기 정극 순환 유로 및 상기 부극 순환 유로 중 적어도 한쪽의 순환 유로에 타단부가 접속되어 있는 것을 들 수 있다.
상기 형태에 따르면, 가스 배출 배관을 포함함으로써, 연통관 내에 체류하는 기포를 가스 배출 배관을 통하여 순환 유로에 배출할 수 있어, 연통관의 사이펀 상태를 유지하는 것이 가능하다.
[본원 발명의 실시형태의 상세]
본원 발명의 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지(RF 전지)의 구체예를, 이하에 도면을 참조하면서 설명한다. 도면 중의 동일 부호는 동일 또는 상당 부분을 나타낸다. 또한, 본원 발명은 이들 예시에 한정되는 것이 아니며, 청구범위에 의해 나타나고, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
《RF 전지》
실시형태에 관하는 RF 전지는, 대표적으로는, 교류/직류 변환기를 통해 전력 계통에 접속되어, 충전과 방전을 행한다. 충방전은 산화 환원에 의해 가수(價數)가 변화하는 금속 이온을 활물질로서 함유하는 정극 전해액 및 부극 전해액을 사용하여, 정극 전해액에 포함되는 이온의 산화 환원 전위와, 부극 전해액에 포함되는 이온의 산화 환원 전위의 차를 이용하여 행한다.
도 1∼도 2를 참조하여, 실시형태에 따른 RF 전지(1)의 일례를 설명한다. 실시형태의 RF 전지(1)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 전지 셀(100)과, 정극 전해액 탱크(106) 및 부극 전해액 탱크(107)와, 정극 순환 유로(120) 및 부극 순환 유로(130)를 포함한다. RF 전지(1)의 특징의 하나는, 사이펀의 원리에 의해 정극 전해액 탱크(106) 및 부극 전해액 탱크(107) 내의 양 전해액(10P, 10N)의 액면이 동일해지도록 조정하는 연통관(40)을 포함하는 점에 있다. 이하, RF 전지(1)의 구성에 대해서 자세하게 설명한다.
(전지 셀)
전지 셀(100)은 도 1에 나타내는 바와 같이, 정극 전극(104)과, 부극 전극(105)과, 양 전극(104, 105) 사이에 개재되는 격막(101)을 가지고, 격막(101)을 사이에 두고 정극 셀(102)과 부극 셀(103)이 형성되어 있다. 격막(101)은 예컨대 수소 이온을 투과하는 이온 교환막이다. 전지 셀(100)[정극 셀(102) 및 부극 셀(103)]에는, 정극 순환 유로(120) 및 부극 순환 유로(130)가 접속되어, 정극 전해액(10P) 및 부극 전해액(10N)이 순환한다. 전해액(10P, 10N)은 활물질로서 동종의 금속 이온을 함유하는 것을 들 수 있다. 전해액(10P, 10N)으로서는, 예컨대, 바나듐 이온을 함유하는 전해액, 망간 이온 또는 티탄 이온, 또는 망간 이온 및 티탄 이온의 쌍방을 함유하는 전해액 등을 들 수 있다.
전지 셀(100)은 단수의 전지 셀(100)을 포함하는 단셀(single cell)로 구성되어 있어도 좋고, 복수의 전지 셀(100)을 포함하는 다셀(multi cell)로 구성되어 있어도 좋다. 다셀의 경우, 도 2에 나타내는 바와 같은, 전지 셀(100)을 복수 적층하여 이루어지는 셀 스택(2)이라고 불리는 형태가 이용된다. 셀 스택(2)은 서브 스택(200)을 그 양측으로부터 2장의 엔드 플레이트(220)로 사이에 끼우고, 양측의 엔드 플레이트(220)를 체결 기구(230)로 체결함으로써 구성되어 있다(도 2의 아래 도면 참조). 도 2에서는, 복수의 서브 스택(200)을 포함하는 형태를 예시하고 있다. 서브 스택(200)은 셀 프레임(3), 정극 전극(104), 격막(101) 및 부극 전극(105)을 순서대로 복수 적층하여 이루어지고(도 2의 위 도면 참조), 그 적층체의 양단에 급배판(210)이 배치된 구성이다. 셀 스택(2)에 있어서의 전지 셀(100)의 적층수는 적절하게 선택할 수 있다.
셀 프레임(3)은 도 2의 위 도면에 나타내는 바와 같이, 정극 전극(104)과 부극 전극(105) 사이에 배치되는 쌍극판(31)과, 쌍극판(31)의 주위에 마련되는 프레임(32)을 갖는다. 쌍극판(31)의 일면측에는 정극 전극(104)이 배치되고, 쌍극판(31)의 타면측에는 부극 전극(105)이 배치된다. 프레임(32)의 내측에는 쌍극판(31)이 마련되고, 쌍극판(31)과 프레임(32)에 의해 오목부(32o)가 형성된다. 오목부(32o)는 쌍극판(31)의 양측에 각각 형성되어 있다. 각 오목부(32o)에 정극 전극(104) 및 부극 전극(105)이 쌍극판(31)을 사이에 두고 수납되고, 인접하는 각 셀 프레임(3)의 프레임(32)의 일면측과 타면측이 서로 대향하여 맞대어진다. 서브 스택(200)[셀 스택(2)]에서는, 인접하는 각 셀 프레임(3)의 쌍극판(31) 사이에, 격막(101)을 사이에 두고 정극 전극(104) 및 부극 전극(105)이 배치되고, 하나의 전지 셀(100)이 형성되게 된다. 각 셀 프레임(3)의 프레임(32) 사이에는, 전해액의 누설을 억제하기 위해, O 링이나 평패킹 등의 환형의 시일 부재(37)가 배치되어 있다.
쌍극판(31)은 예컨대, 플라스틱 카본 등으로 형성되고, 프레임(32)은 예컨대, 염화비닐 수지(PVC), 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 불소 수지, 에폭시 수지 등의 플라스틱으로 형성되어 있다. 이 예에서는, 셀 프레임(3)은 쌍극판(31)의 주위에 프레임(32)이 사출 성형 등에 의해 일체화되어 있다.
전지 셀(100)에의 전해액의 유통은, 급배판(210)(도 2의 아래 도면 참조)을 통해, 도 2의 위 도면에 나타내는 셀 프레임(3)의 프레임(32)에 관통하여 마련된 급액 매니폴드(33, 34) 및 배액 매니폴드(35, 36)와, 프레임(32)에 형성된 급액 슬릿(33s, 34s) 및 배액 슬릿(35s, 36s)에 의해 행해진다. 이 예에 나타내는 셀 프레임(3)[프레임(32)]의 경우, 정극 전해액은, 프레임(32)의 하부에 마련된 급액 매니폴드(33)로부터 프레임(32)의 일면측에 형성된 급액 슬릿(33s)을 통해 정극 전극(104)에 공급되고, 프레임(32)의 상부에 형성된 배액 슬릿(35s)을 통해 배액 매니폴드(35)에 배출된다. 마찬가지로, 부극 전해액은 프레임(32)의 하부에 마련된 급액 매니폴드(34)로부터 프레임(32)의 타면측에 형성된 급액 슬릿(34s)을 통해 부극 전극(105)에 공급되고, 프레임(32)의 상부에 형성된 배액 슬릿(36s)을 통해 배액 매니폴드(36)에 배출된다. 쌍극판(31)이 마련되는 프레임(32)의 내측의 하부 가장자리 및 상부 가장자리에는, 가장자리를 따라 정류부(도시하지 않음)가 형성되어 있어도 좋다. 정류부는 급액 슬릿(33s, 34s)으로부터 공급되는 각 전해액을 각 전극(104, 105)의 하부 가장자리를 따라 확산시키거나, 각 전극(104, 105)의 상부 가장자리로부터 배출되는 각 전해액을 배액 슬릿(35s, 36s)에 집약하는 기능을 갖는다.
(정극 전해액 탱크 및 부극 전해액 탱크)
정극 전해액 탱크(106) 및 부극 전해액 탱크(107)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 정극 전해액(10P) 및 부극 전해액(10N)을 각각 저류한다. 각 탱크(106, 107)의 형상은 동일하고, 용량도 동일하다. 각 탱크(106, 107) 내의 상부측[전해액(10P, 10N)의 액면보다 상측]은 기상부(氣相部)로 되어 있다. 각 탱크(106, 107)는 각 순환 유로(120, 130)의 왕로 배관(108, 109) 및 귀로 배관(110, 111)이 접속되는 출구부(61, 71) 및 입구부(62, 72)를 갖는다. 이 예에서는, 출구부(61, 71) 및 입구부(62, 72)는, 각 탱크(106, 107) 내의 전해액(10P, 10N)의 액면보다 높은 위치, 구체적으로는, 각 탱크(106, 107)의 상부에 마련되어 있다. 출구부(61, 71) 및 입구부(62, 72)에는 각각, 개폐 밸브(66, 76)가 장치되어 있다.
또한, 각 탱크(106, 107)는 각 탱크(106, 107) 내의 전해액(10P, 10N)의 액면보다 높은 위치에 연통관(40)이 접속되는 개구부(64, 74)를 갖는다. 이 예에서는, 각 탱크(106, 107)의 상부에 개구부(64, 74)가 마련되어 있다. 개구부(64, 74)에는 개폐 밸브(67, 77)가 장치되어 있다.
(정극 순환 유로 및 부극 순환 유로)
정극 순환 유로(120) 및 부극 순환 유로(130)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 각 탱크(106, 107)와 전지 셀(100) 사이를 접속하고, 각 탱크(106, 107)와 전지 셀(100) 사이에서 각 전해액(10P, 10N)을 순환시킨다. 정극 순환 유로(120)는 정극 전해액 탱크(106)로부터 정극 셀(102)에 정극 전해액(10P)을 보내는 왕로 배관(108)과, 정극 셀(102)로부터 정극 전해액 탱크(106)에 정극 전해액(10P)을 복귀시키는 귀로 배관(110)을 갖는다. 부극 순환 유로(130)는 부극 전해액 탱크(107)로부터 부극 셀(103)에 부극 전해액(10N)을 보내는 왕로 배관(109)과, 부극 셀(103)로부터 부극 전해액 탱크(107)에 부극 전해액(10N)을 복귀시키는 귀로 배관(111)을 갖는다. 각 순환 유로(120, 130)의 왕로 배관(108, 109)은 각 탱크(106, 107)의 출구부(61, 71)에 접속되고, 귀로 배관(110, 111)은 각 탱크(106, 107)의 입구부(62, 72)에 접속된다.
각 왕로 배관(108, 109)의 단부는, 각 탱크(106, 107)의 출구부(61, 71)로부터 각 탱크(106, 107) 내에 삽입되고, 단부의 개구단부(81, 91)가 각 탱크(106, 107) 내의 전해액(10P, 10N)의 액면보다 낮은 위치에 마련되어 있다. 즉, 각 왕로 배관(108, 109)의 개구단부(81, 91)가 각 전해액(10P, 10N)에 침지되어 있고, 각각의 개구단부(81, 91)로부터 각 전해액(10P, 10N)이 취입된다. 이 예에서는, 각 왕로 배관(108, 109)의 개구단부(81, 91)가 각 탱크(106, 107) 내의 바닥부측에 위치한다. 여기서 말하는 「각 탱크 내의 바닥부측」이란, 전해액(10P, 10N)의 액면보다 하측으로서, 각 탱크(106, 107)의 바닥면으로부터 전해액(10P, 10N)의 액면까지의 높이를 h라고 할 때, 각 탱크(106, 107)의 바닥면으로부터 h/2 이하의 범위를 말한다.
각 왕로 배관(108, 109)에는, 각 탱크(106, 107)로부터 각 전해액(10P, 10N)을 빨아올려 압송하는 펌프(112, 113)가 마련되어 있다. 충방전을 행하는 운전 시, 각 펌프(112, 113)에 의해, 각 전해액(10P, 10N)이 전지 셀(100)[정극 셀(102) 및 부극 셀(103)]에 순환된다. 충방전을 행하지 않는 대기 시에는, 각 펌프(112, 113)가 정지되어, 각 전해액(10P, 10N)이 순환되지 않는다.
(연통관)
연통관(40)은 도 1에 나타내는 바와 같이, 한쪽의 개구단부(41)가 정극 전해액(10P)에 침지되고, 중간부(43)가 양 전해액(10P, 10N)의 액면보다 상방에 가설되고, 다른쪽의 개구단부(42)가 부극 전해액(10N)에 침지되는 관재로서, 각 탱크(106, 107) 내의 액상부끼리를 연통한다. 연통관(40)은 각 탱크(106, 107)의 개구부(64, 74)에 접속된다. 이 예에서는, 연통관(40)의 양 단부가 각 탱크(106, 107)의개구부(64, 74)로부터 각 탱크(106, 107) 내에 삽입되고, 양 단부의 개구단부(41, 42)가 각 탱크(106, 107) 내의 전해액(10P, 10N)의 액면보다 낮은 위치에 각각 마련되어 있다. 중간부(43)는 각 탱크(106, 107)보다 높은 위치에 장치되어 있다. 또한, 이 예에서는, 연통관(40)의 개구단부(41, 42)가 각 탱크(106, 107) 내의 바닥부측에 위치한다.
연통관(40)은 연통관(40) 내에 전해액이 채워짐으로써 사이펀 상태가 된다. 이에 의해, 각 탱크(106, 107) 내의 전해액(10P, 10N)의 액량에 차가 생겼을 때에, 사이펀의 원리에 의해 양 전해액(10P, 10N)의 액면이 동일한 높이가 되도록 조정한다. 연통관(40)[특히, 중간부(43)]을 구성하는 관재가 투명 재료로 형성되어 있는 경우, 연통관(40) 내에 전해액이 채워져 있는 것을 밖에서 시인(視認)할 수 있다. 중간부(43)에 있어서의 정점부(가장 높은 위치가 되는 부분)에 창부를 마련하고, 이 창부를 투명 재료로 형성하여도 좋다. 투명 재료로서는, 예컨대, 염화비닐 수지 등의 투명 수지나 유리를 들 수 있다.
연통관(40)은 사이펀의 원리가 성립하도록 적절하게 설계하면 좋다. 이하에서는, 도 3을 주로 참조하여, 연통관의 치수에 대해서 설명한다.
각 탱크(106, 107) 내의 전해액(10P, 10N)의 액면으로부터 연통관(40)의 정점부까지의 높이(H)를 지나치게 높게 하면, 사이펀의 원리에 의한 전해액의 이송이 불가능해진다. 사이펀의 원리가 성립하는 최대 높이(Hmax)는, 탱크 내의 압력[P0(N/㎡)], 전해액의 밀도[ρ(㎏/㎥)], 중력 가속도[g(m/s2)]로 할때, 다음 식에 따라 구해진다.
Hmax=P0/ρ·g
여기서, 압력(P0)이 대기압(1.013×105 N/㎡)과 같으며, 전해액의 밀도(ρ)가 1400 ㎏/㎥인 경우, Hmax는 7.38 m가 된다. 따라서, 중간부(43)의 장치 높이[높이(H)에 상당]는, 각 탱크(106, 107) 내의 전해액(10P, 10N)의 액면으로부터 7.38 m 미만으로 하는 것을 들 수 있다.
또한, 연통관(40)의 길이(L)가 길어지면, 연통관(40) 내의 마찰 저항이 증가하여 손실 헤드가 커져, 연통관(40)에 흐르는 전해액의 유속이 저하하기 때문에, 전해액의 액면의 조정에 시간이 걸린다. 전해액의 액면의 조정은, 예컨대 10분(600초) 이내에 완료하는 것이 바람직하다. 따라서, 연통관(40)의 길이(L)는 연통관(40)에 흐르는 전해액의 유속이 일정 이상 확보되도록 설정하는 것이 바람직하고, 예컨대 15 m, 더욱 10 m 이하로 하는 것을 들 수 있다.
연통관(40)의 내직경(d)도 적절하게 설정하면 좋고, 예컨대 10 ㎜ 이상 150 ㎜ 이하, 더욱 20 ㎜ 이상 100 ㎜ 이하로 하는 것을 들 수 있다. 또한, 연통관(40)의 내직경(d)에 의해서도 손실 헤드의 크기가 변하며, 내경(d)이 작을수록, 손실 헤드가 커진다. 따라서, 연통관(40)의 길이(L)는 내경(d)에 따라 적절하게 설정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 각 탱크(106, 107) 내의 전해액(10P, 10N)의 액량에 차가 생겼을 때에, 양 전해액(10P, 10N)의 액면이 동일한 높이가 되기까지의 시간이 10분(600초) 이내가 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우, 예컨대, 연통관(40)의 길이(L)는 내직경(d)의 100배 이하로 하는(L≤100d) 것을 들 수 있고, 구체적으로는, 내직경(d)이 100 ㎜에서는 길이(L)는 10 m 이하, d가 50 ㎜에서는 L은 4.5 m 이하, d가 20 ㎜에서는 L은 1.7 m 이하로 하는 것을 들 수 있다.
(도입관)
도 1에 예시하는 RF 전지(1)는, 정극 순환 유로(120)와 연통관(40)을 접속하는 도입관(50)과, 도입관(50)을 개폐하는 개폐 밸브(51)를 포함한다. 이 예에서는, 도입관(50)은 정극 순환 유로(120)의 왕로 배관(108)으로부터 분기되도록 일단부가 접속되고, 도입관(50)의 타단부가 연통관(40)의 중간부(43)에 접속되어 있다. 또한, 이 예에서는, 왕로 배관(108)에 있어서의 도입관(50)과의 접속 부분보다 하류측[전지 셀(100)측]에 개폐 밸브(69)가 마련되어 있다.
도입관(50) 및 개폐 밸브(51)는, RF 전지(1)의 시동 시에 연통관(40) 내에 전해액을 채워 사이펀 상태를 형성하기 위해 사용된다. 구체적으로는, RF 전지(1)의 시동 시, 개폐 밸브(51)를 개방하여 왕로 배관(108)과 연통관(40)이 도입관(50)을 통해 연통한 상태로 펌프(112)를 기동시켜, 연통관(40)에 전해액(10P)을 유통시킨다. 이에 의해, 연통관(40)에 전해액(10P)을 도입하여, 연통관(40) 내에 전해액을 채울 수 있다. 그리고, 연통관(40) 내에 전해액이 채워진 상태로 개폐 밸브(51)에 의해 도입관(50)을 폐쇄하여 왕로 배관(108)과 연통관(40) 사이를 차단하여, 연통관(40) 내를 액밀 상태로 함으로써, 사이펀 상태가 형성된다. RF 전지(1)의 시동 후, 운전 중은 개폐 밸브(51)가 항상 폐쇄 상태가 된다.
여기서, RF 전지(1)의 메인터넌스 시 등, 예컨대 연통관(40)을 탱크(106, 107)로부터 제거할 때는, 펌프(112)를 정지하고, 개폐 밸브(51)를 개방 상태로 한다. 이에 의해, 사이펀 상태가 해제되고, 연통관(40) 내의 전해액이 각 탱크(106, 107) 내에 복귀되기 때문에, 메인터넌스 작업이 용이해진다. 또한, 연통관(40)을 탱크(106, 107)로부터 제거한 후, 개폐 밸브(67, 77)를 폐쇄함으로써, 개구부(64, 74)로부터 탱크(106, 107) 내에 공기가 들어가는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 메인터넌스 중, 전해액(10P, 10N)의 산화를 억제할 수 있다.
이 예에서는, 도입관(50)을 정극 순환 유로(120)[왕로 배관(108)]에 접속하여 장치하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 도입관(50)은 부극 순환 유로(130)[왕로 배관(109)]에 장치하여도 좋고, 양방의 순환 유로(120, 130)에 장치하는 것도 가능하다.
(기상 연통관)
도 1에 예시하는 RF 전지(1)는, 각 탱크(106, 107) 내의 기상부끼리를 연통하는 기상 연통관(45)을 포함한다. 이 기상 연통관(45)에 의해, 양 탱크(106, 107) 내의 압력을 동일하게 할 수 있다. 기상 연통관(45)은 각 탱크(106, 107)의 상방에 가설되도록 배치되어 있고, 이 예에서는, 각 탱크(106, 107)의 상부에 마련된 개구부(65, 75)에 기상 연통관(45)이 접속되어 있다. 개구부(65, 75)에는 개폐 밸브(68, 78)가 장치되어 있다.
{실시형태의 효과}
전술한 실시형태에 따른 RF 전지(1)는 다음의 작용 효과를 나타낸다.
연통관(40)을 포함함으로써, RF 전지(1)의 운전 중, 각 탱크(106, 107) 내의 전해액(10P, 10N)의 액량에 차가 생겼을 때는, 연통관(40)을 통해 사이펀의 원리에 의해 양 전해액(10P, 10N)의 액면이 동일해지도록 자동적으로 조정할 수 있다. 또한, 연통관(40)의 중간부(43)가 양 전해액(10P, 10N)의 액면보다 상방에 배치되어 있기 때문에, 파손되었다고 해도, 사이펀 상태가 깨짐으로써 연통관(40) 내의 전해액이 각 탱크(106, 107) 내에 복귀된다. 따라서, 연통관(40)이 파손되었다고 해도, 연통관(40)으로부터 전해액이 탱크(106, 107) 밖으로 유출되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 각 탱크(106, 107)에 있어서, 양 전해액(10P, 10N)의 액면보다 높은 위치에 연통관(40)이 접속되는 개구부(64, 74)가 마련되어 있기 때문에, 개구부(64, 74)로부터 전해액(10P, 10N)이 누출되는 일이 없다. 따라서, 정극 전해액 탱크(106) 및 부극 전해액 탱크(107) 내의 전해액(10P, 10N)의 액량을 자동적으로 조정할 수 있으면서, 전해액(10P, 10N)이 탱크(106, 107) 밖으로 유출되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
도입관(50) 및 개폐 밸브(51)를 포함함으로써, RF 전지(1)의 시동 시에 연통관(40) 내에 전해액을 채워 사이펀 상태를 형성할 수 있다.
연통관(40)의 개구단부(41, 42)가 각 탱크(106, 107) 내의 바닥부측에 위치하기 때문에, 개구단부(41, 42)로부터 기포가 취입되기 어려워, 연통관(40)의 사이펀 상태가 유지되기 쉽다.
또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 연통관(40)의 양 단부의 선단이 J자형으로 굴곡하여, 개구단부(41, 42)가 위를 향하도록 형성되어 있으면, 개구단부(41, 42)로부터 기포가 취입되기 어려워, 사이펀 상태가 보다 유지되기 쉽다.
도 5, 도 6을 참조하여, 실시형태에 따른 RF 전지(1)의 변형예를 설명한다.
[변형예 1]
도 5에 나타내는 변형예 1의 RF 전지(1)는, 연통관(40)에 유량 조정 밸브(44)를 포함하는 점이 전술한 도 1에 나타내는 실시형태와 상이하고, 그 외의 구성은 동일하다.
(유량 조정 밸브)
유량 조정 밸브(44)는 연통관(40)의 도중에 마련되어 있고, 연통관(40)에 흐르는 전해액의 유량을 제어한다. 이 예에서는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 유량 조정 밸브(44)가 연통관(40)의 중간부(43)에 마련되어 있다. 변형예 1의 RF 전지(1)에서는, 연통관(40)을 통해 양 탱크(106, 107) 내의 전해액(10P, 10N)의 액량을 조정할 때에, 전해액의 유량(이동량)을 유량 조정 밸브(44)에 의해 제어하는 것이 가능하다. 또한, 경우에 따라서는, 유량 조정 밸브(44)를 폐쇄하고, 전해액의 이송을 정지하는 것도 가능하다. 이 예에서는, 유량 조정 밸브(44)가 전동 밸브이다.
[변형예 2]
도 6에 나타내는 변형예 2의 RF 전지(1)는, 연통관(40) 내로부터 기포를 빼기 위한 가스 배출 배관(55)을 포함하는 점이 전술한 도 1에 나타내는 실시형태와 상이하고, 그 외의 구성은 동일하다.
(가스 배출 배관)
가스 배출 배관(55)은 연통관(40) 내에 잘못 취입된 기포를 연통관(40) 내로부터 배출하기 위해 사용된다. 가스 배출 배관(55)은 연통관(40)에 일단부가 접속되고, 정극 순환 유로(120) 및 부극 순환 유로(130) 중 적어도 한쪽의 순환 유로에 타단부가 접속되어 있다. 이 예에서는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 가스 배출 배관(55)의 일단부가 연통관(40)으로부터 분기되도록 중간부(43)에 접속되고, 가스 배출 배관(55)의 타단부가 부극 순환 유로(130)의 왕로 배관(109)에 합류하도록 접속되어 있다. 보다 구체적으로는, 가스 배출 배관(55)의 일단부가 중간부(43)에 있어서의 정점부에 접속되고, 가스 배출 배관(55)의 타단부가 왕로 배관(109)의 펌프(113)보다 상류측[탱크(107)측]에 접속되어 있다.
가스 배출 배관(55)에는 역지 밸브(56)를 포함한다. 역지 밸브(56)는 가스 배출 배관(55)의 도중에 마련되고, 부극 순환 유로(130)[왕로 배관(109)]로부터 연통관(40)에의 유통을 저지한다. 또한, 이 예에서는, 역지 밸브(56)보다 하류측[왕로 배관(109)측]에 개폐 밸브(57)가 마련되어 있다. 개폐 밸브(57)는 연통관(40) 내로부터 기포를 뺄 때는 개방 상태로 하고, 연통관(40) 내로부터 기포를 뺄 필요가 없을 때는 폐쇄 상태로 한다.
변형예 2의 RF 전지(1)에서는, 연통관(40) 내에 잘못된 기포가 취입된 경우에, 펌프(113)의 흡인을 이용하여, 연통관(40) 내에 체류하는 기포를 가스 배출 배관(55)을 통하여 부극 순환 유로(130)[왕로 배관(109)]에 배출할 수 있다. 따라서, 연통관(40)의 사이펀 상태를 유지하는 것이 가능하다. 또한, 가스 배출 배관(55)에 역지 밸브(56)가 마련되어 있기 때문에, 펌프(113)가 정지하여 왕로 배관(109)이 빈 상태가 되어도, 왕로 배관(109)으로부터 연통관(40)에의 기체의 침입을 저지할 수 있다. 그 때문에, 펌프(113)가 정지하여도, 연통관(40)의 사이펀 상태가 유지되게 되어, 연통관(40) 내의 전해액이 각 탱크(106, 107) 내에 복귀되는 일도 없다.
또한, 개폐 밸브(57)의 개방도를 조정함으로써, 가스 배출 배관(55)에 흐르는 전해액의 유량을 제어하여, 연통관(40)으로부터 왕로 배관(109)에 전해액이 부주의하게 유출되는 것을 억제할 수 있다. 구체적으로는, 펌프(113)의 흡인으로 가스 배출 배관(55)을 통하여 연통관(40)으로부터 왕로 배관(109)에 전해액을 소량씩 보내어, 연통관(40) 내에 체류하는 기포를 효율적으로 제거한다. 또한, RF 전지(1)의 메인터넌스 시 등, 연통관(40)을 제거할 때는, 개폐 밸브(57)를 폐쇄함으로써, 왕로 배관(109) 내에 공기가 들어가는 것을 방지할 수 있다.
{실시형태의 용도}
실시형태에 따른 레독스 플로우 전지는, 부하 평준화 용도, 순시 전압 저하 보상이나 비상용 전원 등의 용도, 대량 도입이 진행되고 있는 태양광 발전이나 풍력 발전 등의 자연 에너지의 출력 평활화 용도 등에 이용할 수 있다.
1 레독스 플로우 전지(RF 전지)
2 셀 스택
3 셀 프레임
31 쌍극판
32 프레임
32o 오목부
33, 34 급액 매니폴드
35, 36 배액 매니폴드
33s, 34s 급액 슬릿
35s, 36s 배액 슬릿
37 시일 부재
40 연통관
41, 42 개구단부
43 중간부
44 유량 조정 밸브
45 기상 연통관
50 도입관
51 개폐 밸브
55 가스 배출 배관
56 역지 밸브
57 개폐 밸브
61, 71 출구부
62, 72 입구부
64, 74 개구부
65, 75 개구부
66, 67, 68, 69, 76, 77, 78 개폐 밸브
81, 91 개구단부
100 전지 셀
101 격막
102 정극 셀
103 부극 셀
104 정극 전극
105 부극 전극
106 정극 전해액 탱크
107 부극 전해액 탱크
108, 109 왕로 배관
110, 111 귀로 배관
112, 113 펌프
120 정극 순환 유로
130 부극 순환 유로
10P 정극 전해액
10N 부극 전해액
200 서브 스택
210 급배판
220 엔드 플레이트
230 체결 기구

Claims (7)

  1. 레독스 플로우 전지에 있어서,
    전지 셀과,
    정극(正極)의 액상 전해액 및 부극(負極)의 액상 전해액을 각각 저류(貯留)하는 정극 전해액 탱크 및 부극 전해액 탱크와,
    상기 각 탱크와 상기 전지 셀 사이에서 상기 각 액상 전해액을 순환시키는 정극 순환 유로 및 부극 순환 유로와,
    한쪽의 개구단부가 상기 정극의 액상 전해액에 완전히 침지되고, 중간부가 상기 양 액상 전해액의 액면보다 상방에 가설되고, 다른쪽의 개구단부가 상기 부극의 액상 전해액에 완전히 침지되는 관재를 갖는 연통관과,
    상기 정극 순환 유로 및 상기 부극 순환 유로로부터 분리되어 있되, 상기 정극 순환 유로 및 상기 부극 순환 유로 중 적어도 한쪽의 순환 유로와 상기 연통관을 접속시키는 도입관과,
    상기 도입관을 개폐하는 개폐 밸브
    를 포함하는 레독스 플로우 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연통관의 개구단부는 상기 각 탱크 내의 바닥부측에 위치하는 것인 레독스 플로우 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연통관의 개구단부는 위를 향하도록 형성되어 있는 것인 레독스 플로우 전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연통관에 유량 조정 밸브를 포함하는 것인 레독스 플로우 전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연통관 내로부터 기포를 빼기 위한 가스 배출 배관을 포함하고,
    상기 가스 배출 배관은 상기 연통관에 일단부가 접속되며, 상기 정극 순환 유로 및 상기 부극 순환 유로 중 적어도 한쪽의 순환 유로에 타단부가 접속되어 있는 것인 레독스 플로우 전지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 도입관은 상기 정극 순환 유로 및 상기 부극 순환 유로 중 적어도 하나를 상기 연통관에 직접 접속시키는 것인 레독스 플로우 전지.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 도입관은 상기 연통관 상에 위치하는 제1단부와, 상기 정극 순환 유로 및 상기 부극 순환 유로 중 적어도 하나 상에 위치하는 제2단부를 갖는 레독스 플로우 전지.
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