KR102490046B1 - 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레독스 흐름 전지의 운전 과정에서 발생하는 석출물을 제거 및 세척함으로써 레독스 흐름 전지의 효율 및 용량 저하를 방지할 수 있는 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지는 레독스 흐름 전지의 운전 과정에서 발생하는 석출물을 질소가스를 이용하여 제거 및 세척하고, 순환펌프의 동작을 정역으로 전환하여 역세함으로써 레독스 흐름 전지의 효율 및 용량 저하를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지는 레독스 흐름 전지의 운전 과정에서 발생하는 석출물을 질소가스를 이용하여 제거 및 세척하고, 순환펌프의 동작을 정역으로 전환하여 역세함으로써 레독스 흐름 전지의 효율 및 용량 저하를 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레독스 흐름 전지의 운전 과정에서 발생하는 석출물을 제거 및 세척함으로써 레독스 흐름 전지의 효율 및 용량 저하를 방지할 수 있는 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지는 2차 전지의 일종으로서, 충전 또는 방전 과정을 통하여 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸거나 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하여 사용한다.
그러나 일반적인 2차 전지는 전극을 구성하는 물질 자체가 산화/환원 반응에 참여하는 반면에 레독스 흐름 전지는 전극 표면에 흐르는 전해액에 포함된 전해질이 산화/환원 반응을 일으켜 충전 및 방전이 수행된다는 점에서 차이가 있다.
이에 따라 레독스 흐름 전지는 전극 면적 및 전해액의 부피 조절을 통해 충전 또는 방전 용량을 설정할 수 있다.
이와 같은 레독스 흐름 전지는 충전 또는 방전이 반복적으로 수행되면서 그 효율이 점차 감소하게 된다. 레독스 흐름 전지의 효율 저하를 초래하는 가장 중요한 원인은 전지의 내부 저항 증가이다. 전지의 내부 저항이 증가하는 원인으로는 전지 소재의 열화, 접촉 저항의 증가, 이물질의 유입 및 전극의 반응성 감소 등을 들 수 있다.
특히, 레독스 흐름 전지의 충전 또는 방전 과정의 말기에서는 전해액에 포함된 전해질의 이온 농도가 국소적으로 급증하게 되고, 이에 따라 전극의 표면에 전해질의 산화물이 고체 형태로 석출된다. 이와 같이 전극 표면에 고체의 석출물이 생성될 경우 산화/환원 반응에 관여하는 전극의 표면적이 감소하며, 이는 전극의 반응성 감소로 이어진다.
종래 기술에 따르면, 레독스 흐름 전지의 운전 중 석출물 발생을 억제하기 위해 전해액의 농도 및 운전 온도를 제한적으로 설정하거나, 전지의 충전 상태(State Of Charge, SOC)를 일정 레벨 이하로 제한한다.
또한, 이와 같은 석출물을 제거하기 위하여 알칼리 용액을 전지 내에 혼입시키거나, 전극을 분해한 후 세정액 등으로 세척하는 방법이 사용되기도 한다.
그러나 이와 같이 레독스 흐름 전지의 운전 조건을 제한하거나 운전을 정지시키는 종래의 방법은 레독스 흐름 전지의 또 다른 효율 저하를 일으키는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 레독스 흐름 전지의 운전 과정에서 발생하는 석출물을 질소가스를 이용하여 제거 및 세척함으로써 레독스 흐름 전지의 효율 및 용량 저하를 방지할 수 있는 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지는 제1전해액이 저장되는 제1전해조와; 제2전해액이 저장되는 제2전해조와; 상기 제1전해액과 상기 제2전해액이 공급되고, 상기 제1전해액과 상기 제2전해액의 산화 환원 반응에 의해 충전 및 방전이 이루어지는 적어도 하나 이상의 전지셀을 포함하는 스택부와; 상기 제1전해조에서 상기 스택부로 상기 제1전해액을 공급하는 제1공급부와; 상기 제2전해조에서 상기 스택부로 상기 제2전해액을 공급하는 제2공급부와; 상기 스택부 내에서 생성되는 석출물을 세척 및 제거하기 위한 세척유닛과; 상기 제1공급부 및 제2공급부와, 상기 세척유닛의 동작을 제어하는 제어부;를 구비하고, 상기 세척유닛은 상기 스택부내로 질소 가스를 공급하는 질소가스공급부와, 상기 스택부 내로 공급된 질소가스를 포집하여 외부로 배출하는 질소가스배출부와, 상기 질소가스에 의해 상기 스택부에서 침전되는 석출물을 상기 스택부 외부로 배출시키는 석출물배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1공급부는 일 단이 상기 제1전해조에 연결되고 타 단은 상기 스택부에 연결되는 제1공급관과, 상기 제1공급관에 설치되는 제1순환펌프와, 일 단이 상기 스택부에 연결되고 타 단은 상기 제1전해조에 연결되는 제1회수관을 포함하고, 상기 제2공급부는 일 단이 상기 제2전해조에 연결되고 타 단은 상기 스택부에 연결되는 제2공급관과, 상기 제2공급관에 설치되는 제2순환펌프와, 일 단이 상기 스택부에 연결되고 타 단은 상기 제2전해조에 연결되는 제2회수관을 포함하며, 상기 질소가스공급부는 질소가스가 저장되는 질소탱크와, 일 단이 상기 질소탱크에 연결되고 타 단은 상기 제1공급관과 상기 제2공급관에 각각 연결되는 질소가스공급관과, 상기 질소가스공급관에 설치되는 레귤레이터 및 상기 질소가스공급관을 개폐하는 개폐밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 질소가스배출부는 상기 스택부의 상부에 일 단이 연결되고 타 단은 상기 스택부 상부로 연장되어 상기 스택부 상부로 모이는 질소가스가 포집되는 질소가스포집관과, 상기 질소가스포집관에 설치되어 평상시 상기 질소가스포집관을 폐쇄시키고 상기 질소가스포집관 내의 압력이 일정 압력치 이상이 되면 상기 질소가스포집관을 개방하여 상기 질소가스포집관 내의 질소가스를 외기로 배출시키는 질소가스배출밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 석출물배출부는 상기 스택부의 하부에 일 단이 연결되고 타 단은 상기 스택부 하부로 연장되어 상기 스택부 하부로 침전되는 석출물이 포집되는 드레인관과, 상기 드레인관에 설치되어 상기 드레인관을 개폐하는 드레인밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 질소가스공급부의 상기 개폐밸브를 개방시, 상기 제1전해액 및 상기 제2전해액의 순환방향을 설정된 주기로 전환시키도록 상기 제1순환펌프 및 상기 제2순환펌프의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지는 레독스 흐름 전지의 운전 과정에서 발생하는 석출물을 질소가스를 이용하여 제거 및 세척하고, 순환펌프의 동작을 정역으로 전환하여 역세함으로써 레독스 흐름 전지의 효율 및 용량 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지의 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지의 제어계통을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지의 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지의 제어계통을 나타낸 블록도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3에는 본 발명에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지가 도시되어 있다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지는 제1전해조(11)와, 제2전해조(12)와, 스택부(20)와, 제1공급부(30)와, 제2공급부(40)와, 세척유닛과, 제어부(90)를 구비한다.
제1전해조(11)는 활물질을 포함하는 제1전해액이 저장되고, 제2전해조(12)는 활물질을 포함하는 제2전해액이 저장된다.
스택부(20)는 적어도 하나 이상의 전지셀을 포함하여 구성되며, 각 전지셀은 제1전해액이 공급되는 양극셀(21)과, 제2전해액이 공급되는 음극셀(22)과, 양극셀(21)과 음극셀(22) 사이에 개재되는 멤브레인(23)을 포함하여 구성된다. 스택부(20)는 제1전해액과 제2전해액이 각각 양극셀(21)과 음극셀(22)에서 산화 환원 반응이 이루어지면서 충전 및 방전이 이루어진다.
제1공급부(30)는 제1전해조(11)에서 스택부(20), 더욱 상세하게는 양극셀(21)로 제1전해액을 공급하는 것으로서, 제1공급관(31)과, 제1순환펌프(32)와, 제1회수관(33)을 포함하여 구성된다.
제1공급관(31)은 일 단이 제1전해조(11)에 연결되고 타 단은 스택부(20)에 연결된다.
제1순환펌프(32)는 제1공급관(31)에 설치되어 제1전해조(11) 내의 제1전해액을 펌핑하여 스택부(20)로 공급한다.
제1회수관(33)은 일 단이 스택부(20)에 연결되고 타 단은 제1전해조(11)에 연결되어 양극셀(21)을 통과하면서 반응이 이루어진 제1전해액을 제1전해조(11)로 회수한다.
제2공급부(40)는 제2전해조(12)에서 스택부(20), 더욱 상세하게는 음극셀(22)로 제2전해액을 공급하는 것으로서, 제2공급관(41)과, 제2순환펌프(42)와, 제2회수관(43)을 포함하여 구성된다.
제2공급관(41)은 일 단이 제2전해조(12)에 연결되고 타 단은 스택부(20)에 연결된다.
제2순환펌프(42)는 제2공급관(41)에 설치되어 제2전해조(12) 내의 제2전해액을 펌핑하여 스택부(20)로 공급한다.
제2회수관(43)은 일 단이 스택부(20)에 연결되고 타 단은 제2전해조(12)에 연결되어 음극셀(22)을 통과하면서 반응이 이루어진 제2전해액을 제2전해조(12)로 회수한다.
세척유닛은 스택부(20) 내에서 생성되는 석출물을 세척 및 제거하는 것으로서, 스택부(20) 내로 질소 가스를 공급하는 질소가스공급부(60)와, 스택부(20) 내로 공급된 질소가스를 포집하여 외부로 배출하는 질소가스배출부(70)와, 질소가스에 의해 스택부(20)에서 침전되는 석출물을 스택부(20) 외부로 배출시키는 석출물배출부(80)를 포함하여 구성된다.
질소가스공급부(60)는 질소탱크(61)와, 질소가스공급관(62)과, 레귤레이터(63)와, 개폐밸브(64)를 포함하여 구성된다.
질소탱크(61)는 스택부(20)로 질소가스를 공급하기 위한 질소 가스가 저장된다.
질소가스 공급관은 질소탱크(61)에 연결되고 타 단은 제1공급관(31)과 제2공급관(41)에 각각 연결된다. 질소가스공급관(62)의 타 단은 2개로 분기되어 제1공급관(31)과 제2공급관(41)에 각각 연결된다.
레귤레이터(63)는 질소가스공급관(62)에 설치되어 질소탱크(61)에서 공급되는 고압의 질소가스를 설정된 압력으로 조정하여 제1공급관(31)과 제2공급관(41)에 각각 공급한다.
개폐밸브(64)는 후술하는 제어부(90)에 의해 작동되어 질소가스공급관(62)을 개폐한다.
질소가스공급부(60)에서 공급되는 질소는 방울형태로 스택부(20) 내부로 공급되어 스택부(20) 내의 석출물을 전지셀 전극 및 멤브레인(23)으로부터 탈리시킴으로써 전지셀 및 멤브레인(23)을 세척할 수 있다.
질소가스배출부(70)는 질소가스포집관(71)과, 질소가스배출밸브(72)를 포함하여 구성된다.
질소가스포집관(71)은 스택부(20)의 상부에 일 단이 연결되고 타 단은 스택부(20) 상부로 연장되어 스택부(20) 상부로 모이는 질소가스를 포집한다.
질소가스배출밸브(72)는 질소가스포집관(71)에 설치되어 평상시 질소가스포집관(71)을 폐쇄시키고 질소가스포집관(71) 내의 압력이 일정 압력치 이상이 되면 질소가스포집관(71)을 개방하여 질소가스포집관(71) 내의 질소가스를 외기로 배출시킨다. 질소가스배출밸브(72)는 통상의 압력밸브를 적용할 수 있다.
석출물배출부(80)는 드레인관(81)과, 드레인밸브(82)를 포함하여 구성된다.
드레인관(81)은 스택부(20)의 하부에 일 단이 연결되고 타 단은 스택부(20) 하부로 연장되어 스택부(20) 하부로 낙하 및 침전되는 석출물을 포집한다.
드레인밸브(82)는 드레인관(81)에 설치되고 제어부(90)에 의해 작동되어 드레인관(81)을 개폐시킨다.
제어부(90)는 제1공급부(30)의 제1순환펌프(32)와, 제2공급부(40)의 순환펌프와, 세척유닛의 개폐밸브(64), 질소가스배출밸브(72), 드레인밸드 등의 동작을 각각 제어한다.
제어부(90)는 질소가스공급부(60)의 개폐밸브(64)를 개방시, 제1전해액 및 제2전해액의 순환방향을 설정된 주기로 전환시켜 스택부(20) 내의 제1전해액 및 제2전해액이 순방향 역방향으로 유동하면서 맥동류가 형성될 수 있게 제1순환펌프(32) 및 제2순환펌프(42)의 동작을 제어할 수 있다. 스택부(20) 내에서 발생하는 맥동류는 전지셀의 전극 및 멤브레인(23)에 부착 및 고착된 석물출을 탈리시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지는 첨부된 도면을 참조로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호의 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해서만 정해져야 할 것이다.
11 : 제1전해조
12 : 제2전해보
20 : 스택부
21 : 양극셀
22 : 음극셀
23 : 멤브레인
30 : 제1공급부
40 : 제2공급부
60 : 질소가스공급부
70 : 질소가스배출부
80 : 석출물배출부
90 : 제어부
12 : 제2전해보
20 : 스택부
21 : 양극셀
22 : 음극셀
23 : 멤브레인
30 : 제1공급부
40 : 제2공급부
60 : 질소가스공급부
70 : 질소가스배출부
80 : 석출물배출부
90 : 제어부
Claims (5)
- 제1전해액이 저장되는 제1전해조와;
제2전해액이 저장되는 제2전해조와;
상기 제1전해액과 상기 제2전해액이 공급되고, 상기 제1전해액과 상기 제2전해액의 산화 환원 반응에 의해 충전 및 방전이 이루어지는 적어도 하나 이상의 전지셀을 포함하는 스택부와;
상기 제1전해조에서 상기 스택부로 상기 제1전해액을 공급하는 제1공급부와;
상기 제2전해조에서 상기 스택부로 상기 제2전해액을 공급하는 제2공급부와;
상기 스택부 내에서 생성되는 석출물을 세척 및 제거하기 위한 세척유닛과;
상기 제1공급부 및 제2공급부와, 상기 세척유닛의 동작을 제어하는 제어부;를 구비하고,
상기 세척유닛은 상기 스택부 내로 질소 가스를 공급하는 질소가스공급부와, 상기 스택부 내로 공급된 질소가스를 포집하여 외부로 배출하는 질소가스배출부와, 상기 질소가스에 의해 상기 스택부에서 침전되는 석출물을 상기 스택부 외부로 배출시키는 석출물배출부를 포함하고,
상기 제1공급부는 일 단이 상기 제1전해조에 연결되고 타 단은 상기 스택부에 연결되는 제1공급관과, 상기 제1공급관에 설치되는 제1순환펌프와, 일 단이 상기 스택부에 연결되고 타 단은 상기 제1전해조에 연결되는 제1회수관을 포함하고,
상기 제2공급부는 일 단이 상기 제2전해조에 연결되고 타 단은 상기 스택부에 연결되는 제2공급관과, 상기 제2공급관에 설치되는 제2순환펌프와, 일 단이 상기 스택부에 연결되고 타 단은 상기 제2전해조에 연결되는 제2회수관을 포함하고,
상기 질소가스공급부는 질소가스가 저장되는 질소탱크와, 일 단이 상기 질소탱크에 연결되고 타 단은 상기 제1공급관과 상기 제2공급관에 각각 연결되는 질소가스공급관과, 상기 질소가스공급관에 설치되는 레귤레이터 및 상기 질소가스공급관을 개폐하는 개폐밸브를 포함하며,
상기 질소가스배출부는 상기 스택부의 상부에 일 단이 연결되고 타 단은 상기 스택부 상부로 연장되어 상기 스택부 상부로 모이는 질소가스가 포집되는 질소가스포집관과, 상기 질소가스포집관에 설치되어 평상시 상기 질소가스포집관을 폐쇄시키고 상기 질소가스포집관 내의 압력이 일정 압력치 이상이 되면 상기 질소가스포집관을 개방하여 상기 질소가스포집관 내의 질소가스를 외기로 배출시키는 질소가스배출밸브를 포함하고,
상기 제어부는 상기 질소가스공급부의 상기 개폐밸브를 개방시, 상기 제1전해액 및 상기 제2전해액의 순환방향을 설정된 주기로 전환시켜 상기 스택부 내의 상기 제1전해액 및 상기 제2전해액이 순방향 역방향으로 유동하면서 맥동류가 형성될 수 있게 상기 제1순환펌프 및 상기 제2순환펌프의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 석출물배출부는 상기 스택부의 하부에 일 단이 연결되고 타 단은 상기 스택부 하부로 연장되어 상기 스택부 하부로 침전되는 석출물이 포집되는 드레인관과, 상기 드레인관에 설치되어 상기 드레인관을 개폐하는 드레인밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 이온 석출 문제를 개선한 레독스 흐름 전지.
- 삭제
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