KR102559887B1 - 전기추진시스템용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크 및 이를 가지는 레독스흐름전지 장치 - Google Patents

전기추진시스템용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크 및 이를 가지는 레독스흐름전지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크를 제공한다. 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크는 전해질의 회수구와 공급구가 구비되며, 전해질을 수용하는 탱크본체; 상기 탱크본체의 내부 공간에 위치하며, 상기 전기추진이동체의 운동으로 인해, 상기 탱크본체의 상하방향인 Z축을 축으로한 요잉(Yawing), 상기 전기추진이동체의 이동방향인 X축을 축으로 하는 롤링(Rolling) 및 Y축을 축으로 하는 피칭(Pitching)으로 인한 상기 전해질의 슬로싱(sloshing)을 억제하도록 복수의 격벽을 가지는 격벽부; 및 상기 내부 공간에서 상기 격벽부의 상측에 구비되며 상기 회수구로 유입되는 전해질을 상기 격벽부측으로 유입시키는 깔대기부를 포함한다.

Description

전기추진시스템용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크 및 이를 가지는 레독스흐름전지 장치{Redox flow battery electrolyte storage tank for electric propulsion system and redox flow battery device having the same}
본 발명은 전기추진시스템용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크 및 이를 가지는 레독스흐름전지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체 전해질의 슬로싱이 억제되어 전기추진시스템을 갖는 자동차, 항공기 또는 선박의 에너지저장장치로 사용될 수 있는 레독스흐름전지용 전해질 저장탱크 및 이를 가지는 레독스흐름전지 장치에 관한 것이다.
CO2 및 오염가스 배출에 따른 환경오염 감소를 위해 자동차, 항공기 또는 선박은 전기추진(엔진) 시스템을 사용할 수 있다. 이러한 전기추진 시스템 내지 전기 이동성(electric mobility) 시스템의 에너지저장 장치로는, 160~255Wh/㎏의 고 에너지밀도와 3.6V의 높은 기전력을 갖는 리튬이온전지(lithium ion battery: LIB) 가장 많이 사용되고 있다.
이러한 이점에도 불구하고 LIB는 대기의 산소나 습도와의 높은 반응성과 과열에 따른 화재와 폭발의 위험성이 존재하며, 또한 자체열화로 수명이 2~3년으로 짧고 온도가 높을수록 노화(0oC-약 6%, 25oC-약 20%, 40oC- 약 35%의 용량(수명) 감소)가 가속화되는 치명적인 단점이 있다.
최근 LIB의 잦은 폭발과 화재에 따른 치명적인 문제점이 부각됨에 따라, RFB(Redox Flow Battery)가 새로운 대안으로 고려되고 있다. RFB는 LIB에 비해 에너지밀도와 기전력은 낮으나, 수계 전해질을 사용하는 이차전지로서 화재나 폭발의 위험이 전무하고, 20~30년의 긴 수명을 가져서 매우 낮은 에너지 비용(LCOE)을 갖는 장점이 있다.
그 결과 2025년도까지 전세계 2차전지 시장의 40%를 RFB가 점유할 것으로 예측되었으며, 향후 신 재생에너지 시장의 급격한 성장에 따른 점유율은 LIB를 앞설 것으로 전망된다.
RFB 시스템은 스택(stack: cell array), 음극 전해질 저장탱크 및 양극 전해질 저장탱크, 그리고 펌프를 포함할 수 있다. 충방전 동안 양극과 음극 탱크에 저장되어 있는 각 전해질은 펌프를 통하여 스택, 구체적으로는 스택을 구성하고 있는 셀들의 내부에 유입되어 산화·환원 반응을 수행한 후 다시 전해질 저장탱크로 순환된다. 이러한, 화학반응 과정은 충방전이 완료될 때까지 반복된다.
RFB는 전력이 생산되는 스택과 전해질의 저장이 분리되어 대형화가 용이하고 설계가 간단하여 대용량 ESS 등의 다양한 분야에서 활용되고 있다. 만약, RFB 시스템을 자동차, 항공기 또는 선박용 전기추진(엔진)장치의 ESS로 적용할 경우 폭발이나 화재 위험성이 없는 최고의 안전성을 제공할 수 있다.
도 1은 ESS를 탑재한 전기추진이동체들의 움직임을 설명하기 위한 도면이다.
그러나, 자동차, 항공기 또는 선박 등이 운동을 함에 따라 도 1에 도시한 바와 같은 다양한 진동과 흔들림으로 인하여 RFB 양극 및 음극 전해질 저장탱크 속에 있는 유체 전해질의 슬로싱(sloshing)이 발생하게 된다. 이러한 슬로싱은 매우 심각한 RFB 성능 감소(출력과 에너지 용량 손실 등)의 원인이 된다. 즉, 외부 진동과 흔들림에 따른 RFB 양극과 음극 전해질 저장탱크 내 유체 전해질의 불규칙하고 거친 슬로징은 탱크 내부 유체 동역학 변화를 유발한다. 이로 인해 스택에 입력 및 출력되는 전해질의 유속, 또는 유량이 변화된다. 이러한 변화에 따라 효율 감소 외에도 양극과 음극 레독스 커플들의 산화환원 반응 속도 불일치가 야기되어 RFB의 성능에 커다란 영향을 미치게 된다. 따라서 전기추진(엔진)시스템에서 RFB-ESS 성능의 항상성을 제공하기 위하여, 진동이나 흔들림(pitching, rolling, yawing)에 따른 탱크 속 전해질의 슬로싱 방지 및 유동성 제어 기술의 개발이 매우 요청되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 유체 전해질의 슬로싱이 억제되어 전기추진시스템을 갖는 자동차, 항공기 또는 선박의 에너지저장장치로 사용될 수 있는 레독스흐름전지용 전해질 저장탱크 및 이를 가지는 레독스흐름전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크를 제공한다. 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크는 전해질의 회수구와 공급구가 구비되며, 전해질을 수용하는 탱크본체; 상기 탱크본체의 내부 공간에 위치하며, 상기 전기추진이동체의 운동으로 인해, 상기 탱크본체의 상하방향인 Z축을 축으로한 요잉(Yawing), 상기 전기추진이동체의 이동방향인 X축을 축으로 하는 롤링(Rolling) 및 Y축을 축으로 하는 피칭(Pitching)으로 인한 상기 전해질의 슬로싱(sloshing)을 억제하도록 복수의 격벽을 가지는 격벽부; 및 상기 내부 공간에서 상기 격벽부의 상측에 구비되며 상기 회수구로 유입되는 전해질을 상기 격벽부측으로 유입시키는 깔대기부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 격벽부는 상기 복수의 격벽으로서, 상기 Z축 둘레를 따라 곡면 형태로 형성되며 상기 Z축 방향으로 신장된 제1 격벽; 상기 제1 격벽의 외측면으로부터 수평방향(XY평면)으로 연장되는 수평 주면을 가지고, 상기 Z축 방향으로 복수개가 이격되게 배열되는 제2 격벽; 및 상기 제1 격벽의 외측면에서 상기 Z방향으로 연장되며 상기 수평 주면과 교차하는 수직 주면을 가지며, 복수개가 상기 Z축을 기준으로 방사형으로 배열되는 제3 격벽을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 격벽부의 하단이 상기 공급구가 형성된 상기 탱크본체의 바닥면으로부터 이격되도록 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 깔대기부는 상기 탱크본체 내의 전해질에 의해 부유하며 높이가 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 격벽은 상하로 개방되고, 상기 Z축에 수직한 단면을 기준으로 회오리 형태로 감긴 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 격벽은 상하로 개방된 원통 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2 격벽은 상기 수평 주면이 상기 Z축에 수직인 상태로 상기 제1 격벽의 외측면을 따라 연장되며, 상기 제3 격벽은 복수 개가 상기 제1 격벽의 외측면을 따라 상기 회오리 형태의 내측으로부터 외측으로 배열될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2 격벽은 상기 수평 주면이 상기 Z축에 수직인 고리 형상을 가지고 상기 제1 격벽이 상기 고리 형상을 관통하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 깔대기부의 하단은 하측으로 갈수록 좁아지며, 상기 제1 격벽이 감싸는 중심공간으로 연장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 격벽, 상기 제2 격벽 및 상기 제3 격벽에는 전해질 통로가 되는 복수의 홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상측의 홀보다 하측의 홀의 직경이 더 클 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 전기추진이동체용 레독스흐름전지 장치를 제공한다. 전기추진이동체용 레독스흐름전지 장치는 양극 전해질 및 음극 전해질이 각각 유입되어 충방전 화학반응이 일어나는 스택; 각기 상기 양극 전해질 및 상기 음극 전해질을 상기 스택으로 공급하는 적어도 하나의 펌프; 및 상기 적어도 하나의 펌프에 연결되어 양극 전해질 및 음극 전해질을 공급하되, 상기 탱크본체, 상기 격벽부 및 상기 깔대기부를 포함하여, 상기 전기추진이동체의 운동으로 인한 전해질의 슬로싱을 억제하는 양극 전해질 저장탱크 및 음극 전해질 저장탱크를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, RFB 저장탱크 기하학적인 구조는 움직이는 전기추진이동체에 의하여 발생되는 내부 액체 전해액의 슬로싱에 따른 동적 부하를 분산 처리함으로써 전지 에너지효율 및 용량(capacity) 손실을 최소화할 수가 있다.
본 발명의 실시예에서, 이동체 움직임 조건(가속도 0.5이상)에서 100 사이클 성능 평가한 결과, 본 실시예의 전해질 저장탱크를 포함하는 경우 전지의 에너지 효율 및 방전 용량이 매우 우수한 것을 알 수가 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 전해질 저장탱크에 저장된 액체 전해질이 강산성의 유독성 물질로 고유한 전기화학적 특성 외에도, 충방전 시 연속된 유속(by 펌프)으로 스택과 전해질 저장탱크 간 순환 해야하는 까다로운 운전조건들을 충족할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 ESS를 탑재한 전기추진이동체들의 움직임을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레독스흐름전지용 전해질 저장탱크를 가지는 RFB 전지 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 전기추진이동체 움직임에 따른 전해질 저장탱크 내 유체 전해질의 슬로싱을 XYZ 회전축을 기준으로 롤링, 피칭 및 요잉 성분비로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스흐름전지용 전해질 저장탱크를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 저장탱크의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 4의 저장탱크의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레독스흐름전지용 전해질 저장탱크를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7의 저장탱크를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레독스흐름전지용 전해질 저장탱크를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9의 저장탱크를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 RFB 전지 장치에 대한 테스트를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 테스트에서 에너지효율 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 테스트에서 방전용량 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 테스트에서 충방전 특성의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 테스트 결과를 나타내는 표이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레독스흐름전지용 전해질 저장탱크를 가지는 RFB 전지 장치를 나타낸 도면이다.
전기추진이동체용 레독스흐름전지(Redox flow battery) 장치(도 2 참조)는 자동차, 선박, 항공기 등 전기추진(엔지) 시스템을 사용하는 이동 장치에 적용될 수 있다. RFB는 전력이 생산되는 스택과 전해질의 저장이 분리되어 대형화가 용이하고 설계가 간단하여 대용량 ESS 등의 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
전기추진이동체용 레독스흐름전지 장치는 스택(stack: cell array), 음극 전해질 저장탱크 및 양극 전해질 저장탱크 및 펌프들을 포함할 수 있다.
스택으로 양극 전해질 및 음극 전해질이 각각 유입되어 충방전 화학반응이 일어난다.
각 펌프는 양극 전해질 저장탱크 및 음극 전해질 저장탱크로부터 양극 전해질 및 상기 음극 전해질을 스택으로 공급한다.
충방전 동안 양극 전해질 저장탱크과 음극 전해질 저장탱크에 저장되어 있는 각 전해질은 펌프를 통하여 스택, 구체적으로는 스택을 구성하고 있는 셀들의 내부에 유입되어 산화·환원 반응을 수행한 후 다시 양극 전해질 저장탱크 및 음극 전해질 저장탱크로 순환된다. 이러한, 화학반응 과정은 충방전이 완료될 때까지 반복된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크(100)는 양극 전해질 저장탱크 및 음극 전해질 저장탱크에 적용될 수 있다. 이하, 본 실시예의 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크를 전해질 저장탱크(100)로 지칭한다.
종래에는 전기추진이동체의 운동에 따른 흔들림으로 인하여 RFB 전해질 저장탱크 속에 있는 유체 전해질의 슬로싱(sloshing)이 발생하게 된다. 이러한 슬로싱은 매우 심각한 RFB 성능 감소, 즉 출력과 에너지 용량 손실 등의 원인이 된다.
본 실시예의 전해질 저장탱크(100)는 적어도 하나의 펌프에 연결되어 양극 전해질 또는 음극 전해질을 공급하되, 후술될 탱크본체, 격벽부 및 깔대기부와 같은 특수한 구조를 가지므로 탱크 내의 전해질의 슬로싱을 효과적을 방지할 수 있다. 이에 따라 슬로싱으로 인한 전기추진이동체용 RFB 장치의 출력 및 에너지 용량 손실이 현저히 감소되어 향상된 성능을 제공할 수 있다.
도 3은 전기추진이동체 움직임에 따른 전해질 저장탱크 내 유체 전해질의 슬로싱을 XYZ 회전축을 기준으로 롤링, 피칭, 요잉 성분비로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 전기추진이동체의 운동을 x y z축 기준으로 모델링하여 슬로싱을 분석할 수 있다. 전기추진이동체의 진행방향을 x축으로 하고, x축과 수직한 수평방향을 y축으로 하고, 상하방향을 z축으로 설정할 수 있다.
이 경우, 자동차나 선박 등의 운동에 따라 전해질 저장탱크도 흔들리거나 움직이게 되고, 이에 따라 전해질 저장탱크 내의 전해질도 움직일 수 있다. 이러한 전해질 저장탱크의 움직임을 x축을 중심으로 회전하는 롤링(rolling), y축을 중심으로 회전하는 피칭(pitching), z축을 중심으로 회전하는 요잉(yawing) 성분으로 분리할 수 있다.
본 실시예의 전해질 저장탱크(100)는 이러한 전해질의 움직임으로 인한 동적부하를 해소함으로써 슬로싱 발생을 억제할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스흐름전지용 전해질 저장탱크를 나타내는 도면이다. 도 5는 도 4의 저장탱크의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 도 4의 저장탱크의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예의 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크(이하, 전해질 저장탱크)는 탱크본체(110), 격벽부(130) 및 깔대기부(150)를 포함한다.
탱크본체(110)는 상단 측면에 회수구와 하단 바닥에 공급구를 가질 수 있다. 탱크본체(110)는 레독스흐름전지의 양극 전해질 또는 음극 전해질을 저장할 수 있다. 스택으로부터 회수되는 전해질이 회수구를 통해 탱크본체(110)로 유입되고, 공급구를 통해 펌프를 경유하여 다시 스택으로 공급될 수 있다.
탱크본체(110)의 소재는 산성 및 염기성에 내성을 가진 폴리머를 포함하고, 상기 폴리머는 PP(Polypropylene), PBT(Polybutylene trrephthalate), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PVC(Polyvinyl chloride), PE(Polyethylene), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 계열 또는 이들의 혼합형 소재를 포함할 수 있다.
격벽부(130)는 탱크본체(110)의 내부 공간에 위치하며, 복수의 격벽을 포함한다. 전기추진이동체의 운동으로 인해, 탱크본체(110)의 상하방향인 Z축을 축으로한 요잉(Yawing), 전기추진이동체의 이동방향인 X축을 축으로 하는 롤링(Rolling) 및 Y축을 축으로 하는 피칭(Pitching)이 발생될 수 있다. 격벽부(130)의 특수한 구조는 탱크본체(110)의 이러한 운동으로 인한 전해질의 슬로싱(sloshing)을 방지 또는 억제할 수 있다.
격벽부(130)는 전해질 저장탱크(100)와 동일한 소재로 이루어질 수 있다. 모든 격벽의 구조는 전해질 슬로싱 부하의 효과적인 분산을 위하여 곡선, 라운딩, 굴곡면 또는 이와 유사한 형태를 갖는 곡면으로 형성될 수 있다.
깔대기부(150)는 내부 공간에서 격벽부(130)의 상측에 구비될 수 있다. 깔대기부(150)는 회수구로 유입되는 전해질을 격벽부(130)측으로 유입시킬 수 있다. 예를 들어, 깔대기부(150)는 탱크본체(110) 내의 전해질에 의해 부유하며 높이가 조절될 수 있다. 따라서, 격벽부(130)의 상단과 깔대기부 사이에서 전해질이 요동치는 것을 억제할 수 있다. 깔대기부의 하단은 하측으로 갈수록 좁아지며, 격벽부(130)의 중심 공간측으로 연장될 수 있다.
상기 격벽부(130)는 상기 복수의 격벽으로서, 제1 격벽(131), 제2 격벽(132) 및 제3 격벽(133)을 포함할 수 있다.
제1 격벽(131)은 Z축 둘레를 따라 곡면 형태로 형성되며 Z축 방향으로 신장된 형상을 가질 수 있다. 본 실시예에서, 제1 격벽(131)은 상하로 개방되고, Z축에 수직한 단면(xy평면)을 기준으로 대략 회오리 형태로 감긴 형상을 가질 수 있다. 깔대기부의 하단부가 제1 격벽(131)이 감싸는 중심공간으로 연장될 수 있다.
제2 격벽(132)은 제1 격벽(131)의 외측면으로부터 수평방향(XY평면)으로 연장되는 수평 주면을 가지고, Z축 방향으로 복수개가 이격되게 배열될 수 있다. 제2 격벽(132)은 수평 주면이 상기 Z축에 수직인 상태로 제1 격벽(131)의 외측면을 따라 연장될 수 있다. 따라서 제2 격벽(132)은 도 5에 도시된 바와 같이 곡선형 내지 곡면형상을 가질 수 있다.
제3 격벽(133)은 제1 격벽(131)의 외측면에서 Z방향으로 연장되며 수평 주면과 교차하는 수직 주면을 가질 수 있다. 제3 격벽(133)은 복수개가 Z축을 기준으로 대략 방사형으로 배열될 수 있다. 제3 격벽(133)은 복수 개가 제1 격벽(131)의 외측면을 따라 상기 회오리 형태의 내측으로부터 외측으로 배열될 수 있다.
격벽부(130)의 하단이 공급구가 형성된 탱크본체(110)의 바닥면으로부터 이격되도록 위치할 수 있다. 예를 들어, 격벽부(130)와 탱크본체(110)의 내측면 사이에 고정구조가 구비되어 격벽부(130)를 지지함으로써, 탱크본체(110)의 바닥면과 격벽부(130) 하단 사이에 공간을 확보하여 전해질이 공급구로 원활하게 배출되도록 할 수 있다.
격벽부(130)와 전해질 저장탱크(100)의 내측면 사이에는 공간이 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이 지지부가 그 사이에 구비될 수 있다. 물론 격벽부(130)가 전해질 저장탱크(100)의 내측면에 접촉하여 붙어 있는 실시예도 가능하다.
다시 도 6을 참조하면, 깔대기부(150)가 유체표면에 부유하면서 상하로 조절된다. 이에 의해 유체 표면의 슬로싱이 방지된다. 깔대기부가 단순히 저장탱크(100) 내부 상측에 고정되는 경우도 가능하다.
한편 제1 격벽(131)은 전기추진이동체의 진행방향을 x축으로 할때, x축 방향회전 즉, x축을 회전축으로 한 롤링 발생시 유체의 하중을 해소 내지 상쇄하도록 형상을 가진다. 따라서 제1 격벽(131)은 롤링에 의해 전해질에 슬로싱이 발생하는 것을 억제 내지 방지할 수 있다.
한편 제2 격벽(132)은 y축 방향회전 즉 피칭 발생시 유체의 하중을 해소 내지 상쇄하도록 형상을 가진다. 따라서 제2 격벽(132)은 피칭에 의해 전해질에 슬로싱이 발생하는 것을 억제 내지 방지할 수 있다.
또한, 제3 격벽(133)은 z축 방향회전 즉 요잉 발생시 유체의 하중을 해소 내지 상쇄하도록 형상을 가진다. 따라서 제3 격벽(133)은 요잉에 의해 전해질에 슬로싱이 발생하는 것을 억제 내지 방지할 수 있다.
본 실시예의 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크(100)는 전기추진이동체의 에너지저장장치로 레독스흐름전지 적용에 있어서 움직임에 따른 에너지효율 및 저장용량 등의 성능 감소를 방지할 수 있다. 즉, 외부 흔들림이나 진동에 따른 전해질 저장탱크(100) 내 전해질 슬로싱에 의한 동적 부하를 3가지 동적 구성요소(rolling, pitching, yawing)들로 모델화하여 이를 해소할 격벽부(130)를 구비함으로써, 슬로싱을 방지하고, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 장치의 출력 및 에너지 저장용량 손실을 억제할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레독스흐름전지용 전해질 저장탱크를 나타내는 도면이다. 도 8은 도 7의 저장탱크를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8에 제시된 실시예는 격벽의 형상을 제외하고는 도 4 내지 도 6에서 설명된 전해질 저장탱크(100)와 실질적으로 동일하다.
도 7 및 도 8에서 제1 격벽(131)은 상하로 개방된 원통 형상을 가질 수 있다. 제2 격벽(132)은 수평 주면이 Z축에 수직인 고리 형상을 가지고, 상기 제1 격벽(131)이 상기 고리 형상을 관통하도록 배치될 수 있다. 제3 격벽(133)은 방사형으로 배열될 수 있다.
상기 제1 격벽(131), 상기 제2 격벽(132) 및 상기 제3 격벽(133)에는 전해질 통로가 되는 복수의 홀이 형성될 수 있다. 이러한 홀은 전해질이 원활하게 통과할 수 있는 크기로 형성될 수 있으며, 그 넓이의 합은 해당 격벽 넓이의 0.5배를 초과하지 않는 것이 바람직하며, 균일하게 분포될 수 있다. 또한, 상기 홀은 상측의 홀보다 하측의 홀의 직경이 더 클 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레독스흐름전지용 전해질 저장탱크를 나타내는 도면이다. 도 10은 도 9의 저장탱크를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10에 제시된 실시예는 격벽의 형상을 제외하고는 도 4 내지 도 6에서 설명된 전해질 저장탱크(100)와 실질적으로 동일하다.
도 9 및 도 10에서 제1 격벽(131)은 상하로 개방된 원통 형상을 가질 수 있다. 제1 격벽(131)은 도 7에 제시된 격벽과 유사하며 다만 직경이 감소하였다. 제2 격벽(132)은 도 7에 제시된 제2 격벽(132)과 유사하며 다만 개수가 감소하였다. 제3 격벽(133)은 도 7에 제시된 제3 격벽(133)과 유사하며 다만 개수가 증가하였다.
이와 같이, 격벽의 개수와 사이즈를 조절하여 슬로싱 방지를 위한 더욱 효과적인 구조를 찾을 수 있다.
이러한 격벽부(130)는 제1 격벽(131), 제2 격벽(132) 및 제3 격벽(133) 간에 전해질이 이동하지 못하도록 차폐되어 있지는 않지만, 이러한 격벽들이 복수의 방들 또는 셀들을 형성하며, 방 내지 셀 간에는 전해질의 슬로싱이 억제되고 방지될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 RFB 전지 장치에 대한 테스트를 설명하기 위한 도면이다.
도 11에는 레독스흐름전지 충방전 테스트를 위한 플렛폼의 일 예가 제시되어 있다. 전기추진이동체에 대응하는 기구가 구비되어 이동체의 움직임에 대응하는 가혹조건을 부가할 수 있다. 상기 기구는 가혹조건으로 가속도 0.5G 이상을 가할 수 있다. 이 기구에는 테스트 장치가 설치되어 본 실시예의 레독스흐름전지 장치, 및 종래의 레독스흐름전지 장치를 테스트할 수 있다.
도 12는 테스트에서 에너지효율 결과를 나타내는 그래프이다. 도 13은 테스트에서 방전용량 결과를 나타내는 그래프이다. 도 14는 테스트에서 충방전 특성의 결과를 나타내는 그래프이다. 도 15는 테스트 결과를 나타내는 표이다.
도 12 및 도 15의 테스트 결과는 도 11의 테스트 장치를 통해 본 발명 실시예와 기존의 장치를 테스트한 결과이다
이동체 움직임 조건(가속도 0.5 G 이상)에서 레독스 흐름전지 충방전 50 사이클 테스트를 진행하여 전지의 전압/에너지 효율 및 방전 용량을 비교한 결과들을 나타낸 것이다.
도 12를 참조하면, 에너지 효율에 있어서, 종래의 레독스흐름전지 장치, 즉, 깔대기부(150) 및 격벽부(130)를 가지지 않는 종래의 장치의 경우, 가혹조건 미적용시 사이클이 진행됨에 따라 에너지 효율이 현저히 감소하는 것을 알 수 있다. 가혹조건을 미적용시 에너지 효율은 사이클이 진행되어도 큰 변화가 없는 것을 알 수 있다. 이 상태는 운동체가 아닌 정지조건을 고려한 것으로 볼 수 있다. 한편, 운동체 조건, 가혹조건을 본 실시예의 레독스흐름전지 장치에 적용한 결과, 사이클이 진행되어도 초기의 상태에 비해 에너지 효율이 거의 감소되지 않고, 가혹조건 미적용시의 패턴과 같이 진행됨을 확인할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 레독스흐름전지 장치의 슬로싱 억제에 의한 효율저하가 방지된 결과로 볼 수 있다.
도 13을 참조하면, 방전용량에 있어서, 종래의 레독스흐름전지 장치, 즉, 깔대기부(150) 및 격벽부(130)를 가지지 않는 종래의 장치의 경우, 가혹조건 미적용시 사이클이 진행됨에 따라 방전용량이 현저히 감소하는 것을 알 수 있다. 가혹조건을 미적용시 방전용량은 사이클이 진행되어도 큰 변화가 없는 것을 알 수 있다. 이 상태는 운동체가 아닌 정지조건을 고려한 것으로 볼 수 있다. 한편, 운동체 조건, 가혹조건을 본 실시예의 레독스흐름전지 장치에 적용한 결과, 사이클이 진행되어도 초기의 상태에 비해 방전용량이 거의 감소되지 않고, 가혹조건 미적용시의 패턴과 같이 진행됨을 확인할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 레독스흐름전지 장치의 슬로싱 억제에 의한 방전용량 저하가 방지된 결과로 볼 수 있다.
도 14를 참조하면, 충방전 특성에 있어서, 종래의 레독스흐름전지 장치, 즉, 깔대기부(150) 및 격벽부(130)를 가지지 않는 종래의 장치의 경우, 가혹조건 미적용시 사이클이 진행됨에 따라 충방전 특성이 현저히 감소하는 것을 알 수 있다. 가혹조건을 미적용시 충방전 특성은 사이클이 진행됨에 따라 완만하게 감소되는 것을 알 수 있다. 이 상태는 운동체가 아닌 정지조건을 고려한 것으로 볼 수 있다. 한편, 운동체 조건, 가혹조건을 본 실시예의 레독스흐름전지 장치에 적용한 결과, 사이클이 진행됨에 따라 충방전 특성이 완만하게 감소하는 것을 알 수 있으며, 가혹조건 미적용시의 패턴과 같이 진행됨을 확인할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 레독스흐름전지 장치의 슬로싱 억제에 의한 충방전 특성의 저하가 방지된 결과로 볼 수 있다.
도 15를 참조하면, 평균 에너지효율과 50cycle 후 방전 용량(capacity) 비교에서 가혹 조건 가속도 0.5g 환경에서 본 발명을 미적용한 경우 가혹 조건 미적용(육상용 VRFB)에 비해 약 7% 에너지효율 감소와 약 99%의 치명적인 용량 감소를 나타내는 것을 알 수 있다. 반면, 본 발명의 실시예에 적용한 경우 단지 0.4%이하 에너지효율 감소와 약 2.5% 이하의 용량 감소를 나타낸 것을 알 수가 있다.
결론적으로, VRFB 탱크내 전해질 슬로싱은 치명적인 충방전 용량의 성능 감소를 야기함을 알 수가 있으며, 본 발명을 적용한 VRFB 전지의 성능이 매우 우수함을 알 수가 있다.
본 발명에 따른 실시예에 의하면, 전기추진이동체의 에너지저장장치로 레독스흐름전지를 적용함에 있어서, 진동과 흔들림으로 전지 성능의 치명적인 저하 원인이 되는 (양극 및 음극 전해질 저장탱크 속에 있는) 유체 전해질의 슬로싱 방지와 유동성 제어를 할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 외부 흔들림이나 진동으로 유발되는 저장탱크 내부 유체 전해질의 슬로싱에 따른 동적 부하를 XYZ축의 롤링(rolling), 피칭(pitching), 요잉(yawing) 등 3가지 동적 구성요소들로 모델화하였으며, 이를 기반으로 각각의 변환된 동적 부하에 대하여 적극적으로 해소할 수 있는 격벽 구조들을 제시하였다.
현재까지 국내외적으로 레독스흐름전지를 전기추진이동체의 에너지저장장치로 적용한 사례가 없었으며, 또한 전기추진이동체 적용에 따른 전해질 슬로싱 방지를 위한 저장탱크 내부에 격벽 구조를 도입한 사례 또한 없다.
이는 초대형 유조선 등에 적용하는 anti-sloshing bulkhead(swash bulkhead)를 설치하는 것과는 다른 개념으로 접근해야 한다. 즉, 본 발명을 통해 제시된 형상화된 저장탱크 내부 격벽 구조는 전해질 점성(농도) 및 화학적 특성 외에도 충방전에 따른 스택과 저장탱크 간 전해질 순환 연속성, 채널(: tank inlet/outlet) 위치와 이를 통한 전해질 유속 및 저장량(충전 중 물 넘김으로 인한 crossover를 고려하여 80%~90% 적재) 등을 함께 고려된 구조물이기 때문이다.
본 발명은 리튬이온전지에 비해 달리 폭발이나 화재 위험이 없고 20~30년 긴 수명을 갖는 레독스흐름전지를 움직임을 갖는 전기추진이동체의 에너지저장장치로의 적용에 관한 것으로, 현재까지의 레독스흐름전지의 경우 이동체 흔들림에 의한 저장탱크 내 유체 전해질의 (불규칙하고 거친) 슬로징은 (탱크 내부 유체 동역학 변화로) 스택 입출력 전해질 유량 변화뿐만 아니라 양극과 음극 레독스 커플들의 산화환원 반응 속도 불일치 등 매우 치명적인 성능감소 문제를 갖고 있다. 상기 서술한 문제점을 해결하고자 본 발명을 통한 저장탱크 설계 기술은 충방전을 수행하고 있는 전해질의 슬로싱을 롤링(rolling), 피칭(pitching), 요잉(yawing) 등 3가지 동적 구성요소들을 해소하는 구체화된 격벽 구조를 제공하여, 레독스흐름전지를 전기추진이동체 적용에 가능하게 하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
탱크본체(110)
격벽부(130)
깔대기부(150)
제1 격벽(131)
제2 격벽(132)
제3 격벽(133)

Claims (12)

  1. 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크에 있어서,
    전해질의 회수구와 공급구가 구비되며, 전해질을 수용하는 탱크본체;
    상기 탱크본체의 내부 공간에 위치하며, 상기 전기추진이동체의 운동으로 인해, 상기 탱크본체의 상하방향인 Z축을 축으로한 요잉(Yawing), 상기 전기추진이동체의 이동방향인 X축을 축으로 하는 롤링(Rolling) 및 Y축을 축으로 하는 피칭(Pitching)으로 인한 상기 전해질의 슬로싱(sloshing)을 억제하도록 제1 격벽 내지 제3 격벽을 포함하는 격벽부; 및
    상기 내부 공간에서 상기 격벽부의 상측에 구비되며 상기 회수구로 유입되는 전해질을 상기 격벽부측으로 유입시키는 깔대기부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 격벽 내지 제3 격벽을 포함하는 격벽부는,
    상기 Z축 둘레를 따라 곡면 형태로 형성되며 상기 Z축 방향으로 신장된 상기 제1 격벽;
    상기 제1 격벽의 외측면으로부터 수평방향(XY평면)으로 연장되는 수평 주면을 가지고, 상기 Z축 방향으로 복수개가 이격되게 배열되는 상기 제2 격벽; 및
    상기 제1 격벽의 외측면에서 상기 Z축 방향으로 연장되며 상기 수평 주면과 교차하는 수직 주면을 가지며, 복수개가 상기 Z축을 기준으로 방사형으로 배열되는 상기 제3 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 격벽부의 하단이 상기 공급구가 형성된 상기 탱크본체의 바닥면으로부터 이격되도록 위치하는 것을 특징으로 하는, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 깔대기부는 상기 탱크본체 내의 전해질에 의해 부유하며 높이가 조절되는 것을 특징으로 하는, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 격벽은 상하로 개방되고, 상기 Z축에 수직한 단면을 기준으로 회오리 형태로 감긴 형상을 가지는 것을 특징으로 하는, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 격벽은 상하로 개방된 원통 형상을 가지는 것을 특징으로 하는, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 격벽은 상기 수평 주면이 상기 Z축에 수직인 상태로 상기 제1 격벽의 외측면을 따라 연장되며,
    상기 제3 격벽은 복수 개가 상기 제1 격벽의 외측면을 따라 상기 회오리 형태의 내측으로부터 외측으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 격벽은 상기 수평 주면이 상기 Z축에 수직인 고리 형상을 가지고 상기 제1 격벽이 상기 고리 형상을 관통하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 깔대기부의 하단은 하측으로 갈수록 좁아지며, 상기 제1 격벽이 감싸는 중심공간으로 연장된 것을 특징으로 하는, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 격벽, 상기 제2 격벽 및 상기 제3 격벽에는 전해질 통로가 되는 복수의 홀이 형성된 것을 특징으로 하는, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상측의 홀보다 하측의 홀의 직경이 더 큰 것을 특징으로 하는, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 전해질 저장탱크.
  12. 전기추진이동체용 레독스흐름전지 장치에 있어서,
    양극 전해질 및 음극 전해질이 각각 유입되어 충방전 화학반응이 일어나는 스택;
    각기 상기 양극 전해질 및 상기 음극 전해질을 상기 스택으로 공급하는 적어도 하나의 펌프; 및
    상기 적어도 하나의 펌프에 연결되어 양극 전해질 및 음극 전해질을 공급하되, 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항의 상기 탱크본체, 상기 격벽부 및 상기 깔대기부를 포함하여, 상기 전기추진이동체의 운동으로 인한 전해질의 슬로싱을 억제하는 양극 전해질 저장탱크 및 음극 전해질 저장탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기추진이동체용 레독스흐름전지 장치.
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