KR102577876B1 - 에너지 저장을 향상시키는 플로우 배터리의 기계적 에너지 저장 - Google Patents

에너지 저장을 향상시키는 플로우 배터리의 기계적 에너지 저장 Download PDF

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Abstract

하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템은 이온교환막, 애노드 및 캐소드를 갖는 전기화학 셀, 양극액 탱크, 음극액 탱크, 하나 이상의 탱크 분리기, 복수의 전해액 통로들, 하나 이상의 터빈 및 하나 이상의 발전 회로를 포함한다. 상기 양극액 탱크는 상부 양극액 개구 아래에 위치한 하부 양극액 개구를 포함한다. 상기 음극액 탱크는 상부 음극액 개구 아래에 위치한 하부 음극액 개구를 포함한다. 상기 전해액 통로들은 상기 상부 및 하부 양극액 개구들과 상기 애노드 사이 및 상기 상부 및 하부 음극액 개구들과 상기 사이에서 연장된다. 상기 터빈들은 상기 전해액 통로들에 유동적으로 연결된다. 상기 탱크 분리기들은 상기 양극액 탱크 및 상기 음극액 탱크 중 하나 또는 양자 내에 위치하고, 상기 터빈들을 통해 상기 하부 양극액 및 음극액 개구들로부터 하방향으로 전해액 흐름을 유도하기 위해 병진이동가능하며, 수력발전으로 전력을 발생시킨다.

Description

에너지 저장을 향상시키는 플로우 배터리의 기계적 에너지 저장
본 출원은 2017년 1월 4일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/397991호의 우선권 이익을 주장한다.
본 개시물은 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시물은 탱크 분리기 및 터빈을 포함하는 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템을 위한 기술을 소개한다.
하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템과 관련한 개선된 구성 및 방법을 제공한다.
본 명세서의 주제에 따르면, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템은 전기화학 셀, 양극액 탱크, 음극액 탱크, 하나 이상의 탱크 분리기, 복수의 전해액 통로들, 하나 이상의 터빈 및 하나 이상의 발전 회로를 구비한다. 상기 전기화학 셀은 양극과 음극 사이에 위치하고 상기 양극과 상기 음극에 전기화학적으로 결합된 이온교환막을 포함한다. 상기 하나 이상의 발전 회로 중 적어도 하나는 상기 양극과 상기 음극에 전기적으로 연결된다. 상기 양극액 탱크는 상부 양극액 개구 및 상기 상부 양극액 개구 아래에 위치한 하부 양극액 개구를 포함한다. 상기 음극액 탱크는 상부 음극액 개구 본 개시물의 기술요지에 따르면, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템은 전기화학 셀, 양극액 탱크(anolyte tank), 음극액 탱크(catholyte tank), 하나 이상의 탱크 분리기, 복수의 전해액 통로들, 하나 이상의 터빈 및 하나 이상의 발전 회로를 구비한다. 상기 전기화학 셀은 애노드(anode)와 음극(cathode) 사이에 위치하고 상기 애노드와 상기 캐소드에 전기화학적으로 결합된 이온교환막을 포함한다. 상기 하나 이상의 발전 회로 중 적어도 하나는 상기 애노드와 상기 캐소드에 전기적으로 연결된다. 상기 양극액 탱크는 상부 양극액 개구 및 상기 상부 양극액 개구 아래에 위치한 하부 양극액 개구를 포함한다. 상기 음극액 탱크는 상부 음극액 개구 및 상기 상부 음극액 개구 아래에 위치한 하부 음극액 개구를 포함한다. 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상은 상기 상부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되고, 상기 하부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되어 상기 양극액 탱크와 상기 애노드를 유동적으로 연결한다. 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상은 상기 상부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되고 상기 하부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되어 상기 음극액 탱크를 상기 캐소드에 유동적으로 연결한다. 상기 하나 이상의 터빈은 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상에 유동적으로 연결된다. 상기 하나 이상의 탱크 분리기는 상기 양극액 탱크와 상기 음극액 탱크 중 하나 또는 양자 내에 위치한다. 또한, 상기 하나 이상의 탱크 분리기는 하나 이상의 터빈을 통해 상기 하부 양극액 개구와 상기 하부 음극액 개구 중 하나 또는 양자로부터 하방향으로 전해액 흐름을 유도하기 위해 병진이동가능하며, 수력발전으로 전력을 발생시킨다.
본 개시물의 일 실시예에 따르면, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템은 전기화학 셀, 양극액 탱크, 음극액 탱크, 하나 이상의 탱크 분리기, 복수의 전해액 통로들, 하나 이상의 터빈, 하나 이상의 펌프 및 하나 이상의 발전 회로를 구비한다. 상기 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이에 위치하고 상기 애노드와 상기 캐소드에 전기화학적으로 결합된 이온교환막을 포함한다. 상기 하나 이상의 발전 회로 중 적어도 하나는 상기 애노드와 상기 캐소드에 전기적으로 연결된다. 상기 양극액 탱크는 상부 양극액 개구 및 상기 상부 양극액 개구 아래에 위치한 하부 양극액 개구를 포함한다. 상기 음극액 탱크는 상부 음극액 개구 및 상기 상부 음극액 개구 아래에 위치한 하부 음극액 개구를 포함한다. 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상은 상기 상부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되고, 상기 하부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되어 상기 양극액 탱크와 상기 애노드를 유동적으로 연결한다. 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상은 상기 상부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되고 상기 하부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되어 상기 음극액 탱크를 상기 캐소드에 유동적으로 연결한다. 상기 하나 이상의 펌프는 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상에 유동적으로 연결된다. 상기 하나 이상의 터빈은 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상에 유동적으로 연결된다. 상기 하나 이상의 탱크 분리기는 상기 양극액 탱크와 상기 음극액 탱크 중 하나 또는 양자 내에 위치한다. 상기 하나 이상의 탱크 분리기는 하나 이상의 터빈을 통해 상기 하부 양극액 개구와 상기 하부 음극액 개구 중 하나 또는 양자로부터 하방향으로 전해액 흐름을 유도하기 위해 병진이동가능하며, 하나 이상의 터빈을 회전시켜 수력발전으로 전력을 발생시킨다. 또한, 상기 하나 이상의 탱크 분리기가 상승 위치로부터 하강 위치로 하방향으로 전환될 때 상기 하나 이상의 터빈을 통한 전해액의 흐름에 의해 수력발전으로 생성된 전력은 상기 하나 이상의 펌프에 의해 소모되는 전력의 50%보다 크거나 동일하여 상기 하나 이상의 탱크 분리기를 상기 하강 위치로부터 상기 상승 위치로 상방향으로 병진이동시킨다.
본 개시물의 다른 실시예에 따르면, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템은 전기화학 셀, 양극액 탱크, 음극액 탱크, 하나 이상의 탱크 분리기, 복수의 전해액 통로들, 하나 이상의 터빈, 하나 이상의 밸브 및 하나 이상의 발전 회로를 구비한다. 상기 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이에 위치하고 상기 애노드와 상기 캐소드에 전기화학적으로 결합된 이온교환막을 포함한다. 상기 하나 이상의 발전 회로 중 적어도 하나는 상기 애노드와 상기 캐소드에 전기적으로 연결된다. 상기 양극액 탱크는 상부 양극액 개구 및 상기 상부 양극액 개구 아래에 위치한 하부 양극액 개구를 포함한다. 상기 음극액 탱크는 상부 음극액 개구 및 상기 상부 음극액 개구 아래에 위치한 하부 음극액 개구를 포함한다. 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상은 상기 상부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되고, 상기 하부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되어 상기 양극액 탱크와 상기 애노드를 유동적으로 연결한다. 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상은 상기 상부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되고 상기 하부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되어 상기 음극액 탱크를 상기 캐소드에 유동적으로 연결한다. 상기 하나 이상의 밸브는 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상에 유동적으로 연결된다. 상기 하나 이상의 터빈은 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상에 유동적으로 연결된다. 상기 하나 이상의 탱크 분리기는 상기 양극액 탱크와 상기 음극액 탱크 중 하나 또는 양자 내에 위치한다. 상기 하나 이상의 탱크 분리기는 하나 이상의 터빈을 통해 상기 하부 양극액 개구와 상기 하부 음극액 개구 중 하나 또는 양자로부터 전해액 흐름을 유도하여 수력발전으로 전력을 생성하기 위해 하방향으로 병진이동가능하다. 전해액이 상기 전기화학 셀로부터 상기 하부 양극액 개구와 상기 하부 음극액 개구 중 적어도 하나로 흐를 때, 상기 하나 이상의 밸브는 상기 하나 이상의 터빈 중 적어도 하나를 통하여 전해액이 통과하는 것을 방지한다. 또한, 전해액이 상기 하부 양극액 개구와 상기 하부 음극액 개구 중 적어도 하나로부터 상기 전기화학 셀로 흐를 때, 상기 하나 이상의 밸브는 상기 하나 이상의 터빈 중 적어도 하나를 전해액이 통과하는 것을 허용한다.
본 개시물의 개념이 일부 특정 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템 구성에 대한 주요 참조로써 본 개시물에 기재되어 있지만, 이러한 개념은 임의의 구성을 갖는 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템에 대한 적용가능성을 가질 것으로 고려된다.
본 개시물의 구체적인 실시예에 대한 다음의 상세한 설명은 다음의 도면과 관련하여 읽혀질 때 가장 잘 이해될 수 있으며, 동일한 구조는 동일한 참조번호로 표시된다.
도 1은 본 개시물에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른 하나 이상의 탱크 분리기 및 하나 이상의 터빈을 갖는 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템의 개략도이다.
도 2는 여기에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른, 예시적인 작동 구성의 하나 이상의 탱크 분리기, 하나 이상의 터빈 및 복수의 밸브들을 갖는 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템의 다른 실시예의 개략도이다.
도 3은 여기에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른, 다른 예시적인 작동 구성의 복수의 밸브들을 갖는 도 2의 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템의 개략도이다.
도 4는 여기에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른, 다른 예시적인 작동 구성의 복수의 밸브들을 갖는 도 2의 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템의 개략도이다.
도 5는 여기에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른, 다른 예시적인 작동 구성의 복수의 밸브들을 갖는 도 2의 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템의 개략도이다.
도 6은 여기에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른, 하나 이상의 실시예에 따른, 하나 이상의 탱크 분리기의 위치(positioning)에 기초하여 하나 이상의 탱크 분리기에 의해 하이브리드 플로우 배터리 산화환원 시스템에 추가되는 추가적인 위치 에너지의 그래프이다.
도 7은 여기에 도시되고 설명된 하나 이상의 실시예에 따른, 플로우 산화환원 배터리 시스템의 하나 이상의 탱크 분리기 총 중량에 기초하여, 하나 이상의 터빈에 의해 회수되는 양극액 펌프(anolyte pump) 와 음극액 펌프(catholyte pump)에 의해 소모되는 에너지의 백분율을 나타내는 그래프이다.
도 1-5는 하이브리드 플로우 환원/산화(산화환원) 배터리 시스템(100)의 개략도들이다. 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)은 전기화학 셀(110), 양극액 탱크(anolyte tank)(130), 음극액 탱크(catholyte tank)(140), 발전 회로(180) 및 하나 이상의 터빈(190)을 구비한다. 전기화학 셀(110)은 발전 회로(180)에 전기적으로 연결되며, 복수의 전해액 통로들(160)을 사용하여 양극액 탱크(130) 및 음극액 탱크(140)에 유동적으로 연결된다. 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)은 전해액 양극 용액 및 음극 용액과 같은 전해액 용액을 포함한다. 양극 용액은 양극액 탱크(130) 내에 수용될 수 있고, 양극액 탱크(130)와 전기화학 셀(110) 사이에서 흐를 수 있다. 음극 용액은 음극액 탱크(140) 내에 수용될 수 있고, 음극액 탱크(140)와 전기화학 셀(110) 사이에서 흐를 수 있다. 동작 중, 양극 용액과 음극 용액이 전기화학 셀(110)에 존재할 때, 전기화학 셀(110)은 발전 회로(180)와 연결되어 전기화학적으로 전력을 생성할 수 있다. 또한, 하나 이상의 터빈(190)은 복수의 전해액 통로들(160)에 유동적으로 연결되어 양극액 탱크(130) 또는 음극액 탱크(140)와 전기화학 셀(110) 사이를 흐르는 전해액 용액이 하나 이상의 터빈(190)을 통해 흐르도록 함으로써, 하나 이상의 터빈(190)을 활성화시켜 수력발전으로 전력을 생성한다.
양극 용액은 복수의 충전된 양극액 활성 물질들, 복수의 방전 양극액 활성 물질들 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있으며, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 전기화학적 방전 동작 중에 전기화학 셀(110)에서 산화되고, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 전기화학적 충전 동작 중에 전기화학 셀(110)에서 환원하도록 합성적으로 구성된다. 본 출원에서 사용된 바와 같이, "활성 물질"은 원자, 이온, 분자 등과 같은 화학 성분을 나타내며, 즉, 산화환원 반응을 할 때 산화 상태를 변화시키도록 합성적으로 구성된다. 예를 들어, 양극 용액의 활성 물질은 바나듐, 크롬, 아연, 황, 넵투늄, 우라늄 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있는 것으로 고려된다. 더욱이, 복수의 충전된 양극액 활성 물질들 각각은 복수의 방전 양극액 활성 물질들 각각보다 적은 양전하 및 낮은 산화 상태를 포함한다.
음극 용액은 복수의 충전된 음극액 활성 물질들, 복수의 방전 음극액 활성 물질들 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있고, 전기화학적 방전 동작 중에 전기화학 셀(110)에서 환원되도록 합성적으로 구성될 수 있고, 전기화학적 충전 동작 중에 전기화학 셀(110)에서 산화되도록 합성적으로 구성될 수 있다. 복수의 충전된 음극액 활성 물질들 각각은 복수의 방전 음극액 활성 물질들 각각보다 큰 양전하 및 큰 산화 상태를 포함한다. 예를 들어, 음극 용액의 활성 물질은 바나듐, 브롬, 세륨, 염소, 페리시안화합물, 페로시안화합물, 망간, 산화 넵투늄, 산화 우라늄 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있는 것으로 고려된다.
또한, 양극 용액 및 음극 용액은 각각 상이한 표준 환원 전위를 나타내는 산화환원 쌍을 갖는 임의의 활성 물질을 포함할 수 있다. 또한, 양극 용액은 음극 용액의 활성 물질보다 낮은 표준 환원을 갖는 활성 물질을 포함할 수 있다. 후속 표는 음극 용액 및 양극 용액으로 사용될 수 있는 활성 물질 산화환원 쌍의 비 한정적인 목록을 나타낸다.
Figure 112019078658187-pct00001
도 1-5에 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(110)은 양극(112)과 음극(122) 사이에 위치하도 1-5에 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(110)은 애노드(anode)(112)와 캐소드(cathode)(122) 사이에 위치하고 애노드(112)와 캐소드(122)에 전기화학적으로 결합된 이온교환막(120)을 구비한다. 애노드(112)는 발전 회로(180)에 전기적으로 연결되는 애노드 전도부(116)를 구비함으로써 애노드(112)와 발전 회로(180) 사이에 전자가 흐를 수 있다. 애노드(112)는 또한 양극액 탱크(130)에 유동적으로 연결되는 양극액 수용부(114)를 구비함으로써 양극액은 하나 이상의 전해액 통로(160)를 따라 양극액 탱크(130)와 애노드(112)의 양극액 수용부(114) 사이에 흐를 수 있다. 양극액이 양극액 수용부(114) 내에 위치할 때, 양극액은 이온교환막(120)와 애노드 전도부(116)에 전기 화학적으로 접촉할 수 있다.
캐소드(122)는 발전 회로(180)에 전기적으로 연결된 캐소드(cathode) 전도부(126)를 포함함으로써 전자가 캐소드(122)와 발전 회로(180) 사이에 흐를 수 있다. 캐소드(122)는 음극액 탱크(140)에 유동적으로 연결된 음극액 수용부(124)를 포함함으로써 음극 용액은 하나 이상의 전해액 통로(160)를 따라 음극액 탱크(140)와 캐소드(122)의 음극액 수용부(124) 사이에서 흐를 수 있다. 음극 용액이 음극액 수용부(124) 내에 위치할 때, 음극 용액은 이온교환막(120)과 캐소드 전도부(126)에 전기 화학적으로 접촉할 수 있다.
이온교환막(120)은 고체 상태의 양성자 전도성 물질, 예를 들어 내피온(Nafion®), 내피온 117(Nafion® 117), 플레미온((Flemion®), 후마펨(Fumapem®), 애피플렉스(Aciplex®), 다우(Dow®) 물질, 셀리미온(Selemion®), TPS®, 고어(Gore®) L01854, 고어(Gore®) M04494, ABT3, ABT4, SZ, 히포레(Hipore®), SPEEK, 내피온(Nafion®)/SPEEK, PSSS, SPTK, 라델(Radel®), PVDF-PSSA, ETFE-PDMAEMA, SPEEK/TPA, TPA/PP, SPEEK/PTFE, SPEEK/PFSA, PBI, PSf-ABIm, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르 중합체 등을 포함한다. 이온교환막(120)은 전기화학 셀(110) 내에 위치하고, 애노드(112)의 양극액 수용부(114)와 캐소드(122)의 음극액 수용부(124) 사이에 물리적 장벽을 제공할 수 있다. 또한, 이온교환막(120)은 애노드(112)와 캐소드(122) 사이에 양성자 통로(108)를 제공하도록 구조적으로 구성됨으로써 양성자가 그 사이에 흘러서 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 전기화학적 방전 동작 및 전기화학적 충전 동작 동안 애노드(112)와 캐소드(122) 내에서의 산화 및 환원 반응을 촉진한다.
또한, 이온교환막(120)의 양성자 통로(108)는 애노드(112), 발전 회로(180) 및 캐소드(122) 사이의 회로를 단절시킴으로써 산화 및 환원 반응이 애노드(112)와 캐소드(122) 사이 및 발전 회로(180)을 통하여 전자를 흐르게 할 수 있고, 애노드(112)와 캐소드(122) 사이 및 이온교환막(120)을 통하여 양성자를 흐르게 할 수 있다. 예를 들어, 전기화학적 방전 동작 동안, 양성자는 캐소드(122)에서 애노드(112)까지 양성자 방전 흐름 방향(104)으로 이온교환막(120)에 의해 제공된 양성자 통로(108)를 횡단할 수 있고, 전기화학적 충전 동작 동안, 양성자는 애노드(122)에서 캐소드(112)까지 양성자 충전 흐름 방향(104)으로 이온교환막(120)에 의해 제공된 양성자 통로(108)를 횡단할 수 있다.
여전히 도 1-5를 참조하면, 발전 회로(180)는 발전 소자(184)을 구비한다. 회로 통로(182)는 애노드(112), 발전 소자(184) 및 캐소드(122)에 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 회로 통로(182)는 애노드(112)와 발전 소자(184) 사이에서 연장되고 애노드(112)를 발전 소자(184)에 전기적으로 연결하며, 회로 통로(182)는 캐소드(122)와 발전 소자(184) 사이에서 연장되고 캐소드(122)를 발전 소자(184)에 전기적으로 연결한다. 발전 소자(184)는 전원 및 전기 부하를 구비할 수 있다. 또한, 발전 소자(184)는 애노드(112)에 의해 출력되는 전자에 의해 생성되는 전류를 수용하고, 전류를 수용할 때 전력을 생성하도록 구조적으로 구성된다. 발전 소자(184)는 또한 애노드(112)에 의해 수용가능한 전류를 출력하여 양극 용액 및 음극 용액을 충전하도록 구조적으로 구성된다.
동작시, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)은 전기화학적 충전 동작 또는 전기화학적 방전 동작을 수행할 수 있다. 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 전기화학적 방전 동작 동안, 애노드(112)는 양극 용액으로부터 충전된 양극액 활성 물질을 수용할 수 있다. 애노드(112)는 또한 이온교환막(120)에 의해 형성된 양성자 통로(108)로부터 캐소드(122)에 의해 출력되는 양성자를 수용하여 충전된 양극액 활성 물질을 산화시킬 수 있다. 충전된 양극액 활성 물질은 산화될 때 애노드 전도부(116)에 의해 수용가능한 전자를 출력함으로써 전자가 전자 방전 방향(106)으로 회로 통로(182)를 따라 발전 회로(180)로 흐른다. 더욱이, 산화 후, 미리 충전된 양극액 활성 물질은 방전 양극액 활성 물질을 포함하고, 하나 이상의 전해액 통로(160)를 따라 애노드(112)로부터 양극액 탱크(130)로 다시 흐른다.
또한, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 전기 화학적 방전 동작 중에, 캐소드(122)는 양극 용액으로부터 충전된 음극액 활성 물질을 수용할 수 있다. 더욱이, 음극(122)은 발전 회로(180)로부터 전자를 수용하여 충전된 음극액 활성 물질을 감소시킬 수 있다. 충전된 음극액 활성 물질이 수용될 때, 이온교환막(120)에 의해 형성된 양성자 통로(108)에 의해 수용가능한 양성자를 출력한다(예를 들어, 애노드(112)에 의해 수용되는 양성자). 환원 후에, 미리 충전된 음극액 활성 물질은 방전 음극액 활성 물질을 포함하여 하나 이상의 전해액 통로(160)를 따라 음극(122)에서 음극액 탱크(140)로 다시 흐른다.
여전히 도 1-5를 참조하면, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 전기화학적 충전 동작 동안, 애노드(112)는 양극 용액으로부터 방전 양극액 활성 물질을 수용할 수 있다. 애노드(112)는 또한 발전 회로(180)로부터 전자를 수용하여 방전 양극액 활성 물질을 환원시킬 수 있다. 방전 양극액 활성 물질은 수용될 때 이온교환막(120)에 의해 형성된 양성자 통로(108)에 의해 수용가능한 양성자를 출력한다. 더욱이, 환원 후에, 미리 방전된 양극액 활성 물질은 충전된 양극액 활성 물질을 포함하고, 애노드(112)로부터 양극액 탱크(130)로 하나 이상의 전해액 통로(160)를 따라 흐른다.
하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 전기화학적 충전 동작 중에도, 캐소드(122)는 음극 용액으로부터 방전 음극액 활성 물질을 수용할 수 있다. 더욱이, 캐소드(122)는 이온교환막(120)에 의해 형성된 양성자 통로(108)로부터 애노드(112)에 의해 출력된 양성자를 수용하여 캐소드(122)의 방전 음극액 활성 물질을 산화시킬 수 있다. 방전 음극액 활성 물질은 산화될 때 캐소드 전도부(126)에 의해 수용가능한 전자를 출력함으로써 전자는 전자 충전 방향(107)으로 회로 통로(182)를 따라 발전 회로(180)로 흐른다. 미리 방전된 음극액 활성 물질은 산화된 후 충전된 음극액 활성 물질을 포함하고, 하나 이상의 전해액 통로(160)를 따라 캐소드(122)에서 음극액 탱크(140)로 다시 흐른다.
여전히 도 1-5를 참조하면, 양극액 탱크(130)는 양극액 탱크 상면(135)에서 끝나는 양극액 탱크 상단(132) 및 양극액 탱크 하면(137)에서 끝나는 양극액 탱크 하단(134)을 포함한다. 양극액 탱크(130)는 양극액 탱크 상면(135)과 양극액 탱크 하면(137) 사이에서 연장되는 양극액 탱크 내면(136)을 포함한다. 또한, 양극액 탱크(130)는 상부 양극액 개구(131)와 상부 양극액 개구(131)의 하부에 위치한 하부 양극액 개구(133)를 포함한다. 상부 양극액 개구(131)는 양극액 탱크 상단(132)에 위치할 수 있고, 예를 들어, 상부 양극액 개구(131)는 양극액 탱크 상면(135)을 통해 연장될 수 있다. 또한, 하부 양극액 개구(133)는 양극액 탱크 하단(134)에 위치할 수 있고, 예를 들어, 하부 양극액 개구(133)는 양극액 탱크 하면(137)을 통해 연장될 수 있다. 그러나, 상부 양극액 개구(131) 및 하부 양극액 개구(133)는 각각 하부 양극액 개구(133)가 상부 양극액 개구(131) 아래에 위치하는 양극액 탱크(130) 위에서, 예를 들어 양극액 탱크 내면(136)을 따르는 위치에 양극액 탱크(130)를 통하여 연장될 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 하나 이상의 전해액 통로(160)는 하부 양극액 통로(162) 및 상부 양극액 통로(164)를 포함한다. 하부 양극액 통로(162)는 양극액 탱크(130)의 하부 양극액 개구(133)와 애노드(112), 예를 들어 애노드(112)의 양극액 수용부(114) 사이에서 연장되고, 양극액 탱크(130)의 하부 양극액 개구(133)를 애노드(112), 예를 들어 애노드(112)의 양극액 수용부(114)에 유동적으로 연결한다. 상부 양극액 통로(164)는 양극액 탱크(130)의 상부 양극액 개구(131)와 애노드(112), 예를 들어 애노드(112)의 양극액 수용부(114) 사이에서 연장되고, 양극액 탱크(130)의 상부 양극액 개구(131)를 애노드(112), 예를 들어 애노드(112)의 양극액 수용부(114)에 유동적으로 연결한다. 하부 양극액 통로(162)와 상부 양극액 통로(164)는 각각 튜브, 파이프 또는 다른 액체 통과 기구를 포함한다. 또한, 양극액 펌프(139)는 하부 양극액 통로(162) 또는 상부 양극액 통로(164) 중 하나에 유동적으로 연결될 수 있다. 양극액 펌프(139)는 임의의 액체 펌핑 기구를 구비하고, 양극액 탱크(130)와 애노드(112) 사이에 액체가 흐르도록 구조적으로 구성된다.
이제 도 2-5를 참조하면, 하부 양극액 개구(133)는 제1 하부 양극액 개구(133a)일 수 있고, 양극액 탱크(130)는 제2 하부 양극액 개구(133b)를 더 포함할 수 있다. 제1 하부 양극액 개구(133a)와 유사하게, 제2 하부 양극액 개구(133b)는 상부 양극액 개구(131) 아래에 위치할 수도 있고, 하부 양극액 통로(162)에 유동적으로 연결된다. 예를 들어, 제2 하부 양극액 개구(133b)는 양극액 탱크 하면(137)을 통해 또는 양극액 탱크 내면(136)을 통해 연장될 수 있다.
도 2-5에 도시된 바와 같이, 하부 양극액 통로(162)는 제1 하부 양극액 개구(133a)에 연결된 1차 분기부(162a) 및 제2 하부 양극액 개구(133b)에 연결된 2차 분기부(162b)를 포함할 수 있다. 하부 양극액 통로(162)의 1차 분기부(162a)는 제1 하부 양극액 개구(133a)와 애노드(112) 사이에서 연장된다. 또한, 하부 양극액 통로(162)의 2차 분기부(162b)는 제2 하부 양극액 개구(133b)와 하부 양극액 통로(162)의 1차 분기부(162a) 사이에서 연장된다. 예를 들어, 도 2-5에 도시된 바와 같이, 2차 분기부(162b)는 양극액 통로 수렴 위치(165)에서 1차 분기부(162a)에 연결된다. 따라서, 제1 하부 양극액 개구(133a)와 애노드(112) 사이의 양극 용액의 흐름은 하부 양극액 통로(162)의 1차 분기부(162a)를 횡단한다. 또한, 제2 하부 양극액 개구(133b)와 애노드(112) 사이의 양극 용액의 흐름은 2차 분기부(162b) 및 양극액 통로 수렴 위치(165)와 애노드(112) 사이에서 연장되는 1차 분기부(162a)의 일부를 횡단한다.
도 1-5를 다시 참조하면, 음극액 탱크(140)는 음극액 탱크 상면(145)에서 끝나는 음극액 탱크 상단(142) 및 음극액 탱크 하면(147)에서 끝나는 음극액 탱크 하단(144)을 포함한다. 음극액 탱크(140)는 음극액 탱크 상면(145)과 음극액 탱크 하면(147) 사이에서 연장되는 음극액 탱크 내면(146)을 포함한다. 또한, 음극액 탱크(140)는 상부 음극액 개구(141) 및 상부 음극액 개구(141)의 아래에 위치한 하부 음극액 개구(143)를 포함한다. 상부 음극액 개구(141)는 음극액 탱크 상단(142)에 위치할 수 있으며, 예를 들어 상부 음극액 개구(141)는 음극액 탱크 상면(145)을 통해 연장될 수 있다. 또한, 하부 음극액 개구(143)는 음극액 탱크 하단(144)에 위치할 수 있으며, 예를 들어 하부 음극액 개구(143)는 음극액 탱크 하면(147)을 통해 연장될 수 있다. 그러나, 상부 음극액 개구(141)와 하부 음극액 개구(143)는 각각 하부 음극액 개구(143)이 상부 음극액 개구(141)의 아래에 위치하는 음극액 탱크(140) 위의 임의의 위치에서, 예를 들어 음극액 탱크 내면(146)을 따르는 위치에서 음극액 탱크(140)로 연장될 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 하나 이상의 전해액 통로(160)는 하부 음극액 통로(172) 및 상부 음극액 통로(174)를 포함한다. 하부 음극액 통로(172)는 음극액 탱크(140)의 하부 음극액 개구(143)과 캐소드(122), 예를 들어 캐소드(122)의 음극액 수용부(124) 사이에서 연장되고, 음극액 탱크(140)의 하부 음극액 개구(143)를 캐소드(122), 예를 들어 캐소드(122)의 음극액 수용부(124)에 유동적으로 연결한다. 또한, 상부 음극액 통로(174)는 음극액 탱크(140)의 상부 음극액 개구(141)과 캐소드(122), 예를 들어 음극액 수용부(124) 사이에서 연장되고, 음극액 탱크(140)의 상부 음극액 개구(141)을 캐소드(122), 예를 들어 음극액 수용부(124)에 유동적으로 연결한다. 하부 음극액 통로(172) 및 상부 음극액 통로(174)는 각각 튜브, 파이프 또는 다른 액체 통과 기구를 포함한다. 음극액 펌프(149)는 하부 음극액 통로(172)와 상부 음극액 통로(174) 중 하나에 유동적으로 연결된다. 음극액 펌프(149)는 임의의 액체 펌핑 기구를 포함하고, 음극액 탱크(140)와 캐소드(122) 사이에 액체가 흐르도록 구조적으로 구성된다.
도 2-5를 다시 참조하면, 하부 음극액 개구(143)는 제1 하부 음극액 개구(143a)일 수 있고, 음극액 탱크(140)는 제2 하부 음극액 개구(143b)를 더 포함할 수 있다. 제2 하부 음극액 개구(143b)는 또한 제1 하부 음극액 개구(143a)와 유사하게 상부 음극액 개구(141) 아래에 위치하고, 하부 음극액 통로(172)에 유동적으로 연결된다. 예를 들어, 제2 하부 음극액 개구(143b)는 음극액 탱크 하면(147)을 통해 연장되거나 음극액 탱크 내면(146)을 통해 연장될 수 있다.
도 2-5에 도시된 바와 같이, 하부 음극액 통로(172)는 제1 하부 음극액 개구(143a)에 연결된 1차 분기부(172a) 및 제2 하부 음극액 개구(143b)에 연결된 2차 분기부(172b)를 포함할 수 있다. 하부 음극액 통로(172)의 1차 분기부(172b)는 제1 하부 음극액 개구(143a)와 캐소드(122), 예를 들어 캐소드(122)의 음극액 수용부(124) 사이에서 연장된다. 또한, 하부 음극액 통로(172)의 2차 분기부(172b). 예를 들어, 도 2-5에 도시된 바와 같이, 제2 분기부(172b)는 음극액 통로 수렴 위치(175)에서 1차 분기부(172a)에 연결된다. 따라서, 제1 하부 음극액 개구(143a)와 캐소드(122) 사이의 음극 용액의 흐름은 하부 음극액 통로(172)의 1차 분기부(172a)를 횡단한다. 또한, 제2 하부 음극액 개구(143b)와 캐소드(122) 사이의 음극 용액의 흐름은 2차 분기부(172b)와 음극액 통로 수렴 위치(175)와 캐소드(122) 사이에서 연장되는 1차 분기부(172a)의 일부를 횡단한다.
도 1-5를 다시 참조하면, 하나 이상의 탱크 분리기(150)는 양극액 탱크(130) 내에 위치한 양극액 탱크 분리기(150a) 및 음극액 탱크(140) 내에 위치한 음극액 탱크 분리기(150b)를 구비한다. 양극액 탱크 분리기(150a)는 양극액 탱크 내면(136)에 병진이동가능하게 접촉하여 양극액 탱크(130)의 상부 용적을 양극액 탱크(130)의 하부 용적으로부터 유동적으로 분리한다. 본 개시물에 사용된 바와 같이, "양극액 탱크(130)의 상부 용적"은 양극액 탱크 분리기(150a)와 양극액 탱크 상면(135) 사이의 양극액 탱크(130)의 일부를 지칭한다. 또한, "양극액 탱크(130)의 하부 용적"은 양극액 탱크 분리기(150a)와 양극액 탱크 하면(137) 사이의 양극액 탱크(130)의 일부를 지칭한다.
양극액 탱크 분리기(150a)는 양극액 탱크(130) 내에 위치함으로써 양극액 탱크 분리기(150a)가 방전 양극액 활성 물질로부터 충전된 양극액 활성 물질을 분리한다. 따라서, 작동 중에, 양극액 탱크(130)는 주로 충전된 양극액 활성 물질 또는 방전 양극액 활성 물질만을 포함하는 양극 용액을 애노드(112)의 양극액 수용부(114)에 공급할 수 있다. 일 예로, 양극액 활성 물질은 양극액 탱크(130)에 위치함으로써 충전된 양극액 활성 물질이 양극액 탱크(130)의 상부 용적 내에 수용되고, 방전 양극액 활성 물질은 양극액 탱크(130)의 하부 용적 내에 수용된다. 이 예에서, 양극액 펌프(139)는 제1 흐름 방향(102)으로 양극 용액 흐름을 생성함으로써 방전 양극액 활성 물질이 양극액 탱크(130)의 하부 용적으로부터 애노드(112)로 이동하여 예를 들어 환원 및 전기화학적 충전을 수행하고, 양극액 펌프(139)는 제2 흐름 방향(103)으로 양극 용액 흐름을 생성함으로써 충전된 양극액 활성 물질이 양극액 탱크(130)의 상부 용적으로부터 애노드(112)로 이동하여 산화 및 전기 화학적 방전을 할 수 있다.
다른 예로, 양극액 활성 물질은 양극액 탱크(130)에 위치함으로써 방전 양극액 활성 물질이 양극액 탱크(130)의 상부 용적 내에 수용되고 충전된 양극액 활성 물질이 양극액 탱크(130)의 하부 용적 내에 수용될 수 있다. 이 예에서, 양극액 펌프(139)는 제1 흐름 방향(102)으로 양극 용액 흐름을 생성함으로써 충전된 양극액 활성 물질이 양극액 탱크(130)의 하부 용적으로부터 애노드(112)로 이동하여 산화 및 전기화학적 방전될 수 있고, 양극액 펌프(139)는 제2 흐름 방향(102)으로 양극 용액 흐름을 생성함으로써 방전 양극액 활성 물질이 양극액 탱크(130)의 상부 용적으로부터 애노드(112)로 이동하여 환원 및 전기화학적 충전될 수 있다.
음극액 탱크 분리기(150b)는 음극액 탱크 내면(146)과 병진이동가능하게 접촉하여 음극액 탱크(140)의 상부 용적을 음극액 탱크(140)의 하부 용적으로부터 유동적으로 분리한다. 본 개시물에 사용된 바와 같이, "음극액 탱크(140)의 상부 용적"은 음극액 탱크 분리기(150b)와 음극액 탱크 상면(145) 사이의 음극액 탱크(140)의 일부를 지칭한다. 또한, 본 개시물에 사용된 바와 같이, "음극액 탱크의 하부 용적"은 음극액 탱크 분리기(150b)와 음극액 탱크 하면(147) 사이의 음극액 탱크(140) 부분을 지칭한다.
더욱이, 음극액 탱크 분리기(150b)는 음극액 탱크(140) 내에 위치함으로써 음극액 탱크 분리기(150b)가 방전 음극액 활성 물질로부터 충전된 음극액 활성 물질을 분리한다. 따라서, 동작시, 음극액 탱크(140)는 주로 충전된 음극액 활성 물질 또는 방전 음극액 활성 물질만을 포함하는 음극 용액을 캐소드(122)의 음극액 수용부(124)에 공급할 수 있다. 일 예로, 음극액 활성 물질은 음극액 탱크(140) 내에 위치함으로써 충전된 음극액 활성 물질이 음극액 탱크(140)의 상부 용적 내에 수용될 수 있고, 방전 음극액 활성 물질이 음극액 탱크(140)의 하부 용적 내에 수용될 수 있다. 이 예에서, 음극액 펌프(149)는 제1 흐름 방향(102)으로 음극 용액 흐름을 생성함으로써 방전 음극액 활성 물질이 음극액 탱크(140)의 하부 용적으로부터 캐소드(122)로 이동하여 산화 및 전기 화학적 충전될 수 있고, 음극액 펌프(149)는 제2 흐름 방향(103)으로 음극 용액 흐름을 생성함으로써 충전된 음극액 활성 물질이 음극액 탱크(140)의 상부 용적으로부터 캐소드(122)로 이동하여 환원 및 전기 화학적 방전될 수 있다.
다른 예로, 음극액 활성 물질은 음극액 탱크(140) 내에 위치함으로써 방전 음극액 활성 물질이 음극액 탱크(140)의 상부 용적 내에 수용될 수 있고, 충전된 음극액 활성 물질이 음극액 탱크(140)의 하부 용적 내에 수용될 수 있다. 이 예에서, 음극액 펌프(149)는 제1 흐름 방향(102)으로 음극 용액 흐름을 생성함으로써 충전된 음극액 활성 물질이 음극액 탱크(140)의 하부 용적으로부터 캐소드(122)로 이동하여 환원 및 전기 화학적 방전될 수 있고, 음극액 펌프(149)는 제2 흐름 방향(103)으로 음극 용액 흐름을 생성함으로써 방전 음극액 활성 물질이 음극액 탱크(140)의 상부 용적으로부터 캐소드(122)로 이동하여 산화 및 전기 화학적 충전될 수 있다.
양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)는 각각 상승 위치(154)와 하강 위치(156) 사이에서 병진이동될 수 있고, 예를 들어 활주가능하다. 도 1 및 도 2에 도시 된 바와 같이, 도 1-5에 도시된 바와 같이, 양극액 탱크 분리기(150a)와 양극액 탱크 하면(137) 사이의 거리 및 음극액 탱크 분리기(150b)와 음극액 탱크 하면(147) 사이의 거리는 모두 하강 위치(156)에서보다 상승 위치(154)에서 더 멀다. 양극액 탱크 분리기(150a)와 양극액 탱크 하면(137) 사이의 거리는 양극 용액의 하부 용적의 높이(hc)에 대응한다. 도시되지는 않았지만, 상승 위치(154)에서 양극액 탱크 분리기(150a)는 양극액 탱크 상면(135)에 접촉할 수 있고, 음극액 탱크 분리기(150b)는 음극액 탱크 상면(145)에 접촉할 수 있다. 더욱이, 하강 위치(156)에서 양극액 탱크 분리기(150a)는 양극액 탱크 하면(137)에 접촉할 수 있고, 음극액 탱크 분리기(150b)는 음극액 탱크 하면(147)에 접촉할 수 있다. 그러나, 상승 위치(154)는 하강 위치(156) 위의 임의의 위치일 수 있고, 하강 위치(156)는 상승 위치(154) 아래의 임의의 위치일 수 있음을 이해해야 한다.
양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)는 양극액 탱크(130) 내에 수용된 양극 용액과 음극액 탱크(140) 내에 수용된 음극 용액에 대해 각각 불투과성이다. 기계 밀봉기(152)는 하나 이상의 탱크 분리기(150) 각각에 연결되어 양극액 탱크(130)과 음극액 탱크(140)의 상부 용적과 하부 용적 사이의 액체 통과를 각각 방지할 수 있다. 기계 밀봉기(152)는 오링(O-ring), 가스켓, 또는 임의의 다른 공지되거나 아직 개발되지 않은 밀봉 장치를 구비할 수 있다. 또한, 양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)는 각각 양극액 탱크(130)와 음극액 탱크(140) 내에 각각 수용된 양극 용액과 음극 용액의 밀도보다 큰 밀도를 갖는다.
예를 들어, 양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)는 각각 약 0.01 ton/m3 내지 약 15 ton/m3의 밀도, 예를 들어 약 0.5 ton/m3, 1 ton/m3, 2 ton/m3, 3 ton/m3, 4 ton/m3, 5 ton/m3, 7.5 ton/m3, 10 ton/m3, 12.5 ton/m3 등의 밀도를 가질 수 있다. 또한, 하나 이상의 탱크 분리기(150)는 각각 약 0.1 톤 내지 약 400 톤,의 중량, 예를 들어 0.5 톤, 1 톤, 5 톤, 10 톤, 25 톤, 30 톤, 35 톤, 40 톤, 45 톤, 50 톤, 75 톤, 90 톤, 100 톤, 150 톤, 200 톤, 250 톤, 300 톤, 350 톤 등의 중량을 가질 수 있다. 더욱이, 양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)는 동일한 밀도 또는 상이한 밀도를 가질 수 있으며, 동일한 중량 또는 상이한 중량을 가질 수 있다. 양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)의 예시적인 재료는 금속, 비금속, 금속 합금, 세라믹 등을 포함한다. 더욱이, 양극액 탱크 분리기(150a)는 양극 용액의 밀도보다 큰 밀도를 갖는 임의의 재료를 포함할 수 있고, 음극액 탱크 분리기(150b)는 음극 용액보다 큰 밀도를 갖는 임의의 재료를 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
동작시, 상승 위치(154)와 하강 위치(156) 사이에서 하방향(153)으로 양극액 탱크 분리기(150a)가 이동하는 것은 양극액 탱크(130)와 애노드(112) 사이에서 제1 흐름 방향(102)으로, 예를 들어 하부 양극액 개구(133)로부터 애노드(112)로 양극 용액이 흐르는 것, 그리고 애노드(112)에서 상부 양극액 개구(131)로 양극 용액이 흐르는 것에 상응한다. 하강 위치(156)와 상승 위치(154) 사이에서 상방향(151)으로 양극액 탱크 분리기(150a)가 이동하는 것은 양극액 탱크(130)와 애노드(112) 사이에서 제2 흐름 방향(103)으로 양극 용액이 흐르는 것, 예를 들어 상부 양극액 개구(131)로부터 애노드(112)로 양극 용액이 흐르는 것, 그리고 애노드(112)에서 하부 양극액 개구(133)로 양극 용액이 흐르는 것에 상응한다.
상승 위치(154)와 하강 위치(156) 사이에서 하방향(153)으로 음극액 탱크 분리기(150b)가 이동하는 것은 음극액 탱크(140)와 캐소드(122)에서 제1 흐름 방향(102)으로, 예를 들어 하부 음극액 개구(143)로부터 캐소드(122)로 음극 용액이 흐르는 것 그리고 캐소드(122)로부터 상부 음극액 개구(141)로 음극 용액이 흐르는 것과 일치한다. 하강 위치(156)와 상승 위치(154) 사이에서 상방향(151)으로 음극액 탱크 분리기(150b)가 이동하는 것은 양극액 탱크(130)와 애노드(112)에서 제2 흐름 방향(103)으로, 예를 들어 상부 음극액 개구(141)로부터 캐소드(122)로 음극 용액이 흐르는 것 그리고 캐소드(122)로부터 하부 음극액 개구(143)로 음극 용액이 흐르는 것과 일치한다.
또한, 양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)가 하방향(153)으로 이동하면 양극 용액의 하부 용적 및 음극 용액의 하부 용적에 각각 하향력이 가해져 하나 이상의 전해액 통로(160)를 통해, 예를 들어 하부 양극액 통로(162) 및 하부 음극액 통로(172)를 통해 양극 용액 및 음극 용액의 용적 액체 흐름을 증가시킨다. 전해액 통로(160)를 통한 용적 유량을 증가시킴으로써, 양극 용액 및 음극 용액은 하나 이상의 전해액 통로(160)에 유동적으로 연결되는 하나 이상의 터빈(190)이 작동하여 하나 이상의 터빈(190)이 수력발전으로 전력을 발생시킨다.
하나 이상의 탱크 분리기(150)는 하나 이상의 터빈(190)과 조합되어 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)에 저장될 수 있는 총 에너지를 증가시킨다. 하나 이상의 탱크 분리기(150)는 예를 들어, 하나 이상의 탱크 분리기(150)가 상승 위치(154)에 위치할 때, 위치 에너지를 저장한다. 하나 이상의 탱크 분리기(150)에 저장된 위치 에너지는 하나 이상의 터빈(190)에 의해 수력발전으로 수확될 수 있다. 각 탱크 분리기(150) 내에 저장된 위치 에너지는 수학적으로 E = (me + mp)ghe로 표현될 수 있으며, E는 각 탱크 분리기(150)에 저장된 위치 에너지, me는 양극액 탱크(130) 또는 음극액 탱크(140) 내에 저장된 전해액의 질량(예를 들어, 양극 용액 또는 음극 용액), mp는 탱크 분리기(150)의 질량, g는 중력 가속도, h는 전해액의 하부 용적의 높이(예를 들어, 양극 용액의 하부 용적의 높이 ha 또는 음극 용액의 하부 용적의 높이 hc), e는 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 위치 에너지 저장 효율이다. 따라서, 양극 용액의 질량, 음극 용액의 질량, 양극액 탱크 분리기(150a)의 질량, 음극액 탱크 분리기(150b)의 질량, 양극 용액의 하부 용적의 높이(ha) 및 음극 용액의 하부 용적의 높이(hc)는 각각 하나 이상의 탱크 분리기(150)에 저장되는 위치 에너지를 증가시키고, 하나 이상의 터빈(190)에 의해 수력발전적으로 수확될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 그래프(200)는 양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)의 조합된 중량뿐만 아니라 양극 액 분리기(150a) 양극액 탱크(130)의 하부 용적의 높이(ha)와 음극액 탱크(140)의 하부 용적의 높이(hc)(도 6에 "전해액의 하부 용적의 높이"로 표시됨)에 기초하여 양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)에 의해 예시적인 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)에 집합적으로 추가된 총 위치 에너지를 보여준다. 도 6에 도시된 예에서, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)은 1 메가 와트(MW)의 공칭 전력과 약 8 시간의 저장 용량을 가지며, 따라서 이 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 총 저장 에너지는 약 8000 킬로와트시(kWh)이다. 또한, 이러한 비제한적인 예의 잠재적 에너지 저장 효율(e)은 약 80%이다. 더욱이, 도 6에 그래프로 도시된 예시적인 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)는 각각 2.5 톤/m3의 밀도 및 1 m의 탱크 분리기 높이를 갖는다.
여전히 도 6을 참조하면, 예시적인 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)에 추가된 위치 에너지는 각각 상이한 에너지 밀도를 포함하는 4 개의 예시적인 전해액에 대해 그래프로 도시되어있다. 예를 들어, 라인(202)은 1 리터당 약 10 와트시(Wh/l)의 에너지 밀도를 갖는 전해액을 나타내고, 라인(204)는 약 15 Wh/l의 에너지 밀도를 갖는 전해액을 나타내고, 라인(206)은 약 20 Wh/l의 에너지 밀도를 갖는 전해액을 나타내고, 라인(208)은 약 25 Wh/l의 에너지 밀도를 갖는 전해액을 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 전해액의 에너지 밀도는 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 추가 저장 에너지에 반비례한다. 또한, 양극 용액의 하부 용적의 높이(ha) 및 음극 용액의 하부 용적의 높이(hc)가 높아지면, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 추가 저장 에너지가 증가한다.
더욱이, 양극액 탱크 분리기(150a) 및 음극액 탱크 분리기(150b)가 하방향(153)으로 이동함에 따라, 양극 용액의 하부 용적 및 음극 용액의 하부 용적에 각각 인가된 하향력은 하나 이상의 전해액 통로(160)를 통하여 양극 용액 및 음극 용액을 흐르게 한다. 동작시, 하나 이상의 탱크 분리기(150)에 의해 양극 용액, 음극 용액 또는 둘 다에 인가된 힘은 양극액 펌프(139) 및 음극액 펌프(149)에 의해 요구되는 펌핑 전력을 감소시키거나 제거하여 양극 용액 및 음극 용액이 제1 흐름 방향(102)으로 흐르게 하며, 이것은 하나 이상의 탱크 분리기(150)의 하방향(153)으로의 이동에 상응한다. 따라서, 양극액 펌프(139)와 음극액 펌프(149)의 사용은 양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)가 상방향(151)으로 이동하는 것에 대응하여 제2 흐름 방향(103)으로의 액체 흐름에만 요구될 수 있다. 또한, 하나 이상의 터빈(190)에 의해 수력발전으로 수확된 에너지는 양극액 펌프(139)와 음극액 펌프(149)에 의해 소모되는 에너지의 일부 또는 전부를 상쇄할 수 있다. 예를 들어, 수력발전으로 생성되는 전력은 양극액 펌프(139)와 음극액 펌프(149)에 의해 소모되는 전력보다 크거나 같을 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 그래프(210)은 양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)의 총 중량에 기초하여 양극액측 터빈(190a) 및 음극액측 터빈(190b)에 의해 생성(또는 회수)되는 양극액 펌프(139)와 음극액 펌프(149)에 의해 소모되는 에너지의 백분율을 나타낸다. 예를 들어, 하나 이상의 탱크 분리기(150)가 상승 위치(154)로부터 하강 위치(156)까지 하방향(153)으로 병진이동할 때, 하나 이상의 터빈(190)을 통하여 전해액이 흐름으로써 수력발전으로 생성되는 전력은 양극액 펌프(139)와 음극액 펌프(149)에 의해 소모되는 전력의 약 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 또는 100%와 동일하거나 그보다 많은 전력 또는 100% 이상의 전력을 포함하여 하나 이상의 탱크 분리기(150)를 하강 위치(156)로부터 상승 위치(154)까지 상방향(151)으로 병진이동시킨다.
도 7에 그래프로 도시된 예시적인 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)은 전해액 밀도가 약 1.375 톤/m3이고 탱크 높이가 약 50 m 인 전해액을 포함한다. 도 7의 그래프(210)는 각각 상이한 전해액 배출량을 갖는 4개의 예시적인 전해액을 나타낸다. 예를 들어, 라인(212)은 시간당 10 입방 미터(m3/h)의 전해액 배출량을 나타내고, 라인(214)은 50 m3/h의 전해액 배출량을 나타내고, 라인(216)은 100 m3/h의 전해액 배출량을 나타내고, 라인(218)은 200 m3/h의 전해액 배출량을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 하나 이상의 탱크 분리기(150)의 중량을 증가시키고 전해액 배출량(라인(218) 참조)을 증가시키면, 펌프 회수 에너지의 백분율이 증가한다. 도 7은 또한 제1 흐름 방향(102)으로의 액체 흐름 동안 양극액 펌프(139) 및 음극액 펌프(149)를 대체하기에 충분히 강한 액체 흐름을 발생시키는데 필요한 하나 이상의 탱크 분리기(150)의 총 중량을 도시한다.
다시 도 1-5를 참조하면, 하나 이상의 터빈(190)은 하나 이상의 터빈 발전기(192)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 터빈(190) 각각은 별도의 터빈 발전기(192)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또는, 다수의 터빈들(190)은 동일한 터빈 발전기(192)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 하나 이상의 터빈(190) 각각은 전력 발생 회로(180)에 전기적으로 연결될 수 있다. 더욱이, 하나 이상의 터빈(190) 각각은 전해액 통로(160)에 유동적으로 연결되고, 동작시, 개개의 터빈(190)을 통한 전해액의 흐름은 개개의 터빈(190)을 작동(예를 들어 회전)시켜서 개개의 터빈 발전기(192)에 의해 수용가능한 전류를 발생시키거나, 발전 회로(180)를 작동시켜서 수력발전으로 전력을 생성하거나, 또는 둘 다를 할 수 있다. 하나 이상의 터빈(190)은 예를 들어 수평 수력 터빈, 수직 수력 터빈, 프랜시스(Francis) 터빈, 카플란(Kaplan) 터빈, 타이슨(Tyson) 터빈, 수차, 펠턴(Pelton) 바퀴, 튜고(Turgo) 터빈, 횡류 터빈 등과 같은 임의의 공지된 또는 아직 개발되지 않은 액체 작동 터빈을 포함할 수 있다.
도 1-5에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 터빈(190)은 하부 양극액 통로(162) 또는 상부 양극액 통로(164)에 유동적으로 연결되고 양극액 터빈 발전기(192a)에 전기적으로 연결되는 양극액측 터빈(190a)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2-5에 도시된 바와 같이, 양극액측 터빈(190a)은 하부 양극액 통로(162)의 2차 분기부(162b)에 유동적으로 연결되어, 2차 분기부(162b)를 통한 양극 용액 흐름은 양극액측 터빈(190a)을 횡단하여 양극액측 터빈(190a)을 작동시켜 양극액 터빈 발전기(192a)에 의해 수용될 수 있는 전류를 발생시켜 전력을 수력발전으로 생성할 수 있다.
더욱이, 도 1-5에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 터빈(190)은 하부 음극액 통로(172) 또는 상부 음극액 통로(174)에 유동적으로 연결되고 음극액 전해액 터빈 발전기(192b)에 전기적으로 연결되는 음극액측 터빈(190b)을 포함한다. 예를 들어, 도 2-5에 도시된 바와 같이, 음극액측 터빈(190b)은 하부 음극액 통로(172)의 2차 분기부(172b)에 유동적으로 연결되어, 2차 분기부(172b)를 통한 음극 용액 흐름은 음극액측 터빈(190b)을 횡단하여 음극액측 터빈(190b)을 작동시켜 양극액 터빈 발전기(192a)에 의해 수용될 수 있는 전류를 발생시켜 전력을 수력발전으로 생성할 수 있다.
다시 도 2-5를 참조하면, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)은 전해액 통로(160)에 유동적으로 연결되는, 예를 들어 하부 양극액 통로(162) 및 하부 음극액 통로(172)에 유동적으로 연결되는 복수의 밸브들(185)을 포함할 수 있다. 복수의 밸브들(185) 각각은 개방 위치(186)와 폐쇄 위치(188) 사이에서 작동 가능하다. 동작시, 개방 위치(186)는 개개의 밸브(185)를 통해 전해액 흐름을 허용하고, 폐쇄 위치(188)는 개개의 밸브(185)를 통한 전해액 흐름을 방지한다. 예를 들어, 복수의 밸브들(185)은, 전기화학 셀(110)로부터 하부 양극액 개구(133) 및 하부 음극액 개구(143) 중 적어도 하나로 전해액이 흐를 때, 복수의 밸브들(185)이 하나 이상의 터빈(190) 중 적어도 하나를 전해액의 통과를 방지하도록 배열되고 작동될 수 있다. 더욱이, 복수의 밸브들(185)은, 하부 양극 개구(133)과 하부 음극액 개구(143) 중 적어도 하나로부터 전기화학 셀(110)로 전해액이 흐를 때, 복수의 밸브들(185)은 전해액이 하나 이상의 터빈(190) 중 적어도 하나를 통과하는 것을 허용하도록 배열되고 작동될 수 있다. 복수의 밸브들(185)은 니들 밸브, 게이트 밸브, 글로브 밸브, 볼 밸브, 버터플라이(butterfly) 밸브, 다이어프램(diaphragm) 밸브, 피스톤 밸브 또는 임의의 공지된 또는 아직 개발되지 않은 작동 밸브를 포함할 수 있다.
동작시, 복수의 밸브들(185)은 각각 하부 양극액 통로(162)에 유동적으로 연결된 제1 양극액 밸브(185a), 제2 양극액 밸브(185b) 및 제3 양극액 밸브(185c)를 포함할 수 있다. 제1 양극액 밸브(185a)는 하부 양극액 개구(133a)와 양극액 통로 수렴 위치(165) 사이의 하부 양극액 통로(162)의 1차 분기부(162a)에 유동적으로 연결된다. 제2 양극액 밸브(185b)는 제2 하부 양극액 개구(133b)와 양극액측 터빈(190a) 사이의 2차 분기부(162b)에 유동적으로 연결된다. 또한, 제3 양극액 밸브(185c)는 양극액 통로 수렴 위치(165)와 양극액측 터빈(190a) 사이의 2차 분기부(162b)에 유동적으로 연결된다.
동작시, 제1 양극액 밸브(185a)가 개방 위치(186)에 있고 제2 및 제3 양극액 밸브들(185b, 185c)가 각각 폐쇄 위치(188)에 있을 때, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하부 양극액 통로(162)의 2차 분기부(162b)를 통과하여 양극액측 터빈(190a)을 통과하는 양극 용액의 흐름이 방해받는다. 예를 들어, 양극 용액이 제2 흐름 방향(103)으로 흐를 때, 이 작동 구성은, 양극액 펌프(139)의 펌핑 전력이 양극액 탱크 분리기(150a)를 하강 위치(156)와 상승 위치(154)로부터 이동시키고 양극액 탱크 분리기(150a)가 수력발전으로 수확될 수 있는 액체 흐름을 생성하지 않기 때문에 바람직할 수 있다. 또한, 이 작동 구성은, 양극 용액이 제2 흐름 방향(103)으로 흐를 때 바람직할 수 있는데 그 이유는 제2 흐름 방향(103)으로의 양극 용액의 흐름이 양극액측 터빈(190a)을, 예를 들어 양극액측 터빈(190a)의 형상과 구성 때문에 작동시키지 않을 수 있기 때문이다.
제1 양극액 밸브(185a)가 폐쇄 위치(188)에 있고 제2 및 제3 양극액 밸브들(185b, 185c)이 각각 개방 위치(186)에 있을 때, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 하부 양극액 통로(162)의 2차 분기부(162b)를 통과하여 양극액측 터빈(190a)을 통과하는 양극 용액의 흐름이 방해받지 않는다. 더욱이, 제1 양극액 밸브(185a)가 폐쇄 위치(188)에 있고 제2 및 제3 양극액 밸브들(185b, 185c)이 각각 개방 위치(186)에 있을 때, 제1 하부 양극액 개구(133a)와 양극액 통로 수렴 위치(165) 사이의 양극 용액의 흐름이 방해받는다. 예를 들어, 양극 용액이 제1 흐름 방향(102)으로 흐를 때, 이 작동은 액체가 양극액측 터빈(190a)을 통하여 흘러서 양극액측 터빈(190a)을 작동시켜서 수력발전으로 전력이 생성되도록 하기 위해 바람직할 수 있다.
여전히 도 2-5를 참조하면, 복수의 밸브들(185)은 제1 음극액 밸브(185d), 제2 음극액 밸브(185e) 및 제3 음극액 밸브(185f)를 포함할 수 있다. 제1 음극액 밸브(185d)는 제1 하부 음극액 개구(143a)와 음극액 통로 수렴 위치(175) 사이의 하부 음극액 통로(172)의 1차 분기부(172a)에 유동적으로 연결된다. 제2 음극액 밸브(185e)는 제2 하부 음극액 개구(143b)와 음극액측 터빈(190b) 사이의 하부 음극액 통로(172)의 2차 분기부(162b)에 유동적으로 연결된다. 또한, 제3 음극액 밸브(185f)는 음극액 통로 수렴 위치(175)와 음극액측 터빈(190b) 사이의 하부 음극액 통로(172)의 2차 분기부(162b)에 유동적으로 연결된다.
작동시, 제1 음극액 밸브(185d)가 개방 위치(186)에 있고 제2 및 제3 음극액 밸브들(185e, 185f)이 각각 폐쇄 위치(188)에 있을 때, 도 2 및 도 5에 도시 된 바와 같이, 하부 음극액 통로(172)의 2차 분기부(172b)를 통과하여 음극액측 터빈(190b)을 통과하는 음극 용액의 흐름이 방해받는다. 예를 들어, 음극 용액이 제2 흐름 방향(103)으로 흐를 때, 이 작동 구성은 양극액 펌프(149)의 펌핑 전력이 양극액 탱크 분리기(150b)를 하강 위치(156)와 상승 위치(154)로부터 이동시키고 양극액 탱크 분리기(150b)는 수력발전으로 수확될 수 있는 액체 흐름을 생성하지 않기 때문에 바람직할 수 있다. 또한, 이 작동 구성은, 양극 용액이 제2 흐름 방향(103)으로 흐를 때 바람직할 수 있는데 그 이유는 제2 흐름 방향(103)으로의 양극 용액의 흐름이 양극액측 터빈(190b)을, 예를 들어 양극액측 터빈(190b)의 형상과 구성 때문에 작동시키지 않을 수 있기 때문이다.
제1 음극액 밸브(185d)가 폐쇄 위치(188)에 있고 제2 및 제3 음극액 밸브들(185e, 185f)이 각각 개방 위치(186)에 있을 때, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 음극액측 터빈(190b)을 통과하는 음극 용액의 흐름은 방해받지 않는다. 더욱이, 제1 음극 밸브(185d)가 폐쇄 위치(188)에 있고 제2 및 제3 음극액 밸브들(185e, 186f)가 각각 개방 위치(186)에 있을 때, 제1 하부 음극액 개구(143a)와 음극액 통로 수렴 위치(175) 사이의 전해액의 흐름은 방해받는다. 예를 들어, 음극 용액이 제1 흐름 방향(102)으로 흐를 때, 이 작동은 음극액측 터빈(190b)을 통하여 액체가 흘러서 음극액측 터빈(190b)을 작동시키고 수력발전으로 전력을 발생시키기 위해 바람직할 수 있다. 또한, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 양극액 밸브들(185a-c) 및 음극액 밸브들(185d-f)은, 예를 들어 양극 용액 및 음극 용액이 반대 방향으로 흐를 때 전기화학적 충전 및 전기화학적 방전이 발생하도록 하이브리드 플로우 산화 환원 배터리 시스템(100)이 배치될 때 상이한 작동일 수 있다.
더욱이, 하나 이상의 탱크 분리기(150)는 전기화학 셀(110)이 동작하는 동안, 애노드(112) 내의 반응 양극액 활성 물질의 농도 및 캐소드(122) 내의 반응 음극액 활성 물질의 농도를 증가시켜 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 전기화학적 손실을 감소시킨다. 예를 들어, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)이 전기화학적으로 방전될 때, 충전된 양극액 활성 물질은 반응 양극액 활성 물질이고, 충전된 음극액 활성 물질은 반응 음극액 활성 물질이며, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)이 전기화학적으로 충전될 때, 방전된 양극액 활성 물질은 반응 양극액 활성 물질이고, 방전된 음극액 활성 물질은 반응 음극액 활성 물질이다. 따라서, 양극액 탱크 분리기(150a)를 이용하여 양극액 탱크(130) 내의 충방전된 양극액 활성 물질을 분리하고, 음극액 탱크 분리기(150b)를 이용하여 음극액 탱크(140) 내의 충방전된 음극액 활성 물질을 분리하며, 반응 양극액 활성 물질을 애노드(112)로 선택적으로 펌핑하고, 반응 음극액 활성 물질을 캐소드(122)로 선택적으로 펌핑함으로써, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 전기화학적 손실이 감소되고, 그에 따라 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 효율을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)은 개방 회로 조건 하에서, 예를 들어, 발전 회로(180)의 전류가 영(제로)일 때 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 전기화학 방전에 의해 생성될 수 있는 최대 전압인 개방회로 전압 Voc 또는 기전력(EMF)을 구비한다. 개방 회로 전압(Voc)은 전기화학 셀(110)에서의 환원 및 산화 반응, 애노드(112)의 반응 양극액 활성 물질 및 캐소드(122)(네른스트(Nernst) 전압)의 반응 음극액 활성 물질의 농도, 및 동작 온도에 의해 영향을 받는다.
하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 개방 회로 전압 Voc는 으로서 수학적으로 표현될 수 있으며, 여기서, Voc는 애노드(112)와 캐소드(122) 사이의 가역적 최대 전압, R은 범용 가스 상수, T는 전기화학 셀(110)의 동작 온도, n은 전기화학 셀(110) 산화환원 반쪽반응에서 전이된 전자의 몰의 수, 산화환원 반 반응, 예를 들어 회로 통로(182)를 따라 양극 용액과 음극 용액 사이에서 이동되는 전자의 몰의 수, F는 패러데이 상수로 96485 쿨롱/몰, aox는 산화제 종의 활성(예를 들어, 방전 동작 중인 양극 용액 또는 충전 동작 중의 음극 용액), 및 ared는 환원제 종의 활성(예를 들어, 전기화학 충전 동작 중인 양극 용액 또는 전기화학 방전 동작 중인 음극 용액)이다.
활성 비율(aox/ared)은 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 전기화학 방전 또는 전기화학 충전시 변화한다. 예를 들어, 완전 충전시 활성 비율은 최대로 된다. 또한, 반응 활성 물질의 농도가 감소하고 비 반응 활성 물질의 농도가 증가하여 개방 회로 전압(Voc)을 감소시킬 수 있기 때문에, 보다 적은 충전량으로 활성 비율이 감소한다. 따라서, 양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)를 이용하여 양극 용액 및 음극 용액 각각에서 충방전된 양극액 및 음극액 활성 물질을 분리함으로써 전기화학 셀(110) 내의 반응 활성 물질의 농도를 최대화할 수 있고 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 개방 회로 전압(Voc)을 증가시킬 수 있다.
양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)를 이용하여 양극액 탱크(130)와 음극액 탱크(140) 내의 충방전된 양극액 활성 물질과 충방전된 음극액 활성 물질을 각각 분리함으로써 양극액 탱크(130)와 음극액 탱크(140)에 반응 활성 물질을 각각 재순환시키는 것이 최소화될 수 있고, 전기화학 셀(110)에 도입되는 비반응 활성 물질의 양이 최소화될 수 있다. 이는 생성물 반응 활성 물질의 농도가 [Ab+] = a[Aa+]° 및 [Bg+] = a[Bd+]°로 수학적으로 표현되듯이 동작동안 일정할 수 있기 때문에 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 개방 회로 전압을 증가시키며, 여기서, a는 양극액 탱크(130) 및 음극액 탱크(140)로 각각 다시 재순환되는 반응 활성 물질의 백분율이고, [Aa+]° 및 [Bd+]°는 각각 반응 활성 물질의 초기(완전 충전) 농도이다. 따라서, 충전 SOC의 상태는 로 수학적으로 표현될 수 있고, 개방 회로 전압은 로 수학적으로 표현될 수 있다.
따라서, 양극액 탱크 분리기(150a)와 음극액 탱크 분리기(150b)는 양극액 탱크(130)와 음극액 탱크(140) 내의 충방전된 양극액 활성 물질 및 충방전된 음극액 활성 물질을 각각 분리함으로써 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템(100)의 전체 에너지 저장 및 수확 능력을 증가시키고, 양극액측 터빈(190a)과 음극액측 터빈(190b)을 통해 양극 용액, 음극 용액 또는 둘 다의 흐름을 가능하게하여 부가 전력을 수력발전으로 생성한다.
특별한 특성으로 구현되거나 특별한 방식으로 기능하기 위해 특별한 방법으로 "구성되는" 본 개시물의 구성 요소의 이 개시에서의 설명들은 의도적인 용도의 설명과는 반대로 구조적 설명임을 유의해야한다. 보다 구체적으로, 구성 요소가 "구성되는" 방식에 대한 본 개시물의 참조는 구성 요소의 현존하는 물리적 조건을 나타내며, 이와 같이 구성 요소의 구조적 특징의 명확한 설명으로 간주되어야 한다.
본 발명을 기술하고 정의하기 위하여, "약"이라는 용어는 임의의 정량적 비교, 값, 측정 또는 다른 표현에 기인할 수 있는 고유한 불확실성의 정도를 나타내기 위해 본 개시물에서 사용된다는 것을 유의해야한다. "약"이라는 용어는 본 개시물에서 당해 기술요지의 기본 기능을 변화시키지 않으면서 정량적 표현이 명시된 기준과 달라질 수 있는 정도를 나타내는 데에도 사용된다.
본 개시물의 기술요지를 상세하게 그리고 그 특정 실시예를 참조하여 설명하였으며, 비록 본 설명에 수반되는 도면의 각각에 특별한 소자가 도시되어있는 경우에도, 본 개시물에 개시된 다양한 세부 사항은 이러한 세부 사항이 본 개시물에 기재된 다양한 실시예의 필수 구성 요소인 소자와 관련된다는 것을 의미하지 않는다는 것을 유의해야한다. 또한, 첨부된 청구 범위에 정의된 실시예를 포함하지만 이에 한정되지 않으면서도 본 개시물의 범위를 벗어나지 않고 수정 및 변형이 가능하다는 것은 명백할 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시물의 일부 양태가 본 개시물에서 바람직한 또는 특히 유리한 것으로 식별되었지만, 본 개시물이 이러한 양태에 반드시 제한되지 않는다는 것이 고려된다.
이하의 청구 범위 중 하나 이상은 접속구로서 "여기에서(wherein)"라는 용어를 사용한다는 것에 유의해야 한다. 본 발명을 정의하기 위해, 이 용어는 구조의 일련의 특성의 인용을 도입하기 위해 사용되는 개방형 접속구로서 청구 범위에 도입되며, 보다 일반적으로 사용되는 개방형 전제(open-ended preamble) 용어인 "구비하는"과 같은 방식으로 해석되어야 한다는 것에 유의해야 한다.

Claims (20)

  1. 전기화학 셀, 양극액 탱크(anolyte tank), 음극액 탱크(catholyte tank), 하나 이상의 탱크 분리기, 복수의 전해액 통로들, 하나 이상의 터빈 및 하나 이상의 발전 회로를 구비하는 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템에 있어서,
    상기 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이에 위치하고 상기 애노드와 상기 캐소드에 전기화학적으로 결합된 이온교환막을 포함하며;
    상기 하나 이상의 발전 회로 중 적어도 하나는 상기 애노드와 상기 캐소드에 전기적으로 연결되며;
    상기 양극액 탱크는 상부 양극액 개구 및 상기 상부 양극액 개구 아래에 위치한 하부 양극액 개구를 포함하며;
    상기 음극액 탱크는 상부 음극액 개구 및 상기 상부 음극액 개구 아래에 위치한 하부 음극액 개구를 포함하며;
    상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상은 상기 상부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되고, 상기 하부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되어 상기 양극액 탱크와 상기 애노드를 유동적으로 연결하며;
    상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상은 상기 상부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되고 상기 하부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되어 상기 음극액 탱크를 상기 캐소드에 유동적으로 연결하며;
    상기 하나 이상의 터빈은 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상에 유동적으로 연결되며;
    상기 하나 이상의 탱크 분리기는 상기 양극액 탱크와 상기 음극액 탱크 중 하나 또는 양자 내에 위치하며; 그리고
    상기 하나 이상의 탱크 분리기는 하나 이상의 터빈을 통해 상기 하부 양극액 개구와 상기 하부 음극액 개구 중 하나 또는 양자로부터 전해액 흐름을 유도하여 수력발전으로 전력을 생성하기 위해 하방향으로 병진이동가능한, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 탱크 분리기는 상기 양극액 탱크 내에 위치한 양극액 탱크 분리기 및 상기 음극액 탱크 내에 위치한 음극액 탱크 분리기를 포함하며;
    상기 양극액 탱크 분리기는 상기 양극액 탱크 분리기가 충전된 양극액 활성 물질을 방전된 양극액 활성 물질로부터 분리하도록 상기 양극액 탱크 내에 위치하고; 그리고
    상기 음극액 탱크 분리기는 상기 음극액 탱크 분리기가 충전된 음극액 활성 물질을 방전된 음극액 활성 물질로부터 분리하도록 상기 음극액 탱크 내에 위치하는 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 탱크 분리기는 각각 1 톤/m3 내지 5 톤/m3의 밀도 및 1 톤 내지 400 톤의 중량을 포함하는, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상에 유동적으로 연결된 하나 이상의 밸브를 더 구비하고,
    하나 이상의 밸브는 각각 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 작동 가능하며;
    상기 개방 위치는 상기 하나 이상의 밸브를 통하여 전해액이 통과하는 것을 허용하고; 그리고
    상기 폐쇄 위치는 상기 하나 이상의 밸브를 통하여 전해액이 통과하는 것을 방지하는, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 터빈은 하나 이상의 터빈 발전기에 전기적으로 연결되며; 그리고
    하나 이상의 터빈을 통한 하부 양극액 개구 및 하부 음극액 개구 중 하나 또는 양자로부터의 전해액의 흐름은 하나 이상의 터빈을 회전시켜 하나 이상의 터빈 발전기에 의해 수용 가능한 전류를 발생시켜서 수력발전으로 전력을 발생시키는, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전해액 통로들은,
    상기 하부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되고 상기 하부 양극액 개구를 상기 애노드에 유동적으로 연결하는 하부 양극액 통로;
    상기 상부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되고 상기 상부 양극액 개구를 상기 애노드에 유동적으로 연결하는 상부 양극액 통로;
    상기 하부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되고 상기 하부 음극액 개구를 상기 캐소드에 유동적으로 연결하는 하부 음극액 통로; 및
    상기 상부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되고 상기 상부 음극액 개구를 상기 캐소드에 유동적으로 연결하는 상부 음극액 통로를 구비하는, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하부 양극액 개구는 제1 하부 양극액 개구를 구비하고;
    상기 양극액 탱크는 상기 상부 양극액 개구 아래에 위치하고 상기 하부 양극액 통로에 유동적으로 연결되는 제2 하부 양극액 개구를 더 구비하며;
    상기 하부 양극액 통로는 상기 제1 하부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되는 1차 분기부를 구비하고;
    상기 하부 양극액 통로는 상기 제2 하부 양극액 개구와 상기 하부 양극액 통로의 1차 분기부 사이에서 연장되는 2차 분기부를 구비하며; 그리고
    상기 하나 이상의 터빈은 상기 하부 양극액 통로의 2차 분기부에 유동적으로 연결된 양극액측 터빈을 포함하는, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 하부 양극액 개구와 상기 하부 양극액 통로의 상기 1차 및 2차 분기부들의 양극액 통로 수렴 위치 사이의 상기 하부 양극액 통로의 상기 1차 분기부에 유동적으로 연결된 제1 양극액 밸브;
    상기 제2 하부 양극액 개구와 상기 양극액측 터빈 사이의 상기 2차 분기부에 유동적으로 연결된 제2 양극액 밸브; 및
    상기 양극액 통로 수렴 위치와 상기 양극액측 터빈 사이의 2차 분기부에 유동적으로 연결된 제3 양극액 밸브를 더 구비하며,
    상기 제1, 제2 및 제3 양극액 밸브들 각각은 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 작동가능하며;
    상기 제1 양극액 밸브가 개방 위치에 있고 상기 제2 및 제3 양극액 밸브들이 각각 폐쇄 위치에 있을 때, 상기 양극액측 터빈을 통한 전해액의 흐름은 방해받고;
    상기 제1 양극액 밸브가 폐쇄 위치에 있고 상기 제2 및 제3 양극액 밸브들이 각각 개방 위치에 있을 때, 상기 양극액측 터빈을 통한 전해액의 흐름은 방해받지 않는, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 하부 음극액 개구는 제1 하부 음극액 개구를 구비하고;
    상기 음극액 탱크는 상기 상부 음극액 개구 아래에 위치하고 상기 하부 음극액 통로에 유동적으로 연결된 제2 하부 음극액 개구를 더 구비하고;
    상기 하부 음극액 통로는 상기 제1 하부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되는 1차 분기부를 구비하고;
    상기 하부 음극액 통로는 상기 제2 하부 음극액 개구와 상기 1차 분기부 사이에서 연장되는 2차 분기부를 구비하고; 그리고
    상기 하나 이상의 터빈은 상기 하부 음극액 통로의 2차 분기부에 유동적으로 연결된 음극액측 터빈을 구비하는, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 하부 음극액 개구와 상기 하부 음극액 통로의 상기 1차 및 2차 분기부들의 음극액 통로 수렴 위치 사이의 상기 하부 음극액 통로의 상기 1차 분기부에 유동적으로 연결된 제1 음극액 밸브;
    상기 제2 하부 음극액 개구와 상기 음극액측 터빈 사이의 상기 2차 분기부에 유동적으로 연결된 제2 음극액 밸브; 및
    상기 음극액 통로 수렴 위치와 상기 음극액측 터빈 사이의 상기 2차 분기부에 유동적으로 연결된 제3 음극액 밸브를 더 구비하고,
    상기 제1, 제2 및 제3 음극액 밸브들 각각은 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 작동가능하며;
    상기 제1 음극액 밸브가 개방 위치에 있고 상기 제2 및 제3 음극액 밸브들이 각각 폐쇄 위치에 있을 때, 상기 음극액측 터빈을 통한 전해액의 흐름은 방해받고; 그리고
    상기 제1 음극액 밸브가 폐쇄 위치에 있고 상기 제2 및 제3 음극액 밸브들이 각각 개방 위치에 있을 때, 상기 음극액측 터빈을 통한 전해액의 흐름은 방해받지 않는, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    양극 용액을 더 포함하며,
    상기 양극 용액의 하나 이상의 활성 물질은 바나듐, 크롬, 아연, 황, 넵투늄, 우라늄 또는 이들의 조합물을 포함하고,
    상기 애노드는:
    상기 이온교환막으로부터 충전된 양극액 활성 물질과 양성자를 수용하자마자 상기 하나 이상의 발전 회로 중 적어도 하나에 의해 수용가능한 전자를 충전된 양극액 활성 물질이 출력하도록 상기 양극 용액의 충전된 양극액 활성 물질을 산화시키고; 그리고
    상기 하나 이상의 발전 회로 중 적어도 하나로부터 방전된 양극액 활성 물질과 전자를 수용하자마자 상기 이온교환막에 의해 수용가능한 양성자를 방전된 양극액 활성 물질이 출력하도록 상기 양극 용액의 방전된 양극액 활성 물질을 환원시키도록 전기화학적으로 구성되는, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서,
    음극 용액을 더 포함하며,
    상기 음극 용액의 하나 이상의 활성 물질은 바나듐, 브롬, 세륨, 염소, 페리시안화합물, 페로시안화합물, 망간, 산화 넵투늄, 산화 우라늄 또는 이들의 조합물을 포함하고,
    상기 캐소드는:
    상기 하나 이상의 발전 회로 중 적어도 하나로부터 충전된 음극액 활성 물질과 전자를 수용하자마자 상기 이온교환막에 의해 수용가능한 양성자를 충전된 음극액 활성 물질이 출력하도록 충전된 음극액 활성 물질을 환원시키고; 그리고
    상기 이온교환막으로부터 방전된 음극액 활성 물질과 양성자를 수용하자마자 상기 하나 이상의 발전 회로 중 적어도 하나에 의해 수용가능한 전자를 방전된 음극액 활성 물질이 출력하도록 방전된 음극액 활성 물질을 산화시키도록 전기화학적으로 구성되는, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상에 유동적으로 연결된 하나 이상의 펌프를 더 구비하고,
    상기 하나 이상의 펌프는 상기 상부 양극액 개구 및 상기 상부 음극액 개구 중 하나 이상 또는 양자로부터 전해액 흐름을 유도하고 상기 하나 이상의 탱크 분리기를 상방향으로 병진이동시키도록 구조적으로 구성되며; 그리고
    상기 하나 이상의 탱크 분리기가 상승 위치로부터 하강 위치로 하방향으로 병진이동될 때 상기 하나 이상의 터빈을 통한 전해액의 흐름에 의해 수력발전으로 생성된 전력은 상기 하나 이상의 펌프에 의해 소모되는 전력보다 크거나 동일하여 상기 하나 이상의 탱크 분리기를 상기 하강 위치로부터 상기 상승 위치로 상방향으로 병진이동시키는, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  19. 전기화학 셀, 양극액 탱크, 음극액 탱크, 하나 이상의 탱크 분리기, 복수의 전해액 통로들, 하나 이상의 터빈, 하나 이상의 펌프 및 하나 이상의 발전 회로를 구비하는 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템에 있어서,
    상기 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이에 위치하고 상기 애노드와 상기 캐소드에 전기화학적으로 결합된 이온교환막을 포함하며;
    상기 하나 이상의 발전 회로 중 적어도 하나는 상기 애노드와 상기 캐소드에 전기적으로 연결되며;
    상기 양극액 탱크는 상부 양극액 개구 및 상기 상부 양극액 개구 아래에 위치한 하부 양극액 개구를 포함하며;
    상기 음극액 탱크는 상부 음극액 개구 및 상기 상부 음극액 개구 아래에 위치한 하부 음극액 개구를 포함하며;
    상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상은 상기 상부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되고, 상기 하부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되어 상기 양극액 탱크와 상기 애노드를 유동적으로 연결하며;
    상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상은 상기 상부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되고 상기 하부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되어 상기 음극액 탱크를 상기 캐소드에 유동적으로 연결하며;
    상기 하나 이상의 펌프는 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상에 유동적으로 연결되며;
    상기 하나 이상의 터빈은 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상에 유동적으로 연결되며;
    상기 하나 이상의 탱크 분리기는 상기 양극액 탱크와 상기 음극액 탱크 중 하나 또는 양자 내에 위치하며;
    상기 하나 이상의 탱크 분리기는 하나 이상의 터빈을 통해 상기 하부 양극액 개구와 상기 하부 음극액 개구 중 하나 또는 양자로부터 전해액 흐름을 유도하여 수력발전으로 전력을 생성하기 위해 하방향으로 병진이동가능하고, 하나 이상의 터빈을 회전시켜 수력발전으로 전력을 발생시키며; 그리고
    상기 하나 이상의 탱크 분리기가 상승 위치로부터 하강 위치로 하방향으로 병진이동될 때 상기 하나 이상의 터빈을 통한 전해액의 흐름에 의해 수력발전으로 생성된 전력은 상기 하나 이상의 펌프에 의해 소모되는 전력의 50%보다 크거나 동일하여 상기 하나 이상의 탱크 분리기를 상기 하강 위치로부터 상기 상승 위치로 상방향으로 병진이동시키는, 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
  20. 전기화학 셀, 양극액 탱크, 음극액 탱크, 하나 이상의 탱크 분리기, 복수의 전해액 통로들, 하나 이상의 터빈, 하나 이상의 밸브 및 하나 이상의 발전 회로를 구비하는 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템에 있어서,
    상기 전기화학 셀은 애노드와 캐소드 사이에 위치하고 상기 애노드와 상기 캐소드에 전기화학적으로 결합된 이온교환막을 포함하며;
    상기 하나 이상의 발전 회로 중 적어도 하나는 상기 애노드와 상기 캐소드에 전기적으로 연결되며;
    상기 양극액 탱크는 상부 양극액 개구 및 상기 상부 양극액 개구 아래에 위치한 하부 양극액 개구를 포함하며;
    상기 음극액 탱크는 상부 음극액 개구 및 상기 상부 음극액 개구 아래에 위치한 하부 음극액 개구를 포함하며;
    상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상은 상기 상부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되고, 상기 하부 양극액 개구와 상기 애노드 사이에서 연장되어 상기 양극액 탱크와 상기 애노드를 유동적으로 연결하며;
    상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상은 상기 상부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되고 상기 하부 음극액 개구와 상기 캐소드 사이에서 연장되어 상기 음극액 탱크를 상기 캐소드에 유동적으로 연결하며;
    상기 하나 이상의 밸브는 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상에 유동적으로 연결되며;
    상기 하나 이상의 터빈은 상기 복수의 전해액 통로들 중 하나 이상에 유동적으로 연결되며;
    상기 하나 이상의 탱크 분리기는 상기 양극액 탱크와 상기 음극액 탱크 중 하나 또는 양자 내에 위치하며;
    상기 하나 이상의 탱크 분리기는 하나 이상의 터빈을 통해 상기 하부 양극액 개구와 상기 하부 음극액 개구 중 하나 또는 양자로부터 전해액 흐름을 유도하여 수력발전으로 전력을 생성하기 위해 하방향으로 병진이동가능하며,
    전해액이 상기 전기화학 셀로부터 상기 하부 양극액 개구와 상기 하부 음극액 개구 중 적어도 하나로 흐를 때, 상기 하나 이상의 밸브는 상기 하나 이상의 터빈 중 적어도 하나를 통하여 전해액이 통과하는 것을 방지하며; 그리고
    전해액이 상기 하부 양극액 개구와 상기 하부 음극액 개구 중 적어도 하나로부터 상기 전기화학 셀로 흐를 때, 상기 하나 이상의 밸브는 상기 하나 이상의 터빈 중 적어도 하나를 전해액이 통과하는 것을 허용하는 하이브리드 플로우 산화환원 배터리 시스템.
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