KR20030034146A - Vanadium electrolyte preparation using asymmetric vanadium reduction cells and use of an asymmetric vanadium reduction cell for rebalancing the state of charge of the electrolytes of an operating vanadium redox battery - Google Patents

Vanadium electrolyte preparation using asymmetric vanadium reduction cells and use of an asymmetric vanadium reduction cell for rebalancing the state of charge of the electrolytes of an operating vanadium redox battery Download PDF

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KR20030034146A
KR20030034146A KR10-2003-7002313A KR20037002313A KR20030034146A KR 20030034146 A KR20030034146 A KR 20030034146A KR 20037002313 A KR20037002313 A KR 20037002313A KR 20030034146 A KR20030034146 A KR 20030034146A
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스쿼럴 홀딩스 리미티드
알베르토 펠레그리
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Abstract

전해질 용액에 공급되는 고체 5산화바나듐으로부터 V+3와 V+4를 요망 농도로 함유하는 산성 바나듐 전해질 용액은,An acid vanadium electrolyte solution containing V +3 and V +4 at a desired concentration from solid vanadium pentoxide supplied to the electrolyte solution,

- 다수의 직렬 전기분해 셀을 통해 전해질 용액을 순환시킴으로서 산성 전해질 용액에 용해된 바나듐을 V+3이나 그 이하의 산화 상태로 전기화학적으로 환원시키고,Circulating the electrolyte solution through a plurality of series electrolysis cells to electrochemically reduce the vanadium dissolved in the acidic electrolyte solution to an oxidation state of V +3 or below,

- 상기 전기분해 셀 중 최종 셀에서 나온 전해질 용액에서 이렇게 환원된 바나듐 함량을, V+4의 산화 상태를 지닌 바나듐을 함유하는 전해질 용액을 얻는 어느 화학양의 5산화바나듐과 반응시키며,Reacting the vanadium content thus reduced in the electrolyte solution from the final cell of the electrolysis cell with any stoichiometric vanadium pentoxide to obtain an electrolyte solution containing vanadium with an oxidation state of V +4 ,

- 용액의 몰농도 유지를 위해 산과 물을 첨가하고,Adding acid and water to maintain the molarity of the solution,

- 상기 직렬 셀 중 하나를 빠져나오는, V+3와 V+4를 요망 농도로 함유하는, 생산된 전해질 용액의 스트림을 짜내면서 직렬 전기분핼 셀을 통해 전해질 용액을 계속하여 재순환시킴으로서,Continuously recycling the electrolyte solution through the in-line electrolysis cell while squeezing out a stream of the resulting electrolyte solution containing the desired concentrations of V +3 and V +4 exiting one of the series cells,

제조된다. 이때 각각의 셀은 매우 비대칭으로서, 각각의 표면 구조, 형태, 상호적 배치를 지닌 캐소드와 애노드를 가져서, 투영된 캐소드 표면의 전류 밀도보다 5~20배 큰 전류 밀도를 애노드 표면에서 구축하고 애노드에서 산소를 방출시킨다. 이 종류의 비대칭 셀은 바나듐 함량의 산화 상태 균형을 각각 재조정하기 위해동작중인 배터리의 양전해질과 음전해질 중 하나의 회로에 사용될 수 있다.Are manufactured. Each cell is then very asymmetrical, with cathodes and anodes with their respective surface structures, shapes, and mutual arrangements, which build up at the anode surface a current density of 5-20 times greater than the current density of the projected cathode surface. Release oxygen. Asymmetric cells of this kind can be used in either the positive or negative electrolyte circuit of a battery in operation to rebalance the oxidation state of the vanadium content, respectively.

Description

비대칭 바나듐 환원 셀을 이용한 바나듐 전해질 제조 및 바나듐 레독스 배터리의 전해질 충전 상태 균형 재조정을 위한 비대칭 바나듐 환원 셀 이용{VANADIUM ELECTROLYTE PREPARATION USING ASYMMETRIC VANADIUM REDUCTION CELLS AND USE OF AN ASYMMETRIC VANADIUM REDUCTION CELL FOR REBALANCING THE STATE OF CHARGE OF THE ELECTROLYTES OF AN OPERATING VANADIUM REDOX BATTERY}VANADIUM ELECTROLYTE PREPARATION USING ASYMMETRIC VANADIUM REDUCTION CELLS AND USE OF AN ASYMMETRIC VANADIUM REDUCTION CELL FOR REBALANCING THE STATE OF vanadium electrolyte OF THE ELECTROLYTES OF AN OPERATING VANADIUM REDOX BATTERY}

바나듐 레독스 배터리는 올-바나듐 레독스 셀이나 단순히 바나듐 레독스 셀이나 배터리로 불리는 것으로서, 음의 해프-셀 전해질 용액과 양의 해프셀 전해질 용액에서 각각 V(II)/V(III)과 V(IV)/V(V)를 두 레독스 커플로 이용한다.Vanadium redox batteries are referred to as all-vanadium redox cells or simply vanadium redox cells or batteries, which are V (II) / V (III) and V in the negative half-cell electrolyte solution and the positive half-cell electrolyte solution, respectively. Use (IV) / V (V) as two redox couples.

바나듐 배터리에서 사용되는 전형적인 전해질은 +3의 산화 상태를 가진 바나듐 이온 50%와, +4의 산화 상태를 가진 바나듐 이온 50%의 혼합물로 구성된다.A typical electrolyte used in vanadium batteries consists of a mixture of 50% vanadium ions with an oxidation state of +3 and 50% of vanadium ions with an oxidation state of +4.

전해질은 배터리의 양의 구획과 음의 구획에 각각 놓이는 두개의 동등한 부분으로 나누어지며, 보다 정확하게는 상대 흐름 회로에 각각 놓이는 두개의 동등한 부분으로 나누어진다. 이 시작 환경에서, 배터리는 실제적으로 영인 개방 회로 전압을 가진다.The electrolyte is divided into two equal parts, each placed in the positive and negative compartments of the battery, and more precisely, in two equal parts, each placed in a relative flow circuit. In this starting environment, the battery has an open circuit voltage that is substantially zero.

충분히 높은 출력 전압의 외부 소스에 의해 배터리를 통해 전류가 흐르게될 때, 음전해질의 V+4(50%)가 V+3로 환원될 것이고, 이와 동시에 양전해질의 V+3(50%)가 V+4로 산화될 것이다.When current flows through the battery by an external source of a sufficiently high output voltage, V +4 (50%) of the negative electrolyte will be reduced to V +3 , while V +3 (50%) of the positive electrolyte Will be oxidized to V +4 .

음의 전해질 순환 펌프에 의해 배터리의 각각의 전극 구획을 통해 연속적으로 순환하는 음전해질은 어느 순간에 V3+만을 가질 것이고, 양의 전해질 순환 펌프에 의해 배터리의 각각의 전극 구획을 통해 연속적으로 순환하는 양전해질은 어느 순간에 V4+만을 가질 것이다.A negative electrolyte that continually circulates through each electrode compartment of the battery by a negative electrolyte circulation pump will have only V 3+ at any moment and continually circulates through each electrode compartment of the battery by a positive electrolyte circulation pump. The positive electrolyte will only have V 4+ at any moment.

이 상황에서 배터리는 0의 대전상태(Stated Of Charge; SOC)를 가진다고 일컬어지며, 배터리의 개방 회로 전압은 대략 1.1볼트일 것이다.In this situation the battery is said to have a Stated Of Charge (SOC) of zero, and the open circuit voltage of the battery will be approximately 1.1 volts.

배터리에 "충전" 전류를 계속해서 보냄으로서, 음전극에서 V+3는 V+2로 환원될 것이고, 양전극에서 V+4는 V+5로 산화될 것이다. 이 변환이 완료되면, 배터리는 1.58V의 개방 회로 전압을 가질 것이고, 배터리는 100%의 SOC를 가진다고 일컬어진다.By continuing to send a "charge" current to the battery, V +3 at the negative electrode will be reduced to V +2 , and V +4 at the positive electrode will be oxidized to V +5 . When this conversion is complete, the battery will have an open circuit voltage of 1.58V and the battery is said to have 100% SOC.

바나듐은 5산화바나듐(또는 암모늄 바나데이트; ammonium vanadate)으로 상용화되어 있다. 어느 경우에도, 일반적으로 +5의 산화 상태에서 거래되고 있다.Vanadium is commercially available as vanadium pentoxide (or ammonium vanadate). In either case, they are generally traded in an oxidation state of +5.

모든 바나듐 레독스 배터리 플랜트의 저장 용량은 산성 전해질에 녹은 바나듐의 양에 의해 결정된다. 주어진 몰농도의 전해질 용액에서, 저장 용량은 두 전해질 부피에 정비례한다.The storage capacity of all vanadium redox battery plants is determined by the amount of vanadium dissolved in the acidic electrolyte. For an electrolyte solution of a given molarity, the storage capacity is directly proportional to the two electrolyte volumes.

상용 5산화바나듐(또는 암모늄 바나데이트)를 시작(공급) 물질로 이용하여, 기존 배터리 설비의 저장 용량을 확장하기 위해, 또는 레독스 배터리 시스템의 두 회로를 먼저 채우기 위해 전해질로 적절한 바나듐 산성 용액을 만들 필요가 있다.Using commercial vanadium pentoxide (or ammonium vanadate) as a starting material, an appropriate vanadium acidic solution is used as an electrolyte to expand the storage capacity of existing battery equipment or to first fill the two circuits of a redox battery system. I need to make it.

따라서 바나듐 전해질의 제조 과정은 V2O5를 황산(또는 그 외 다른 산)에 용해시키고 이를 V+3(대략 50%)와 V+4(대략 50%)의 혼합물로 환원시키는 과정이다.Thus, the process of preparing the vanadium electrolyte is a process of dissolving V 2 O 5 in sulfuric acid (or other acid) and reducing it to a mixture of V +3 (about 50%) and V +4 (about 50%).

미세하게 나누어진(분말의) 5산화바나듐은 황산과 같은 산이나 물에 매우 소량만 용해되며, V2O5를 산용액에 용해시킴으로서 전해질을 제조하는 간단한 과정은 가능하지 않다.Finely divided (powdered) vanadium pentoxide is dissolved in very small amounts in acids or water, such as sulfuric acid, and a simple process for preparing an electrolyte by dissolving V 2 O 5 in an acid solution is not possible.

V2O5를 용해시키기 위해서는, 먼저 V2O5를 낮은(보다 용해가 쉬운) 산화 상태로 환원시킬 필요가 있다.In order to dissolve V 2 O 5 , it is first necessary to reduce V 2 O 5 to a lower (more easily soluble) oxidation state.

주로 환원 화합물을 이용함으로서, 또는 복잡한 전해질이나 화학적 처리 방법을 이용함으로서, V+5의 용해 및 환원을 위해 여러 방법이 제시되었다.Several methods have been proposed for the dissolution and reduction of V +5 , mainly by using reducing compounds, or by using complex electrolytes or chemical treatment methods.

유럽특허출원 0 566 019 호는 진한 황산에서 5산화바나듐이나 암모늄 바나데이트를 화학적으로 환원시킴으로서, 그리고 이어서 침전물을 열처리함으로서 바나듐 전해질 용액을 만들어내는 방법을 공개한다.EP 0 566 019 discloses a process for producing a vanadium electrolyte solution by chemically reducing vanadium pentoxide or ammonium vanadate in concentrated sulfuric acid, and then heat treating the precipitate.

WO 95/12219 호와 WO 96/35239 호는 고체 5산화바나듐으로부터 바나듐 전해질 용액을 제조하는 전기화학적 과정과 이 전해질 용액을 안정시키는 방법을 공개한다. 5산화바나듐 용해는 이온교환막 셀의 특별한 작은 구멍들을 가진 캐소드에서, 5산화바나듐 용액을 작은 구멍들의 캐소드에 접촉하게 함으로서 실행된다.WO 95/12219 and WO 96/35239 disclose an electrochemical process for preparing a vanadium electrolyte solution from solid vanadium pentoxide and a method of stabilizing the electrolyte solution. The vanadium pentoxide dissolution is performed by bringing the vanadium pentoxide solution into contact with the cathodes of the small pores in the cathode with the special small pores of the ion exchange membrane cell.

적절한 바나듐 산성 전해질을 제조하기 위해 지금껏 개발된 방법 및 기술들은 복잡하고 비용이 많이 든다. 다른 한편, 모든 바나듐 흐름 레독스 배터리 시스템의 총체적인 경제성 측면에서, 비교적 저렴한 비용에서 바나듐 전해질 용액을 이용할 수 있기 때문에 다른 에너지 저장 시스템에 비해 바나듐 레독스 배터리의 비용 측면 이점이 중요한 요소가 된다.The methods and techniques developed so far to produce suitable vanadium acid electrolytes are complex and expensive. On the other hand, in terms of the overall economics of all vanadium flow redox battery systems, the cost advantage of vanadium redox batteries over other energy storage systems becomes an important factor because the vanadium electrolyte solution is available at a relatively low cost.

이들 요건에 부합하기 위한 기본적인 사항은 비교적 저렴한 고체 5산화바나듐을 공급 물질로 이용하는 것이다.The basic requirement for meeting these requirements is to use a relatively inexpensive solid vanadium pentoxide as feed material.

본 발명은 레독스 배터리 시스템에서 재충전가능한 전기화학 에너지 저장 장치에 관한 것이다. 특히 소위 올-바나듐 레독스 2차 배터리에 관한 것이다.The present invention relates to a rechargeable electrochemical energy storage device in a redox battery system. In particular it relates to a so-called all-vanadium redox secondary battery.

도 1은 본 발명에 따르는 고체 V2O5공급 물질로부터 바나듐 전해질 용액을 제조하기 위한 설비의 도면.1 is a diagram of a plant for preparing vanadium electrolyte solution from a solid V 2 O 5 feed material according to the present invention.

도 2는 발명의 바나듐 환원 셀의 단면도.2 is a cross-sectional view of a vanadium reduction cell of the invention.

도 3은 바나듐 환원 셀의 대안의 실시예 단면도.3 is a cross-sectional view of an alternative embodiment of a vanadium reduction cell.

도 4는 기능 균형 조절을 위한 양전해질의 회로 내 발명의 바나듐 환원 셀을 포함하는 모든 바나듐 레독스 배터리 시스템의 기본 도면.4 is a basic diagram of all vanadium redox battery systems including the vanadium reduction cell of the invention in a circuit of positive electrolyte for functional balance control.

5산화 바나듐을 산성 전해질에서 바로 용해시키고 환원시키는 대단히 간단하고 저렴한 방법이 이제부터 제시된다.A very simple and inexpensive method of dissolving and reducing vanadium pentaoxide directly in an acidic electrolyte is now presented.

본 발명은 5산화바나듐(또는 암모늄 바나데이트) 공급 물질로부터 바나듐 전해질을 제조하는 데 특히 유용하며, 이 용액의 부수적 처리를 최소한으로 감소시키면서 매우 간단하고 저렴한 비용으로 전기분해 셀을 이용함으로서 구현된다.The present invention is particularly useful for preparing vanadium electrolytes from vanadium pentoxide (or ammonium vanadate) feed materials, and is implemented by using an electrolysis cell at a very simple and low cost with minimal reduction in incidental processing of this solution.

그럼에도 불구하고 본 발명의 방법은 에너지 소비 측면에서도 매우 효율적인 상태를 유지하고 있다.Nevertheless, the method of the present invention remains very efficient in terms of energy consumption.

본 발명의 방법은 용액의 몰농도를 유지하도록 미세하게 나누어진 분말 형태의 고체 5산화바나듐(V2O5), 산, 그리고 물을 어떠한 부피의 순환 바나듐 전해질 용액이 될 때까지 연속적으로 공급한다. 그러면서 V+3와 V+4를 서로 비슷하거나 그 외 다른 요망 농도로 함유하는 전해질 용액을 동등한 부피로 연속적으로 짜낸다.The method of the present invention continuously supplies solid vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), acid, and water in the form of a finely divided powder to maintain the molarity of the solution until a volume of circulating vanadium electrolyte solution is obtained. . Then squeeze the electrolyte solution containing V +3 and V +4 at similar or different desired concentrations continuously in equal volumes.

전해질 용액을 짜낸 스트림이 이 과정의 수득률(yield)을 결정한다.The stream squeezed out of the electrolyte solution determines the yield of this process.

기본적으로 발명의 방법은,Basically, the method of the invention

- 다수의 직렬 셀 중 최종 전기분해 셀로부터 전해질 용액의 배출구에서 전해질 용액 내 제 1 셀에 들어오는 용액의 V+4함량의 전부나 일부를 V+3로 감소시키고 궁극적으로는 V+2까지 소량 생기도록 다수의 직렬 전기분해 셀의 캐소드들과 전해질 용액을 접촉시키고,-At the outlet of the electrolyte solution from the final electrolysis cell of the multiple in-line cells, reduce all or part of the V +4 content of the solution entering the first cell in the electrolyte solution to V +3 and ultimately produce a small amount up to V +2 Contact the cathodes of the plurality of series electrolysis cells with the electrolyte solution,

- 최종 전기분해 셀의 배출구에서 이렇게 감소된 전해질 용액의 바나듐 함량을, 휘젓는 수단이 제공되는 용해 용기 내 5산화바나듐(V2O5)의 화학양으로 반응시키고, 거의 완전히 V+4상태에 놓이게 될 수 있는 용해된 바나듐의 대응하는 양을 함유하는 전해질 용액을 얻으며,React the vanadium content of the electrolyte solution so reduced at the outlet of the final electrolysis cell with a stoichiometry of vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) in the dissolution vessel provided with a means to stir, and to be almost completely at V +4 . Obtaining an electrolyte solution containing a corresponding amount of dissolved vanadium,

- 어떤 몰농도를 유지하도록 (V+4에 가까운) 바나듐 전해질 용액에 산, 가령 황산이나 그 외 다른 적절한 산을 첨가하고,Add an acid, such as sulfuric acid or other suitable acid, to the vanadium electrolyte solution (close to V + 4 ) to maintain some molarity,

- 직렬로 연결된 다수의 셀의 배출구에서 V+3와 V+4를 비슷한 농도로(선호됨) 함유하는 전해질 용액의 스트림을 짜내면서 직렬 전기분해 셀을 통해 전해질 용액을 재생시키는,Regenerating the electrolyte solution through an in-line electrolysis cell while squeezing a stream of electrolyte solution containing similar concentrations of V +3 and V +4 (preferred) at the outlets of the multiple cells connected in series,

이상의 단계로 구성된다.It consists of the above steps.

전기분해 셀의 핵심적 요소는 캐소드 표면의 전류 밀도보다 5~20배 큰 전류 밀도를 애노드 표면에 구축하는 것과 같은 표면 구조, 형태, 상호적 배치를 캐소드와 애노드가 가진다는 점에 있으며 이 애노드 표면에서 산소가 방출된다는 점에 있다.A key element of the electrolysis cell is that the cathode and the anode have a surface structure, form, and mutual arrangement, such as building a current density on the anode surface that is 5 to 20 times greater than the current density on the cathode surface. Oxygen is released.

실제로, 캐소드는 비교적 넓은 표면적을 제공하는 탄소 펠트나 활성 탄소 펠트일 수 있으며, 관형태나 홈형태를 가질 수 있다. 이와 동시에 애노드는 관/홈 형태의 캐소드의 기하학적 축을 따라 배치되는 긴 봉 형태일 수 있다.In practice, the cathode may be a carbon felt or an activated carbon felt that provides a relatively large surface area, and may have a tubular or grooved shape. At the same time the anode may be in the form of an elongated rod disposed along the geometric axis of the tubular / grooved cathode.

애노드의 특정 활성 면적에 비해 캐소드의 비교적 큰 특정 활성 영역과 그 투영된 면적비는 기하학적으로 투영된 캐소드 표면 상의 전류 밀도보다 5~20배 큰 활성 애노드 표면 상의 전류 밀도를 결정하는 것과 같다.The relatively large specific active area of the cathode relative to the specific active area of the anode and its projected area ratio is equivalent to determining the current density on the active anode surface that is 5-20 times greater than the current density on the geometrically projected cathode surface.

투영 면적의 1~수백 A/m2수준의 캐소드 전류 밀도로 동작함으로서, 그리고 관형태나 홈 형태의 캐소드에 대해 동심원 형태로 배치되는 애노드 봉의 직경을 잼으로서, 1000A/m2를 넘는 애노드 전류 밀도를 얻을 수 있다.By operating as a cathode current density of from 1 to several hundred A / m 2 level of the projected area, and a tube form or a jam of the anode rod diameter is arranged in a concentric circle form on the cathode of the groove forms, 1000A / m anode current density of greater than 2 Can be obtained.

대단히 불균형적인 전류 밀도와 비교적 높은 애노드 전류 밀도를 가지는 이 조건 하에서, 전기분해 셀에서 강제되는 전류는 V+4에서 V+3로의 캐소드 환원이 (수소같은 와류 반응 방지를 위해 최대 전류 밀도를 제한하는) 독자적 캐소드 해프-셀 반응을 거의 완전하게 유지함을 보장하도록 조절되면서, 애노드 해프-셀 반응이 산소 방출(물 전기분해) 반응에 의해 주로 지원된다.Under these conditions, with very unbalanced current densities and relatively high anode current densities, the current forced in the electrolysis cell is reduced by the cathode reduction from V +4 to V +3 (which limits the maximum current density to prevent hydrogen-like vortex reactions). The anode half-cell reaction is mainly supported by the oxygen release (water electrolysis) reaction, while being adjusted to ensure that the independent cathode half-cell reaction is nearly complete.

실제로, 열역학적으로 우선시되는 V+3에서 V+4로의 산화의 애노드 해프-셀 반응은 애노드와 캐소드 사이의 간격을 채우는 전해질 뭉치로부터 셀의 애노드 표면을 향한 V+3이온의 이동 및 확산 속도가 크게 부족함에 따라 실제적으로 방해받는다.Indeed, the thermodynamically preferred anode half-cell reaction of oxidation from V +3 to V +4 results in a large rate of migration and diffusion of V +3 ions from the mass of electrolyte filling the gap between the anode and the cathode towards the cell's anode surface. It is practically hindered by lack.

애노드 표면을 향한 바나듐 이온의 이동 및 확산에 대한 달리 중요한 방해물은 이렇게 비교적 높은 전류 밀도에서 애노드 표면에 대해 왕성하게 방출되는 산소 기체 거품의 존재에 의해 나타난다.Another important obstacle to the movement and diffusion of vanadium ions toward the anode surface is manifested by the presence of oxygen gas bubbles that are vigorously released to the anode surface at this relatively high current density.

직렬로 연결된 다수의 전기분해 셀을 따라 흐르는 전류는 직렬 셀 중 최종 셀을 떠나는 전해질에서 모든 V+4를 V+3로 실제적으로 완전하게 환원시키기 위해, 직렬 셀을 통과하는 전해질 유량의 함수로 조절될 수 있다.The current flowing through multiple electrolysis cells connected in series is regulated as a function of the flow rate of the electrolyte through the series cells to substantially completely reduce all V +4 to V +3 in the electrolyte leaving the final cell of the series cells. Can be.

물론, 이는 이상적인 조건으로 남아 있으며, 셀에 전류가 부족할 경우 V+4의 최소 잔량이 남을 수 있고, 또 그역으로, 전류가 과량인 경우, 최종 셀을 떠나는 전해질에서 소량의 V+2가 V+3와 함께 존재할 수 있도록 V+3에서 V+2로의 초기 환원이 발생할 수 있다.Of course, this remains an ideal condition, and if there is a lack of current in the cell, a minimum residual amount of V +4 may remain, and vice versa, if the current is excessive, a small amount of V +2 in the electrolyte leaving the final cell will result in V +. An initial reduction from V +3 to V +2 can occur so that it can be present with 3 .

애노드는 산소 방출 가능성이 높은 저산소의 전기촉매 표면을 가지며, 무엇보다도 애노드 분극 및 산소 방출의 조건 하에서 산성 전해질에 대해 반응하지 않는다.The anode has a low oxygen electrocatalyst surface with high oxygen release potential and, above all, does not react to acidic electrolytes under conditions of anode polarization and oxygen release.

예를 들어, 애노드는 산소 방출 전기촉매의 비-부동태화 활성 코팅을 가진티타늄, 탄탈륨, 또는 이들의 합금처럼 애노드 공격에 내성이 있는 밸브 금속의 봉일 수 있다.For example, the anode may be a rod of valve metal that is resistant to anode attack, such as titanium, tantalum, or alloys thereof with a non-passivating active coating of an oxygen releasing electrocatalyst.

코팅은 이리듐, 로듐, 그리고 루테늄같은 한개 이상의 비활성 금속의 산화물과 티타늄, 탄탈륨, 그리고 지르코늄같은 한개 이상의 밸브 금속의 산화물의 믹스처일 수 있고, 혼합된 산화물일 수도 있다. 활성 코팅은 백금, 이리듐, 또는 로듐같은 비활성 금속 코팅이나 전도성 산화물 모체에 산재된 동일 금속으로 된 코팅으로 이루어질 수 있다.The coating may be a mixture of oxides of one or more inert metals such as iridium, rhodium, and ruthenium and oxides of one or more valve metals such as titanium, tantalum, and zirconium, or may be mixed oxides. The active coating may consist of an inert metal coating such as platinum, iridium, or rhodium or a coating of the same metal interspersed with a conductive oxide matrix.

일반적인 휘저음이 제공되는 용해 용기에서, 최종 셀을 빠져나오는 전해질 용액은 최대 크기가 100미크론 이하인 입자를 삽입하기 위해 고체 5산화바나듐을 갈거나 걸러냄으로서 제조되는 미세한 형태의 고체 5산화바나듐의 화학양(V+3(V+2)의 양으로 불림)과 접촉한다.In a dissolution vessel provided with normal agitation, the electrolyte solution exiting the final cell is a fine form of solid vanadium pentoxide chemistry prepared by grinding or filtering solid vanadium pentoxide to insert particles up to 100 microns in size. Contact a quantity (called a quantity of V +3 (V +2 )).

옮겨지거나 여과된 용액은 레저봐(reservoir)에서 회복되며, 어떤 용해되지 않은 5산화바나듐 입자도 용해 용기에서 다시 재생될 수 있다.The transferred or filtered solution is recovered in a reservoir and any undissolved vanadium pentoxide particles can be regenerated in the dissolution vessel.

이렇게 얻은 용액은 대부분 V+4의 바나듐을 함유하며, 비교적 소량의 용해된 바나듐이 V+5로 존재할 수도 있다.The solution thus obtained mostly contains vanadium of V +4 , and relatively small amounts of dissolved vanadium may be present as V +5 .

가장 자주 이용되면서 선호되는 산이 황산이며, 몰농도와 전해질 용액을 유지하기 위해 바나듐-여과된 전해질 용액에 물이 첨가된다. 물론, 바나듐 몰농도가 높을수록, 전해질의 전력/총부피의 비가 높을 것이지만, 임계 온도 조건 하에서 용액의 안정성이 가지는 문제점이 비교적 높은 몰농도에서 나타날 수 있다. 황산 용액의 경우 바나듐 몰함량은 2~5몰 사이의 범위를 가진다(선호됨).The most frequently used and preferred acid is sulfuric acid, and water is added to the vanadium-filtered electrolyte solution to maintain the molarity and electrolyte solution. Of course, the higher the vanadium molar concentration, the higher the power / total volume ratio of the electrolyte, but the problem of stability of the solution under critical temperature conditions may appear at relatively high molar concentrations. For sulfuric acid solutions the vanadium molar content ranges between 2 and 5 moles (preferred).

이 용액은 V+4를(그리고 V+5의 잔량을) V+3로, 종국에는 V+2로 전기화학적인 환원을 위해 직렬 셀의 첫 번째 셀의 유입구로 다시 펌핑된다.The solution to +4 V (and the residual amount of the +5 V) to V +3, and eventually is pumped back to the inlet of the first cell in the series cell for electrochemical reduction to V +2.

전해질 생산 설비의 생산물은 동일한 양의 V+3와 V+4를 함유하는 용액으로서, 직렬 셀의 셀 중 하나의 유출구에서 재순환 용액의 메인 스트림으로 짜낼 수 있다.The product of the electrolyte production plant is a solution containing the same amount of V +3 and V +4 , which can be squeezed into the main stream of recycle solution at the outlet of one of the cells of the series cell.

대량의 산소 발생 및 이에 따른 V+3에서 V+4로의 소량의 산화를 유발하는 애노드 표면에서 불균형하게 큰 전류 밀도는 수용할 수 있는 수준 이상으로 과정의 총 효율을 유지하기 충분한 조건이며, 전기 에너지 비용이 바나듐 산 전해질의 제조 과정의 총 경제적 비용에 대해 가지는 비교적 작은 가중치를 또한 생각하게 한다.Disproportionately large current densities at the anode surface causing a large amount of oxygen generation and thus a small amount of oxidation from V +3 to V +4 are sufficient conditions to maintain the total efficiency of the process above acceptable levels, electrical energy It also makes us think about the relatively small weights that cost has to the total economic cost of the manufacturing process of the vanadium acid electrolyte.

대안의 실시예로, 봉 애노드와 주변의 원통형 캐소드 사이에 미세다공질 분리기나 스크린을 포함함으로서 효율이 증가될 수도 있다.In an alternative embodiment, efficiency may be increased by including a microporous separator or screen between the rod anode and the surrounding cylindrical cathode.

스크린이나 다공질 분리기는 애노드 표면에서 계속해서 나타나 애노드 표면으로부터 떨어짐에 따라 전해질의 부력에 의해 상승하는 산소 거품을 효과적으로 "한정"시킨다. 따라서, 스크린과 캐소드간 공간에 있는 전해질 부분의 대류 작용을 최소화시키고, 환원된 바나듐 이온(V+3)이 이동하여 결국 애노드에 도달하게 되는 가능성을 감소시킨다.Screens or porous separators continue to appear at the anode surface and effectively "limit" the oxygen bubbles rising by the buoyancy of the electrolyte as they fall off the anode surface. Thus, the convection of the electrolyte portion in the screen-cathode space is minimized, reducing the likelihood that the reduced vanadium ions (V +3 ) migrate and eventually reach the anode.

가장 효과적인 미세다공질 분리기는 아래가 막히고 봉 캐소드를 덮은 유리관일 수 있다(이 경우에 위쪽에서 셀에 들어감). 전해질에서 발생되는 산소 거품은 배기부를 통해 셀 바깥으로 즉시 배출될 수 있다. 대안으로, 적절한 미세다공질 분리기는 약 1mm 두께의 폴리프로필렌 섬유의 펠트(felt)일 수 있다.The most effective microporous separator may be a glass tube plugged underneath and covering the rod cathode (in this case entering the cell from the top). Oxygen bubbles generated in the electrolyte can be immediately discharged out of the cell through the exhaust. Alternatively, a suitable microporous separator may be a felt of polypropylene fiber about 1 mm thick.

도 1에서, 본 발명에 따르는 바나듐 전해질 제조 설비는 직렬로 연결된 다수의 전해질 바나듐 환원 셀 C1, C2, C3,..., C6를 포함하며 이 셀들은 적절한 직류 공급 장치 R1에 의해 직렬로 전기가 공급된다.In Figure 1, the vanadium electrolyte production facility according to the present invention comprises a plurality of electrolyte vanadium reduction cells C1, C2, C3, ..., C6 connected in series, which are electrically powered in series by a suitable direct current supply R1. Supplied.

직렬 셀 중 최종 셀 C6를 떠나는 용액은 휘젓는 수단 S1을 갖춘 용해 용기 T1에 모인다.The solution leaving the final cell C6 in the serial cell is collected in a dissolution vessel T1 with agitation means S1.

5산화바나듐(V2O5)은 예를 들어 기존 물질 공급 장치(feed hopper)와 모터식으로 구동제어되는 공급 메커니즘을 이용하여 적절한 양으로 용해 탱크 T1에 들어간다.Vanadium pentaoxide (V 2 O 5 ) enters the dissolution tank T1 in an appropriate amount using, for example, a conventional feed hopper and a motorized drive mechanism.

바나듐을 함유한 용액, 특히 용해되지 않은 5산화바나듐의 잔여 고체 입자를 함유한 용액은 용해 용기 T1에서부터 방출 포트를 통해 빠져나와 세틀러 용기(settler vessel) T2에 들어간다.Solutions containing vanadium, especially those containing residual solid particles of undissolved vanadium pentoxide, exit from the dissolution vessel T1 through the discharge port and enter the settler vessel T2.

펌프 P2는 세틀러 용기 T2의 바닥에 모이는 5산화바나듐의 잔류 고체 입자들을 용해 용기 T1에 다시 돌아가도록 재순환시킨다.The pump P2 recycles the residual solid particles of vanadium pentoxide that collect at the bottom of the settler vessel T2 back to the dissolution vessel T1.

바나듐을 함유한 여과된 용액은 결국 레저봐 T3에 모인다.The filtered solution containing vanadium eventually collects in Rezyba T3.

레저봐 T3에 모인 용액의 바나듐 함량은 V+4상태의 바나듐을 함유할 것이다. 이 함량은 최종 환원 셀(C6)에서 흘러나온 전기화학적으로 환원된 용액에 존재하는 V+3와 종국에는 V+2와, 이와 동등하게 감소된 양을 가지는 용해되어 환원된 V+5의 양의 합에 대응한다. 게다가, 반응하지 않는 잔여 양의 V+5가 T3에 모이는 용액에서 V+4와 함께 존재할 수도 있다.The vanadium content of the solution collected in Reservoir T3 will contain vanadium in the V +4 state. This content is equal to the amount of V +3 present in the electrochemically reduced solution flowing out of the final reduction cell (C6) and finally V +2 and the amount of dissolved and reduced V +5 which is equivalently reduced. Corresponds to the sum. In addition, an unreacted residual amount of V +5 may be present with V +4 in the solution that collects in T3.

이 용액은 바나듐 전해질 용액의 요망 몰 농도를 유지하기에 적절한 상대적인 양으로 첨가 산, 통상적으로 H2SO4와 물 H20를 가진 후 바나듐 환원 직렬 전기분해 셀을 통해 펌프 P1에 의해 연속적으로 순환된다.This solution was continuously circulated by pump P1 through a vanadium reduction series electrolysis cell after addition of the added acid, typically H 2 SO 4 and water H 2 0, in a relative amount suitable to maintain the desired molar concentration of the vanadium electrolyte solution. do.

따라서 제 1 환원 셀 C1에 유입되는 바나듐 전해질 용액은 V+4를, 가능하다면 V+5의 잔류양을 함유할 것이다.The vanadium electrolyte solution flowing into the first reduction cell C1 will thus contain V +4 and possibly residual amount of V +5 .

환원 셀 C1, C2, C3,..., C6의 음의 전극(캐소드)에서, 핵심 반응은 다음과같다.In the negative electrodes (cathodes) of the reducing cells C1, C2, C3, ..., C6, the key reaction is as follows.

V+4+ e- === V+3(보다 정확하게는 VO+2+ e- + 2H+=== V+3+ H2O)V +4 + e- === V +3 (more precisely VO +2 + e- + 2H + === V +3 + H 2 O)

+5의 산화 상태를 가진 바나듐이 존재할 경우 또다른 반응은 아래와 같다.In the presence of vanadium with an oxidation state of +5, another reaction is as follows.

V+5+ e- === V+4(보다 정확하게는 VO2 ++ e- + 2H+=== VO+2+ H2O)V +5 + e- === V +4 (more precisely VO 2 + + e- + 2H + === VO +2 + H 2 O)

음극에서는 어떤 다른 반응도 일어나지 않는다. 수소 방출(열역학적으로 선호되는 해프-셀 반응)은 일어나지 않는다. 왜냐하면 탄소 펠트 전극이 비교적 높은 수소 과전압을 가지며 캐소드 표면 상의 유효 전류 밀도가 충분히 낮은 값으로 유지되기 때문이다.No other reaction takes place at the cathode. Hydrogen evolution (thermodynamically preferred half-cell reaction) does not occur. This is because the carbon felt electrode has a relatively high hydrogen overvoltage and the effective current density on the cathode surface is kept at a sufficiently low value.

양극에서는 주반응은 존재하는 바나듐 이온의 산화이어야 한다(+4, +3, +2가 바나듐에서 +5가 바나듐으로)(열역학적으로 선호되는 해프-셀 반응).At the anode, the main reaction should be the oxidation of the vanadium ions present (+4, +3, +2 vanadium to +5 vanadium) (thermodynamically preferred half-cell reaction).

게다가, 애노드 표면에 근접한 바나듐 이온은 즉시 V+5로 산화될 것이고, 따라서 낮은 산화 상태의 바나듐 이온들이 애노드로 이동하고 확산될 것이다. 그러나, 양극에 가까운 바나듐 이온들이 V+5로 변환됨에 따라, 애노드 해프-셀 반응이 나머지 가능한 해프-셀 반응에 의해 점점 더 지원받기 시작한다. 이는 아래 반응에 따른 산소 기체의 방출이다.In addition, vanadium ions close to the anode surface will be immediately oxidized to V +5 , so that vanadium ions in the low oxidation state will migrate and diffuse to the anode. However, as vanadium ions close to the anode are converted to V +5 , the anode half-cell reaction begins to be increasingly supported by the remaining possible half-cell reactions. This is the release of oxygen gas according to the reaction below.

H2O === O2+ 2H++ 2e-H 2 O === O 2 + 2H + + 2e-

발명의 비대칭 셀에서, 바나듐 산화는 바나듐 함유 음전해질과 보조적인 산성 양전해질의 별도 회로와 이온 교환 막 셀을 이용하는 기존 시스템에서 실제적으로 배제되지 않는다. 실제로, 셀 애노드 표면에 도달할 수 있는 어떤 바나듐 이온도 즉시 V+5로 산화될 것이다.In the asymmetric cell of the invention, vanadium oxidation is not practically excluded from existing systems using ion exchange membrane cells and separate circuits of vanadium containing negative electrolytes and auxiliary acidic positive electrolytes. In fact, any vanadium ions that can reach the cell anode surface will be immediately oxidized to V +5 .

그러나, 전극 전류 밀도에서 생성되는 특정한 불균형은 애노드를 향한 전해질 용액의 바나듐 이온 이동 및 확산 과정이 지원할 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 수준의 높은 전류 밀도에서 애노드가 동작하게 한다. 그 결과, 애노드 표면에서 대량의 산소 방출이 증진되고, 산소 기체 거품의 왕성한 방출로 인해 애노드를 향한 V+3이온의 이동에 대한 "물리적인" 장벽이 생성된다.However, certain imbalances produced at electrode current densities allow the anode to operate at a much higher level of current density than can be supported by the vanadium ion transport and diffusion process of the electrolyte solution towards the anode. As a result, the release of large amounts of oxygen at the anode surface is enhanced, and the vigorous release of oxygen gas bubbles creates a "physical" barrier to the migration of V +3 ions towards the anode.

캐소드로 환원된 바나듐 이온을 애노드에 확산시키는 데 대한 장애물은 애노드 근처 산소 거품 분포를 한정하기 위한 스크린이나 미세다공질 격막을 이용함으로서 크게 개선될 수 있으며, 따라서 환원된 바나듐 이온이 풍부한 캐소드 표면과 기체 한정 스크린 사이의 공간에 내장되는 전해질에서의 강한 대류 작용 유도를 방지할 수 있다.Obstacles to diffusing cathode reduced vanadium ions to the anode can be greatly improved by using a screen or microporous diaphragm to limit the oxygen bubble distribution near the anode, thus reducing cathode surface and gas enriched with reduced vanadium ions Induction of strong convection in the electrolyte embedded in the space between the screens can be prevented.

낮은 산소 과전압 애노드를 이용함으로서 산소 방출이 증진된다.Oxygen release is enhanced by using a low oxygen overvoltage anode.

보다 투과가 용이한 스크린이나 격막 대신에 매우 조밀한 미세다공질 분리기를 이용할 때 전체적인 유도 효율이 크게 증가되지만 셀 전압 역시 증가한다. 따라서, 에너지 소모가 전류 및 전압의 곱과 비례함을 고려할 때 최적의 절충안을 찾을 수 있다.The use of very dense microporous separators instead of more permeable screens or diaphragms greatly increases the overall induction efficiency, but also increases the cell voltage. Thus, considering the energy consumption is proportional to the product of current and voltage, an optimal compromise can be found.

40% 이상의 유도 효율은 약 5의 캐소드/애노드 전류 밀도 비로 쉽게 보장될수 있으며, 이 전류 밀도 비를 20까지 증가시킴으로서 효율이 80% 이상에 도달할 수도 있다. 이 특징들의 주목할만한 개선은 기체 한정 스크린을 이용함으로서 얻을 수 있고, 상대적으로 조밀한 미세다공질 분리기를 이용함으로서 얻을 수 있다.Induction efficiencies above 40% can easily be assured with a cathode / anode current density ratio of about 5, and the efficiency may reach 80% or more by increasing this current density ratio to 20. Notable improvements of these features can be obtained by using a gas confinement screen and by using a relatively dense microporous separator.

용해 용기 T1에서, 환원된 바나듐 전해질 용액에 함유된 V+3는 고체 5산화바나듐 V2O5와 반응하여 아래 반응에 따라 바나듐을 용해시키고 V+4로 환원시킨다.In the dissolution vessel T1, V +3 contained in the reduced vanadium electrolyte solution reacts with the solid vanadium pentoxide V 2 O 5 to dissolve vanadium and reduce it to V +4 according to the reaction below.

V+5+ V+3=== 2V+4보다 정확하게는,V +5 + V +3 === 2V +4

V2O5+ 2V+3+ 2H+=== 4VO+2+ H2O(1)V 2 O 5 + 2V +3 + 2H + === 4VO +2 + H 2 O (1)

그리고(V+2가 또한 존재할 경우)And (if V +2 is also present)

2V+5+ V+2=== 3V+4보다 정확하게는,2V +5 + V +2 === 3V +4

V2O5+ V+2+ 4H+=== 3VO+2+ 2H2O(1)V 2 O 5 + V +2 + 4H + === 3VO +2 + 2H 2 O (1)

발명의 바나듐 전해질 제조 설비에 사용되는 본 발명에 따르는 비대칭 셀의 단면이 도 2에 도시된다.A cross section of an asymmetric cell according to the invention for use in the inventive vanadium electrolyte production facility is shown in FIG. 2.

도 2에 도시되는 실험용 테스트 셀은 플러그에 의해 아래가 막힌 PVC같은 비전도성 내산성 플라스틱의 전해질에 화학적으로 강한 금속이 일반적인 원통형 도관(1)과, 도관(1)의 아래쪽 부분의 흡입 포트(3)와 상부 오버플로 포트(4)를 가진다.The experimental test cell shown in FIG. 2 is a cylindrical conduit (1) in which a metal that is chemically resistant to electrolyte of a non-conductive acid-resistant plastic such as PVC clogged down by a plug, and a suction port (3) in the lower part of the conduit (1) And an upper overflow port (4).

수 밀리미터의 두께를 가진 탄소 펠트(5)로 구성될 수 있는 원통형 캐소드는 관(1)의 내부 원통면에 증착되거나 적절히 걸릴 수 있다. 펠트 캐소드에는 직류 공급 회로에 셀을 전기적으로 연결시키기 위한 적절한 단자(6)가 제공될 수 있다.Cylindrical cathodes, which may consist of carbon felt 5 with a thickness of several millimeters, may be deposited or appropriately hung on the inner cylindrical surface of the tube 1. The felt cathode may be provided with suitable terminals 6 for electrically connecting the cells to the direct current supply circuit.

도 2에 도시되는 실험용 테스트 셀에서, 캐소드의 내부 원통면 영역은 직경이 50mm, 전해질 용액과 접촉하는 높이가 250mm이다.In the experimental test cell shown in Fig. 2, the inner cylindrical surface area of the cathode is 50 mm in diameter and 250 mm in height in contact with the electrolyte solution.

애노드(7)는 이리듐 및 탄탈륨의 혼합 산화물로 코팅된 직경 6.3mm(1/4인치)의 티타늄 봉이며, 전해질에 잠긴 길이가 약 250mm이다.The anode 7 is a titanium rod 6.3 mm (1/4 inch) in diameter coated with a mixed oxide of iridium and tantalum and is about 250 mm long immersed in an electrolyte.

코팅된 티타늄 봉 애노드(7)가 원통형 탄소 펠트 음극의 축을 따라 배치된다.A coated titanium rod anode 7 is disposed along the axis of the cylindrical carbon felt cathode.

이렇게 규정된 실험용 테스트 셀에서, 탄소 펠트 캐소드의 투영된 면적은 대략 353cm2이며, 티타늄 봉 애노드 표면적은 약 47cm2이다.In this defined test cell, the projected area of the carbon felt cathode is approximately 353 cm 2 and the titanium rod anode surface area is approximately 47 cm 2 .

7A의 셀을 통해 강제되는 전류로, 티타늄 애노드 표면 상의 전류 밀도는 대략 0.1485A/cm2이고, 탄소 펠트의 투영 면적 상의 전류 밀도는 0.022A/cm2= 220A/m2이다. 그러나, 탄소 섬유의 펠트 형태인 캐소드의 투과가 용이한 구조 때문에, 탄소에서의 유효 캐소드 전류 밀도는 탄소 펠트 캐소드의 기하학적으로 투영된 원통 면적에서 계산된 전류밀도보다 2~10배정도 작을 것으로 추정된다.With a current forced through a cell of 7 A, the current density on the titanium anode surface is approximately 0.1485 A / cm 2 and the current density on the projected area of the carbon felt is 0.022 A / cm 2 = 220 A / m 2 . However, due to the easy structure of the permeation of the cathode in the form of carbon fibers, the effective cathode current density in carbon is estimated to be 2 to 10 times smaller than the current density calculated from the geometrically projected cylindrical area of the carbon felt cathode.

도 3에서는 대안의 실시예에 따르는 바나듐 환원 셀의 단면이 도시된다.3 is a cross section of a vanadium reduction cell according to an alternative embodiment.

차이점이 있다면 원통형 캐소드 표면과 동출 배치된 봉 애노드 사이에 끼워진 유체 투과성 스크린이나 격막, 또는 미세다공질 분리기(8)가 존재한다는 점이다. 이들은 봉 애노드(7) 주변에 원통형 공간을 형성하며, 애노드 표면에서 성장하여 결국 애노드 표면으로부터 주변의 전해질로 떨어져나가는 산소 거품을 한정시키는 역할을 한다.The difference is that there is a fluid permeable screen or diaphragm or microporous separator 8 sandwiched between the cylindrical cathode surface and the rod anode co-located. They form a cylindrical space around the rod anode 7 and serve to define oxygen bubbles that grow on the anode surface and eventually fall off from the anode surface to the surrounding electrolyte.

스크린-격막(8)은 V+4를 V+3로, 종국에는 V+2로 환원시키는 과정이 발생하는 캐소드 표면에 가까운 전해질에서의 강한 대류 작용 유도를 방지한다.The screen-diaphragm 8 prevents the induction of strong convection in the electrolyte close to the cathode surface where a process of reducing V +4 to V +3 and eventually V +2 occurs.

조밀하고 균일한 구멍을 가진 플라스틱 관이 만족스런 기체 거품 한정 스크린일 수 있으나, 산소 기체 거품 한정 스크린(8)이 플라스틱 섬유의 직물이나 티타늄 와이어의 망과 같은 저항성 물질의 미세한 망일 수도 있다. 보다 선호되는 기체 한정 스크린(8)은 소결된 티타늄같은 내성 금속 입자나 유리같은 (미세)다공질 관일 수 있다.While plastic tubes with dense and uniform holes may be satisfactory gas bubble confinement screens, oxygen gas bubble confinement screens 8 may be fine meshes of resistive materials such as fabrics of plastic fibers or meshes of titanium wires. The preferred gas confined screen 8 may be a resistant metal particle such as sintered titanium or a (micro) porous tube such as glass.

Yes

내경 8cm의 1/2 리터 글래스 비이커가 발명의 기술이 유효한 지를 입증하기 위해 사용된다.A half-liter glass beaker with an inner diameter of 8 cm is used to demonstrate that the technology of the invention is valid.

6mm 두께의 탄소 펠트가 비이커 내벽 주변에 위치하고, 직류 전력 공급 장치의 음극에 전기적으로 연결된다.A 6 mm thick carbon felt is placed around the inner wall of the beaker and electrically connected to the cathode of the DC power supply.

6mm 외경의 IrOx-ZrOy혼합 산화물로 코팅된 티타늄 봉이 비이커의 기하학적 축을 따라 수직으로 위치하며, 직류 전력 공급 장치의 양극에 전기적 연결된다.Titanium rods coated with a 6 mm outer diameter IrO x -ZrO y mixed oxide are vertically located along the geometric axis of the beaker and are electrically connected to the anode of the DC power supply.

투영된 캐소스 및 애노드 면적비는 약 10.7이다.The projected casso and anode area ratio is about 10.7.

약 1mm 두께의 폴리프로필렌 펠트가 아래가 막인 둥근 관 형태로 형성되며,그 내경이 12mm, 비이커 안에 위치하며, 코팅된 티타늄 봉 애노드 주변에 동심으로 배열된다.Approximately 1 mm thick polypropylene felt is formed in the form of a round tube with a membrane underneath, its inner diameter is 12 mm, placed in a beaker and arranged concentrically around the coated titanium rod anode.

비이커는 473ml의 5몰농도 황산과 90.9g의 5산화바나듐 분말(0.5몰)로 채워진다. 혼합물의 총 부피는 0.5 리터이다.The beaker is filled with 473 ml of 5 molar sulfuric acid and 90.9 g of vanadium pentoxide powder (0.5 mole). The total volume of the mixture is 0.5 liters.

이론적으로, +5의 산화 상태로부터 +4의 산화 상태로 1몰의 바나듐을 환원시키기 위해 26.8 Ah가 요구된다.In theory, 26.8 Ah is required to reduce 1 mole of vanadium from an oxidation state of +5 to an oxidation state of +4.

믹스처는 전자기적 휘저음 장치로 저어지게 되고, 5산화바나듐의 황색 분말은 며칠동안 녹지않은 상태로 유지된다.The mix is stirred with an electromagnetic whip and the yellow powder of vanadium pentoxide remains insoluble for several days.

직류 전원을 공급하여 출력 전압을 조절함으로서, 8A의 직류 전류가 셀에 흐르게 된다. 양극(애노드) 전류 밀도는 대략 5013 A/m2이고, 탄소 펠트 투영 면적에서의 음전극(캐소드) 전류 밀도는 대략 468 A/m2이다.By supplying DC power to regulate the output voltage, 8A DC current flows into the cell. The anode (anode) current density is approximately 5013 A / m 2 , and the negative electrode (cathode) current density in the carbon felt projection area is approximately 468 A / m 2 .

셀 전압은 3.8-4.0 볼트로 일정하게 유지된다.The cell voltage is kept constant at 3.8-4.0 volts.

용액은 자기식 휘저음 장치로 부드럽게 저어지게 되고, 5.26 시간동안 전류를 통과시킨 다음에야 황색 분말이 완전히 용해된다.The solution is gently stirred with a magnetic stirrer and the yellow powder is completely dissolved only after passing a current for 5.26 hours.

이렇게 얻은 청색 용액은 2몰의 바나듐(2몰농도 용액)을 함유한다고 나타나며, 바나듐의 산화 상태는 +3.55이다.The resulting blue solution appears to contain 2 moles of vanadium (2 molar concentration solution), and the oxidation state of vanadium is +3.55.

이 과정의 유도 전류 효율은 92.28%로 추정되었다.Induction current efficiency of this process was estimated to be 92.28%.

실험은 5A로 감소된 전류에서 다시 반복되며, 요구되는 시간은 9.87 시간이다. 유도 전류 효율은 78.94%로 감소되지만 셀 전압은 2.8볼트를 가진다.The experiment is repeated again with the current reduced to 5 A and the required time is 9.87 hours. Induction current efficiency is reduced to 78.94%, but the cell voltage has 2.8 volts.

펠트를 얇은 폴리프로필렌 직물로 바꿈으로서, 전류 효율은 약 47%로 감소하며, 어떤 투과성 한정 요소도 없을 경우 20-25%로 감소한다.By converting the felt into a thin polypropylene fabric, the current efficiency is reduced to about 47% and to 20-25% without any permeability confinement elements.

(유리 비이커를 휘젓는) 최적화되지 않은 이러한 실험용 조건에서도, 도출된 바나듐 전해질에서 리터당 0.2~0.5 kWh의 전력 소모는 바나듐 전해질을 생성하는 전체 비용 측면에서 매우 저렴한 비용 효과를 보여준다.Even under these unoptimized experimental conditions (while stirring glass beakers), the power consumption of 0.2-0.5 kWh per liter in the resulting vanadium electrolyte shows a very low cost effect in terms of the overall cost of producing vanadium electrolyte.

산성 전해질 용액에 용해된 바나듐 함량의 산화 상태를 효율적이고 저렴하게 수정하기 위한 발명의 비대칭 바나듐 전해질 환원 셀의 능력은 비교적 간단하고 저렴한 비용의 비대칭 셀을 동작 배터리의 양의 바나듐 전해질과 음의 바나듐 전해질의 대전 상태 균형을 재조정하기에 적합하게 하며, 배터리가 더이상 감내할 수 없는 불균형에 도달할 때까지 레독스 배터리 설비의 오프-서비스 조건에서 비용을 들이고 시간을 소모하는 처리를 실행할 필요가 없다.The ability of the inventive asymmetric vanadium electrolyte reduction cell to efficiently and inexpensively modify the oxidation state of the vanadium content dissolved in an acidic electrolyte solution is a relatively simple and inexpensive asymmetric cell that operates a positive vanadium electrolyte and a negative vanadium electrolyte. It is suitable for rebalancing the charging state of the battery and does not require costly and time consuming processing under off-service conditions of the redox battery installation until the battery reaches an unbalance that can no longer be tolerated.

바나듐 배터리 에너지 저장 시스템을 운영할 때 발생하기 쉬운 문제점들의 속성을 보다 잘 이해하기 위해, 특히 주목할만한 불균형을 이끄는 메인 메커니즘의 간단한 재수집이 유용할 수 있다.In order to better understand the nature of the problems that are likely to occur when operating a vanadium battery energy storage system, a simple recollection of the main mechanism leading to particularly notable imbalances can be useful.

이론적으로, 바나듐 레독스 배터리의 충전과 방전 중 발생하는 유일한 과정이 바나듐의 전기화학적 산화 및 환원이며 어떤 다른 부수적 작용도 발생하지 않는다는 것을 가정하면 바나듐 배터리의 충전 및 방전 과정은 대칭 과정이다.Theoretically, the charging and discharging process of the vanadium battery is a symmetrical process, assuming that the only process that occurs during the charging and discharging of the vanadium redox battery is the electrochemical oxidation and reduction of vanadium and no other incidental action occurs.

충전 중, 배터리에 흐르는 전류는 양전해질 구획에서 V+4를 V+5로 산화시킬 것이고, 이와 동시에 같은 속도로, 음 전해질 구획에서는 V+3를 V+2로 환원시킬 것이다. 방전 중에는 이와 반대의 산화 및 환원 반응이 양전해질 및 음전해질 구획에서 발생한다.During charging, the current flowing through the battery will oxidize V +4 to V +5 in the positive electrolyte compartment and at the same time reduce V +3 to V +2 in the negative electrolyte compartment. During discharge, the opposite oxidation and reduction reactions occur in the positive and negative electrolyte compartments.

불행하게도 실제로는 상황이 다르다.Unfortunately, the situation is different.

바나듐의 전기화학적 산화 및 환원은 유일한 발생 과정이 아니다. 아래의 부수적인 반응들이 발생하기 쉽다.Electrochemical oxidation and reduction of vanadium is not the only developmental process. The following additional reactions are likely to occur.

1) 음극에서 수소 기체의 전기화학적 방출1) Electrochemical Release of Hydrogen Gas from the Cathode

2) 양극에서 산소의 전기화학적 방출(*)2) Electrochemical Release of Oxygen at the Anode (*)

3) V+2를 V+3로 화학적 산화3) chemical oxidation of V +2 to V +3

4) V+5를 V+4로 화학적 환원4) chemical reduction of V +5 to V +4

(*) 양극이 탄소로 만들어질 경우, 산소 방출은 이산화탄소 방출로 대체된다.(*) When the anode is made of carbon, oxygen emissions are replaced by carbon dioxide emissions.

반응 1)과 2)는 100% 충전 상태에 도달할 때에만 이루어지는 반응이다. 실제로, 양전해질 구획에 존재하는 모든 V+4가 V+5로 산화될 경우, 전류를 지원할 수 있는 양극에서의 유일한 반응은 산소 방출(또는 이산화탄소 방출)이다. 마찬가지로, 양의 전해질 구획에 존재하는 모든 V+3가 V+2로 환원될 경우, 전류를 지원할 수 있는 음극에서의 유일한 반응은 수소 발생이다. 이 반응들은 충전 상태가 90%를 넘게 되면 비교적 소량으로 배터리의 충전중 발생하기 시작한다.Reactions 1) and 2) are reactions that occur only when the 100% state of charge is reached. In fact, when all V +4 present in the positive electrolyte compartment is oxidized to V +5 , the only reaction at the anode that can support the current is oxygen release (or carbon dioxide release). Likewise, when all V +3 present in the positive electrolyte compartment is reduced to V +2 , the only reaction at the cathode that can support the current is hydrogen evolution. These reactions begin to occur during charging of the battery in relatively small amounts when the state of charge exceeds 90%.

바나듐이 산화되거나 환원되는 전압은 생성된 종과 소모된 종간의 비와 비례하여 증가한다. 따라서, 높은 충전 상태에서, 셀 전압은 대략 1.5 볼트의 수소 및 산소(물 전기분해) 방출의 전압까지 상승한다. 반응 1)과 2)는 방전이 매우 고속으로 이루어질 경우 배터리의 방전 중 비교적 소량으로 발생할 것이다.The voltage at which vanadium is oxidized or reduced increases in proportion to the ratio between the species produced and the species consumed. Thus, at high charge, the cell voltage rises to a voltage of about 1.5 volts of hydrogen and oxygen (water electrolysis) release. Reactions 1) and 2) will occur in relatively small amounts during the discharge of the battery if the discharge occurs at a very high rate.

전류 밀도가 한계 전류에 접근할 경우, 수소 및 산소 방출은 부수(와류) 전극 반응으로 발생하기 시작할 것이다.When the current density approaches the limit current, hydrogen and oxygen release will begin to occur in the secondary (vortex) electrode reaction.

한계 전류는 전극 표면에서 바나듐 산화나 환원 속도가 전해질로부터 전극 표면까지 고갈된 층을 통해 바나듐 이온이 확산하는 속도와 같은 경우의 전기 전류이다.The limit current is the electrical current when the rate of vanadium oxidation or reduction at the electrode surface is equal to the rate at which vanadium ions diffuse through the depleted layer from the electrolyte to the electrode surface.

V+2를 V+3으로 산화시키는 반응(반응 3))은 바나듐 배터리 동작 중 가장 자주 나타나는 부수적 작용이다. 공기 분위기에서 V+2는 V+3로 쉽게 산화된다. 따라서, 대기가 음전해질과 접촉하는 것이 엄격하게 제한되지 않는다면, 이러한 부수적 작용이 쉽게 일어날 수 있다.The reaction of oxidizing V +2 to V +3 (reaction 3) is the most frequent side effect of vanadium battery operation. In air atmosphere V +2 is easily oxidized to V +3 . Thus, this side effect can easily occur if the atmosphere is not strictly limited in contact with the negative electrolyte.

상기 부작용 때문에, 배터리 동작 사이클이 여러회 지난 후, 대칭성이 상실되기 시작한다.Because of this side effect, after several battery operating cycles, symmetry begins to lose.

전해질이 불균형해지는 또다른 이유는 사용되는 막이 완벽한 불기기가 아니기 때문이다. 음이온 막은 소량의 양이온(H+와 V+n)에 의해 피할 수 없게 투과된다.Another reason for the electrolyte imbalance is that the membrane used is not a complete blower. Anionic membranes are inevitably permeated by small amounts of cations (H + and V + n ).

양이온 막들은 음이온 막에 비교할 때 물리적/화학적 내성이 높기 때문에 배터리의 셀 분리기로 선호된다.Cationic membranes are preferred as cell separators in batteries because of their high physical / chemical resistance compared to anionic membranes.

게다가, 양이온 막들은 수소 이온에 쉽게 투과될 수 있다(H+의 확산 속도가 바나듐 이온의 확산 속도보다 더 크다).In addition, cationic membranes can easily permeate hydrogen ions (the diffusion rate of H + is greater than that of vanadium ions).

배터리 충전 중 발명에 따른 양의 구획에서 발생되는 수소 이온들은Hydrogen ions generated in the positive compartment according to the invention during battery charging

VO2++ H2O === VO2++ 2H++ e-VO 2+ + H 2 O === VO 2+ + 2H + + e-

소량의 발이 느린 바나듐 이온과 함께 막을 통해 음의 구획으로 기꺼이 이동한다.A small amount of foot is willing to move through the membrane to the negative compartment with slow vanadium ions.

바나듐 이온의 이동은 음의 구획에 존재하는 환원된 바나듐 이온의 대응하는 양(V+3, V+2)을 산화시킬 것이지만, 서로 다른 산화 상태의 바나듐 이온들이 용매 분자(물, 황산)와 서로 다르게 배치되고 막의 양이온 교환 수지에서 여러 다른 이동성을 가지기 때문에 이 과정이 완전히 가역적이지 않다. 게다가, 이어지는 방전 과정 중, 반대 방향으로 막을 건너가는 바나듐 이온의 수는 충전 단계 중 이동한 수와 완전히 같지는 않을 것이다.The movement of vanadium ions will oxidize the corresponding amounts (V +3 , V +2 ) of the reduced vanadium ions present in the negative compartment, but vanadium ions of different oxidation states are separated from the solvent molecules (water, sulfuric acid) This process is not completely reversible because it is arranged differently and has different mobility in the cation exchange resin of the membrane. In addition, during the subsequent discharge process, the number of vanadium ions crossing the membrane in the opposite direction will not be exactly the same as the number moved during the charging step.

전해질간 점진적인 불균형은 수많은 문제점들을 양산한다.The gradual imbalance between electrolytes produces a number of problems.

1) 배터리 용량(전해질의 kWh/리터)이 이에 따라 비례하여 감소한다.1) The battery capacity (kWh / liter of electrolyte) decreases proportionally accordingly.

2) 충전 중 두 전해질 하나가 부분적으로 충전되지 않은 상태에서 다른 하나가 완전히 충전될 수 있다.2) During charging, one of the two electrolytes may be fully charged while the other is not partially charged.

실제로, 음의 구획에서의 공기 제거가 완벽하지 않을 경우가 자주 있는 소형 배터리의 경우, 음의 구획에서 V+3의 양을 유지할 때 양의 구획의 바나듐 이온들이V+5로 완전히 산화될 수 있다. 이 상황은 매우 중요하다. 왜냐하면, 산화 상태가 구분된 전해질에서 조심스럽게 제어되지 않을 경우, 단순히 개방 회로 전압을 측정함으로서 V+4에서 V+5로 완전한 산화에 도달하는 점까지 충전이 계속될 것이다. 본 조건에서, 탄소 전극에서의 산소의 대량 방출이 전극을 산화시킬 것이고 파괴할 것이다.Indeed, for small batteries where air removal in the negative compartment is often incomplete, the vanadium ions in the positive compartment can be fully oxidized to V +5 when maintaining a positive V +3 in the negative compartment. . This situation is very important. Because if the oxidation state is not carefully controlled in a separate electrolyte, charging will continue until the complete oxidation is reached from V +4 to V +5 by simply measuring the open circuit voltage. In this condition, the large release of oxygen at the carbon electrode will oxidize and destroy the electrode.

공통적 접근법에 따라, 어느 정도의 충전 및 방전 사이클이 지난 후, 두 전해질(음 및 양)이 혼합되고, 산화 상태가 측정되며, +3.5와 다르다고 결정될 경우 +3.5로 화학적으로 조절된다.According to a common approach, after some charge and discharge cycle, the two electrolytes (negative and positive) are mixed, the oxidation state is measured and chemically adjusted to +3.5 if determined to be different from +3.5.

실제로, 배터리를 중단시키고 전해질을 섞을 경우, +3.5보다 높은 바나듐 산화 상태가 항상 발견된다.In fact, when the battery is stopped and the electrolyte mixed, a vanadium oxidation state higher than +3.5 is always found.

전해질은 환원 보조제(옥살산, 아황산 등)를 첨가함으로서 +3.5의 바나듐 산화 상태로 재조정된다.The electrolyte is readjusted to a vanadium oxidation state of +3.5 by the addition of a reducing aid (oxalic acid, sulfurous acid, etc.).

그후, 시스템을 0의 충전 상태로 되돌리기 위해 상당한 양의 에너지가 소모되어야 한다(음전해질에 V+3, 양전해질에 V+4).Subsequently, a significant amount of energy must be consumed to return the system to a zero state of charge (V +3 for the negative electrolyte and V +4 for the positive electrolyte).

주기적으로 소모되는 에너지 양은 에너지 저장 과정의 알짜 손실을 나타낸다.The amount of energy consumed periodically represents the net loss of the energy storage process.

도 4에 도시되는 바와 같이 음의 전해질 회로나 양의 전해질 회로에 본 발명의 비교적 작은 바나듐 환원 비대칭 셀을 설치함으로서 본 발명의 한 태양에 따라 무시할 수 없는 손실이 크게 감소될 수 있다.By installing the relatively small vanadium reduced asymmetric cell of the present invention in a negative or positive electrolyte circuit as shown in FIG. 4, the non-negligible losses can be greatly reduced according to one aspect of the present invention.

도시되는 바와 같이, 양전해질이 비교적 작은 비대칭 바나듐 환원 셀 Red를 통해 완전히 또는 부분적으로 순화될 수 있다.As shown, the positive electrolyte may be purified completely or partially through the relatively small asymmetric vanadium reduction cell Red.

셀 Red는 대칭 바나듐 산화 상태 구조를 유지하기 위해 연속적으로 또는 불연속적으로 필요에 따라 동작할 수 있다.Cell Red may operate as needed continuously or discontinuously to maintain a symmetric vanadium oxide state structure.

이러한 보조 환원 셀 Red의 존재에 의해 제공되는 가능성 때문에, 두 전해질을 함께 혼합할 필요성은 산화 상태를 +3.5로 조정하며, 0의 대전 상태를 회복하기 위해 배터리를 프리차지(precharge) 상태에 있게 해야한다는 필요성은 제거되거나 예외적으로만 필요한 것이 될 수 있다.Because of the potential provided by the presence of this auxiliary reducing cell Red, the need to mix the two electrolytes together adjusts the oxidation state to +3.5 and requires the battery to be in a precharge state to recover the zero state of charge. The necessity may be eliminated or only needed exceptionally.

Claims (13)

전해질 용액에 공급되는 고체 5산화바나듐으로부터 V+3와 V+4를 요망 농도로 함유하는 산성 바나듐 전해질 용액을 제조하는 방법으로서,A method for producing an acidic vanadium electrolyte solution containing V +3 and V +4 at a desired concentration from solid vanadium pentoxide supplied to an electrolyte solution, - 다수의 직렬 전기분해 셀을 통해 전해질 용액을 순환시킴으로서 산성 전해질 용액에 용해된 바나듐을 V+3이나 그 이하의 산화 상태로 전기화학적으로 환원시키고,Circulating the electrolyte solution through a plurality of series electrolysis cells to electrochemically reduce the vanadium dissolved in the acidic electrolyte solution to an oxidation state of V +3 or below, - 상기 전기분해 셀 중 최종 셀에서 나온 전해질 용액에서 이렇게 환원된 바나듐 함량을, V+4의 산화 상태를 지닌 바나듐을 함유하는 전해질 용액을 얻는 어느 화학양의 5산화바나듐과 반응시키며,Reacting the vanadium content thus reduced in the electrolyte solution from the final cell of the electrolysis cell with any stoichiometric vanadium pentoxide to obtain an electrolyte solution containing vanadium with an oxidation state of V +4 , - 용액의 몰농도 유지를 위해 산과 물을 첨가하고,Adding acid and water to maintain the molarity of the solution, - 상기 직렬 셀 중 하나를 빠져나오는, V+3와 V+4를 요망 농도로 함유하는 생산된 전해질 용액의 스트림을 짜내면서 직렬 전기분핼 셀을 통해 전해질 용액을 계속하여 재순환시키는,Continuously recycling the electrolyte solution through the series electrolysis cell while squeezing a stream of the produced electrolyte solution containing the desired concentrations of V +3 and V +4 exiting one of the series cells, 이상의 단계를 포함하며, 이때 각각의 셀은 각각의 표면 구조, 형태, 상호적 배치를 지닌 캐소드와 애노드를 가져서, 투영된 캐소드 표면의 전류 밀도보다 5~20배 큰 전류 밀도를 애노드 표면에서 구축하고 애노드에서 산소를 방출시키도록 하는 것을 특징으로 하는, 전해질 용액에 공급되는 고체 5산화바나듐으로부터 V+3와V+4를 요망 농도로 함유하는 산성 바나듐 전해질 용액을 제작하는 방법.The above steps include each cell having a cathode and an anode having respective surface structures, shapes, and mutual arrangements, thereby constructing at the anode surface a current density of 5-20 times greater than the current density of the projected cathode surface. A method for producing an acidic vanadium electrolyte solution containing V +3 and V +4 at a desired concentration from solid vanadium pentoxide supplied to an electrolyte solution, characterized by releasing oxygen at the anode. 제 1 항에 있어서, 상기 전해질 용액이 황산용액이며, 바나듐의 몰 함량이 1에서 5사이인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the electrolyte solution is a sulfuric acid solution, and the molar content of vanadium is between 1 and 5. 제 1 항에 있어서, 투영된 캐소드 표면 상의 전류 밀도가 100~300A/m2이며, 애노드 표면의 전류 밀도는 1000~8000 A/m2인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the current density on the projected cathode surface is 100-300 A / m 2 and the current density of the anode surface is 1000-8000 A / m 2 . 제 1 항에 있어서, 상기 바나듐 산화물이 분말 형태이며, 입자 크기가 100미크론 이하인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the vanadium oxide is in powder form and has a particle size of 100 microns or less. 제 1 항에 있어서, 환원된 바나듐 전해질 용액을 상기 화학양의 5산화바나듐과 반응시킨 후, 이 용액이 용해되지 않은 잔류 5산화바나듐 입자로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein after reacting the reduced vanadium electrolyte solution with the stoichiometric vanadium pentoxide, the solution is separated from the remaining undissolved vanadium pentoxide particles. 유체식 직렬로 연결되어 직류 전력 공급 장치로부터 직렬로 전기를 공급받는 다수의 바나듐 환원 전기분해 셀로 구성되는 고체 5산화바나듐 공급 물질로부터 요망 농도비로 V+3와 V+4를 함유하는 바나듐 전해질 용액을 제조하기 위한 설비로서,이 설비는,A vanadium electrolyte solution containing V +3 and V +4 at a desired concentration ratio is obtained from a solid vanadium pentoxide feed material consisting of a plurality of vanadium reduced electrolysis cells connected in series in a fluid series and powered in series from a DC power supply. As a facility for manufacturing, this facility, - 상기 직렬 셀 중 최종 셀에서 나오는 환원된 전해질 용액을 모으는 용해 탱크로서, 분말 형태를 지닌 5산화바나듐을 제어양만큼 공급하는 공급 메커니즘과 기계적 휘저음 수단을 구비한 용해 탱크,A dissolution tank for collecting the reduced electrolyte solution from the final cell of the series cell, the dissolution tank having a feeding mechanism for supplying a controlled amount of vanadium pentoxide in powder form and a mechanical stirring means, - 상기 용해 용기로부터 유출되는 바나듐-풍부 용액을 5산화바나듐의 잔류 고체 입자로부터 분리시키기 위한 수단,Means for separating the vanadium-rich solution flowing out of the dissolution vessel from residual solid particles of vanadium pentoxide, - 용액의 몰농도 유지를 위해 바나듐-풍부 용액에 황산과 물을 첨가하는 수단,Means for adding sulfuric acid and water to the vanadium-rich solution to maintain the molarity of the solution, - 직렬 바나듐 환원 전기분해 셀을 통해 전해질 용액을 재순환시키는 펌프 수단,Pump means for recycling the electrolyte solution through a series vanadium reduction electrolysis cell, - 상기 직렬 셀 중 한 셀에서 빠져나오는, 요망 농도로 V+3와 V+4를 함유하는, 생산된 전해질 용액의 스트림을 짜내기 위한 탭 수단Tap means for squeezing a stream of the resulting electrolyte solution containing V +3 and V +4 at a desired concentration, exiting one of the series cells 을 포함하며, 이때 각각의 셀은 각각의 표면 구조, 형태, 그리고 상호적 배치를 지닌 캐소드와 애노드를 가져서, 투영된 캐소드 표면의 전류 밀도보다 5~20배 큰 전류 밀도를 애노드 표면에서 구축하고 애노드에서 산소를 방출시키도록 하는 것을 특징으로 하는, 유체식 직렬로 연결되어 직류 전력 공급 장치로부터 직렬로 전기를 공급받는 다수의 바나듐 환원 전기분해 셀로 구성되는 고체 5산화바나듐 공급 물질로부터 요망 농도비로 V+3와 V+4를 함유하는 바나듐 전해질 용액을 제조하기 위한 설비.Wherein each cell has a cathode and an anode having respective surface structures, shapes, and mutual arrangements, so that at the anode surface and build a current density of 5-20 times greater than the current density of the projected cathode surface To release oxygen at V + at a desired concentration ratio from a solid vanadium pentoxide feed material consisting of a plurality of vanadium reduced electrolysis cells connected in series in a fluid series and powered in series from a direct current power supply. A facility for producing a vanadium electrolyte solution containing 3 and V +4 . 산성 바나듐 전해질 수용성 용액에서 V+4와 V+5를 V+3와 V+2로 환원시키기 위한 전기분해 셀로서, 이 셀은 각각의 표면 구조, 형태, 그리고 상호적 배치를 지닌 캐소드와 애노드를 가져서, 투영된 캐소드 표면의 전류 밀도보다 5~20배 큰 전류 밀도를 애노드 표면에서 구축하고 애노드에서 산소를 방출시키도록 하는 것을 특징으로 하는, 전기분해 셀.An electrolysis cell for reducing V +4 and V +5 to V +3 and V +2 in an aqueous solution of acidic vanadium electrolyte, which contains cathodes and anodes with respective surface structures, shapes, and mutual arrangements. Having a current density of 5-20 times greater than the current density of the projected cathode surface to build up at the anode surface and release oxygen at the anode. 제 7 항에 있어서, 흡입 포트(3)와 오퍼플로 포트를 지닌 비전도 내산성 물질의 원통형 도관으로 구성되는 전기분해 셀로서,An electrolysis cell according to claim 7, consisting of a cylindrical conduit of non-conductive acid resistant material having a suction port (3) and an operation port, - 상기 셀의 전기 연결을 위한 단자를 구비한, 도관의 원통 내면에 배치되는 탄소 펠트 캐소드, 그리고A carbon felt cathode disposed on a cylindrical inner surface of the conduit, having a terminal for electrical connection of the cell, and - 원통형 탄소 펠트 캐소드의 축을 따라 배치되는 비부동태화 전기촉매 코팅으로 코팅된 밸브 금속 봉 애노드A valve metal rod anode coated with a non-passivating electrocatalyst coating disposed along the axis of the cylindrical carbon felt cathode 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 셀.Electrolysis cell comprising a. 제 7 항에 있어서, 애노드 근처나 주변 전해질에서 떠오르는 산소 기포를 공간적으로 한정시키는 전해질 투과성 한정 수단을 포함하는 것을 특징으로하는 전기분해 셀.8. The electrolysis cell of claim 7, comprising electrolyte permeation limiting means for spatially confining oxygen bubbles emerging from or near the anode. 제 9 항에 있어서, 상기 투과성 한정 셀이 망 스크린, 직물, 펠트, 다공질 및 미세다공질 유리, 그리고 소결된 동체로 구성되는 그룹에 속하며, 이 물질 모두는 전해질 용액에 화학적으로 내성이 있는 것을 특징으로 하는 전기분해 셀.10. The method of claim 9 wherein the permeable confinement cell belongs to the group consisting of mesh screens, fabrics, felts, porous and microporous glass, and sintered fuselage, all of which are chemically resistant to the electrolyte solution. Electrolysis cell. 제 7 항에 있어서, 상기 애노드가 이리듐과 탄탈륨이나 지르코늄의 혼합 산화물로 코팅되는 밸브 금속인 것을 특징으로 하는 전기분해 셀.8. The electrolysis cell of claim 7, wherein said anode is a valve metal coated with a mixed oxide of iridium and tantalum or zirconium. 모든 바나듐 레독스 배터리 시스템에서 순환하는 분리된 두개의 바나듐 전해질의 상대적 산화 상태의 균형을 재조정하는 방법으로서,A method of rebalancing the relative oxidation states of two separate vanadium electrolytes circulating in all vanadium redox battery systems. 청구범위 제 7 항 내지 11 항 중 어느 한 항에 따라 만들어지는, 배터리 외부의, 바나듐 환원 전기분해 셀에서 두 구별된 전해질 중 하나 부분을 순환시키고, 그리고 레독스 배터리 시스템의 두 전해질 내 바나듐의 산화 상태 균형을 재구축하기 위해 필요한 시간동안 전해질 셀을 통해 흐르는 전류를 흐르게하는, 이상의 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 모든 바나듐 레독스 배터리 시스템에서 순환하는 분리된 두개의 바나듐 전해질의 상대적 산화 상태의 균형을 재조정하는 방법.Circulating one part of two distinct electrolytes in a vanadium reduction electrolysis cell, external to the battery, made according to any of claims 7 to 11, and oxidation of vanadium in the two electrolytes of the redox battery system The balance of the relative oxidation states of two separate vanadium electrolytes circulating in all vanadium redox battery systems, characterized by the above process, which flows the current flowing through the electrolyte cell for the time required to rebuild the state balance. How to readjust. 제 12 항에 있어서, 상기 전해질이 배터리의 양극 구획에서 순환하는 양의 전해질인 것을 특징으로 하는 방법.13. The method of claim 12 wherein the electrolyte is an amount of electrolyte circulating in the positive compartment of the battery.
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