KR20120055208A - 자립용 레독스전지시스템 - Google Patents

자립용 레독스전지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 자립용 레독스전지시스템은 도수관을 통해 유입된 물에 의해 회전하는 날개수차와 상기 날개수차의 회전에 의해 직류전류를 발생하는 직류발전기를 구비한 마이크로 수력발전장치; 및 단위전극이 다수개 적층된 적층전극과, 산화상태가 각 다른 활물질을 각각 저장하는 제1 전해질탱크 및 제2 전해질탱크와, 상기 제1 및 제2 전해질탱크에 각각 연결되어 이들에 저장된 활물질을 상기 적층전극을 통하여 각각 순환함으로써 충전 및 방전을 수행하는 제1 펌프 및 제2 펌프를 구비하는 레독스전지;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 소규모 자립용 수력발전장치와 레독스전지를 이용함으로써 효율이 뛰어난 자립용 발전시스템을 구축할 수 있다.

Description

자립용 레독스전지시스템{Stand-alone power system using Redox battery}
본 발명은 자립용 레독스전지시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2차 전지인 레독스전지를 이용한 자립용 발전시스템에 관한 것이다.
전 세계적으로 에너지 수요가 증가하는 추세이며 화석연료의 지속적인 사용 결과로 CO2를 계속 배출하게 되어 환경오염을 초래하고 있다.
이러한 온실가스 배출 억제를 위해 태양광, 풍력, 연료전지 등 신재생에너지가 각광을 받으면서 실용 보급이 진행되고 있다.
재생에너지는 입지환경이나 자연조건에 크게 영향을 받으므로 출력 변동이 심하여 연속적 공급이 불가능하고 에너지 생산시점과 수요시점의 시간차가 발생하게 되어 에너지저장 시스템이 중요하게 대두된다.
MW급 대용량 전력저장용 전지로써 납축전지, NaS전지, 초고용량 커패시터(supercapacitor), 리튬이차전지 및 레독스전지(RFB, redox flow battery)가 있다.
이중 레독스전지는 기존 이차전지와는 달리 전해액 중의 활물질(active material)이 산화?환원되어 충방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다.
레독스전지의 단점이 보완되면서 이를 축적장치로 응용하고자 하는 시도가 여려 산업분야에서 나타나고 있다. 그러나 이러한 노력은 자동차와 같은 특정 산업분야에서만 진행되고 있으며, 다양한 분야에 아직 적극적으로 활용되지 못하는 실정이다.
본 발명의 목적은 수력발전장치와 레독스전지를 이용함으로써 효율이 뛰어난 난 자립용 레독스전지시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 자립용 레독스전지시스템은, 도수관을 통해 유입된 물에 의해 회전하는 날개수차와 상기 날개수차의 회전에 의해 직류전류를 발생하는 직류발전기를 구비한 마이크로 수력발전장치; 및 단위전극이 다수개 적층된 적층전극과, 산화상태가 각 다른 활물질을 각각 저장하는 제1 전해질탱크 및 제2 전해질탱크와, 상기 제1 및 제2 전해질탱크에 각각 연결되어 이들에 저장된 활물질을 상기 적층전극을 통하여 각각 순환함으로써 충전 및 방전을 수행하는 제1 펌프 및 제2 펌프를 구비하는 레독스전지;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 수력발전장치는 몸체와, 몸체의 상부측에 결합된 직류발전기를 포함한다.
여기서, 상기 마이크로 수력발전장치의 몸체는 외부 일측에 물을 유입하기 위한 도수관과 외부 타측에 물을 배수하기 위한 배수관이 연결되며, 상기 몸체의 내부에는 날개수차를 포함하며, 상기 도수관은 다수개로 분기되고 각 분기된 분기도수관의 단부에 설치된 노즐이 상기 몸체의 외측에 관통하여 연결되며, 상기 노즐을 통과한 물에 의해 상기 날개수차가 회전할 수 있다.
상기 마이크로 수력발전장치는 경자동차용 발전기에 날개수차를 장착하는 것에 의해 마련될 수 있다.
그리고 상기 단위전극은 2개의 그라이트판들과 상기 그라이트판들 사이에 개재된 열가소성필름을 포함할 수 있다. 여기서 상기 열가소성필름은 핀홀의 형성이 억제되고 전해액이 침투가 억제되는 재질로 마련되며, 두께가 10~15㎛로 이루어질 수 있다. 또한 상기 열가소성필름은 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐리덴, 아세탈, 치메이, 나일론, 인조고무, 합성고무, 및 에틸렌과 비닐 아세테이트의 열가소성 수지 혼합물 중 하나 또는 2이상의 혼합물 또는 화합물로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 자립용 레독스전지시스템은 소규모 자립용 수력발전장치와 레독스전지를 이용함으로써 효율이 뛰어난 자립용 레독스전지시스템을 구축할 수 있다. 이에 따라 일정한도 내에서 전원의 공급없이 전자기기의 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자립용 레독스전지시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전의 원리를 설명하기 수력발전장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층적극에 포함되는 단위전극의 구조를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자립용 레독스전지시스템에 대한 개략도이다. 본 실시예에 따른 자립용 레독스전지시스템(1)은 수력발전장치(10), 레독스전지(20), 인버터(30)로 이루어질 수 있다. 레독스전지(20)에 충전된 전력은 인버터(30)를 통해 변환되어 전자기기에 제공된다.
수력발전장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 몸체(11)와 몸체(11)의 상부에 배치된 직류발전기(14)로 이루어 질수 있다. 몸체(11)의 내부에는 날개수차(112)가 포함되며, 몸체(11)의 외측에는 물을 유입하기 위한 도수관(12)과 물을 배수하기 위한 배수관(13)이 연결된다. 여기서 수력발전장치(10)는 직류발전기(14)로 경자동차용 발전기를 사용하고 경자동용 발전기의 회전축에 날개수차(112)를 장착하는 것에 의해 만들어 질 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 수력발전장치(10)는 전용 발전기를 별도로 제작할 필요가 없기 때문에 제조비용 및 환경측면에서 장점을 가진다.
도수관(12)은 여러갈래로 분기되어 몸체(11)에 설치된 노즐(미도시)에 연결된다. 여러갈래로 분기된 분기관(122, 124)을 통해 유입된 물은 노즐(126, 128)을 통해 날개수차(112)에 분사되어 날개수차(112)를 회전시킨다. 날개수차(112)는 회전력을 직류발전기(14)에 전달하기 위해 직류발전기(14)의 회전자(미도시)에 결합된다.
본 실시예에서 노즐(126, 128)의 갯수는 4개로 마련될 수 있다. 이러한 노즐(126,128)의 갯수는 도수관(12) 및 몸체(11)의 구조에 따라 다양하게 마련될 수 있다.
배수관(13)은 도수관(12)에 의해 유입된 물을 배수하는 기능을 수행하며 날개수차(112)에 부딪쳐 몸체(11)에 축적되는 물의 양을 고려하여 크기를 정할 수 있다. 이것은 몸체(11)에 축적된 물의 양에 의해 날개수차(112)의 회전이 방해받지 않도록 하기 위함이다.
레독스전지(20)는 제1 전해질탱크(22), 제2 전해질탱크(24), 제1 펌프(26), 제2 펌프(28), 적층전극(29)으로 이루어진다.
제1 전해질탱크(22) 및 제2 전해질탱크(24)는 산화상태가 각각 다른 활물질을 저장한다. 제1 펌프(26) 및 제2 펌프(28)는 제1 전해질탱크(22) 및 제2 전해질탱크(24)에 각각 연결되어 충전 및 방전시 활물질을 순환시키는 기능을 수행한다. 적층전극(29)은 다수개의 단위전극(291)이 연결된 것으로 각각의 단위전극(291)은 이온교환막(멤브레인)으로 분리된 양극 및 음극 전극으로 구성된다.
여기서 이온교환막(멤브레인)은 충전 및 방전시 레독스 반응하는 이온을 분리하기 위해 양극 및 음극 전극 사이에 위치한다. 그리고 활물질은 V, Fe, Cr, Cu, Ti, Mn 및 Sn 등의 전이금속을 강산 수용액에 용해된 전해질이다.
전해질은 적층전극(29) 내에 저장되지 않고, 제1 및 제2 전해질탱크(22, 24)에 액체 상태로 저장되며, 충?방전 과정 중에 제1 및 제2 펌프(26, 28)를 통하여 적층전극(29)의 내부로 공급된다.
본 실시예에 따른 적층전극(29)을 구성하는 단위전극(291)은 비활성 전극으로 전극 자체는 화학 반응 없이 전극 표면과 전해질 사이에서 반응하기 때문에 종래 이차 전지에 비해 수명이 길다는 장점을 가진다.
또한 본 실시예에 따른 레독스전지(20)는 출력을 결정하는 적층전극(29)과 충전용량을 결정하는 전해액을 저장하는 제1 및 제2 전해질탱크(22, 24)가 분리되어 있기 때문에 출력과 용량을 자유롭게 설계할 수 있으며 설치 장소에 제약이 적기 때문에 용이한 설치가 가능하다.
이하에서는 도 3를 참조하여 본 실시예에 따른 적층전극(29)을 구성하는 단위전극(291)에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 단위전극(291)은 2개의 그라이트판(292)과 양 그라이트판(292) 사이에 개재된 열가소성필름(294)을 포함할 수 있다.
열가소성필름(294)은 전해액이 침투하지 않는 재질로 핀홀이 형성되지 않으며, 아주 얇은 막의 형태를 가진다. 예를 들어 열가소성필름(294)은 가열에 의해 연화할 때, 그 상태에 힘을 가하면 유동하여 변형되고 고화되지만, 재가열에 의해 연화하여 반복할 수 있는 특징을 가진다. 열가소성필름(294)은 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐리덴(PVC), 아세탈, 치메이, 나일론, 폴리프로필렌, 에틸렌 및 비닐 아세테이트의 열가소성 수지 공중합체 또는 그의 상용성 혼합물 등으로 이루어 질수 있다. 또한 열가소성필름(294)은 인조고무, 합성고무 또는 고무와 열가소성수지의 혼합물 또는 화합물 등으로 이루어 질 수 있다.
열가소성필름(294)의 두께는 대략 10~15㎛로 마련될 수 있다. 이러한 두께는 적층전극(29)의 용도에 따라 달라 질 수 있다.
양 그라파이트판(292) 사이에 끼워진 열가소성필름(294)은 탄소 결합에 의해 전기적 통전되며 그 외의 부분은 열가소성필름(294)에 의해 절연된 상태이다. 이에 의해 양 그라이트판(292) 사이에 전해액이 침투되는 것이 방지된다.
이와 같이 본 실시예에 따른 적층전극(29)은 도전성능이 좋은면서 전해액과의 반응이 좋은 그라파이트판(292)을 사용함으로써 전기화학적으로도 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다.
1: 자립형 레독스전지시스템 10: 마이크로 수력장치
12: 도수관 13: 배수관
14: 직류발전기 20: 레독스전지
22, 24: 제1 및 제2 전해질탱크 26, 28: 제1 펌프 및 제2 펌프
29: 전층전극 30: 인버터
292: 그라파이트판 294: 열가소성필름

Claims (7)

  1. 도수관을 통해 유입된 물에 의해 회전하는 날개수차와 상기 날개수차의 회전에 의해 직류전류를 발생하는 직류발전기를 구비한 마이크로 수력발전장치; 및
    단위전극이 다수개 적층된 적층전극과, 산화상태가 각 다른 활물질을 각각 저장하는 제1 전해질탱크 및 제2 전해질탱크와, 상기 제1 및 제2 전해질탱크에 각각 연결되어 이들에 저장된 활물질을 상기 적층전극을 통하여 각각 순환함으로써 충전 및 방전을 수행하는 제1 펌프 및 제2 펌프를 구비하는 레독스전지;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 레독스전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 수력발전장치는 몸체와, 상기 몸체의 상부측에 결합된 직류발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 레독스전지시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마이크로 수력발전장치의 몸체는 외부 일측에 물을 유입하기 위한 도수관과 외부 타측에 물을 배수하기 위한 배수관이 연결되며, 상기 몸체의 내부에는 날개수차를 포함하며,
    상기 도수관은 다수개로 분기되고 각 분기된 분기도수관의 단부에 설치된 노즐이 상기 몸체의 외측에 관통하여 연결되며, 상기 노즐을 통과한 물에 의해 상기 날개수차가 회전하는 것을 특징으로 하는 자립형 레독스전지시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 수력발전장치는 경자동차용 발전기에 날개수차를 장착하는 것에 의해 마련된 것을 특징으로 하는 자립형 레독스전지시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단위전극은 2개의 그라이트판들과 상기 그라이트판들 사이에 개재된 열가소성필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 레독스전지시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열가소성필름은 핀홀의 형성이 억제되고 전해액이 침투가 억제되는 재질로 마련되며, 두께가 10~15㎛인 것을 특징으로 하는 자립형 레독스전지시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 열가소성필름은 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐리덴, 아세탈, 치메이, 나일론, 인조고무, 합성고무, 및 에틸렌과 비닐 아세테이트의 열가소성 수지 혼합물 중 하나 또는 2이상의 혼합물 또는 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 자립형 레독스전지시스템.
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