KR20130132488A - 레독스 플로우 배터리의 확장 가능한 모듈형 반응물 스토리지를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

레독스 플로우 배터리의 확장 가능한 모듈형 반응물 스토리지를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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catholyte
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flow battery
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콜린 얼 맥켄지 빈센트
개리 렙
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제이디 홀딩 인크.
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Abstract

여기에는 모듈형 반응물 스토리지 능력(modular reactant storage capabilities)을 갖는 레독스 플로우 배터리 시스템(redox flow battery systems)에 대한 다양한 실시예가 개시된다. 다양한 실시예에 따르면, 레독스 플로우 배터리 시스템은 다른 양극액(anolyte) 스토리지 모듈과 인터페이스하도록 구성된 양극액 스토리지 모듈, 다른 음극액 스토리지 모듈과 인터페이스하도록 구성된 음극액 스토리지 모듈, 및 양극액 및 음극액 스토리지 모듈과 유체 연통(fluid communication)하는 반응물 구획들(reactant compartments)을 갖는 반응기 셀(reactor cell)을 포함할 수 있다. 양극액 및 음극액 반응물을 저장하기 위해 모듈형 스토리지 모듈들을 이용하여, 레독스 플로우 배터리 시스템은 기존의 시스템 컴포넌트들을 크게 변경하지 않고 확장 가능할 수 있다.

Description

레독스 플로우 배터리의 확장 가능한 모듈형 반응물 스토리지를 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR REDOX FLOW BATTERY SCALABLE MODULAR REACTANT STORAGE}
본 발명은 레독스 플로우 배터리 시스템(redox flow battery systems)에 관한 것으로, 특히, 모듈형 반응물 스토리지 능력(modular reactant storage capabilities)을 갖는 레독스 플로우 배터리 시스템에 관한 것이다.
설명하는 본 발명의 실시예들은 제한적인 것이 아니고 완전하지 않으며, 도면들을 참조하는 본 발명의 다양한 실시예를 포함한다.
도 1은 여기에 개시된 실시예들과 일관되는 레독스 배터리 에너지 스토리지 시스템(redox battery energy storage system)의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 2는 여기에 개시된 실시예들과 일관되는 확장 가능한 모듈형 반응물 스토리지(scalable modular reactant storage)를 포함하는 레독스 배터리 에너지 스토리지 시스템의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 3a는 여기에 개시된 실시예들과 일관되는 확장 가능한 모듈형 반응물 스토리지를 포함하는 레독스 배터리 스토리지 시스템의 예시적인 구성의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 3b는 여기에 개시된 실시예들과 일관되는 확장 가능한 모듈형 반응물 스토리지를 포함하는 레독스 배터리 스토리지 시스템의 예시적인 구성의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 3c는 여기에 개시된 실시예들과 일관되는 확장 가능한 모듈형 반응물 스토리지를 포함하는 레독스 배터리 스토리지 시스템의 예시적인 구성의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 3d는 여기에 개시된 실시예들과 일관되는 확장 가능한 모듈형 반응물 스토리지를 포함하는 레독스 배터리 스토리지 시스템의 예시적인 구성의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 4는 여기에 개시된 실시예들과 일관되는 표준 모듈 치수들을 갖는 확장 가능한 모듈형 반응물 스토리지를 포함하는 레독스 배터리 스토리지 시스템의 블록 다이어그램을 도시한다.
본 발명의 실시예들은 도면들을 참조하면 가장 잘 이해될 것이다. 여기 도면에서 일반적으로 설명되고 도시된 것과 같은, 개시된 실시예들의 컴포넌트들은 광범위한 상이한 구성들로 배열 및 설계될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 시스템 및 방법에 대한 실시예들 다음과 같은 상세한 설명은, 주장한 바와 같이, 본 발명의 범위를 제한하도록 의도된 것이 아니라, 본 발명의 가능한 실시예들을 단순히 대표하는 것이다. 또한, 달리 명시되지 않는 한, 방법의 단계들이 반드시 임의의 특정 순서로 실행될 필요는 없고, 단계들이 단지 한 번 실행될 필요도 없다.
어떤 경우에는, 잘 알려진 특징, 구조 또는 동작은 자세히 도시되거나 설명되지 않는다. 또한, 설명된 특징, 구조, 또는 동작은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 여기 도면에 일반적으로 설명되고 도시된 바와 같은 실시예들의 컴포넌트들은 광범위한 상이한 구성으로 배열 및 설계될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다.
충전용 배터리와 같은 에너지 스토리지 시스템은 전력 시스템, 특히, 풍력 발전기(wind turbine generators), 광 전지(photovoltaic cells) 등에 의해 공급된 전력 시스템의 중요한 부분이다. 에너지 스토리지 시스템은 또한 전력 품질 애플리케이션에서, UPS(uninterruptible power sources)처럼, 오프 피크 조건(off peak conditions) 동안 전력을 사고 팔기 위한 에너지 재정거래(energy arbitrage)를 가능하게 하고, 백업 전력을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템, 특히, 바나듐 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(vanadium redox flow battery energy storage systems; VRB-ESS)은 그러한 전력 시스템에서 사용될 수 있다. 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템은, UPS 및 전력 품질 애플리케이션에서 종래에 요구된 것으로서, 변화하는 로드들에 신속하게 응답할 수 있고, 에너지 재정거래 및 백업 전력 애플리케이션에서 종래에 요구된 것으로서, 더 큰 용량을 갖도록 더 구성될 수 있다.
레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템은 양극액 및 음극액 전해질 용액(anolyte and catholyte electrolyte solutions)이 반응기 셀(reactor cells)을 통과하여 전력을 생성한다. 양극액 용액과 음극액 용액은 여기에서는 반응물 또는 반응물 전해질로서 집합적으로 설명될 수 있다. 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템은 시스템의 전력 요구에 따라 하나 이상의 반응기 셀을 포함할 수 있고, 여기에 개시된 실시예들과 일관되게, 시스템의 에너지 용량 필요에 기초하여 가변적인 양의 전해질 용액을 사용할 수 있다. 특정 실시예에서, 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템 내의 반응기 셀들의 수 및 단면적은 시스템이 생산할 수 있는 순간 전력의 양을 결정할 수 있다. 또한, 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템에 사용할 수 있는 양극액 및 음극액 전해질 용액의 부피는 그의 전력 스토리지 및 생산 능력을 결정할 수 있다.
도 1은 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(100), 특히, 여기에 개시된 실시예들과 일관되는 VRB-ESS의 블록 다이어그램을 도시한다. 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(100)은 하나 이상의 반응기 셀(102)을 포함하는데, 각각은 음극(negative electrode; 108)을 갖는 네거티브 구획(negative compartment; 104) 및 양극(positive electrode; 112)을 갖는 포지티브 구획(positive compartment; 110)을 갖는다. 네거티브 구획(104)은 음극(108)과 전기 통신하는 양극액 용액(114)을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 양극액 용액(114)은 감소된 상태에 있고 셀(102)의 방전 프로세스 동안 산화될, 혹은 산화 상태에 있고 셀(102)의 충전 프로세스 동안 감소될, 또는 이러한 후자의 감소된 이온들과 감소될 이온들의 혼합물인 지정된 레독스 이온들을 함유하는 전해질이다. 포지티브 구획(110)은 양극(112)과 전기 통신하는 음극액 용액(116)을 포함한다. 음극액 용액(116)은 산화 상태에 있고 셀(102)의 방전 프로세스 동안 감소될, 혹은 감소된 상태에 있고 셀(102)의 충전 프로세스 동안 산화될, 또는 이러한 산화된 이온들과 산화될 이온들의 혼합물인 지정된 레독스 이온들을 함유하는 전해질이다. 특정 실시예에서, 양극액 용액과 음극액 용액(114, 116)은, 그 전체 내용이 참조로 또는 다른 알려진 기술로서 여기에 포함되는, 미국 특허 번호 4,786,567, 6,143,433, 6,468,688 및 6,562,514의 개시와 일관되게 준비될 수 있다. 도 1에 도시된 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템은 여기에서는 설명을 목적으로 바나듐 기반 시스템인 것으로 설명되지만, 다른 반응물 용액들이 사용될 수 있다.
레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(100)의 각 셀(102)은 포지티브 구획 및 네거티브 구획(104, 110) 사이에 배치된 이온 전도성 분리기(ionically conducting separator; 118)(예컨대, 멤브레인(membrane))를 포함할 수 있고, 양극액 용액과 음극액 용액(114, 116)과 접촉하여 그들 사이에 이온 통신을 제공한다. 특정 실시예에서, 분리기(118)는 양성자 교환 멤브레인(proton exchange membrane)의 역할을 할 수 있고, 탄소 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 추가적인 양극액 용액(114)은 양극액 공급 라인(122)과 양극액 리턴 라인(124)을 통해 네거티브 구획(104)과 유체 연통하는 양극액 스토리지 저장기(anolyte storage reservoir; 120)에 보유될 수 있다. 양극액 스토리지 저장기(120)는 탱크, 블라더(bladder), 또는 임의의 다른 유사한 스토리지 컨테이너를 포함할 수 있다. 양극액 공급 라인(122)은 펌프(126) 및 열 교환기(128)와 통신할 수 있다. 펌프(126)는 양극액 저장기(120), 공급 라인(122), 네거티브 구획(104) 및 리턴 라인(124)을 통한 양극액 용액(114)의 유체 이동을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 펌프(126)는 생성된 유량률(flow rate)에 있어서의 변동을 허용하기 위해 가변 속도를 가질 수 있다. 열 교환기(128)는 양극액 용액(114)으로부터 생성된 열을 유체 또는 가스 매체로 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 공급 라인(122)은 양극액 용액(114)의 체적 유량(volumetric flow)을 제어하기 위해 하나 이상의 공급 라인 밸브(130)를 포함할 수 있다. 리턴 라인(124)은 리턴 체적 유량을 제어하는 하나 이상의 리턴 라인 밸브(132)와 통신할 수 있다.
일부 실시예에서, 추가적인 음극액 용액(116)은 음극액 공급 라인(136)과 음극액 리턴 라인(138)을 통해 포지티브 구획(110)과 유체 연통하는 음극액 스토리지 저장기(134)에 보유될 수 있다. 음극액 공급 라인(136)은 펌프(140)와 열 교환기(142)와 통신할 수 있다. 일부 실시예에서, 생성된 유량률에 있어서의 변동을 허용하기 위해 가변 속도 펌프일 수 있는 펌프(140)는 음극액 저장기(134), 공급 라인(136), 포지티브 구획(110), 및 리턴 라인(138)을 통해 음극액 용액(116)의 유체 이동을 가능하게 할 수 있다. 열 교환기(142)는 음극액 용액(116)으로부터 생성된 열을 유체 또는 가스 매체로 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 공급 라인(136)은 음극액 용액(116)의 체적 유량을 제어하기 위해 하나 이상의 공급 라인 밸브(144)를 포함할 수 있다. 리턴 라인(138)은 리턴 체적 유량을 제어하는 하나 이상의 리턴 라인 밸브(146)와 통신할 수 있다.
음극 및 양극(108, 112)은 전원(148) 및 로드(150)와 전기 통신할 수 있다. 전원 스위치(152)는 전원(148)과 각 음극(108) 사이에 직렬로 배치될 수 있다. 마찬가지로, 로드 스위치(154)는 로드(150)와 각 음극(108) 사이에 직렬로 배치될 수 있다. 대안적인 구성이 가능하며, 여기에 개시된 실시예들과 일관되는 많은 가능한 구성에 대한 예시적인 구성으로서, 도 1에 도시된 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(100)에 대한 특정 구성이 제공된다.
레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(100)이 충전되고 있는 동안, 전원 스위치(152)가 폐쇄될 수 있으며, 로드 스위치(154)는 열릴 수 있다. 펌프(128)는 양극액 공급 및 리턴 라인(122, 124)을 경유하여 네거티브 구획(104) 및 양극액 스토리지 저장기(120)를 통해 양극액 용액(114)을 펌프할 수 있다. 동시에, 펌프(140)는 음극액 공급 및 리턴 라인(136, 138)을 경유하여 포지티브 구획(110) 및 음극액 스토리지 저장기(134)를 통해 음극액 용액(116)을 펌프할 수 있다. 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(100)의 각 셀(102)은, 예를 들어, 양극액 용액(104)에서 2가의 바나듐 이온(divalent vanadium ions)을 유도하고 음극액 용액(110)에서 등가의 바나듐 이온(equivalent vanadium ions)을 유도하는 것에 의해, 전원(148)으로부터 양극 및 음극(108, 112)으로 전기 에너지를 전달함으로써, 충전될 수 있다.
전기는 로드 스위치(154)를 닫고 전원 스위치(152)를 열어 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(100)의 각 반응기 셀(102)로부터 얻을 수 있다. 이는, 음극과 양극(108, 112)과 전기 통신하는, 로드(150)가, 양극액 및 음극액 용액이 셀(102)을 통해 각각 펌프될 때, 전기 에너지를 철회하게 한다. 특정 실시예에서, 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(100)의 다양한 컴포넌트의 동작은 전자 제어 및 모니터링 시스템(미도시)에 의해 제어될 수 있다. 또한, 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(100)에서 철회된 전력은 로드(150)에 제공되기 전에 전력 조절 장치(power conditioning equipment)(미도시)를 사용하여 조절될 수 있다. 특정 실시예에서, 반응기 셀(102)로부터 출력된 DC 전력을 로드(154)에 필요한 AC 전력으로 변환하기 위해 전력 변환 시스템(power conversation system)(미도시)이 또한 통합될 수 있다.
도 2는 여기에 개시된 실시예들과 일관되는 확장 가능한 모듈형 반응물 스토리지(scalable modular reactant storage; 204-210)를 포함하는 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(200)의 블록 다이어그램을 도시한다. 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(200)은, 도 1의 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(100)을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 음극을 갖는 네거티브 구획과 양극을 갖는 포지티브 구획을 각각 갖는, 하나 이상의 반응기 셀을 수용하는 반응기 셀 모듈(202)을 포함한다. 여기에 개시된 실시예와 일관되게, 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(200)은 전해질 반응물(예컨대, 양극액 및 음극액)을 저장하는데 사용되는 하나 이상의 모듈형 반응물 스토리지 저장기(204-210)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 모듈형 반응물 스토리지 저장기(204, 206)는 양극액(즉, 반응물 A)을 저장할 수 있고, 모듈형 반응물 스토리지 저장기(208-210)는 음극액(즉, 반응물 B)을 저장할 수 있다. 일부 실시예에서, 모듈형 반응물 스토리지 저장기는 탱크, 블라더, 또는 반응물 스토리지를 위한 다른 유사한 스토리지 컨테이너를 사용할 수 있다. 모듈형 반응물 스토리지 저장기(204-210)를 이용하여, 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(200)의 반응물 스토리지 용량은, 예를 들어, 필요한 시스템 방전 시간과 에너지 스토리지 용량을 포함하는 시스템 요구 사항에 기초하여 확장 가능(scalable)할 수 있다(예컨대, 연장(expanded) 혹은 축소(reduced)).
모듈형 반응물 스토리지 저장기(204-210)는 모듈형 반응물 스토리지 저장기(204)와 반응기 셀(202)에 포함된 탱크에 저장된 반응물 전해질(예컨대, 양극액 또는 음극액) 사이에 유체 연통을 제공하도록 구성된 모듈형 분배 배관(modular distribution piping; 212-218)과 연관될 수 있고, 이로써, 도 1을 참조하여 설명한 것과 유사한 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(200)의 동작을 가능하게 한다. 일부 실시예에서, 특정한 반응물 스토리지 저장기와 관련된 모듈형 분배 배관은 반응기 셀(202)에 반응물 전해질의 유체 연통을 제공하기 위해 다른 모듈형 분배 배관과 인터페이스할 수 있다. 예를 들어, 모듈형 반응물 스토리지 저장기(204)와 관련된 모듈형 분배 배관(212)은 모듈형 반응물 스토리지 저장기(206)와 관련된 모듈형 분배 배관(214)에 결합되어, 모듈형 반응물 스토리지 저장기(204)와 반응기 셀(202) 내에 저장된 반응물 전해질 사이에 유체 연통을 제공할 수 있다. 이미 통합된 반응물 스토리지 저장기와 관련된 모듈형 분배 배관을 이용함으로써, 시스템에 추가적인 반응물 스토리지 저장기의 추가는, 추가적인 스토리지 저장기의 분배 배관을 기존의 스토리지 저장기의 분배 배관에 인터페이스하는 것과 관련된 것을 제외하고, 기존의 반응물 분배 배관에 대한 큰 변경을 필요로 하지 않을 수 있다.
특정 실시예에서, 집중식 매니폴드 배관 시스템(centralized manifold piping system)과 같은 집중식 분배 배관 시스템(미도시)은 모듈형 분배 배관(212-218)과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 모듈형 분배 배관212)은 스토리지 저장기(204)로부터 반응기 셀(202)로의 반응물 전해질의 유체 연통을 위해 집중식 분배 배관 시스템과 인터페이스할 수 있다. 다른 모듈형 분배 배관(214-218)이 유사하게 구성될 수 있다. 특정 실시예에서, 특정한 반응물 스토리지 저장기(예컨대, 모듈형 반응물 스토리지 저장기(204))와 관련된 모듈형 분배 배관(예컨대, 모듈형 분배 배관(212))은 상이한 스토리지 저장기 및/또는 집중식 분배 배관 시스템과 관련된 모듈형 분배 배관과 인터페이스하지 않고 반응기 셀(202)과 유체 연통하도록 구성될 수 있다. 특정 실시예에서, 스토리지 저장기(204-210)에 있는 반응물은 병렬 구성, 직렬 구성, 또는 이들의 조합으로 반응기 셀(202)과 유체 연통될 수 있다.
도 1을 참조하여 설명된 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템의 일반적인 동작과 일관되게, 반응기 셀(202)은 방전되는 동안 로드에 전력을 공급하거나 충전하는 동안 소스로부터 전력을 수신할 수 있다. 로드에 제공되거나 소스로부터 수신된 전력은 전력 조절 장치(power conditioning equipment; 220)를 사용하여 조절될 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 조절 장치(220)는 반응물 스토리지 저장기(204-210)와 유사하게 모듈형으로 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(200)에 통합될 수 있다.
모듈형 반응물 스토리지 저장기(204-210)는 별개의 인클로저(예컨대, 내후재 외부(weather proofing exterior) 등을 갖는 프레임)를 포함할 수 있어, 이로써, 전체 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(200)을 수용하기 위해 인클로저, 빌딩, 또는 셸터(shelter)를 구성할 필요성을 감소시키고, 시스템 요구 사항에 기초하여 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(200)의 반응물 스토리지 용량의 스케일링을 완화시킨다. 일부 실시예에서, 모듈형 반응물 스토리지 저장기(204-210)는 그들이 관련되는 모듈형 반응물 스토리지 저장기 내에서 열 상태를 관리하도록 구성된 열 관리 시스템을 각각 포함할 수 있어, 전체 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(200)의 열 관리 시스템을 구성하거나, 냉각, 가열, 환기 및/또는 공기 조절 능력을 포함하는 전체 시스템을 위한 인클로저를 구성할 필요성을 감소시킨다. 다른 실시예에서, 열 관리 시스템은 하나보다 많은 모듈형 반응물 스토리지 저장기 내에서 열 상태를 관리하도록 구성될 수 있다. 모듈형 반응물 스토리지 저장기(204-210) 및/또는 반응기 셀(202)은 저장기 및/또는 반응기 셀 내에서 반응물의 누출(leak) 및/또는 유출(spill)을 포함하도록 구성된 인클로저를 더 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 모듈형 반응물 스토리지 저장기(204-210)는, 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(200)이 동작중일 때, 모듈형 반응물 스토리지 저장기(204-210)와 반응기 셀(202) 사이에서 유체 연통을 가능하게 하기 위해 내부 펌핑 메커니즘(미도시)을 포함할 수 있다. 내부 펌핑 메커니즘은 펌프, 밸류, 배관 등을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 더 많은 집중식 펌핑 메커니즘(즉, 메커니즘은 모듈(204-206) 각각에 포함되지 않음)은 하나 이상의 스토리지 저장기(204-210)와 반응기 셀(202) 사이에 유체 연통을 가능하게 하기 위해 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(200)에 의해 사용될 수 있다. 모듈형 반응물 스토리지 저장기(204-210)는 또한 개별 저장기(204) 내에서 펌프 및 밸브 제어를 모니터링 및 관리하는 시스템(미도시)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 시스템은 전기 제어 컴포넌트(예컨대, 센서, 제어 라인 등)를 포함할 수 있다. 모듈형 분배 배관과 마찬가지로, 모듈형 모니터링 및 제어 시스템은 개별 모듈들과 관련되어, 새로운(즉, 추가적인) 저장기와 관련된 모니터링 및 제어 시스템을 기존의 저장기의 것에 인터페이스하는 것과 관련된 기존의 모니터링 및 제어 시스템에 대한 큰 변경 없이 시스템의 확장가능성을 허용한다. 특정 실시예에서, 개별 저장기(204-210)의 내부 펌핑 메커니즘을 관리하고 제어하기 위한 집중식 시스템(미도시)은 개별 저장기(204)와 관련된 펌프 및 밸류 제어 시스템과 함께 또는 그 대신 펌프 및 밸브 제어를 관리할 수 있다.
도 3a-3d는 여기에 개시된 실시예들과 일관되는 확장 가능한 모듈형 반응물 스토리지를 포함하는 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(300-306)의 예시적인 구성에 대한 블록 다이어그램을 도시한다. 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(300-306)은 모듈형 반응기 셀, 전력 조절 장치, 및 반응물 스토리지 저장기(예컨대, 반응물 A 모듈 및 반응물 B 모듈)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(300-306)의 모듈들은 표준 모듈 치수들을 가질 수 있어, 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(300-306)이 다수의 구성으로 유연하게 구축(예컨대, 적층)되고 스케일링되는 것을 가능하게 한다. 도 3a-3d에 도시된 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(300-306)은, 여기에 개시된 모듈형 반응물 스토리지 모듈들을 갖는 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(300-306)을 설계할 때 허용되는 유연성과 확장 가능성의 예를 입증하는, 모듈형 반응물 스토리지 모듈들을 이용하는 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(300-306)의 가능한 구성들을 도시한다.
도 4는 여기에 개시된 실시예들과 일관되는 표준 모듈 치수들을 갖는 확장 가능한 모듈형 반응물 스토리지를 포함하는 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(400)의 블록 다이어그램을 도시한다. 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(400)은 도 1을 참조하여 위에서 설명한 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템의 컴포넌트를 포함하는 복수의 표준화된 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(400)은 하나 이상의 반응물 스토리지 저장기(402-412)와 하나 이상의 반응기 셀(414-416)을 포함할 수 있다. 표준 모듈 치수를 이용하면, 반응물 스토리지 저장기(402-412) 및 반응기 셀(414-416)은 다수의 구성으로 구축 및 스케일링될 수 있다.
특정 실시예에서, 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(400)의 모듈들은 모듈형 반응물 분배 배관(미도시)에 대한 표준화된 인터페이스 유형과 위치를 사용하도록 구성될 수 있다. 또한, 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(400)의 모듈들은 모듈에 통합된 펌프 및 밸류 모니터링 및 관리 시스템(미도시)을 위한 표준 인터페이스 유형과 위치를 사용하도록 구성될 수 있다. 레독스 플로우 배터리 에너지 스토리지 시스템(400)에 포함된 모듈들 사이의 표준화된 인터페이스 유형과 위치를 이용하여, 시스템은 유연하게 스케일링되고 및/또는 재구성될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 모듈(예컨대, 반응물 스토리지 저장기 모듈)이 시스템에 추가될 수 있다. 추가적인 모듈과 기존 시스템과 통합된 또 다른 모듈에서 표준화된 인터페이스들은, 추가적인 모듈의 반응물 분배 배관과 모니터링 및 제어 시스템을, 기존 시스템의 배관과 모니터링 및 제어 시스템과 인터페이스할 수 있다.
모듈(402-416)은 별도의 인클로저 또는 프레임에 수용될 수 있다. 특정 실시예에서, 모듈은 모듈들(402-416)의 컴포넌트들을 둘러싸도록 수정될 수 있는 복합형 컨테이너(intermodal container)(예컨대, 수송 컨테이너(shipping container)) 또는 복합형 컨테이너 프레임을 포함할 수 있다. 프레임에서 표준화된 기계적 인터페이스(예컨대, 컨테이너 연결장치(twistlock) 및 코너 캐스팅)는 모듈들이 다양한 구성으로 서로에 대해 엄격하게 고정될 수 있도록 할 수 있다. 또한, 복합형 컨테이너를 이용하여, 반응물 스토리지 저장기 모듈은 반응물로 이미 채워진 시스템 위치에 수송될 수 있고, 이로써, 시스템 설치 동안 상이한 수송 탱크로부터 반응물을 채울 필요성을 감소시킨다.
본 발명의 근본적인 원리에서 벗어나지 않고 상술한 실시예의 상세에 대한 많은 변경이 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는, 따라서, 단지 다음과 같은 청구항들에 의해 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 레독스 플로우 배터리 시스템(redox flow battery system)으로서,
    제1 양극액 스토리지 모듈(anolyte storage module) - 상기 제1 양극액 스토리지 모듈은 제1 양극액 저장기(anolyte reservoir), 및 제2 양극액 스토리지 모듈에 포함된 제2 양극액 저장기 인터페이스에 결합될 때 상기 제2 양극액 스토리지 모듈에 포함된 제2 양극액 저장기와 상기 제1 양극액 저장기 사이에 유체 연통(fluid communication)을 제공하도록 구성된 제1 양극액 저장기 인터페이스를 포함함 - ;
    제1 음극액 스토리지 모듈(catholyte storage module) - 상기 제1 음극액 스토리지 모듈은 제1 음극액 저장기, 및 제2 음극액 스토리지 모듈에 포함된 제2 음극액 저장기 인터페이스에 결합될 때 상기 제2 음극액 스토리지 모듈에 포함된 제2 음극액 저장기와 상기 제1 음극액 저장기 사이에 유체 연통을 제공하도록 구성된 제1 음극액 저장기 인터페이스를 포함함 - ; 및
    상기 제1 양극액 저장기와 유체 연통하는 네거티브 구획(negative compartment) 및 상기 제1 음극액 저장기와 유체 연통하는 포지티브 구획(positive compartment)을 포함하는 셀(cell)
    을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 양극액 스토리지 모듈은 교환 가능한 모듈형 컴포넌트들이 되도록 구성되고, 상기 제1 및 제2 음극액 스토리지 모듈은 교환 가능한 모듈형 컴포넌트들이 되도록 구성되는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 양극액 스토리지 모듈과 상기 제1 및 제2 음극액 스토리지 모듈 각각은 인클로저(enclosure)를 포함하고, 상기 제1 및 제2 양극액 저장기와 상기 제1 및 제2 음극액 저장기는 상기 인클로저 내에 각각 배치되는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 인클로저는 강성 프레임(rigid frame)을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 인클로저는 다른 인클로저들에 상기 인클로저를 단단히 고정하기 위한 기계적 인터페이스를 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 인클로저는 복합형 컨테이너(intermodal container)를 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 인클로저는 복합형 컨테이너 프레임을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 레독스 플로우 배터리 시스템은 바나듐 레독스 플로우 배터리 시스템인 레독스 플로우 배터리 시스템.
  8. 제2항에 있어서, 상기 인클로저는 다른 인클로저들과 적층되도록 구성되는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 양극액 스토리지 모듈은, 상기 제1 양극액 저장기와 상기 네거티브 구획 사이에 유체 연통을 제공하도록 구성된 제1 모듈형 분배 배관(modular distribution piping)을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 양극액 스토리지 모듈은, 상기 제1 양극액 저장기와 상기 네거티브 구획 사이의 유체 연통을 제어하도록 구성된 제1 펌프 및 밸브 시스템을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 양극액 스토리지 모듈은, 상기 제1 및 제2 양극액 저장기 인터페이스를 통해 상기 제2 양극액 저장기와 상기 제1 양극액 저장기 사이에 유체 연통을 제공하도록 구성된 제2 모듈형 분배 배관을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 양극액 스토리지 모듈은, 상기 제2 양극액 저장기와 상기 제1 양극액 저장기 사이의 유체 연통을 제어하도록 구성된 제2 펌프 및 밸브 시스템을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 음극액 스토리지 모듈은, 상기 제1 음극액 저장기와 상기 포티지브 구획 사이에 유체 연통을 제공하도록 구성된 제3 모듈형 분배 배관을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 음극액 스토리지 모듈은, 상기 제1 음극액 저장기와 상기 포지티브 구획 사이의 유체 연통을 제어하도록 구성된 제3 펌프 및 밸브 시스템을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제2 음극액 스토리지 모듈은, 상기 제1 및 제2 음극액 저장기 인터페이스를 통해 상기 제2 음극액 저장기와 상기 제1 음극액 저장기 사이에 유체 연통을 제공하도록 구성된 제4 모듈형 분배 배관을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 음극액 스토리지 모듈은, 상기 제2 음극액 저장기와 상기 제1 음극액 저장기 사이의 유체 연통을 제어하도록 구성된 제4 펌프 및 밸브 시스템을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 양극액 스토리지 모듈과 상기 제1 및 제2 음극액 스토리지 모듈 각각은 열 관리 시스템을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 양극액 스토리지 모듈과 상기 제1 및 제2 음극액 스토리지 모듈 각각은 유출 봉쇄 시스템(spill containment system)을 포함하는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 상기 제2 음극액 스토리지 모듈을 더 포함하고, 상기 제2 음극액 스토리지 모듈의 상기 제2 음극액 저장기는 상기 제1 및 제2 음극액 저장기 인터페이스를 통해 상기 제1 음극액 저장기와 유체 연통하도록 구성되는 레독스 플로우 배터리 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 상기 제2 양극액 스토리지 모듈을 더 포함하고, 상기 제2 양극액 스토리지 모듈의 상기 제2 양극액 저장기는 상기 제1 및 제2 양극액 저장기 인터페이스를 통해 상기 제1 양극액 저장기와 유체 연통하도록 구성되는 레독스 플로우 배터리 시스템.
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