KR20140016894A - 저 저항 멤브레인을 갖는 플로우 배터리 - Google Patents

저 저항 멤브레인을 갖는 플로우 배터리

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KR20140016894A
KR20140016894A KR1020137022215A KR20137022215A KR20140016894A KR 20140016894 A KR20140016894 A KR 20140016894A KR 1020137022215 A KR1020137022215 A KR 1020137022215A KR 20137022215 A KR20137022215 A KR 20137022215A KR 20140016894 A KR20140016894 A KR 20140016894A
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마이클 엘. 페리
애런 팬디
라시드 자포우
크레이그 알. 워커
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

플로우 배터리는 약 125 ㎛보다 얇은 두께를 갖는 멤브레인; 및 가역적 산화환원 커플 반응물을 갖는 용액을 포함하고, 상기 용액은 멤브레인을 적신다.

Description

저 저항 멤브레인을 갖는 플로우 배터리{FLOW BATTERY HAVING A LOW RESISTANCE MEMBRANE}
본 출원은 2011년 2월 8일 출원된 미국 특허 출원 제 13/023,101호에 대한 우선권을 주장하며, 그 기재내용은 본 명세서에서 인용참조된다. 또한, 본 출원은 2009년 12월 18일 출원된 PCT 출원 PCT/US09/68681 및 2011년 2월 7일 출원된 미국 특허 출원 제 13/022,285호와 관련되며, 이는 각각 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다.
본 발명은 일반적으로 플로우 배터리 시스템(flow battery system)에 관한 것으로, 특히 저 저항 멤브레인(low resistance membrane)을 갖는 플로우 배터리에 관한 것이다.
전형적인 플로우 배터리 시스템은 플로우 배터리 셀들의 스택을 포함하며, 이들 각각은 음극과 양극 사이에 배치된 이온-교환 멤브레인을 갖는다. 작동 시, 음극액 용액(catholyte solution)이 양극을 통해 흐르고, 양극액 용액(anolyte solution)이 음극을 통해 흐른다. 음극액 및 양극액 용액들은 각각 가역적 환원-산화("redox") 반응에 전기화학적으로 반응한다. 반응 동안 이온성 종(ionic species)이 이온-교환 멤브레인을 가로질러 수송되고, 전자들이 외부 회로를 통해 수송되어 전기화학 반응들을 완료한다.
이온-교환 멤브레인은 전기화학 반응들을 용이하게 하도록 음극액 및 양극액 용액들 내의 소정 비-산화환원 커플 반응물들(non-redox couple reactants: "전하 수송 이온들" 또는 "전하 운반체 이온들"이라고도 함)이 침투할 수 있게 구성된다. 하지만, 음극액 및 양극액 용액들 내의 산화환원 커플 반응물들("비-전하 수송 이온들" 또는 "비-전하 운반체 이온들"이라고도 함)이 또한 이온-교환 멤브레인을 통해 침투하고, 함께 혼합될 수 있다. 산화환원 커플 반응물들의 혼합은, 특히 플로우 배터리 셀들이 종래 플로우 배터리 셀들의 전형적인 전류 밀도 작동 범위인 100 ㎃/㎠ 미만의 전류 밀도에서 작동되는 경우, 플로우 배터리 시스템의 전체 에너지 효율성을 불리하게 감소시킬 수 있는 자기-방전(self-discharge) 반응을 유도할 수 있다.
산화환원 커플 반응물들에 대한 이온-교환 멤브레인의 침투성은, 통상적으로 이온-교환 멤브레인의 두께와 역의 관계(inversely related)에 있다. 그러므로, 통상적인 플로우 배터리 셀은 비교적 두꺼운 이온-교환 멤브레인(예를 들어, ≥ 약 175 ㎛; ~6889 μin)을 포함하여, 산화환원 커플 반응물의 크로스오버(crossover) 및 혼합을 감소시키거나 제거하고, 이로 인해 특히 플로우 배터리 셀들이 100 ㎃/㎠ 미만의 전류 밀도에서 작동되는 경우 플로우 배터리 시스템의 전체 에너지 비효율성이 감소한다.
본 발명은 앞선 문제점들을 개선하는 플로우 배터리 시스템을 제공하려는 것이다.
본 발명에 따르면, 제 1 전극 및 제 2 전극; 멤브레인 전체에 걸쳐 약 425 mΩ*㎠보다 작은 면적비저항(area specific resistance)을 갖는 멤브레인; 및 가역적 산화환원 커플 반응물을 갖는 용액을 포함하는 플로우 배터리가 제공되고, 상기 멤브레인은 100 mA/㎠보다 큰 전류 밀도에서 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 이온 전류를 수송하도록 작동가능하며, 상기 용액은 멤브레인을 적신다.
도 1은 복수의 플로우 배터리 셀들이 스택으로 배치되어 있는 플로우 배터리 시스템의 일 실시예의 개략적인 다이어그램;
도 2는 이온-교환 멤브레인을 포함하는 도 1의 플로우 배터리 셀들 중 하나의 일 실시예의 단면도;
도 3은 도 2의 이온-교환 멤브레인의 일 실시예의 횡단면도;
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 이온-교환 멤브레인의 상이한 실시예들의 부분 확대단면도; 및
도 5는 2 개의 상이한 배터리 셀의 전류 밀도에 대한 전체 에너지 비효율성의 비교 그래프이다.
도 1을 참조하면, 플로우 배터리 시스템(10)의 개략적인 도면이 도시된다. 플로우 배터리 시스템(10)은 전기 에너지를 선택적으로 저장하고 방출하도록 구성된다. "저장한다"라는 것은, 전기 에너지가 저장가능한 형태로 전환된다는 것을 의미하며, 이는 이후 전기 에너지로 다시 전환되어 방출될 수 있다. 작동 시, 예를 들어 플로우 배터리 시스템(10)은 재생가능하거나 재생가능하지 않은 파워 시스템(도시되지 않음)에 의해 발생된 전기 에너지를 화학 에너지로 전환할 수 있으며, 이는 한 쌍의 제 1 및 제 2 전해질 용액들(예를 들어, 양극액 및 음극액 용액들) 내에 저장된다. 플로우 배터리 시스템(10)은 이후 저장된 화학 에너지를 다시 전기 에너지로 전환할 수 있다. 적절한 제 1 및 제 2 전해질 용액들의 예시로는 바나듐/바나듐 전해질 용액들, 또는 실질적으로 유사한 산화환원 종들의 여하한의 다른 쌍의 양극액 및 음극액 용액들을 포함한다. 하지만, 제 1 및 제 2 전해질 용액들의 쌍은 앞서 언급된 예시들로 제한되지 않는다.
플로우 배터리 시스템(10)은 제 1 전해질 저장 탱크(12), 제 2 전해질 저장 탱크(14), 제 1 전해질 회로 루프(16), 제 2 전해질 회로 루프(18), 적어도 1 이상의 플로우 배터리 셀(20), 파워 컨버터(power converter: 23) 및 제어기(25)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 플로우 배터리 시스템(10)은 한 쌍의 단판(end plate: 39)들 사이에 적어도 하나의 스택(21)으로 배치되고 압착된 복수의 플로우 배터리 셀(20)들을 포함할 수 있으며, 이 셀(20)들은 집합적으로 전기 에너지를 저장하고 생성하도록 작동될 수 있다.
제 1 및 제 2 전해질 저장 탱크들(12 및 14)은 각각 전해질 용액들을 하나씩 유지하고 저장하도록 구성된다.
제 1 및 제 2 전해질 회로 루프들(16 및 18)은 각각 소스 도관(source conduit: 22, 24), 리턴 도관(return conduit: 26, 28), 및 흐름 조절기(flow regulator: 27, 29)를 갖는다. 제 1 및 제 2 흐름 조절기들(27 및 29)은 각각 각자의 조절기 제어 신호에 응답하여 각자의 전해질 회로 루프들(16, 18)을 통하는 전해질 용액들 중 하나의 흐름을 조절하도록 구성된다. 각각의 흐름 조절기(27, 29)는 플로우 배터리 시스템의 특정 설계 요건들에 따라, 전자 작동형 밸브 또는 변속 펌프와 같은 단일 디바이스, 또는 복수의 이러한 디바이스들을 포함할 수 있다. 각각의 흐름 조절기(27, 29)는 연계된 소스 도관(22, 24) 내에 직렬로 연결될 수 있다.
도 2를 참조하면, 플로우 배터리 셀(20)의 일 실시예가 개략적으로 도시된다. 플로우 배터리 셀(20)은 제 1 전류 컬렉터(current collector: 30), 제 2 전류 컬렉터(32), 제 1 액체-다공성 전극 층(34)(이후, "제 1 전극 층"), 제 2 액체-다공성 전극 층(36)(이후, "제 2 전극 층"), 및 이온-교환 멤브레인(38)을 포함한다.
제 1 및 제 2 전류 컬렉터들(30 및 32)은 각각 각자의 제 1 및 제 2 전극 층들(34, 36)로, 및/또는 이로부터 전자들을 수송하도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 각각의 전류 컬렉터(30, 32)는 1 이상의 플로우 채널들(40 및 42)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 전류 컬렉터들 중 1 이상은 플로우 채널들을 갖는 양극판(bipolar plate: 도시되지 않음)으로서 구성될 수 있다. 이러한 양극판들의 예시들은 PCT 출원 PCT/US09/68681에 개시되어 있으며, 이는 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다.
제 1 및 제 2 전극 층들(34 및 36)은 각각 비교적 높은 전류 밀도들(예를 들어, ≥ 약 100 ㎃/cm2; ~645 ㎃/in2)에서 플로우 배터리 셀(20)의 작동을 지원하도록 구성된다. 이러한 전극 층들의 예시들은 2011년 2월 7일 출원된 미국 특허 출원 제 13/022,285호에 개시되어 있으며, 이는 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다.
이온-교환 멤브레인(38)은 전해질 용액들 사이에서 전하들을 수송하기 위해, 예를 들어 바나듐/바나듐 전해질 용액들 내의 H+ 이온들과 같은 소정 비-산화환원 커플 반응물들이 침투가능한 것으로서 구성된다. 또한, 이온-교환 멤브레인(38)은 예를 들어 바나듐 양극액 용액 내의 V2 +/3+ 이온들 또는 바나듐 음극액 용액 내의 V4 +/5+ 이온들과 같은 소정 산화환원 커플 반응물들의 그를 통한 침투("크로스오버"라고도 함)를 실질적으로 감소시키거나 방지하도록 구성된다.
이온-교환 멤브레인(38)은 제 1 이온 교환 표면(56), 제 2 이온 교환 표면(58), 두께(60) 및 단면적(59)(도 3 참조)을 갖는다. 또한, 이온-교환 멤브레인은 이온 저항, 면적비저항, 전도율 및 저항률을 포함하는 소정 재료 특성들을 갖는다. 멤브레인 두께(60)는 제 1 이온 교환 표면(56)과 제 2 이온 교환 표면(58) 사이에서 연장된다. 이온 저항은 제 1 이온 교환 표면(56)과 제 2 이온 교환 표면(58) 사이의 경로를 따라, 옴(Ω)의 단위로 측정된다. 이온 저항은 멤브레인 두께(60), 멤브레인 단면적(59)(도 3 참조), 및 벌크(bulk) 멤브레인 저항률의 함수이다. 이온 저항은, 예를 들어 다음 수학식을 이용하여 결정될 수 있다:
Figure pct00001
이때, "R"은 이온 저항을 나타내고, "ρ"는 멤브레인 벌크 저항률을 나타내며, "L"은 멤브레인 두께(60)를 나타내고, "A"는 멤브레인 단면적(59)(도 3 참조)을 나타낸다. 면적비저항은 이온 저항 및 멤브레인 단면적(59)(도 3 참조)의 함수이다. 면적비저항은, 예를 들어 다음 수학식을 이용하여 결정될 수 있다:
Figure pct00002
이때, "RAS"는 이온-교환 멤브레인(38)의 면적비저항을 나타낸다.
아래에서 더 상세히 설명될 플로우 배터리 셀(20)이 작동되어야 하는 평균 전류 밀도의 함수로서 플로우 배터리 셀(20)의 전체 에너지 비효율성을 감소시키도록 면적비저항이 선택될 수 있으며, 및/또는 멤브레인 두께(60)의 크기가 정해질 수 있다. 일 실시예에서, 멤브레인 두께(60)는 약 125 ㎛(~4921μin)보다 작은 크기(예를 들어, < 100 ㎛; ~3937μin)로 정해지고, 이 경우 플로우 배터리 셀(20)이 약 100 ㎃/cm2(~645 ㎃/in2) 이상의 평균 전류 밀도(예를 들어, > 약 200 ㎃/cm2; ~1290 ㎃/in2)에서 작동된다. 또 다른 실시예에서, 면적비저항은 약 425 mΩ*㎠(~2742 mΩ*in2)보다 작도록 선택되고, 이 경우 플로우 배터리 셀(20)이 약 100 ㎃/㎠ 이상의 평균 전류 밀도(예를 들어, > 약 200 ㎃/㎠)에서 작동된다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 이온-교환 멤브레인(38)은 1 이상의 멤브레인 층(61)들을 포함한다. 도 4a에 나타낸 실시예에서, 예를 들어 이온-교환 멤브레인(38)은 퍼플루오로술폰산("PSFA"라고도 함)(예를 들어, 미국 델라웨어주 월밍턴의 DuPont이 제조한 Nafion® 폴리머), 또는 퍼플루오로알킬 술폰이미드 이오노머("PFSI"라고도 함)와 같은 폴리머 이온-교환 재료["이오노머(ionomer)"라고도 함]의 단일 층(62)으로부터 구성된다. 다른 적절한 이오노머 재료들로는 이온성 기(ionic group)들이 부착되어 있는 여하한의 폴리머를 포함하며, 이 폴리머는 탄화수소-계열 폴리머들에 비해 증가된 안정성을 위해 완전히 또는 부분적으로 플루오르화(fluorinate)될 수 있다. 적절한 폴리머들의 예시들로는 Teflon®(미국 델라웨어주 월밍턴의 DuPont 제조)와 같은 폴리테트라플루오로에틸렌("PTFE"라고도 함), 폴리비닐리덴 플루오라이드("PVDF"라고도 함), 및 폴리벤즈이미다졸("PBI"라고도 함)을 포함한다. 적절한 이온성 기들의 예시들로는 술포네이트(sulfonate), 술폰이미드(sulfonimide), 포스페이트(phosphate), 포스폰산 기(phosphonic acid group), 술폰 기(sulfonic group), 및 다양한 음이온 기들을 포함한다.
도 4b에 나타낸 실시예에서, 이온-교환 멤브레인(38)은 조성물 층(composite layer: 64)으로부터 구성된다. 조성물 층(64)은 이온-교환 바인더(binder) 또는 이오노머(예를 들어, PFSA, PFSI 등)가 주입된 (미국 델라웨어주 뉴어크의 W. L. Gore and Associates가 제조한 Gore-Tex® 재료와 같은) PTFE의 다공성 시트, 또는 비전도성 섬유 재료(예를 들어, 섬유유리)의 매트릭스를 포함할 수 있다. 대안적으로, 조성물 층(64)은 비전도성 섬유 재료 또는 PTFE와 이온-교환 이오노머(예를 들어, PFSA)의 혼합물로부터 구성될 수 있다.
도 4c에 나타낸 실시예에서, 이온-교환 멤브레인(38)은 2 개의 폴리머 층들(68 및 69) 사이에 배치된 조성물 층(66)으로부터 구성된다. 조성물 층(66)은 앞서 나타낸 바와 같이 이온-교환 바인더가 주입된 비전도성 섬유 재료의 매트릭스로부터 구성될 수 있다. 폴리머 층들(68 및 69)은 각각 PFSA, PFSI, 또는 몇몇 다른 플루오로폴리머-계열 이오노머 또는 코폴리머-계열 이오노머와 같은 폴리머 이온-교환 재료로부터 구성될 수 있다. 대안적으로, 각각의 폴리머 층(68, 69)은 상이한 타입의 이오노머로부터 각각 구성될 수 있다. 양극액 용액에 가장 가까운 폴리머 층은, 예를 들어 탄화수소-계열 이오노머와 같이 산화에 대해 덜 안정적인 이오노머로부터 구성될 수 있다. 반면에, 음극액 용액에 가장 가까운 폴리머 층은 완전히 플루오르화된 이오노머과 같이 산화에 대해 더 안정적인 이오노머로부터 구성될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 폴리머 이온-교환 재료 층(예를 들어, PFSA 층)이 이오노머 재료들이 아닌 폴리머들의 두 다공성 층들(예를 들어, 미국 델라웨어주 뉴어크의 W. L. Gore and Associates가 제조한 Gore-Tex® 재료와 같은 다공성 PTFE 또는 다공성 폴리에틸렌) 사이에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, PTFE와 같은 소수성 재료들은 그들을 친수성으로 만들도록 전처리될 수 있다. 이러한 처리된 다공성 PTFE 층의 일 예시는, 미국 델라웨어주 뉴어크의 W. L. Gore and Associates가 제조한 GORE™ 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 분리막(separator)(이전에 EXCELLERATOR®로서 알려짐)이다. 하지만, 이온-교환 멤브레인(38)은 앞서 언급된 구성들 및 재료들로 제한되지는 않는다.
도 2를 다시 참조하면, 이온-교환 멤브레인(38)은 제 1 및 제 2 전극 층들(34 및 36) 사이에 배치된다. 일 실시예에서, 예를 들어 제 1 및 제 2 전극 층들(34 및 36)은 이온-교환 멤브레인(38)의 양 측면 상에 가열가압(hot press)되거나, 아니면 접착되어, 앞서 언급된 층들(34, 36 및 38)을 부착하고 이들 사이의 계면 표면적(interfacial surface area)을 증가시킨다. 제 1 및 제 2 전극 층들(34 및 36)은 제 1 및 제 2 전류 컬렉터들(30 및 32) 사이에 배치되고, 이들에 연결된다.
도 1을 다시 참조하면, 파워 컨버터(23)는 컨버터 제어 신호에 응답하여 플로우 배터리 셀(20)들과 예를 들어 전기 배전망(도시되지 않음) 사이의 전류의 교환을 조절함으로써 플로우 배터리 셀들이 작동하는 전류 밀도를 조절하도록 구성된다. 파워 컨버터(23)는 플로우 배터리 시스템의 특정 설계 요건들에 따라 한 쌍의 단방향 파워 컨버터들 또는 단일 양방향 파워 컨버터를 포함할 수 있다. 적절한 파워 컨버터들의 예시들로는 파워 인버터, DC 버스에 연결된 DC/DC 컨버터 등을 포함한다. 하지만, 본 시스템(10)은 어떠한 특정 형태의 파워 전환 또는 조절 디바이스로 제한되지 않는다.
제어기(25)는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그 조합을 이용하여 당업자에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어는, 예를 들어 1 이상의 프로세서, 아날로그 및/또는 디지털 회로 등을 포함할 수 있다. 제어기(25)는 컨버터 및 조절기 제어 신호들을 발생시킴으로써 플로우 배터리 시스템(10)으로부터의 전기 에너지의 저장 및 방출을 제어하도록 구성된다. 컨버터 제어 신호는 플로우 배터리 셀들이 작동되는 전류 밀도를 제어하기 위해 발생된다. 조절기 제어 신호들은 전해질 용액들이 플로우 배터리 시스템(10)을 통해 순환되는 유량을 제어하기 위해 발생된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제 1 전해질 회로 루프(16)의 소스 도관(22)은 각각의 플로우 배터리 셀의 제 1 전류 컬렉터(30) 및 제 1 전극 층(34) 중 하나 또는 둘 모두에 제 1 전해질 저장 탱크(12)를 유동적으로 연결한다. 제 1 전해질 회로 루프(16)의 리턴 도관(26)은 상반되게(reciprocally) 제 1 전해질 저장 탱크(12)에 각각의 플로우 배터리 셀의 제 1 전류 컬렉터(30) 및/또는 제 1 전극 층(34)을 유동적으로 연결한다. 제 2 전해질 회로 루프(18)의 소스 도관(24)은 각각의 플로우 배터리 셀의 제 2 전류 컬렉터(32) 및 제 2 전극 층(36) 중 하나 또는 둘 모두에 제 2 전해질 저장 탱크(14)를 유동적으로 연결한다. 제 2 전해질 회로 루프(18)의 리턴 도관(28)은 상반되게 제 2 전해질 저장 탱크(14)에 각각의 플로우 배터리 셀의 제 2 전류 컬렉터(32) 및/또는 제 2 전극 층(36)을 유동적으로 연결한다. 파워 컨버터(23)는 한 쌍의 제 1 및 제 2 전류 컬렉터들(30 및 32)을 통해 플로우 배터리 스택에 연결되고, 이들 각각은 상이한 플로우 배터리 셀(20)에서 상기 셀들이 직렬로 상호연결되는 스택(21)의 맞은편 단부에 배치될 수 있다. 제어기(25)는 제 1 및 제 2 흐름 조절기들(27 및 29) 및 파워 컨버터(23)와 신호로 통신하고 있다(예를 들어, 고정배선으로 연결되거나 무선으로 연결된다).
도 1 및 도 2를 참조하면, 플로우 배터리 시스템(10)의 작동 시 제 1 전해질 용액은 제 1 전해질 회로 루프(16)를 통해 제 1 전해질 저장 탱크(12)와 플로우 배터리 셀(20)들 사이에서 순환된다[예를 들어, 흐름 조절기(27)를 통해 펌핑됨]. 특히, 제 1 전해질 용액은 제 1 전해질 회로 루프(16)의 소스 도관(22)을 통해 각각의 플로우 배터리 셀(20)의 제 1 전류 컬렉터(30)로 지향된다. 제 1 전해질 용액은 제 1 전류 컬렉터(30) 내의 채널(40)들을 통해 흐르며, 제 1 전극 층(34) 내로, 및 상기 층 밖으로 침투하거나 흐른다; 즉, 제 1 전극 층(34)을 적신다. 제 1 전극 층(34)을 통한 제 1 전해질 용액의 침투는 PCT 출원 PCT/US09/68681에 기재된 바와 같이 확산 또는 강제 대류로부터 일어날 수 있으며, 이는 비교적 높은 전류 밀도들에서 작동에 대한 비교적 높은 반응 속도들을 가능하게 할 수 있다. 제 1 전해질 회로 루프(16)의 리턴 도관(26)은 제 1 전해질 용액을 각각의 플로우 배터리 셀(20)의 제 1 전류 컬렉터(30)로부터 다시 제 1 전해질 저장 탱크(12)로 지향한다.
제 2 전해질 용액은 제 2 전해질 회로 루프(18)를 통해 제 2 전해질 저장 탱크(14)와 플로우 배터리 셀(20)들 사이에서 순환된다[예를 들어, 흐름 조절기(29)를 통해 펌핑됨]. 특히, 제 2 전해질 용액은 제 2 전해질 회로 루프(18)의 소스 도관(24)을 통해 각각의 플로우 배터리 셀(20)의 제 2 전류 컬렉터(32)로 지향된다. 제 2 전해질 용액은 제 2 전류 컬렉터(32) 내의 채널(42)들을 통해 흐르며, 제 2 전극 층(36) 내로, 및 상기 층 밖으로 침투하거나 흐른다; 즉, 제 2 전극 층(36)을 적신다. 앞서 나타낸 바와 같이, 제 2 전극 층(36)을 통한 제 2 전해질 용액의 침투는 PCT 출원 PCT/US09/68681에 기재된 바와 같이 확산 또는 강제 대류로부터 일어날 수 있으며, 이는 비교적 높은 전류 밀도들에서 작동에 대한 비교적 높은 반응 속도들을 가능하게 할 수 있다. 제 2 전해질 회로 루프(18)의 리턴 도관(28)은 제 2 전해질 용액을 각각의 플로우 배터리 셀(20)의 제 2 전류 컬렉터(32)로부터 다시 제 2 전해질 저장 탱크(14)로 지향한다.
에너지 저장 작동 모드 시, 전류 컬렉터들(30 및 32)을 통해 플로우 배터리 셀(20) 내로 전기 에너지가 유입된다. 전기 에너지는 제 1 및 제 2 전해질 용액들에서의 전기화학 반응들, 및 예를 들어 이온-교환 멤브레인(38)을 가로지르는 제 1 전해질 용액으로부터 제 2 전해질 용액으로의 비-산화환원 커플 반응물들의 수송을 통해 화학 에너지로 전환된다. 그 후, 화학 에너지는 제 1 및 제 2 전해질 저장 탱크들(12 및 14)에 각각 저장되어 있는 전해질 용액들 내에 저장된다. 반면에, 에너지 방출 작동 모드 시, 전해질 용액 내에 저장된 화학 에너지는 제 1 및 제 2 전해질 용액들에서의 전기화학 역반응들, 및 예를 들어 이온-교환 멤브레인(38)을 가로지르는 제 2 전해질 용액으로부터 제 1 전해질 용액으로의 비-산화환원 커플 반응물들의 수송을 통해 다시 전기 에너지로 전환된다. 플로우 배터리 셀(20)에 의해 재생된 전기 에너지는 전류 컬렉터들(30 및 32)을 통해 상기 셀 밖으로 전달된다.
에너지 저장 및 에너지 방출 작동 모드들 동안의 플로우 배터리 시스템(10)의 에너지 효율성은 플로우 배터리 시스템(10) 내에 포함된 각각의 플로우 배터리 셀(20)의 전체 에너지 비효율성의 함수이다. 이어서, 각각의 플로우 배터리 셀(20)의 전체 에너지 비효율성은 각각의 셀(20) 내의 이온-교환 멤브레인(38)의 (ⅰ) 과-전위(over-potential) 비효율성, 및 (ⅱ) 쿨롱(coulombic) 크로스오버 비효율성의 함수이다.
이온-교환 멤브레인(38)의 과-전위 비효율성은 이온-교환 멤브레인(38)의 면적비저항 및 두께(60)의 함수이다. 과-전위 비효율성은, 예를 들어 다음 수학식들을 이용하여 결정될 수 있다:
Figure pct00003
,
Figure pct00004
이때, "nv"는 과전위 비효율성을 나타내고, "V"는 플로우 배터리 셀(20)의 전압 전위(voltage potential)를 나타내며, "VOCV"는 개방 회로 전압을 나타내고, "f()"는 함수 관계를 나타내며, "i"는 이온-교환 멤브레인(38)을 가로지르는 이온 전류를 나타낸다.
이온-교환 멤브레인(38)의 쿨롱 크로스오버 비효율성은 산화환원 커플 반응물 크로스오버, 및 이에 따라 멤브레인 두께(60)의 함수이다. 쿨롱 크로스오버 비효율성은, 예를 들어 다음 수학식들을 이용하여 결정될 수 있다:
Figure pct00005
Figure pct00006
이때, "nc"는 쿨롱 크로스오버 비효율성을 나타내고, "Fluxcross - over"는 이온-교환 멤브레인(38)을 통해 확산하는 산화환원 커플 종들의 플럭스 비율(flux rate)을 나타내며, "Consumption"은 이온-교환 멤브레인(38)을 가로지르는 이온 전류에 의해 전환된 산화환원 커플 종들의 비율을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 플로우 배터리 셀(20)의 제 1 및 제 2 실시예들의 전류 밀도에 대한 전체 에너지 비효율성의 비교 그래프가 도시된다. 플로우 배터리 셀(20)의 제 1 실시예[점선(70)으로 도시됨]는 약 160 ㎛(~6299 μin)의 두께를 갖는 이온-교환 멤브레인을 갖는다. 플로우 배터리 셀(20)의 제 2 실시예[실선(72)으로 도시됨]는 약 50 ㎛(~1968 μin)의 두께를 갖는 이온-교환 멤브레인을 갖는다. 더 얇은 멤브레인 두께를 갖는 플로우 배터리 셀(20)의 제 2 실시예는, 상기 셀(20)이 약 150 mA/㎠(~967 ㎃/in2) 이상의 전류 밀도에서 작동되는 경우, 플로우 배터리 셀의 제 1 실시예의 에너지 비효율성에 비해 더 낮은 전체 에너지 비효율성을 갖는다. 더 낮은 전체 에너지 비효율성은 적어도 부분적으로, 더 얇은 멤브레인 두께 및 더 낮은 면적비저항으로 인한 추가적인 산화환원 커플 반응물 크로스오버를 완화시키도록 앞서 언급된 비교적 높은 전류 밀도 이상에서 플로우 배터리 셀(20)을 작동시킴으로써 달성된다. 다시 말하면, 얇은 멤브레인 두께로 인한 쿨롱 크로스오버 비효율성의 증가 크기가 이온-교환 멤브레인의 대응하는 낮은 면적비저항으로 인한 과-전위 비효율성의 감소 크기보다 작은 경우에, 플로우 배터리 셀의 더 낮은 전체 에너지 비효율성이 달성된다.
본 발명의 플로우 배터리의 다양한 실시예들이 개시되었지만, 당업자라면 본 발명의 범위 내에서 더 많은 실시예들 및 구현예들이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 플로우 배터리는 첨부된 청구항들 및 그 균등물들을 고려하지 않고는 제한되지 않는다.

Claims (25)

  1. 플로우 배터리(flow battery)에 있어서:
    멤브레인 전체에 걸쳐 약 425 mΩ*㎠보다 작은 면적비저항(area specific resistance)을 갖는 멤브레인(mambrane); 및
    가역적 산화환원 커플 반응물(reversible redox couple reactant)을 갖는 용액을 포함하고, 상기 용액은 상기 멤브레인을 적시는 플로우 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 전극 및 제 2 전극을 더 포함하고, 상기 멤브레인은 100 mA/㎠보다 큰 전류 밀도에서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 이온 전류를 수송하도록 작동가능한 플로우 배터리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 상기 용액 내의 비-산화환원 커플 반응물이 침투가능한 것으로서 구성되는 플로우 배터리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 약 125 ㎛보다 얇은 두께를 갖는 플로우 배터리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 제 1 이온 교환 재료, 및 상기 제 1 이온 교환 재료와 상이한 재료의 조성물(composite)을 포함하는 플로우 배터리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 제 1 층 및 제 2 층을 포함하고, 상기 제 1 층은 제 1 이온 교환 재료를 가지며, 상기 제 2 층은 상기 제 1 이온 교환 재료와 상이한 재료를 갖는 플로우 배터리.
  7. 플로우 배터리에 있어서:
    약 125 ㎛보다 얇은 두께를 갖는 멤브레인; 및
    가역적 산화환원 커플 반응물을 갖는 용액을 포함하고, 상기 용액은 상기 멤브레인을 적시는 플로우 배터리.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 1 전극 및 제 2 전극을 더 포함하고, 상기 멤브레인은 100 mA/㎠보다 큰 전류 밀도에서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 이온 전류를 수송하도록 작동가능한 플로우 배터리.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 상기 용액 내의 비-산화환원 커플 반응물이 침투가능한 것으로서 구성되는 플로우 배터리.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 상기 멤브레인 전체에 걸쳐 약 425 mΩ*㎠보다 작은 면적비저항을 갖는 플로우 배터리.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 제 1 이온 교환 재료, 및 상기 제 1 이온 교환 재료와 상이한 재료의 조성물을 포함하는 플로우 배터리.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 제 1 층 및 제 2 층을 포함하고, 상기 제 1 층은 이온 교환 재료를 가지며, 상기 제 2 층은 상기 이온 교환 재료와 상이한 재료를 갖는 플로우 배터리.
  13. 플로우 배터리에 있어서:
    이온 교환 재료 및 매트릭스를 갖는 멤브레인; 및
    가역적 산화환원 커플 반응물을 갖는 용액을 포함하고, 상기 용액은 상기 멤브레인을 적시는 플로우 배터리.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 비전도성 섬유 재료를 포함하는 플로우 배터리.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 비전도성 섬유 재료는 섬유 유리, 폴리테트라플루오로에틸렌 섬유, 및 폴리테트라플루오로에틸렌의 다공성 시트 중 하나를 포함하는 플로우 배터리.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 이온 교환 재료는 상기 매트릭스 내에 주입된 바인더(binder)인 플로우 배터리.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 이온 교환 재료는 퍼플루오로술폰산(perfluorosulfonic acid) 및 퍼플루오로알킬 술폰이미드 이오노머(perfluoroalkyl sulfonimide ionomer) 중 하나를 포함하는 플로우 배터리.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 멤브레인은:
    약 125 ㎛보다 얇은 두께; 및
    상기 멤브레인 전체에 걸쳐 약 425 mΩ*㎠보다 작은 면적비저항 중 적어도 하나를 갖는 플로우 배터리.
  19. 플로우 배터리에 있어서:
    제 1 층 및 제 2 층을 갖는 멤브레인 -상기 제 1 층은 이온 교환 재료를 갖고, 상기 제 2 층은 상기 이온 교환 재료와 상이한 재료를 가짐- ; 및
    가역적 산화환원 커플 반응물을 갖는 용액을 포함하고, 상기 용액은 상기 멤브레인을 적시는 플로우 배터리.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 층 내의 이온 교환 재료와 상이한 상기 제 2 층 내의 재료는 비전도성 섬유 재료의 매트릭스를 포함하는 플로우 배터리.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 매트릭스에는 이온 교환 바인더가 주입된 플로우 배터리.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 층 내의 이온 교환 재료와 상이한 상기 제 2 층 내의 재료는 소수성 다공성 재료를 포함하는 플로우 배터리.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 층 내의 이온 교환 재료는 제 1 타입의 이오노머를 포함하고, 상기 제 2 층은 제 2 타입의 이오노머를 포함하는 플로우 배터리.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 층은 상기 제 1 층 및 제 3 층 사이에 배치되고, 상기 제 3 층은 제 2 이온 교환 재료를 갖는 플로우 배터리.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 멤브레인은:
    약 125 ㎛보다 얇은 두께; 및
    상기 멤브레인 전체에 걸쳐 약 425 mΩ*㎠보다 작은 면적비저항 중 적어도 하나를 갖는 플로우 배터리.
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