KR20140112708A - 레독스 플로우 전지의 상태측정장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레독스 플로우 전지의 전해액 상태 측정장치에 관한 것으로서, 종래에는 부하측 연결을 차단한 상태에서 전제셀의 전압측정으로 전해액 상태를 분석하였는데, 운전관리의 어려움과 번거로움을 해소 할 수 있도록 별도의 상태측정용 전지셀을 설치하고, 운전중에도 상태측정용 전지셀의 전압을 측정하여 전해액 상태를 알 수 있도록 함에 특징이 있으며, 상태측정용 전지셀은 단위 전지셀 또는 단위셀을 복수로 배열 설치한 전지셀로 구성할 수 있으며, 자동측정 및 분석을 위하여 전압측정부 및 제어부를 설치하여 실시간 자동측정이 가능하도록 구성함에 특징이 있다.

Description

레독스 플로우 전지의 상태측정장치 및 방법{Control system and methode for redox flow battery}
본 발명은 레독스 플로우 전지(Redox Flow Battery)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레독스 플로우 전지의 부하측 연결 운전을 정지하지 않고서도 전해액의 상태를 측정하여 운전제어정보로 제공할 수 있도록 한 레독스 플로우 전지의 상태측정장치 및 방법에 관한 것이다.
대용량 전지의 하나로 레독스 플로우 전지가 알려져 있다. 레독스 플로우 전지는 양극 전극과 음극 전극 사이에 격막(이온교환 멤브레인)을 개재시킨 전지셀에 양극전해액 및 음극전해액을 각각 공급하여 충방전을 한다.
도 1은 일반적인 레독스 플로우 전지의 기본 구성도이다.
양측의 전극(11)(12) 사이에 이온교환막(13)이 설치되어 양극전해액과 음극전해액의 이온교환에 의해 전기를 생산하거나 전극(11)(12)을 통해 전기를 공급받아 충전을 하는 전지셀(10)과, 상기 전지셀(10)에 양극전해액을 펌프(21)를 통해 공급하여 순환시키는 양극전해액 탱크(20)와, 상기 전지셀(10)에 음극전해액을 펌프(31)를 통해 공급하여 순환시키는 음극전해액 탱크(30)로 구성된다. 그리고, 전지셀(10)의 전극에는 교류/직류 변환기(40)가 연결되어 전원부를 통해 전원을 공급받아 전지셀(10)에 충전시키거나, 전지셀(10)의 방전 전원을 전원부에서 입력받아 부하측으로 출력하게 구성된다. 선행기술문헌1 한국 공개특허 2012-0132620호의 레독스 플로우 전지는, 전지셀의 구성을 단일 셀 개념의 구성이 설명되어 있다.
그런데, 상기와 같은 기본적인 레독스 플로우 전지는, 전지셀(10)을 스택 구조로 구성하고 있는데, 이는 선행기술문헌2 한국공개특허 2011-0116624호의 레독스 흐름전지 구조와 같이, 바이폴라 플레이트(11), 전극(12), 멤브레인(13), 전극(12)을 하나의 단위셀로 구성하여 단위셀을 직렬로 다단으로 배열하고, 양측면에 집전체(14) 및 엔드플레이트를 설치한 구조로 구성한다.
이와 같이 구성되는 전지셀(10)에 양극 전해액과 음극 전해액을 공급함에 있어서, 충방전 전원에 따라 전해액의 공급 순환 제어를 하게 되며, 전해액의 상태를 체크하여 운전제어를 하게된다. 이를 위하여 전해액의 상태를 체크하는 방법으로는 전지셀(10)의 전압을 검출하여 전해액 상태를 체크 한다.
그런데, 전지셀(10)의 전압을 측정하는 방법은, 외부 연결을 차단한 상태에서 전지셀(10)의 양단 전압을 수작업으로 검출하며, 운전중 즉, 외부 부하 연결 또는 외부 전원 연결 상태에서는 전지셀(10)의 자체 전압에 대한 측정 정밀도가 떨어지므로 외부 연결을 차단한 상태 즉, 전지셀(10)의 아이들 운전 상태에서만 전압을 측정할 수 있다.
그러므로, 레독스 플로우 전지의 전해액 교환시기나 전해액 공급 제어를 위한 정보를 취득하기 위하여 외부전원 및 부하 연결을 차단한 상태에서 전지셀 전압을 측정하고 이를 분석하여 제어하고 있어서 운전관리가 번거롭고 전해액 상태를 자동으로 알 수 없다는 불편함이 있었다.
선행기술문헌1 : 한국 공개특허 2012-0132620호 레독스 플로우 전지
선행기술문헌2 : 한국공개특허 2011-0116624호의 레독스 흐름 전지 구조
본 발명은 상기와 같은 종래의 레독스 플로우 전지의 상태 측정의 불편함을 해소하고자 별도의 상태측정용 전지셀을 상태 측정 셀로 설치하여 운전중에 실시간으로 전해액의 상태 측정이 가능하도록 한 레독스 플로우 전지의 상태측정장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 레독스 플로우 전지의 상태측정장치에 있어서,
전지셀로 주입되는 양극 및 음극 전해액 또는 전지셀을 통과 후 전해액 탱크로 회수되는 양극 및 음극 전해액을 주입받는 상태측정용 전지셀을 설치하고, 상기 상태측정용 전지셀에서 출력되는 전압을 측정하여 전해액의 상태를 분석하는 것을 특징으로 한다.
상기 상태측정용 전지셀은, 전해액의 주입공 및 출수공이 형성되는 양단의 엔드플레이트와;
상기 양단의 엔드 플레이트 내측에 각각 설치되는 2개의 집전 플레이트와;
상기 2개의 집전 플레이트의 내측에 각각 설치되어 양극 및 음극 전해액을 분리 순환시키는 2개의 바이폴라 플레이트와;
상기 2개의 바이폴라 플레이트 내측에 설치되는 2개의 전극과;
상기 2개의 전극 사이에 설치되는 하나의 멤브레인으로 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 상태측정용 전지셀로부터 출력되는 전압을 측정하는 전압 측정부와,
상기 전압 측정부에서 측정된 전압을 미리 설정된 복수의 기준전압들과 비교하여 전해액의 현재 상태를 분석하고, 분석 결과 정보를 표시함과 아울러 운전 제어정보로서 출력하는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상태측정 전지셀을 더 포함시켜 구성하여 상태측정 전지셀을 통해 전해액 상태를 측정하는 레독TM 전지의 상태측정방법을 제공함에 특징이 있다.
본 발명에 의하면, 스택 구조의 전지셀을 이용하는 레독스 플로우 전지에 있어서, 단위셀을 추가 설치하여 전지셀로 공급 또는 전지셀로부터 회수되는 전해액을 공급하여 상태측정용 전지셀로부터 발생되는 전압을 검출하여 전해액의 상태를 분석하고, 이를 활용하여 운전제어를 하도록 함으로써 레독스 플로우 전지의 운전중에도 실시간으로 전해액 상태를 파악하여 표시함과 아울러 운전제어정보로서 이용할 수 있는 효과가 있다. 즉, 본 발명은 전지의 운전을 정지하지 않고서도 자동으로 전해액 상태를 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 레독스 플로우 전지 시스템 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 레독스 플로우 전지 시스템 구성도.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 레독스 플로우 전지 시스템 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이,
양측의 전극(11)(12) 사이에 이온교환막(13)이 설치되어 양극전해액과 음극전해액의 이온교환에 의해 전기를 생산하거나 전극(11)(12)을 통해 전기를 공급받아 충전을 하는 전지셀(10)과, 상기 전지셀(10)에 양극전해액을 펌프(21)를 통해 공급하여 순환시키는 양극전해액 탱크(20)와, 상기 전지셀(10)에 음극전해액을 펌프(31)를 통해 공급하여 순환시키는 음극전해액 탱크(30)로 구성되는 레독스 플로우 전지에 있어서,
상기 전지셀(10)로 주입되는 양극 및 음극 전해액 또는 전지셀(10)을 통과 후 전해액 탱크(20)(30)로 회수되는 양극 및 음극 전해액을 주입받는 상태측정용 전지셀(100)을 설치하고, 상기 상태측정용 전지셀(100)에서 출력되는 전압을 측정하여 전해액의 상태를 분석하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 상태측정용 전지셀(100)은,
전해액의 주입공 및 출수공이 형성되는 양단의 엔드플레이트(15)와;
상기 양단의 엔드 플레이트 내측에 각각 설치되는 2개의 집전 플레이트(14)와;
상기 2개의 집전 플레이트(14)의 내측에 각각 설치되어 양극 및 음극 전해액을 분리 순환시키는 2개의 바이폴라 플레이트(11)와;
상기 2개의 바이폴라 플레이트(11) 내측에 설치되는 2개의 전극(12)과;
상기 2개의 전극(12) 사이에 설치되는 하나의 멤브레인(13)으로 이루어진 단위 전지셀로 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은, 자동으로 실시간 측정 및 분석하여 이를 운전정보로 이용할 수 있도록 상기 상태측정용 전지셀(10)로부터 출력되는 전압을 측정하는 전압 측정부(110)와, 상기 전압 측정부(110)에서 측정된 전압을 미리 설정된 복수의 기준전압들과 비교하여 전해액의 현재 상태를 분석하고, 분석 결과 정보를 표시함과 아울러 운전 제어정보로서 출력하는 제어부(120)를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은, 레독스 플로우 전지에 있어서, 상태측정용 전지셀(100)을 포함시켜 설치하고, 상태측정용 전지셀(100)로 양극 전해액과 음극 전해액이 통과하여 전해액 탱크로 회수되게 구성함으로써, 상태측정용 전지셀(100)에서 상태측정용 전지셀 용량에 따른 전기를 생산할 수 있게 된다. 이렇게 상태측정용 전지셀(100)에서 생산된 전기의 전압을 측정하여 측정된 전압에 따른 전해액 상태를 판단하여 운전제어를 할 수 있게 된다.
본 발명은 이러한 전압측정 및 운전제어와 상태표시를 자동으로 할 수 있도록 전압 측정부(110) 및 제어부(120)를 더 포함시켜 구성하고, 전압 측정부(110)에서 상태측정용 전지셀(100)의 출력 전압을 측정하고, 제어부(120)에서 분석하여 전해액의 상태를 자동 측정할 수 있다.
따라서, 본 발명을 이용하게 되면, 메인 전지셀(10)의 전원 입출력 연결을 차단 분리하지 않고 부하측과 연결된 운전상태에서도 상태측정용 전지셀(100)을 통해서 측정되는 전압을 분석하여 전해액의 상태를 측정하고, 이를 표시함과 아울러 운전제어정보로서 이용할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에서는 상태측정용 전지셀(100)을 단위 전지셀로로 설명하였으나, 반드시 단위 전지셀일 필요는 없으며, 단위 셀을 적어도 한단 이상 복수단을 병합 설치한 상태 측정용 전지셀로 구성하면 된다.
또한 본 발명은 펌프(21)(31)의 출구측에서 분기된 전해액을 상태측정용 전지셀(100)로 주입하고, 상태측정용 전지셀(100)로부터 회수되는 전해액을 각각 해당되는 펌프(21)(31)의 출구측으로 회수되게 구성한 것을 예로 하였으며, 이때 회수라인에는 역류 방지 밸브가 설치되는 것은 당연한 구성이다. 또한 본 발명은 전지셀(10)로 주입되는 전해액을 상태측정용 전지셀(100)로 주입 및 회수하는 구성이나, 이에 한정되지 아니하며, 전지셀(10)로부터 출수되어 양극 및 음극 전해액 탱크(20)(30)로 회수되는 회수 경로에서 분기된 전해액을 상태 측정용 전지셀(100)로 주입하고, 상태측정용 전지셀(100)을 통과한 전해액은 각각의 전해액 탱크로 회수되게 구성할 수도 있다.
이와 같은 본 발명은, 상태 측정용 전지셀(100)을 포함시켜 구성함으로써, 전해액 상태를 운전중 실시간 측정이 가능하므로 운전 관리의 안전성 및 편리성이 향상된다.
10 : 전지셀 11 : 바이폴라 플레이트
12 : 전극 13 : 멤브레인
14 : 집전플레이트 15 : 엔드 플레이트
20 : 양극전해액 탱크 21, 31 : 펌프
30 : 음극 전해액 탱크 40 : 교류/직류 변환기
100 : 상태측정용 전지셀 110 : 전압측정부
120 : 제어부

Claims (5)

  1. 레독스 플로우 전지의 전해액 상태 측정장치에 있어서,
    전지셀(10)로 주입되는 양극 및 음극 전해액 또는 전지셀(10)을 통과한 후 전해액 탱크(20)(30)로 회수되는 양극 및 음극 전해액을 주입받아 이온교환에 의한 전기 생산 후 상기 전지셀(10) 또는 상기 전해액 탱크(20)(30)로 회수되게 상태측정용 전지셀(100)을 더 포함시켜 설치하고, 상기 상태측정용 전지셀(100)에서 출력되는 전압을 측정하여 전해액의 상태를 분석 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지의 전해액 상태측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상태측정용 전지셀(100)은,
    전해액의 주입공 및 출수공이 형성되는 양단의 엔드플레이트(15)와;
    상기 양단의 엔드 플레이트 내측에 각각 설치되는 집전 플레이트(14)와;
    상기 집전 플레이트(14)의 내측에 각각 설치되어 양극 및 음극 전해액을 분리 순환시키는 바이폴라 플레이트(11)와;
    상기 바이폴라 플레이트(11) 내측에 각각 설치되는 전극(12)과;
    상기 전극(12) 사이에 설치되는 하나의 멤브레인(13)으로 이루어진 단위 전지셀로 구성된 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지의 전해액 상태측정장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 상태측정용 전지셀(100)은,
    바이폴 플레이트(11)와, 전극(12) 멤브레인(13) 및 전극(12)으로 이루어진 단위셀이 적어도 한단 이상 복수단이 배열 설치되어 이루진 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지의 전해액 상태측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상태측정용 전지셀(10)로부터 출력되는 전압을 측정하는 전압 측정부(110)와,
    상기 전압 측정부(110)에서 측정된 전압을 미리 설정된 복수의 기준전압들과 비교하여 전해액의 현재 상태를 분석하고, 분석 결과 정보를 표시함과 아울러 운전 제어정보로서 출력하는 제어부(120)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지의 전해액 상태측정장치.
  5. 레독스 플로우 전지의 전해액 상태 측정방법에 있어서,
    전지셀(10)로 주입되는 양극 및 음극 전해액 또는 전지셀(10)을 통과한 후 전해액 탱크(20)(30)로 회수되는 양극 및 음극 전해액을 주입받아 이온교환에 의한 전기 생산 후 상기 전지셀(10) 또는 상기 전해액 탱크(20)(30)로 회수되게 상태측정용 전지셀(100)을 더 포함시켜 설치하고, 상기 상태측정용 전지셀(100)에서 출력되는 전압을 측정하여 전해액의 상태를 분석 측정하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지의 전해액 상태측정방법.
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