KR20150006147A - 레독스 흐름전지의 전해질 모니터링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레독스 흐름전지의 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서와 이를 이용한 레독스 흐름전지의 전해질 누설 감지 방법 및 전해질 모니터링 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서는 전해질이 유입될 수 있는 다공성 구조를 가지며, 전해질의 유입에 따라 전기전도도가 변화되도록 구성된 다공성 유전체 층과, 상기 다공성 유전체 층의 양면에 결합하며, 상기 다공성 유전체에 전해질이 유입될 수 있는 이동 경로를 제공하고, 상기 다공성 유전체의 전기 전도도의 변화를 전달하는 전극으로서 작용하는 한 쌍의 다공성 전도체 층을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서는 대용량의 레독스 흐름전지의 사용 및 관리에 있어서 인력으로 감지하기 어려운 전해질의 미세한 누설을 자동으로 감지하고 레독스 흐름전지에 흐르는 전해질의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다.

Description

전해질 누설 감지 및 모니터링 센서와 이를 이용한 레독스 흐름전지의 전해질 누설 감지 방법 및 전해질 모니터링 방법{Electrolyte leakage detecting and monitoring sensor, electrolyte leakage detection method and electrolyte monitoring method in redox flow battery using the sensor}

본 발명은 레독스 흐름전지의 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서와 이를 이용한 레독스 흐름전지의 전해질 누설 감지 방법 및 전해질 모니터링 방법에 관한 것이다.

최근 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스 배출을 억제하기 위한 방법으로 태양광에너지나 풍력에너지 같은 재생에너지가 각광을 받고 있으며 이들의 실용화를 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 재생에너지는 입지환경이나 자연조건에 의해 크게 영향을 받는다. 더욱이, 재생에너지는 출력 변동이 심하기 때문에 에너지를 연속적으로 고르게 공급할 수 없다는 단점이 있다. 따라서, 재생에너지를 가정용이나 상업용으로 사용하기 위해서는 출력이 높을 때 에너지를 저장하고 출력이 낮을 때 저장된 에너지를 사용할 수 있는 시스템을 도입하여 사용하고 있다.

이러한 에너지 저장 시스템으로는 대용량 이차전지가 사용되는데, 일례로, 대규모 태양광발전 및 풍력발전 단지에는 대용량 이차전지 저장시스템이 도입되어 있다. 상기 대용량의 전력저장을 위한 이차전지로는 납축전지, NaS 전지 그리고 레독스 흐름 전지 (RFB, redox flow battery) 등이 있다. 상기 납축전지는 다른 전지에 비해 상업적으로 널리 사용되고 있으나 낮은 효율 및 주기적인 교체로 인한 유지보수의 비용과 전지 교체시 발생하는 산업폐기물의 처리문제 등의 단점이 있다. NaS 전지의 경우 에너지 효율이 높은 것이 장점이나 300℃이상의 고온에서 작동하는 단점이 있다. 레독스 흐름전지는 유지 보수 비용이 적고 상온에서 작동가능하며 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 2차 전지로 많은 연구가 진행되고 있다.

레독스 흐름전지는 멤브레인의 양측에 양극 전해질(Electrolyte)과 음극 전해질이 순환하면서 이온 교환이 이루어지고 이 과정에서 전자의 이동이 발생하여 충방전이 이루어진다. 이와 같은 레독스 흐름전지는 기존 이차전지에 비해 수명이 길고 kW~MW급 중대형 시스템으로 제작할 수 있기 때문에 에너지 저장 시스템(Energy storage system, ESS)에 가장 적합한 것으로 알려져 있다.

따라서, 최근 레독스 흐름전지에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 10-2011-0119775호에는 양극 전극과, 음극 전극과, 이들 양 전극 사이에 개재되는 격막을 구비하는 전지 셀에 양극 전해액 및 음극 전해액을 공급하여 충방전을 행하는 레독스 흐름 전지에 있어서, 상기 양극 전해액은 망간 이온을 함유하고, 상기 음극 전해액은 티탄 이온, 바나듐 이온, 크롬 이온, 아연 이온 및 주석 이온 중에서 선택되는 1종 이상의 금속 이온을 함유하며, MnO₂의 석출을 억제하는 석출 억제 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 특허 제1176126호에는 바이폴라 플레이트와, 양전극과 음전극으로 구분되는 전극과, 멤브레인으로 구성된 전지셀이 다수 직렬적층하고, 적층된 다수의 바이폴라 플레이트에는 음극전해액과 양극전해액을 교차 공급시키는 레독스 흐름전지 구조에 있어서, 상기 바이폴라 플레이트는 하부와 상부에 전해액 유입구와 전해액 배출구가 형성되고, 상기 전해액유입구와 전해액배출구 사이에는 전해액이 이동되도록 유로가 형성되고, 상기 전해액유입구와 전해액배출구의 수직선상으로 대칭되는 좌우 부분에는 다른 극을 갖는 전해액이 통과되는 유로통공이 형성되도록 하되, 상기 유로통공에는 통과되는 전해액과 바이폴라 플레이트의 접촉이 차단되도록 절연재질의 쇼트방지관이 삽설되며, 상기 쇼트방지관은 바이폴라 플레이트 외면으로 일부 돌출되도록 하여 적층시 바이플로 플레이트의 양측에 설치되는 전극에 압밀되어 바이폴라플레이트와 전극 사이로 전해액이 유출되는 것을 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 구조가 개시되어 있다.

도 1은 종래의 레독스 흐름전지의 구조를 설명하기 위한 개략 구조도이고, 도 2는 종래의 레독스 흐름전지의 단위셀의 구조를 도식적으로 나타낸 단면도이다. 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 레독스 흐름전지는 연료전지와 유사하게 멤브레인(10), 전극(11, 12) 및 분리판(Bipolar plate, 20)이 직렬(Series)로 배치되어 스택(Stack)을 구성함으로써, 전기 에너지의 충방전이 가능한 이차전지(Secondary battery)의 기능을 가진다.

대한민국 공개특허 10-2011-0119775호 대한민국 특허 제1176126호 대한민국 특허 제1149351호

레독스 흐름전지에서 전해질은 별도의 전해질 탱크에서 스택으로 공급된다. 레독스 흐름전지의 규모가 커짐에 따라 공급되는 전해질의 양 또한 증가하게 되며,전해질의 누설이 발생할 가능성 또한 커진다.

기존의 전해질의 누설을 감지하는 방법으로는 전해질 탱크의 수위 변화를 측정하는 방법 및 육안으로 검사하는 방법이 있었다. 하지만 이러한 방법으로는 대규모 레독스 흐름전지에서의 미세한 전해질 누설을 감지하기 어렵다. 특히 ESS를 위한 레독스 흐름전지는 그 규모가 매우 커서 인력으로 검사하는 데에는 어려움이있어 유지 및 보수비용이 증가하는 단점이 있다.

또한, 미세한 누설이 발생할 경우 산성의 전해질로 인해 주변 부품들을 부식시킬 위험이 있다. 엔드플레이트나 각 부품들을 고정시켜 주는 체결부, 구조물등이 미세한 누설에 의해 서서히 부식되면 시스템에 치명적인 결함을 일으킬 수 있다. 또한, 미세한 누설이 발전하여 대량의 누설로 이어질 수 있기 때문에 미세한 누설을 초기에 감지하여 수리 및 보수를 하는 것이 반드시 필요하다.

또한, 레독스 흐름전지는 전해질이 지속적으로 순환하며 전기화학 반응을 일으키기 때문에 전해질의 물성 저하가 없어야 하며 이러한 전해질의 상태에 이상이 있는지 모니터링할 수 있는 방법이 필요하다. 전해질의 물성이 떨어지면 전지의 성능을 떨어 뜨릴 수 있으며, 침전물이 발생하게 되면 유로를 막아 전지에 손상을 줄 수 있다. 기존의 레독스 흐름전지의 전해질 상태를 파악하는 방법으로는 전해질 탱크의 전해질 샘플을 채취하여 검사하는 방법이 있었다. 하지만 이는 실시간으로 전해질의 상태를 모니터링하는 데 한계가 있으며 이로 인해 레독스 흐름전지의 유지보수 비용이 증가하는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 전해질의 미세한 누설을 감지하고 나아가 전해질의 상태를 모니터링할 수 있는 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 이러한 센서를 이용한 전해질의 누설 감지 방법 및 전해질의 상태 모니터링 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 전해질이 유입될 수 있는 다공성 구조를 가지며, 전해질의 유입에 따라 전기전도도가 변화되도록 구성된 다공성 유전체 층과, 상기 다공성 유전체 층의 양면에 결합하며, 상기 다공성 유전체에 전해질이 유입될 수 있는 이동 경로를 제공하고, 상기 다공성 유전체의 전기 전도도의 변화를 전달하는 전극으로서 작용하는 한 쌍의 다공성 전도체 층을 포함하는 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서가 제공된다.

상기 다공성 유전체 층과 다공성 전도체 층은 내산성 및 친수성을 가지는 것이 바람직하다.

상기 다공성 전도체 층과 상기 다공성 유전체 층은 접착 또는 스티칭(stitching) 방법으로 결합할 수 있다.

상기 다공성 전도체 층과 상기 다공성 유전체 층은 접착제 층을 통해서 결합되며, 전해질의 이동이 용이하도록, 상기 접착제 층은 상기 다공성 전도체 층과 상기 다공성 유전체 층의 결합면의 일부분에만 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 다공성 전도체 층의 표면에 결합하며, 전해질과의 접촉에 의해서 색상이 변화하는 셀룰로오스 층을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 전해질이 외부로 유출되는 것을 방지하도록, 그 외부를 감싸는 소수성 보호층을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상술한 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서를 레독스 흐름전지의 전해질이 누설될 수 있는 위치에 설치하여, 전해질의 누설여부를 감지하는 레독스 흐름전지의 전해질 누설 감지 방법이 제공된다.

또한, 상술한 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서를 레독스 흐름전지의 전해질이 흐르는 경로에 설치하여, 전해질의 상태를 확인하는 레독스 흐름전지의 전해질 모니터링 방법이 제공된다.

본 발명에 따른 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서는 대용량의 레독스 흐름전지의 사용 및 관리에 있어서 인력으로 감지하기 어려운 전해질의 미세한 누설을 자동으로 감지하고 레독스 흐름전지에 흐르는 전해질의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 따라서 레독스 흐름전지의 이상 상태에 대해 신속하게 대응함으로써 레독스 흐름전지의 효율적이고 안전한 관리가 가능하다.

도 1은 종래의 레독스 흐름전지의 구조를 설명하기 위한 개략 구조도이다.
도 2는 종래의 레독스 흐름전지의 단위셀의 구조를 도식적으로 나타낸 단면도이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서의 일실시예의 단면도 및 등가회로이다.
도 4는 접착제 층을 도포하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서의 다른 실시예의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 레독스 흐름전지의 전해질 누설 감지 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 레독스 흐름전지의 전해질 전해질 모니터링 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서의 일실시예의 단면도 및 등가회로이다. 도 3a는 전해질이 침투되지 않은 상태를 나타내며, 도 3b는 전해질이 침투된 상태를 나타낸다.

도 3a를 참고하면, 본 발명에 따른 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서의 일실시예는 다공성 유전체 층(1)과 다공성 유전체 층(1)의 양면에 결합하는 한 쌍의 다공성 전도체 층(2)을 포함한다.

다공성 유전체 층(1)은 전해질이 유입될 수 있는 다공성 구조를 가지며, 전해질의 유입에 따라 전기전도도가 변화된다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 유전체는 전기전도도가 매우 낮기 때문에 회로가 개방된 것과 마찬가지이므로 센서에 전압이 인가되어도 전류가 거의 흐르지 않는다. 그러나 다공성 유전체 층(1)에 전해질(E)이 침투하면, 다공성 유전체 층(1)의 전기전도도가 증가하여, 도 3b에 도시된 바와 같이 전압이 인가될 때 전류가 흐른다. 따라서 이러한 전류의 흐름을 감지하여 전해질의 침투여부를 확인할 수 있으며, 전해질의 상태 변화도 확인이 가능하다. 즉, 정상상태의 전해질이 침투하였을 때의 전류값을 미리 측정한 후 이 값과 이 후에 측정되는 전류값을 비교하여 전해질 상태의 변화를 확인할 수 있다.

다공성 유전체 층(1)은 전해질이 용이하게 침투할 수 있도록, 직물, 매트, 펠트 등의 다공성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 친수성을 가지는 것이 바람직하며, 산성의 전해질에 의한 손상을 방지하기 위해서 내산성이 있는 것이 바람직하다.

다공성 전도체 층(2)은 다공성 유전체 층(1)에 전해질이 유입될 수 있는 이동 경로를 제공하고, 다공성 유전체 층(1)의 전기 전도도의 변화를 측정장치에 전달하는 전극으로서의 작용을 한다. 다공성 전도체 층(2) 역시 전해질이 용이하게 침투할 수 있도록, 직물, 매트, 펠트 등의 다공성 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 내산성과 친수성을 가지는 것이 바람직하다.

다공성 유전체 층(1)과 다공성 전도체 층(2)은 접착 또는 스티칭(stitching) 방법으로 결합할 수 있다. 접착에 의한 결합의 경우에는 접착제가 다공성 유전체 층(1)과 다공성 전도체 층(2)의 결합면의 일부분에만 도포되는 것이 바람직하다. 전해질의 이동이 용이하도록 하기 위함이다.

도 4는 접착제 층을 도포하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 다공성 유전체 층(1)에 패턴 마스크 층(8)을 형성한 후 접착제(9)를 도포하고, 패턴 마스크 층(8)과 패턴 마스크 층(8) 위에 도포된 접착제(9)를 제거하면, 접착제 층(3)을 형성할 수 있다. 접착체 층(3)은 점, 선 등의 패턴을 이룬다.

도 3a를 다시 참고하면, 본 실시예는 다공성 전도체 층(2)의 표면에 결합하며, 전해질과의 접촉에 의해서 색상이 변화하는 색변화 층(4)을 더 포함한다. 색변화 층(4)은 종이나 면과 같은 셀룰로오스 계열을 물질일 수 있다. 또한, pH의 변화에 따라 색이 변화하는 화학물질이 포함된 물질일 수 있다. 색변화 층(4)을 형성하면 전해액이 누설되었을 때 센서표면 관찰을 통해서 시각적인 감시가 가능하다는 점에서 장점이 있다.

도 5는 본 발명에 따른 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서의 다른 실시예의 단면도이다. 본 실시예는 전해질이 외부로 누설되는 것을 방지하기 위해서 센서의 외부로 노출된 면을 소수성 보호층(5)으로 감싼다는 점에서 도 3a에 도시된 실시예와 차이가 있다.

이하에서는 상술한 센서를 이용하여 레독스 흐름전지의 전해질 누설 감지 방법 및 전해질 모니터링 방법에 대해서 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 레독스 흐름전지의 전해질 누설 감지 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 레독스 흐름전지의 구조상 전해질 누설이 발생하기 쉬운 스택과 전해질 공급 배관의 연결부(A), 단위 셀의 결합부(B) 등의 위치에 상술한 센서(6)를 배치하여 전해질 누설 여부를 감지할 수 있다. 도 3a에 도시된 센서를 사용할 경우에는 전류의 흐름을 측정장치에서 측정하는 것과 동시에 육안으로 센서 표면의 색 변화를 통해서 전해질 누설 여부를 감지할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 레독스 흐름전지의 전해질 전해질 모니터링 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 전해질이 흐르는 배관의 내부에 상술한 센서(6)를 배치하여 전해질의 상태를 모니터링할 수 있다. 센서(6)는 기계적인 방법 또는 접착제나 점착제를 이용하여 원하는 위치에 결합할 수 있다. 센서(6)와 측정장치를 연결하는 도선은 전해액에 의한 손상을 방지하기 위해 내산성이 있는 물질로 코팅하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

1: 다공성 유전체 층 2: 다공성 전도체 층
3: 접착제 층 4: 색변화 층
5: 소수성 보호층

Claims (8)

1. 전해질이 유입될 수 있는 다공성 구조를 가지며, 전해질의 유입에 따라 전기전도도가 변화되도록 구성된 다공성 유전체 층과,
   상기 다공성 유전체 층의 양면에 위치하며, 상기 다공성 유전체 층에 전해질이 유입될 수 있는 이동 경로를 제공하고, 상기 다공성 유전체 층의 전기 전도도의 변화를 전달하는 전극으로서 작용하는 한 쌍의 다공성 전도체 층을 포함하는 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 다공성 유전체 층과 다공성 전도체 층은 내산성 및 친수성을 가지는 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서.
3. 제1항에 있어서,
   상기 다공성 전도체 층과 상기 다공성 유전체 층은 접착 또는 스티칭(stitching) 방법으로 결합하는 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 다공성 전도체 층과 상기 다공성 유전체 층은 접착제 층을 통해서 결합되며, 전해질의 이동이 용이하도록, 상기 접착제 층은 상기 다공성 전도체 층과 상기 다공성 유전체 층의 결합면의 일부분에만 형성되는 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서.
5. 제1항에 있어서,
   다공성 전도체 층의 표면에 결합하며, 전해질과의 접촉에 의해서 색상이 변화하는 색변화 층을 더 포함하는 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서.
6. 제1항에 있어서,
   전해질이 외부로 유출되는 것을 방지하도록, 그 외부로 노출된 면을 감싸는 소수성 보호층을 더 포함하는 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서를 레독스 흐름전지의 전해질이 누설될 수 있는 위치에 설치하여, 전해질의 누설여부를 감지하는 레독스 흐름전지의 전해질 누설 감지 방법.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 전해질 누설 감지 및 모니터링 센서를 레독스 흐름전지의 전해질이 흐르는 경로에 설치하여, 전해질의 상태를 확인하는 레독스 흐름전지의 전해질 모니터링 방법.

Images