KR20150007566A - 레독스 흐름 전지 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

레독스 흐름 전지 시스템 및 그 제어방법이 제시된다. 레독스 흐름 전지 시스템은 측정된 전해액의 산화수를 이용하여 양극측 혹은/및 음극측에 산화제 혹은/및 환원제를 투입하여 상기 산화수를 조절한다. 이에 따라, 필연적으로 산화수 밸런스가 붕괴되더라도 큰 농도변화없이 초기의 바나듐 이온의 농도, 즉 균형 산화수가 유지되므로 전지의 효율성 및 안정성을 도모할 수 있으며, 전해액을 분리하여 전체적으로 혼합하는 등의 별도 처리없이, 즉 전지의 기능을 정지시키지 않고서도 산화수의 균형을 실시간으로 모니터링하고 산화수의 균형점을 회복시킬 수 있어서, 전지의 성능 유지 및 관리가 유지된다.

Description

레독스 흐름 전지 시스템 및 그 제어방법{Redox flow battery system and Control method for the same}
본 발명은 레독스 흐름 전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 필연적으로 산화수 밸런스가 붕괴되더라도 초기의 바나듐 이온의 농도에 큰 변화없이 평균 산화수가 유지되어 전지의 효율성 및 안정성을 도모하며, 전해액을 분리하여 전체적으로 혼합하는 등의 별도 처리없이, 즉 전지의 기능을 정지시키지 않고서도 산화수의 균형을 실시간으로 모니터링하고 평균 산화수를 회복시킬 수 있어서, 전지의 성능 유지 및 관리가 용이해지는 레독스 흐름 전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근 환경오염 및 지구 온난화로 인하여 전 세계적으로 온실 가스를 줄이고자 하는 노력을 진행하고 있으며, 그 일환으로 신재생 에너지의 도입 확대, 친환경 자동차 개발, 전력 수급 시스템의 개선을 위한 전력 저장 시스템 개발과 같은 다양한 노력이 시도되고 있다.
대부분의 전력 공급 시스템은 화력 발전이 주를 이루고 있으나 화력 발전은 화석 연료의 사용으로 인하여 엄청난 양의 CO2 가스가 배출되며 이로 인한 환경오염 문제가 매우 심각한 실정으로 이러한 문제를 해결하기 위하여 친환경 에너지(풍력, 태양 에너지, 조력 등)를 이용한 전력 공급 시스템 개발이 급속히 증가하고 있는 실정이다.
대부분의 신재생 에너지는 자연에서 발생하는 청정에너지를 사용하기 때문에 환경오염과 관련된 배기가스의 배출이 없어 매력적이기는 하나 자연환경에 영향을 많이 받기 때문에 시간에 따른 출력 변동폭이 매우 커서 그 사용에 한계점을 가지고 있는 실정이다.
전력 저장 기술은 전력 이용의 효율화, 전력 공급 시스템의 능력이나 신뢰성 향상, 시간에 따른 변동폭이 큰 신재생 에너지의 도입 확대 등 에너지 전체에 걸쳐 효율적 이용을 위해 중요한 기술이며, 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있는 실정이다. 특히, 이러한 분야에서 이차 전지의 활용도에 대한 기대치가 높아지고 있다.
레독스 흐름 이차 전지는 가변적으로 탱크 용량 및 전지 스택수를 변화시켜 전기 용량 및 출력을 손쉽게 바꿀 수 있고 반영구적으로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있어, 고용량 및 고효율 이차 전지가 적용되어야 하는 대용량 전력 저장용으로 가장 각광 받고 있는 이차 전지이다.
레독스 흐름 이차 전지는 가수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응을 이용하여 충전 및 방전 하는 전지를 말하며, 바나듐 이온을 이용한 바나듐 레독스 흐름 전지도 폭넓게 연구되고 있다.
하지만, 바나듐 레독스 흐름 전지의 전해질에 사용하는 V(II) 등은 공기에 민감하여 산화되기 쉽다. 정상적인 배터리 운전 조건에서는 양극/음극의 평균산화수 밸런스가 V3 .5+로 유지가 되겠지만, 과충전으로 인한 산소나 수소의 발생, 소재의 열화 같은 부반응 등으로 인하여 전해질이 산화되는 경우 평균산화수(V3 .5+) 밸런스가 깨지게 된다. 그렇게 되면 충전용량 및 방전용량이 감소하여 전지효율이 떨어지게 되는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 종래에는 무너진 밸런스를 회복하기 위해 전해액에 일정량의 바나듐 이온을 첨가하는 방법이 고안되었다. 그러나 바나듐 레독스 흐름 전지는 일반적으로 바나듐 이온 농도에 따라 효율 및 온도 안정성 (침전 생성) 등이 달라지기 때문에, 바나듐 이온을 첨가함으로써 밸런스를 조절하는 방법은 부작용을 초래하게 될 가능성이 높다.
또한, 바나듐 레독스 흐름 전지는 양극측과 음극측 간에 바나듐 이온이 넘어가면서 용량저하(capacity fade) 문제가 필연적으로 발생한다. 보다 구체적으로 설명하면, 바나듐 레독스 흐름 이차 전지는 셀프레임이 전체 셀의 윤곽을 형성하고 있으며 셀 중앙이 격막에 의해 분리되며 격막을 중심으로 양극 및 음극의 전극이 위치하고 있다. 즉, 레독스 흐름전지는 양극측 전해액과 음극측 전해액이 격막에 의해 분리되어 있는데, 이러한 구성으로 인해 서로 다른 이온의 농도차에 의해 액 이동이 발생한다. 이러한 이동은 양, 음극 전해액의 이온 양의 균형을 무너뜨려, 전해액 이용률의 저하를 일으키며 결국 사용 가능한 전지용량을 저하시키는 원인으로 작용한다.
레독스 흐름전지에 있어서, 이러한 용량저하 현상은 다공질격막을 사용하는 한 막을 수 없는 현상이다. 배터리가 전기적으로 회로를 형성하기 위해서는 양극과 음극 간에 이온 이동이 있어야 하므로 다공질 격막을 사용할 수 밖에 없으며, 이에 따라 원하지 않는 이온의 이동으로 인한 용량 저하는 필연적인 문제라고 할 수 있는 것이다.
현재 100 %의 선택성을 가지고 수소 양이온만 교환시키고 바나듐 이온은 교환을 시키지 않는 격막은 존재하지 않는다. 그러므로 바나듐 이온의 교환을 막을 수 없기 때문에 이를 다시 원상태로 회복 시켜주는 기술이 반드시 필요하게 된다.
바나듐 레독스 흐름전지의 경우는 양극 및 음극 전해액 전체를 혼합함으로서, 양측 모두동일한 몰수의 바나듐 이온이 존재하게 만들어 충, 방전 용량을 회복할 수 있는 방법이 존재한다. 이러한 방법을 토털 믹싱법(total mixing method)라 한다.
하지만, 이 경우 양쪽 극의 전해액 모두를 혼합하는데 필요한 펌프에너지의 손실이 클 뿐만 아니라, 시간이 많이 걸리며, 기 충전상태에 있는 바나듐 전해액의 에너지를 모두 손실하게 되는 부작용이 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위한 연구가 시급한 실정이라고 하겠다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
본 발명의 목적은 필연적으로 산화수 밸런스가 붕괴되더라도 초기의 바나듐 이온의 농도에 큰 변화없이 평균산화수가 유지되어 전지의 효율성 및 안정성을 도모하는 레독스 흐름 전지 시스템 및 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전해액을 분리하여 전체적으로 혼합하는 등의 별도 처리없이, 즉, 전지의 기능을 정지시키지 않고서도 산화수의 균형을 실시간으로 모니터링하고 평균산화수를 회복시킬 수 있어서, 전지의 성능 유지 및 관리가 용이하게 되는 레독스 흐름전지 시스템 및 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 비싼 바나듐 이온을 첨가하지 않고서도 비교적 값이 저렴한 산화제 또는 환원제를 직접 전해액에 주입하여 산화수의 밸런스를 회복할 수 있기 때문에, 경제적 이점이 있는 레독스 흐름전지 시스템 및 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 부분 트랜스퍼와 병행하여 수행하는 것이 가능하므로, 산화수 밸런스의 유지뿐 아니라 이온의 크로스 오버현상으로 인한 용량저하문제를 동시에 해결할 수 있는 레독스 흐름전지 시스템 및 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지 시스템은 측정된 전해액의 산화수를 이용하여 양극전해질 혹은/및 음극 전해질에 산화제 혹은/및 환원제를 투입하여 상기 산화수를 조절한다. 또한 레독스 흐름전지 시스템은 상기 양극측 및 음극측의 전해액의 물리적 상태를 측정하는 센싱 기기, 측정된 상기 물리적 상태를 이용해 상기 전해액에 환원제 혹은 산화제의 투입양 및 투입시기를 결정하는 제어기, 및 상기 제어기의 신호에 따라 상기 환원제 혹은 산화제를 상기 양극측 혹은/및 음극측에 투입하는 산화수 균형기를 포함한다. 여기서, 물리적 상태는 산화수일 수 있으며, 전해액의 농도, 부피, 충전상태 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
산화제는 공기 혹은 산소 중 하나일 수 있으며, 환원제는 히드라진 수화물, 황산 히드라진, 아스코르빈산, 옥살산 또는 그것들의 염이나 수화물 중 하나일 수 있다. 산화수 3.5를 기준으로 일정 수준 이상으로 벗어나면 상기 산화수를 조절이 시행되는 것이 바람직하며, 전해액의 농도, 부피, 충전상태 중 적어도 하나의 정보를 이용하여 부분 트랜스퍼를 수행할 수 있다. 산화제 혹은/및 환원제를 투입은 일정시간을 주기로 정기적으로 투입될 수 있다.
또한, 레독스 흐름전지 시스템의 제어방법은 양극측 및 음극측의 전해액의 상태를 측정하는 단계, 상기 전해액의 상태에 따라 상기 양극측 또는/및 음극측에 산화제 또는/및 환원제의 투입량 및 투입시기를 결정하는 단계, 및 상기 산화제 또는/및 환원제를 투입하는 단계를 포함한다.
상기 양극측 및 음극측의 전해액의 상태를 재측정하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 전해액의 상태는 산화수일 수 있다. 투입시기를 결정하는 단계는 상기 산화수와 3.5의 차가 일정수준 이상이 되면, 상기 산화제 또는/및 환원제를 투입하는 것이 좋으며, 전해액의 농도, 부피, 충전상태 중 적어도 하나로서 전해액의 농도, 부피, 충전상태 중 적어도 하나의 정보를 이용하여 부분 트랜스퍼를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서 일정 수준이라 함은 1.0일 수 있으며, 바람직하게는 0.05~0.3 일 수 있다.
또한 레독스 흐름전지 시스템의 제어방법은 양극측 및 음극측 전해액의 산화수를 측정하는 단계, 상기 측정된 산화수와 기설정된 산화수와의 차가 일정 수준 이상인지를 확인하는 단계, 및 상기 차가 일정 수준 이상이면, 상기 전해액에 산화제 또는 환원제를 투입하는 단계를 포함한다.
이에 따라, 필연적으로 산화수 밸런스가 붕괴되더라도 큰 농도변화없이 초기의 바나듐 이온의 농도, 즉 평균 산화수가 유지되어 전지의 효율성 및 안정성을 도모할 수 있으며, 전해액을 분리하여 전체적으로 혼합하는 등의 별도 처리없이, 즉, 전지의 기능을 정지시키지 않고서도 산화수의 균형을 실시간으로 모니터링하고 산화수의 균형점을 회복시킬 수 있어서, 전지의 성능 유지 및 관리가 용이해진다.
본 발명에 따르면, 필연적으로 산화수 밸런스가 붕괴되더라도 초기의 바나듐 이온의 농도에 큰 변화없이 평균 산화수(V3 .5+)가 유지되므로 전지의 효율성 및 안정성이 유지되는 효과가 있다.
또한, 전해액을 분리하여 전체적으로 혼합하는 등의 별도 처리없이, 즉 전지의 기능을 정지시키지 않고서도 산화수의 균형을 실시간으로 모니터링하고 산화수의 균형점을 회복시킬 수 있어서, 전지의 성능 유지 및 관리가 용이해지는 효과가 있다.
또한, 비싼 바나듐 이온을 첨가하지 않고서도 비교적 값이 저렴한 산화제 또는 환원제를 직접 전해액에 주입하여 산화수의 밸런스를 회복할 수 있기 때문에, 경제적 이점이 있다.
또한, 부분 트랜스퍼와 병행하여 수행하는 것이 가능하므로, 산화수 밸런스의 유지뿐 아니라 이온의 크로스 오버현상으로 인한 용량저하문제도 동시에 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 부분 트랜스퍼의 양을 결정하는 제어에 대해 설명한 순서도이다.
도 4는 본 발명에 부분 트랜스퍼가 적용된 제어방법을 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지 시스템의 구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 레독스 흐름 전지(1)는 양극측(10), 음극측(20), 격막(30), 부분 트랜스퍼 기기(40), 센싱 기기(50), 제어기(60) 및 산화수 균형기(70)로 구성된다.
먼저, 전체적인 설명을 우선하면, 격막(30)을 통해 양극측(10)의 탱크(11) 내에 수용된 전해액과 음극측(20)의 탱크(21) 내에 수용된 전해액은 펌프(31)에 의해 격막(30)을 통해 이온을 교환하면서 회로를 구성하여 전지 역할을 하게 된다. 레독스 흐름 전지의 원리는 공지된 사항이므로, 자세한 설명은 생략한다.
이때, 필연적으로 원하지 않는 이온이 격막(30)을 통과하면서 용량 저하 문제가 발생하고, 바나듐 레독스 흐름 전지의 전해질에 사용하는 바나듐 이온(V2 +, V3+)은 공기에 민감하여 산화되기 쉬워 이로 인해 산화수 밸런스가 무너지는 문제는 이미 전술한 바와 같다.
이때, 양극측 혹은/그리고 음극측의 전해액의 상태를 측정하기 위해 센싱 기기(50)가 사용되는데, 센싱 기기(50)는 양극측(10) 및 음극측(20)의 산화수를 실시간으로 측정할 수 있다. 또한, 측정하는 전해액의 상태는 충전상태(state of charge, SOC), 농도, 부피 등 일 수 있다.
또한 센싱 기기(50)는 제어기(60)와 연결되어 측정된 전해액의 상태가 전달되는데, 예를 들어 개방 전압(open circuit voltage, OCV)을 측정하여 이를 통해 농도, 산화수, 부피, 충전상태 등을 구할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 측정하는 값은 부피와 전압OCV이며, 이를 통해 농도, 바나듐 이온 비율, 충전상태를 계산할 수 있다. 즉, 본 발명은 센싱 기기(50)에 의해 직접 측정한 전해액의 상태뿐 아니라, 연결된 제어기(60)를 통해 간접적으로 계산 혹은 데이터베이스를 통해 산화수나 부분 트랜스퍼를 수행할 양을 계산하는 것 등 여러 가지 전해액의 상태를 파악하는 것도 포함된다.
레독스 바나듐 흐름전지에서 이온의 이상적인 평균 산화수는 V3 .5+ 인데, 이를 설명하면,바나듐 레독스 흐름전지에서는 양극측(10)의 산화물은 V5 +, 환원물은 V4 +이며, 음극측(20)의 산화물은 V3 +, 환원물은 V2 + 이다. 즉, 충전상태(SOC)가 증가하면 양극측 탱크(11)는 V5 +가 많아지고, 음극측 탱크(12)는 V2 + 가 많아져서 결국 이론적으로 항상 V3 .5+ 을 이루게 된다.
양극측(10) 및 음극측(20) 전체의 바나듐 이온의 평균 산화수가 평형상태인V3.5+에서 일정범위를 벗어나는 경우에 제어기(60)의 계산을 통해 주입할 산화제 또는 환원제의 양을 계산하여 자동 혹은 수동으로 계산된 양만큼의 산화제 또는 환원제를 전해액에 주입되게 되어 평균 산화수를 평형상태로 재조정한다.
여기서, 산화제는 공기나 산소, 환원제는 히드라진 수화물, 황산 히드라진,아스코르빈산, 옥살산 또는 그것들의 염이나 수화물일 수 있다. 여기서, 산화제는 단순한 예시로서, 이에 한정되지는 않는다.
즉, 비교적 값이 저렴한 산화제 또는 환원제를 사용하기 때문에 경제적인 이점을 가지며, 초기 운전상태로 바나듐 이온의 농도가 유지된다는 장점도 있다. 산화제 또는 환원제를 투입하는 시기는 전술한 바와 같이 제어기(60)의 계산을 통해 투입할 수도 있지만, 장기간의 실험 데이터에 의거하여 일정시간을 주기로 정기적으로 투입되도록 제어하는 것도 가능하다.
또한, 운전 중인 전해액 내에 직접 산화제 혹은 환원제를 투입하는 시스템이기 때문에, 전해액만 분리하여 별도로 처리를 하는 공정 등이 필요치 않아, 전지의 성능 유지 및 관리가 용이해지는 장점도 있다.
이뿐 아니라, 본 산화수 조절기(70)와 부분 트랜스퍼 기기(40)를 연계하면, 산화수 밸런스뿐만 아니라, 양극과 음극의 바나듐 양(몰수)의 밸런스의 조절도 가능하다. 여기서, 산화수 조절기(70)는 밸브(71)를 통해 산화제 및 환원제의 투입을 조절할 수 있으며, 부분 트랜스퍼 기기(40)는 전용펌프(41)를 포함하는 것이 일반적이다.
도 2는 본 발명에 따른 제어방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 제어기는 센싱 기기로부터 양극의 농도(Cc)와 부피(VC), 음극의 농도(CA)와 부피 (VA), 현재 전해액의 평균 산화수 (X) 등의 정보를 받거나, 제어기 내에서 계산해 내거나 기설정된 값을 이용한다(S1).
다음, 산화수 범위가 조건 (|X-3.5| ≤ A) 을 판단(S2)하여 만족시키지 못하는 경우, 산화수 균형기에 의해 산화제나 환원제를 전해액에 주입하는 단계로 진입(S3)하고, 만족하는 경우에는 종료하게 된다(S5). 여기서, 임계값 A는 1.0일 수 있으며, 바람직하게는 0.05~0.3 일 수 있다.
제어기는 S1단계에서 얻은 정보를 이용해 주입할 산화제 또는 환원제 양을 양극 또는 음극에 주입하고, 전지 내 전해액과 잘 반응하도록 한다. 주입량은 다음 식 1로 계산한다.
주입량(g) = NTOTAL * ┃X-3.5 ┃* MW (식1)
여기서, MW 는 산화제/환원제 분자량을 분자 1개당 나오는 전자수로 나눈 값이고, NTOTAL 은 양극과 음극 전해질의 이온의 총 몰수이다.
만약, X < 3.5 이라면, 음극 또는 양극에 산화제 를 투입하여 산화수를 올리고, X > 3.5 이라면, 음극또는 양극에 환원제를 투입하여 산화수를 낮춘다(S4). 이러한 과정을 식1을 만족할 때까지 반복한다. (도2)
전술한 대로 본 발명은 부분 트랜스퍼와 더불어 사용할 수 있음을 설명한 바 있는데, 우선 부분 트랜스퍼의 전해액 이동에 대해 설명하고, 본 발명에 부분 트랜스퍼가 사용되는 제어방법에 대해 설명한다.
도 3은 부분 트랜스퍼의 양을 결정하는 제어에 대해 설명한 순서도이다.
먼저, 제어기가 센싱 기기로부터, 혹은 제어기에 기설정된 양극의 농도(Cc)와 부피(VC), 음극의 농도(CA)와 부피 (VC) 정보를 받아서, 양극 및 음극 전해질의 바나듐 몰수를 다음의 식 2 및 식 3을 통해 계산한다.
NA = CA * VA (식2)
NC = CC * VC (식 3)
다음, 양극 및 음극의 바나듐 몰수의 차가 기설정된 값이 일정값 B와 적거나 같은지를 비교하여 만족하지 않으면 부분 트랜스퍼를 시행하는 단계로 넘어가고(S13), 만족하면 종료한다(S15). 여기서, 일정값 B는 Ntotal * 10%, 바람직하게는 Ntotal*0.5% ~ Ntotal*2.5% 범위일 수 있다.
다음, 이를 통해 양극에서 음극으로 이동하는 이동량과 음극에서 양극으로 이동하는 이동량을 계산하게 되는데(S13), 이는 다음의 식 4, 5로 계산한다.
양극에서 음극으로 이동시킬 전해질 양 = ┃NA - NC ┃* CC /2 (식4)
음극에서 양극으로 이동시킬 전해질 양 = ┃NA - NC ┃* CA /2 (식5)
이러한 계산된 이동량을 바탕으로 부분 트랜스퍼를 시행한다(S14). 그 후 S11 에서 S14 단계를 반복하여 S12 단계의 조건을 만족할 때까지 반복하게 된다.
도 4는 본 발명에 부분 트랜스퍼가 적용된 제어방법을 도시한 순서도이다. 산화수 및 바나듐 이온의 크로스오버로 인한 용량저하가 일정 범위를 벗어나는 경우에 산화제/환원제를 투입하거나 부분 트랜스퍼를 수행하게 되는데, 이에 대해서 자세히 설명한다.
먼저, 제어기가 센싱 기기로부터 양극의 농도(Cc)와 부피(VC), 음극의 농도(CA)와 부피 (VA) 및 평균 산화수를 구하고, 전체 몰수를 식 6으로 계산한다(S21).
NTOTAL = NA + NC (식 6)
다음, 산화수 범위가 조건 (|X-3.5| ≤ A) 을 판단(S22)하여 만족시키지 못하는 경우, 산화수 균형기에 의해 산화제나 환원제를 전해액에 주입하거나 부분 트랜스퍼를 수행하는 단계로 진입하고, 만족하는 경우에는 종료하게 된다(S28).
다음, 양극 및 음극 전해질의 바나듐 몰수의 차가 기설정된 값이 일정값 B와 적거나 같은지를 비교하여(S23), 만족하지 않으면 부분 트랜스퍼를 시행하는 단계로 넘어가고(S26), 만족하면 산화제/환원제를 투입하는 단계로 진입하여 산화수 밸런스를 조정하게 된다(S24, 25). 먼저, 산화수 밸런스를 조정하는 과정을 설명하면, 전술한 바와 같이, X < 3.5 이라면, 음극 또는 양극에 산화제 를 투입하여 산화수를 올리고, X > 3.5 이라면, 음극 또는 양극에 환원제를 투입하여 산화수를 낮춘다(S25).
여기서, 일정값 B는 Ntotal * 10%, 바람직하게는 Ntotal*0.5% ~ Ntotal*2.5%일 수 있다.
다음, 부분 트랜스퍼를 시행하는 단계를 설명하면, 전술한 바와 같이 식 4 및 식 5에 의해 전해질 이동량을 계산하게 되며, 총 산화제/환원제 투입량은 다음과 같이 계산할 수 있다.
산화제/환원제 주입량 = NTOTAL * ┃X-3.5 ┃ * MW (식7)
식 수정 필요합니다.이에 따라, 산화수의 균형값(3.5)과의 비교 및 양극과 음극간 바나듐 몰수 비교를 통해 투입제와 부분 트랜스퍼의 방향이 결정되는데, 이를 표 1로 정리하면 다음과 같다(S27).

조건		 X < 3.5 X > 3.5
NA > NC NA < NC NA > NC NA < NC
부분트랜스퍼 방향 음극 -> 양극 양극 -> 음극 음극 -> 양극 양극 -> 음극
투입제 산화제 산화제 환원제 환원제
덧붙여서, 바나듐 이온 사이 및 산화제/환원제와의 반응열을 최소화하는 조건에서 위의 장치를 운전하는 것이 바람직하며, 잔류 산화제/환원제의 영향을 최소화하기 위해, 주입할 산화제/환원제의 몰수는 산화/환원시킬 바나듐 이온종의 몰수보다 작거나 같도록 하는 것이 좋다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 레독스 흐름 전지 10: 양극측
20: 음극측 30: 격막
40: 부분 트랜스퍼 기기 50: 센싱 기기
60: 제어기 70: 산화수 균형기

Claims (22)

  1. 레독스 흐름전지를 구비한 시스템에 있어서,
    측정된 전해액의 산화수를 이용하여 양극전해질 혹은/및 음극전해질에 산화제 혹은/및 환원제를 투입하여 상기 산화수를 조절하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산화제는 공기 혹은 산소 중 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 환원제는 히드라진 수화물, 황산 히드라진, 아스코르빈산, 옥살산, 또는 그것들의 염이나 수화물중 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    산화수 3.5를 기준으로 1.0 바람직하게는 0.05~0.3범위를 벗어나면(즉, |X-3.5| ≤ 1.0, 바람직하게는 |X-3.5| ≤ 0.05~0.3, X는 산화수임), 상기 산화수를 조절이 시행되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전해액의 농도, 부피, 충전상태 중 적어도 하나의 정보를 이용하여 부분 트랜스퍼를 수행하는 것을 포함하는 레독스 흐름전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화제 혹은/및 환원제를 일정시간을 간격으로 주기적으로 투입하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  7. 레독스 흐름전지를 구비한 시스템에 있어서,
    상기 양극측 및 음극측의 전해액의 물리적 상태를 측정하는 센싱 기기;
    측정된 상기 물리적 상태를 이용해 상기 전해액에 환원제 혹은 산화제의 투입양 및 투입시기를 결정하는 제어기; 및
    상기 제어기의 신호에 따라 상기 환원제 혹은 산화제를 상기 양극측 혹은/및 음극측에 투입하는 산화수 균형기;
    를 포함하는 레독스 흐름전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 물리적 상태는 상기 전해액의 산화수, 상기 전해액의 농도, 부피, 충전상태 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 산화수는 3.5를 기준으로 일정 수준 이상으로 벗어나면 상기 제어기가 상기 산화수 균형기를 작동시키는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    부분 트랜스퍼를 수행하는 부분 트랜스퍼 기기를 더 포함하며,
    상기 제어기는 상기 전해액의 농도, 부피, 충전상태 중 적어도 하나의 정보를 이용하여 상기 부분 트랜스퍼에 신호를 제공하여 부분 트랜스퍼를 수행하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 산화제는 공기 혹은 산소 중 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 환원제는 히드라진 수화물, 황산 히드라진, 아스코르빈산, 옥살산, 또는 그것들의 수화물 중 하나인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 투입시기는 일정시간을 주기로 정기적으로 투입되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템.
  14. 레독스 흐름전지 시스템의 제어방법에 있어서,
    양극측 및 음극측의 전해액의 상태를 측정하는 단계;
    상기 전해액의 상태에 따라 상기 양극측 또는/및 음극측에 산화제 또는/및 환원제의 투입량 및 투입시기를 결정하는 단계; 및
    상기 산화제 또는/및 환원제를 투입하는 단계;
    를 포함하는 레독스 흐름전지 시스템의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 양극측 및 음극측의 전해액의 상태를 재측정하는 단계를 더 포함하는 레독스 흐름전지 시스템의 제어방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 전해액의 상태는 산화수, 상기 전해액의 농도, 부피, 충전상태 중 적어도 하나인 것인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템의 제어방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 투입시기를 결정하는 단계는 상기 산화수와 3.5의 차가 일정수준 이상이 되면, 상기 산화제 또는/및 환원제를 투입하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템의 제어방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전해액의 농도, 부피, 충전상태 중 적어도 하나의 정보를 이용하여 부분 트랜스퍼를 수행하는 단계를 더 포함하는 레독스 흐름전지 시스템의 제어방법.
  19. 양극측 및 음극측 전해액의 산화수를 측정하는 단계;
    상기 측정된 산화수와 기설정된 산화수와의 차가 일정 수준 이상인지를 확인하는 단계; 및
    상기 차가 일정 수준이상이면, 상기 전해액에 산화제 또는 환원제를 투입하는 단계;
    를 포함하는 레독스 흐름전지 시스템의 제어방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전해액의 산화수를 재측정하는 단계를 더 포함하는 레독스 흐름전지 시스템의 제어방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 전해액의 농도, 부피, 충전상태 중 적어도 하나의 정보를 이용하여 부분 트랜스퍼를 수행하는 단계를 더 포함하는 레독스 흐름전지 시스템의 제어방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 산화수는 바나듐 이온의 산화수이며, 상기 기설정된 산화수는 3.5인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 시스템의 제어방법.
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