KR20150138757A - 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 농도 조절 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액 저장부에서 소량의 전해액을 취출하여 농도 구배를 사전에 확인하고, 전해액 간의 농도 균형이 이루어질 수 있도록 사전에 이온 농도 조절제를 제공함으로써, 농도 구배에 의한 삼투 현상을 미연에 방지하고 그로 인해 플로우 배터리의 용량을 증가시킬 수 있는 전해액 농도 조절 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전해액 농도 조절 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액 저장부에서 소량의 전해액을 취출하여 농도 구배를 사전에 확인하고, 전해액 간의 농도 균형이 이루어질 수 있도록 사전에 이온 농도 조절제를 제공함으로써, 농도 구배에 의한 삼투 현상을 미연에 방지하고 그로 인해 플로우 배터리의 용량을 증가시킬 수 있는 전해액 농도 조절 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 관한 것이다.
전력 저장 기술은 전력 이용의 효율화, 전력 공급 시스템의 능력이나 신뢰성 향상, 시간에 따라 변동 폭이 큰 신재생 에너지의 도입 확대, 이동체의 에너지 회생 등 에너지 전체에 걸쳐 효율적 이용을 위해 중요한 기술이며 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있다.
마이크로 그리드와 같은 반 자율적인 지역 전력 공급 시스템의 수급 균형의 조정 및 풍력이나 태양광 발전과 같은 신재생 에너지 발전의 불균일한 출력을 적절히 분배하고 기존 전력 계통과의 차이에서 발생하는 전압 및 주파수 변동 등의 영향을 제어하기 위해서 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 이러한 분야에서 이차 전지의 활용도에 대한 기대치가 높아지고 있다.
특히 대용량 전력 저장용으로 사용될 이차 전지에 요구되는 특성을 살펴보면, 에너지 저장 밀도가 높아야 하며 이러한 특성에 적합한 고용량 및 고효율의 이차 전지로서 레독스 플로우 배터리(RFB, redox flow battery)가 최근들어 각광받고 있는 실정이다.
레독스 플로우 배터리도 일반적인 이차 전지와 동일하게 충전 과정을 통하여 입력된 전기 에너지를 화학 에너지로 변환시켜 저장하고, 방전 과정을 통하여 기저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 출력하게 된다. 그러나, 이러한 레독스 플로우 배터리는 에너지를 보유하고 있는 전극 활물질이 고체 상태가 아닌 액체 상태로 존재하기 때문에 전극 활물질을 저장하는 탱크 혹은 보관 용기가 필요하다는 점에서 일반적인 이차 전지와는 상이하다.
이와 같이, 레독스 플로우 배터리는 대용량화가 가능하며, 유지 보수 비용이 적고, 상온에서 작동 가능하며, 그리고 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 이차 전지로 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다.
이 중에서도, 바나듐 이온을 이용하는 바나듐 레독스 플로우 배터리가 차세대 에너지 저장 장치로서 각광을 받고 있으나, 바나듐 이온의 분리막(혹은 이온교환막) 크로스오버(cross-over) 현상, 음극에서의 수소 발생, 그리고 공기 노출시 바나듐 이온의 산화 반응 등으로 레독스 플로우 배터리의 용량 저하가 발생하는 문제점 있어 이를 개선하려는 연구가 지속적으로 진행되고 있는 실정이다.
더욱이, 음극과 양극에 각각 적용되는 바나듐 전해액은 작동 중에 부피 변화가 관찰되는데, 이러한 현상은 막연히 분리막을 통과하는 물과 바나듐 이온의 크로스오버 현상으로 생각되어왔다. 하지만, 보다 근본적인 이유는 음극과 양극에 각각 적용되는 바나듐 전해액의 농도 구배(concentration gradient)에 의한 삼투 현상이 주원인으로 파악된다. 구체적으로 바나듐 레독스 플로우 배터리의 전해액에서는 증류수 및 황산과 같은 용매의 이동이 양쪽 전해액 간 부피 불균형을 초래하는 가장 큰 이유가 되며, 이러한 용매의 이동 시 바나듐 이온이 함께 이동되면서 바나듐 전해액 중 바나듐 이온의 균형을 붕괴시켜, 결과적으로 바나듐 레독스 플로우 배터리의 용량을 감소시키게 되는 문제점을 발생시키게 된다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액 저장부에서 소량의 전해액을 취출하여 농도 구배를 사전에 확인하고, 전해액 간의 농도 균형이 이루어질 수 있도록 사전에 이온 농도 조절제를 제공함으로써, 농도 구배에 의한 삼투 현상을 미연에 방지할 수 있는 전해액 농도 조절 모듈을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은, 상기의 전해액 농도 조절 모듈을 이용함으로써 농도 구배에 의한 삼투 현상을 미연에 방지하고 그로 인해 플로우 배터리의 용량을 증가시킬 수 있는 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 농도 조절 모듈에 있어서, 일측이 음극 전해액 저장부에 연결 가능하고, 타측이 양극 전해액 저장부에 연결 가능한 취출관; 상기 취출관에 연결되어 음극 및 양극 전해액을 각각 보관 가능하게 구성되는 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부; 및 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 사이에 위치하며, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 각각 보관되는 음극 및 양극 전해액의 혼합 여부를 조절하는 제1 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전해액 농도 조절 모듈은, 상기 제1 밸브를 개방하여 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 수용된 상기 음극 및 양극 전해액을 혼합시켜 상기 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써, 상기 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전해액 농도 조절 모듈은, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 수용된 상기 음극 및 양극 전해액이 혼합되는 경우 상기 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정하는 모니터링부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에는 수용된 음극 및 양극 전해액의 부피를 측정할 수 있도록 눈금 형태의 계측부가 제공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전해액 농도 조절 모듈은, 상기 농도 구배에 근거하여, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전해액 농도 조절 모듈은, 상기 농도 구배에 근거하여, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 이온 농도 조절제 투입부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전해액 농도 조절 모듈은, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 위치하는 전해액과 상기 이온 농도 조절제를 교반할 수 있는 교반 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 교반 장치는 임펠라(impeller), 아지테이터(agitator) 및 마그네틱 스티러(magnetic stirrer) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 음극 전해액 저장부와 상기 음극 전해액 수용부 사이에는 제2 밸브가 제공되어, 상기 음극 전해액 저장부에 저장된 음극 전해액이 상기 음극 전해액 수용부로 취출되는 것을 조절하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 양극 전해액 저장부와 상기 양극 전해액 수용부 사이에는 제3 밸브가 제공되어, 상기 양극 전해액 저장부에 저장된 양극 전해액이 상기 양극 전해액 수용부로 취출되는 것을 조절하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전해액 농도 조절 모듈은, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 보관되거나 혼합된 전해액을 외부로 배출할 수 있도록 구성되는 하나 이상의 배수부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 하나 이상의 배수부는 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 각각 제공되며, 그리고 전해액의 배출 여부를 조절할 수 있는 제4 밸브 및 제5 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 이온 농도 조절제는 황산(H2SO4), 포름산(HCOOH), 질산(HNO3) 및 염산(HCl) 수용액 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 있어서, (a) 취출관을 이용하여 음극 전해액 저장부 및 양극 전해액 저장부로부터 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부로 음극 전해액 및 양극 전해액을 취출하여 보관하는 단계; (b) 상기 보관된 음극 전해액 및 양극 전해액을 혼합시켜 상기 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써, 상기 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 단계; (c) 상기 혼합된 전해액을 외부로 배출하는 단계; 및 (d) 상기 (a) 단계를 재차 수행한 후, 상기 농도 구배에 근거하여, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, (e) 상기 (b) 단계, 상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계를 반복적으로 수행함으로써, 음극 전해액 및 양극 전해액의 농도 균형에 상응하는 이온 농도 조절제의 양을 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, (f) 상기 결정된 이온 농도 조절제의 양에 근거하여, 상기 양극 전해액 저장부 및 음극 전해액 저장부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계 사이에는, 상기 취출관 및 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부를 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (d) 단계에서, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 위치하는 전해액과 상기 이온 농도 조절제를 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 이온 농도 조절제는 황산(H2SO4), 포름산(HCOOH), 질산(HNO3) 및 염산(HCl) 수용액 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
일반적으로, ICP(Inductively coupled plasma, 고주파 유도 결합 플라즈마) 분광법으로 플로우 배터리에 적용되는 전해액의 농도(예를 들어, 바나듐 농도를 분석할 수 있으며, 이온크로마토그래피법(Ion Chromatography), pH meter, 혹은 지시약을 이용한 적정법으로 황산의 농도를 예측할 수 있다. 그러나, 공정이 복잡하다던지, pH meter법은 정확한 농도 계산이 어렵고, 적정법은 전해액 희석과 함께 적절한 지시약을 선정해야 한다는 번거로움이 있다는 문제점이 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 레독스 플로우 배터리 시스템 구축시에 매우 간단한 구성 요소만을 추가함으로써 음극 및 양극 전해액 간의 농도 구배를 용이하게 파악할 수 있으며, 이러한 음극 및 양극 전해액 간의 농도 균형이 이루어질 수 있도록 사전에 이온 농도 조절제를 제공함으로써, 농도 구배에 의한 삼투 현상을 미연에 방지할 수 있게 된다.
또한 그로 인해, 비교적 저렴한 비용으로 플로우 배터리의 용량을 증가시킬 수 있다는 효과가 발생하게 된다.
도 1은 레독스 플로우 배터리의 일반적인 구조를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)이 플로우 배터리에 적용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)을 확대한 개략도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법을 설명한 순서도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 따라 전해액 농도 균형을 조절한 경우와 그렇지 않은 경우에 대한 배터리 성능 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)이 플로우 배터리에 적용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)을 확대한 개략도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법을 설명한 순서도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 따라 전해액 농도 균형을 조절한 경우와 그렇지 않은 경우에 대한 배터리 성능 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
<전해액 농도 조절 모듈>
도 1은 레독스 플로우 배터리의 일반적인 구조를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)이 플로우 배터리에 적용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)을 확대한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 레독스 플로우 배터리는 분리막(31)과 이러한 분리막(31)의 양쪽에 각각 위치하는 음극(32) 및 양극(33)을 포함하는 전극 어셈블리를 포함하고, 상기 음극(32)에 공급되는 음극 전해액을 수용 및 보관하는 음극 전해액 저장부(10) 및 상기 양극(33)에 공급되는 양극 전해액을 수용 및 보관하는 양극 전해액 저장부(20)를 포함한다.
이때, 음극 전해액 저장부(10)에 저장되는 음극 전해액은 펌프(11)를 통하여 음극 전해액 유입구(41)를 통하여 음극(32)에 전달된 후 레독스 반응이 완료되면, 음극 전해액 유출구(51)를 통하여 다시 음극 전해액 저장부(10)로 이동하게 된다. 유사하게, 양극 전해액 저장부(20)에 저장되는 양극 전해액은 펌프(21)를 통하여 양극 전해액 유입구(42)를 통하여 양극(33)에 전달된 후 레독스 반응이 완료되면, 양극 전해액 유출구(52)를 통하여 다시 양극 전해액 저장부(20)로 이동하게 된다.
즉 레독스 플로우 배터리가 바나듐 레독스 플로우 배터리의 경우에는, 충전 반응시 양극(33)에서는 4가의 바나듐 이온이 산화되어 5가의 바나듐 이온으로 변환되고, 전자가 소모되며 수소 이온은 분리막(31)을 통하여 양극(33)에서 음극(32)으로 이동하는 산화 반응이 일어나게 되고, 음극(32)에서는 3가의 바나듐 이온이 전자를 받아들여 2가의 바나듐 이온으로 변환하는 환원반응이 일어나게 된다. 반면에 방전 반응시에는 상술된 반응과 반대로 바나듐 이온의 산화수가 변화되는 산화/환원 반응(즉 레독스 반응)이 일어남으로써 충전 및 방전을 효과적으로 수행된다.
여기서, 분리막(31)은 수소 이온은 전달시키고, 음극 및 양극 전해액의 양이온이 상대극으로 이동하는 것은 차단시켜주는 역할을 수행하며, 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20)는 상술된 바와 같이 각각 음극 및 양극 전해액을 저장하는 역할을 수행하며, 각 저장부의 내부 압력을 균등하게 분배하거나 작동 중에 발생할 수 있는 가스를 배출하도록 설계가 된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)은 취출관(110), 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130) 및 제1, 제2 및 제3 밸브(111, 112, 113)를 포함할 수 있다. 또한 추가적으로 모니터링부(140), 이온 농도 조절제 투입부(150) 및 배수부(160)를 더 포함할 수 있다.
취출관(110)은 일측이 음극 전해액 저장부(10)에 연결 가능하고, 타측이 양극 전해액 저장부(20)에 연결 가능하도록 구성된다. 바람직하게는 취출관(110)은 각각의 저장부 하단에 연결되는 것이 전해액의 취출을 위해 유리하다.
음극 전해액 수용부(120)와 양극 전해액 수용부(130)는 각각 취출관(110)에 연결되도록 형성되며, 각각 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20)로부터 음극 및 양극 전해액을 취출하여 보관 가능하게 구성된다. 이때 음극 전해액 수용부(120)와 양극 전해액 수용부(130)는 메스실린더와 같이 상측부가 개방되어 있는 구조인 것이 바람직하다.
전해액 취출을 위해, 음극 전해액 저장부(10)와 음극 전해액 수용부(120) 사이에는 제2 밸브(112)가 제공되며, 그리고 양극 전해액 저장부(20)와 양극 전해액 수용부(130) 사이에는 제3 밸브(113)가 제공될 수 있다. 이러한 제2 밸브(112) 및 제3 밸브(113)를 이용함으로써 음극 전해액 저장부(10)에 저장된 음극 전해액이 음극 전해액 수용부(120)로 소량 취출되는 것과 양극 전해액 저장부(20)에 저장된 양극 전해액이 양극 전해액 수용부(130)로 소량 취출되는 것을 보다 용이하게 조정할 수 있게 된다.
이때, 음극 전해액 수용부(120)와 양극 전해액 수용부(130) 사이에는 제1 밸브(111)가 제공되는데, 이러한 제1 밸브(111)는 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 보관되는 음극 및 양극 전해액의 혼합 여부를 조절하는 역할을 수행하게 되며, 특히 전해액 취출시 폐쇄되어 있어 음극 및 양극 전해액이 혼합되는 것을 방지하게 된다.
여기서, 취출관(110)이나 음극 전해액 수용부(120)와 양극 전해액 수용부(130)는 PP, PE, Teflon과 같은 폴리머 또는 유리(glass) 및 고분자재료가 코팅된 금속 등과 같이 내산성이 확보된 재질의 관(pipe) 형태나 실린더 형태일 수 있으며, 기타 다양한 재료나 형태가 사용될 수 있음을 유의한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)에 의하면, 제1 밸브(111)를 개방하는 경우 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 각각 수용된 음극 및 양극 전해액을 혼합되게 된다. 이때 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써, 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인할 수 있게 된다.
이러한 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 과정은, 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 기계적으로 측정하는 별도의 모니터링부(140)를 통하여 자동으로 수행할 수 있다.
한편, 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 사용자의 시각을 통하여 수동으로 수행할 수도 있음을 유의한다. 이를 위해 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에는 눈금 형태의 계측부(121, 131)가 각각 제공되게 된다. 이러한 계측부(121, 131)를 통하여 사용자는 시각을 이용하여 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 수용된 음극 및 양극 전해액의 부피뿐만 아니라 음극 및 양극 전해액의 확산 정도 역시 정확하게 측정할 수 있게 된다.
이러한 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하여 전해액 사이의 농도가 불균형하다고 판단되는 경우, (기존에 혼합된 전해액을 배수한 후 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 각각 음극 및 양극 전해액을 다시 취출하는 단계를 거친 후) 농도 구배에 근거하여, 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하여 농도의 균형을 조절하게 된다.
만약에 바나듐 레독스 플로우 배터리의 경우, 이온 농도 조절제는 수소 이온을 포함하는 물질이 될 수 있으며, 구체적으로 황산(H2SO4), 포름산(HCOOH), 질산(HNO3) 및 염산(HCl) 수용액 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 농도 조절 모듈(100)은 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130) 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 이온 농도 조절제 투입부(150)를 더 포함할 수 있다.
추가적으로 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 위치하는 전해액과 이온 농도 조절제를 교반할 수 있는 교반 장치를 더 포함하는 것이 바람직하며, 이러한 교반 장치는 임펠라(impeller), 아지테이터(agitator) 및 마그네틱 스티러(magnetic stirrer) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 보관되거나 혼합된 전해액을 외부로 배출할 수 있도록 구성되는 하나 이상의 배수부(160)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 하나 이상의 배수부(160)는 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)와 일체화될 수도 있으며 혹은 별도로 존재할 수도 있음을 유의한다. 일체화되는 경우에는 전해액의 배출 여부를 조절할 수 있는 제4 밸브(161) 및 제5 밸브(162)를 더 포함함으로써 상술된 배수의 기능을 효과적으로 수행할 수 있게 되며, 이러한 제4 밸브(161) 및 제5 밸브(162)는 전해액 배수시를 제외하고는 폐쇄되어 있는 것이 바람직하다.
한편 상술된 밸브의 재질은 기존 스테인리스스틸 재질 또는 금속 볼이 그대로 적용된 밸브는 내산성을 고려하였을 때 바람직하지 않으며, 내산성 고분자를 코팅하거나, PP, PVC, PE 등의 재질로 구성되는 2방향 밸브가 바람직함을 유의한다.
<
플로우
배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법>
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법을 설명한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법은 (a) 취출관(110)을 이용하여 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20)로부터 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)로 음극 전해액 및 양극 전해액을 취출하여 보관하는 단계; (b) 보관된 음극 전해액 및 양극 전해액을 혼합시켜 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써, 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 단계; (c) 혼합된 전해액을 외부로 배출하는 단계; 및 (d) 상기 (a) 단계를 재차 수행한 후, 농도 구배에 근거하여, 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130) 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계;를 포함할 수 있다. 추가적으로, (e) 상기 (b), (c) 및 (d) 단계를 반복적으로 수행함으로써, 음극 전해액 및 양극 전해액의 농도 균형에 상응하는 이온 농도 조절제의 양을 결정하는 단계;와 (f) 결정된 이온 농도 조절제의 양에 근거하여, 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20) 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
(a) 단계는, 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)로 음극 전해액 및 양극 전해액을 취출하여 보관하는 단계이다.
이때 취출관(110)을 통하여 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20)로부터 전해액을 취출하게 되며, 제2 밸브(112) 및 제3 밸브(113)를 이용함으로써 음극 전해액 저장부(10)에 저장된 음극 전해액이 음극 전해액 수용부(120)로 소량 취출되는 것과 양극 전해액 저장부(20)에 저장된 양극 전해액이 양극 전해액 수용부(130)로 소량 취출되는 것을 보다 용이하게 조정할 수 있게 된다.
(b) 단계는, 음극 및 양극 전해액을 혼합시켜 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 단계이다.
이때, 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 과정은, 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 기계적으로 측정하는 별도의 모니터링부(140)를 통하여 자동으로 수행할 수 있으며 혹은 사용자의 시각을 통하여 수동으로 수행할 수도 있음을 유의한다.
전해액 사이의 농도 균형이 이루어져 있다면 추가 단계를 수행할 필요가 없으나, 일반적으로, 음극의 전해액의 황산 농도가 초기에 제조된 농도보다 낮을 수 있으며, 반대로 양극의 전해액의 황산 농도는 초기에 제조된 농도보다 높을 수 있기에 추가 단계를 수행할 필요가 있다.
(c) 단계는, 혼합된 전해액을 외부로 배출하는 단계이다.
이를 위해 하나 이상의 배수부(160)와 전해액의 배출 여부를 조절할 수 있는 제4 밸브(161) 및 제5 밸브(162)를 이용하여 혼합된 전해액을 외부로 배출하게 된다.
이때, (c) 단계와 후술되는 (d) 단계 사이에는, 취출관(110), 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130) 및 배수부(160)를 증류수와 같은 세척액으로 세척하는 단계를 더 포함할 수도 있음을 유의한다.
(d) 단계는, 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)로 음극 전해액 및 양극 전해액을 취출하여 보관한 후 (즉 (a) 단계를 다시 수행한 후), 확인된 농도 구배에 근거하여, 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130) 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계이다.
이때, 바나듐 레독스 플로우 배터리의 경우, 이온 농도 조절제는 수소 이온을 포함하는 물질이 될 수 있으며, 구체적으로 황산(H2SO4), 포름산(HCOOH), 질산(HNO3) 및 염산(HCl) 수용액 중 어느 하나 이상일 수 있다.
예를 들어, 음극 전해액 수용부(120)에 이온 농도 조절제로서 황산을 일정량 투입할 수 있다. 한편, 추가 투입되는 황산의 비중은 약 1.8 수준이므로 전해액 수용부 하단에 위치하기 쉽기 때문에 전해액과 이온 농도 조절제를 교반할 수 있는 교반 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
(e) 단계는, 상술된 (b) 단계, (c) 단계 및 (d) 단계를 반복적으로 수행함으로써, 음극 전해액 및 양극 전해액의 농도 균형에 상응하는 이온 농도 조절제의 양을 결정하는 단계이다.
즉, 상술된 바와 같이 투입되는 이온 농도 조절제의 양을 조절하면서 반복적으로 농도 구배를 확인하는 과정을 통하여, 농도 구배에 의해 발생되는 삼투 현상을 억제 혹은 방지할 수 있는 수준의 이온 농도 조절제의 양을 결정하는 단계이다.
이러한 단계는, 사용자의 시각을 통하여 수동으로 수행할 수도 있으나 혹은상술된 모니터링부(140) 및 이온 농도 조절제 투입부(150)와 연결된 제어부(170)가 자동으로 연산할 수도 있음을 유의한다.
(f) 단계는, 결정된 이온 농도 조절제의 양에 근거하여, 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20) 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계이다.
이때, 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20)에 제공되는 이온 농도 조절제의 양은 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부(120, 130)에 위치하던 전해액의 부피와 투입된 이온 농도 조절제의 양과 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)의 부피를 고려하여 산출되게 된다.
한편, 음극 전해액이 2가 바나듐 형태로 존재할 경우, 그와 함께 2가 전해액의 농도가 낮아서 음극 전해액 저장부(10)에 황산을 투입할 경우, 공기 중에 노출 시 2가 바나듐 이온은 3가 바나듐 이온으로 급격히 산화할 수 있으므로, N2, He, Ar과 같은 비활성 기체를 퍼지(purge) 하면서 황산 투입 공정을 수행하여야 함을 유의한다.
또한 산화를 방지하기 위해서는 비중이 낮은 무극성 용매나 오일류 등을 미리 2가 바나듐 전해액에 투입하여, 전해액 상층에 위치시킴으로서 전해액의 공기노출을 미연에 차단함으로써 산화를 방지할 수도 있음을 유의한다.
<
실험예
>
1몰 VOSO4가 용해된 3몰 황산 용액을 5가 및 2가 바나듐으로 전기화학적 산화환원시키고, 이 용액을 각각 양극과 음극에 동량 적용하여 단위 전지를 구성하였다. 평가에 사용된 단위 전지에는 50 x 50mm 크기의 탄소펠트가 전극으로 적용되며, 나피온 이온 교환막이 사용되었다. 또한, 전해액의 공급 속도는 25cc/min이었으며, 각 전해액의 최초 부피는 75cc였다.
이때 음극에 2가 전해액에 황산을 부피비로 4% 추가 투입한 후 전지 용량을 시험하였다.
<
비교예
>
실험예와 동일한 상태로 단위 전지를 구성하였고, 음극에 추가 황산을 투입하지 않은 것만을 제외하고는 동일한 조건으로 전지 용량을 시험하였다.
<결과 논의>
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 따라 전해액 농도 균형을 조절한 경우와 그렇지 않은 경우에 대한 배터리 성능 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
비교예와 같이, 추가적으로 황산을 투입하지 않은 전지(즉 농도 균형 절차를 수행하지 않음)에서는 충방전 싸이클이 거듭될수록 배터리 용량 저하가 발생하였으며, 29 싸이클 후에 5가 전해액의 부피가 9% 증가된 것이 관찰되었다.
반면에 실험예와 같이, 2가 전해액에 황산을 부피비로 4% 추가 투입한 전지에서는 충방전 싸이클이 거급되더라도 배터리 용량 저하가 크지 않았으며, 29 싸이클 후에도 양쪽 전해액의 부피변화는 거의 없는 것이 관찰되었다.
이와 같이, 배터리 성능 테스트 전 미리 황산을 적당량 추가 투입하여 이온 균형을 맞춘 경우, 그렇지 않은 경우보다 방전 용량이 20% 이상 크다는 것을 알 수 있었다. 이러한 이유는 미리 전해액의 농도 균형을 조절하여, 삼투현상을 미연에 방지함으로써 물의 이동 및 기타 이온의 분리막 투과 현상을 억제하였기 때문이라고 판단되며, 그로 인해 발생할 수 있는 바나듐 이온 균형의 붕괴를 방지하였기 때문이라고 판단된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 음극 전해액 저장부
11 : 펌프
20 : 음극 전해액 저장부 21 : 펌프
31 : 분리막
32 : 음극 33 : 양극
41 : 음극 전해액 유입구 42 : 양극 전해액 유입구
51 : 음극 전해액 유출구 52 : 양극 전해액 유출구
100 : 전해액 농도 조절 모듈 110 : 취출관
120, 130 : 음극 및 양극 전해액 수용부
121, 131 : 계측부
111, 112, 113, 114, 115 : 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 밸브
140 : 모니터링부
150 : 이온 농도 조절제 투입부
160 : 배수부
170 : 제어부
20 : 음극 전해액 저장부 21 : 펌프
31 : 분리막
32 : 음극 33 : 양극
41 : 음극 전해액 유입구 42 : 양극 전해액 유입구
51 : 음극 전해액 유출구 52 : 양극 전해액 유출구
100 : 전해액 농도 조절 모듈 110 : 취출관
120, 130 : 음극 및 양극 전해액 수용부
121, 131 : 계측부
111, 112, 113, 114, 115 : 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 밸브
140 : 모니터링부
150 : 이온 농도 조절제 투입부
160 : 배수부
170 : 제어부
Claims (21)
- 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 농도 조절 모듈에 있어서,
일측이 음극 전해액 저장부에 연결 가능하고, 타측이 양극 전해액 저장부에 연결 가능한 취출관;
상기 취출관에 연결되어 음극 및 양극 전해액을 각각 보관 가능하게 구성되는 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부; 및
상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 사이에 위치하며, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 각각 보관되는 음극 및 양극 전해액의 혼합 여부를 조절하는 제1 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전해액 농도 조절 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 전해액 농도 조절 모듈은,
상기 제1 밸브를 개방하여 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 수용된 상기 음극 및 양극 전해액을 혼합시켜 상기 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써, 상기 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 것을 특징으로 하는,
전해액 농도 조절 모듈.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전해액 농도 조절 모듈은,
상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 수용된 상기 음극 및 양극 전해액이 혼합되는 경우 상기 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정하는 모니터링부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전해액 농도 조절 모듈.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에는 수용된 음극 및 양극 전해액의 부피를 측정할 수 있도록 눈금 형태의 계측부가 제공되는 것을 특징으로 하는,
전해액 농도 조절 모듈.
- 제2항에 있어서,
상기 전해액 농도 조절 모듈은,
상기 농도 구배에 근거하여, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 것을 특징으로 하는,
전해액 농도 조절 모듈.
- 제2항에 있어서,
상기 전해액 농도 조절 모듈은,
상기 농도 구배에 근거하여, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 이온 농도 조절제 투입부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전해액 농도 조절 모듈.
- 제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 전해액 농도 조절 모듈은,
상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 위치하는 전해액과 상기 이온 농도 조절제를 교반할 수 있는 교반 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전해액 농도 조절 모듈.
- 제7항에 있어서,
상기 교반 장치는
임펠라(impeller), 아지테이터(agitator) 및 마그네틱 스티러(magnetic stirrer) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
전해액 농도 조절 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 음극 전해액 저장부와 상기 음극 전해액 수용부 사이에는 제2 밸브가 제공되어, 상기 음극 전해액 저장부에 저장된 음극 전해액이 상기 음극 전해액 수용부로 취출되는 것을 조절하는 것을 특징으로 하는,
전해액 농도 조절 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 양극 전해액 저장부와 상기 양극 전해액 수용부 사이에는 제3 밸브가 제공되어, 상기 양극 전해액 저장부에 저장된 양극 전해액이 상기 양극 전해액 수용부로 취출되는 것을 조절하는 것을 특징으로 하는,
전해액 농도 조절 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 전해액 농도 조절 모듈은,
상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 보관되거나 혼합된 전해액을 외부로 배출할 수 있도록 구성되는 하나 이상의 배수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해액 농도 조절 모듈.
- 제11항에 있어서,
상기 하나 이상의 배수부는 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 각각 제공되며, 그리고 전해액의 배출 여부를 조절할 수 있는 제4 밸브 및 제5 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전해액 농도 조절 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인 것을 특징으로 하는,
전해액 농도 조절 모듈.
- 제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 이온 농도 조절제는 황산(H2SO4), 포름산(HCOOH), 질산(HNO3) 및 염산(HCl) 수용액 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 전해액 농도 조절 모듈.
- 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법에 있어서,
(a) 취출관을 이용하여 음극 전해액 저장부 및 양극 전해액 저장부로부터 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부로 음극 전해액 및 양극 전해액을 취출하여 보관하는 단계;
(b) 상기 보관된 음극 전해액 및 양극 전해액을 혼합시켜 상기 음극 및 양극 전해액의 확산 정도를 측정함으로써, 상기 음극 및 양극 전해액 사이의 농도 구배를 확인하는 단계;
(c) 상기 혼합된 전해액을 외부로 배출하는 단계; 및
(d) 상기 (a) 단계를 재차 수행한 후, 상기 농도 구배에 근거하여, 상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
- 제15항에 있어서,
(e) 상기 (b) 단계, 상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계를 반복적으로 수행함으로써, 음극 전해액 및 양극 전해액의 농도 균형에 상응하는 이온 농도 조절제의 양을 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
- 제16항에 있어서,
(f) 상기 결정된 이온 농도 조절제의 양에 근거하여, 상기 음극 전해액 저장부 및 양극 전해액 저장부 중 어느 하나 이상에 이온 농도 조절제를 제공하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계 사이에는,
상기 취출관 및 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부를 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 한 쌍의 음극 및 양극 전해액 수용부에 위치하는 전해액과 상기 이온 농도 조절제를 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 이온 농도 조절제는 황산(H2SO4), 포름산(HCOOH), 질산(HNO3) 및 염산(HCl) 수용액 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법.
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| KR1020140067181A KR101736539B1 (ko) | 2014-06-02 | 2014-06-02 | 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 농도 조절 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 농도 균형 조절 방법 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |