KR20150141305A - 플로우 배터리 및 플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법 - Google Patents

플로우 배터리 및 플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액 저장부를 각각 복수로 구성하여 음극 및 양극 전극에 유입되는 전해액과 음극 및 양극 전극으로부터 유출되는 전해액을 각각 분리시켜 보관함으로써, 산화/환원 반응이 완료되기 전 전해액과 완료된 후 전해액의 이온 혼합을 방지하고, 그에 따른 전해액 저장부 내의 자체적인 이온간 산화/환원 반응을 방지 및 억제하여 전기화학적 용량 손실 및 방전 시 전압 강하 현상을 방지 및 억제할 수 있는 플로우 배터리 및 플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법에 관한 것이다.

Description

플로우 배터리 및 플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법{Flow battery and method of preventing mix of the electrolyte}
본 발명은 플로우 배터리 및 플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액 저장부를 각각 복수로 구성하여 음극 및 양극 전극에 유입되는 전해액과 음극 및 양극 전극으로부터 유출되는 전해액을 각각 분리시켜 보관함으로써, 산화/환원 반응(레독스 반응)이 완료되기 전 전해액과 완료된 후 전해액의 이온 혼합을 방지하고, 그에 따른 전해액 저장부 내의 자체적인 이온간 산화/환원 반응을 방지 및 억제하여 전기화학적 용량 손실 및 방전 시 전압 강하 현상을 방지 및 억제할 수 있는 플로우 배터리 및 플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 3방향 밸브를 이용하여 양극 및 음극 전극으로 유입 혹은 유출되는 전해액의 유동 방향을 조절하거나, 또는 하나 이상의 펌프를 이용하여 전해액의 유동 방향을 능동적으로 조절할 수 있는 플로우 배터리 및 플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 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, 종래의 바나듐 레독스 플로우 배터리는 양극 전해액 저장부 및 음극 전해액 저장부가 각각 1개씩 구성되기 때문에, 양극 및 음극 전극에 유입되는 전해액 및 양극 및 음극 전극으로부터 유출되는 전해액이 서로 동일한 용기에 보관됨에 따라 이미 산화/환원 반응이 이루어진 전해액과 산화/환원 반응이 아직 이루어지지 않은 전해액이 서로 섞이면서 순수한 전해액이 셀이나 스택에 공급되지 않게 되고, 그에 따라 플로우 배터리의 입구와 출구의 활성이온의 산화상태가 달라져 플로우 배터리의 자체적인 용량저하 및 전압강하 문제점이 발생되고 있었다.
한국공개특허 제10-2012-0099025호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액 저장부를 각각 복수로 구성하여 음극 및 양극 전극에 유입되는 전해액과 음극 및 양극 전극으로부터 유출되는 전해액을 각각 분리시켜 보관함으로써, 산화/환원 반응이 완료되기 전 전해액과 완료된 후 전해액의 이온 혼합을 방지하고, 그에 따른 전해액 저장부 내의 자체적인 이온간 산화/환원 반응을 방지 및 억제하여 전기화학적 용량 손실 및 방전 시 전압 강하 현상을 방지 및 억제할 수 있는 플로우 배터리 및 플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 3방향 밸브를 이용하여 양극 및 음극 전극으로 유입 혹은 유출되는 전해액의 유동 방향을 조절하거나, 또는 하나 이상의 펌프를 이용하여 전해액의 유동 방향을 능동적으로 조절할 수 있는 플로우 배터리 및 플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 산화 환원 반응을 통해 전기를 생성하는 플로우 배터리에 있어서, 상기 플로우 배터리의 양극 혹은 음극 전극에 연결 가능하게 구성되는 제1 및 제2 전해액 저장부; 및 상기 제1 전해액 저장부, 상기 양극 혹은 음극 전극 및 상기 제2 전해액 저장부의 유동 방향, 또는 상기 제2 전해액 저장부, 상기 양극 혹은 음극 전극 및 상기 제1 전해액 저장부의 유동 방향을 따라 상기 전해액의 유동 방향을 제어할 수 있도록 구성되는 제어 모듈;을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어 모듈은, 기 제1 전해액 저장부 내에 저장된 전해액 및 제2 전해액 저장부 내에 저장된 전해액 중 어느 하나가 상기 양극 혹은 음극 전극 중 어느 하나의 일측에 유입되도록 구성되는 제1 밸브; 및 상기 양극 혹은 음극 전극 중 어느 하나의 타측을 통해 유출되는 전해액이 상기 제1 전해액 저장부 및 제2 전해액 저장부 중 어느 하나에 공급되도록 구성되는 제2 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 밸브는 3 방향 밸브(3-way valve)구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 밸브 및 상기 전극의 일측 사이에는 펌프(pump);가 제공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어 모듈은 상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액 수위 상태를 센싱하는 수위센서(level sensor) 및 상기 센싱된 결과를 기반으로 상기 제1 밸브 또는 제2 밸브의 방향을 전환하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액의 초기 부피 및 흐름 속도를 기반으로 상기 제1 또는 제2 밸브의 방향을 일정한 주기로 전환하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 밸브의 재질은 내부가 내산성 재료로 코팅된 금속재, 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 및 폴리비닐이딘 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF) 중 어느 하나 이상을 가지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 상태 전해액 저장부, 상기 제1 및 제2 밸브는 상기 플로우 배터리의 양극 혹은 음극 전극에 대응하여 각각 복수로 구비되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어 모듈은 상기 제1 전해액 저장부 내에 저장된 전해액이 상기 양극 혹은 음극 전극 중 어느 하나의 일측에 공급되도록 하거나 또는 상기 양극 혹은 음극 전극 중 어느 하나의 타측을 통해 유출되는 전해액이 상기 제2 전해액 저장부에 공급되도록 구성되는 펌프;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어 모듈은 상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액 수위 상태를 센싱하는 수위 센서; 및 상기 센싱된 결과를 기반으로 상기 펌프의 전해액 공급 방향을 전환하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액의 초기 부피 및 흐름 속도를 기반으로 상기 펌프의 전해액 공급 방향을 일정한 주기로 전환하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 상태 전해액 저장부, 상기 펌프는 상기 플로우 배터리의 음극 전극 및 양극 전극에 대응하여 각각 복수로 구비되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 산화 환원 반응을 통해 전기를 생성하는 플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법에 있어서, 상기 플로우 배터리의 양극 혹은 음극 전극에 제1 및 제2 전해액 저장부를 연결하는 단계; 및 제어 모듈에서 상기 제1 전해액 저장부, 상기 양극 혹은 음극 전극 및 상기 제2 전해액 저장부의 유동 방향, 또는 상기 제2 전해액 저장부, 상기 양극 혹은 음극 전극 및 상기 제1 전해액 저장부의 유동 방향을 따라 상기 전해액의 유동 방향을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어하는 단계는 제1 밸브를 이용하여 상기 제1 전해액 저장부 내에 저장된 전해액 및 제2 전해액 저장부 내에 저장된 전해액 중 어느 하나를 상기 전극의 일측에 유입하는 단계; 및 제2 밸브를 이용하여 상기 양극 혹은 음극 전극의 타측을 통해 유출되는 전해액을 상기 제1 전해액 저장부 및 제2 전해액 저장부 중 어느 하나에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어하는 단계는 수위센서(level sensor)를 통해 상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액 수위 상태를 센싱하는 단계; 및 제어부에서 상기 센싱된 결과를 기반으로 상기 제1 밸브 또는 제2 밸브의 방향을 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전환하는 단계는 상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액의 초기 부피 및 흐름 속도를 기반으로 상기 제1 또는 제2 밸브의 방향을 일정한 주기로 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어하는 단계는 펌프를 이용하여 상기 제1 전해액 저장부 내에 저장된 전해액이 상기 양극 혹은 음극 전극 중 어느 하나의 일측에 공급되도록 하는 단계; 및 상기 펌프를 이용하여 상기 양극 혹은 음극 전극 중 어느 하나의 타측을 통해 유출되는 전해액이 상기 제2 전해액 저장부에 공급되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어하는 단계는 수위센서(level sensor)를 통해 상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액 수위 상태를 센싱하는 단계; 및 제어부에서 상기 센싱된 결과를 기반으로 상기 펌프의 전해액 공급 방향을 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전환하는 단계는 상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액의 초기 부피 및 흐름 속도를 기반으로 상기 펌프의 전해액 공급 방향을 일정한 주기로 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액 저장부를 각각 복수로 구성하여 음극 및 양극 전극에 유입되는 전해액과 음극 및 양극 전극으로부터 유출되는 전해액을 각각 분리시켜 보관함으로써, 산화/환원 반응이 완료되기 전해액과 완료된 후 전해액의 이온 혼합을 방지하여 양극 및 음극 전해액 저장부 내의 자체적인 이온간 산화/환원 반응을 방지 및 억제하여 전기화학적 용량 손실 및 방전 시 전압 강하 현상을 미연에 방지할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 3방향 밸브를 이용하여 양극 및 음극 전극으로 유입 혹은 유출되는 전해액의 유동 방향을 조절하거나, 또는 하나 이상의 펌프를 이용하여 전해액의 유동 방향을 조절할 수 있으며, 이때 수위센서를 통해 양극 및 음극 전해액 저장부 내의 전해액 수위를 자동으로 센싱하여 3방향 밸브 혹은 하나 이상의 펌프의 유동 방향을 신속, 정확하며 규칙적으로 조절할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 산화/환원 반응이 이루어진 전해액을 보관할 수 있는 별도의 전해액 저장부가 제공되기 때문에 산화/환원 반응이 이루어지기 전 상태의 전해액이 완전 소진할 때까지 플로우 배터리는 처음과 동일한 전압을 일정시간 동안 유지할 수 있으며, 특히 계단 형태의 전압 감소로 인해 향상된 출력 성능을 보장받을 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 레독스 플로우 배터리의 일반적인 구조를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리(100)에 제1 및 제2 밸브(131, 132)가 적용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 저장부(100)에 펌프(133)가 적용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
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.
<플로우 배터리>
도 1은 레독스 플로우 배터리의 일반적인 구조를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리(100)에 제1 및 제2 밸브(131, 132)가 적용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 저장부(100)에 펌프(133)가 적용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
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 플로우 배터리(100)는 제1 및 제2 전해액 저장부(110, 120) 및 제어 모듈(130)을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 전해액 저장부(110, 120)는 도 1에 도시된 음극 (32) 및 양극(33)에 연결 가능하게 구성될 수 있으며, 도 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 전해액 저장부(110, 120)가 음극(32)과 연결되는 것으로 도시하였지만 이는 음극(32)뿐만 아니라, 양극(33)에도 적용될 수 있음을 유의한다.
이러한 제1 전해액 저장부(110)에는 산화/환원 반응(레독스 반응)이 이루어지기 전 상태에 해당하는 반응전 전해액(200)이 저장될 수 있으며, 제2 전해액 저장부(120)는 산화/환원 반응이 이루어진 후 상태에 해당하는 반응후 전해액(300)이 저장될 수 있다.
이때, 제1 및 제2 전해액 저장부(110, 120) 내에 저장되는 전해액은 산화/환원이 이루어진 시점에 따라 변경될 수 있는데, 예를 들어 제1 전해액 저장부(110) 내에 저장된 반응전 전해액(200)이 산화 반응을 통해 모두 산화 및 소진되어 제2 전해액 저장부(120) 내에 반응후 전해액(300)으로써 저장될 수도 있고, 반대로 제2 전해액 저장부(120) 내에 저장된 반응 후 전해액(200)이 환원 반응을 통해 모두 환원 및 소진되어 제1 전해액 저장부(110) 내에 반응전 전해액 (200)으로써 저장될 수 도 있다.
즉, 반응전 전해액(200)이라 함은 산화 전 상태이거나 또는 환원 후 상태인 전해액을 의미로 해석될 수 있고, 반응후 전해액(300)이라 함은 산화 후 상태이거나 또는 환원 전 상태인 전해액의 의미로 해석될 수 있다.
또한, 본 명세서에서는 제1 전해액 저장부(110) 내에 반응전 전해액(200)이 저장되고 제2 전해액 저장부(120) 내에 반응후 전해액(300)이 저장되는 것으로 도시 및 기재하였지만, 이는 제한되는 것이 아니며 반응전 전해액(200) 및 반응후 전해액(300)은 서로 변경될 수 있음을 유의한다.
한편, 상술한 반응전 전해액(200) 및 반응후 전해액(300)은 황산수용액에 VOSO4 혹은 V2O5를 용해하여 제조된 바나듐(Vanadium) 산용액에 해당할 수 있으며, 이때 바나듐 산용액 내에 포함되는 바나듐 이온의 산화/환원 반응에 대해서는 도 1에서 상세하게 기재하였기 때문에 설명은 생략하기로 한다.
일 실시예에서, 반응전 전해액(200) 및 반응후 전해액(300) 내에는 바나듐 전구체의 용해도 향상 및 이온전달 속도 증진을 위하여 염산, 옥살산, 개미산 등과 같은 부가적인 산용액을 추가적으로 첨가하거나, 혹은 금속 또는 비금속 계열의 원소를 공존시키거나, 또는 바나듐을 리간드(ligand) 형태로 개선함으로써 바나듐의 침전을 억제할 수도 있다.
제어 모듈(130)은 반응전 전해액(200)을 제1 전해액 저장부(110)에서 음극(32)을 거쳐 제2 전해액 저장부(120)로 유동되도록 하거나, 혹은 반응후 전해액(300)을 제2 전해액 저장부(120)에서 음극(32)을 거쳐 제1 전해액 저장부(110)로 유동되도록 유동 방향을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
이러한 역할을 수행하는 제어 모듈(130)은 제1 밸브(131) 및 제 밸브(132)를 포함할 수 있다.
제1 밸브(131)는 제1 전해액 저장부(110) 내에 저장된 반응전 전해액(200)을 음극(32)의 음극 전해액 유입구(41)에 유입되도록 하거나, 또는 제2 전해액 저장부(120) 내에 저장된 반응후 전해액(300)을 음극(32)의 음극 전해액 유입구(41)에 유입되도록 하는 역할을 수행할 수 있다.
즉, 제1 밸브(131)는 제1 전해액 저장부(110), 제2 전해액 저장부(120) 및 음극 전해액 유입구(41)와 모두 연결되어야 하기에 3방향을 가지는 3방향 밸브(3-way valve) 구조를 가질 수 있다.
이때, 상술한 제1 전해액 저장부(110), 제2 전해액 저장부(120) 및 음극 전해액 유입구(41)가 동시에 연결되는 것을 방지하기 위하여, 제1 밸브(131)는 제1 전해액 저장부(110)와 음극 전해액 유입구(41)가 연결되는 경우에는 제2 전해액 저장부(120)의 입구를 차단하고, 제2 전해액 저장부(120)와 음극 전해액 유입구(41)가 연결되는 경우에는 제1 전해액 저장부(120)의 입구를 차단한다.
제2 밸브(132)는 음극 전해액 유출구(51)를 통해 유출되는 반응후 전해액(300)을 제1 전해액 저장부(110) 또는 제2 전해액 저장부(120)에 공급하는 역할을 수행할 수 있다.
즉, 제2 밸브(132)는 제1 밸브(131)와 마찬가지로 음극 전해액 유출구(51), 제1 전해액 저장부(110) 및 제2 전해액 저장부(120)와 모두 연결되어야 하기에 3방향을 가지는 3방향 밸브(3-way valve)구조를 가질 수 있다.
이때, 상술한 음극 전해액 유출구(51), 제1 전해액 저장부(110) 및 제2 전해액 저장부(120)가 동시에 연결되는 것을 방지하기 위하여, 제2 밸브(132)는 음극 전해액 유출구(51)와 제1 전해액 저장부(110)가 연결되는 경우에는 제2 전해액 저장부(120)의 입구를 차단하고, 음극 전해액 유출구(51)와 제2 전해액 저장부(120)가 연결되는 경우에는 제1 전해액 저장부(110)의 입구를 차단한다.
이러한 제1 및 제2 밸브(131, 132)는 반응전 전해액(200) 및 반응후 전해액(300)에 대해 반응하지 않고 안정적이어야 하기 때문에 제1 및 제2 밸브(131, 132)의 재질은 내부가 내산성 재료로 코팅된 금속재, 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리테트라 플루오로 에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 및 폴리비닐이딘 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF) 중 어느 하나 이상에 해당할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 밸브(131)와 음극 전해액 유입구(41) 사이에는 펌프(pump, 140)가 제공될 수 있으며, 제1 밸브(131)를 통해 음극 전해액 유입구(41)에 공급되는 반응전 전해액(200) 혹은 반응후 전해액(300)의 유동력을 생성하는 역할을 수행한다.
추가적으로, 제어 모듈(130)은 상술한 제1 및 제2 전해액 저장부(110, 120) 내에 저장된 반응전 전해액(200) 혹은 반응후 전해액(300)의 수위 상태를 센싱하는 수위센서(level sensor, 150) 및 수위센서(150)를 통해 센싱된 결과를 기반으로 제1 및 제 밸브(131, 132)의 방향을 전환하는 제어부(160)를 더 포함할 수 있다.
이때, 제어부(160)는 상술한 펌프(140)와도 연결될 수 있으며, 제1 및 제2 전해액 저장부(110, 120) 내에 저장된 반응전 전해액(200) 혹은 반응후 전해액(300)의 수위 상태가 기 설정된 수위 상태를 벗어나는 경우(예를 들어, 저장한계량을 초과하는 경우 등)에 제1 및 제2 밸브(131, 132)의 방향을 전환하고(제1 전해액 저장부(110)의 입구를 차단하거나, 혹은 제2 전해액 저장부(120)의 입구를 차단하거나 등) 펌프(140)를 작동시켜 전해액이 제1 전해액 저장부(110)를 향해 공급되도록 하거나 또는 제2 전해액 저장부(120)를 향해 공급되도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(160)는 제1 및 제2 전해액 저장부(110, 120) 내에 저장된 반응전 전해액(200) 혹은 반응후 전해액(300)의 초기 부피 혹은 흐름 속도(유동 속도)를 기반으로 제1 및 제2 밸브(131, 132)의 방향을 일정한 주기로 규칙적으로 전환할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 제어 모듈(130)에 포함된 제1 및 제2 밸브(131, 132), 펌프(140), 수위센서(150) 및 제어부(160)를 모두 음극(32)에 적용시킨 상태에서 설명하였지만, 이는 음극(32)뿐만 아니라 양극(33)에도 동일하게 적용시킬 수 있으며, 음극(32) 및 양극(33)에 각각 적용시킬 수 있음을 유의한다.
도 3를 살펴보면, 제어 모듈(130)은 상술한 제1 및 제2 밸브(131, 132)뿐만 아니라, 제1 전해액 저장부(110)에 연결되는 펌프(133)를 더 포함할 수 있다.
펌프(133)는 제1 전해액 저장부(110)와 연결 가능하게 구성되며, 제1 전해액 저장부(110) 내에 저장된 반응전 전해액(200)을 음극 전해액 유입구(41) 방향(정방향)으로 유입시키는 역할을 수행할 수 있으며, 경우에 따라서는 반대로 음극 전해액 유입구(41)로부터 유출되는 반응후 전해액(300)을 제1 전해액 저장부(110) 방향(역방향)으로 공급하는 역할도 수행할 수 있다.
즉, 도 3에서는 음극 전해액 유입구(41) 및 음극 전해액 유출구(51)의 역할이 펌프(133)의 동작 방향(정방향 혹은 역방향)에 의하여 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 상술한 펌프(133)는 제1 전해액 저장부(110)뿐만 아니라 제2 전해액 저장부(120)와 연결 가능하도록 추가 제공될 수 있으며, 만약 제1 전해액 저장부(110) 내의 반응전 전해액(200)을 제2 전해액 저장부(120) 방향으로 공급하는 경우에는 2개의 펌프(133)가 각각 제2 전해액 저장부(120)를 향한 방향(정방향)으로 동작될 수 있고, 제2 전해액 저장부(120) 내의 반응후 전해액(300)을 제1 전해액 저장부(110) 방향으로 공급하는 경우에는 2개의 펌프(133)가 각각 제1 전해액 저장부(110)를 향한 방향(역방향)으로 동작될 수 있다.
추가적으로, 제어 모듈(130)은 상술한 제1 및 제2 전해액 저장부(110, 120) 내에 저장된 반응전 전해액(200) 혹은 반응후 전해액(300)의 수위 상태를 센싱하는 수위센서(level sensor, 170) 및 수위센서(170)를 통해 센싱된 결과를 기반으로 펌프(133)의 방향을 전환하는 제어부(180)를 더 포함할 수 있다.
이때, 제어부(180)는 제1 및 제2 전해액 저장부(110, 120) 내에 저장된 반응전 전해액(200) 혹은 반응후 전해액(300)의 수위 상태가 기 설정된 수위 상태를 벗어나는 경우(예를 들어, 저장한계량을 초과하는 경우 등)에 펌프(133)의 전해액 유동 방향을 전환하여 작동시킴으로써 전해액이 제1 전해액 저장부(110)를 향해 공급되도록 하거나 또는 제2 전해액 저장부(120)를 향해 공급되도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(180)는 제1 및 제2 전해액 저장부(110, 120) 내에 저장된 반응전 전해액(200) 혹은 반응후 전해액(300) 의 초기 부피 혹은 흐름 속도(유동 속도)를 기반으로 펌프(133)의 전해액 유동 방향을 일정한 주기로 규칙적으로 전환할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 제어 모듈(130)에 포함된 펌프(133), 수위센서(170) 및 제어부(180)를 모두 음극(32)에 적용시킨 상태에서 설명하였지만, 이는 음극(32)뿐만 아니라 양극(33)에도 동일하게 적용시킬 수 있으며, 음극(32) 및 양극(33)에 각각 적용시킬 수 있음을 유의한다.
<플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법>
본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 플로우 배터리의 음극(32)에 제1 및 제2 전해액 저장부(110, 120)를 연결하고, 제1 전해액 저장부(110) 내에 반응전 전해액(200)을 저장시킨다.
그 다음, 제어 모듈(130)에서 제1 전해액 저장부(110) 내에 저장된 반응전 전해액(200)을 음극(32)에 유입시키게 되면 음극(32) 내에서는 반응전 전해액(200)이 산화되어 반응후 전해액(300)으로 변경된다.
그 다음, 제어 모듈(130)은 음극(32)을 통해 유출되는 반응후 전해액(300)을 제2 전해액 저장부(120) 내에 저장시키게 되며, 결과적으로 제1 전해액 저장부(110) 내에 저장된 반응전 전해액(200)은 모두 산화 반응을 통해 소진되어 제2 전해액 저장부(120) 내에 반응후 전해액(300)으로써 저장된다.
반대로, 제어 모듈(130)에서 제2 전해액 저장부(120) 내에 저장된 반응후 전해액(300)을 음극(32)에 유입시키게 되면 음극(32) 내에서는 반응후 전해액(300)이 환원되어 반응전 전해액(200)으로 변경된다.
그 다음, 제어 모듈(130)은 음극(32)을 통해 유출되는 반응전 전해액(200)을 제1 전해액 저장부(120) 내에 저장시키게 되며, 결과적으로 제2 전해액 저장부(120) 내에 저장된 반응후 전해액(300)은 모두 환원 반응을 통해 소진되어 다시 제1 전해액 저장부(110) 내에 반응전 전해액(200)으로써 저장된다.
살펴본 바와 같이, 본 발명은 산화/환원 반응이 이루어지기 전 상태의 전해액과 산화/환원 반응이 이루어진 후 상태의 전해액을 서로 분리시켜 저장함으로써 전해액이 동일한 산화 상태의 활성이온을 가지도록 하고, 그에 따라 전해액 저장부 내에서 자체적으로 발생할 수 있는 이온간의 산화/환원 반응 윽 억제하고 전기화학적 용량 손실 및 방전 시 전압강하 현상을 방지 및 억제할 수 있다.
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 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 : 플로우 배터리
110 : 제1 전해액 저장부 120 : 제2 전해액 저장부
130 : 제어 모듈
131 : 제1 밸브 132 : 제2 밸브
133 : 펌프
140 : 펌프 150 : 수위센서
160 : 제어부 170 : 수위센서
180 : 제어부
200 : 반응전 전해액 300 : 반응후 전해액

Claims (20)

  1. 산화 환원 반응을 통해 전기를 생성하는 플로우 배터리에 있어서,
    상기 플로우 배터리의 양극 혹은 음극 전극에 연결 가능하게 구성되는 제1 및 제2 전해액 저장부; 및
    상기 제1 전해액 저장부, 상기 양극 혹은 음극 전극 및 상기 제2 전해액 저장부의 유동 방향, 또는 상기 제2 전해액 저장부, 상기 양극 혹은 음극 전극 및 상기 제1 전해액 저장부의 유동 방향을 따라 상기 전해액의 유동 방향을 제어할 수 있도록 구성되는 제어 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 제1 전해액 저장부 내에 저장된 전해액 및 제2 전해액 저장부 내에 저장된 전해액 중 어느 하나가 상기 양극 혹은 음극 전극 중 어느 하나의 일측에 유입되도록 구성되는 제1 밸브; 및
    상기 양극 혹은 음극 전극 중 어느 하나의 타측을 통해 유출되는 전해액이 상기 제1 전해액 저장부 및 제2 전해액 저장부 중 어느 하나에 공급되도록 구성되는 제2 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 밸브는,
    3 방향 밸브(3-way valve)구조를 가지는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 방지 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 밸브 및 상기 전극의 일측 사이에는 펌프(pump);가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 방지 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액 수위 상태를 센싱하는 수위센서(level sensor) 및
    상기 센싱된 결과를 기반으로 상기 제1 밸브 또는 제2 밸브의 방향을 전환하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액의 초기 부피 및 흐름 속도를 기반으로 상기 제1 또는 제2 밸브의 방향을 일정한 주기로 전환하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 밸브의 재질은,
    내부가 내산성 재료로 코팅된 금속재, 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리테트라 플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 및 폴리비닐이딘 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF)중 어느 하나 이상을 가지는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 상태 전해액 저장부, 상기 제1 및 제2 밸브는 상기 플로우 배터리의 양극 혹은 음극 전극에 대응하여 각각 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 제1 전해액 저장부 내에 저장된 전해액이 상기 양극 혹은 음극 전극 중 어느 하나의 일측에 공급되도록 하거나, 또는 상기 양극 혹은 음극 전극 중 어느 하나의 타측을 통해 유출되는 전해액이 상기 제2 전해액 저장부에 공급되도록 구성되는 펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액 수위 상태를 센싱하는 수위 센서; 및
    상기 센싱된 결과를 기반으로 상기 펌프의 전해액 공급 방향을 전환하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액의 초기 부피 및 흐름 속도를 기반으로 상기 펌프의 전해액 공급 방향을 일정한 주기로 전환하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 상태 전해액 저장부, 상기 펌프는 상기 플로우 배터리의 음극 전극 및 양극 전극에 대응하여 각각 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리.
  14. 산화 환원 반응을 통해 전기를 생성하는 플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법에 있어서,
    상기 플로우 배터리의 양극 혹은 음극 전극에 제1 및 제2 전해액 저장부를 연결하는 단계; 및
    제어 모듈에서 상기 제1 전해액 저장부, 상기 양극 혹은 음극 전극 및 상기 제2 전해액 저장부의 유동 방향, 또는 상기 제2 전해액 저장부, 상기 양극 혹은 음극 전극 및 상기 제1 전해액 저장부의 유동 방향을 따라 상기 전해액의 유동 방향을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    제1 밸브를 이용하여 상기 제1 전해액 저장부 내에 저장된 전해액 및 제2 전해액 저장부 내에 저장된 전해액 중 어느 하나를 상기 전극의 일측에 유입하는 단계; 및
    제2 밸브를 이용하여 상기 양극 혹은 음극 전극의 타측을 통해 유출되는 전해액을 상기 제1 전해액 저장부 및 제2 전해액 저장부 중 어느 하나에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    수위센서(level sensor)를 통해 상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액 수위 상태를 센싱하는 단계; 및
    제어부에서 상기 센싱된 결과를 기반으로 상기 제1 밸브 또는 제2 밸브의 방향을 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전환하는 단계는,
    상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액의 초기 부피 및 흐름 속도를 기반으로 상기 제1 또는 제2 밸브의 방향을 일정한 주기로 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    펌프를 이용하여 상기 제1 전해액 저장부 내에 저장된 전해액이 상기 양극 혹은 음극 전극 중 어느 하나의 일측에 공급되도록 하는 단계; 및
    상기 펌프를 이용하여 상기 양극 혹은 음극 전극 중 어느 하나의 타측을 통해 유출되는 전해액이 상기 제2 전해액 저장부에 공급되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    수위센서(level sensor)를 통해 상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액 수위 상태를 센싱하는 단계; 및
    제어부에서 상기 센싱된 결과를 기반으로 상기 펌프의 전해액 공급 방향을 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전환하는 단계는,
    상기 제1 전해액 저장부 또는 제2 전해액 저장부 내의 전해액의 초기 부피 및 흐름 속도를 기반으로 상기 펌프의 전해액 공급 방향을 일정한 주기로 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방지 방법.
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