KR20160064545A - 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템 - Google Patents

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KR20160064545A
KR20160064545A KR1020140168281A KR20140168281A KR20160064545A KR 20160064545 A KR20160064545 A KR 20160064545A KR 1020140168281 A KR1020140168281 A KR 1020140168281A KR 20140168281 A KR20140168281 A KR 20140168281A KR 20160064545 A KR20160064545 A KR 20160064545A
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김대식
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정현진
장현석
최은미
하달용
심규철
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롯데케미칼 주식회사
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Abstract

본 발명은 방전시 2차 전해질액조의 큐비알(QBr) 유량조절을 통해 배터리의 내부 전해질 흐름을 개선하는 것은 물론, 배터리의 방전시간 및 효율성 향상을 도모하도록, 전지 스택으로 각각의 전해질 액을 공급하는 캐소드액조 및 애노이드액조 외에 2차 전해질액조를 포함하되, 상기 2차 전해질액조는 상기 캐소드액조 및 애노이드액조와는 별도로, 상기 캐소드액조 곁에 나란히 배치되고, 상기 2차 전해질액조의 말단 배출배관 상에는 방전시 큐비알(QBr)의 배출량을 조절하는 유량조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템을 제공한다.

Description

징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템{Zn-Br Redox Flow Battery System}
본 발명은 징크-브로민 산화환원 전지 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 방전시 2차 전해질액조의 큐비알(QBr) 공급유량을 조절함으로써, 배터리의 내부 전해질 흐름을 개선하는 동시에 방전시간 및 효율성 향상을 도모할 수 있는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에 관한 것이다.
통상적인 에너지는 에너지 위기 및 환경 오염을 이유로 재생 에너지로 대체되고 있다. 풍력이나 태양 에너지와 같은 재생 에너지는 대규모 시설로 발전하고 있다. 그러나 풍력 및 태양 에너지는 발전상의 안정성을 보장하기 어려운 한계로 인해 전력망에 미치는 영향은 점점 악화되고 있는 실정이다.
이에 따라, 부하 평준화 (load-shifting)를 실현하는 안정적인 재생 에너지를 얻기 위해, 저비용, 고효율의 고용량 에너지 저장 시스템에 대한 연구 및 개발을 필요로 한다.
다양한 에너지 저장 시스템 중에서도 레독스 흐름 전지는 용량 조절이 가능하고, 고상 반응이 없으며, 전극 물질의 마이크로구조 변화가 없는 등 저비용에 긴 수명, 그리고 높은 신뢰도와 작동 및 유지에 드는 비용이 적다는 장점으로 인해 연구 및 개발이 집중되어 왔다.
바나듐 레독스 흐름 전지(이하, "브이알비(VRB)"라 함)는 금속 원소 바나듐의 레독스 반응을 기반으로 한 재생 연료 전지 에너지 저장 시스템이다. 바나듐 전지에서, 전기 에너지는 화학 에너지 형태의 다른 원자가의 바나듐 이온의 술페이트 전해질 내에 저장된다. 전해질은 외부 펌프에 의해 전지 스택으로 공급되므로, 이는 다른 저장탱크 및 하프 셀 (half cells)로 이루어진 폐회로 내에서 순환된다.
전지의 분리막 역할을 위한 양자 교환막(PEM)이 구비된 전해질 용액은 평행하게 전극의 표면을 교차하게 흐르면서 전기화학 반응을 일으키고, 전기 전류는 분리판(bipolar plates)에 의해 수집, 전도된다.
이러한 방식으로, 전해질 용액 내에 저장된 화학 에너지는 전기 에너지로 변환된다. 상기 가역적 반응은 순조롭게 바나듐 전지를 충전, 방전, 및 재충전을 가능하게 한다.
그러나, 다른 레독스 흐름 전지에서 발생하는 것과 같이, 브이알비(VRB)는 충전 및 방전 사이클 동안, 양극 및 음극 간의 이온 및 물의 이동이 전해질의 균형을 점진적으로 깨므로 인해 전지의 효율 및 용량을 감소시키게 된다.
이러한 문제 해결하기 위하여, 어느 정도의 작동기간 후, 양전해질 및 음전해질을 초기 상태로 혼합해야 하는 복잡한 공정이 요구된다. 상기 공정은 매우 복잡하며 혼합 공정을 수행하기 위해 부가적인 전력 또한 필요하게 된다. 통상적인 공정에 관해서는, 미국특허 US 6,764,789호에서 2개의 치환 방법이 기재되어 있다.
먼저, 회분식 액체 조정 방법(batchwise liquid adjusting method)은 예를 들어, 30번의 충전 및 방전 사이클 후에, 저장탱크의 액면이 상승 된 저장탱크 내의 양전해질 또는 음전해질을 저장탱크의 액면이 저하된 저장탱크의 양전해질 또는 음전해질로 펌핑하는 방법으로 이루어진다.
그리고, 오버플로우 방법(overflow method)은 양전해질 저장탱크 및 음전해질 저장탱크 간의 초기 레벨 차이를 설정하고 양전해질 저장탱크 및 음전해질 저장탱크 중 어느 하나 내의 액면이 상승 된 전해질을 액면이 저하된 다른 하나의 전해질로 중력작용에 의해 흐르도록 양전해질 및 음전해질의 양 탱크를 연결하는 관이 구비된 소정의 장치를 통해 구현될 수 있도록 이루어지는 방법이다.
이외에도 레독스 흐름 전지에서 전해질의 균형을 유지할 수 있도록 하여 전지의 용량 및 효율을 높이데 초점을 맞춘 형태의 기술은 많이 개시되어 있다.
예를 들면, 국내 공개특허공보 제 2014-0120392호(2014. 10. 14 공개, 이하 "종래기술"이라 함)와 같은 기술을 들 수 있다. 상기한 종래기술은 바나듐 산화환원쌍을 포함하는 재생 연료 전지와 그 구동 방법에 관한 것으로, 수소 탱크 전단에 설치된 분리 탱크에 체크 밸브를 설치하고, 분리 탱크와 전해질 탱크 간에는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 적용하여 물과 바나듐 이온의 이송을 제어할 수 있도록 한 형태라 할 수 있다.
하지만, 상기 종래기술에서 적용된 전해액은 징크-브로민(Zn-Br)이 아닌 바나듐(Vanadium)에 지나지 않는 것으로, 이를 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에 그대로 적용할 경우, 여전히 배터리의 수명 및 효율이 급격히 떨어질 수밖에 없는 문제점을 극복하지 못한다.
특히, 체크밸브의 경우에는 일정량의 큐비알(QBr)을 전지 스택 내부로 유입시킬 수 없으므로 방전 후 전지 스택 내에 제트엔(Zn) 잔량이 잔류하여 기타 물질과 화학적 부반응을 야기할 수 있으며, 한꺼번에 너무 많은 양의 큐비알(QBr)이 유입될 경우에는 비오피(BOP:Balance of Plant) 부분에 무리를 줌으로 궁극적으로는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에 악영향을 미치게 된다.
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점으로부터 착안 된 것으로, 2차 전해질액조의 큐비알(QBr) 공급량을 조절함으로써, 배터리 성능 즉, 방전시간 및 효율성 등을 향상시킬 수 있는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
나아가, 본 발명은 큐비알(QBr)의 유량 및 유속에 따른 배터리의 내부 흐름성을 낮춰 전압의 급상승이나 저항 증가, 내부 온도 및 압력 상승으로 인한 내부 손실을 방지하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 제안하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템은 전지 스택으로 각각의 전해질 액을 공급하는 캐소드액조 및 애노이드액조 외에 2차 전해질액조를 포함하여 이루어진다.
상기 2차 전해질액조는 상기 캐소드액조 및 애노이드액조와는 별도로, 상기 캐소드액조 곁에 나란히 배치되고, 상기 2차 전해질액조의 말단 배출배관 상에는 방전시 큐비알(QBr)의 배출량을 조절하는 유량조절밸브를 포함하는 형태로 구성된다.
여기서, 상기 유량조절밸브는 각도별로 상기 배출배관의 개폐 정도를 조절하는 조절레버를 포함하는 것으로, 수동식 또는 전자식 제어밸브 형태 등 다양하게 실시할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에 의하면, 2차 전해질액조의 유량조절밸브를 통해 방전시 큐비알(QBr)의 공급량을 조절함으로써, 배터리의 방전시간이나 효율성을 증대시키는 등 성능향상을 도모하는 기술효과를 얻는다.
특히, 본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에 의하면, 충전이 진행되는 동아 생성되고, 점도가 점점 증가하는 큐비알(QBr)의 유량 및 유속에 따른 배터리의 내부 흐름성을 개선하는 것은 물론, 전압의 급상승이나 저항의 증가, 내부 온도 및 압력 상승을 방지하는 등 배터리의 내부 손실을 방지함으로써, 궁극적으로는 내구성의 향상을 도모하는 등의 기술효과도 얻는다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에 의하면, 장시간의 충/방전 진행 및 큐비알(QBr)의 점도로 인한 파이프 배관의 막힘 등 작동 상의 신뢰도를 개선하며, 최종적으로는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템 효율을 높임으로써, 재생 에너지 산업의 발전 기반을 공고히 하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템을 개괄적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에서 2차 전해질액조의 유량조절밸브 각도별 에너지효율을 표시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에서 2차 전해질액조의 유량조절밸브 각도별 전류효율을 표시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에서 2차 전해질액조의 유량조절밸브 각도별 전압효율을 표시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에서 2차 전해질액조의 유량조절밸브 각도별 방전시간을 표시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에서 2차 전해질액조의 유량조절밸브 각도별 스택 내부 온도를 표시한 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템의 기술구성을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템은 도 1에서 도시한 것처럼 전지 스택(10)으로 각각의 전해질 액을 공급하는 캐소드액조(20) 및 애노이드액조(30) 외에 2차 전해질액조(40)를 포함하여 이루어지는 형태로, 상기 2차 전해질액조(40)의 큐비알(QBr) 양을 일정하게 조절, 제어할 수 있도록 구성된 형태라 할 수 있다.
상기 전해질 액은 외부 펌프에 의해 상기 전지 스택(10)으로 공급되므로, 상기 애노이드액조(30), 캐소드액조(20) 및 상기 2차 전해질액조(40)와 하프 셀 (half cells)로 이루어진 폐회로 내에서 순환되게 구성된다.
여기서, 외부 펌프라 함은, 상기 캐소드액조(20)로부터 상기 전지 스택(10)으로 연결된 관로 상에 구비된 제1 공급펌프(21)와, 상기 애노이드액조(30)와 상기 전지 스택(10) 간에 연결된 관로 상에 구비된 제2 공급펌프(31)를 말한다.
상기 제1 및 제2 공급펌프(21)(31)는 각각 상기 캐소드액조(20)와 상기 애노이드액조(30) 속의 상기 전해질 액을 상기 전지 스택(10)으로 공급하는 역할을 수행한다.
상기 2차 전해질액조(40)는 충전 시 상기 큐비알(QBr)을 생성, 저장한 후 방전 시 사용할 수 있도록 하는 것으로, 상기 캐소드액조(20) 및 애노이드액조(30)와는 별도의 저장조 형태로 구성하는 것이 좋다.
상기 2차 전해질액조(40)는 도 1에서처럼 상기 캐소드액조(20) 곁에 나란히 배치된 형태로 실시할 수 있다. 특히, 상기 2차 전해질액조(40)의 말단 배출배관(41) 상에는 소정의 유량조절밸브(50)를 포함하는 형태로 구성된다.
상기 유량조절밸브는 충전 또는 방전 시 상기 큐비알(QBr)의 배출 여부를 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 방전 시에는 상기 큐비알(QBr)의 배출량을 소정의 방식으로 조절할 수 있도록 구성되는 것을 기술구성상의 특징으로 한다.
예를 들어, 상기 유량조절밸브(50)는 해당 각도별로 상기 배출배관(41)의 개폐 정도를 조절할 수 있는 조절레버(51)를 포함하는 등의 형태로 실시할 수 있다.
여기서, 상기 유량조절밸브(50)는 수동식 또는 전자식 제어밸브 형태 등 다양하게 실시할 수 있으므로 시스템에 의한 자동 제어방식이나 해당 작업자에 의한 수동 제어방식 중 어떤 형태로도 실시가능하다.
앞서 설명한 것처럼, 충전이 진행되는 동안 상기 2차 전해질액조(40)의 유량조절밸브(50)는 닫힘 상태(close)를 유지하도록 제어된다. 충전 간에 생성된 상기 큐비알(QBr)은 상기 2차 전해질액조(40) 내에 저장되고, 방전이 진행될 때 즉, 상기 유량조절밸브(50)의 조절레버(51)가 열린 상태(open)로 제어될 때, 일정 량의 상기 큐비알(QBr)이 상기 제1 공급펌프(21)로부터 상기 전지 스택(10) 내부로 주입되게 된다.
이때, 상기 유량조절밸브(50)의 조절레버(51)는 소정의 각도별로 상기 배출배관(41)의 개방 정도를 제어하는 동시에 상기 큐비알(QBr)의 양을 조절하게 된다. 이와 같이 조절된 상기 큐비알(QBr)의 양은 상기 전지 스택(10) 내부에서의 흐름성을 개선하기 때문에 점도가 높은 큐비알(QBr)과 그에 비해 점도가 낮은 징크(Zn) 침전물 간의 용해성을 높여 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템의 방전 시간 및 효율 향상을 도모하게 된다.
상기 전지 스택(10)의 완전 방전 이후 징크(Zn)와 상기 큐비알(QBr) 잔량이 배터리 내부에 남는 경우, 배터리 내부에서 일어나는 부반응의 원인이 되는 것은 물론, 배터리의 효율 및 내구성을 저하하고, 최종적으로 시스템 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.
본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템은 이와 같은 효율 저하 원인을 상기 큐비알(QBr)의 유입 양 조절을 통해 극소화하는 반면에 시스템 효율 및 내구성을 극대화하는 데 있다.
일정 양의 상기 큐비알(QBr)을 상기 전지 스택(10) 내부로 유입시켰을 때, 시스템의 효율 변화를 확인해 보기 위하여 방전 진행 시에만 상기 2차 전해질액조(40)의 유량조절밸브(50)를 각도별로 변경(Open)하여 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템의 성능 테스트를 아래와 같이 진행하였다.
20A_2.5 hour 충전/ 20A_6V 컷 오프(Cut off) 방전 조건으로 충전 및 방전 테스트하여 결과를 비교하였으며, 상기 유량조절밸브(50)의 각도에 따른 상기 큐비알(QBr) 유입량 이외의 전해액이나 스택 및 스트립핑(Stripping) 등은 모두 동일한 조건에서 실험하였다.
유량조절밸브
제어각도		 사이클(Cycle) 전압효율(%) 전류효율(%) 에너지효율(%)

90도
 1 76.39 81.92 62.59
2 75.68 80.26 60.84
3 75.84 80.68 61.36

60도
 1 75.62 87.66 62.94
2 76.17 87.52 65.61
3 75.97 91.36 68.63

45도
 1 76.06 89.22 67.05
2 76.25 91.54 69.08
3 76.23 91.64 69.40

30도
 1 75.76 87.30 65.11
2 76.25 91.16 68.72
3 76.21 91.22 69.21
상기 2차 전해질액조(40)의 유량조절밸브(50)를 각도별 스택 평가 결과 및 도 2 내지 도 6의 그래프를 분석해 보면 아래와 같다.
완전 오픈(Open) 상태(90도)일 때와 30도, 45도 및 60도 일 때를 비교해 보면, 에너지 효율의 경우 1~9%, 전류효율의 경우에는 2~10% 높다. 또, 방전 시간의 경우 약 20분 정도 차이를 보이며, 스택의 내부 온도는 30도에서부터 45도, 60도, 90도 순으로 점차 증가하는 것임을 확인할 수 있다.
이것은 상기 큐비알(QBr)의 유입이 완전 오픈(Open) 상태(90도) 보다 90도 이하일 때 캐소드 전해질(Catholyte Electrolyte)과 혼합이 잘 이루어져 배터리의 내부 흐름성(저항 및 전압 감소)이 좋아지고, 일정량의 상기 큐비알(QBr)을 상기 전지 스택(10) 내에 고르게 분포시킴으로써, 상기 전지 스택(10) 내의 징크(Zn) 침전물의 용해성을 높이고, 궁극적으로 상기 전지 스택(10)의 방전시간 증대와 내부 온도 또한 떨어뜨려 화학적 부반응을 억제하는 기술효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에 의하면, 전반적인 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템의 효율을 높이는 것은 물론, 내구성 향상에 따른 수명까지도 충분히 증대시킬 수 있을 것으로 보여 향후 재생 에너지 산업의 발전 기반을 다지는 데 유용한 기술이라 할 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에 대한 이해를 돕기 위해 구체적인 실시 예를 들어 설명하였지만, 이러한 구체적인 실시 예로부터 본 발명의 기술사상이 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명으로부터 통상의 지식을 가진 자가 변경 또는 변형 가능한 정도 또한 본 발명의 범주로 포함하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
10 : 전지 스택 20 : 캐소드액조 21 : 제1 공급펌프
30 : 애노이드액조 31 : 제2 공급펌프 40 : 2차 전해질액조
41 : 배출배관 50 : 유량조절밸브 51 : 조절레버

Claims (3)

  1. 전지 스택으로 각각의 전해질 액을 공급하는 캐소드액조 및 애노이드액조 외에 2차 전해질액조를 포함하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템에 있어서,
    상기 2차 전해질액조는 상기 캐소드액조 및 애노이드액조와는 별도로, 상기 캐소드액조 곁에 나란히 배치되며, 상기 2차 전해질액조의 말단 배출배관 상에는 방전시 큐비알(QBr)의 배출량을 조절하는 유량조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량조절밸브는 각도별로 상기 배출배관의 개폐 정도를 조절하는 조절레버를 포함하는 것을 특징으로 하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유량조절밸브는 수동식 또는 전자식 제어밸브 형태인 것을 특징으로 하는 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템.
KR1020140168281A 2014-11-28 2014-11-28 징크-브로민 산화환원 흐름 전지 시스템 KR20160064545A (ko)

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CN114566683A (zh) * 2022-03-03 2022-05-31 南京畅晟能源科技有限公司 一种多功能锌溴液流电池电堆测试装置及其测试方法

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