KR20160115477A - 레독스 플로우 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자가방전을 방지할 수 있는 레독스 플로우 전지를 개시한다. 본 발명에 따른 레독스 플로우 전지는, 다수의 단위 셀들로 이루어진 스택과, 양극 및 음극 전해액이 각각 저장되는 전해액 저장탱크와, 상기 전해액 저장탱크로부터 전해액을 상기 스택으로 공급하기 위한 공급관로와, 상기 스택으로부터 전해액 전해액 저장탱크로 회수시키기 위한 회수관로, 및 상기 공급관로상에 설치되어 전해액 저장탱크의 전해액을 스택으로 공급하는 정상공급 방향에 대해 반전 가능하게 구동될 수 있는 펌프를 포함한다.

Description

레독스 플로우 전지{REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 플로우 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지의 정지 중에, 스택 내부에 존재하는 전해액에 의한 자가방전이 방지될 수 있는 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.
화석 연료를 사용하여 대량의 온실 가스 및 환경 오염 문제를 야기하는 화력 발전이나 시설 자체의 안정성이나 폐기물 처리의 문제점을 갖는 원자력 발전 등의 기존 발전 시스템들이 다양한 한계점을 들어내면서 보다 친환경적이고 높은 효율을 갖는 에너지의 개발과 이를 이용한 전력 공급 시스템의 개발에 대한 연구가 크게 증가하고 있다.
특히, 전력 저장 기술은 외부 조건에 큰 영향을 받는 재생 에너지를 보다 다양하고 넓게 이용할 수 있도록 하며 전력 이용의 효율을 보다 높일 수 있어서, 전력 주파수 제어용으로의 적용이 고려되고 있으며, 최근에는 스마트그리드 또는 마이크로그리드 기술 분야와 관련하여 관심 및 연구 개발이 크게 증가하고 있는 추세이다.
최근 이러한 추세에 따라 연구개발이 활발한 전력저장 장치로 저비용, 대용량, 장주기용 특성을 갖는 레독스 플로우 전지가 있으며, 이러한 특성을 갖는 레독스 플로우 전지는 태양광, 풍력등 외부 환경에 따라 출력 변동성이 심한 신재생에너지와 연계하여 고품질 전력을 저장 및 공급할 수 있는 에너지 저장시스템으로 각광받고 있다.
이러한 레독스 플로우 전지는 활성 물질의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 전환할 수 있는 산화/환원 전지로, 산화/환원 반응을 일으키는 활물질을 포함한 전해액이 반대 전극과 저장 탱크 사이를 순환하며 충방전이 이루어진다.
도 1은 기본적인 레독스 플로우 전지를 보여주는 것으로, 전극, 집전체 및 분리막으로 구성된 단위셀의 집합으로 이루어진 스택(1)과, 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장된 양극 및 음극 전해액 탱크(2, 3)와, 충/방전시 활물질을 순환시키는 펌프(4) 및 스택, 전해액 탱크, 펌프를 연결하는 전해액 순환관(5a, 5b)으로 구성된다.
이와 같은 레독스 플로우 전지는 가동 후, 정지 시를 위해 전해액을 순환시키는 펌프(4)의 구동을 정지하게 되며, 펌프(4)가 정지된 상태에서 스택(1) 내부에는 순환하던 상당한 양의 전해액이 잔존하게 된다. 이러한 스택(1) 내부에서 잔존하는 전해액은 전지가 정지하고 있는 상태에서 의도치 않은 자가방전이 이루어지고 이에 따른 문제점이 발생하게 된다.
상세히 설명하면, 우선, 충전 상태 시 전지의 가동에 의해 충전이 완료되면 펌프(4)의 구동을 정지시켜 충전 싸이클을 위한 전지의 가동을 정지한다. 이때, 스택(1)의 내부에는 순환하던 충전된 전해액이 잔존하게 되고, 시간이 지날수록 스택(1) 내부에 잔존된 전해액은 자가 방전에 방전된 전해액으로 전환된다. 이후, 방전 시, 전지를 방전 싸이클로써 재가동시키게 되면, 펌프(1)에 의해 전해액 탱크(2,3)에 저장된 충전된 전해액을 순환관을 통해 스택(1) 내부로 순환시켜 자가 방전된 전해액이 충전된 전해액으로 교체되어 출력이 발생되기까지 시간이 소요되고, 이에 전지의 출력 응답성이 저하되는 문제점이 발생한다.
또한, 스택(1) 내부에 잔존하는 전해액의 양이 상당하기 때문에, 잔존하는 전해액의 자가방전 의한 약 3%~8% 사이의 손실이 발생하여 전반적인 전지 출력성능까지 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 스택 내 잔존하는 전해액의 자가방전을 발생을 방지하여 전지의 응답성 향상 및 그에 따른 전지 신뢰성 확보 마련 방안이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 레독스 플로우 전지 가동 정시 시, 별도의 구성 및 구조의 추가나 변경이 없이 충전 구동 후 정지 시, 스택 내부에서 잔존하는 전해액에 의한 자가방전 현상이 발생하지 않는 레독스 플로우 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다수의 단위 셀들로 이루어진 스택과, 양극 및 음극 전해액이 각각 저장되는 전해액 저장탱크와, 상기 전해액 저장탱크로부터 전해액을 상기 스택으로 공급하기 위한 공급관로와, 상기 스택으로부터 전해액 전해액 저장탱크로 회수시키기 위한 회수관로, 및 상기 공급관로상에 설치되어 전해액 저장탱크의 전해액을 스택으로 공급하는 정상공급 방향에 대해 반전 가능하게 구동될 수 있는 펌프를 포함하는 레독스 플로우 전지가 제공될 수 있다.
이때, 상기 스택은 전해액 저장탱크에 저장된 전해액의 수위보다 높은 위치에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 스택은 전해액 저장탱크에 저장된 전해액의 수위보다 낮은 위치에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 펌프는 전해액의 충전완료에 따른 정지 후, 정상공급 방향에 대하여 반전 가능하게 구동됨으로써 스택 내부가 비워지는 것을 특징으로 할 수 있다.
아울러, 상기 펌프가 정상공급 방향에 대하여 반전 가능하게 구동 후, 공급관로 내부에 전해액 액면이 위치하는 상태일 때 정지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 전지는 전지의 정지중에 스택에서 잔존하는 전해액의 자가방전이 이루어지는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 자가방전에 의한 전력손실을 감소되고, 이에 따른 전지의 출력성능에 대한 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한, 정지 후, 방전을 위한 전지 가동 시, 정격출력이 발생 되기까지의 응답성이 높아져 전지활용도 특히, 주파주 조정용 및 비상용 전원 등의 용도도 적용될 수 있는 적합성이 향상될 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 레독스 플로우 전지를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 레독스 플로우 전지를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 레독스 플로우 전지에서 스택 설치 위치의 변형 예를 보여주는 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 2는 본 발명에 따른 레독스 플로우 전지를 보여주는 도면이다. 도 3은 도 2의 레독스 플로우 전지에서 스택(10) 설치 위치의 변형 예를 보여주는 도면이다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 레독스 플로우 전지는 스택(10)과 양극 및 음극 전해액이 저장되는 전해액 저장탱크(20, 30) 및 공급방향의 반전이 가능한 펌프(40)를 포함한다.
스택(10)은 전극, 집전체 및 분리막으로 구성된 단위셀들이 스택(10)의 윤곽을 형성하고, 양측에는 각 단위셀에 전해액이 순환되어 전기화학반응이 일어날 수 있도록 양극 및 음극 전해액이 각각 유출입 될 수 있는 유입부 및 유출부가 형성된다. 이러한 스택의 유입부 및 출입부는 스택의 최외각측 측면에 일정 간격을 두고 형성된다.
또한, 스택(10)은 전해액 탱크(20, 30)의 전해액 수위보다 높은 곳에 설치될 수 있으며, 도 3으로 도시한 바와 같이 전해액 탱크(20, 30)의 전해액 수위보다 낮은 위치, 다시 말해 전해액 탱크(20, 30)가 놓여지는 지지면에 설치될 수 있다.
전해액 탱크(20, 30)는 양극 전해액과 음극 전해액을 각각 분리하여 독립적으로 저장하는 용기로, 절연성, 내산성을 가지는 재질로 형성되며, 형성 재질의 종류로는 염화 비닐수지, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 불소 수지, 에폭시 수지, 섬유 강화 수지 중 하나 혹은 둘 이상이 혼합된 재질 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전해액 탱크(20, 30)에는 저장된 전해액이 스택(10)을 거쳐 순환될 수 있도록 스택(10)의 음극 및 양극 전해액 유입부 및 유출부와 각각 공급관로(50a)와 회수관로(50b)가 연결된다.
한편, 상기 펌프(40)는 공급방향의 반전이 가능한 펌프로써, 전해액 탱크(20, 30)와 스택(10) 사이의 공급관로(50a)에 형성된다. 이때, 펌프(40)의 공급방향의 반전이라 함은 전해액 탱크(20, 30)에서 스택(10)으로 전해액이 공급관로(50a)를 통해 이동되는 방향을 정상 작동 공급방향으로 한다면, 스택(10)에서 전해액이 공급관로(50a)를 통해 전해액 탱크(20, 30) 측으로 이동되는 되는 것을 의미한다.
즉, 펌프(40)는 스택(10)으로 공급관로(50a)를 통해 전해액 탱크(20, 30)에 저장된 전해액을 공급할 수 있고, 한편으로, 스택(10) 내부가 비워지도록 스택(10) 내부의 전해액을 전해액 탱크(20, 30)로 회수되도록 구동 가능할 수 있다. 이러한 공급방향의 반전이 가능한 펌프로는 격막펌프 또는 로터리베인(ROTARY VANE PUMP) 펌프 등이 사용될 수 있으며, 회전방향 또는 동작의 변경에 따라 흡입과 토출이 전환될 수 있는 다양한 방식의 펌프가 적용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 플로우 전지의 작동에 대해 설명하면 다음과 같다.
실시예 1
- 스택이 전해액 탱크의 전해액 수위보다 높은 위치에 형성되는 경우,
도 2와 같은 레독스 플로우 전지에 있어서, 발전설비와 연계된 전지를 우선 충전을 위해 가동시키게 되면 펌프(40)의 구동에 의해 양극 전해액 탱크(20)와 음극 전해액 탱크(30)에 저장된 각 극의 전해액이 공급관로(50a)를 통해 스택(10)으로 공급(정상공급 방향)된다. 스택(10)으로 공급된 전해액은 화학반응을 통해 충전된 후 각각 양극 전해액 탱크(20)와 음극 전해액 탱크(30)로 회수 관로(50b)를 통해 회수된다.
이후, 전해액의 충전이 완료되어, 전지를 정지하고자 할 경우, 우선 펌프(40)를 정시시킨 다음, 스택(10)으로 전해액이 공급되는 정상 공급방향과 반대(도면의 반전 공급방향)로 펌프(40)를 소정시간 구동시킨다.
이때, 스택(10)으로 전해액이 공급되는 방향과 반대로 펌프를 소정시간 구동시키는 경우, 스택(10)과 펌프(40) 사이의 공급관로(50a)에 전해액의 액면이 존재하도록 구동될 수 있으며, 스택(10)과 펌프(40) 사이의 공급관로(50a)에 전해액이 존재하지 않도록 구동될 수 있다.
이에 따라, 전해액 탱크(20, 30)의 전해액 수위보다 높은 지점에 위치되어 있는 스택(10) 내부에 잔존하는 전해액의 일부는 중력에 의해 회수관로(50b)를 거쳐 각 극의 전해액 탱크(20, 30)로 회수됨과 동시에. 또한, 펌프(40)의 구동에 의해 공급관로(50a)를 거쳐 스택(10) 내부에 잔존하는 전해액 모두를 전해액 탱크(20, 30) 측으로 회수(석션: Suction)시킴으로써, 스택(10) 내부가 비워질 수 있다.
한편, 스택(10)으로 전해액이 공급되는 방향과 반대로 펌프(40)를 소정시간 구동 시, 스택(10)의 내부에는 회수관로(50b)를 통해 전해액 탱크(20, 30)의 상부(빈공간) 측에 존재하는 기체가 흡입됨에 따라, 펌프(40) 구동에 따른 스택(10) 내부의 음압 형성이 해소됨과 동시에 스택(10) 내부의 전해액이 용이하게 회수될 수 있다.
이후, 방전을 위해 전해액 탱크(20, 30)의 충전된 전해액을 스택(10)으로 공급되도록 펌프(40)를 구동시키면 공급관로(50a)에 존재하는 충전된 전해액이 스택(10)으로 즉시 공급되고, 이에 전지의 정격운전이 가능해져 신속한 방전(= 출력발생)이 가능해진다.
실시예 2
- 스택이 전해액 탱크의 전해액 수위보다 낮은 위치에 형성되는 경우,
도 3과 같은 레독스 플로우 전지에 있어서, 발전설비와 연계된 전지를 우선 충전을 위해 가동시키게 되면 펌프(40)의 구동에 의해 양극 전해액 탱크(20)와 음극 전해액 탱크(30)에 저장된 각 극의 전해액이 공급관로(50a)를 통해 스택(10)으로 공급(정상공급 방향)된다. 스택(10)으로 공급된 전해액은 화학반응을 통해 충전된 후 각각 양극 전해액 탱크(20)와 음극 전해액 탱크(30)로 회수 관로(50b)를 통해 회수된다.
이후, 전해액의 충전이 완료되어, 전지를 정지하고자 할 경우, 우선 펌프(40)를 정시시킨 다음, 스택(10)으로 전해액이 공급되는 정상 공급방향과 반대로 펌프(40)를 소정시간 구동시킨다.
이때, 스택(10)으로 전해액이 공급되는 방향과 반대(도면의 반전 공급방향)로 펌프(40)를 소정시간 구동시키는 경우, 스택(10)과 펌프(40) 사이의 공급관로(50a)에 전해액이 존재하지 않도록 구동될 수 있다. 이에 스택(10) 내부에 잔존하는 전해액은 순수하게 펌프(40)의 구동에 의해 공급관로(50a)를 거쳐 스택(10) 내부에 잔존하는 전해액 모두를 전해액 탱크(20, 30) 측으로 회수(석션: Suction)시킴으로써, 스택(10) 내부가 비워질 수 있다.
이후, 방전을 위해 전해액 탱크(20, 30)의 충전된 전해액을 스택(10)으로 공급되도록 펌프(40)를 구동시키면 공급관로(50a)에 존재하는 충전된 전해액이 스택(10)으로 즉시 공급되고, 이에 전지의 정격운전이 가능해져 신속한 방전(= 출력발생)이 가능해진다.
아울러, 실시예 2와 같이 스택(10)이 전해액 탱크(20, 30)의 전해액 수위보다 낮은 위치에 형성됨 따라, 전해액 탱크(20, 30)의 전해액 수위보다 높은 위치에 형성되는 경우와 대비하여 전해액 순환의 실양정이 작아지기 때문에 펌프(40)의 소형화가 가능하며, 펌프(40)의 구동에 의한 전력 손실도 최소화 할 수 있다.
한편, 상기에서 설명한 실시예들에 있어서, 스택(10)으로 전해액이 공급되는 방향과 반전된 방향으로 전해액이 공급되도록 펌프(40)를 소정시간 구동 시, 공급관로(50a)의 특정 구간에 전해액(전해액 액면)이 존재하거나, 또는 공급관로(50a)의 특정구간에 전해액(전해액 액면)이 존재하지 않는 것으로 설명하였으나, 스택(10)으로부터 회수된 전해액이 공급관로(50a) 전체에 존재하지 않도록 펌프(40)가 구동될 수도 있다. 그러나 스택(10)으로부터 회수된 전해액이 공급관로(50a) 전체에 존재하지 않도록 펌프(40)를 구동시키면, 펌프(40) 구동을 위한 시간이 증가되고, 이에 따른 전력소모가 불필요하게 소모됨에 따라 전지의 출력 효율을 저하될 수 있기 때문에 상기 실시예들에서 설명한 것과 같이 스택(10) 내부의 전해액이 공급관로(50a)를 통해 회수될 수 있을 정도로 펌프(40)가 구동되는 것이 바람직할 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 레독스 플로우 전지는 기존의 일반적인 전지에 있어서, 전지의 가동 정지 시, 새로운 구성의 추가나, 구조의 변경 없이도 스택(10) 내부가 비워질 수 있도록 함으로써 충전 가동 이후, 스택(10) 내부에 잔존하는 전해액의 자기방전 발생을 방지할 수 있다.
또한, 스택(10) 내부가 비워져 전해액의 자가방전이 이루어지지 않기 때문에, 자가방전에 의한 손실을 감소시킬 수 있으며, 방전을 위한 전지의 재가동 시, 충전된 전해액이 스택(10)의 내부로 신속하고 빠르게 공급됨에 따라, 방전 출력을 발생시키는 전지 시스템의 즉응성, 응답성이 향상될 수 있어 전지 시스템의 성능 신뢰도 역시 향상될 수 있다.
아울러, 전지 시스템의 즉응성, 응답성이 향상됨에 따라, 즉응성, 응답성이 보다 필요한 전력계통의 주파수 조정용이나, 정전시 사용되는 비상용 전원용으로의 기능도 높아질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
10: 스택 20: 양극 전해액탱크
30: 음극 전해액 탱크 40: 펌프
50a: 공급관로 50b: 회수 관로

Claims (5)

  1. 다수의 단위 셀들로 이루어진 스택과,
    양극 및 음극 전해액이 각각 저장되는 전해액 저장탱크와,
    상기 전해액 저장탱크로부터 전해액을 상기 스택으로 공급하기 위한 공급관로와,
    상기 스택으로부터 전해액 전해액 저장탱크로 회수시키기 위한 회수관로, 및
    상기 공급관로상에 설치되어 전해액 저장탱크의 전해액을 스택으로 공급하는 정상공급 방향에 대해 반전 가능하게 구동될 수 있는 펌프를 포함하는 레독스 플로우 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택은 전해액 저장탱크에 저장된 전해액의 수위보다 높은 위치에 형성되는 레독스 플로우 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택은 전해액 저장탱크에 저장된 전해액의 수위보다 낮은 위치에 형성되는 레독스 플로우 전지
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 펌프는 전해액의 충전완료에 따른 정지 후, 정상공급 방향에 대하여 반전 가능하게 구동됨으로써 스택 내부가 비워지는 레독스 플로우 전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 펌프가 정상공급 방향에 대하여 반전 가능하게 구동 후, 공급관로 내부에 전해액 액면이 위치하는 상태일 때 정지되는 레독스 플로우 전지.
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