KR20180039764A - 전압 제한 장치를 갖는 유동 배터리 - Google Patents

전압 제한 장치를 갖는 유동 배터리 Download PDF

Info

Publication number
KR20180039764A
KR20180039764A KR1020187010148A KR20187010148A KR20180039764A KR 20180039764 A KR20180039764 A KR 20180039764A KR 1020187010148 A KR1020187010148 A KR 1020187010148A KR 20187010148 A KR20187010148 A KR 20187010148A KR 20180039764 A KR20180039764 A KR 20180039764A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cell
cells
voltage
flow battery
electrode
Prior art date
Application number
KR1020187010148A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102056990B1 (ko
Inventor
로버트 메이슨 달링
마이클 엘. 페리
Original Assignee
유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=50883838&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=KR20180039764(A) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션 filed Critical 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Publication of KR20180039764A publication Critical patent/KR20180039764A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102056990B1 publication Critical patent/KR102056990B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/04873—Voltage of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04949—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04953—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/20—Indirect fuel cells, e.g. fuel cells with redox couple being irreversible
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/528—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

유동 배터리는 제1 전극, 제1 전극으로부터 분리되어 있는 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극과의 사이에 배치되는 전해질 세퍼레이터 층을 갖는 적어도 하나의 셀을 포함한다. 저장부는 적어도 하나의 셀과 유체 연결된다. 적어도 하나의 액체 전해질은 전기화학 활성 종을 포함하고 적어도 하나의 셀에 선택적으로 전달될 수 있다. 전기 회로가 제1 전극 및 제2 전극과 연결된다. 회로는 활성 충전/방전 모드와 관련하여 비활성 정지 모드로부터의 적어도 하나의 셀의 전환에 응답하여 제1 전극 및 제2 전극에 걸친 전압 전위를 제한하도록 구성되는 전압 제한 장치를 포함한다.

Description

전압 제한 장치를 갖는 유동 배터리{FLOW BATTERY WITH VOLTAGE-LIMITING DEVICE}
본 개시내용은 전기 에너지를 선택적으로 저장 및 방출하기 위한 유동 배터리에 관한 것이다.
레독스(redox) 유동 배터리 또는 레독스 유동 셀로도 알려진 유동 배터리는 전기적인 에너지를 저장될 수 있고 요구가 있을 때 이후에 방출될 수 있는 화학적인 에너지로 변환하도록 설계된다. 일례로서, 유동 배터리는, 소비자 요구를 초과하는 에너지를 저장하고 이후에 더 큰 요구가 있을 때 그 에너지를 방출하기 위해, 풍력 시스템과 같은 재생 에너지 시스템과 함께 사용될 수 있다.
전형적인 유동 배터리는, 이온 교환 막과 같은 세퍼레이터를 포함할 수 있는 전해질 층에 의해 분리되는 음극 및 양극을 갖는 레독스 유동 셀을 포함한다. 전기화학적 가역 레독스 반응을 작동시키기 위해 음의 액체 전해질이 음극에 전달되고 양의 액체 전해질이 양극에 전달된다. 충전되면, 공급된 전기적인 에너지는 하나의 전해질에서 화학적인 환원 반응을 그리고 다른 전해질에서 산화 반응을 유발한다. 세퍼레이터는 전해질이 혼합되는 것을 방지하지만 레독스 반응을 완료하기 위해 선택된 이온이 통과하는 것을 허용한다. 방전되면, 액체 전해질에 포함된 화학적인 에너지는 역 반응에서 방출되고 전기적인 에너지가 전극으로부터 인출될 수 있다. 유동 배터리는, 특히 가역 전기화학 반응에 관여하는 반응물을 포함하는 외부 공급 액체 전해질 용액의 사용에 의해 다른 전기화학 장치와 구별된다.
제1 전극, 제1 전극으로부터 분리되어 있는 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극과의 사이에 배치되는 전해질 세퍼레이터 층을 갖는 적어도 하나의 셀을 포함하는 유동 배터리가 개시된다. 저장부가 적어도 하나의 셀과 유체 연결된다. 적어도 하나의 액체 전해질은 전기화학 활성 종을 포함하고 적어도 하나의 셀에 선택적으로 전달될 수 있다. 전기 회로가 제1 전극 및 제2 전극과 연결된다. 회로는 활성 충전/방전 모드와 관련하여 비활성 정지 모드로부터의 적어도 하나의 셀의 전환에 응답하여 제1 전극과 제2 전극에 걸친 전압 전위를 제한하도록 구성되는 전압 제한 장치를 포함한다.
또한, 유동 배터리에서의 부식을 제어하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 활성 충전/방전 모드와 관련하여 비활성 정지 모드로 또는 비활성 정지 모드로부터 유동 배터리를 전환하는 단계를 포함한다. 유동 배터리는 제1 전극, 제1 전극으로부터 분리되어 있는 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극과의 사이에 배치되는 전해질 세퍼레이터 층을 갖는 적어도 하나의 셀을 포함한다. 유동 배터리의 제1 전극과 제2 전극에 걸친 전압 전위는 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 연결되는 전기 회로에 배치된 전압 제한 장치를 사용하여 상기 전환 단계 동안 제한된다.
본 개시내용의 다양한 특징 및 이점이 이하의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확해질 것이다. 상세한 설명을 수반하는 도면은 이하와 같이 간단하게 기재될 수 있다.
도 1은 전압 제한 장치를 갖는 유동 배터리를 도시한다.
도 2는 복수의 저항기를 갖는 전압 제한 장치를 갖는 다른 예시적인 유동 배터리를 도시한다.
도 3은 커버 가스를 제공하기 위한 가스 공급원 및 전압 제한 장치를 갖는 유동 배터리의 다른 예를 도시한다.
도 4는 유동 배터리에서의 부식을 제어하는 예시적인 방법을 도시한다.
도 1은 전기적인 에너지를 선택적으로 저장 및 방출하기 위한 예시적인 유동 배터리(20)의 부분을 개략적으로 도시한다. 일례로서, 유동 배터리(20)는, 재생 에너지 시스템에서 생성되는 전기적인 에너지를, 더 큰 요구가 있을 때 유동 배터리(20)가 화학적인 에너지를 역으로 전기적인 에너지로 전환하는 이후의 시간까지 저장되는 화학적인 에너지로 전환하기 위해 사용될 수 있다. 유동 배터리(20)는 전기 에너지를 예를 들어 전기 망에 공급할 수 있다. 기재되는 바와 같이, 개시된 유동 배터리(20)는 향상된 부식 보호를 위한 특징을 포함한다.
유동 배터리(20)는, 추가적인 액체 전해질(26) 및 전기화학 활성 종(28)과 관련하여 레독스 쌍에서 기능하는 전기화학 활성 종(24)을 갖는 액체 전해질(22)을 포함한다. 예를 들어, 전기화학 활성 종(24 및 28)은 바나듐, 브롬, 철, 크롬, 아연, 세륨, 납, 또는 이들의 조합에 기초한다. 실시형태에서, 액체 전해질(22 및 26)은 전기화학 활성 종(24 및 28) 중 하나 이상을 포함하는 수용액이다. 대안적으로, 액체 전해질(22 또는 26) 중 하나가 가스 반응물과 조합되어 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 유동 배터리(20)는 전기화학 활성 종(24 또는 28)을 갖는 적어도 하나의 액체 전해질(22 또는 26)을 갖는다.
액체 전해질(22)[예를 들어, 애놀리트(anolyte)] 및 액체 전해질(26)[예를 들어, 캐솔리트(catholyte)]은 각각의 저장 탱크(32 및 34)를 포함하는 저장부(30)에 수용된다. 도시된 바와 같이, 저장 탱크(32 및 34)는 실질적으로 동등한 원통형 저장 탱크이지만, 저장 탱크(32 및 34)는 대안적으로는 다른 형상 및 크기를 가질 수 있다.
액체 전해질(22 및 26)은 각각의 공급 라인(38)을 통해 유동 배터리(20)의 하나 이상의 셀(36)에 전달(예를들어, 펌핑)되며 복귀 라인(40)을 통해 셀 또는 셀(36)들로부터 저장 탱크(32 및 34)로 복귀된다. 셀(36)은 제1 전극(42), 제1 전극(42)으로부터 분리되어 있는 제2 전극(44), 및 제1 전극(42)과 제2 전극(44)과의 사이에 배치되는 전해질 세퍼레이터 층(46)을 포함한다. 일반적으로, 셀 또는 셀(36)들은 유동 필드 채널을 통해 액체 전해질(22 및 26)을 전극(42 및 44)에 전달하기 위한 2극 판, 매니폴드 등을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 구성이 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 셀 또는 셀(36)들은 대안적으로 액체 전해질(22 및 26)이 유동 필드 채널의 사용 없이 전극(42 및 44) 안으로 직접적으로 펌핑되는 유동 통과 동작을 위해 구성될 수 있다.
전해질 세퍼레이터 층(46)은, 액체 전해질(22 및 26)이 급속하게 혼합되는 것을 방지하지만 2개의 전극(42 및 44)을 전기적으로 격리시키면서 레독스 반응을 완료하기 위해 선택된 이온이 통과하는 것을 허용하는 SiC 같은 재료의 이온 교환 막, 또는 마이크로 다공성 폴리머 막, 또는 전기 절연 마이크로 다공성 매트릭스일 수 있다. 다수의 셀(36)이 적층체에서 제공될 수 있다.
액체 전해질(22 및 26)은, 전기적인 에너지를 화학적인 에너지로 변환하거나, 또는 역 반응에서 화학적인 에너지를 방출될 수 있는 전기적인 에너지로 변환하기 위해 셀(36)에 전달된다. 전기적인 에너지는 전극(42 및 44)과 전기적으로 연결되는 전기 회로(48)를 통해 셀(36)에 그리고 셀(36)로부터 전달된다. 전기 회로(48)는 전압 제한 장치(50)를 포함한다. 기재되는 바와 같이, 전압 제한 장치(50)는 활성 충전/방전 모드와 관련하여 비활성 정지 모드로의 또는 비활성 정지 모드로부터의 셀 또는 셀(36)들의 전환 시에 전극(42 및 44)에 걸친 전압 전위(V)를 제한하도록 구성된다.
유동 배터리(20)는 비활성 정지 모드를 포함하는 수개의 사용 모드를 갖는다. 상기 모드는 유동 배터리(20)의 상이한 물리적인 상태에 의해 나타내어진다. 예를 들어, 유동 배터리(20)는, 액체 전해질(22 및 26)이 셀 또는 셀(36)들을 통해 저장 탱크(32 및 34)로부터 그리고 역으로 저장 탱크(32 및 34) 안으로 연속적으로 순환되는 활성 충전/방전 모드를 갖는다. 충전/방전 모드에서, 유동 배터리는 전기 회로(48)로부터 전기 에너지로 충전되거나 전기 회로(48)에 전기 에너지를 방출한다. 부가적으로, 셀 또는 셀(36)들은 실질적으로 또는 완전히 액체 전해질(22 및 26)로 충전된다. 예를 들어, 충전/방전 모드 동안, 셀 또는 셀들의 다공성 볼륨은 이상적으로는 액체 전해질(22 및 26)로 100% 충전되고, 최소 액체 전해질(22 및 26)로 90% 충전된다.
유동 배터리(20)는 충전 또는 방전을 위해 사용되지 않을 때 충전/방전 모드로부터 비활성 정지 모드로 전환되거나, 시동을 위해 그 반대로 된다. 다수의 비활성 정지 모드 중 어느 것이 선택되는지에 따라, 유동 배터리(20)의 정지를 위한 다수의 상이한 절차가 있을 수 있다. 일례에서, 액체 전해질(22 및 26)은 적어도 활성 펌핑과 관련하여 비활성 정지 모드에서 정지되어 있으며, 따라서 액체 전해질(22 및 26)은 셀 또는 셀(36)들을 통해 유동하지 않고 주로 각각의 저장 탱크(32 및 34)에 유지된다.
추가의 예에서, 셀 또는 셀(36)들은 정지 모드에서 적어도 부분적으로 액체 전해질(22 및 26)이 배출되고, 따라서 셀 또는 셀(36)들은 부분적으로 또는 완전히 비워진다. 예를 들어, 셀 또는 셀(36)들은 셀 또는 셀(36)들의 다공성 볼륨에서 액체 전해질(22 및 26)과 관련하여 90% 초과하여 비워진다. 이러한 경우, 셀 또는 셀(36)들의 다공성 볼륨은 셀로부터 배출된 액체 체적으로 대체된 저장 탱크의 헤드 공간으로부터의 가스로 대부분 충전된다. 공기가 또한 시스템에 침투할 수 있고 셀에서 액체가 배출될 때 셀로 들어올 수 있다.
추가의 예에서, 셀 또는 셀(36)들은 상기와 같이 정지 모드에서 적어도 부분적으로 액체 전해질(22 및 26)이 배출되고, 비워진 볼륨에는 화학적으로 및 전기화학적으로 불활성인 커버 가스가 제공된다. 예를 들어, 커버 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 또는 이들의 조합을 포함한다. 추가의 예에서, 커버 가스는 주어진 가스 또는 가스들의 90% 이상의 순도를 갖는다. 커버 가스는, 공기 또는 산소의 셀 또는 셀(36)들 안으로의 유입의 방지를 용이하게 하고 전기화학 활성 종과의 자기-방출 반응 또는 산화 부식을 방지하기 위해서 비교적으로 화학적으로 불활성인 환경에서 셀 또는 셀(36)들을 덮는 역할을 한다.
추가의 예에서, 셀 또는 셀(36)들은 정지 모드에서 부분적으로 또는 완전히 액체 전해질(22 및 26)로 충전되고 방출된 상태로 자기-방출되는 것이 허용된다. 방출된 액체 전해질(22 및 26)은, 활성 펌핑 순환 없이, 비활성 정지 모드의 기간 동안 셀 또는 셀(36)들에 유지된다. 방출된 액체 전해질(22 및 26)은 유동 배터리(20)에 침투할 수 있는 공기 또는 산소에 대한 노출을 제한하기 위해서 셀 또는 셀(36)들을 덮는 역할을 한다.
비활성 정지 모드에 있는 경우, 유동 배터리(20)는 비활성 정지 모드에서 벗어나 활성 충전/방전 모드로 되도록 시동되어야 한다. 반대로, 충전/방전 모드에 있는 경우, 유동 배터리(20)는 비활성 정지 모드로 되도록 중단 또는 정지되어야 한다. 예를 들어, 시동 기간은, 저장 탱크(32 및 34)로부터의 액체 전해질(22 및 26)의 순환의 개시에 의해 시작되고, 활성 충전/방전 모드에서 상기와 같이 액체 전해질(22 및 26)이 실질적으로 또는 완전히 셀 또는 셀(36)들을 충전하면 종료된다. 정지 기간은, 저장 탱크(32 및 34)로부터의 액체 전해질(22 및 26)의 순환의 중단에 의해 시작되고, 시동 기간이 개시되면 종료된다.
유동 배터리(20)는 시동 또는 정지의 전환 기간 동안 부식에 민감하고, 이는 유동 배터리(20)의 성능 및 사용 수명을 저하시킬 수 있다. 부식의 유형 및 정도는 비활성 정지 모드 중 어떠한 것이 사용되는지에 의존할 수 있다. 예를 들어, 셀 또는 셀(36)들이 적어도 부분적으로 비워져 있는 상태의 비활성 정지 모드에서, 셀 또는 셀(36)들의 자유 볼륨은 유동 배터리(20)에 침투한 공기 및 수분을 포함할 수 있다. 비활성 정지 모드 동안의 액체 전해질(22 및 26)의 자연적인 자기 방출로부터 소량의 수소가 또한 존재할 수 있다. 시동 시에, 액체 전해질(22 및 26)은 셀 또는 셀(36)들에 공급된다. 액체 전해질(22 및 26)이 셀 또는 셀(36)들의 공급 입구를 충전함에 따라, 셀은 통상적인 동작 동안의 경우와 같이 셀 전압을 발생시킨다. 그러나, 액체 전해질(22 및 26)이 시동 기간 동안 아직 셀 출구에 도달하지 않았어도, 셀 구성요소는 우수한 전기 전도체이고, 공기/산소 및 물이 출구에 존재하기 때문에, 이 셀 전압은 또한 셀의 출구에도 존재한다. 셀 전압이 임계값을 초과하는 경우, 전극(42 및 44)에서 발생된 전기 전위는 산소, 물, 및/또는 수소와 셀 또는 셀(36)들의 재료와의 사이에서 바람직하지 않은 부식 반응을 작동시켜, 예를 들어 탄소계 구성요소의 탄소를 탄소 산화물로 변환시킬 수 있다. 일례에서, 유동 배터리(20)의 임계값은 탄소 부식 반응을 작동시키기 위해서는 셀당 1.5볼트이다.
다소 유사하게, 셀 또는 셀(36)들에 유지되는 방출된 액체 전해질(22 및 26)을 갖거나 커버 가스를 사용하는 비활성 정지 모드에서, 셀 또는 셀(36)들의 출구의 전기 전위는 바람직하지 않은 부식 반응을 작동시키는 임계값을 초과할 수 있다. 임계값 및 그로 인한 부식 반응의 강도는 선택된 비활성 정지 모드 및 정지 기간의 길이에 따라 다를 수 있다. 충전/방전 모드로부터 정지 모드로 정지되면 유사한 현상이 발생할 수 있다.
전환 기간 동안 전극(42 및 44)에서 발생된 전기 전위를 제어 또는 제한하기 위해서, 유동 배터리(20)는 전압 제한 장치(50)를 포함한다. 전압 제한 장치(50)는 전환 동안 셀 전압의 감소를 용이하게 하고 따라서 발생할 수 있는 바람직하지 않은 부식 반응을 감소시킨다. 예를 들어, 전압 제한 장치(50)는 저항기, 레오스탯(rheostat), 게이트 트랜지스터(gate transistor)와 같은 제어가능한 저항기, 병렬 또는 직렬로 전기적으로 연결되는 복수의 저항기, 또는 나아가 전통적인 재충전가능한 배터리와 같은 외부 부하일 수 있다.
전압 제한 장치(50)는 전환 기간 동안 특정한 유동 배터리(20)에 의해 발생되는 전압에 대응하도록 선택되는 전기 임피던스를 갖는다. 예를 들어, 선택된 전기 임피던스는 셀 또는 적층체 전압을 제한하지만, 반응을 위해 이용될 수 있는 액체 전해질(22 및 26)의 양과 관련하여 셀 또는 셀(36)들의 고갈 조건을 발생시킬 만큼 많은 전류를 인출하지는 않는다. 즉, 부식 반응을 작동시키기 위한 임계값 아래의 0이 아닌 전압 전위가 바람직하다.
추가의 예에서, 액체 전해질(22 및 26)이 셀 또는 셀(36)들을 충전함에 따라 전환 기간을 통한 전기 임피던스의 순간적인 바람직한 양이 변한다. 따라서, 전압 제한 장치(50)의 전기 임피던스는 식별된 임계값과 관련하여 전기 전위를 유지 또는 제어하기 위해 전환 기간을 통해 변할 수 있다. 예를 들어, 시동 기간 동안, 전압 제한 장치(50)는 초기에 비교적 낮은 전기 임피던스를 제공할 수 있고, 그 후 상기 전기 임피던스는 액체 전해질(22 및 26)이 셀 또는 셀(36)들을 충전함에 따라 시동 기간을 통해 증가된다. 반대 상황이 정지를 위해 사용될 수 있다.
도 2는 다른 예시적인 유동 배터리(120)의 선택된 부분을 도시한다. 이 개시내용에서, 유사한 도면부호는 적절한 경우 유사한 요소를 지칭하며, 100 또는 그 배수가 추가된 도면 부호는 대응하는 요소의 동일한 특징 및 이점을 포함하는 것으로 이해되는 변형된 요소를 지칭한다. 이 예에서, 유동 배터리(120)의 전기 회로(148)는 복수의 저항기(150a)를 갖는 전압 제한 장치(150)를 포함한다. 저항기(150a)는 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
전압 제한 장치(150)는 제어기(152)와 소통된다. 제어기(152)는 또한, 펌프, 밸브, 가스 공급원 등과 같은 유동 배터리(120)의 다른 구성요소와 연결되어 그들의 동작을 제어할 수 있다. 제어기(152)는 소프트웨어, 하드웨어, 또는 양자 모두를 포함할 수 있고, 저항기(150a)와 관련하여 전압 제한 장치(150)의 동작을 제어하도록 동작가능하다. 이 설명을 고려할 때, 통상의 기술자는 여기 기재된 바와 같이 제어기(152)를 동작시키기 위해 적절한 하드웨어 및/또는 프로그램밍을 제공할 수 있다. 일례에서, 제어기(152)는 전환 기간을 통해 전압 제한 장치(150)의 전체적인 전기 임피던스를 변화시키도록 ON(저항)과 OFF(저항 없음) 상태 사이에서 저항기(150a)의 각각을 개별적으로 제어할 수 있다.
도 3은 도 1에 묘사된 유동 배터리(20)와 다소 유사하지만 가스 공급원(260)을 또한 포함하는 다른 예시적인 유동 배터리(220)의 선택된 부분을 예시한다. 가스 공급원(260)은 각각의 저장 탱크(32 및 34) 및 각각의 전극(42 및 44)과 유체 연결될 수 있다. 가스 공급원은 상기 커버 가스 중 하나 이상을 포함하며 저장 탱크(32 및 34)의 헤더 볼륨 및 셀 또는 셀(36)들에 커버 가스를 제공하는 역할을 한다. 대안적으로, 단일 가스 공급원이 저장 탱크(32 및 34)의 상부에서 가스 저장부에 유체 연결됨으로써 저장 탱크(32 및 34)의 헤더 볼륨에 커버 가스를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이 단일 가스 공급원은 또한 셀 또는 셀(36)들의 양쪽 전극에 커버 가스를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
도 4는, 여기 기재된 유동 배터리(20, 120 및 220) 중 임의의 것에서와 같이 부식을 제어하기 위해 모드 전환 동안 유동 배터리의 전압 전위를 제어하는 예시적인 방법(470)을 도시한다. 즉, 유동 배터리(20, 120 및 220)는 방법(470)을 구현하고 그 반대로 되기도 한다. 방법(470)은, 활성 충전/방전 모드와 관련하여 비활성 정지 모드로 또는 비활성 정지 모드로부터 유동 배터리를 전환하는 단계(472), 및 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 연결되는 전기 회로에 배치되는 전압 제한 장치를 사용함으로써 전환 동안 그리고 전환에 응답하여 유동 배터리의 제1 전극 및 제2 전극에 걸친 전압 전위를 제한하는 단계(474)를 포함한다. 방법(470)은 유동 배터리(20, 120 및 220)와 관련하여 여기 기재된 동작 작용 중 임의의 것 또는 그 모두를 더 포함할 수 있다.
비활성화 정지 모드로부터 활성 충전/방전 모드로의 시동에 관한 일 추가의 예에서, 전압 제한 장치(50/150)는 시동 기간 종료에 응답하여 선택적으로 분리된다. 즉, 전압 제한 장치(50/150)는 임의의 임피던스를 제공하기 위해 중지된다.
비활성 정지 모드로부터 활성 충전/방전 모드로의 시동에 관한 일 추가의 예에서, 방법(470)은 액체 전해질(22 및 26)의 활성 유동을 제어함으로써 전극에 걸친 전압 전위를 제한 또는 제어하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 시동은 액체 전해질(22 및 26)이 한 번에 하나씩 공급되도록 셀 또는 셀(36)들에 액체 전해질(22 및 26)을 공급하는 단계를 포함한다. 한 번에 하나씩 액체 전해질(22 및 26)을 공급하는 단계는 셀 또는 셀(36)들의 입구 영역에 의해 발생된 셀 전압을 낮출 수 있고 따라서 임의의 부식 반응을 작동시키는 것을 감소 또는 회피한다. 일례에서, 애놀리트(22)가 먼저 도입되고, 애놀리트가 셀을 나간 후 캐솔리트(24)가 도입된다.
활성 충전/방전 모드로부터 비활성 정지 모드로의 정지에 관한 일 추가의 예에서, 방법(470)은 한 번에 하나씩 셀 또는 셀(36)들 안으로의 액체 전해질(22 및 26)의 유동을 중단(즉, 활성 펌핑 없음)시킴으로써 전극에 걸친 전압 전위를 제한 또는 제어하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 캐솔리트(24) 유동이 먼저 중단되고, 셀 전압이 셀 전압 임계값 아래로 감소된 후 애놀리트(22)가 정지된다.
활성 충전/방전 모드로부터 비활성 정지 모드로의 중단에 관한 추가의 예에서, 전압 제한 장치는 전해질 중 하나 또는 양자 모두의 유동이 중단된 후 보다 급속하게 셀 전압을 낮추기 위해 이용될 수 있다. 일례로서, 캐솔리트(24) 유동이 중단된 후, 전압 제한 장치는 평균 셀 전압을 바람직한 정지 전압(예를 들어, 셀당 0.2V 미만)으로 낮추기 위해 사용될 수 있고, 그 후 애놀리트(22)가 중단된다. 이러한 방식에서, 셀은 알려진 상태에서, 즉 캐솔리트 전위보다 상당히 더 낮은 애놀리트 전위에 근접하는 전기화학 전위에 정지되고, 이에 의해 정지 기간 동안 발생할 수 있는 바람직하지 않은 산화 반응을 최소화시킬 것이다.
활성 충전/방전 모드로부터 비활성 정지 모드로의 정지에 관한 추가의 예에서, 방법(470)은 여기 기재된 바와 같이 전극(42 및 44)을 커버 가스로 충전하는 단계를 포함할 수 있다.
특징들의 조합이 예시된 예에 도시되어 있지만, 본 개시내용의 다양한 실시형태의 이점을 실현하기 위해서 그들 모두가 조합될 필요는 없다. 즉, 본 개시내용의 실시형태에 따라 설계된 시스템이 도면 중 임의의 하나에 도시된 특징들의 모두 또는 도면에 개략적으로 도시된 부분들의 모두를 반드시 포함하는 것은 아니다. 또한, 일 예시적인 실시형태의 선택된 특징들은 다른 예시적인 실시형태의 선택된 특징들과 조합될 수 있다.
이전 설명은 사실상 제한적이기 보다 예시적이다. 개시된 예에 대한 변경 및 변형은 통상의 기술자에게 명확할 것이고, 이는 본 개시내용의 본질로부터 반드시 벗어나는 것은 아니다. 본 개시내용에 주어진 법률적 보호 범위는 오직 이하의 청구항을 연구함으로써 결정될 수 있다.
20: 유동 배터리
22: 액체 전해질
40: 복귀 라인

Claims (1)

  1. 전압 제한 장치를 포함하는 전기 회로를 갖는 유동 배터리.
KR1020187010148A 2012-12-09 2012-12-09 전압 제한 장치를 갖는 유동 배터리 KR102056990B1 (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2012/068650 WO2014088601A1 (en) 2012-12-09 2012-12-09 Flow battery with voltage-limiting device

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020157017997A Division KR20150093769A (ko) 2012-12-09 2012-12-09 전압 제한 장치를 갖는 유동 배터리

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180039764A true KR20180039764A (ko) 2018-04-18
KR102056990B1 KR102056990B1 (ko) 2019-12-17

Family

ID=50883838

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020157017997A KR20150093769A (ko) 2012-12-09 2012-12-09 전압 제한 장치를 갖는 유동 배터리
KR1020187010148A KR102056990B1 (ko) 2012-12-09 2012-12-09 전압 제한 장치를 갖는 유동 배터리

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020157017997A KR20150093769A (ko) 2012-12-09 2012-12-09 전압 제한 장치를 갖는 유동 배터리

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9966618B2 (ko)
EP (2) EP2929582B1 (ko)
JP (1) JP6117373B2 (ko)
KR (2) KR20150093769A (ko)
CN (1) CN104969387B (ko)
WO (1) WO2014088601A1 (ko)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112014005149B4 (de) * 2013-11-21 2021-08-05 Robert Bosch Gmbh System und Verfahren zur Minimierung von mit Transport zusammenhängenden Leistungsverlusten in einem Flussbatteriesystem
DK3195393T3 (en) 2014-09-15 2019-03-04 United Technologies Corp REGULATION OF CURRENT BATTERY ELECTRODE
WO2017037239A1 (en) * 2015-09-02 2017-03-09 University Of Limerick A method and system for improving the energy efficiency and for reconditioning of a vanadium flow battery
US20170279130A1 (en) * 2016-03-24 2017-09-28 United Technologies Corporation Separator layer for flow battery
CN107703376B (zh) * 2017-09-15 2019-08-16 北京理工大学 一种动态流场下多孔介质的压电转换特性测量装置
CN107895805B (zh) * 2017-12-01 2020-03-10 大连融科储能装备有限公司 一种大规模液流电池系统停机保护设备及其控制策略
US11056698B2 (en) 2018-08-02 2021-07-06 Raytheon Technologies Corporation Redox flow battery with electrolyte balancing and compatibility enabling features
US11081712B2 (en) * 2018-10-26 2021-08-03 Saudi Arabian Oil Company Method and system to modify the performance of a redox flow battery
JP7147509B2 (ja) 2018-11-22 2022-10-05 日本精工株式会社 トルク伝達軸
US11664512B2 (en) 2020-05-15 2023-05-30 Ess Tech, Inc. Methods and system for redox flow battery idle state
US11271226B1 (en) 2020-12-11 2022-03-08 Raytheon Technologies Corporation Redox flow battery with improved efficiency
AU2022397305B2 (en) * 2021-11-24 2024-09-19 Electric Hydrogen Co Electrolyzer control
KR20240009626A (ko) 2022-07-14 2024-01-23 국립창원대학교 산학협력단 유동전지용 다공체 전극의 위치에 따른 성능 평가 시스템

Family Cites Families (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5929786B2 (ja) 1977-07-14 1984-07-23 松下電工株式会社 太陽熱コレクタ−の製造方法
JPS61218076A (ja) * 1985-03-25 1986-09-27 Agency Of Ind Science & Technol 電解液流通型電池システム
JP2920230B2 (ja) 1988-11-30 1999-07-19 東洋紡績株式会社 レドックスフロー型電池
US5318865A (en) 1991-06-06 1994-06-07 Director-General, Agency Of Industrial Science And Technology Redox battery
JP3560181B2 (ja) 1995-04-13 2004-09-02 東洋紡績株式会社 液流通型電解槽用電極材
US6167301A (en) 1995-08-29 2000-12-26 Flower; Ronald J. Iontophoretic drug delivery device having high-efficiency DC-to-DC energy conversion circuit
JPH09270266A (ja) * 1996-04-01 1997-10-14 Sumitomo Electric Ind Ltd レドックスフロー型二次電池装置およびその運転方法
JP3098961B2 (ja) * 1996-07-24 2000-10-16 住友電気工業株式会社 レドックスフロー電池およびその運転方法
US6476583B2 (en) * 2000-07-21 2002-11-05 Jomahip, Llc Automatic battery charging system for a battery back-up DC power supply
US20020076582A1 (en) 2000-12-20 2002-06-20 Reiser Carl A. Procedure for starting up a fuel cell system using a fuel purge
US6628085B2 (en) * 2001-01-17 2003-09-30 Tai-Her Yang Limit voltage circuit using light emitting diodes as thermal-loss reducing impedances, especially for matching a saturation voltage of rechargeable cells during charging
WO2003061040A1 (en) 2002-01-04 2003-07-24 International Fuel Cells, Llc Procedure for starting up a fuel cell system having an anode exhaust recycle loop
US6884530B2 (en) * 2001-05-31 2005-04-26 Sfc, Smart Fuel Cell Ag Method of improving the performance of a direct feed fuel cell
JP2003052132A (ja) * 2001-08-03 2003-02-21 Sumitomo Electric Ind Ltd 電源システムの運転方法
JP3507818B2 (ja) * 2001-09-07 2004-03-15 住友電気工業株式会社 レドックスフロー電池の運転方法
US7632583B2 (en) * 2003-05-06 2009-12-15 Ballard Power Systems Inc. Apparatus for improving the performance of a fuel cell electric power system
US6984464B2 (en) 2003-08-06 2006-01-10 Utc Fuel Cells, Llc Hydrogen passivation shut down system for a fuel cell power plant
US8142950B2 (en) 2003-08-06 2012-03-27 Utc Power Corporation Hydrogen passivation shut down system for a fuel cell power plant
US6991864B2 (en) 2003-09-23 2006-01-31 Utc Fuel Cells, Llc Storage of fuel cell energy during startup and shutdown
US7041405B2 (en) * 2003-10-07 2006-05-09 Utc Fuel Cells, Llc Fuel cell voltage control
US20050142407A1 (en) 2003-12-26 2005-06-30 Fuller Thomas F. Start up cascaded fuel cell stack
JP2006156029A (ja) 2004-11-26 2006-06-15 Kansai Electric Power Co Inc:The バナジウム系レドックスフロー電池用炭素電極材料
JP2006313691A (ja) * 2005-05-09 2006-11-16 Sumitomo Electric Ind Ltd レドックスフロー電池システム
KR101022111B1 (ko) 2005-12-28 2011-03-17 유티씨 파워 코포레이션 부분적으로 폐쇄된 단부를 갖는 연료전지 유동장 채널
WO2008027043A1 (en) 2006-08-31 2008-03-06 Utc Power Corporation Avoiding coolant slump into reactant fields during pem fuel cell shutdown
JP2008166164A (ja) * 2006-12-28 2008-07-17 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
US8551667B2 (en) 2007-04-17 2013-10-08 Ini Power Systems, Inc. Hydrogel barrier for fuel cells
AT505169B1 (de) 2007-07-02 2008-11-15 Cellstrom Gmbh Redox-durchfluss-batterie
US8313870B2 (en) 2007-10-31 2012-11-20 Electrochem, Inc. Integrated flow field (IFF) structure
US7820321B2 (en) * 2008-07-07 2010-10-26 Enervault Corporation Redox flow battery system for distributed energy storage
CN102246338B (zh) * 2008-10-10 2014-06-11 迪亚能源股份有限公司 液流电池元电池的热控制
US20110117975A1 (en) 2009-11-17 2011-05-19 Etymotic Research, Inc. Two-Way Communication Device
CN102652374B (zh) 2009-12-18 2016-03-30 联合工艺公司 具有交叉状流场的液流蓄电池
PL2390142T3 (pl) 2010-05-31 2014-02-28 Huebner Transp Gmbh Urządzenie wysuwne do mocowania rampy
US20120308856A1 (en) * 2010-12-08 2012-12-06 Enervault Corporation Shunt current resistors for flow battery systems
JP5768997B2 (ja) * 2011-02-07 2015-08-26 住友電気工業株式会社 電解液流通型電池
US8884578B2 (en) 2011-02-07 2014-11-11 United Technologies Corporation Method and system for operating a flow battery system based on energy costs
US8980484B2 (en) * 2011-03-29 2015-03-17 Enervault Corporation Monitoring electrolyte concentrations in redox flow battery systems
US9196933B2 (en) * 2011-06-02 2015-11-24 Robert Bosch Gmbh System and method for discharging a high impedance battery
CN102315454A (zh) 2011-08-02 2012-01-11 大连丽昌新材料有限公司 一种复合集电体的制备及其在锂离子液流电池中的应用
RU2610466C2 (ru) * 2011-08-22 2017-02-13 ЭнСинк, Инк. Электрод для использования в батарее с проточным электролитом и блок элементов для батареи с проточным электролитом.
CN102354761B (zh) * 2011-10-10 2013-12-25 中国东方电气集团有限公司 液流电池系统及其停机保护方法和装置
US9231268B2 (en) * 2011-12-20 2016-01-05 United Technologies Corporation Flow battery system with standby mode

Also Published As

Publication number Publication date
US9966618B2 (en) 2018-05-08
EP3416224B1 (en) 2020-07-08
US20150318567A1 (en) 2015-11-05
JP6117373B2 (ja) 2017-04-19
EP2929582B1 (en) 2018-08-29
KR20150093769A (ko) 2015-08-18
EP2929582A4 (en) 2016-11-09
CN104969387B (zh) 2018-09-14
KR102056990B1 (ko) 2019-12-17
WO2014088601A1 (en) 2014-06-12
EP2929582A1 (en) 2015-10-14
JP2016503940A (ja) 2016-02-08
CN104969387A (zh) 2015-10-07
EP3416224A1 (en) 2018-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102056990B1 (ko) 전압 제한 장치를 갖는 유동 배터리
US9231268B2 (en) Flow battery system with standby mode
JP6117196B2 (ja) フローバッテリシステム内での水素の放出を検出および軽減するシステムおよび方法
US7199550B2 (en) Method of operating a secondary battery system having first and second tanks for reserving electrolytes
JP6678568B2 (ja) 電力パラメータ、時間パラメータおよび濃度パラメータの関数である容積を有するフローバッテリ流れ場
US8192876B2 (en) Method for operating a fuel cell system in a mode of reduced power output
JP5172230B2 (ja) 非常用電源機能を有するレドックスフロー電池システム及びレドックスフロー電池システムの非常時運転方法
US8889308B2 (en) Fuel cell system and driving method for the same
JP2007059120A (ja) 燃料電池システム
JP4919634B2 (ja) 燃料電池システム
JP2017532729A (ja) フロー電池電極の再生
KR101572033B1 (ko) 연료전지 스택의 활성화 장치
AU2022294335A1 (en) Redox flow battery system
JP2014029869A (ja) 電源システム

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant