KR20180044702A - 레독스 플로우 배터리 및 이의 전해액 재생 방법 - Google Patents

레독스 플로우 배터리 및 이의 전해액 재생 방법 Download PDF

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박준호
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 전해액 재생 모듈을 가지는 레독스 플로우 배터리 및 이의 전해액 재생 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 전해액 재생을 위해 추가적인 펌프를 설치하지 않고, 기존의 양극 또는 음극 전해액을 스택으로 공급하기 위한 펌프를 이용함으로써, 초기 비용 및 운영 비용을 효율적으로 낮출 수 있다.

Description

레독스 플로우 배터리 및 이의 전해액 재생 방법 {Redox flow battery and method for regenerating electrolyte thereof}
본 발명은 전해액 재생 모듈을 가지는 레독스 플로우 배터리 및 이의 전해액 재생 방법에 관한 것이다.
전력 저장 기술은 전력 이용의 효율화, 전력 공급 시스템의 능력이나 신뢰성 향상, 시간에 따라 변동폭이 큰 신재생 에너지의 도입 확대, 에너지 재생 등 에너지 전체에 걸쳐 효율적 이용을 위해 중요한 기술이며 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있다. 이 때문에 세계적으로 풍력, 태양광과 같은 신재생 에너지원을 사용한 전력 수급 방식의 필요성이 커지고 있으며, 현대의 증가된 에너지 수요를 충족하기 위한 신재생 에너지의 안정적이고 효율적인 공급이 필요하다. 대표적 신재생 에너지인 풍력, 태양광 에너지 발전의 경우, 환경 변화에 따른 발전량 및 출력에 변동이 있기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위해 대용량, 고효율 에너지 저장 장치가 필요하다.
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, 레독스 플로우 배터리(Redox flow battery: RFB)는 대용량화가 가능하며, 유지 보수 비용이 적고, 상온에서 작동 가능하며, 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 이차 전지로 많은 연구가 진행되고 있다.
이 중에서도, 바나듐 이온을 이용하는 바나듐 레독스 플로우 배터리(Vanadium redox flow battery: VRFB)가 차세대 에너지 저장 장치로서 각광을 받고 있다. 그러나 바나듐 이온이 분리막(이온교환막)을 투과하는 크로스-오버(Cross-over) 현상 등으로 레독스 플로우 배터리의 용량 저하가 발생하는 문제점 있어 이를 개선하려는 연구가 지속적으로 진행되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0074430호 "플로우 배터리의 전해액 재생 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 재생 방법"
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 플로우 배터리를 장기간 운전 시 양극 및 음극 전해액의 이온 불균형으로 사이클이 진행될수록 저하되는 용량을 회복시키기 위한 레독스 플로우 배터리 및 이의 전해액 재생 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 양극셀, 음극셀 및 분리막을 포함하는 단위셀들로 이루어진 스택; 양극 및 음극 전해액이 각각 보관되는 전해액 저장부; 상기 전해액 저장부로부터 전해액을 상기 스택으로 공급하기 위한 공급관로; 상기 스택으로부터 전해액을 전해액 저장부로 회수하기 위한 회수관로; 및 상기 전해액을 상기 스택에 공급하기 위한 펌프;를 포함하는 레독스 플로우 배터리에 있어서, 상기 양극 전해액과 음극 전해액을 서로 혼합하기 위한 혼합관로 및 상기 혼합된 전해액을 각각 동량 분배하기 위한 분배관로를 더 포함하되, 상기 혼합관로는 양극 전해액 공급관로에서 분지되어 음극 전해액 저장부에 연결되거나, 또는 음극 전해액 공급관로에서 분지되어 양극 전해액 저장부에 연결되고, 상기 분배관로는 양극 및 음극 전해액 저장부 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 배터리를 제공한다.
또한 본 발명은 i) 양극 또는 음극 전해액 저장부에서 공급관로를 따라 전해액이 이동하는 단계; ii) 상기 전해액이 공급관로에서 혼합관로로 이동하는 단계; iii) 상기 전해액이 혼합관로에서 상기 i)의 상대 전해액 저장부로 유입되는 단계; iv) 상기 전해액이 상기 상대 전해액 저장부의 전해액과 혼합되는 단계; v) 상기 혼합된 전해액이 분배관로를 따라 이동하는 단계; 및 vi) 상기 전해액이 양극 또는 음극 전해액 저장부에 각각 분배되는 단계;를 포함하는 레독스 플로우 배터리의 전해액 재생 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 전해액 재생을 위해 추가적인 펌프를 설치하지 않고, 기존의 양극 또는 음극 전해액을 스택으로 공급하기 위한 펌프를 이용함으로써, 초기 비용 및 운영 비용을 효율적으로 낮출 수 있다.
본 발명에 따르면, 양극 및 음극 전해액의 평균 이온 산화수인 전해액으로 균일하게 혼합되게 함으로써, 장기간 운전 시 양극 및 음극 전해액 간의 크로스 오버 현상으로 인한 저하된 용량을 회복하고 장기간 사이클 안정성을 유지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 양극 및 음극 전해액 저장부에 각각 보관되는 양극 및 음극 전해액 중 어느 하나를 상대 전해액 저장부로 유입시켜 균일한 전해액으로 혼합 및 분배하는 간단한 기계 조작 만으로도 레독스 플로우 배터리의 용량이 회복되어 공정 효율이 향상된다.
본 발명에 따르면, 초기에 양극 및 음극 전해액 저장부에 각각 보관되는 양극 및 음극 전해액을 재생할 수 있어 비용이 절감되고, 이로 인해 전해액을 폐기할 필요가 없으므로, 전해액 폐기시 사람의 인체에 전해액이 노출되지 않아 인체 안정성이 확보된다.
도 1은 통상적인 레독스 플로우 배터리를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 전해액 재생 모듈을 포함하는 레독스 플로우 배터리를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1구현예에 따른 레독스 플로우 배터리의 전해액 재생 방법을 설명한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2구현예에 따른 레독스 플로우 배터리의 전해액 재생 방법을 설명한 순서도이다.
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.
또한, 본 명세서에서 기재된 "상대 전해액 저장부"란 설명의 편의상 사용되는 용어로서, 양극 전해액 저장부에 저장되어 있는 양극 전해액을 기준으로 하는 경우 음극 전해액 저장부를 상대 전해액 저장부라 하며, 음극 전해액 저장부에 저장되어 있는 음극 전해액을 기준으로 하는 경우 양극 전해액 저장부를 상대 전해액 저장부라고 함을 유의한다.
상기 양극(Cathode)은 방전될 때 전자를 받아 환원되는 전극을 의미하며, 반대로, 전지의 충전 시에는 산화되어 전자를 내보내는 음극(Anode)의 역할을 수행할 수 있다.
상기 음극(Anode)은 방전될 때 산화되어 전자를 내보내는 전극을 의미하며, 반대로, 전지의 충전 시에는 전자를 받아 환원되는 양극(Cathode)의 역할을 수행할 수 있다.
레독스 플로우 배터리
도 1은 통상적인 레독스 플로우 배터리를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 통상적인 레독스 플로우 배터리는 양극셀(12), 음극셀(13) 및 분리막(11)을 포함하는 단위셀들로 이루어진 스택(10); 양극 및 음극 전해액이 각각 보관되는 전해액 저장부(20, 30); 상기 전해액 저장부(20, 30)로부터 전해액을 상기 스택(10)으로 공급하기 위한 공급관로(21, 31); 상기 스택(10)으로부터 전해액을 전해액 저장부(20, 30)로 회수하기 위한 회수관로(22, 32); 및 상기 전해액을 상기 스택(10)에 공급하기 위한 펌프(23, 33);를 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 전해액 재생 모듈을 포함하는 레독스 플로우 배터리를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 레독스 플로우 배터리는 상기 통상의 레독스 플로우 배터리의 구성에 추가적으로 전해액 재생 모듈을 더욱 구비하는 것으로, 보다 구체적으로 상기한 스택(10); 전해액 저장부(20, 30); 공급관로(21, 31); 회수관로(22, 32); 및 펌프(23, 33);를 기본으로 포함하고, 이에 전해액 재생 모듈로서, 상기 양극 전해액과 음극 전해액을 서로 혼합하기 위한 혼합관로(40) 및 상기 혼합된 전해액을 각각 동량 분배하기 위한 분배관로(50)를 더욱 포함한다.
보다 구체적으로 상기 전해액 재생 모듈은 본 발명의 제1구현예에 따라, 상기 혼합관로(40)가 양극 전해액 공급관로(21)에서 분지되어 음극 전해액 저장부(30)에 연결되며, 상기 분배관로(50)는 양극 및 음극 전해액 저장부(20, 30) 사이에 연결된다. 이때 상기 양극 전해액 공급관로(21)에는 제1밸브(A), 상기 혼합관로(40)에는 제2밸브(B), 상기 분배관로(50)에는 제3밸브(C)가 설치될 수 있다.
보다 구체적으로 상기 전해액 재생 모듈은 본 발명의 제2구현예에 따라, 상기 혼합관로(40)가 음극 전해액 공급관로(31)에서 분지되어 양극 전해액 저장부(20)에 연결되며, 상기 분배관로(50)는 양극 및 음극 전해액 저장부(20, 30) 사이에 연결된다. 이때 상기 음극 전해액 공급관로(31)에는 제1밸브(A), 상기 혼합관로(40)에는 제2밸브(B), 상기 분배관로(50)에는 제3밸브(C)가 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 플로우 배터리는 상기 제1구현예 또는 제2구현예에 따른 전해액 재생 모듈을 포함하여 제작된다. 이하 도 2를 참조하여, 제1구현예에 따른 레독스 플로우 전지를 대상으로 본 발명을 구체적으로 설명하도록 하나, 후술하는 바는 제2구현예에 따른 레독스 플로우 전지에도 동일 적용 가능함은 물론이다.
도 2를 참조하면, 상기 펌프(23) 및 제1밸브(A)는 공급관로(21)에 일렬로 설치되며, 상기 혼합관로(40)가 상기 공급관로(21)에서 분지되는 시작점을 분지점(o)이라고 할 때, 전해액의 경로상 펌프(23)-분지점(o)-제1밸브(A)의 순으로 배열될 수 있다. 이러한 배열은 별도의 펌프를 설치하지 않고도 전해액 재생 모듈을 구동하는데 바람직하다.
상기 양극 및 음극 전해액 저장부(20, 30)는 상술된 바와 같이 각각 양극 및 음극 전해액을 저장하는 역할을 수행하며, 각 저장부의 내부 압력을 균등하게 분배하거나 작동 중에 발생할 수 있는 가스를 배출하도록 설계될 수 있다.
상기 분배관로(50)는 양극 및 음극 전해액 저장부(20, 30)의 측면 또는 저면에 설치될 수 있으며, 바람직하게는 측저면에 설치된다. 상기 분배관로(50)를 따라 혼합된 전해액이 이동하여 압력 평형을 이룰 때까지 양측 양극 및 음극 전해액 저장부(20, 30)에 분배된다. 따라서 혼합된 전해액을 각각의 전해액 저장부(20, 30)에 동량으로 분배하기 위해서는 상기 양극 및 음극 전해액 저장부(20, 30)의 크기와 높이는 동일한 것이 바람직하다. 즉, 압력 평형으로 인한 전해액의 수면 높이를 동일하게 하여 동량으로 분배 가능하다.
또한 본 발명에서 펌프(23) 또는 제1 내지 제3밸브(A, B, C)는 제어부에 의해 작동 개시 또는 개폐가 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레독스 플로우 배터리의 충전 또는 방전 시, 제어부에 의해 상기 제1밸브(A)가 개방되고 상기 제2밸브(B) 및 제3밸브(C)는 폐쇄된다. 이때 제어부가 펌프(23)의 작동 개시를 지시하면, 펌프(23)를 통해 양극 전해액 저장부(20)에 저장되어 있는 전해액이 공급관로(21)를 따라 스택(10)으로 공급되고, 산화/환원 반응 후 회수관로(22)를 따라 양극 전해액 저장부(20)로 회수된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해액 혼합 시, 제어부에 의해 상기 제2밸브(B)는 개방되고 제1밸브(A) 및 제3밸브(C)는 폐쇄된다. 이때 제어부가 펌프(23)의 작동 개시를 지시하면, 펌프(23)를 통해 양극 전해액 저장부(20)에 저장되어 있는 양극 전해액이 공급관로(21)와 혼합관로(40)를 따라 음극 전해액 저장부(30)로 유입되게 된다. 이때 음극 전해액 저장부(30)에 저장되어 있는 음극 전해액이 유입되는 양극 전해액과 혼합된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해액 분배 시, 제어부에 의해 상기 제3밸브(C)는 개방되고 제1밸브(A) 및 제2밸브(B)는 폐쇄된다. 이때 음극 전해액 저장부(30)에서 혼합된 전해액은 분배관로(50)를 따라 양극 전해액 저장부(20)로 유입되면서 동량으로 분배된다.
본 발명에서 상기 양극 전해액 저장부(20)는 일측은 양극셀(12)의 양극 전해액 유입구와 연결 가능하고, 타측은 양극셀(12)의 양극 전해액 유출구와 연결 가능하며, 음극 전해액 저장부(30)는 일측은 음극셀(13)의 음극 전해액 유입구와 연결 가능하고, 타측은 음극셀(13)의 음극 전해액 유출구와 연결 가능하다.
상기 양극 전해액 저장부(20)는 양극에 공급되는 양극 전해액을 수용 및 보관하는 역할을 수행하며, 음극 전해액 저장부(30)는 음극에 공급되는 음극 전해액을 수용 및 보관하는 역할을 수행한다. 이때, 양극 전해액 저장부(20) 및 음극 전해액 저장부(30)의 소재는 특별히 한정하지 않으나, 양극 전해액 저장부(20) 및 음극 전해액 저장부(30)에 수용 및 보관되는 양극 및 음극 전해액과 화학적으로 반응하지 않는 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 펌프(23, 33)는 각각 일측이 양극 전해액 저장부(20)에 연결 가능하고 타측이 양극셀(12)의 양극 전해액 유입구와 연결 가능하고, 일측이 음극 전해액 저장부(30)에 연결 가능하고 타측이 음극셀(13)의 음극 전해액 유입구와 연결 가능하다.
상기 펌프(23, 33)는 상기 레독스 플로우 배터리의 충전 또는 방전 시, 양극 전해액 저장부(20) 및 음극 전해액 저장부(30)에 각각 보관되는 양극 및 음극 전해액을 스택(10)에 유입시키는 동력을 제공할 뿐만 아니라, 또한 전해액 재생 모듈 구동 시, 양극 전해액 저장부(20) 및 음극 전해액 저장부(30)에 각각 보관되는 양극 및 음극 전해액 중 어느 하나를 상대 전해액 저장부로 유입시키는 동력을 제공한다. 따라서 본 발명에 따른 레독스 플로우 배터리에는 전해액 재생 모듈을 구동하기 위한 별도의 펌프가 추가로 설치될 필요가 없다. 또한 상기 펌프(23, 33)는 양극 및 음극 전해액을 스택(10)에 유입시킬 때, 또는 양극 및 음극 전해액 중 어느 하나를 상대 전해액 저장부로 유입시킬 때 유속을 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 전해액 재생 모듈을 이용하여 전해액의 전부 또는 일부를 유입시켜 혼합과 분배의 과정을 일정시간 동안 수행하게 되면, 양극 및 음극 전해액 저장부(20, 30)에는 균일하게 혼합된 동량의 전해액이 저장되게 된다.
상기 양극 및 음극 전해액 중 어느 하나를 상대 전해액 저장부로 전부를 유입시켜 혼합하고 분배하면, 상대 전해액 저장부 크기는 전해액 전부를 수용하는 정도여야 한다.
상기 양극 및 음극 전해액 중 어느 하나를 상대 전해액 저장부로 일부를 유입시켜 혼합하고 분배하는 사이클을 반복하면, 상대 전해액 저장부의 크기가 유입되는 일부 전해액을 수용할 정도이면 충분하고, 혼합과 분배를 연속적 또는 간헐연속적으로 진행하므로 재생시간이 단축되는 장점이 있다.
이때, 보다 균일하고 효율적인 전해액 혼합을 위하여, 양극 및 음극 전해액 저장부(20, 30)에는 각각의 전해액을 교반하는 교반장치가 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 교반장치는 임펠라(Impeller), 아지테이터(Agitator) 및 마그네틱 스티러(Magnetic stirrer) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 구성으로 인해, 양극 및 음극 전해액 저장부(2O, 30)에 각각 보관되는 양극 및 음극 전해액 중 어느 하나를 상대 전해액 저장부로 유입시키고, 양극 및 음극 전해액 저장부(2O, 30)의 압력을 조절하며, 전해액의 혼합과 분배의 과정을 수행함으로써 레독스 플로우 배터리의 사이클 안정성을 유지할 수 있는 효과가 발생한다.
일례로, 레독스 플로우 배터리가 바나듐 레독스 플로우 배터리의 경우에는, 충전 반응시 양극에서는 V4+ 이온이 산화되어 V5+ 이온으로 변환되고, 전자가 소모되며 수소 이온은 분리막을 통하여 양극에서 음극으로 이동하는 산화 반응이 일어나게 되고, 음극에서는 V3+ 이온이 전자를 받아들여 V2+ 이온으로 변환하는 환원반응이 일어나게 된다. 반면에 방전 반응시에는 상술된 반응과 반대로 바나듐 이온의 산화수가 변화되는 산화/환원 반응(즉, 레독스 반응)이 일어남으로써 충전 또는 방전이 효과적으로 수행된다.
구체적으로 설명하면, 양극 및 음극 전해액 저장부(20, 30)에는 완전 충전 상태에서는 V2+와 V5+ 이온이 혼합되고, 완전 방전 상태에서는 V3+와 V4+ 이온이 혼합된다. 이때, V2+와 V5+ 이온은 산화 및 환원이 쉬운 상태의 바나듐 이온이기 때문에 양극 및 음극 전해액이 혼합될 때 V2+와 V5+ 이온은 각각 V3+와 V4+ 이온으로 산화 및 환원이 된다. 그러나 완전 충전 상태 또는 완전 방전 상태가 아니어도, 동량의 레독스 커플이 존재할 수 있으므로, 따라서 양극 및 음극 전해액이 혼합될 경우, 바나듐 이온의 평균 산화수는 V3.5+가 된다.
양극 및 음극 전해액 저장부(20, 30)에는 각각 바나듐 이온의 평균 산화수를 가지는 V3.5+ 상태인 음극 및 양극 전해액이 저장되어 있으며, 이때 플로우 배터리 단전지의 개방회로전압(OCV, Open circuit voltage)은 OV가 된다. 이후 전지를 수행하기 위해 일측이 양극 전해액 저장부(20)에 연결 가능하고 타측이 양극 전해액 유입구와 연결 가능하며, 일측이 음극 전해액 저장부(30)에 연결 가능하고 타측이 음극 전해액 유입구와 연결 가능한 펌프(23, 33)가 작동된다. 펌프(23, 33)가 작동되면, 양극 전해액 저장부(20)에 저장되는 양극 전해액은 펌프(23)에 의해 양극 전해액 유입구를 통하여 양극에 전달된 후 레독스 반응이 완료되면, 양극 전해액 유출구를 통하여 다시 양극 전해액 저장부(20)로 이동하게 된다. 유사하게, 음극 전해액 저장부(30)에 저장되는 음극 전해액은 펌프(33)에 의해 음극 전해액 유입구를 통하여 음극에 전달된 후 레독스 반응이 완료되면, 음극 전해액 유출구를 통하여 다시 음극 전해액 저장부(30)로 이동하게 된다.
즉, 전지가 정상적인 충전 반응을 수행하게 되면, 양극에서는 V3.5+ → V4+ → V5+로 산화가 진행되며, 음극에서는 V3.5+ → V3+ → V2+로 환원이 진행된다.
전해액 재생 방법
본 발명은 i) 양극 또는 음극 전해액 저장부(20, 30)에서 공급관로(21, 31)를 따라 전해액이 이동하는 단계; ii) 상기 전해액이 공급관로(21, 31)에서 혼합관로(22, 32)로 이동하는 단계; iii) 상기 전해액이 혼합관로(40)에서 상기 i)의 상대 전해액 저장부로 유입되는 단계; iv) 상기 전해액이 상기 상대 전해액 저장부의 전해액과 혼합되는 단계; v) 상기 혼합된 전해액이 분배관로(50)를 따라 이동하는 단계; 및 vi) 상기 전해액이 양극 또는 음극 전해액 저장부(20, 30)에 각각 분배되는 단계;를 포함하는 레독스 플로우 배터리의 전해액 재생 방법을 제공한다.
이때 상기 ii) 단계 이전에 상기 공급관로(21, 31)의 제1밸브가 폐쇄되고, 상기 혼합관로(40)의 제2밸브가 개방되어 전해액 경로를 지정할 수 있다.
또한 상기 iv) 단계 이전에 상기 분배관로(50)의 제3밸브가 개방되어 전해액 경로를 지정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1구현예에 따른 레독스 플로우 배터리의 전해액 재생 방법을 설명한 순서도이다. 도 2를 참고하여 구체적으로 설명하면, 먼저 양극 전해액 저장부(20)에 저장된 양극 전해액이 펌프(23)에 의해 공급관로(21)로 이동하게 된다. 이때 밸브의 개폐 조절(예컨대, 제1밸브(A)의 폐쇄와 제2밸브(B)의 개방)로 인한 전해액 경로의 조작에 의해, 상기 양극 전해액이 혼합관로(40)로 이동하고, 혼합관로(40)에서 음극 전해액 저장부(30)로 양극 전해액이 유입된다. 이후, 음극 전해액 저장부(30)에 저장되어 있던 음극 전해액과 상기 유입된 양극 전해액이 교반 장치 등을 통해 혼합된다. 상기 혼합된 전해액이 음극 전해액 저장부(30)에서 밸브의 개폐 조절(예컨대, 제3밸브(C)의 개방)에 의해 분배관로(50)를 따라 이동하여, 양극 전해액 저장부(20)로 이동하여 동량으로 전해액이 분배된다.
도 4는 본 발명의 제2구현예에 따른 레독스 플로우 배터리의 전해액 재생 방법을 설명한 순서도이다. 도 2를 참고하여 구체적으로 설명하면, 먼저 음극 전해액 저장부(30)에 저장된 음극 전해액이 펌프(33)에 의해 공급관로(31)로 이동하게 된다. 이때 밸브의 개폐 조절(예컨대, 제1밸브(A)의 폐쇄와 제2밸브(B)의 개방)로 인한 전해액 경로의 조작에 의해, 상기 음극 전해액이 혼합관로(40)로 이동하고, 혼합관로(40)에서 양극 전해액 저장부(20)로 음극 전해액이 유입된다. 이후, 양극 전해액 저장부(20)에 저장되어 있던 양극 전해액과 상기 유입된 음극 전해액이 교반장치 등을 통해 혼합된다. 상기 혼합된 전해액이 양극 전해액 저장부(20)에서 밸브의 개폐 조절(예컨대, 제3밸브(C)의 개방)에 의해 분배관로(50)를 따라 이동하여, 음극 전해액 저장부(30)로 이동하여 동량으로 전해액이 분배된다.
10. 스택 11. 분리막
12. 양극셀 13. 음극셀
20. 양극 전해액 저장부 21. 양극 전해액 공급관로
22. 양극 전해액 회수관로 23. 펌프
30. 음극 전해액 저장부 31. 음극 전해액 공급관로
32. 음극 전해액 회수관로 33. 펌프
40. 혼합관로 50. 분배관로
A. 제1밸브 B. 제2밸브
C. 제3밸브 o. 분지점

Claims (12)

  1. 양극셀, 음극셀 및 분리막을 포함하는 단위셀들로 이루어진 스택;
    양극 및 음극 전해액이 각각 보관되는 전해액 저장부;
    상기 전해액 저장부로부터 전해액을 상기 스택으로 공급하기 위한 공급관로;
    상기 스택으로부터 전해액을 전해액 저장부로 회수하기 위한 회수관로; 및
    상기 전해액을 상기 스택에 공급하기 위한 펌프;를 포함하는 레독스 플로우 배터리에 있어서,
    상기 양극 전해액과 음극 전해액을 서로 혼합하기 위한 혼합관로; 및 상기 혼합된 전해액을 각각 동량 분배하기 위한 분배관로;를 더 포함하되,
    상기 혼합관로는 양극 전해액 공급관로에서 분지되어 음극 전해액 저장부에 연결되거나, 또는 음극 전해액 공급관로에서 분지되어 양극 전해액 저장부에 연결되고,
    상기 분배관로는 양극 및 음극 전해액 저장부 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합관로가 양극 전해액 공급관로에서 분지되어 음극 전해액 저장부에 연결되면, 상기 양극 전해액 공급관로에는 제1밸브가 설치되고, 상기 혼합관로에는 제2밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합관로가 음극 전해액 공급관로에서 분지되어 양극 전해액 저장부에 연결되면, 상기 음극 전해액 공급관로에는 제1밸브가 설치되고, 상기 혼합관로에는 제2밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분배관로에는 제3밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 배터리.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1밸브 및 펌프는 공급관로에 일렬로 설치되며, 상기 혼합관로가 상기 공급관로에서 분지되는 시작점을 분지점이라고 할 때, 전해액의 경로상 펌프-분지점-제1밸브의 순으로 배열되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 배터리.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레독스 플로우 배터리의 충전 또는 방전 시, 상기 제1밸브가 개방되고 상기 제2밸브 및 제3밸브는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 배터리.
  7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해액 혼합 시, 상기 제2밸브는 개방되고 제1밸브 및 제3밸브는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 배터리.
  8. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해액 분배 시, 상기 제3밸브는 개방되고 제1밸브 및 제2밸브는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 배터리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 양극 및 음극 전해액 저장부에는 각각의 전해액을 교반하는 교반장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 배터리.
  10. i) 양극 또는 음극 전해액 저장부에서 공급관로를 따라 전해액이 이동하는 단계;
    ii) 상기 전해액이 공급관로에서 혼합관로로 이동하는 단계;
    iii) 상기 전해액이 혼합관로에서 상기 i)의 상대 전해액 저장부로 유입되는 단계;
    iv) 상기 전해액이 상기 상대 전해액 저장부의 전해액과 혼합되는 단계;
    v) 상기 혼합된 전해액이 분배관로를 따라 이동하는 단계; 및
    vi) 상기 전해액이 양극 또는 음극 전해액 저장부에 각각 분배되는 단계;
    를 포함하는 레독스 플로우 배터리의 전해액 재생 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 ii) 단계를 수행하기 이전에, 상기 공급관로의 제1밸브가 폐쇄되고, 상기 혼합관로의 제2밸브가 개방되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 배터리의 전해액 재생 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 iv) 단계를 수행하기 이전에, 상기 분배관로의 제3밸브가 개방되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 배터리의 전해액 재생 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2022112599A1 (fr) * 2020-11-30 2022-06-02 Kemiwatt Drainage d'empilement pour batterie rédox à flux
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