KR20190007573A - 레독스 흐름 전지 및 이의 충전도 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레독스 흐름 전지 및 이의 충전도 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 레독스 흐름 전지의 충전 또는 방전이 수행될 때 일정 시간 동안 개방 전압을 측정하는 것; 상기 일정 시간 동안 측정된 상기 개방 전압을 기초로 상기 레독스 흐름 전지의 충전도 변화량을 분석하는 것; 상기 충전도 변화량을 기초로 쿨롱 효율을 보정하는 것; 및 상기 보정된 쿨롱 효율을 기초로 상기 레독스 흐름 전지의 현재 충전도를 산출하는 것을 포함한다. 상기 쿨롱 효율은 상기 레독스 흐름 전지의 실제 운전 요소들이 반영된 파라미터이다.

Description

레독스 흐름 전지 및 이의 충전도 측정 방법{Redox flow battery and method for measuring state of charge of the same}
본 발명은 레독스 흐름 전지 및 이의 충전도 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쿨롱 효율에 기초한 레독스 흐름 전지의 충전도 측정 방법에 관한 것이다.
최근 전력 부족의 심각화에 따라, 풍력 발전이나 태양광 발전 등과 같은 자연 에너지의 도입 및 전력 계통의 안정화가 세계적으로 이슈가 되고 있다. 이를 위한 기술의 하나로서, 안정적인 출력 및 잉여 전력의 저장을 위한 대용량 에너지 저장 장치 기술이 주목 받고 있다.
대용량의 에너지 저장 장치의 하나로 레독스 흐름 전지가 있다. 레독스 흐름 전지는 셀을 통해서 전해액의 화학 에너지를 전기 에너지로(방전), 혹은 그 반대 방향(충전)으로 변환하는 장치이다. 레독스 흐름 전지는 대용량화가 용이하고, 수명이 길며, 전지의 충전 상태를 정확히 모니터링할 수 있는 장점을 갖고 있어, 전력 계통의 안정화를 위한 여러 장점을 지닌 에너지 저장 장치라 볼 수 있다.
한편 레독스 흐름 전지의 정확한 충전도 측정은 전지의 과충전 또는 과방전의 문제를 방지할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 신뢰도와 정확도가 향상된 레독스 흐름 전지의 충전도 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 개념에 따른, 레독스 흐름 전지의 충전도 측정 방법은, 레독스 흐름 전지의 충전 또는 방전이 수행될 때 일정 시간 동안 개방 전압을 측정하는 것; 상기 일정 시간 동안 측정된 상기 개방 전압을 기초로 상기 레독스 흐름 전지의 충전도 변화량을 분석하는 것; 상기 충전도 변화량을 기초로 쿨롱 효율을 보정하는 것; 및 상기 보정된 쿨롱 효율을 기초로 상기 레독스 흐름 전지의 현재 충전도를 산출하는 것을 포함할 수 있다. 상기 쿨롱 효율은 상기 레독스 흐름 전지의 실제 운전 요소들이 반영된 파라미터일 수 있다.
본 발명의 다른 개념에 따른, 레독스 흐름 전지는, 양극 셀 및 음극 셀; 양극 전해액을 저장하고, 상기 양극 셀과 유체 연통된(in fluid communication with) 제1 저장 탱크; 음극 전해액을 저장하고, 상기 음극 셀과 유체 연통된 제2 저장 탱크; 상기 양극 전해액과 상기 음극 전해액간의 포텐셜 차이로 개방 전압을 측정하는 개방 전압 측정 셀; 상기 개방 전압 측정 셀을 통해 측정된 개방 전압을 기초로 쿨롱 효율을 보정하는 쿨롱 효율 보정부; 및 상기 보정된 쿨롱 효율을 기초로 현재 충전도를 산출하는 충전도 산출부를 포함할 수 있다. 상기 쿨롱 효율은 레독스 흐름 전지의 실제 운전 요소들이 반영된 파라미터일 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지의 충전도 측정 방법은, 실제 운전 요소를 반영하는 파라미터(쿨롱 효율)를 개방 전압을 통하여 정확히 산정할 수 있다. 이로써, 신뢰도와 정확도가 향상된 충전도를 산출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 레독스 흐름 전지의 셀을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 레독스 흐름 전지를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 레독스 흐름 전지의 정전류 충전 중 시간에 따른 실제 SOC와 OCV에 기초한 SOC를 나타낸 그래프이다.
도 4는 레독스 흐름 전지의 큰 유량 하에서 실제 SOC와 OCV에 기초한 SOC를 나타낸 그래프이다.
도 5는 레독스 흐름 전지의 유량이 변화할 때 실제 SOC와 OCV에 기초한 SOC를 나타낸 그래프이다.
도 6는 본 발명의 실시예들에 따른 레독스 흐름 전지 시스템의 충전도를 측정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 레독스 흐름 전지의 정전류 충전 및 유휴기에 따른 실제 SOC와 OCV에 기초한 SOC를 나타낸 그래프이다.
도 8은 레독스 흐름 전지의 정전류 충전 중 실제 SOC, OCV에 기초한 SOC 및 전하량과 쿨롱 효율에 기초한 SOC를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 레독스 흐름 전지의 셀을 설명하기 위한 개략도이다. 도 1을 참조하면, 셀(CEL), 제1 저장 탱크(110a), 제1 펌프(120a), 제2 저장 탱크(110b) 및 제2 펌프(120b)가 제공될 수 있다.
제1 저장 탱크(110a)는 제1 전해액을 저장할 수 있고, 제2 저장 탱크(110b)는 제2 전해액을 저장할 수 있다. 예를 들어, 제1 전해액은 양극 전해액일 수 있고, 제2 전해액은 음극 전해액일 수 있다. 제1 전해액은 바나듐 활물질로서 V4+ 이온 및 V5+ 이온을 포함할 수 있고, 제2 전해액은 바나듐 활물질로서 V2+ 이온 및 V3+ 이온을 포함할 수 있다. 제1 전해액 및 제2 전해액 각각은 황산, 염산 또는 이들의 혼합산을 더 포함할 수 있다. 황산 또는 염산은 바나듐 활물질을 용해시킬 수 있다.
셀(CEL)은, 양극 셀(102a), 음극 셀(102b), 양극 셀(102a) 내의 제1 전극(106a), 음극 셀(102b) 내의 제2 전극(106b), 및 양극 셀(102a) 및 음극 셀(102b) 사이에 개재된 이온교환막(104)을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 전극(106a)은 양극일 수 있고, 제2 전극(106b)은 음극일 수 있다.
제1 전극(106a) 및 제2 전극(106b)은 각각 양극 셀(102a) 및 음극 셀(102b) 내에서 산화/환원 반응을 위한 활성 사이트(active site)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(106a) 및 제2 전극(106b)은 부직포, 탄소섬유 또는 탄소 페이퍼를 포함할 수 있다.
제1 저장 탱크(110a)는 양극 셀(102a)과 유체 연통될 수 있다. 구체적으로, 제1 저장 탱크(110a) 내 제1 전해액은 제1 펌프(120a)를 통해 양극 셀(102a) 내로 유입될 수 있다. 양극 셀(102a)에서는 충전 또는 방전에 따라 제1 전극(106a)을 통한 전자의 이동이 발생할 수 있다. 예를 들어, 충전 시에는 V4+ 이온으로부터 V5+ 이온이 생성되고, 제1 전극(106a)으로 전자가 전달된다(산화). 방전 시에는 V5+ 이온으로부터 V4+ 이온이 생성되고, 제1 전극(106a)으로부터 전자가 전달된다(환원). 양극 셀(102a)에서 산화/환원 반응을 마친 제1 전해액은 다시 제1 저장 탱크(110a)로 유입될 수 있다. 제1 펌프(120a)를 통하여, 제1 저장 탱크(110a)와 양극 셀(102a) 간에 전해액이 순환될 수 있다.
제2 저장 탱크(110b)는 음극 셀(102b)과 유체 연통될 수 있다. 구체적으로, 제2 저장 탱크(110b) 내 제2 전해액은 제2 펌프(120b)를 통해 음극 셀(102b) 내로 유입될 수 있다. 음극 셀(102b)에서는 충전 또는 방전에 따라 제2 전극(106b)을 통한 전자의 이동이 발생할 수 있다. 예를 들어, 충전 시에는 V3+ 이온으로부터 V2+ 이온이 생성되고, 제2 전극(106b)으로부터 전자가 전달된다(환원). 방전 시에는 V2+ 이온으로부터 V3+ 이온이 생성되고, 제2 전극(106b)으로 전자가 전달된다(산화). 음극 셀(102b)에서 산화/환원 반응을 마친 제2 전해액은 다시 제2 저장 탱크(110b)로 유입될 수 있다. 제2 펌프(120b)를 통하여, 제2 저장 탱크(110b)와 음극 셀(102b) 간에 전해액이 순환될 수 있다.
양극 셀(102a)과 음극 셀(102b)은 이온교환막(104)에 의해 서로 분리될 수 있다. 한편, 이온교환막(104)을 통해 양극 셀(102a)과 음극 셀(102b)간에 이온의 이동, 즉 크로스오버가 일어날 수 있다. 예를 들어, 수소 이온(H+)이 이온교환막(104)을 통과하여 양극 셀(102a)과 음극 셀(102b) 사이를 이동할 수 있다. 그 외에, 바나듐 활물질 이온들(V2+, V3+, V4+, V5+)의 일부도 이온교환막(104)을 통과할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지가 완전히 충전되었을 경우(state of charge, SOC=100%), 제1 전해액의 바나듐 활물질은 V5+ 이온만으로 존재할 수 있고, 제2 전해액의 바나듐 활물질은 V2+ 이온만으로 존재할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지가 완전히 방전되었을 경우(SOC=0%), 제1 전해액의 바나듐 활물질은 V4+ 이온만으로 존재할 수 있고, 제2 전해액의 바나듐 활물질은 V3+ 이온만으로 존재할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지가 절반만 충전되었을 경우(SOC=50%), 제1 전해액의 바나듐 활물질은 V5+ 이온과 V4+ 이온이 1:1의 비율로 존재할 수 있고, 제2 전해액의 바나듐 활물질은 V2+ 이온과 V3+ 이온이 1:1의 비율로 존재할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 레독스 흐름 전지를 설명하기 위한 개략도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지(RFB)는 스택(ST), 제1 저장 탱크(110a), 제1 펌프(120a), 제2 저장 탱크(110b), 제2 펌프(120b), 개방 전압(open circuit voltage, OCV) 측정 셀(130), 전류 측정부(140) 및 제어 장치(10)를 포함할 수 있다. 스택(ST)은 복수개의 셀들(CEL1-CEL5)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스택(ST)은 제1 내지 제5 셀들(CEL1-CEL5)을 포함할 수 있다. 각각의 제1 내지 제5 셀들(CEL1-CEL5)은 앞서 도 2를 참조하여 설명한 셀(CEL)과 동일 또는 유사할 수 있다. 도 2에 도시된 스택(ST) 내 제1 내지 제5 셀들(CEL1-CEL5)은 예시적인 것이고, 스택(ST) 내 셀들의 개수 및 이들의 배치는 당업자가 적절히 선택할 수 있다.
구체적으로, 각각의 제1 내지 제5 셀들(CEL1-CEL5)은 이온교환막(104)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제5 셀들(CEL1-CEL5) 사이에 양극성 전극들(106, bipolar electrode)이 배치될 수 있다. 서로 인접하는 한 쌍의 셀들은 하나의 양극성 전극(106)을 공유할 수 있다.
예를 들어, 제1 셀(CEL1)과 제2 셀(CEL2) 사이의 양극성 전극(106)은, 제1 셀(CEL1)의 기준으로 앞서 도 1을 참조하여 설명한 제2 전극(106b)에 해당될 수 있다. 제1 셀(CEL1)과 제2 셀(CEL2) 사이의 양극성 전극(106)은, 제2 셀(CEL2)의 기준으로 앞서 도 1을 참조하여 설명한 제1 전극(106a)에 해당될 수 있다. 레독스 흐름 전지의 방전 시, 제1 셀(CEL1)의 음극 셀(102b)로부터 양극성 전극(106)으로 전자가 전달되고, 양극성 전극(106)으로 전달된 전자는 제2 셀(CEL2)의 양극 셀(102a)로 전달될 수 있다. 레독스 흐름 전지의 충전 시, 제2 셀(CEL2)의 양극 셀(102a)로부터 양극성 전극(106)으로 전자가 전달되고, 양극성 전극(106)으로 전달된 전자는 제1 셀(CEL1)의 음극 셀(102b)로 전달될 수 있다.
스택(ST)의 양 말단에는 각각 제1 집전 전극(108a) 및 제2 집전 전극(108b)이 배치될 수 있다. 제1 집전 전극(108a)은 제1 셀(CEL1)의 양극 셀(102a)에 인접할 수 있고, 제2 집전 전극(108b)은 제5 셀(CEL5)의 음극 셀(102b)에 인접할 수 있다. 일 예로, 제1 집전 전극(108a)은 양극일 수 있고, 제2 집전 전극은 음극일 수 있다.
제1 펌프(120a)를 통해 제1 저장 탱크(110a)로부터 제1 전해액이 제1 내지 제5 셀들(CEL1-CEL5)의 양극 셀들(102a) 내로 유입될 수 있다. 제2 펌프(120b)를 통해 제2 저장 탱크(110b)로부터 제2 전해액이 제1 내지 제5 셀들(CEL1-CEL5)의 음극 셀들(102b) 내로 유입될 수 있다. 스택(ST) 내의 제1 내지 제5 셀들(CEL1-CEL5)은 하나의 제1 저장 탱크(110a) 내의 제1 전해액을 공유할 수 있다. 스택(ST) 내의 제1 내지 제5 셀들(CEL1-CEL5)은 하나의 제2 저장 탱크(110b) 내의 제2 전해액을 공유할 수 있다.
OCV 측정 셀(130)은 제1 저장 탱크(110a)와 유체적으로 연결될 수 있고, 제2 저장 탱크(110b)와 유체적으로 연결될 수 있다. 제1 전해액이 제1 저장 탱크(110a)로부터 OCV 측정 셀(130)의 제1 구획(compartment)으로 유입될 수 있다. 제2 전해액이 제2 저장 탱크(110b)로부터 OCV 측정 셀(130)의 제2 구획으로 유입될 수 있다. OCV 측정 셀(130)은, 제1 전해액과 제2 전해액간의 포텐셜 차이에 기초하여 개방 전압을 측정할 수 있다.
전류 측정부(140)는 제1 집전 전극(108a) 및 제2 집전 전극(108b)과 전기적으로 연결될 수 있다. 전류 측정부(140)는 레독스 흐름 전지(RFB)의 충전 또는 방전이 수행될 때 발생하는 전류를 측정할 수 있다.
제어 장치(10)는 제1 SOC 보정부(12), 전하량 카운팅 부(14), 쿨롱 효율 보정부(16) 및 제2 SOC 산출부(18)를 포함할 수 있다. 제1 SOC 보정부(12)는 초기 충전도(제1 SOC)를 레독스 흐름 전지(RFB)의 유휴기(idel period)에 개방 전압에 기초하여 측정된 충전도와 동일하게 보정할 수 있다. 전하량 카운팅 부(14)는 레독스 흐름 전지(RFB)의 충전 또는 방전 수행 중 전류 측정부(140)에서 측정된 전류를 바탕으로 전하량을 카운팅할 수 있다. 쿨롱 효율 보정부(16)는 기 설정된 쿨롱 효율을 레독스 흐름 전지(RFB)의 충전 또는 방전 수행 중 OCV 측정 셀(130)로부터 측정된 개방 전압을 기초로 산정된 쿨롱 효율과 동일하게 보정할 수 있다. 제2 SOC 산출부(18)는 초기 충전도(제1 SOC), 전하량 및 쿨롱 효율을 기초로 현재 충전도(제2 SOC)를 산출할 수 있다.
도 3은 레독스 흐름 전지의 정전류 충전 중 시간에 따른 실제 SOC와 OCV에 기초한 SOC를 나타낸 그래프이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 레독스 흐름 전지(RFB)의 정전류로 충전을 수행할 경우, 레독스 흐름 전지(RFB)의 실제 충전도(SOC)는 선형적으로 증가할 수 있다. 레독스 흐름 전지(RFB)의 충전도(SOC)를 측정하기 위한 방법의 일 예로, OCV 측정 셀(130)에서 측정된 개방 전압(OCV)에 기초하여 레독스 흐름 전지(RFB)의 충전도(SOC)를 산출하는 방법이 있다. 구체적으로, 전기화학의 Nernst equation을 이용하여 개방 전압(OCV)으로부터 충전도(SOC)가 산출될 수 있다.
일반적으로, 개방 전압(OCV)은 전류가 흐르지 않을 때 양극과 음극간의 포텐셜 차이를 의미한다. 따라서, 일반적인 2차 전지(예를 들어, 리튬 전지)의 경우 충전 또는 방전이 수행되고 있을 때 개방 전압(OCV)을 측정할 수 없다. 반면, 레독스 흐름 전지(RFB)는 에너지가 전극 물질에 저장되지 않고 양극 전해액 및 음극 전해액에 저장된다. 레독스 흐름 전지(RFB)의 충전 또는 방전이 수행되고 있을 때에도 OCV 측정 셀(130)을 통해 양극 전해액과 음극 전해액간의 포텐셜 차이를 측정해 개방 전압(OCV)을 구할 수 있다. 다시 말하면, 레독스 흐름 전지(RFB)는 충전 또는 방전 중에도 실시간으로 개방 전압(OCV) 및 개방 전압(OCV)에 기초한 충전도(SOC)를 모니터링 할 수 있다.
도 3에 나타난 바와 같이, 레독스 흐름 전지(RFB)의 실제 충전도(SOC)와 측정된 개방 전압(OCV)에 기초한 충전도(SOC)간에는 차이가 발생할 수 있다. 예를 들어, 제1 시간(T1)에서 실제 충전도(SOC)는 제1 값(SOC1)이지만 개방 전압(OCV)에 기초한 충전도(SOC)는 제2 값(SOC2)일 수 있다.
개방 전압(OCV)에 기초한 충전도(SOC)는 실제 충전도(SOC)와 비교하여 딜레이가 존재할 수 있다. 구체적으로, 레독스 흐름 전지(RFB)의 스택(ST)에서 충전 또는 방전된 제1 전해액 및 제2 전해액이 제1 저장 탱크(110a) 및 제2 저장 탱크(110b)를 거쳐 OCV 측정 셀(130)에 도달하기까지 일정 시간이 소요될 수 있다. 예를 들어, 제1 저장 탱크(110a) 내 제1 전해액의 용량이 1,000 리터이고, 제1 펌프(120a)를 통한 제1 전해액의 유량이 50 LPM(Liter per Minute)인 경우, 제1 전해액이 스택(ST)을 완전히 순환하는데 20분이 소요될 수 있다.
도 3에 나타난 바와 같이, 정전류 충전이 시작될 경우 스택(ST) 내에서 충전된 제1 전해액이 OCV 측정 셀(130)에 도달할 때까지 지연 시간(Delay Time, 예를 들어 앞서 설명한 20분)이 소요될 수 있다. 일 예로, 지연 시간은 전해액이 저장 탱크와 스택을 완전히 순환할 때까지 소요되는 시간을 의미할 수 있다. 다른 예로, 지연 시간은 개방 전압(OCV)에 기초한 충전도(SOC)의 변화 프로파일이 실제 충전도(SOC)의 변화 프로파일과 일치해질 때까지 소요되는 시간을 의미할 수 있다. 지연 시간은 앞서 설명한 바와 같이 제1 저장 탱크(110a) 내 제1 전해액의 용량과 제1 전해액의 유량을 통해 산정될 수 있다. 그러나, 실제로 지연 시간은 제1 저장 탱크(110a) 내 제1 전해액의 용량과 제1 전해액의 유량을 통해 산정된 값보다 더 작을 수 있다.
도 4는 레독스 흐름 전지의 큰 유량 하에서 실제 SOC와 OCV에 기초한 SOC를 나타낸 그래프이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 지연 시간은 전해액의 유량(유속)에 따라 달라질 수 있다. 레독스 흐름 전지의 제1 전해액 및 제2 전해액의 유량을 증가시킬 경우, 도 4에 나타난 지연 시간이 도 3에 나타난 지연 시간보다 감소된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 레독스 흐름 전지의 유량이 변화할 때 실제 SOC와 OCV에 기초한 SOC를 나타낸 그래프이다. 도 3 및 도 5를 참조하면, 레독스 흐름 전지에 정전류 충전이 이루어지고 있으므로 실제 충전도(SOC)는 전해액의 유량 변화에 상관 없이 시간에 따라 선형적으로 증가한다. 그러나, 개방 전압(OCV)에 기초한 충전도(SOC)는 정전류 충전 중에도 전해액의 유량 변화에 따라 값이 달라질 수 있다. 이는 유량 변화에 따른 지연 시간의 발생에 기인한 것이다. 다시 말하면, 개방 전압(OCV)에 기초한 충전도(SOC)는 정확도 및 신뢰도가 떨어지는 문제가 있다. 개방 전압(OCV)에 기초한 충전도(SOC)는 실제 충전도(SOC)에 대한 정확도 및 신뢰도가 떨어지므로, 이는 레독스 흐름 전지의 과충전 또는 과방전의 위험을 높일 수 있다.
도 6는 본 발명의 실시예들에 따른 레독스 흐름 전지 시스템의 충전도를 측정하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 7은 레독스 흐름 전지의 정전류 충전 및 유휴기에 따른 실제 SOC와 OCV에 기초한 SOC를 나타낸 그래프이다. 도 2, 도 6 및 도 7을 참조하면, 레독스 흐름 전지(RFB)의 충전 또는 방전이 수행되지 않는 시기(유휴기, idle period)에 실제 충전도(SOC)를 정확히 측정하여, 초기 충전도(제1 SOC)를 정확히 보정할 수 있다.
구체적으로, 레독스 흐름 전지(RFB)의 충전 또는 방전이 수행되지 않으면서(S110) 초기 충전도(제1 SOC)를 정확히 산정할 필요가 있는 경우(S120), 제1 펌프(120a) 및 제2 펌프(120b)를 가동하여 제1 전해액 및 제2 전해액을 순환시킬 수 있다(S130). 제1 펌프(120a) 및 제2 펌프(120b)은 지연 시간 동안 운전될 수 있다. 제1 펌프(120a)를 지연 시간 동안 운전하여, 레독스 흐름 전지(RFB) 내의 제1 전해액의 조성이 실질적으로 균일해질 수 있다. 다시 말하면, 제1 저장 탱크(110a) 내 제1 전해액의 조성, 스택(ST) 내 제1 전해액의 조성 및 OCV 측정 셀(130)의 제1 구획 내 제1 전해액의 조성이 모두 실질적으로 동일해질 때까지 제1 펌프(120a)를 가동할 수 있다. 제2 펌프(120b)를 지연 시간 동안 운전하여, 레독스 흐름 전지(RFB) 내의 제2 전해액의 조성이 실질적으로 균일해질 수 있다. 다시 말하면, 제2 저장 탱크(110b) 내 제2 전해액의 조성, 스택(ST) 내 제2 전해액의 조성 및 OCV 측정 셀(130)의 제2 구획 내 제2 전해액의 조성이 모두 실질적으로 동일해질 때까지 제2 펌프(120b)를 가동할 수 있다.
OCV 측정 셀(130)을 통해 개방 전압(OCV)을 측정할 수 있다 (S140). 측정된 개방 전압(OCV)에 기초하여 현재의 실제 충전도(SOC)가 구해질 수 있다. 레독스 흐름 전지(RFB)가 유휴기 상태이면서 레독스 흐름 전지(RFB) 내 제1 전해액 및 제2 전해액의 조성이 균일해졌기 때문에, 이때 개방 전압(OCV)에 기초한 충전도(SOC)는 실제 충전도(SOC)와 동일할 수 있다.
개방 전압(OCV)에 기초한 충전도(SOC)를 초기 충전도(제1 SOC)로 설정(보정)할 수 있다(S150). 다시 말하면, 제어 장치(10)의 제1 SOC 보정부(12)는 초기 충전도(제1 SOC)가 실제 충전도(SOC)와 동일해지도록 초기 충전도(제1 SOC)를 설정(보정)할 수 있다.
다시 도 2 및 도 6을 참조하면, 레독스 흐름 전지(RFB)의 충전 또는 방전이 수행되기 시작하면, 전류 측정부(140)를 통해 레독스 흐름 전지(RFB)의 전류를 측정할 수 있다. 제어 장치(10)의 전하량 카운팅 부(14)는 측정된 전류를 바탕으로 전하량을 카운팅할 수 있다(S210). 구체적으로, 하기 수학식 1에 따라 전류를 시간으로 적분하여 충전 또는 방전된 전하량을 카운팅할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
레독스 흐름 전지(RFB)의 충전도(SOC)는 충전 또는 방전된 전하량에 비례하여 증가 또는 감소할 수 있다. 앞서 개방 전압(OCV)을 측정하여 충전도(SOC)를 구하는 방법과 다른 방법으로, 하기 수학식 2 및 수학식 3에 따른 관계식을 통하여 충전도(SOC)를 구할 수 있다. 하기 수학식 2는 레독스 흐름 전지(RFB)의 충전 시에 적용될 수 있고, 하기 수학식 3은 레독스 흐름 전지(RFB)의 방전 시에 적용될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
[수학식 3]
Figure pat00003
예를 들어, 쿨롱 효율이 1이고, 레독스 흐름 전지(RFB)의 총 용량이 1,000 Ah이고, 초기 충전도(제1 SOC)가 25%(즉, 250 Ah 충전된 상태)이다. 100A의 전류로 2시간 동안 충전을 수행할 경우, 상기 수학식 2에 의해 현재 충전도(이하 제2 SOC)는 45% (= 25% + 200Ah/1,000AH X 100 X 1)임을 구할 수 있다. 상기 수학식 2에 따라 제2 SOC를 구할 경우, 개방 전압(OCV)을 측정하여 충전도(SOC)를 구하는 방법과 달리 지연 시간에 의한 오차가 발생하지 않을 수 있다. 그러나, 쿨롱 효율을 정확히 결정하지 않는다면 쿨롱 효율에 의한 오차가 발생할 수 있다.
쿨롱 효율은 0 내지 1의 범위 내에서 선택될 수 있다. 쿨롱 효율은 이온들간의 크로스오버, 션트 전류, 제1 전해액 및 제2 전해액의 온도, 레독스 흐름 전지의 충전도, 전류 밀도, 스택(ST) 내 이온교환막(104)의 열화 등의 요인에 의해 다양한 값을 가질 수 있다. 다시 말하면, 쿨롱 효율은 레독스 흐름 전지(RFB)의 실제 운전 요소들이 반영된 파라미터일 수 있다.
이상적인 경우 쿨롱 효율은 1일 수 있고, 이는 충전 또는 방전 시 전하의 손실이 발생하지 않는 것을 의미할 수 있다. 레독스 흐름 전지(RFB)의 충전 시 쿨롱 효율이 1보다 작은 경우, 충전을 위해 공급된 전기 에너지의 일부가 레독스 흐름 전지(RFB) 내부에서 일부 손실되어 화학 에너지로의 충전 전환이 모두 이루어지지 않은 것을 의미할 수 있다. 레독스 흐름 전지(RFB)의 방전 시 쿨롱 효율이 1 보다 작은 경우, 전해액에 저장된 화학 에너지가 레독스 흐름 전지(RFB) 내부에서 일부 손실되어 전기 에너지로의 방전 전환이 모두 이루어지지 않은 것을 의미할 수 있다.
도 8은 레독스 흐름 전지의 정전류 충전 중 실제 SOC, OCV에 기초한 SOC 및 전하량과 쿨롱 효율에 기초한 SOC를 나타내는 그래프이다. 앞선 수학식 2에 따라 현재 충전도(제2 SOC)를 구하기 위해서, 쿨롱 효율을 결정할 수 있다. 도 8을 참조하면, 쿨롱 효율은 개방 전압(OCV)에 기초한 충전도(SOC) 그래프의 기울기(S2)로부터 얻어질 수 있다. 앞서 수학식 2를 참조하면, 도 8에 나타난 충전도(SOC) 그래프의 기울기(S1 또는 S2)는 일 수 있다.
레독스 흐름 전지(RFB)의 충전 또는 방전이 시작되어 지연 시간이 경과하면(S310), OCV 측정 셀(130)을 통해 일정 시간 동안의 개방 전압(OCV)을 측정할 수 있다(S320). 측정된 개방 전압(OCV)을 통해 일정 시간 동안 충전도(SOC)의 변화량을 구할 수 있다(S330). 한편 앞서 도 3에서 설명한 바와 같이 지연 시간 이후의 실제 충전도(SOC)의 변화 프로파일(기울기, S1)은 개방 전압(OCV)에 기초한 충전도(SOC)의 변화 프로파일(기울기, S2)과 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서 일정 시간 동안 개방 전압(OCV)의 변화량을 통해 실제 충전도(SOC)의 변화량을 구할 수 있고, 이에 기초하여 실제 운전 요소들이 반영된 쿨롱 효율이 결정(보정)될 수 있다(S340). 예를 들어, 제어 장치(10)의 쿨롱 효율 보정부(16)는 일정 시간 동안 측정된 개방 전압(OCV) 데이터를 기초로 하여 기 설정된 쿨롱 효율을 보정할 수 있다.
예를 들어, 레독스 흐름 전지(RFB)의 총 용량이 1,000 Ah이고, 100A의 전류로 충전 중이며, 개방 전압(OCV)을 통해 측정된 1시간 동안 충전도(SOC)의 변화량이 9%인 경우, 쿨롱 효율은 0.9임을 얻을 수 있다.
S150에 의해 보정된 초기 충전도(제1 SOC), S210에 의해 카운팅된 전하량, 및 S340에 의해 보정된 쿨롱 효율에 기초하여, 수학식 2로부터 현재 충전도(제2 SOC)를 산출할 수 있다(S410). 예를 들어, 제어 장치(10)의 제2 SOC 산출부(18)는 앞서 설명한 정보들(제1 SOC, 전하량 및 쿨롱 효율)을 취합하여, 현재 충전도(제2 SOC)를 산출할 수 있다.
예를 들어, 앞서 쿨롱 효율이 0.9임을 얻었고, 초기 충전도(제1 SOC)가 25%이며, 100A의 전류로 2시간 동안 충전을 수행했을 경우, 상기 수학식 2에 의해 현재 충전도(제2 SOC)는 43% (= 25% + 200Ah/1,000AH X 100 X 0.9)임을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 충전도 측정 방법은 지연 시간 및 유량 변화에 의한 오차를 없앨 수 있다. 본 발명의 충전도 측정 방법은 실제 운전 요소를 반영하는 파라미터(쿨롱 효율)를 정확히 산정할 수 있고, 이로써 신뢰도와 정확도가 향상된 충전도(SOC) 데이터를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 레독스 흐름 전지의 충전 또는 방전이 수행될 때 일정 시간 동안 개방 전압을 측정하는 것;
    상기 일정 시간 동안 측정된 상기 개방 전압을 기초로 상기 레독스 흐름 전지의 충전도 변화량을 분석하는 것;
    상기 충전도 변화량을 기초로 쿨롱 효율을 보정하는 것; 및
    상기 보정된 쿨롱 효율을 기초로 상기 레독스 흐름 전지의 현재 충전도를 산출하는 것을 포함하되,
    상기 쿨롱 효율은 상기 레독스 흐름 전지의 실제 운전 요소들이 반영된 파라미터인 레독스 흐름 전지의 충전도 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레독스 흐름 전지의 상기 충전 또는 방전이 수행되기 전, 상기 레독스 흐름 전지의 양극 전해액 및 음극 전해액을 순환시키는 것;
    상기 레독스 흐름 전지의 개방 전압을 측정하는 것; 및
    측정된 개방 전압을 기초로 초기 충전도를 보정하는 것을 더 포함하되,
    상기 현재 충전도는 상기 보정된 초기 충전도를 기초로 산출되는 레독스 흐름 전지의 충전도 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액을 순환시키는 것은, 상기 레독스 흐름 전지 내 상기 양극 전해액의 조성이 실질적으로 균일해지고 상기 레독스 흐름 전지 내 상기 음극 전해액의 조성이 실질적으로 균일해질 때까지 수행되는 레독스 흐름 전지의 충전도 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레독스 흐름 전지의 상기 충전 또는 방전이 수행될 때, 상기 충전 또는 방전 동안 전하량을 카운팅하는 것을 더 포함하되,
    상기 현재 충전도는 상기 카운팅된 전하량을 기초로 산출되는 레독스 흐름 전지의 충전도 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 개방 전압을 측정하는 것은, 상기 레독스 흐름 전지의 양극 전해액과 음극 전해액간의 포텐셜 차이를 측정하는 것을 포함하는 레독스 흐름 전지의 충전도 측정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 개방 전압을 측정하는 것은, 상기 충전 또는 방전이 시작되고 지연 시간이 경과된 이후 수행되는 레독스 흐름 전지의 충전도 측정 방법.
  7. 양극 셀 및 음극 셀;
    양극 전해액을 저장하고, 상기 양극 셀과 유체 연통된(in fluid communication with) 제1 저장 탱크;
    음극 전해액을 저장하고, 상기 음극 셀과 유체 연통된 제2 저장 탱크;
    상기 양극 전해액과 상기 음극 전해액간의 포텐셜 차이로 개방 전압을 측정하는 개방 전압 측정 셀;
    상기 개방 전압 측정 셀을 통해 측정된 개방 전압을 기초로 쿨롱 효율을 보정하는 쿨롱 효율 보정부; 및
    상기 보정된 쿨롱 효율을 기초로 현재 충전도를 산출하는 충전도 산출부를 포함하되,
    상기 쿨롱 효율은 레독스 흐름 전지의 실제 운전 요소들이 반영된 파라미터인 레독스 흐름 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 양극 전해액을 상기 양극 셀과 상기 제1 저장 탱크 사이에서 순환시키는 제1 펌프;
    상기 음극 전해액을 상기 음극 셀과 상기 제2 저장 탱크 사이에서 순환시키는 제2 펌프; 및
    상기 레독스 흐름 전지의 유휴기에 초기 충전도를 보정하는 충전도 보정부를 더 포함하되,
    상기 충전도 산출부는 상기 보정된 초기 충전도를 기초로 상기 현재 충전도를 산출하는 레독스 흐름 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유휴기에 상기 제1 펌프와 상기 제2 펌프는, 상기 레독스 흐름 전지 내 상기 양극 전해액의 조성이 실질적으로 균일해지고 상기 레독스 흐름 전지 내 상기 음극 전해액의 조성이 실질적으로 균일해질 때까지 구동되는 레독스 흐름 전지.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 레독스 흐름 전지의 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 레독스 흐름 전지의 충전 또는 방전 시 상기 측정된 전류를 기초로 전하량을 카운팅하는 전하량 카운팅 부를 더 포함하되,
    상기 충전도 산출부는 상기 카운팅된 전하량을 기초로 상기 현재 충전도를 산출하는 레독스 흐름 전지.
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