KR20190011392A - 산화-환원 유동전지 및 이의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스택부; 상기 스택부에 전해액을 공급하거나, 상기 스택부로부터 전해액을 회수하기 위한 전해액 탱크부; 상기 전해액 탱크부로부터 상기 스택부에 전해액을 공급하기 위한 전해액 공급라인; 상기 스택부로부터 배출된 전해액을 상기 전해액 탱크부로 회수하기 위한 전해액 회수라인; 상기 전해액 탱크부의 온도를 제어하기 위한 온도제어부; 및 상기 전해액 공급라인과 연결되는 농도측정부를 포함하는 산화-환원 유동전지 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 전해액의 온도 인자 및 농도 인자를 고려하여, 최적의 방전전류를 결정하고, 또한, 이를 통하여 최적의 출력전압을 결정하여, 최적의 방전전류 값 및 최적의 출력전압에 따라 상기 산화-환원 유동 전지를 방전시킬 수 있다.

Description

산화-환원 유동전지 및 이의 제어방법{A oxidation-reduction flow battery}
본 발명은 산화-환원 유동전지 및 이의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전해액 농도 및 온도에 따라, 최적 효율로 전지를 제어할 수 있는 산화-환원 유동전지 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
태양광 및 풍력과 같은 재생 에너지는 변동성이 높은 자연 에너지에 의존하기 때문에 전력의 변동성에 대응하기 어렵고, 전력 공급의 안정성을 확보하기 어렵다. 따라서 재생 에너지의 변동성을 수용하고, 원활한 전력 공급 및 발전 설비의 효율적인 활용을 위해 대용량 전력 저장 기술이 필요하다.
산화-환원(레독스) 유동전지는 대용량 전력 저장을 위한 이차 전지로서, 유지 보수 비용이 낮고, 상온에서 작동하며, 용량과 출력을 독립적으로 설계할 수 있다.
상기 산화-환원(레독스) 유동전지는 복수의 셀이 적층된 스택과, 양극 전해액과 음극 전해액을 저장하는 전해액 탱크와, 양극 전해액과 음극 전해액을 스택으로 공급 후 배출시키는 펌프 등의 순환 장치를 포함한다.
양극 전해액과 음극 전해액은 스택 내부를 순환하면서 산화/환원 반응을 일으키게 된다.
한편, 일반적으로, 상기 산화-환원 유동전지는 전해액의 활성화 종 농도에 따라 시스템의 효율 및 수명이 상이하다.
보다 구체적으로, 상기 산화-환원 유동전지를 적용한 에너지 저장 시스템은 일반적으로 야외에 설치되는 플랜트 설비로, 계절과 날씨에 따라 전해액 저장조의 온도 범위가 변화하게 되는데, 이러한 시스템에서의 온도 변화는 전기화학적 반응속도에 영향을 미치며, 온도 증가에 따라 반응률이 증가한다.
하지만, 고온의 전해액 온도에서는 전해액의 석출 현상에 따른 전해액의 농도 변화가 발생하며, 이러한 전해액의 농도의 변화는 시스템의 성능감소를 야기하게 된다.
따라서, 전해액의 농도를 일정하게 유지하기 위하여, 상기 산화-환원 유동전지의 온도를 일정하게 유지하는 것을 고려할 수 있으나, 계절과 날씨에 따라 전해액 저장조의 전해액의 온도를 일정하게 유지한다는 것은 매우 어려운 일이다.
특히, 전해액 저장조에서의 전해액의 온도를 일정하게 유지한다 하더라도, 전해액 저장조에서 배출된 전해액의 온도를 계속적으로 일정하게 유지하는 것은 매우 어려운 일이다.
즉, 전해액 저장조에서 배출된 전해액은 전해액 공급라인을 통해 스택에 공급되는데, 상기 전해액 공급라인 및 상기 스택에서의 전해액의 온도를 일정하게 유지한다는 것은 매우 어려운 일이다.
또한, 상술한 바와 같이, 전해액의 농도에 있어서, 상기 전해액의 농도는 고온의 전해액 온도에서는 전해액의 석출 현상에 의해서도 변화하나, 산화-환원 유동전지의 지속적인 사용에 의해서도 계속적으로 농도 변화가 발생하게 되므로, 전해액의 온도를 일정하게 유지시키는 것만으로는 전해액의 농도를 일정하게 유지시키는 것이 어려운 점이 있다.
이러한 상황에서, 2차 전지인 상기 산화-환원 유동전지가 일정 전류 및 일정 전압으로 방전됨에 있어서, 과도한 전류 및 과도한 전압으로 방전되는 경우, 상기 유동전지의 열화가 발생하게 되고, 열화에 의한 2차 전지의 사용이 어렵게 된다.
따라서, 본 발명에서는, 전해액의 온도 및 농도를 일정하게 유지시키는 관점 보다는, 현 상태에서의 전해액의 온도 인자 및 농도 인자를 고려하여, 최적의 방전전류 및 최적의 출력전압으로 산화-환원 유동 전지를 방전시킴으로써, 상기 유동전지 셀의 열화를 방지하고자 한다.
한국공개특허 10-2013-0038234
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전해액의 온도 인자 및 전해액의 농도 인자를 고려하여, 최적 효율로 산화-환원 유동 전지를 제어하기 위한, 산화-환원 유동 전지 및 이의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 스택부; 상기 스택부에 전해액을 공급하거나, 상기 스택부로부터 전해액을 회수하기 위한 전해액 탱크부; 상기 전해액 탱크부로부터 상기 스택부에 전해액을 공급하기 위한 전해액 공급라인; 상기 스택부로부터 배출된 전해액을 상기 전해액 탱크부로 회수하기 위한 전해액 회수라인; 상기 전해액 탱크부의 온도를 제어하기 위한 온도제어부; 및 상기 전해액 공급라인과 연결되는 농도측정부를 포함하는 산화-환원 유동전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 전해액 탱크부는, 상기 스택부에 양극 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급 탱크; 상기 스택부에 음극 전해액을 공급하기 위한 음극 전해액 공급 탱크; 상기 스택부로부터 배출된 양극 전해액을 회수하기 위한 양극 전해액 회수 탱크; 및 상기 스택부로부터 배출된 음극 전해액을 회수하기 위한 음극 전해액 회수 탱크를 포함하며, 상기 전해액 탱크부는 메인탱크를 포함하고, 상기 메인탱크는 상기 양극 전해액 공급 탱크와 상기 양극 전해액 회수 탱크를 구획하는 제1격벽; 상기 음극 전해액 공급 탱크와 상기 음극 전해액 회수 탱크를 구획하는 제2격벽; 및 상기 양극 전해액 공급 탱크와 상기 음극 전해액 공급 탱크를 구획하는 제3격벽을 포함하는 산화-환원 유동전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 온도제어부는 상기 양극 전해액 공급 탱크의 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 공급 탱크의 음극 전해액의 온도를 제어하고, 상기 온도제어부는, 상기 양극 전해액 공급 탱크의 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 공급 탱크의 음극 전해액의 온도를 측정하기 위한 온도센서; 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액을 냉각 또는 가열하기 위한 유체를 공급하는 유체공급원; 및 상기 유체공급원으로부터 공급된 유체를 순환시키기 위한 유체순환라인을 포함하는 산화-환원 유동전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 유체순환라인은, 상기 제1격벽, 상기 제2격벽, 상기 제3격벽, 상기 양극 전해액 공급 탱크의 하부에 위치하는 메인탱크영역 및 상기 음극 전해액 공급 탱크의 하부에 위치하는 메인탱크영역에 설치되는 산화-환원 유동전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 전해액 공급라인은, 상기 양극 전해액 공급 탱크로부터 상기 스택부에 양극 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급라인; 및 상기 음극 전해액 공급 탱크로부터 상기 스택부에 음극 전해액을 공급하기 위한 음극 전해액 공급라인을 포함하는 산화-환원 유동전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 농도측정부는, 상기 양극 전해액 공급라인과 연결되는 제1챔버; 상기 음극 전해액 공급라인과 연결되는 제2챔버; 상기 제1챔버와 상기 제2챔버의 사이에 위치하는 멤브레인; 상기 제1챔버 측에 위치하는 제1단자판; 상기 제2챔버 측에 위치하는 제2단자판; 및 상기 제1단자판 및 상기 제2단자판에 전원을 인가하기 위한 전원부를 포함하는 산화-환원 유동전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 농도측정부는, 상기 제1챔버의 일측과 연결되고, 양극 전해액이 유입되는 양극 전해액 유입 채널; 상기 제1챔버의 타측과 연결되고, 양극 전해액이 배출되는 양극 전해액 배출 채널; 상기 제2챔버의 일측과 연결되고, 음극 전해액이 유입되는 음극 전해액 유입 채널; 및 상기 제2챔버의 타측과 연결되고, 음극 전해액이 배출되는 음극 전해액 배출 채널을 더 포함하고, 상기 농도측정부는, 상기 양극 전해액 유입 채널과 상기 양극 전해액 공급라인을 연결하는 양극 전해액 보조공급라인; 상기 양극 전해액 배출 채널과 상기 양극 전해액 공급라인을 연결하는 양극 전해액 보조배출라인; 상기 음극 전해액 유입 채널과 상기 음극 전해액 공급라인을 연결하는 음극 전해액 보조공급라인; 및 상기 음극 전해액 배출 채널과 상기 음극 전해액 공급라인을 연결하는 음극 전해액 보조배출라인을 더 포함하는 산화-환원 유동전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 스택부는 적어도 1개 이상의 산화-환원 유동전지 셀을 포함하고, 상기 산화-환원 유동전지 셀은 이온 교환막인 멤브레인과, 상기 멤브레인을 사이에 두고 위치하는 제1전극부 및 제2전극부를 포함하는 산화-환원 유동전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 산화-환원 유동전지 셀에 공급되는 전해액의 개방회로전압을 측정하는 단계; 상기 개방회로전압 및 상기 전해액의 온도에 따른 최적의 전류부하를 선정하는 단계; 상기 산화-환원 유동전지 셀의 충전상태(SOC, State of Charge)를 측정하는 단계; 및 상기 충전상태(SOC, State of Charge) 및 상기 최적의 전류부하 값에 따라, 상기 산화-환원 유동 전지 셀의 출력전압을 결정하는 단계를 포함하는 산화-환원 유동전지의 제어방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 산화-환원 유동전지는, 상기 산화-환원 유동전지 셀을 적어도 1개 이상 포함하는 스택부; 상기 스택부에 전해액을 공급하거나, 상기 스택부로부터 전해액을 회수하기 위한 전해액 탱크부; 상기 전해액 탱크부로부터 상기 스택부에 전해액을 공급하기 위한 전해액 공급라인; 상기 스택부로부터 배출된 전해액을 상기 전해액 탱크부로 회수하기 위한 전해액 회수라인; 상기 전해액 탱크부의 온도를 제어하기 위한 온도제어부; 및 상기 전해액 공급라인과 연결되는 농도측정부를 포함하며, 상기 농도측정부를 통해 상기 개방회로전압을 측정하고, 상기 온도제어부를 통해 상기 전해액의 온도를 측정하는 산화-환원 유동전지의 제어방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 최적의 전류부하 값은, 상기 산화-환원 유동전지 셀의 방전모드에서의 방전전류 값이고, 상기 출력전압은 상기 산화-환원 유동전지 셀의 방전모드에서 상기 방전전류가 흐르는 동안의 셀 전압인 것을 특징으로 하는 산화-환원 유동전지의 제어방법을 제공한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 현 상태에서의 전해액의 온도 인자 및 농도 인자를 고려하여, 최적의 방전전류를 결정하고, 또한, 이를 통하여 최적의 출력전압을 결정하여, 최적의 방전전류 값 및 최적의 출력전압에 따라 상기 산화-환원 유동 전지를 방전시킬 수 있다.
또한, 최적의 방전전류 값 및 최적의 출력전압에 따라 상기 산화-환원 유동 전지를 방전시킴으로써, 상기 산화-환원 유동전지 셀의 열화를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지 셀을 도시하는 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 농도측정부를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지의 제어방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 5는 전해액의 개방회로전압과 온도에 따른 최적의 전류부하의 예를 도시하는 그래프이다.
도 6은 셀의 충전상태에 따른 셀 전압의 예를 도시하는 그래프이다.
도 7은 셀의 충전상태 및 방전전류에 따른 셀 전압의 예를 도시하는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
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 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지(10)는 스택부(20); 상기 스택부에 전해액을 공급하거나, 상기 스택부로부터 전해액을 회수하기 위한 전해액 탱크부(30); 상기 전해액 탱크부(30)로부터 상기 스택부(20)에 전해액을 공급하기 위한 전해액 공급라인(50); 및 상기 스택부(20)로부터 배출된 전해액을 상기 전해액 탱크부(30)로 회수하기 위한 전해액 회수라인(60)을 포함한다.
상기 스택부(20)는 복수의 산화-환원 유동전지 셀(100, 이하, "전지 셀"이라함)로 구성되며, 이때, 도면에서는 산화-환원 유동전지 셀이 5개가 적층되어 있는 것을 도시하고 있으나, 이와는 달리, 상기 산화-환원 유동전지 셀은 적어도 1개 이상일 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 산화-환원 유동전지 셀의 개수를 제한하는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지 셀을 보다 구체적으로 설명하기로 하며, 다만, 후술하는 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지 셀은 일예에 해당할 뿐, 본 발명에서 산화-환원 유동전지 셀의 구조에 제한되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지 셀을 도시하는 개략적인 사시도이다.
즉, 도 2의 산화-환원 유동전지 셀은 상술한 도 1의 스택(20)에서의 복수개의 전지 셀 중 하나의 산화-환원 유동전지 셀을 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지 셀(100, 이하, "전지 셀"이라 함)은 이온 교환막인 멤브레인(110)과, 상기 멤브레인(110)을 사이에 두고 위치하는 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)를 포함한다.
상기 제1전극부(120)는 제1다공성 전극(122) 및 상기 제1다공성 전극(122)을 지지하는 제1플로우 프레임(121)을 포함하며, 상기 제2전극부(130)는 제2다공성 전극(132) 및 상기 제2다공성전극(132)를 지지하는 제2플로우 프레임(131)을 포함한다.
또한, 상기 제1전극부(120)는 상기 제1플로우 프레임(121)의 외측에 위치하는 제1외부 프레임부(140)를 포함하며, 상기 제2전극부(120)는 상기 제2플로우 프레임(131)의 외측에 위치하는 제2외부 프레임부(150)를 포함한다.
이때, 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 제1전극부(120)는 상기 제1플로우 프레임(121)과 상기 제1외부 프레임부(140)의 사이에 위치하는 양극 전극(미도시)을 포함할 수 있으며, 또한, 상기 제2전극부(130)는 상기 제2플로우 프레임(131)과 상기 제2외부 프레임부(150)의 사이에 위치하는 음극 전극(미도시)을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제1플로우 프레임(121)은 양극 플로우 프레임일 수 있으며, 상기 제2플로우 프레임(131)은 음극 플로우 프레임일 수 있다.
또한, 이 경우, 상기 제1외부 프레임부(140)는 양극 외부 프레임부 일 수 있고, 또한, 상기 제2외부 프레임부(140)는 음극 외부 프레임부일 수 있다.
한편, 상기 플로우 프레임(121, 131)은 PP(polypropylene), PE(polyethylene), HDPE(high density polyethylene), LDPE(low density polyethylene), LLDPE(linear low density polyethylene), PS(polystyrene), PET(polyethylene terephthalate), PVC(polyvinyl chloride) 및 Epoxy 중 선택되는 어느 하나의 재질일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 플로우 프레임(121, 131)의 종류를 제한하는 것은 아니다.
또한, 상기 제1다공성 전극(122) 및 상기 제2다공성 전극(132)은 카본 펠트로 제작될 수 있고, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은 그라파이트 재질일 수 잇으며, 다만, 본 발명에서 이들의 재질을 제한하는 것은 아니다.
또한, 상기 제1외부 프레임부(140)는 제1외부 프레임(141); 상기 제1외부 프레임(141)의 일측에 위치하는 제1전해액 주입구(142a) 및 상기 제1외부 프레임(141)의 타측에 위치하는 제1전해액 배출구(142b)를 포함한다.
상기 제1전해액은 양극 전해액 일 수 있으며, 즉, 양극 전해액은 제1전해액 주입구(142a)로 주입되어, 상기 제1전해액 배출구(142b)로 배출될 수 있다.
또한, 상기 제2외부 프레임부(150)는 제2외부 프레임(151); 상기 제2외부 프레임(151)의 일측에 위치하는 제2전해액 주입구(152a) 및 상기 제2외부 프레임(151)의 타측에 위치하는 제2전해액 배출구(152b)를 포함한다.
상기 제2전해액은 음극 전해액 일 수 있으며, 즉, 음극 전해액은 제2전해액 주입구(152a)로 주입되어, 상기 제2전해액 배출구(152b)로 배출될 수 있다.
계속해서, 도 2를 참조하면, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 셀(100)은 이온 교환막인 멤브레인(110)과, 상기 멤브레인(110)을 사이에 두고 위치하는 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)를 포함하며, 또한, 상기 제1전극부(120)는 상기 멤브레인(110)의 일측에 위치하는 제1플로우 프레임(121) 및 상기 멤브레인(110)의 타측에 위치하는 제2플로우 프레임(131)을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제1플로우 프레임(121)은 양극 플로우 프레임일 수 있으며, 상기 제2플로우 프레임(131)은 음극 플로우 프레임일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1플로우 프레임(121)은, 상기 제1플로우 프레임(121)의 일측에 위치하는 제1전해액 제1이동부(123a) 및 상기 제1플로우 프레임(121)의 타측에 위치하는 제1전해액 제2이동부(123b)를 포함한다.
이때, 상기 제1전해액은 양극 전해액 일 수 있다.
즉, 본 발명에서, 상기 양극 전해액은 제1전해액 주입구(142a)로 주입되어, 상기 제1전해액 제1이동부(123a)를 통해, 상기 제1다공성 전극(122)로 전달되며, 상기 제1다공성 전극(122)에서 유동된 양극 전해액은 상기 제1전해액 제2이동부(123b)를 통해, 상기 제1전해액 배출구(142b)로 전달되며, 최종적으로 상기 양극 전해액은 상기 제1전해액 배출구(142b)를 통해 배출될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2플로우 프레임(131)은, 상기 제2플로우 프레임(131)의 일측에 위치하는 제2전해액 제1이동부(133a) 및 상기 제2플로우 프레임(131)의 타측에 위치하는 제2전해액 제2이동부(133b)를 포함한다.
이때, 상기 제1전해액은 음극 전해액 일 수 있다.
즉, 본 발명에서, 상기 음극 전해액은 제2전해액 주입구(152a)로 주입되어, 상기 제2전해액 제1이동부(133a)를 통해, 상기 제2다공성 전극(132)로 전달되며, 상기 제2다공성 전극(132)에서 유동된 음극 전해액은 상기 제2전해액 제2이동부(133b)를 통해, 상기 제2전해액 배출구(152b)로 전달되며, 최종적으로 상기 음극 전해액은 상기 제2전해액 배출구(152b)를 통해 배출될 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지(10)의 상기 양극 전해액은, 양극 전해액에 티탄 이온을 포함하지 않는 경우, 2가의 망간 이온 및 3가의 망간 이온 중 적어도 1종의 망간 이온을 함유하는 형태, 양극 전해액에 티탄 이온을 포함하는 경우, 2가의 망간 이온 및 3가의 망간 이온 중 적어도 1종의 망간 이온과, 4가의 티탄 이온을 포함하는 형태를 들 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지(10)의 상기 음극 전해액은, 티탄 이온, 바나듐 이온, 크롬 이온, 아연 이온, 주석 이온 중 단일 종의 금속 이온을 함유한 형태, 이들 열거하는 복수 종의 금속 이온을 포함한 형태로 할 수 있다.
다만, 본 발명에서, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액에 포함되는 금속 이온의 종류를 제한하는 것은 아니다.
이때, 본 발명에서는, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액에서의 용매는 H2SO4, K2SO4, Na2SO4, H3PO4, H4P2O7, K2PO4, Na3PO4, K3PO4, HNO3, KNO3 및 NaNO3 중에서 선택되는 적어도 1종의 수계 용매일 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 수계 전해액에 해당할 수 있다.
또한, 이와는 달리, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액에서의 용매는 디메틸 아세트아미드, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 아세토니트릴, 감마-부피로락톤, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, N-메틸-2-피롤리돈, 플루오로에틸렌 카보네이트, 및 N-N-디메틸아세트아미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 종의 비수계 용매일 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액은 비수계 전해액에 해당할 수 있다.
다만, 본 발명에서, 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액의 종류를 제한하는 것은 아니다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 상기 전해액 탱크부(30)는, 상기 스택부(20)에 양극 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급 탱크(31a); 및 상기 스택부(20)에 음극 전해액을 공급하기 위한 음극 전해액 공급 탱크(32a)를 포함하며, 또한, 상기 스택부(20)로부터 배출된 양극 전해액을 회수하기 위한 양극 전해액 회수 탱크(31b) 및 상기 스택부(20)로부터 배출된 음극 전해액을 회수하기 위한 음극 전해액 회수 탱크(31b)를 포함한다.
즉, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 전해액 탱크부(30)는 메인탱크(41)를 포함하며, 상기 메인탱크(41)는 상기 양극 전해액 공급 탱크(31a)와 상기 양극 전해액 회수 탱크(31b)를 구획하는 제1격벽(33); 상기 음극 전해액 공급 탱크(32a)와 상기 음극 전해액 회수 탱크(31b)를 구획하는 제2격벽(34); 및 상기 양극 전해액 공급 탱크(31a)와 상기 음극 전해액 공급 탱크(32a)를 구획하는 제3격벽(35)을 통하여, 4개의 공간으로 구획될 수 있으며, 이를 통하여, 상기 전해액 탱크부(30)는, 상기 양극 전해액 회수 탱크(31b), 상기 양극 전해액 공급 탱크(31a); 상기 음극 전해액 공급 탱크(32a) 및 상기 음극 전해액 회수 탱크(31b)로 각각 구획될 수 있다.
또한, 상기 전해액 탱크부(30)는 상기 양극 전해액 회수 탱크(31b)의 양극 전해액을 상기 양극 전해액 공급 탱크(31a)로 공급 또는 재공급하기 위한 양극 전해액 이송부(36)를 포함하며, 상기 양극 전해액 이송부(36)는 양극 전해액 이송라인(36a) 및 양극 전해액 이송펌프(36b)를 포함한다.
또한, 상기 전해액 탱크부(30)는 상기 음극 전해액 회수 탱크(32b)의 음극 전해액을 상기 음극 전해액 공급 탱크(32a)로 공급 또는 재공급하기 위한 음극 전해액 이송부(37)를 포함하며, 상기 음극 전해액 이송부(37)는 음극 전해액 이송라인(37a) 및 음극 전해액 이송펌프(37b)를 포함한다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 상기 전해액 탱크부(30)로부터 상기 스택부(20)에 전해액을 공급하기 위한 전해액 공급라인(50)은, 상기 양극 전해액 공급 탱크(31a)로부터 상기 스택부(20)에 양극 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급라인(50a) 및 상기 음극 전해액 공급 탱크(32a)로부터 상기 스택부(20)에 음극 전해액을 공급하기 위한 음극 전해액 공급라인(50b)을 포함한다.
이때, 상기 양극 전해액 공급 탱크(31a)로부터 상기 양극 전해액 공급라인(50a)을 통해 상기 스택부(20)에 양극 전해액을 공급하는 것은 양극 전해액 공급 펌프(51a)에 의해 공급할 수 있으며, 또한, 상기 음극 전해액 공급 탱크(32a)로부터 상기 음극 전해액 공급라인(50b)을 통해 상기 스택부(20)에 음극 전해액을 공급하는 것은 음극 전해액 공급 펌프(51b)에 의해 공급할 수 있다.
또한, 상기 스택부(20)로부터 배출된 전해액을 상기 전해액 탱크부(30)로 회수하기 위한 전해액 회수라인(60)은, 도 2의 산화-환원 유동전지 셀에서와 같은, 양극 전해액이 배출되는 제1전해액 배출구(142b), 즉, 스택부(20)의 양극 전해액 배출구로부터 배출되는 양극 전해액을 상기 양극 전해액 회수 탱크(31b)로 회수하기 위한 양극 전해액 회수라인(60a) 및 음극 전해액이 배출되는 제2전해액 배출구(152b), 즉, 스택부(20)의 음극 전해액 배출구로부터 배출되는 음극 전해액을 상기 음극 전해액 회수 탱크(32b)로 회수하기 위한 음극 전해액 회수라인(60b)을 포함한다.
이때, 스택부(20)의 양극 전해액 배출구로부터 상기 양극 전해액 회수라인(60a)을 통해 상기 양극 전해액 회수 탱크(31b)에 양극 전해액을 회수하는 것은 양극 전해액 회수 펌프(61a)에 의해 회수될 수 있으며, 또한, 스택부(20)의 음극 전해액 배출구로부터 상기 음극 전해액 회수라인(60b)을 통해 상기 음극 전해액 회수 탱크(32b)에 음극 전해액을 회수하는 것은 음극 전해액 회수 펌프(61b)에 의해 회수될 수 있다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지(10)는, 상기 전해액 탱크부(30)의 온도를 제어하기 위한 온도제어부(40)를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 온도제어부(40)는 상기 양극 전해액 공급 탱크(31a)의 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 공급 탱크(32a)의 음극 전해액의 온도를 제어할 수 있다.
상기 온도제어부(40)는, 상기 양극 전해액 공급 탱크(31a)의 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 공급 탱크(32a)의 음극 전해액의 온도를 측정하기 위한 온도센서(미도시); 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액을 냉각 또는 가열하기 위한 유체를 공급하는 유체공급원(미도시)을 포함할 수 있으며, 또한, 상기 유체공급원으로부터 공급된 유체를 순환시키기 위한 유체순환라인을 포함할 수 있다.
이때, 상기 유체순환라인은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 양극 전해액 공급 탱크(31a)와 상기 양극 전해액 회수 탱크(31b)를 구획하는 제1격벽(33); 상기 음극 전해액 공급 탱크(32a)와 상기 음극 전해액 회수 탱크(31b)를 구획하는 제2격벽(34); 및 상기 양극 전해액 공급 탱크(31a)와 상기 음극 전해액 공급 탱크(32a)를 구획하는 제3격벽(35)에 설치될 수 있으며, 또한, 이에 추가하여, 상기 양극 전해액 공급 탱크(31a)의 하부에 위치하는 메인탱크영역; 및 상기 음극 전해액 공급 탱크(32a)의 하부에 위치하는 메인탱크영역에 설치될 수 있다.
다만, 본 발명에서 상기 유체순환라인의 설치영역을 제한하는 것은 아니다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지(10)는, 상기 전해액 탱크부(30)로부터 상기 스택부(20)에 전해액을 공급하기 위한 전해액 공급라인(50)과 연결되는 농도측정부(200)를 포함한다.
이하에서는 본 발명에 따른 농도측정부를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 농도측정부를 도시하는 개략적인 단면도이다.
상술한 바와 같이, 상기 전해액 공급라인(50)은, 상기 양극 전해액 공급 탱크(31a)로부터 상기 스택부(20)에 양극 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급라인(50a) 및 상기 음극 전해액 공급 탱크(32a)로부터 상기 스택부(20)에 음극 전해액을 공급하기 위한 음극 전해액 공급라인(50b)를 포함한다.
이때, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 농도측정부(200)는, 상기 양극 전해액 공급라인(50a)과 연결되는 제1챔버(210); 상기 음극 전해액 공급라인(50b)과 연결되는 제2챔버(220); 상기 제1챔버(210)와 상기 제2챔버(220)의 사이에 위치하는 멤브레인(230)을 포함한다.
상기 제1챔버(210) 및 상기 제2챔버(220) 각각은 실질적으로 탄소 또는 그래파이트 펠트 물질과 같은 다공성, 도전성 물질에 의해 점유될 수 있으며, 상기 멤브레인(230)은 양이온 교환 멤브레인 또는 음이온 교환 멤브레인과 같은 이온 선택성 멤브레인일 수 있다.
따라서, 상기 제1챔버(210)에 상기 양극 전해액 공급라인(50a)으로부터 양극 전해액이 유입되고, 상기 제2챔버(220)에 상기 음극 전해액 공급라인(50b)으로부터 음극 전해액이 유입되며, 상기 멤브레인(126)은 이온교환막의 역할을 수행하므로, 본 발명에 따른 농도측정부(200)는, 상술한 바와 같은 도 2의 산화-환원 유동전지 셀과 동일한 구조의 테스트 셀로 이해될 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 농도측정부(200)는, 상기 제1챔버(210)의 일측과 연결되고, 양극 전해액이 유입되는 양극 전해액 유입 채널(214) 및 상기 제1챔버(210)의 타측과 연결되고, 양극 전해액이 배출되는 양극 전해액 배출 채널(215)을 포함하며, 상기 제2챔버(220)의 일측과 연결되고, 음극 전해액이 유입되는 음극 전해액 유입 채널(224) 및 상기 제2챔버(220)의 타측과 연결되고, 음극 전해액이 배출되는 음극 전해액 배출 채널(225)을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 농도측정부(200)는, 상기 양극 전해액 유입 채널(214)과 상기 양극 전해액 공급라인(50a)을 연결하는 양극 전해액 보조공급라인(211)을 포함하고, 상기 양극 전해액 배출 채널(215)과 상기 양극 전해액 공급라인(50a)을 연결하는 양극 전해액 보조배출라인(212)을 포함하며, 또한, 상기 음극 전해액 유입 채널(224)과 상기 음극 전해액 공급라인(50b)을 연결하는 음극 전해액 보조공급라인(221)을 포함하고, 상기 음극 전해액 배출 채널(225)과 상기 음극 전해액 공급라인(50b)을 연결하는 음극 전해액 보조배출라인(222)을 포함한다.
즉, 상기 양극 전해액 공급라인(50a)으로부터 상기 양극 전해액 보조공급라인(211)에 유입된 양극 전해액은, 상기 양극 전해액 유입 채널(214)을 통해 상기 제1챔버(210)로 유입되고, 상기 제1챔버(210)로 유입된 양극 전해액은, 상기 양극 전해액 배출 채널(215)을 통해 상기 양극 전해액 보조배출라인(212)으로 유입되어, 최종적으로 상기 양극 전해액 공급라인(50a)으로 배출될 수 있다.
또한, 상기 음극 전해액 공급라인(50b)으로부터 상기 음극 전해액 보조공급라인(221)에 유입된 음극 전해액은, 상기 음극 전해액 유입 채널(224)을 통해 상기 제2챔버(220)로 유입되고, 상기 제2챔버(220)로 유입된 음극 전해액은, 상기 음극 전해액 배출 채널(225)을 통해 상기 음극 전해액 보조배출라인(222)으로 유입되어, 최종적으로 상기 음극 전해액 공급라인(50b)으로 배출될 수 있다.
이때, 상기 양극 전해액 공급라인(50a)으로부터 상기 양극 전해액 보조공급라인(211)에 양극 전해액을 유입시키는 것은 제1밸브(213)를 통해 제어할 수 있으며, 상기 음극 전해액 공급라인(50b)으로부터 상기 음극 전해액 보조공급라인(221)에 음극 전해액을 유입시키는 것은 제2밸브(223)를 통해 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 농도측정부(200)는, 상기 제1챔버(210) 측에 위치하는 제1단자판(216) 및 상기 제2챔버(220) 측에 위치하는 제2단자판(217)을 포함하며, 상기 제1단자판(216) 및 상기 제2단자판(217)에 전원을 인가하기 위한 전원부(230)를 포함한다.
이상과 같이, 본 발명에서는, 상기 전해액 공급라인(50)과 연결되는 농도측정부(200)를 포함하며, 상기 농도측정부(200)를 통해 전해액의 개방회로전압(OCV, Open circuit voltage)을 측정할 수 있다.
상기 농도측정부(200)를 통해 전해액의 개방회로전압(OCV, Open circuit voltage)을 측정하는 것은, 상기 제1챔버(210)에 양극 전해액을 유입하고, 상기 제2챔버(210)에 음극 전해액을 유입한 상태에서, 상기 전원부(230)에 전원을 인가하면, 산화/환원 반응에 따른 양극(제1챔버측)과 음극(제2챔버측)의 전위차가 발생하게 되고, 이러한 전위차를 통하여 개방회로전압(OCV, Open circuit voltage)을 측정할 수 있다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지(10)는, 산화-환원 유동전지를 제어하기 위한 메인컨트롤러(70)를 포함할 수 있으며, 상기 메인컨트롤러(70)는, 상기 온도제어부(40)를 제어하거나, 상기 농도측정부(200)에 의해 측정된 개방회로전압에 대한 정보를 수집할 수 있다.
또한, 상기 메인컨트롤러(70)는 후술할 바와 같이, 상기 개방회로전압 및 상기 전해액의 온도에 따른 최적을 전류부하를 선정할 수 있으며, 또한, 상기 최적의 전류부하 값에 의한 상기 산화-환원 유동전지 셀의 출력전압을 결정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 일반적으로, 상기 산화-환원 유동전지는 계절과 날씨에 따라 전해액 저장조의 온도 범위가 변화하게 되는데, 이러한 시스템에서의 온도 변화는 전기화학적 반응속도에 영향을 미치며, 온도 증가에 따라 반응률이 증가한다.
하지만, 고온의 전해액 온도에서는 전해액의 석출 현상에 따른 전해액의 농도 변화가 발생하며, 이러한 전해액의 농도의 변화는 시스템의 성능감소를 야기하게 된다.
따라서, 전해액의 농도를 일정하게 유지하기 위하여, 상기 산화-환원 유동전지의 온도를 일정하게 유지하는 것을 고려할 수 있으나, 이는 매우 어려운 일이며, 특히, 전해액의 온도를 일정하게 유지시키는 것만으로는 전해액의 농도를 일정하게 유지시키는 것이 어려운 점이 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전해액의 온도 인자 및 전해액의 농도 인자를 고려하여, 최적 효율로 산화-환원 유동 전지를 제어하기 위한, 산화-환원 유동 전지 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지의 제어방법을 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지의 제어방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 먼저, 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지의 제어방법은, 산화-환원 유동전지 셀에 공급되는 전해액의 개방회로전압을 측정하는 단계를 포함한다(S110).
본 발명에서 전해액의 개방회로전압을 측정하는 것은, 상술한 도 1의 농도측정부(200)를 통해 전해액의 개방회로전압(OCV, Open circuit voltage)을 측정할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지의 제어방법은, 상기 개방회로전압 및 상기 전해액의 온도에 따른 최적의 전류부하를 선정하는 단계를 포함한다(S120).
상기 전해액의 온도를 측정하는 것은, 상술한 도 1의 온도제어부(40)를 통해 측정할 수 있으며, 더 나아가, 본 발명에서는, 상기 온도제어부(40)를 통해, 상기 전해액의 온도를 조절할 수 있다.
한편, 상기 개방회로전압 및 상기 전해액의 온도에 따른 최적의 전류부하를 선정하는 것은, 상술한 도 1의 메인컨트롤러(70)에서 수행할 수 있다.
도 5는 전해액의 개방회로전압과 온도에 따른 최적의 전류부하의 예를 도시하는 그래프이다. 이때, 도 5에서 Y축은 개방회로전압을 도시하고 있으며, X축은 최적의 전류부하를 도시하고 있다.
도 5를 참조하면, 전해액의 온도 분포가 5℃ 내지 55℃의 범위인 상황에서, 상술한 도 1의 농도측정부(200)를 통해 측정된 전해액의 개방회로전압(OCV, Open circuit voltage)에 따른 최적의 전류부하(Load)를 선정할 수 있다.
상기 최적의 전류부하(Load)는 산화-환원 유동전지 셀의 방전모드에서의 방전전류를 의미한다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 전해액의 개방회로전압(OCV, Open circuit voltage)이 동일한 상황이라하더라도, 상기 전해액의 온도가 상이해지면, 최적의 전류부하(Load)가 상이해지게 된다.
따라서, 본 발명에서는, 온도제어부(40)를 통해 전해액의 온도를 측정하고, 농도측정부(200)를 통해 전해액의 개방회로전압(OCV, Open circuit voltage)을 측정하여, 상기 전해액의 온도 인자와 상기 전해액의 농도 인자를 고려하여, 산화-환원 유동전지 셀의 방전모드에서의 최적의 방전전류, 즉, 최적의 전류부하(Load)를 선정할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지의 제어방법은, 상기 산화-환원 유동전지 셀의 충전상태(SOC, State of Charge)를 측정하는 단계를 포함한다(S130).
이때, 상기 산화-환원 유동전지 셀의 충전상태(SOC, State of Charge)를 측정하는 것은, 상술한 도 1의 메인컨트롤러(70)에서 수행할 수 있다.
상기 SOC는 완전 충전 시의 2차 전지의 잔존 용량(이른바, 전지 용량)에 대한 각 시점의 2차 전지의 잔존 용량의 비율을 의미한다.
이때, 2차 전지의 SOC를 측정하기 위한 방법으로서, 일반적으로, 개방회로전압-충전상태 특성(이하, "OCV-SOC 특성"이라고도 한다.)을 이용하여, 개방회로전압의 측정값으로부터 SOC를 구하는 방법과, 2차 전지의 충방전 전류를 적산(積算)하여, 그 적산값의 2차 전지의 총용량에 대한 비율로서 구하는 방법이 있다.
후자의 2차 전지의 충방전 전류를 적산하는 방법에서는, SOC를 구할 때의 분모가 되는 2차 전지의 총 용량으로서, 통상은 2차 전지의 초기의 총용량을 사용하므로, 2차 전지가 열화되어 전지 용량이 저하되면, 구한 SOC가 오차를 포함하게 된다.
하지만, 개방회로전압-충전상태 특성을 이용하는 방법에서는, 통상, 2차 전지가 열화되어 2차 전지의 총용량이 변화되어도 OCV-SOC 특성 자체는 변화되지 않으므로, 2차 전지의 SOC를 측정하는 방법으로 많이 이용되고 있다.
이는 당업계에서 자명한 사항에 해당하므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 하며, 다만, 본 발명에서 상기 산화-환원 유동전지 셀의 충전상태를 측정하는 방법을 제한하는 것은 아니다.
도 6은 셀의 충전상태에 따른 셀 전압의 예를 도시하는 그래프이다. 이때, 도 6에서의 셀 전압은, 산화-환원 유동전지 셀의 방전모드에서 방전전류가 흐르는 동안의 출력전압을 의미한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 일반적으로, 상기 셀 전압은 셀의 충전상태가 0% 내지 100%의 범위에서 각각 상이하게 된다.
하지만, 도 6에 도시된 바와 같이, 일반적으로, 셀 전압은 셀의 충전상태에 따른 인자만을 고려할 뿐, 상기 전해액의 온도 인자와 상기 전해액의 농도 인자는 전혀 고려되고 있지 않은 상황이다.
따라서, 본 발명에서는, 산화-환원 유동전지 셀의 방전모드에서 방전전류가 흐르는 동안의 출력전압을 결정함에 있어서, 셀의 충전상태 뿐만 아니라, 전해액의 온도 인자와 전해액의 농도 인자를 고려함으로써, 산화-환원 유동전지 셀의 최적의 출력전압을 결정하고자 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 산화-환원 유동전지의 제어방법은, 상기 충전상태(SOC, State of Charge) 및 상기 최적의 전류부하 값에 따라, 상기 산화-환원 유동 전지 셀의 출력전압을 결정하는 단계를 포함한다(S140).
상술한 바와 같이, 상기 최적의 전류부하 값은, 온도제어부(40)를 통해 전해액의 온도를 측정하고, 농도측정부(200)를 통해 전해액의 개방회로전압(OCV, Open circuit voltage)을 측정하여 선정된 값으로, 즉, 상기 전해액의 온도 인자와 상기 전해액의 농도 인자를 고려하여 선정된 값에 해당한다.
따라서, 본 발명에서 상기 산화-환원 유동 전지 셀의 출력전압을 결정하는 것은, 산화-환원 유동 전지 셀의 충전상태 뿐만 아니라, 산화-환원 유동 전지 셀에 제공되는 전해액의 온도 인자와 농도 인자를 고려하여 결정할 수 있다.
도 7은 셀의 충전상태 및 방전전류에 따른 셀 전압의 예를 도시하는 그래프이다. 이때, 도 7에서 X축의 방전 전류는 S120 단계에서 선정된 최적의 전류부하(Load) 값으로, 상기 전해액의 온도 인자와 상기 전해액의 농도 인자를 고려하여 선정된 값이며, Y축의 셀 전압은, 산화-환원 유동전지 셀의 방전모드에서 방전전류가 흐르는 동안의 출력전압을 의미한다. 또한, SOC 10, SOC 30, SOC 60, SOC 90 및 SOC 100은 각각, 셀의 충전상태가 10%, 30%, 60%, 90% 및 100%인 것을 의미한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 예를 들어, SOC 60의 경우, 셀 전압이 방전전류 값에 따라 상이해지는 것을 확인할 수 있으며, 보다 구체적으로, 방전전류, 즉, 최적의 전류부하(Load) 값이 900A/㎡인 경우, 셀 전압 즉, 최적의 출력전압이 1V에 해당하나, 방전전류, 즉, 최적의 전류부하(Load) 값이 300A/㎡인 경우, 셀 전압 즉, 최적의 출력전압이 1.3V에 해당함을 확인할 수 있다.
이때, 도 6의 셀의 충전상태에 따른 셀 전압의 예를 도시하는 그래프에서는, 충전상태가 60% 경우에, 셀 전압이 1.4V인 것과 비교하여, 상기 산화-환원 유동 전지 셀의 출력전압을 결정함에 있어서, 도 6의 경우, 산화-환원 유동 전지 셀의 충전상태만을 고려하였으나, 본 발명에서는, 동일하게 충전상태가 60%라 하더라도, 전해액의 온도 인자와 농도 인자를 고려함으로써, 최적의 전류부하(Load) 값에 따른 최적의 출력전압을 결정할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에서는, 이상과 같이, 본 발명에서는, 전해액의 온도 및 농도를 일정하게 유지시키는 관점 보다는, 현 상태에서의 전해액의 온도 인자 및 농도 인자를 고려하여, 최적의 방전전류를 결정하고, 또한, 이를 통하여 최적의 출력전압을 결정하여, 최적의 방전전류 값 및 최적의 출력전압에 따라 상기 산화-환원 유동 전지를 방전시킬 수 있다.
또한, 최적의 방전전류 값 및 최적의 출력전압에 따라 상기 산화-환원 유동 전지를 방전시킴으로써, 상기 산화-환원 유동전지 셀의 열화를 방지할 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (11)

  1. 스택부;
    상기 스택부에 전해액을 공급하거나, 상기 스택부로부터 전해액을 회수하기 위한 전해액 탱크부;
    상기 전해액 탱크부로부터 상기 스택부에 전해액을 공급하기 위한 전해액 공급라인;
    상기 스택부로부터 배출된 전해액을 상기 전해액 탱크부로 회수하기 위한 전해액 회수라인;
    상기 전해액 탱크부의 온도를 제어하기 위한 온도제어부; 및
    상기 전해액 공급라인과 연결되는 농도측정부를 포함하는 산화-환원 유동전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해액 탱크부는, 상기 스택부에 양극 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급 탱크; 상기 스택부에 음극 전해액을 공급하기 위한 음극 전해액 공급 탱크; 상기 스택부로부터 배출된 양극 전해액을 회수하기 위한 양극 전해액 회수 탱크; 및 상기 스택부로부터 배출된 음극 전해액을 회수하기 위한 음극 전해액 회수 탱크를 포함하며,
    상기 전해액 탱크부는 메인탱크를 포함하고, 상기 메인탱크는 상기 양극 전해액 공급 탱크와 상기 양극 전해액 회수 탱크를 구획하는 제1격벽; 상기 음극 전해액 공급 탱크와 상기 음극 전해액 회수 탱크를 구획하는 제2격벽; 및 상기 양극 전해액 공급 탱크와 상기 음극 전해액 공급 탱크를 구획하는 제3격벽을 포함하는 산화-환원 유동전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도제어부는 상기 양극 전해액 공급 탱크의 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 공급 탱크의 음극 전해액의 온도를 제어하고,
    상기 온도제어부는, 상기 양극 전해액 공급 탱크의 양극 전해액 및 상기 음극 전해액 공급 탱크의 음극 전해액의 온도를 측정하기 위한 온도센서; 상기 양극 전해액 및 상기 음극 전해액을 냉각 또는 가열하기 위한 유체를 공급하는 유체공급원; 및 상기 유체공급원으로부터 공급된 유체를 순환시키기 위한 유체순환라인을 포함하는 산화-환원 유동전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유체순환라인은, 상기 제1격벽, 상기 제2격벽, 상기 제3격벽, 상기 양극 전해액 공급 탱크의 하부에 위치하는 메인탱크영역 및 상기 음극 전해액 공급 탱크의 하부에 위치하는 메인탱크영역에 설치되는 산화-환원 유동전지.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전해액 공급라인은, 상기 양극 전해액 공급 탱크로부터 상기 스택부에 양극 전해액을 공급하기 위한 양극 전해액 공급라인; 및 상기 음극 전해액 공급 탱크로부터 상기 스택부에 음극 전해액을 공급하기 위한 음극 전해액 공급라인을 포함하는 산화-환원 유동전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 농도측정부는, 상기 양극 전해액 공급라인과 연결되는 제1챔버; 상기 음극 전해액 공급라인과 연결되는 제2챔버; 상기 제1챔버와 상기 제2챔버의 사이에 위치하는 멤브레인; 상기 제1챔버 측에 위치하는 제1단자판; 상기 제2챔버 측에 위치하는 제2단자판; 및 상기 제1단자판 및 상기 제2단자판에 전원을 인가하기 위한 전원부를 포함하는 산화-환원 유동전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 농도측정부는,
    상기 제1챔버의 일측과 연결되고, 양극 전해액이 유입되는 양극 전해액 유입 채널; 상기 제1챔버의 타측과 연결되고, 양극 전해액이 배출되는 양극 전해액 배출 채널; 상기 제2챔버의 일측과 연결되고, 음극 전해액이 유입되는 음극 전해액 유입 채널; 및 상기 제2챔버의 타측과 연결되고, 음극 전해액이 배출되는 음극 전해액 배출 채널을 더 포함하고,
    상기 농도측정부는, 상기 양극 전해액 유입 채널과 상기 양극 전해액 공급라인을 연결하는 양극 전해액 보조공급라인; 상기 양극 전해액 배출 채널과 상기 양극 전해액 공급라인을 연결하는 양극 전해액 보조배출라인; 상기 음극 전해액 유입 채널과 상기 음극 전해액 공급라인을 연결하는 음극 전해액 보조공급라인; 및 상기 음극 전해액 배출 채널과 상기 음극 전해액 공급라인을 연결하는 음극 전해액 보조배출라인을 더 포함하는 산화-환원 유동전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택부는 적어도 1개 이상의 산화-환원 유동전지 셀을 포함하고,
    상기 산화-환원 유동전지 셀은 이온 교환막인 멤브레인과, 상기 멤브레인을 사이에 두고 위치하는 제1전극부 및 제2전극부를 포함하는 산화-환원 유동전지.
  9. 산화-환원 유동전지 셀에 공급되는 전해액의 개방회로전압을 측정하는 단계;
    상기 개방회로전압 및 상기 전해액의 온도에 따른 최적의 전류부하를 선정하는 단계;
    상기 산화-환원 유동전지 셀의 충전상태(SOC, State of Charge)를 측정하는 단계; 및
    상기 충전상태(SOC, State of Charge) 및 상기 최적의 전류부하 값에 따라, 상기 산화-환원 유동 전지 셀의 출력전압을 결정하는 단계를 포함하는 산화-환원 유동전지의 제어방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 산화-환원 유동전지는, 상기 산화-환원 유동전지 셀을 적어도 1개 이상 포함하는 스택부; 상기 스택부에 전해액을 공급하거나, 상기 스택부로부터 전해액을 회수하기 위한 전해액 탱크부; 상기 전해액 탱크부로부터 상기 스택부에 전해액을 공급하기 위한 전해액 공급라인; 상기 스택부로부터 배출된 전해액을 상기 전해액 탱크부로 회수하기 위한 전해액 회수라인; 상기 전해액 탱크부의 온도를 제어하기 위한 온도제어부; 및 상기 전해액 공급라인과 연결되는 농도측정부를 포함하며,
    상기 농도측정부를 통해 상기 개방회로전압을 측정하고, 상기 온도제어부를 통해 상기 전해액의 온도를 측정하는 산화-환원 유동전지의 제어방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 최적의 전류부하 값은, 상기 산화-환원 유동전지 셀의 방전모드에서의 방전전류 값이고, 상기 출력전압은 상기 산화-환원 유동전지 셀의 방전모드에서 상기 방전전류가 흐르는 동안의 셀 전압인 것을 특징으로 하는 산화-환원 유동전지의 제어방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102539865B1 (ko) * 2022-11-07 2023-06-07 보성파워텍 주식회사 바나듐 레독스 흐름전지의 열화 진단 및 관리 시스템

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8277964B2 (en) * 2004-01-15 2012-10-02 Jd Holding Inc. System and method for optimizing efficiency and power output from a vanadium redox battery energy storage system

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113346104A (zh) * 2021-07-07 2021-09-03 郑州佛光发电设备有限公司 一种金属燃料电池低温加热结构
KR102539865B1 (ko) * 2022-11-07 2023-06-07 보성파워텍 주식회사 바나듐 레독스 흐름전지의 열화 진단 및 관리 시스템
WO2024101553A1 (ko) * 2022-11-07 2024-05-16 보성파워텍 주식회사 바나듐 레독스 흐름전지의 열화 진단 및 관리 시스템

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