KR20190063712A - 레독스 흐름 전지 - Google Patents

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KR20190063712A KR1020170162699A KR20170162699A KR20190063712A KR 20190063712 A KR20190063712 A KR 20190063712A KR 1020170162699 A KR1020170162699 A KR 1020170162699A KR 20170162699 A KR20170162699 A KR 20170162699A KR 20190063712 A KR20190063712 A KR 20190063712A
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Abstract

상이 다른 두 층의 전해액을 혼합하여 균일한 전해액을 스택으로 공급하도록 한 레독스 흐름 전지를 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 애노드 전해액 탱크, 캐소드 전해액 탱크, 상기 애노드 전해액 탱크와 상기 캐소드 전해액 탱크에 연결되는 스택 및 상기 캐소드 전해액 탱크에서 상기 스택으로 상기 캐소드 전해액을 공급하는 배관의 관로에 설치되는 고정형 혼합기(static mixer)를 포함한다.

Description

레독스 흐름 전지 {REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아연과 브롬을 레독스 커플로 사용하고 전해액과 전극 사이에서 일어나는 산화 환원 반응으로 전기를 생산하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지는 활물질이 포함된 전해액이 순환됨에 따라 전극 표면에서 산화/환원반응으로 구동되어, 전기에너지를 화학에너지 형태로 저장하는 전지이다. 그 중 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 아연과 브로민을 활물질로 사용한다.
아연-브롬 레독스 흐름 전지는 충전 중 캐소드(Cathode) 전극에서 Br2가 발생하며, Br2는 용해도가 낮아 Br2를 전해액 내 존재하도록 하기 위하여 이와 결합하기 위한 착화합물(QBr;Quaternary ammonium Bromide)을 필요로 한다.
착화합물은 전해액에 잘 녹아있는 상태이나, 충전 중 발생한 Br2와의 반응으로 PBr(QBr+Br2)이 되는 경우, 비중과 점도가 높은 유계 성질을 띄게 되어 전해액의 수계층과 분리현상이 발생한다. 충전이 진행됨에 따라 캐소드 전해액의 일부가 PBr로 생성되며, 전해액을 구성하는 수계층과 유계층은 일정비율로 혼합되어 스택으로 공급된다.
이와 같이 비중 및 점도가 높은 PBr로 구성된 유계층은 스택 내부 유로 유입 시 점착되어 전해액의 흐름을 방해하며 전류효율 (Current Efficiency)을 저하시키는 문제점이 있다.
또한 유계층은 펌프의 부하를 크게 하여 소모전력이 증가하여 최종적으로 시스템 효율(System Efficiency)이 낮아지는 결과를 발생시키는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상이 다른 두 층의 전해액을 혼합하여 균일한 전해액을 스택으로 공급하도록 한 레독스 흐름 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 애노드 전해액 탱크, 캐소드 전해액 탱크, 상기 애노드 전해액 탱크와 상기 캐소드 전해액 탱크에 연결되는 스택 및 상기 캐소드 전해액 탱크에서 상기 스택으로 상기 캐소드 전해액을 공급하는 배관의 관로에 설치되는 고정형 혼합기(static mixer)를 포함한다.
상기 레독스 흐름 전지는 상기 스택으로 상기 캐소드 전해액을 공급하는 상기 캐소드 전해액 유입관과 상기 스택으로부터 상기 캐소드 전해액 탱크로 상기 캐소드 전해액을 돌려보내는 캐소드 전해액 유출관이 교차하는 위치에 배치되는 4방향 밸브가 추가로 설치될 수 있다.
상기 혼합기는 상기 배관의 꺽인 부위, 또는 직선 부위에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 비중과 점도가 다른 캐소드 전해액을 혼합하여 균일한 캐소드 전해액이 스택으로 유입하므로, 전해액의 흐름이 원활해지며, 이는 전극 상 반응도 균일하게 일어나도록 할 뿐만 아니라, 이로 인하여 전류효율 및 시스템 효율이 개선되고, 스택은 내구성과 장기 사용에 대한 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 스택을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다.
도 5는 도 1에서 캐소드 전해액 유입관의 내부를 나타낸 부분 절단 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 캐소드 전해액 유입배관의 적용 전후의 전류효율과 에너지 효율 결과값을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지에서 캐소드 전해액이 이동하는 상태도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 산화환원반응으로 전류를 발생시키는 스택(120), 및 스택(120)에 애노드, 캐소드 전해액을 공급하고 반응 후 스택(120)에서 유출되는 애노드, 캐소드 전해액을 각각 저장하는 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)를 포함한다.
또한, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 애노드, 캐소드 전해액 펌프(Pa, Pc)를 개재하여 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)와 스택(120)을 연결하는 애노드, 캐소드 전해액 유입관(La1 Lc1)과 애노드, 캐소드 전해액 유출관(La2, Lc2)을 포함한다.
애노드, 캐소드 전해액은 애노드, 캐소드 전해액 펌프(Pa, Pc)의 구동에 따라 애노드, 캐소드 전해액 유입관(La1 Lc1)을 통하여 스택(120)으로 각각 유입되어 반응 후, 애노드, 캐소드 전해액 유출관(La2, Lc2)을 통하여 유출되어 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)에 저장된다.
한편, 애노드 전해액을 유출하는 애노드 전해액 유출관(La2)에는 열교환기(207)가 구비된다. 열교환기(207)는 캐소드 전해액에 비하여 반응성이 낮은 애노드 전해액 측에 배치되어, 애노드 전해액과 직접 맞닿아서 충/방전 반응 전극에서 발생한 열 교환을 시킨다. 즉, 전해액 온도를 균일하게 하여 발생할 수 있는 부반응을 억제하여 전지의 효율이 향상된다. 충/방전 시, 전해액의 점도 및 비중 차이로 인하여 스택(120) 내부에서 전해액의 크로스오버가 발생된다. 이로 인하여, 애노드 전해액 탱크(210)와 캐소드 전해액 탱크(220)에서 전해액의 레벨(L1a, L1c) 차이가 발생될 수 있다. 열교환기(207)는 전해액의 레벨(L1a, L1c) 차이를 줄일 수 있다.
애노드 전해액 탱크(210)는 아연을 포함하는 애노드 전해액(anolyte)을 수용하고, 캐소드 전해액 탱크(220)(편의상, 캐소드 전해액의 2상을 수용하는 2상 전해액 탱크를 도시 생략함)는 브로민을 포함하는 캐소드 전해액(catholyte)을 수용한다.
캐소드 전해액 탱크(220)는 하부에 비중과 점도가 높은 유계 성질을 띄는 중 캐소드 전해액(heavy catholyte), 중간에 중 캐소드 전해액에 비해 비중과 점도가 낮은 경 캐소드 전해액(light catholyte)를 수용하고, 상부에는 충/방전시 발생되는 가스를 수용하게 된다.
또한, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)를 서로 연결하는 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)을 더 포함한다.
애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 충/방전 시, 전해액의 점도 및 비중의 차이로 인하여, 스택(120)의 내부 압력이 변화되어 크로스 오버가 발생될 때, 애노드, 캐소드 전해액을 상호 이동시켜 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)에서 애노드, 캐소드 전해액의 레벨(L1a, L1c)을 조절한다.
예를 들면, 애노드 전해액 오버 플로우 관(La3)은 애노드 전해액 탱크(210)의 하부에 삽입되어 캐소드 전해액 탱크(220)의 상부에서 개방되는 구조로 연결된다. 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)은 캐소드 전해액 탱크(220)의 하부에 삽입되어 애노드 전해액 탱크(210)의 상부에서 개방되는 구조로 연결된다.
따라서 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 애노드, 캐소드 전해액을 캐소드, 애노드 전해액 탱크(220, 210)으로 이동시키며, 비중과 점도가 낮은 캐소드 전해액만을 애노드 전해액 탱크(210)로 이동시킬 때, 캐소드 전해액 탱크(220)의 상부에 수용되는 가스 및 폴리브로민이 애노드 전해액 탱크(210)로 이동하는 것을 차단한다.
일례로써, 본 실시예에서 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 3개로 구비되어 있다. 그러나 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 각각 1개 이상으로 구비될 수 있고, 바람직하기로는 3~5개로 구비될 수 있다.
도 2는 도 1에 적용되는 스택을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 -Ⅲ 선에 따른 단면도이며, 도 4는 도 2의 -Ⅳ 선에 따른 단면도이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 스택(120)은 반복적으로 적층되는 멤브레인(10)과 스페이서(20) 및 전극판(30)을 포함한다.
또한, 스택(120)은 적층 방향의 양단에 차례로 더 적층되는 집전판(61, 62)과 엔드 플레이트(71, 72)를 더 포함하고, 전극판(30)에 애노드, 캐소드 전해액을 각각 공급하는 애노드 전해액 채널(CHa)(도 3 참조)과 캐소드 전해액 채널(CHc)(도 4 참조)을 포함한다.
전극판(30)은 일면의 애노드 전극(32)과 다른 일면의 캐소드 전극(31)을 포함한다. 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)은 애노드, 캐소드 전해액을 애노드, 캐소드 전극(32, 31)으로 각각 공급한다.
스택(120)에서, 엔드 플레이트(71)는 애노드, 캐소드 전해액 유입관(La1, Lc1)에 연결되는 애노드, 캐소드 전해액 유입구(H21, H31)를 구비하고, 애노드, 캐소드 전해액 유입구(H21, H31)를 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)에 연결한다.
스택(120)에서, 엔드 플레이트(72)는 애노드, 캐소드 전해액 유출관(La2, Lc2)에 연결되는 애노드, 캐소드 전해액 유출구(H22, H32)를 구비하고, 애노드, 캐소드 전해액 유출구(H22, H32)를 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)에 연결한다.
따라서 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)은 스택(120) 내부에서 일단으로 애노드, 캐소드 전해액 유입구(H21, H31)에 연결되고, 다른 일단으로 애노드, 캐소드 전해액 유출구(H22, H32)에 연결된다.
또한, 스택(120)은 엔드 플레이트(71, 72) 내측에 배치되어 집전판(61, 62)에 연결되는 버스바(B1, B2)를 구비한다. 버스바(B1, B2)는 스택(120)의 내부에서 생성된 전류를 방전하거나, 외부의 전원(206)에 연결되어 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)에 전류를 충전할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 캐소드 전해액 탱크(220)는 상단에 가스 배출 라인(Lc4)를 더 구비하고, 가스 배출 라인(Lc4)에 가스 필터(GF)를 구비하여 충/방전시 캐소드 전해액에서 발생되는 가스를 배출한다. 따라서 캐소드 전해액에서 발생되는 가스 및 폴리브로민은 애노드 전해액 탱크(210)로 이동하지 않게 된다.
애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)의 하부에서 내부 압력에 의하여 애노드, 캐소드 전해액을 캐소드, 애노드 전해액 탱크(220, 210)로 이동시킨다. 이때, 캐소드 전해액 탱크(220)에서는, 비중과 점도가 낮은 캐소드 전해액만이 애노드 전해액 탱크(210)로 이동된다.
충/방전시, 캐소드 전해액 탱크(220) 내에서 가스가 발생하더라도 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)을 통하여 애노드 전해액 탱크(210)로 직접 이동하지 않는다. 따라서 종래기술의 전해액 탱크를 사용하는 경우와 비교할 때, 본 실시예에서 전류효율이 증가하고, 이로 인하여, 전체 에너지 효율이 증가하게 된다.
또한 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220) 내부의 애노드, 캐소드 전해액의 유량을 맞추기 위하여, 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 애노드, 캐소드 전해액 유입관(La1, Lc1)과 애노드, 캐소드 전해액 유출관(La2, Lc2)의 배관 면적과 동일하거나 그 이상의 크기로 설정될 수 있다. 이를 위하여, 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 복수로 형성될 수도 있다.
다시 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 애노드 전해액 탱크(210)는 아연을 포함하는 애노드 전해액(anolyte)을 내장하며, 애노드 전해액 펌프(Pa)의 구동으로 스택(120)의 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 애노드 전해액을 공급하고, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이를 경유하여 유출되는 애노드 전해액을 수용한다.
다시 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 캐소드 전해액 탱크(220)는 브로민을 포함하는 캐소드 전해액(catholyte)을 내장하며, 스택(120)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 공급하는 캐소드 전해액을 수용한다. 캐소드 전해액 탱크(220)는 캐소드 전해액 펌프(Pc)의 구동으로 스택(120)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 캐소드 전해액을 순환시킨다.
캐소드 전해액 유입관(Lc1) 및 캐소드 전해액 유출관(Lc2)은 4방향 밸브(205)를 개재하여, 캐소드 전해액 탱크(220)를 스택(120)에 연결하므로 스택(120)에 대한 캐소드 전해액의 유입과 유출 작동을 선택적으로 수행할 수 있게 한다.
예를 들면, 4방향 밸브(205)는 캐소드 전해액 유입관(Lc1)을 스택(120)의 캐소드 전해액 유입구(H31)에 연결하고, 캐소드 전해액 유출구(H32)를 스택(120)의 캐소드 전해액 유출관(Lc2)에 연결할 수 있다.
또한 4방향 밸브(205)는 캐소드 전해액 유출구(H32)를 스택(120)의 캐소드 전해액 유입구(H31)에 연결하여, 캐소드 전해액 유입관(Lc1)과 함께 캐소드 전해액을 스택(120)으로 다시 공급할 수도 있다.
여기서, 캐소드 전해액 유입관(Lc1)의 관로에는 고정형 혼합기(static mixer;121)가 설치될 수 있다.
도 5는 도 1에서 캐소드 전해액 유입관의 내부를 나타낸 부분 절단 사시도이다.
도 1 및 도 5을 참조하면, 혼합기(121)는 캐소드 전해액 유입관(Lc1)을 따라 스택(120)으로 유입되는 캐소드 전해액을 혼합한다. 즉, 상술한 바와 같이 캐소드 전해액 탱크(220)의 내부에는 중 캐소드 전해액과 경 캐소드 전해액이 수용되며, 중 캐소드 전해액과 경 캐소드 전해액은 함께 캐소드 전해액 유입관(Lc1)을 통해 스택(120)으로 유입된다. 혼합기(121)는 캐소드 전해액 유입관(Lc1)을 통해 스택(120)으로 향하는 중 캐소드 전해액과 경 캐소드 전해액을 혼합하여 두 캐소드 전해액의 비중과 점도를 균일화시킨다.
이러한 혼합기(121)는 캐소드 전해액 유입관(Lc1)의 전장에 걸쳐 캐소드 전해액 유입관(Lc1) 내부에 설치될 수 있다. 하지만 혼합기(121)의 설치 비용, 설치 공수의 절감 등을 고려하여, 캐소드 전해액 유입관(Lc1)의 복수 개소에 설치된다 하더라도 중 캐소드 전해액과 경 캐소드 전해액을 균일하게 혼합할 수 있는 혼합 효과를 거둘 수 있다.
즉, 혼합기(121)는 캐소드 전해액 유입관(Lc1) 중, 캐소드 전해액 탱크(220)와 4방향 밸브(205)의 사이, 4방향 밸브(205)와 스택(120)의 사이, 캐소드 전해액 유입구(H31)의 직전, 캐소드 전해액 유입관(Lc1)의 꺽인 부위에만 설치되어도 좋다. 이와 같이 혼합기(121)가 설치되는 부위는 캐소드 전해액의 압력이 강하 및 속도가 강하되는 구간으로, 캐소드 전해액 유입관(Lc1)의 전장에 걸쳐 그 내부에 설치되는 것과 유사한 혼합 효과를 거둘 수 있다.
이때, 애노드, 캐소드 전해액 유입관(La1, Lc1) 및 애노드, 캐소드 전해액 유출관(La2, Lc2) 중에서, 캐소드 전해액 유입관(Lc1)은 폴리에틸렌(PE; polyethylene) 또는 폴리프로필렌(PP; polypropylene)의 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
왜냐 하면, 캐소드 전해액은 pH가 1 ~ 4 정도로 산도가 높기 때문에, 종래의 금속형 배관의 경우에는 캐소드 전해액이 변이되거나, 배관의 변성의 우려가 있기 때문이다. 또한 금속 배관에 비해 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌의 가공, 체결 등이 간편하므로 배관의 내부에 혼합기(121)를 설치하기 용이하기 때문이다. 또한 캐소드 전해액 유입관(Lc1)은 기존의 배관요소들(예를 들어 4방향 밸브(205), 스택(120)에 마련되는 캐소드 전해액 유입구(H31) 등)에 견고한 체결 및 실링 상태를 유지해야 하는데, 캐소드 전해액 유입관(Lc1)은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌의 재료로 이루어지면, 기존의 배관요소들에 캐소드 전해액 유입관(Lc1)을 열 융착 방법에 사용하여 간편하게 체결할 수 있기 때문이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 캐소드 전해액 유입배관의 적용 전후의 전류효율과 에너지 효율 결과값을 비교한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 전류효율(CE)의 경우 평균 82.69%에서 85.12%로 상승하였으며, 에너지 효율(EE)의 경우 평균 68.05%에서 69.92%로 상승함을 확인할 수 있다. 배관에 의한 혼합효과로 층 분리 현상을 억제하고 중 캐소드 전해액의 분산도가 높아져 효율이 증가하였다.
이와 같이 본 실시예는, 중 캐소드 전해액이 캐소드 전해액 유입관(Lc1)에 점착되는 것이 방지되므로, 스택(120)으로 비중 및 점성이 균일한 캐소드 전해액이 유입되어 전극 상 반응이 균일하고 균등하게 일어나도록 하며, 최종적으로 시스템 효율을 개선하고 스택의 수명을 장기화할 수 있다.다시 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 스택(120)은 단위 셀들(C1, C2)을 복수로 적층하여 형성될 수 있다. 편의상, 본 실시예는 2개의 단위 셀들(C1, C2)을 적층하여 형성된 스택(120)을 예시한다.다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 스택(120)은 흐름 프레임, 즉 멤브레인 흐름 프레임(40)과 전극 흐름 프레임(50)을 더 포함한다. 스택(120)은 2개의 단위 셀(C1, C2)을 구비하므로 1개의 전극 흐름 프레임(50)을 중앙에 구비하고, 전극 흐름 프레임(50)의 양측에 좌우 대칭 구조로 배치되는 2개의 멤브레인 흐름 프레임(40), 및 멤브레인 흐름 프레임(40)의 외곽에 각각 2개의 엔드 플레이트(71, 72)를 배치한다.
멤브레인(10)은 이온을 통과시키도록 구성되고, 멤브레인 흐름 프레임(40)에 멤브레인 흐름 프레임(40)의 두께 방향 중심에 결합된다. 전극판(30)은 전극 흐름 프레임(50)에 전극 흐름 프레임(50)의 두께 방향 중심에 결합된다.
엔드 플레이트(71, 72), 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50), 멤브레인 흐름 프레임(40) 및 엔드 플레이트(71, 72)을 배치하고, 멤브레인(10)과 전극판(30) 사이에 각각 스페이서(20)를 개재하여 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 엔드 플레이트(71, 72)을 서로 접합함으로써, 2개의 단위 셀(C1, C2)을 구비한 스택(120)이 형성된다.
전극판(30)은 2개의 단위 셀(C1, C2)이 연결되는 부분에서는 일측으로 애노드 전극(32)을 형성하고 다른 측으로 캐소드 전극(31)을 형성하여, 2개의 단위 셀(C1, C2)을 직렬로 연결하는 바이폴라 전극을 형성한다.
멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 엔드 플레이트(71, 72)는 서로 접착되어 멤브레인(10)과 전극판(30) 사이에 내부 용적(S)을 설정하며, 내부 용적(S)에 애노드, 캐소드 전해액을 공급하는 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)을 구비한다. 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)은 멤브레인(10)의 양면에서 각각 균일한 압력과 양으로 애노드, 캐소드 전해액을 공급하도록 구성된다.
애노드 전해액 채널(CHa)은 애노드 전해액 유입구(H21), 내부 용적(S) 및 애노드 전해액 유출구(H22)를 연결하여, 애노드 전해액 펌프(Pa)의 구동에 의하여, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 설정되는 내부 용적(S)으로 애노드 전해액을 유입하여 반응 후, 유출 가능하게 한다.
캐소드 전해액 채널(CHc)은 캐소드 전해액 유입구(H31), 내부 용적(S) 및 캐소드 전해액 유출구(H32)를 연결하여, 캐소드 전해액 펌프(Pc)의 구동에 의하여, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 설정되는 내부 용적(S)으로 캐소드 전해액을 유입하여 반응 후, 유출 가능하게 한다.
애노드 전해액은 내부 용적(S)의 애노드 전극(32) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 애노드 전해액 탱크(210)에 저장된다. 캐소드 전해액은 내부 용적(S)의 캐소드 전극(31) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 캐소드 전해액 탱크(220)에 저장된다.
충전시, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서,
2Br- 2Br＋2e- (식 1)
와 같은 화학 반응이 일어나서, 캐소드 전해액에 포함된 브로민이 생산되어 캐소드 전해액 탱크(220)에 저장된다.
충전시, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에서,
Zn2＋＋2e- Zn (식 2)
와 같은 화학 반응이 일어나서, 애노드 전해액에 포함된 아연이 애노드 전극(32)에 증착되어 저장된다.
방전시, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서, 식 1의 역 반응이 일어나고, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에서 식 2의 역 반응이 일어난다.
스택(120)에서 집전판(61, 62)은 애노드 전극(32)과 캐소드 전극(31)에서 생성된 전류를 모으거나, 외부에서 애노드 전극(32)과 캐소드 전극(31)에 전류를 공급하도록 최외곽 전극판(30, 30)에 접착되어 전기적으로 연결된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지에서 캐소드 전해액이 이동하는 상태도이다.
도 7을 참조하면, 충/방전 과정에서, 캐소드 전해액 탱크(220) 높이(H)의 1/2 이상에 제2하단(D2)을 구비하므로 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)은 캐소드 전해액 탱크(220)의 내부 압력에 의하여 레벨(L2c)의 캐소드 전해액을 제2하단(D2)으로 유입하여, 제2상단(U2)을 통하여 레벨(L2a)의 애노드 전해액 탱크(210)로 이동시킨다. 이때, 캐소드 전해액 탱크(220) 내의 가스 및 폴리브로민은 애노드 전해액 탱크(210)로 이동되지 않는다. 캐소드 전해액 탱크(220) 내부의 가스는 가스 배출 라인(Lc4) 및 가스 필터(GF)를 통하여 배출된다.
종래기술은 일반적으로 관통형 배관으로 전해액 탱크로부터 스택 유입단까지, 스택 유출단으로부터 탱크까지 구성한다. 이에 비하여, 본 실시예는 배관 내 고정형 혼합기가 설치된 캐소드 전해액 유입 배관을 적용한다.
따라서 종래기술은 82.69%의 전류 효율 및 68.05%의 에너지 효율을 얻었다. 이에 비하여, 본 실시예는 85.12%의 전류 효율 및 69.92%의 에너지 효율을 얻었다. 즉 동일한 조건에서 충/방전 효율을 실험한 결과, 종래기술에 비하여, 본 실시예의 전류효율 및 에너지 효율이 더 높게 나타났다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 멤브레인 20: 스페이서
30: 전극판 31: 캐소드 전극
32: 애노드 전극 40: 멤브레인 흐름 프레임
50: 전극 흐름 프레임 61, 62: 집전판
71, 72: 엔드 플레이트 120: 스택
121: 고정형 혼합기
205: 4방향 밸브 206: 전원
207: 열교환기 210: 애노드 전해액 탱크
220: 캐소드 전해액 탱크 B1, B2: 버스바
C1, C2: 단위 셀 Cha: 애노드 전해액 채널
CHc: 캐소드 전해액 채널 GF: 가스 필터
H21: 애노드 전해액 유입구
H22: 애노드 전해액 유출구
H31: 캐소드 전해액 유입구 H32: 캐소드 전해액 유출구
L1a, L1c, L2a, L2c: 레벨 La1: 애노드 전해액 유입관
La2: 애노드 전해액 유출관 La3: 애노드 전해액 오버 플로우 관
Lc1: 캐소드 전해액 유입관 Lc2: 캐소드 전해액 유출관
Lc3: 캐소드 전해액 오버 플로우 관 Lc4: 가스 배출 라인
Pa: 애노드 전해액 펌프 Pc: 캐소드 전해액 펌프
S: 내부 용적

Claims (3)

  1. 애노드 전해액 탱크;
    캐소드 전해액 탱크;
    상기 애노드 전해액 탱크와 상기 캐소드 전해액 탱크에 연결되는 스택;및
    상기 캐소드 전해액 탱크에서 상기 스택으로 상기 캐소드 전해액을 공급하는 배관의 관로에 설치되는 고정형 혼합기(static mixer);를 포함하는 레독스 흐름 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스택으로 상기 캐소드 전해액을 공급하는 상기 캐소드 전해액 유입관과 상기 스택으로부터 상기 캐소드 전해액 탱크로 상기 캐소드 전해액을 돌려보내는 캐소드 전해액 유출관이 교차하는 위치에 배치되는 4방향 밸브가 추가로 설치되는 레독스 흐름 전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합기는 상기 배관의 꺽인 부위, 또는 직선 부위에 배치되는 레독스 흐름 전지.
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