KR20190103565A - 모듈간 soc 밸런싱을 위한 레독스 흐름 전지 시스템 - Google Patents

모듈간 soc 밸런싱을 위한 레독스 흐름 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각각이 스택, 음극 전해질 탱크, 음극 전해질 탱크, 상기 음극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 음극 펌프 및 상기 양극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 양극 펌프를 포함하는 제1 및 제2 모듈을 포함하는 레독스 흐름 전지 시스템에 있어서, 제1 모듈 스택의 음극 및 양극의 적어도 하나의 출구쪽에서는 제2모듈의 음극 및 양극 전해질 탱크의 적어도 하나와 연결되어 전해질을 보낼 수 있는 믹싱 배관이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템에 관한 것이다.

Description

모듈간 SOC 밸런싱을 위한 레독스 흐름 전지 시스템 {REDOX FLOW BATTERY SYSTEM FOR SOC BALANCING AMONG MODULES}
본 발명은 복수개의 레독스 흐름 전지 모듈 사이에서의 충전 상태(SOC; state of charge) 밸런싱을 위한 레독스 흐름 전지 시스템에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지 시스템은 한 개 혹은 복수개의 스택, BOP(펌프, 배관, 센서, 제어장치 등), 양극과 음극 전해질 및 한 쌍의 전해질 탱크로 구성된 레독스 흐름전지 모듈이 복수 개 구성된다.
BOP란 Balance of Plant의 약어로, 레독스 흐름 전지에서 스택을 제외한 구성 부품 또는 주변 기계 장치를 일컫는다.
복수개의 셀 또는 모듈로 구성되는 전지는 셀별/모듈별로 저항이 완전히 같을 수 없기 때문에 셀간/모듈간 필연적으로 SOC(State of charge, 충전상태)에 편차가 발생하게 된다.
SOC에 편차가 발생할 경우 특정 셀 혹은 특정 모듈이 과충전 될 수 있으며 이에 따라 셀이 폭발하는 등 시스템의 안전성에 큰 문제를 일으킬 수 있다.
또한, 안전성을 위하여 SOC의 운영폭을 줄일 경우 시스템의 방전용량이 낮아진다.
또한, SOC 편차에 의해 특정 셀/모듈의 전압이 높아지거나 (충전의 경우) 낮아지면 (방전의 경우) 그 셀/모듈의 영향으로 전체 시스템의 효율이 나빠진다.
이를 해결하기 위하여 일반적으로 전기 소자를 이용하여 다양한 SOC 밸런싱 기법이 개발되었으며 많이 쓰이는 방법에는 패시브 밸런싱과 액티브 밸런싱이 있다.
패시브 밸런싱은 저항을 사용하는 방식으로 전압이 높은 셀에 저항을 추가하여 셀을 방전시켜서 셀별로 SOC를 맞춰주는 방식이며 이 방법은 신뢰성이 높고 비용이 적게 드는 방법이지만, 방전 저항 내에서 에너지가 열로 손실되기 때문에 효율이 떨어진다.
액티브 밸런싱은 셀별로 전류를 제어할 수 있는 회로 (UNA9, 혹은 캐패시터/인덕터를 이용)를 활용하여 전압이 가장 높은 셀로부터의 전하를 받아 축적해 전압이 가장 낮은 셀로 재분배하는 방식이나 이 방식은 고가의 장치가 필요하다는 단점이 있다.
레독스 흐름 전지는 전해질이 별도의 탱크에 담겨지고 스택안에 펌프를 통하여 이송되는 방식을 지니고 있다. 따라서 하나의 탱크 안의 전해질을 공유할 경우 셀간 밸런싱 문제는 발생하지 않을 것이다.
그러나, 서로 다른 전해질 탱크를 갖는 모듈의 경우는 SOC 상태가 서로 다르게 되며, 공통의 AC/DC 변환장치 혹은 DC/DC 변환장치에 복수개의 모듈을 연결할 경우 각 모듈간 SOC 편차 때문에 리튬이온전지 등에서 발생하는 셀 밸런싱 문제가 동일하게 레독스 흐름 전지에서 모듈간 SOC 밸런싱 문제로 나타나게 된다.
특히 모듈은 고전압 고전류의 스택으로 구성되기 때문에 기존의 전기적인 방법을 적용하기에는 전기 손실이 너무 크거나 고가의 전기 장치가 소요된다.
공개 특허 10-2015-0133446 (2015.11.30)와 공개 특허 10-2017-0063989 (2017.06.08)에 SOC 밸런싱에 대하여 공개되어 있으나, 본 발명과 같이 배관 구조에 의한 SOC밸런싱과는 무관하다.
공개 특허 10-2015-0133446 (2015.11.30), 공개 특허 1020170063989 (2017.06.08).
본 발명은 종래 패시브 밸런싱을 할 경우 저항에 의해 에너지가 손실되며 액티브 밸런싱을 할 경우 고가의 전기적 제어장치를 이용해야하는 단점이 있으므로 이를 개선하기 위함이다.
또한, 레독스 흐름 전지는 전해질을 공유할 경우 SOC가 같아지는 특성이 있으므로 전해질이 흐르는 배관이 서로 연결되도록 하여 SOC 밸런싱을 수행하고자 한다.
본 발명은 각각이 스택, 음극 전해질 탱크, 양극 전해질 탱크, 상기 음극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 음극 펌프 및 상기 양극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 양극 펌프를 포함하는 제1 및 제2 모듈을 포함하는 레독스 흐름 전지 시스템에 있어서, 제1 모듈 스택의 음극 및 양극의 적어도 하나의 출구쪽에서는 제2모듈의 음극 및 양극 전해질 탱크의 적어도 하나와 연결되어 전해질을 보낼 수 있는 믹싱 배관이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템에 관한 것이다.
상기 제1 및 제2 모듈은 공통된 변환 장치에 의하여 연결되어 있으며 상기 변환 장치는 전기적으로 병렬 또는 직렬로 연결된 AC/DC 또는 DC/DC 변환 장치이다.
또한, 본 발명에서는 제2 모듈의 스택의 음극 및 양극의 적어도 하나의 출구쪽에서는 제1모듈의 음극 및 양극 전해질 탱크중 적어도 하나로 전해질을 보낼 수 있는 믹싱 배관이 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 스택, 음극 전해질 탱크, 양극 전해질 탱크, 상기 음극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 음극 펌프 및 상기 양극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 양극 펌프를 포함하는 제3 모듈을 추가로 포함하며, 제1 모듈의 스택의 음극 및 양극의 적어도 하나의 출구쪽에서는 제2모듈 및 제3모듈의 음극 및 양극 전해질 탱크의 적어도 하나로 전해질을 보낼 수 있다.
또한, 본 발명은 각각이 스택, 음극 전해질 탱크, 양극 전해질 탱크, 상기 음극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 음극 펌프 및 상기 양극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 양극 펌프를 포함하는 모듈이 n개인 레독스 흐름 전지 시스템에 있어서, 상기 각각의 모듈의 스택의 음극 및 양극 출구쪽에서는 나머지 다른 모듈의 음극 및 양극 전해질 탱크로 음극 및 양극 전해질을 보낼 수 있는 믹싱 배관이 설치되어 있는 것에 관한 것이다.
또한, 본 발명에서 믹싱 배관은 총 2n(n-1)개이다.
또한, 본 발명에서 상기 믹싱 배관에는 밸브가 설치되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1 모듈의 음극 전해질 탱크(120)와 제2모듈의 음극 전해질 탱크(220)를 연결하는 음극 탱크 수위 유지 배관(320) 및 상기 제1 모듈의 양극 전해질 탱크(150)와 제2모듈의 양극 전해질 탱크(250)를 연결하는 양극 탱크 수위 유지 배관(350)을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 음극 탱크 수위 유지 배관(320)은 제1 및 제2 모듈의 음극 전해질 탱크(120; 220)의 수위 보다 아래에 배치되고, 상기 양극 탱크 수위 유지 배관(350)은 제1 및 제2 모듈의 양극 전해질 탱크(150; 250)의 수위 보다 아래에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 음극 탱크 수위 유지 배관(320) 및 상기 양극 탱크 수위 유지 배관(350)의 양쪽 또는 어느 한쪽에는 밸브가 설치되어 있을 수 있다.
종래 SOC 밸런싱을 위하여 별도의 전기적 장치가 사용되었는데, 고전류의 DC 전류의 흐름을 제어하는 전기적 장치는 가격이 비싸다.
PCS (전력 변환 장치)를 개별로 장착할 경우 시스템의 가격이 비싸진다.
전기적 장치가 없을 경우 SOC 밸런스가 맞지 않아 시스템의 효율이 낮아진다.
이에 비하여 본 발명에서는 SOC 밸런싱을 위하여 배관을 이용하므로 고가의 전기장치가 들어가지 않아 경제적으로 밸런싱을 수행할 수 있다.
도 1은 레독스 흐름 전지의 일반적인 모듈의 구조이다.
도 2는 본 발명의 SOC 밸런싱을 위한 레독스 흐름 전지 시스템의 예시도이다.
도 1은 레독스 흐름 전지의 일반적인 모듈의 구조로서, 스택은 음극, 양극과 음극 및 양극을 분리하는 분리막을 포함하는 다수의 셀이 적층된 구조이다.
또한, 음극 탱크에 의한 전해질은 음극 펌프에 의하여 스택의 음극으로 보내지고 마찬가지로 양극 탱크에 의한 전해질은 양극 펌프에 의하여 스택의 양극으로 전해진다.
도 2는 본 발명의 SOC 밸런싱을 위한 레독스 흐름 전지 시스템의 예시도로서 2개의 모듈(1000; 2000)을 도시한다.
각각의 모듈은 스택, 양극 및 음극 전해질 탱크, 양극 및 음극 펌프를 포함한다.
보다 자세히 살펴보면, 모듈 1(1000)은 음극(110) 및 양극(140)으로 이루어진 스택, 음극 전해질 탱크(120), 음극 펌프(130), 양극 전해질 탱크(150) 및 양극 펌프(160)와 다수의 배관으로 이루어진다.
마찬가지로, 모듈 2(2000)은 음극(210) 및 양극(240)으로 이루어진 스택, 음극 전해질 탱크(220), 음극 펌프(230), 양극 전해질 탱크(250) 및 양극 펌프(260)와 다수의 배관으로 이루어진다.
본 발명에서는 모듈 1의 음극 전해질 탱크(120)와 모듈 2의 음극 전해질 탱크(220)를 연결한 음극 탱크 수위 유지 배관(320)과 모듈 1의 양극 전해질 탱크(150)와 모듈 2의 양극 전해질 탱크(250)를 연결한 양극 탱크 수위 유지 배관(350)을 구비한다.
상기 탱크 수위 유지 배관들은 탱크의 전해질 수위보다 충분히 아래에 설치되어 두 탱크의 전해질 수위에 차이가 발생할 경우 압력차에 의해 수위가 맞추어 지도록 하는 것이다. 배관의 양단 또는 어느 하나에 밸브를 설치하여 상기 탱크 수위 유지 배관을 사용하지 않을 수도 있다. 상기 탱크 수위 유지 배관은 가능한 평평하게 설치하여 전해질이 잘 이송될 수 있도록 하였다.
상기 탱크 수위 유지 배관이 없을 경우 유량에 편차가 생기면 한쪽 탱크가 넘칠 가능성이 있다.
또한, 본 발명에서는 음극 믹싱 배관(112; 212) 및 양극 믹싱 배관(142; 242)을 스택의 출구에 설치하여 다른 모듈의 탱크로 전해질이 들어 갈 수 있도록 하였다.
도2에 도시된 것과 같이, 모듈 1의 스택의 음극(110)에서 배출되는 전해질은 배관(111)을 통해 음극 전해질 탱크(120)로 보내질 뿐만 아니라 배관(111)에서 분기되는 음극 믹싱 배관(112)을 통해 모듈 1의 전해질이 모듈 2의 음극 전해질 탱크(220)으로 보내질 수 있다.
마찬가지로, 모듈 2의 스택의 음극(210)에서 배출되는 전해질은 배관(211)을 통해 음극 전해질 탱크(220)로 보내질 뿐만 아니라 배관(211)에서 분기되는 음극 믹싱 배관(212)을 통해 모듈 2의 전해질이 모듈 1의 음극 전해질 탱크(120)로 보내질 수 있다.
또한, 양극에서도, 모듈 1의 스택의 양극(140)에서 배출되는 전해질은 배관(141)을 통해 양극 전해질 탱크(150)로 보내질 뿐만 아니라 배관(141)에서 분기되는 양극 믹싱 배관(142)을 통해 모듈 1의 전해질이 모듈 2의 양극 전해질 탱크(250)으로 보내질 수 있다.
마찬가지로, 모듈 2의 스택의 양극(240)에서 배출되는 전해질은 배관(241)을 통해 양극 전해질 탱크(250)로 보내질 뿐만 아니라 배관(241)에서 분기되는 양극 믹싱 배관(242)을 통해 모듈 2의 전해질이 모듈 1의 양극 전해질 탱크(150)로 보내질 수 있다.
모듈의 개수가 n개라면 2n(n-1)개의 배관이 필요하다.
즉, n 개의 모듈 각각의 양극/음극 2 개의 스택의 출구에서는 나머지 모듈 (n-1개) 의 양극/음극 전해질 탱크 각각에 연결되는 배관이 필요하므로, 2n(n-1)개의 배관이 필요한 것이다.
예를 들어 모듈이 2개이면, 모듈 1의 스택의 양극 및 음극의 출구 각각에서 모듈 2의 전해질 탱크에 연결되는 배관이 1개씩 있어 모듈 1에는 믹싱 배관이 2개 있으며, 마찬가지로 모듈 2에도 스택의 출구에도 모듈 1의 전해질 탱크에 연결된 배관이 2개 있어 총 4개의 믹싱 배관이 설치된다.
또한, 모듈이 3개이면, 모듈 1의 스택의 양극 및 음극의 출구 각각에서 모듈 2와 모듈 3의 전해질 탱크에 연결되는 배관이 2개씩 있어 모듈 1에는 믹싱 배관이 4개 있으며, 마찬가지로 모듈 2 및 모듈 3 각각의 스택의 출구에 연결된 배관이 4개씩 있으므로 총 12개의 믹싱 배관이 설치된다.
믹싱 배관은 각 모듈에서 스택을 지나고 난 후 배기단에서 분기하여 다른 모듈의 탱크로 들어가도록 설치하였다. 만약 스택의 입력단에서 분기할 경우 스택에 공급되는 유량이 작아지기 때문에 효율이 낮아지며 방전용량이 줄어드는 문제점이 있어서이다.
모든 믹싱배관에는 밸브를 달아 사용을 차단할 수 있고 밸브의 열림 정도를 조정하여 유량을 조정할 수 있도록 하였다.
또한, 필요에 따라 자동밸브를 달아 SOC 편차에 따라 밸브의 개폐 정도를 조정할 수 있도록 하였다.
이와 같이, 본 발명에서는 두개 이상의 모듈의 배관에서 일부의 전해질을 다른쪽 전해질과 섞을 수 있도록 배관을 구성하여 하나의 커다란 탱크를 공유하는 시스템이 되도록 하였고, 이로 인하여 한쪽 모듈의 충전량이 높고 다른 한쪽의 모듈의 충전량이 낮을 경우 한쪽의 전해질로 다른쪽 전해질을 충전하는 구조를 이루도록 하였다.
또한, 본 발명은 SOC가 높은 모듈의 전기에너지로 낮은 모듈을 충전하는 방식이므로 패시브 밸런싱에 비해 손실되는 에너지가 거의 없다.
또한 본 발명에서는 흐름전지에서 가장 높은 효율 감소를 차지하는 스택을 통과하지 않고 직접 전해질을 섞어 높은쪽에서 낮은쪽을 충전시키는 방식이므로 섞는 과정에서 발생하는 손실이 적다.
또한, 본 발명은 운전 중에는 항상 작동시키도록 하여 두 시스템의 SOC 편차를 매우 낮은 수준으로 유지시킬 수 있게 하였다.
또한, 본발명의 하나의 실시예에서는 메인 배관의 구경 50A일 경우 15A구경의 배관을 믹싱 라인으로 구성하도록 하였으며, 유연한 파이프, 호스 등을 이용하면 복잡한 형상을 쉽게 구현 가능하게 하였다.
본 발명에서 모듈은 복수개로 이루어지지만, 배관이 복잡해지므로 최대 3개까지 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 두개 이상의 모듈이 전기적으로 병렬 또는 직렬로 하나의 AC/DC 또는 DC/DC 변환 장치와 연관되어 있어야 한다. 그렇지 않고 변환 장치가 서로 다르면 개별로 전류를 조정하여 SOC를 제어할 수 있으므로 배관 구조가 필요가 없을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변경이 가능하다는 것이 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
110, 210: 음극 140, 240: 양극
120, 220: 음극 전해질 탱크 150, 250: 양극 전해질 탱크
130, 230: 음극 펌프 160, 260: 양극 펌프
320: 음극 탱크 수위 유지 배관 350: 양극 탱크 수위 유지 배관
112, 212: 음극 믹싱 배관 142, 242: 양극 믹싱 배관

Claims (9)

  1. 각각이 스택, 음극 전해질 탱크, 양극 전해질 탱크, 상기 음극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 음극 펌프 및 상기 양극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 양극 펌프를 포함하는 제1 및 제2 모듈을 포함하는 레독스 흐름 전지 시스템에 있어서,
    제1 모듈의 스택의 음극 및 양극의 적어도 하나의 출구쪽에서는 제2모듈의 음극 및 양극 전해질 탱크의 적어도 하나와 연결되어 전해질을 보낼 수 있는 믹싱 배관이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 모듈은 공통된 변환 장치에 의하여 연결되어 있고,
    상기 변환 장치는 전기적으로 병렬 또는 직렬로 연결된 AC/DC 또는 DC/DC 변환 장치인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    제2 모듈의 스택의 음극 및 양극의 적어도 하나의 출구쪽에서는 제1모듈의 음극 및 양극 전해질 탱크중 적어도 하나로 전해질을 보낼 수 있는 믹싱 배관이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    스택, 음극 전해질 탱크, 음극 전해질 탱크, 상기 음극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 음극 펌프 및 상기 양극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 양극 펌프를 포함하는 제3 모듈을 추가로 포함하며,
    제1 모듈의 스택의 음극 및 양극의 적어도 하나의 출구쪽에서는 제2모듈 및 제3모듈의 음극 및 양극 전해질 탱크의 적어도 하나로 전해질을 보낼 수 있는 믹싱 배관이 설치되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템.
  5. 각각이 스택, 음극 전해질 탱크, 음극 전해질 탱크, 상기 음극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 음극 펌프 및 상기 양극 전해질 탱크의 전해질을 스택에 공급하는 양극 펌프를 포함하는 모듈이 n개인 레독스 흐름 전지 시스템에 있어서,
    상기 각각의 모듈의 스택의 음극 및 양극 출구쪽에서는 나머지 다른 모듈의 음극 및 양극 전해질 탱크로 음극 및 양극 전해질을 보낼 수 있는 믹싱 배관이 설치되어 있으며,
    믹싱 배관은 총 2n(n-1)개인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 믹싱 배관에는 밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1 모듈의 음극 전해질 탱크(120)와 제2모듈의 음극 전해질 탱크(220)를 연결하는 음극 탱크 수위 유지 배관(320) 및 상기 제1 모듈의 양극 전해질 탱크(150)와 제2모듈의 양극 전해질 탱크(250)를 연결하는 양극 탱크 수위 유지 배관(350)을 포함하는 레독스 흐름 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 음극 탱크 수위 유지 배관(320)은 제1 및 제2 모듈의 음극 전해질 탱크(120; 220)의 전해질 수위 보다 아래에 배치되고,
    상기 양극 탱크 수위 유지 배관(350)은 제1 및 제2 모듈의 양극 전해질 탱크(150; 250)의 전해질 수위 보다 아래에 배치되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 음극 탱크 수위 유지 배관(320) 및 상기 양극 탱크 수위 유지 배관(350)의 양쪽 또는 한쪽에는 밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템.
KR1020180024109A 2018-02-28 2018-02-28 모듈간 soc 밸런싱을 위한 레독스 흐름 전지 시스템 KR102028678B1 (ko)

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