KR20200053224A - 역전압 방지회로를 포함하는 레독스 흐름 전지 및 그 제어 방법 - Google Patents

역전압 방지회로를 포함하는 레독스 흐름 전지 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 방전시 역전압으로 인해 양극에 아연이 증착되는 것을 방지할 수 있는 레독스 흐름 전지 스택 및 그 제어 방법을 개시한다. 본 명세서에 따른 레독스 흐름 전지 스택은 양극, 음극 및 분리막을 포함한 단위 셀을 포함하는 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)의 전지 스택으로서, 상기 전지 스택의 양극 및 음극 사이에 연결된 단락회로;를 포함할 수 있다.

Description

역전압 방지회로를 포함하는 레독스 흐름 전지 및 그 제어 방법{REDOX FLOW BATTERY HAVING CIRCUIT FOR PREVENTING REVERSE VOLTAGE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것이며, 보다 상세하게는 다수의 레독스 흐름 전지 셀로 구성된 레독스 흐름 전지 스택에 역전압이 발생하는 것을 방지하는 회로 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
현재 ESS(Energy Storage System)를 위한 다양한 2차 전지(secondary battery)들이 연구되고 있다. 2차 전지들 중 리튬-이온 배터리가 가장 상업화 되어있으나 아직 안정성 및 수명 측면에서 불완전한 상태이다. 그래서 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)등의 다른 형태의 2차 전지의 개발이 활발하게 진행 중에 있다. RFB는 두 물질 사이의 산화-환원 반응을 이용한 것으로 그 중 아연-브롬 흐름 전지(Zn-Br flow battery)는 아연과 브롬 사이의 산화-환원 반응을 기반으로 한 전지로서, 출력 및 용량 자율도, 가격 등의 장점을 가진다.
도 1은 전지 스택 내 화학반응의 참고도이다.
도 1을 참조하면, 아연-브롬 흐름 전지는 분리막을 사이에 두고 아래 반응식과 같이 양극(양극전해액)과 음극(음극전해액)에서 화학반응이 발생한다.
음극 : Zn2+ + 2e- ↔ Zn (-0.77V)
양극 : 2Br- ↔ Br2 + 2e- (+1.08V)
상기 반응이 일어나는 단위 셀에서는 충전 및 방전 상태에 따라 약 1.2 ~ 1.85V의 전압이 발생하는 바, 필요한 전압을 얻기 위해 다수의 단위 셀을 직렬로 연결한 전지 스택(Stack)을 구성한다. 상기 전지 스택은 약 100~120V의 출력 전압을 얻기 위하여 약 60~100개의 단위 셀이 직렬로 연결할 수 있다. 또한, 대용량의 ESS를 구성하기 상기 전지 스택을 다시 직렬로 연결하여 요구되는 고전압을 얻을 수 있다.
한편, 이러한 아연-브롬 흐름 전지(Zn-Br flow battery)의 특징 중 하나는 방전 후반부의 전압강하이다. 다수의 단위 셀 혹은 전지 스택을 직렬로 연결한 경우 단위 셀 혹은 스택 간의 전압차가 더욱 커져서 방전 종료 시점이 달라진다. 이때, 방전이 먼저 종료된 스택의 전압이 0V로 유지되어 있으면 문제가 되지 않는다. 그러나 불균형해진 전압차는 방전이 먼저 완료된 스택의 역전압을 유도하여, 방전이 진행 중인 스택의 방전 전류에 의해 방전이 종료된 스택이 충전되는 현상이 발생한다.
도 2는 전지 스택에 역전압 발생시 화학반응의 참고도이다.
도 2를 참조하면, 아연-브롬 흐름 전지(Zn-Br flow battery)의 특징상 0V에 먼저 도달하는 전지 스택 내 각각의 단위 셀에 역방향으로 전압이 형성되게 된다. 이로 인해 아연(Zn)이 음극이 아닌 양극에 생성되는 부적절한 현상이 발생할 수 있다.
공개특허공보 제10-2018-0105937호 (2018.10.01)
본 명세서는 방전시 역전압으로 인해 양극에 아연이 증착되는 것을 방지할 수 있는 레독스 흐름 전지 스택 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서는 상기 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 레독스 흐름 전지 스택은 양극, 음극 및 분리막을 포함한 단위 셀을 포함하는 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)의 전지 스택으로서, 상기 전지 스택의 양극 및 음극 사이에 연결된 단락회로;를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 단락회로는 다이오드로 구성되며, 상기 다이오드의 캐쏘드는 상기 전지 스택의 양극에, 상기 다이오드의 애노드는 상기 전지 스택의 음극에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 단락회로는 스위칭 소자로 구성되고, 상기 전지 스택의 양극 및 음극 사이에 연결된 전압 측정기; 및 상기 전압 측정값에 따라 상기 스위칭 소자에 온-오프(on-off) 신호를 출력하는 제어부;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 스위칭 소자는 MOSFET 또는 IGBT일 수 있다.
한편, 상기 단락회로는 상기 스위칭 소자와 직렬로 연결된 다이오드를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 따른 레독스 흐름 전지 스택은, 다수의 레독스 흐름 전지 스택이 직렬로 연결된 전력 저장 시스템의 구성 요소가 될 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 레독스 흐름 전지 스택의 제어 방법은, 양극, 음극 및 분리막을 포함한 단위 셀을 포함하는 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)의 전지 스택, 상기 전지 스택의 양극 및 음극 사이에 연결된 스위칭 소자, 상기 전지 스택의 양극 및 음극 사이에 연결된 전압 측정기, 및 상기 전압 측정값에 따라 상기 스위칭 소자에 온-오프(on-off) 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 레독스 흐름 전지 스택의 제어 방법으로서, (a) 상기 제어부가 상기 전압 측정기로부터 전압 측정값을 수신하는 단계; (b) 상기 제어부가 상기 전압 측정값이 미리 설정된 기준 전압에 도달하였는지 판단하는 단계; 및 (c) 상기 제어부가 상기 전압 측정값이 상기 기준 전압에 도달할 때, 상기 스위칭 소자가 온(on)되어 전류가 바이패스하도록 제어 신호를 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 명세서에 따른 제어 방법은 각 단계들이 수행하도록 작성되어 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터프로그램일 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 명세서의 일 측면에 따르면, 전지 스택에 역전압이 발생하는 것을 방지하여 아연이 양극에 증착되는 것을 방지할 수 있다.
본 명세서의 다른 측면에 따르면, 역전압 방지를 통해 전지 스택의 수명이 증가하며, 전해액이 손상되는 것을 예방할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 전지 스택 내 화학반응의 참고도이다.
도 2는 전지 스택에 역전압 발생시 화학반응의 참고도이다.
도 3은 본 명세서에 따른 레독스 흐름 전지 스택을 포함하는 전력 저장 시스템의 간략한 구성도이다.
도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 간략한 구성도이다.
도 5는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 간략한 구성도이다.
도 6은 본 명세서의 또 다른 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 간략한 구성도이다.
도 7은 본 명세서의 일 실시예에 따른 제어 방법의 흐름도이다.
본 명세서에 개시된 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서가 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하고, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자(이하 '당업자')에게 본 명세서의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서의 권리 범위는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 명세서의 권리 범위를 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. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 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.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 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 구성요소와 다른 구성요소들과의 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 들어, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓일 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 명세서에 따른 레독스 흐름 전지 스택을 포함하는 전력 저장 시스템의 간략한 구성도이다.
본 명세서에 따른 레독스 흐름 전지 스택(100)은 전력 저장 시스템(10)의 구성 요소가 될 수 있다. 상기 전력 저장 시스템(10)은 다수의 레독스 흐름 전지 스택(100)을 전기적으로 병렬 또는 직렬로 연결하여 부하에 필요한 출력 전압 또는 충방전 용량을 갖추도록 구성될 수 있다. 도 1에는 4개의 레독스 흐름 전지 스택(100)이 직렬로 연결된 예시를 도시하였으나, 본 명세서에 따른 전력 저장 시스템(10)이 상기 예시에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에 따른 레독스 흐름 전지 스택(100)은 다수의 단위 셀을 포함할 수 있다. 상기 단위 셀은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)이다. 레독스 흐름 전지의 원리 및 구성 요소에 대해서는 당업자에게 알려진 바, 상세한 설명은 생략하도록 한다. 다수의 단위 셀은 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다.
본 명세서에 따른 레독스 흐름 전지 스택(100)은 상기 전지 스택의 양극 및 음극 사이에 연결된 단락회로(110)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 간략한 구성도이다.
도 4를 참조하면, 상기 단락회로(110)가 다이오드(111)로 구성된 것을 확인할 수 있다. 본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 단락회로(110)는 다이오드(111)이며, 상기 다이오드(111)의 캐쏘드는 상기 전지 스택의 양극에, 상기 다이오드(111)의 애노드는 상기 전지 스택의 음극에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
도 5는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 간략한 구성도이다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 단락회로(110)는 스위칭 소자(112)일 수 있다. 그리고 본 명세서에 따른 레독스 흐름 전지 스택(100)은 상기 전지 스택의 양극 및 음극 사이에 연결된 전압 측정기(113) 및 상기 전압 측정값에 따라 상기 스위칭 소자에 온-오프(on-off) 신호를 출력하는 제어부(120)를 더 포함할 수 있다. 상기 스위칭 소자(112)는 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor　Field-Eeffect Transistor, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터) 또는 IGBT(Insulated　Gate　Bipolar　Transistor, 절연 게이트 타입 바이폴라 트랜지스터)가 될 수 있으며, 상기 제어부(120)의 제어 신호에 의해 온-오프(on-off)동작을 할 수 있는 소자 또는 회로로 대체될 수 있다.
도 6은 본 명세서의 또 다른 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 간략한 구성도이다.
본 명세서의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 단락회로(110)는 상기 스위칭 소자(112)와 직렬로 연결된 다이오드(111)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 레독스 흐름 전지 스택의 제어 방법에 대해서 설명하도록 하겠다. 본 명세서에 따른 제어 방법을 설명함에 있어서, 상술한 레독스 흐름 전지 스택을 바탕으로 설명하도록 하겠다. 다만, 상기 레독스 흐름 전지 스택의 구성에 대해서 반복적인 설명은 생략하도록 하겠다.
도 7은 본 명세서의 일 실시예에 따른 제어 방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 먼저 단계 S10에서 상기 제어부(120)가 상기 전압 측정기(113)로부터 전압 측정값을 수신할 수 있다.
다음 단계 S20에서 상기 제어부(120)가 상기 전압 측정값이 미리 설정된 기준 전압에 도달하였는지 판단할 수 있다. 상기 기준 전압값은 0V가 될 수 있으며, 필요에 따라 전지 스택의 안정성을 고려하여 0V 이상의 값으로 설정할 수도 있다.
만약 상기 전압 측정값이 상기 기준 전압에 도달하지 않았으면(단계 S20의 NO), 상기 단계 S10으로 이행한다. 그리고 상기 전압 측정값이 상기 기준 전압에 도달할 때가지 단계 S10 및 S20을 반복 실행한다.
반면 상기 전압 측정값이 상기 기준 전압에 도달하면(단계 S20의 YES), 상기 단계 S30으로 이행한다. 단계 S30에서 상기 제어부(120)가 상기 전압 측정값이 상기 기준 전압에 도달할 때, 상기 스위칭 소자가 온(on)되도록 제어 신호를 출력할 수 있다. 이후 도 7에는 절차가 종료되는 것으로 도시하였으나, 이는 스위칭 소자의 온(ON)과 관련하여 절차가 종료된 것을 의미하며, 전지 스택의 제어를 위한 다른 제어 동작은 계속 유지될 수 있다.
상기 제어부(120)는 상술한 제어 로직을 실행하기 위해 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 포함할 수 있다. 또한, 상술한 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다.
본 명세서에 따른 제어 방법은 각 단계들이 수행하도록 작성된 컴퓨터프로그램의 형태로 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터프로그램은, 상기 컴퓨터가 프로그램을 읽어 들여 프로그램으로 구현된 상기 방법들을 실행시키기 위하여, 상기 컴퓨터의 프로세서(CPU)가 상기 컴퓨터의 장치 인터페이스를 통해 읽힐 수 있는 C/C++, C#, JAVA, Python, 기계어 등의 컴퓨터 언어로 코드화된 코드(Code)를 포함할 수 있다. 이러한 코드는 상기 방법들을 실행하는 필요한 기능들을 정의한 함수 등과 관련된 기능적인 코드(Functional Code)를 포함할 수 있고, 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 소정의 절차대로 실행시키는데 필요한 실행 절차 관련 제어 코드를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 코드는 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 실행시키는데 필요한 추가 정보나 미디어가 상기 컴퓨터의 내부 또는 외부 메모리의 어느 위치(주소 번지)에서 참조되어야 하는지에 대한 메모리 참조관련 코드를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 컴퓨터의 프로세서가 상기 기능들을 실행시키기 위하여 원격(Remote)에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 통신이 필요한 경우, 코드는 상기 컴퓨터의 통신 모듈을 이용하여 원격에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 어떻게 통신해야 하는지, 통신 시 어떠한 정보나 미디어를 송수신해야 하는지 등에 대한 통신 관련 코드를 더 포함할 수 있다.
상기 저장되는 매체는, 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상기 저장되는 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다. 즉, 상기 프로그램은 상기 컴퓨터가 접속할 수 있는 다양한 서버 상의 다양한 기록매체 또는 사용자의 상기 컴퓨터상의 다양한 기록매체에 저장될 수 있다. 또한, 상기 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 명세서의 실시예를 설명하였지만, 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 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, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10 : 전력 저장 시스템
100 : 레독스 흐름 전지 스택
110 : 단락회로
111 : 다이오드
112 : 스위칭 소자
113 : 전압 측정기
120 : 제어부

Claims (9)

  1. 양극, 음극 및 분리막을 포함한 단위 셀을 하나 이상 포함하는 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)의 전지 스택으로서,
    상기 전지 스택의 양극 및 음극 사이에 연결된 단락회로;를 포함하는 레독스 흐름 전지 스택.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단락회로는 다이오드로 구성되며,
    상기 다이오드의 캐쏘드는 상기 전지 스택의 양극에, 상기 다이오드의 애노드는 상기 전지 스택의 음극에 각각 전기적으로 연결된 레독스 흐름 전지 스택.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단락회로는 스위칭 소자로 구성되며,
    상기 전지 스택의 양극 및 음극 사이에 연결된 전압 측정기; 및
    상기 전압 측정값에 따라 상기 스위칭 소자에 온-오프(on-off) 신호를 출력하는 제어부;를 더 포함하는 레독스 흐름 전지 스택.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 MOSFET 또는 IGBT인 레독스 흐름 전지 스택.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 단락회로는 상기 스위칭 소자와 직렬로 연결된 다이오드를 더 포함하는 레독스 흐름 전지 스택.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 다수의 레독스 흐름 전지 스택이 직렬로 연결된 전력 저장 시스템.
  7. 양극, 음극 및 분리막을 포함한 단위 셀을 포함하는 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)의 전지 스택, 상기 전지 스택의 양극 및 음극 사이에 연결된 스위칭 소자, 상기 전지 스택의 양극 및 음극 사이에 연결된 전압 측정기, 및 상기 전압 측정값에 따라 상기 스위칭 소자에 온-오프(on-off) 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 레독스 흐름 전지 스택의 제어 방법으로서,
    (a) 상기 제어부가 상기 전압 측정기로부터 전압 측정값을 수신하는 단계;
    (b) 상기 제어부가 상기 전압 측정값이 미리 설정된 기준 전압에 도달하였는지 판단하는 단계; 및
    (c) 상기 제어부가 상기 전압 측정값이 상기 기준 전압에 도달할 때, 상기 스위칭 소자가 온(on)되도록 제어 신호를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 스택의 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 MOSFET 또는 IGBT인 레독스 흐름 전지 스택의 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 스위칭 소자와 직렬로 연결된 다이오드;를 더 포함하는 레독스 흐름 전지 스택의 제어 방법.
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