KR20220096867A - Dc 펌프가 적용된 레독스 흐름전지 시스템 - Google Patents

Dc 펌프가 적용된 레독스 흐름전지 시스템 Download PDF

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Abstract

레독스 흐름전지 시스템이 개시된다. 레독스 흐름전지 시스템은 복수의 레독스 흐름전지 단전지들을 포함하는 전지 유닛; 상기 전지 유닛의 양극 전해질 챔버와 제1 순환경로를 형성하고, 양극 전해질을 수용하는 양극 전해질 탱크; 상기 전지 유닛의 음극 전해질 챔버와 제2 순환경로를 형성하고, 음극 전해질을 수용하는 음극 전해질 탱크; 상기 제1 순환경로에 연결되고 상기 양극 전해질을 상기 제1 순환경로를 따라 순환시키는 양극 전해질 펌프; 상기 제2 순환경로에 연결되고 상기 음극 전해질을 상기 제2 순환경로를 따라 순환시키는 음극 전해질 펌프; 및 상기 양극 전해질 펌프 및 상기 음극 전해질 펌프의 동작을 제어하는 입력 제어 유닛을 포함하고, 상기 양극 전해질 펌프 및 상기 음극 전해질 펌프는 DC 펌프를 포함한다.

Description

DC 펌프가 적용된 레독스 흐름전지 시스템 {Redox flow battery system with DC pump}
본 발명은 DC 펌프가 적용된 레독스 흐름전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 종래의 교류 마그네트 펌프(이하, AC 펌프) 대신 직류 마그네트 펌프(이하, DC 펌프)가 적용된 레독스 흐름전지 시스템에 관한 것이다.
흐름전지 또는 레독스(산화-환원) 흐름전지는, 양극과 음극 전해질 내 포함된 화학적 성분의 산화 환원 반응을 통해 충방전이 가능한 2차전지의 한 종류로, 막의 개별 측면 상 시스템을 통해 펌핑되는 액체 내에 용해된 두 개의 화학적 성분에 의해 화학적 에너지가 제공되는 전기화학 전지의 한 유형이다. 전류의 흐름에 의해 동반되는 이온 교환은, 두 액체가 각자의 개별 공간, 분리된 양극 및 음극에서 순환하면서 막을 통해서 발생한다. 상기 흐름전지는 양극과 음극이 완전히 분리되어 있어 화재의 위험이 낮으며, 최근 주로 사용되는 리튬이온 배터리보다 10배 이상 긴 수명을 갖고, 비용도 동일 용량의 리튬이온 배터리에 비해 3분의 1 수준으로 저렴하다.
이러한 레독스 흐름전지 내 화학적 성분의 펌핑을 위해서 일반적으로 AC 펌프가 사용되어왔다. 그러나, 상기 AC 펌프는 유량 제어가 용이하지 않으며 이를 제어하기 위해 주파수 변환기가 추가적으로 사용되어야 하므로 레독스 흐름전지 시스템이 복잡해지는 단점이 있다. 또한, 상기 AC 펌프의 주파수 변환을 위해, 입력전원인 AC 전원을 펌프전원 DC 전원으로 변경해 전력을 공급한 뒤 다시 DC로부터 AC로의 변환을 거쳐야 하므로 전력 변환 효율이 떨어진다.
본 발명의 일 목적은, AC 펌프 대신 DC 펌프를 사용하여 전력 변환 효율 손실을 줄이고 시스템을 단순하게 구성할 수 있도록 하는 레독스 흐름전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템은 복수의 레독스 흐름전지 단전지들을 구비하는 전지 유닛; 상기 전지 유닛의 양극 전해질 챔버와 제1 순환경로를 형성하고, 양극 전해질을 수용하는 양극 전해질 탱크; 상기 전지 유닛의 음극 전해질 챔버와 제2 순환경로를 형성하고, 음극 전해질을 수용하는 음극 전해질 탱크; 상기 제1 순환경로에 연결되고 상기 양극 전해질을 상기 제1 순환경로를 따라 순환시키는 양극 전해질 펌프; 상기 제2 순환경로에 연결되고 상기 음극 전해질을 상기 제2 순환경로를 따라 순환시키는 음극 전해질 펌프; 및 상기 양극 전해질 펌프 및 상기 음극 전해질 펌프의 동작을 제어하는 입력 제어 유닛을 포함하고, 상기 양극 전해질 펌프 및 상기 음극 전해질 펌프는 DC 펌프를 포함한다.
본 발명에 따르면, DC 펌프가 적용된 레독스 흐름전지 시스템은, AC와 DC 간의 전원 변경이 필요치 않아, 레독스 흐름전지 시스템의 전력 손실을 줄일 수 있고, 상기 전원 변경을 위한 부품이 생략되어 레독스 흐름전지 시스템의 간소화가 실현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템을 설명하기 위한 블록도이다 .
도 2는 AC 펌프 또는 DC 펌프가 적용된 레독스 흐름전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 AC 펌프가 적용된 레독스 흐름전지 시스템과 DC 펌프가 적용된 레독스 흐름전지 시스템의 소모 전력을 비교한 그래프를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "함유"한다고 할 때, 이는 특별히 달리 정의되지 않는 한, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템(100)은 전지 유닛(110), 양극 전해질 탱크(120a), 음극 전해질 탱크(120b), 양극 전해질 펌프(130a), 음극 전해질 펌프(130b) 및 입력 제어 유닛(140)을 포함할 수 있고, 외부 전력발생장치(10)에서 공급된 전력을 저장할 수 있다. 상기 외부 전력발생장치(10)로는 태양전지, 풍력발전기, 수력 발전기 등의 신재생 에너지 발생장치뿐만 아니라 일반 전원 공급장치 등이 제한 없이 적용될 수 있다.
상기 전지 유닛(110)은 복수의 레독스 흐름전지 단전지들을 포함할 수 있다. 상기 단전지들 각각은 이온교환막을 사이에 두고 형성된 양극 전해질 챔버와 음극 전해질 챔버, 상기 양극 전해질 챔버와 음극 전해질 챔버 내에 각각 배치된 양의 전극과 음의 전극을 포함할 수 있고, 상기 단전지들이 쌍극판과 함께 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 양극 전해질 탱크(120a)는 상기 레독스 흐름전지 단전지들의 양극 전해질 챔버로 공급되는 양극 전해질을 수용할 수 있고, 상기 음극 전해질 탱크(120b)은 상기 레독스 흐름전지 단전지들의 음극 전해질 챔버로 공급되는 음극 전해질을 포함할 수 있다. 상기 양극 전해질 및 상기 음극 전해질로는 공지의 레독스 흐름전지용 양극 전해질 및 음극 전해질이 제한 없이 적용될 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 양극 전해질은 상기 양극 전해질 탱크(120a)로부터 상기 전지 유닛(110)의 양극 전해질 챔버들로 상기 양극 전해질을 공급하기 위한 양극 전해질 공급관 및 상기 전지 유닛(110) 의 양극 전해질 챔버들로부터 상기 양극 전해질 탱크(120a)로 상기 양극 전해질을 배출하기 위한 양극 전해질 배출관을 통해 상기 양극 전해질 탱크(120a)와 상기 전지 유닛(110) 사이에 형성된 양극 전해질 순환 경로를 따라 순환할 수 있다.
그리고 상기 음극 전해질은 상기 음극 전해질 탱크(120b)로부터 상기 전지 유닛(110)의 음극 전해질 챔버들로 상기 음극 전해질을 공급하기 위한 음극 전해질 공급관 및 상기 전지 유닛(110)의 음극 전해질 챔버들로부터 상기 음극 전해질 탱크(120b)로 상기 음극 전해질을 배출하기 위한 음극 전해질 배출관을 통해 상기 음극 전해질 탱크(120b)와 상기 전지 유닛(110) 사이에 형성된 음극 전해질 순환 경로를 따라 순환할 수 있다.
상기 양극 전해질 펌프(130a)는 상기 양극 전해질 공급관 또는 상기 양극 전해질 배출관에 연견되고, 상기 양극 전해질을 상기 양극 전해질 순환 경로를 따라 이동시킬 수 있다. 그리고, 상기 음극 전해질 펌프(130b)는 상기 음극 전해질 공급관 또는 상기 음극 전해질 배출관에 연결되고, 상기 음극 전해질이 상기 음극 전해질 순환 경로를 따라 이동시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 양극 전해질 펌프(130a) 및 상기 음극 전해질 펌프(130b)는 직류전력을 이용하는 DC 펌프를 포함할 수 있다. 상기 양극 전해질 펌프(130a) 및 상기 음극 전해질 펌프(130b)로 DC 펌프를 적용하는 경우, AC 펌프를 적용한 경우보다 전력변환 효율을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 DC 펌프는 DC Blushless 펌프일 수 있다.
한편, 본 발명의 레독스 흐름전지 시스템은 상기 DC 펌프의 효율을 향상시키기 위해, 하기에서 설명할 상기 입력 제어 유닛(140)이 SMPS(witching Mode Power Supply)를 포함할 수 있다.
상기 입력 제어 유닛(140)은 외부 전력발생장치(10)로부터 공급된 전력을 상기 단전지 유닛(110)에 저장하기 위해, 상기 양극 전해질 및 음극 전해질이 순환하도록 상기 펌프들(130a, 130b)의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 레독스 흐름전지 시스템에 따르면, 전해질을 순환시키는 위한 펌프로서 DC 펌프를 적용함으로써, 전력변환 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 펌프로서 AC 펌프를 적용하는 경우, 입력전원인 AC 전원을 펌프 전원인 DC로 변경해 전력을 보내고, 다시 DC의 펌프 전원을 AC로 변경해야 하고, 전력 변환시에 전력손실(Loss)이 발생하므로 전력변환 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
상기 설명된 DC 펌프가 적용된 레독스 흐름전지 시스템을 아래와 같이 제조하였고, 이를 하기에 자세히 기술한다.
<실시예>
본 발명의 일 실시예로써, 펌프의 종류가 상이한 레독스 흐름전지 시스템에 대해 아래에서 상세히 서술한다.
실시예 1: DC 펌프 적용
종래의 AC 펌프 대신 DC 펌프가 장착된 레독스 흐름전지 시스템을 준비했다.
비교예: AC 펌프 적용
실시예와의 비교를 위해, 종래의 AC 펌프가 장착된 레독스 흐름전지 시스템을 준비했다.
<실험예>
펌프의 유형에 따른 레독스 흐름전지 시스템의 효율을 비교하기 위해, 유량에 따른 소모전력을 측정하였다.
도 2는 AC 펌프 또는 DC 펌프가 적용된 레독스 흐름전지 시스템에 대한 사진이고, 도 3는 AC 펌프가 적용된 레독스 흐름전지 시스템과 DC 펌프가 적용된 레독스 흐름전지 시스템의 소모 전력을 비교한 그래프를 나타낸 도면이다.
상기 도면에서, 실시예 1 및 비교예의 유량을 4.6L/min, 5.5 L/min, 6.4 L/min, 7.3 L/min 및 8.1 L/min로 설정하여 각 유량에 따른 소모 전력을 측정하였다.
도 3을 참조하면, 모든 유량에 대해서, AC 펌프를 장착한 레독스 흐름전지 시스템의 소모 전력(W)이 DC 펌프를 장착한 레독스 흐름전지 시스템의 소모 전력(W)보다 최소 2.7배 내지 최대 3.4배 큰 것을 확인할 수 있다. DC 펌프를 사용할 때, 레독스 흐름전지 시스템의 전력효율 향상은 4% 가량 증가되었다. 이는, AC 펌프 대신 DC 펌프를 장착한 레독스 흐름전지 시스템의 전력 효율이 보다 뛰어난 것으로 이해될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명했지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (1)

  1. 복수의 레독스 흐름전지 단전지들을 포함하는 전지 유닛;
    상기 전지 유닛의 양극 전해질 챔버와 제1 순환경로를 형성하고, 양극 전해질을 수용하는 양극 전해질 탱크;
    상기 전지 유닛의 음극 전해질 챔버와 제2 순환경로를 형성하고, 음극 전해질을 수용하는 음극 전해질 탱크;
    상기 제1 순환경로에 연결되고 상기 양극 전해질을 상기 제1 순환경로를 따라 순환시키는 양극 전해질 펌프;
    상기 제2 순환경로에 연결되고 상기 음극 전해질을 상기 제2 순환경로를 따라 순환시키는 음극 전해질 펌프; 및
    상기 양극 전해질 펌프 및 상기 음극 전해질 펌프의 동작을 제어하는 입력 제어 유닛을 포함하고,
    상기 양극 전해질 펌프 및 상기 음극 전해질 펌프는 DC 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름전지 시스템.
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