KR20230007137A - Vanadium redox flow battery charge/discharge monitoring device and real-time measuring method - Google Patents

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KR20230007137A
KR20230007137A KR1020210088003A KR20210088003A KR20230007137A KR 20230007137 A KR20230007137 A KR 20230007137A KR 1020210088003 A KR1020210088003 A KR 1020210088003A KR 20210088003 A KR20210088003 A KR 20210088003A KR 20230007137 A KR20230007137 A KR 20230007137A
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Abstract

The present invention relates to a real-time charge/discharge monitoring device and real-time measurement method for a vanadium redox flow battery, comprising: a sampling unit which samples the electrolyte, an electrolyte dilution unit which dilutes the electrolyte to prepare a diluted solution, and an absorbance measuring unit which measures the absorbance of the diluted solution in real time, wherein the concentration obtained using the absorbance value of the diluted solution and the absorbance value according to the natural wavelength of divalent, trivalent, tetravalent, and pentavalent vanadium ions is applied to the following calculation formula 1 or calculation formula 2 to determine the state of charge (SOC) of the electrolyte. Accordingly, the present invention is helpful in determining the state of the electrolyte.

Description

바나듐 레독스 흐름전지의 충반전 모니터링 장치 및 실시간 측정방법{Vanadium redox flow battery charge/discharge monitoring device and real-time measuring method}Vanadium redox flow battery charge/discharge monitoring device and real-time measuring method

본 발명은 바나듐 레독스 흐름전지의 충반전 모니터링 장치 및 실시간 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a charging/reversing monitoring device and a real-time measuring method of a vanadium redox flow battery.

최근 화석연료의 고갈과 환경오염으로 인한 에너지의 사용이 제한됨에 따라 신재생 에너지들에 대한 비중이 확대되고 있다. 하지만 신재생 에너지원으로부터 발생되는 전력은 일정하지 않아 안정적인 전력공급을 위한 에너지저장 장치(ESS; Energy Storage System) 및 대용량화가 가능하고, 운전 안정성이 우수한 전력저장장치로 레독스 흐름전지(RFB, Redox Flow Battery)가 연구되고 있다. Recently, as the use of energy due to depletion of fossil fuels and environmental pollution is limited, the proportion of new and renewable energies is increasing. However, since the power generated from renewable energy sources is not constant, an energy storage system (ESS; Energy Storage System) for stable power supply and a power storage device capable of high capacity and excellent operation stability are redox flow batteries (RFB, Redox Flow Battery) is being studied.

레독스 흐름전지(RFB, Redox Flow Battery)중 바나듐 전해질을 사용하는 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB; Vanadium Redox Flow Battery)는 충전이 일어날 때 양극에서는 바나듐 4가가 5가로 산화반응하고, 음극에서는 바나듐 3가가 2가로 환원반응하게 되며, 반대로 방전이 일어날 때는 양극에서 바나듐 5가가 4가로, 음극에서 바나듐 2가가 3가로 변환이 가능한 전지이다.Vanadium Redox Flow Battery (VRFB), which uses a vanadium electrolyte among redox flow batteries (RFB), oxidizes vanadium tetravalent to pentavalent at the anode and vanadium 3 at the cathode when charging occurs. Vanadium is reduced to divalent, and conversely, when discharge occurs, Vanadium 5 is converted to tetravalent at the anode and Vanadium divalent to trivalent at the cathode.

이때, 충전 또는 방전을 진행하게 되면 각 극의 전해질의 상태(SOC, State of Charge)가 시간에 따라 변화하게 되는데, 바나듐이온은 전자가수에 따라 색깔이 달라지는 특징이 있다. 바나듐 5가의 색은 노란색이고, 4가의 색은 청색, 3가의 색은 초록, 2가의 색은 보라색을 띤다. 도 1에 개시된 바와 같이 전해질 통은 충전과 방전을 통해서 변화된 전해질의 색이 전해질 통에 돌아와서 색이 섞이게 되는데 양극에는 충전이 완료된 시점에는 5가의 노란색을 띠다가 방전이 시작되면 4가의 청색이 조금씩 생기면서 섞이게 되고, 방전 종료점에서 청색을 띠게 된다. 음극에는 충전 완료시점에 보라색을 방전 완료 시점에 초록색을 띠게되고 그 사이에는 두 색의 섞인 상태에서 2가가 많으면 보라색에 더 가까운 색을 3가가 많으면 초록색에 가까운 색을 띠게 된다. At this time, when charging or discharging proceeds, the state of the electrolyte (SOC, State of Charge) of each pole changes over time, and the vanadium ion has a characteristic that the color changes according to the number of electrons. Vanadium 5-valent color is yellow, 4-valent color is blue, 3-valent color is green, and 2-valent color is purple. As shown in FIG. 1, the color of the electrolyte that has changed through charging and discharging returns to the electrolyte container and the colors are mixed. When the charge is completed, the positive electrode shows a pentavalent yellow color, and when discharging starts, a tetravalent blue color is gradually generated. They are mixed with each other and turn blue at the discharge end point. In the negative electrode, purple at the time of charge completion and green at the time of discharge completion, and in between, when the two colors are mixed, if there is a lot of divalent, the color is closer to purple, and if there are more trivalent, the color is closer to green.

한편, 바나듐 레독스 흐름전지의 양극과 음극의 전해질을 분리하고 있는 분리막은 수소이온을 통과시키는 역할을 하고 양극과 음극의 전해질을 분리하는 역할을 해야 하나, 일부의 바나듐이온을 통과시키는 부작용을 일으키기도 한다. 분리막을 통해 바나듐 이온이 다른 극으로 넘어가면서 그 바나듐 이온과 공유결합하고 있는 물 분자도 같이 이동하여 처음에 양극과 음극에 같은 양으로 채워져 있던 전해질이 운전을 계속함에 따라 양극쪽으로 전해질이 이동하는 경향을 보이게 되며, 이렇게 바나듐이온의 이동에 따라 충·방전 용량이 차츰 감소하게 된다. On the other hand, the separator separating the electrolytes of the positive and negative electrodes of the vanadium redox flow battery should serve to pass hydrogen ions and separate the electrolytes of the positive and negative electrodes, but cause side effects of passing some vanadium ions. also do As the vanadium ions pass through the separator to the other pole, the water molecules covalently bonded to the vanadium ions also move, and as the electrolyte initially filled in the anode and cathode in the same amount continues to operate, the electrolyte tends to move toward the anode , and the charge/discharge capacity gradually decreases according to the movement of vanadium ions.

이에, 양쪽 극의 바나듐이온의 농도를 확인하고 전해질량을 체크한 후 전해질의 양을 리밸런싱함으로써 감소된 충/방전 용량을 회복시킬 수 있게 정상적인 충·방전에 따른 이온의 변화와 분리막을 통해 다른 극으로 이동한 바나듐이온의 변화를 주기적으로 확인할 필요가 있다. Therefore, after checking the concentration of vanadium ions at both poles and checking the amount of electrolyte, the amount of electrolyte is rebalanced to recover the reduced charge / discharge capacity. It is necessary to periodically check the change of vanadium ions that have moved to the poles.

바나듐 레독스 흐름전지 전해질의 이온가를 측정하는 장비로 자외선-가시광선 분광계(UV-Visible spectrophotometry) 가 사용되고 있다. 이 분석 장비는 각각 색을 나타내는 가시광선 파장을 흡수하여 분광하는 것으로, 농도에 비례하는 특성을 이용하여 분석하는 것을 특징으로 한다. 바나듐 레독스 흐름전지의 전해질이 충전과 방전의 상태에 따라 농도가 달라지는데, 색이 다른 바나듐이온의 농도가 달라지고, 그에 따라 흡수되는 파장의 크기가 달라 농도를 측정할 수 있다. UV-Visible spectrophotometry is used as a device for measuring the ionic value of the vanadium redox flow battery electrolyte. This analysis equipment is characterized by absorbing and spectroscopying visible light wavelengths representing colors, and analyzing them using characteristics proportional to concentrations. The concentration of the electrolyte of the vanadium redox flow battery varies depending on the state of charging and discharging, and the concentration of vanadium ions of different colors varies, and the size of the wavelength absorbed accordingly varies, so the concentration can be measured.

그러나 자외선-가시광선 분광계로 측정할 수 있는 가시광선 파장을 내는 바나듐이온의 농도는 0.15M 이하이나, 실제 바나듐레독스 흐름전지의 전해질 농도는 1.5M정도로 약 10배 이상 희석해야 한다. 이에, 실시간으로 측정하기 위해서는 현장의 전해질 샘플을 채취하여 그 중 일부를 플라스크에 옮기고, 필요한 농도로 희석한 후 측정할 수 있다. 하지만, 현장의 전해질 샘플을 빠른 순간에 분석하여 값을 얻을 필요가 있고, 운전 중에도 라인의 세척이 간편하여 다시 사용하기에도 용이할 필요가 있다. However, the concentration of vanadium ions that emit visible light wavelengths that can be measured by an ultraviolet-visible spectrometer is less than 0.15M, but the actual electrolyte concentration of a vanadium redox flow battery is about 1.5M, which needs to be diluted by about 10 times or more. Accordingly, in order to measure in real time, an electrolyte sample may be taken in the field, a part of it may be transferred to a flask, diluted to a required concentration, and then measured. However, it is necessary to quickly analyze an electrolyte sample in the field to obtain a value, and it is necessary to easily clean the line even during operation so that it can be reused.

이에, 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 실시간으로 현장의 전해질 농도를 측정하는 장치 및 방법에 관하여 제공하고자 한다.Therefore, the present invention is to provide a device and method for measuring the electrolyte concentration in the field in real time in order to improve the above problems.

본 발명은 바나듐 레독스 흐름전지의 충반전 모니터링 장치 및 실시간 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a charging/reversing monitoring device and a real-time measuring method for a vanadium redox flow battery.

또한, 실시간으로 전해질 이온상태를 확인하여 충전 및 방전 정도를 예측하는 것을 목적으로 한다.In addition, the purpose is to predict the degree of charge and discharge by checking the state of electrolyte ions in real time.

또한, 분리막을 통해 한쪽의 전해질이 다른 쪽으로 투과되는 정도를 파악하고, 투과 된 정도에 따라 전해질 상태를 확인하는 것을 목적으로 한다.In addition, the purpose of the present invention is to determine the degree of permeation of one electrolyte to the other through the separator and to check the state of the electrolyte according to the degree of permeation.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are illustrative, and the scope of the present invention is not limited thereby.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 전해질을 샘플링 하는 샘플링부, 상기 전해질을 희석하여 희석용액을 제조하는 전해질 희석부 및 상기 희석용액의 흡광도를 실시간으로 측정하는 흡광도 측정부;를 포함하는 것으로 상기 희석용액의 흡광도 값 및 2가, 3가, 4가, 5가의 바나듐 이온의 고유파장에 따른 흡광도 값을 아래 계산식 1 또는 계산식 2에 적용하여 전해질의 충전 상태(SOC, state of charge)를 판단하는 것인 바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충반전 모니터링 장치를 제공한다.According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a sampling unit for sampling an electrolyte, an electrolyte dilution unit for preparing a diluted solution by diluting the electrolyte, and an absorbance measuring unit for measuring absorbance of the diluted solution in real time; By applying the absorbance value of the diluted solution and the absorbance value according to the natural wavelength of divalent, trivalent, tetravalent, and pentavalent vanadium ions to Equation 1 or Equation 2 below, the state of charge of the electrolyte (SOC, state of It provides a real-time charging/reversing monitoring device for a vanadium redox flow battery that determines charge).

계산식 1Calculation 1

SOC =

Figure pat00001
SOC =
Figure pat00001

계산식 2Calculation 2

SOC =

Figure pat00002
SOC =
Figure pat00002

본 발명의 일 예에 따르면, 상기 샘플링부는 음극으로 이동하는 음극 전해질을 샘플링하는 제1 샘플링부 및 양극으로 이동하는 양극 전해질을 샘플링하는 제2 샘플링부를 포함하는 것으로, 상기 샘플링부는 3웨이밸브(3 way 밸브)를 포함하는 것일 수 있다.According to one example of the present invention, the sampling unit includes a first sampling unit for sampling the anode electrolyte moving to the cathode and a second sampling unit for sampling the anode electrolyte moving to the anode, wherein the sampling unit has a 3-way valve (3 way valve).

본 발명의 일 예에 따르면, 상기 3웨이밸브(3way 밸브)의 내부는 EPDM소재로 실링되어 있는 것일 수 있다.According to an example of the present invention, the inside of the 3-way valve may be sealed with an EPDM material.

본 발명의 일 예에 따르면, 상기 전해질 희석부는 상기 샘플링한 전해질을 희석하기 위한 희석 실린더 및 상기 희석 실린더에 초순수를 공급하는 초순수 공급부를 포함하는 것일 수 있다.According to an example of the present invention, the electrolyte dilution unit may include a dilution cylinder for diluting the sampled electrolyte and an ultrapure water supply unit for supplying ultrapure water to the dilution cylinder.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 전해질을 샘플링 하는 샘플링단계 상기 전해질을 희석하여 희석용액을 제조하는 전해질 희석단계 및 상기 희석용액의 흡광도를 실시간으로 측정하는 흡광도 측정단계를 포함하는 것으로, 상기 희석용액의 흡광도 값 및 2가, 3가, 4가, 5가의 바나듐 이온의 고유파장에 따른 흡광도 값을 하기 계산식 1 또는 계산식 2에 적용하여 전해질의 충전 상태(SOC, state of charge)를 판단하는 것인 바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a sampling step of sampling the electrolyte includes an electrolyte dilution step of diluting the electrolyte to prepare a diluted solution and an absorbance measurement step of measuring the absorbance of the diluted solution in real time, the diluted solution The absorbance value of and the absorbance value according to the natural wavelength of the divalent, trivalent, tetravalent, and pentavalent vanadium ions are applied to the following formula 1 or formula 2 to determine the state of charge (SOC) of the electrolyte Provides a real-time charge/discharge monitoring method for vanadium redox flow batteries.

본 발명의 일 예에 따르면, 상기 샘플링단계는 음극으로 이동하는 음극 전해질을 샘플링하는 제1 샘플링단계 또는 양극으로 이동하는 양극 전해질을 샘플링하는 제2 샘플링단계를 포함하는 것일 수 있다.According to an example of the present invention, the sampling step may include a first sampling step of sampling the anode electrolyte moving to the cathode or a second sampling step of sampling the anode electrolyte moving to the anode.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흡광도 측정단계는 상기 희석용액을 자외선-가시광선 분광계(UV-Visible spectrophotometry)를 이용하여 흡광도 값을 측정하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the step of measuring the absorbance may be to measure the absorbance value of the diluted solution using a UV-Visible spectrophotometry.

본 발명의 일 예에 따르면, 상기 2가 바나듐 이온은 846.7nm, 604.3nm 및 396.8nm의 파장에서 흡광도 값이 측정되는 것으로, 상기 2가 바나듐 이온의 고유파장은 846.7nm이며, 상기 604.3nm 파장범위에서 상기 2가 바나듐 이온의 고유파장에서 측정되는 흡광도의 2.12배의 흡광도값을 나타내고, 상기 396.8nm 파장범위에서 상기 고유파장에서 측정되는 흡광도값의 2.11배의 흡광도 값을 나타내는 것일 수 있다.According to an example of the present invention, the divalent vanadium ion has absorbance values measured at wavelengths of 846.7 nm, 604.3 nm, and 396.8 nm, the natural wavelength of the divalent vanadium ion is 846.7 nm, and the wavelength range of 604.3 nm represents an absorbance value 2.12 times the absorbance value measured at the natural wavelength of the divalent vanadium ion, and exhibits an absorbance value 2.11 times the absorbance value measured at the natural wavelength in the 396.8 nm wavelength range.

본 발명의 일 예에 따르면, 상기 3가 바나듐 이온은 396.8nm 및 604.3nm의 파장에서 흡광도 값이 측정되는 것으로, 상기 3가 바나듐 이온의 고유파장은 604.3nm이며, 상기 396.8nm 파장범위에서 상기 3가 바나듐 이온의 고유파장에서 측정되는 흡광도의 1.58배의 흡광도값을 나타내는 것일 수 있다. According to an example of the present invention, the trivalent vanadium ion has absorbance values measured at wavelengths of 396.8 nm and 604.3 nm, the natural wavelength of the trivalent vanadium ion is 604.3 nm, and the 3 It may represent an absorbance value of 1.58 times the absorbance measured at the natural wavelength of the vanadium ion.

본 발명의 일 예에 따르면, 상기 4가 바나듐 이온은 767.9nm 및 604.3nm의 파장에서 흡광도 값이 측정되는 것으로, 상기 4가 바나듐 이온의 고유파장은 767.9nm이며, 상기 604.3nm 파장범위에서 상기 4가 바나듐 이온의 고유파장에서 측정되는 흡광도의 0.36배의 흡광도값을 나타내는 것일 수 있다.According to an example of the present invention, the absorbance values of the tetravalent vanadium ion are measured at wavelengths of 767.9 nm and 604.3 nm, the natural wavelength of the tetravalent vanadium ion is 767.9 nm, and the 4 It may represent an absorbance value of 0.36 times the absorbance measured at the natural wavelength of the vanadium ion.

본 발명의 일 예에 따르면, 상기 5가 바나듐 이온은 396.8nm 및 767.9nm의 파장에서 흡광도 값이 측정되는 것으로, 상기 5가 바나듐 이온의 고유파장은 396.8nm이며, 상기 767.9nm 파장범위에서 상기 5가 바나듐 이온의 고유파장에서 측정되는 흡광도의 0.03배의 흡광도값을 내는 것일 수 있다.According to an example of the present invention, the pentavalent vanadium ion has absorbance values measured at wavelengths of 396.8 nm and 767.9 nm, the natural wavelength of the pentavalent vanadium ion is 396.8 nm, and the 5 It may be to produce an absorbance value 0.03 times the absorbance measured at the natural wavelength of the vanadium ion.

본 발명은 VRFB의 충전 상태(SOC, state of charge)를 제일 정확히 알 수 있는 것이 UV-Visible 분광도 측정이다. 충전에서 방전으로, 방전에서 충전으로 전환되어 흐르는 중간에 주기적으로 각 전해질조에서 나오는 전해질의 이온상태를 확인함으로써 충전이 어느 정도 진행되었고, 방전시점이 언제쯤 될지를 예측하는데 전지의 전압값과 병행하여 사용할 수 있다. In the present invention, UV-Visible spectroscopy measurement is the most accurate way to know the state of charge (SOC) of VRFB. By periodically checking the ion state of the electrolyte coming out of each electrolyte tank in the middle of the transition from charge to discharge and discharge to charge, to what extent the charge has progressed and to predict when the discharge point will be, in parallel with the voltage value of the battery can be used

또한 전지의 양극과 음극을 분리하는 분리막을 통해 한 쪽의 전해질이 다른 쪽으로 약 5%정도로 투과되는데, 투과된 정도를 측정을 통해 알 수도 있어 전해질 상태 파악에 도움이 된다. In addition, about 5% of the electrolyte on one side is transmitted through the separator that separates the positive and negative electrodes of the battery.

바나듐 2, 3, 4, 5가 이온이 혼합되어 있어, 한 이온에서 발산하는 파장이 다른 이온의 파장에 영향을 주는 비율이 일정한 점을 분석을 통해 알았고, 그 비율을 반영하여 각각 이온에 대한 파장에 따른 흡광도값을 구하고 또한 그 값으로 농도를 구할 수 있다. Since vanadium 2, 3, 4, and 5 ions are mixed, it was found through analysis that the ratio in which the wavelength emitted from one ion affects the wavelength of another ion is constant, and the wavelength for each ion is reflected by reflecting the ratio The absorbance value according to is obtained, and the concentration can also be obtained from the value.

또한 종래에는 SOC 측정을 위해 샘플링을 하고 실린더에 옮기고 희석하는 수작업을 거친 후에 분석을 할 수 있었으나, 본 발명은 샘플링과 희석작업이 반자동으로 구성되도록 하여 보다 빠르고 편하게 분석이 이루어지게 하였다. In addition, conventionally, analysis could be performed after manual work of sampling, transferring to a cylinder, and diluting for SOC measurement.

도 1은 바나듐 레독스 흐름전지의 전해질의 바나듐 이온가에 따른 색 변화를 나타낸 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 3웨이(3way)밸브의 개도와 중립을 나타낸 개략도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 2가 바나듐이온의 흡광도 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 5가 바나듐이온의 흡광도 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 4가 바나듐이온의 흡광도 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 3가 바나듐이온의 흡광도 그래프이다.
도 8은 수작업에 의한 샘플 채취 및 이를 희석하여 흡광도 분석하는 방법을 나타낸 개략도이다.
1 is a schematic diagram showing the color change according to the vanadium ion value of the electrolyte of a vanadium redox flow battery.
2 is a schematic diagram showing a device for monitoring charge and discharge in real time of a vanadium redox flow battery according to an embodiment.
3 is a schematic diagram showing the opening and neutrality of a 3-way valve according to an embodiment.
4 is an absorbance graph of divalent vanadium ions according to an embodiment.
5 is an absorbance graph of pentavalent vanadium ions according to an embodiment.
6 is an absorbance graph of tetravalent vanadium ions according to an embodiment.
7 is an absorbance graph of trivalent vanadium ions according to an embodiment.
8 is a schematic diagram showing a method of manually collecting samples and diluting them to analyze absorbance.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 지시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 다는 것은 당·업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments and drawings of the present invention. These examples are only illustratively indicated to explain the present invention in more detail, and it is obvious to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples. something to do.

또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다. In addition, unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention belongs, and in case of conflict, this specification including definitions of will take precedence.

도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 “부”한, 특정 기능을 수행하는 한 개의 단위 또는 블록을 의미한다.In order to clearly explain the proposed invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification. And when it is said that a certain component "includes", it means that it may further include other components, not excluding other components unless otherwise stated. In addition, a “unit” described in the specification means one unit or block that performs a specific function.

각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.In each step, the identification code (first, second, etc.) is used for convenience of description, and the identification code does not describe the order of each step, and each step does not clearly describe a specific order in context. It may be performed differently from the order specified above.

즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.That is, each step may be performed in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.

도 2는 일 실시예에 따른 바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 장치(100)를 나타낸 개략도이다.2 is a schematic diagram showing an apparatus 100 for monitoring charge and discharge in real time of a vanadium redox flow battery according to an embodiment.

도 2를 참고하면, 바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 장치(100)는 샘플링부(110), 전해질 희석부(130), 흡광도 측정부(150)를 포함하는 것으로, 바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 장치(100)는 상기 희석용액의 흡광도 값을 측정하고, 상기 희석용액의 흡광도 값 및 2가, 3가, 4가, 5가의 바나듐 이온의 고유파장에 따른 흡광도 값을 하기 계산식 1 또는 계산식 2에 적용하여 전해질의 충전 상태(SOC, state of charge)를 판단하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 2 , the real-time charge/discharge monitoring device 100 of the vanadium redox flow battery includes a sampling unit 110, an electrolyte dilution unit 130, and an absorbance measuring unit 150, and the vanadium redox flow The real-time charge/discharge monitoring device 100 of the battery measures the absorbance value of the diluted solution, and the absorbance value of the diluted solution and the absorbance value according to the natural wavelength of divalent, trivalent, tetravalent, and pentavalent vanadium ions It is characterized in that the state of charge (SOC) of the electrolyte is determined by applying the following formula 1 or formula 2.

계산식 1Calculation 1

SOC =

Figure pat00003
SOC =
Figure pat00003

계산식 2Calculation 2

SOC =

Figure pat00004
SOC =
Figure pat00004

상기 샘플링부는 전해질을 샘플링 하는 것으로 음극으로 이동하는 음극 전해질을 샘플링하는 제1 샘플링부(110) 및 양극 전해질을 샘플링하는 제2 샘플링부(120)를 포함한다.The sampling unit samples the electrolyte and includes a first sampling unit 110 for sampling the anode electrolyte moving to the cathode and a second sampling unit 120 for sampling the anode electrolyte.

상세하게는, 상기 제1 샘플링부(110)는 상기 음극 전해질조로부터 바나듐 레독스 흐름전지의 음극으로 주입되는 전해질라인으로부터 분기되어 형성되는 제1 샘플링 포인트(111) 및 3웨이밸브(3 way 밸브, 112)를 포함한다. 또한, 상기 제2 샘플링부(120)는 상기 양극 전해질조로부터 바나듐 레독스 흐름전지의 양극으로 주입되는 전해질라인으로부터 분기되어 형성되는 제2 샘플링 포인트(121) 및 3웨이밸브(미도시)를 포함한다.In detail, the first sampling unit 110 has a first sampling point 111 branched from an electrolyte line injected from the cathode electrolyte tank to the cathode of the vanadium redox flow battery and a 3-way valve , 112). In addition, the second sampling unit 120 includes a second sampling point 121 and a 3-way valve (not shown) formed by branching from an electrolyte line injected from the anode electrolyte tank to the anode of the vanadium redox flow battery. do.

상기 전해질 희석부(130)는 상기 샘플링부로부터 샘플링 한 상기 전해질을 희석하여 희석용액을 제조하는 것으로, 상기 샘플링 한 전해질을 희석하기 위한 희석 실린더(132) 및 상기 희석 실린더(132)에 초순수를 공급하는 초순수 공급부(131)를 포함하는 것을 특징으로 한다. The electrolyte dilution unit 130 dilutes the electrolyte sampled from the sampling unit to prepare a dilution solution, and supplies ultrapure water to the dilution cylinder 132 and the dilution cylinder 132 for diluting the sampled electrolyte. It is characterized in that it comprises an ultrapure water supply unit 131 to.

상세하게는, 상기 희석 실린더(132)는 상기 샘플링 한 전해질이 이송될 수 있도록, 상기 희석 실린더(132)의 하부에 배관이 연결 될 수 있게 돌기가 형성되고, 상기 희석용액이 상기 전해질 측정부(150)로 이송될 수 있도록 상기 희석 실린더(132)의 상부에 배관이 연결될 수 있는 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.In detail, the dilution cylinder 132 has a protrusion so that a pipe can be connected to the lower part of the dilution cylinder 132 so that the sampled electrolyte can be transferred, and the dilution solution is the electrolyte measuring unit ( 150), it is characterized in that a protrusion to which a pipe can be connected is formed on the upper part of the dilution cylinder 132 so that it can be transferred.

이때, 상기 배관은 테프론 튜브 등을 사용할 수 있는 것으로, 상기 희석 실린더(132) 상부와 연결되는 배관의 직경은 1/8인치인 것이 바람직하며, 상기 배관의 길이는 상기 희석 실린더(132)의 하부까지 도달 할 수 있는 것이 바람직하다. At this time, the pipe may be a Teflon tube, etc., and the diameter of the pipe connected to the upper part of the dilution cylinder 132 is preferably 1/8 inch, and the length of the pipe is the lower part of the dilution cylinder 132. It is desirable to be able to reach up to

또한, 상기 초순수 공급부(131)는 상기 희석 실린더(132)보다 상부에 위치시키는 것을 특징으로 한다. 상기 초순수 공급부(131)가 상기 희석 실린더(132)보다 상부에 위치함에 따라 상기 초순수를 수두차이를 이용해 상기 희석 실린더(132)에 초순수를 주입할 수 있다.In addition, the ultrapure water supply unit 131 is characterized in that it is located above the dilution cylinder 132. As the ultrapure water supply unit 131 is positioned above the dilution cylinder 132 , the ultrapure water may be injected into the dilution cylinder 132 using a head difference.

나아가, 상기 희석 실린더(132) 및 상기 초순수 공급부(131)는 상기 3웨이밸브(112)와 연결되는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 제1 샘플링 포인트(111), 상기 희석 실린더(132) 및 상기 초순수 공급부(131)는 상기 3웨이밸브(112)에 의하여 연결되는 것으로 상기 제1 샘플링 포인트(111)와 상기 3웨이밸브(112) 사이의 거리 및 상기 희석 실린더(132) 및 상기 3웨이밸브(112)사이의 거리를 최소화하는 것을 특징으로 한다. Furthermore, the dilution cylinder 132 and the ultrapure water supply unit 131 are characterized in that they are connected to the 3-way valve 112. That is, the first sampling point 111, the dilution cylinder 132, and the ultrapure water supply unit 131 are connected by the 3-way valve 112, and the first sampling point 111 and the 3-way valve (112) and the distance between the dilution cylinder (132) and the three-way valve (112) is minimized.

이는, 샘플링 한 전해질이 체류하는 양을 최소로 하기 위한 것으로, 체류 양을 최소로 함에 따라 희석용액의 농도 오차를 줄여줄 수 있다.This is to minimize the retention amount of the sampled electrolyte, and as the retention amount is minimized, the concentration error of the diluted solution can be reduced.

즉, 농도측정의 정확도를 향상시키기 위한 것으로 실린더에 주입되는 전해질과 초순수 양을 정확하게 주입해야 농도 측정의 정확도가 향상되게 된다. That is, in order to improve the accuracy of the concentration measurement, the accuracy of the concentration measurement is improved only when the amount of electrolyte and ultrapure water injected into the cylinder is accurately injected.

이때, 제1 샘플링 포인트(111)와 상기 3웨이밸브(112) 사이의 거리 및 상기 희석 실린더(132) 및 상기 3웨이밸브(112)사이의 거리가 멀 경우 떨어진 거리만큼 추가로 더 들어가는 전해질 또는 초순수의 양이 증가 될 수 있으므로 이 배관에 들어 있는 양을 미리 측정하여 그 양만큼 보정해줄 필요가 있다. At this time, if the distance between the first sampling point 111 and the 3-way valve 112 and the distance between the dilution cylinder 132 and the 3-way valve 112 are long, the electrolyte or Since the amount of ultrapure water may increase, it is necessary to measure the amount contained in this pipe in advance and correct it by the amount.

이에, 제1 샘플링 포인트(111)와 상기 3웨이밸브(112) 사이의 거리 및 상기 희석 실린더(132) 및 상기 3웨이밸브(112)사이의 거리를 최소화함에 따라 떨어진 공간에 포함되어 있는 전해질 또는 초순수의 양이 줄어들고, 그 양이 미미하면 보정하는 단계를 진행하지 않을 수 있으며, 상기 전해질이 이동하는 배관이 오염되는 것도 방지할 수 있다.Accordingly, by minimizing the distance between the first sampling point 111 and the 3-way valve 112 and the distance between the dilution cylinder 132 and the 3-way valve 112, the electrolyte or If the amount of ultrapure water is reduced and the amount is insignificant, the correction step may not be performed, and contamination of the pipe through which the electrolyte moves may be prevented.

한편, 상기 3웨이밸브(3way 밸브)의 내부는 EPDM소재로 실링되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 EPDM 소재는 내산성이 높은 소재로, 상기 3웨이밸브(3way 밸브)의 내부를 EPDM 소재 실링함에 따라 산에 의한 부식을 방지하여 내구성을 향상 시킬 수 있으며, 밸브 방향 전환 시 누설을 방지하는 효과가 있다.On the other hand, the inside of the 3-way valve (3-way valve) is characterized in that it is sealed with EPDM material. The EPDM material is a material with high acid resistance, and by sealing the inside of the 3-way valve (3-way valve) with EPDM material, it is possible to improve durability by preventing corrosion caused by acid, and has an effect of preventing leakage when the valve direction is changed. there is.

상기 흡광도 측정부(150)는 상기 희석용액의 흡광도를 실시간으로 측정하는 것으로 오토 샘플러(Auto sampler, 151) 및 자외선-가시광선 분광계(152)를 포함하는 것을 특징으로 한다. The absorbance measuring unit 150 measures the absorbance of the diluted solution in real time, and includes an auto sampler 151 and an ultraviolet-visible spectrometer 152.

상기 오토 샘플러(151)는 상기 희석 실린더(132)와 연결되는 것으로, 상기 희석용액을 일정량 채취하여 상기 자외선-가시광선 분광계(152)로 주입하는 것을 특징으로 한다. 이에, 상기 희석 실린더(132)와 상기 자외선-가시광선 분광계(152) 사이에는 상기 오토 샘플러(151)로 희석용액을 일정량 채취하기 위한 펌프를 더 포함하는 것이 바람직하다. The auto sampler 151 is connected to the dilution cylinder 132, and collects a certain amount of the dilution solution and injects it into the ultraviolet-visible spectrometer 152. Accordingly, it is preferable to further include a pump between the dilution cylinder 132 and the ultraviolet-visible spectrometer 152 to collect a predetermined amount of the dilution solution with the auto sampler 151 .

하기에는, 상기 바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 장치(100)를 이용한 실시간 모니터링 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a real-time monitoring method using the real-time charge/discharge monitoring device 100 of the vanadium redox flow battery will be described.

상기 바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 장치(100)를 이용한 실시간 모니터링 방법은 전해질을 샘플링하는 샘플링단계, 상기 전해질을 희석하여 희석용액을 제조하는 전해질 희석단계 및 상기 희석용액의 흡광도를 실시간으로 측정하는 흡광도 측정단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The real-time monitoring method using the real-time charging and discharging monitoring device 100 of the vanadium redox flow battery includes a sampling step of sampling an electrolyte, an electrolyte dilution step of diluting the electrolyte to prepare a diluted solution, and measuring the absorbance of the diluted solution in real time. It is characterized in that it comprises an absorbance measurement step of measuring with.

상기 샘플링단계는 음극으로 이동하는 음극 전해질을 샘플링하는 제1 샘플링단계 또는 양극으로 이동하는 양극 전해질을 샘플링하는 제2 샘플링단계를 포함한다. 상세하게는, 상기 음극 전해질 또는 상기 양극 전해질을 샘플링하기 위하여 상기 3웨이밸브(3way,112)를 제어하여 샘플링하는 것을 특징으로 한다.The sampling step includes a first sampling step of sampling the anode electrolyte moving to the cathode or a second sampling step of sampling the anode electrolyte moving to the anode. In detail, it is characterized in that the sampling is performed by controlling the 3-way valve (3way, 112) in order to sample the cathode electrolyte or the anode electrolyte.

상기 전해질 희석단계는 상기 샘플링한 상기 음극 전해질 또는 상기 양극 전해질은 상기 희석 실린더(132)로 이송하고, 상기 희석 실린더에 초순수를 공급하여 상기 음극 전해질 또는 상기 양극 전해질을 희석하여 희석용액을 제조하는 것을 특징으로 한다.In the electrolyte dilution step, the sampled negative electrolyte or the positive electrolyte is transferred to the dilution cylinder 132, and ultrapure water is supplied to the dilution cylinder to dilute the negative electrolyte or the positive electrolyte to prepare a diluted solution. to be characterized

이때, 상기 음극 전해질 또는 상기 양극 전해질을 균일하게 희석하기 위하여 교반하는 과정을 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 희석 실린더(132) 하부에 교반기를 배치하고, 상기 음극 전해질 또는 양극 전해질 및 상기 초순수가 포함된 상기 희석 실린더(132)에 자석을 추가하여 교반을 진행함에 따라 상기 음극 전해질 또는 양극 전해질을 균일하게 희석할 수 있다.In this case, a stirring process may be further included to uniformly dilute the negative electrolyte or the positive electrolyte. That is, a stirrer is disposed under the dilution cylinder 132, and a magnet is added to the dilution cylinder 132 containing the cathode electrolyte or the anode electrolyte and the ultrapure water to perform stirring, thereby removing the anode electrolyte or the anode electrolyte. It can be diluted evenly.

상기 흡광도 측정단계는 상기 희석용액을 자외선-가시광선 분광계(UV-Visible spectrophotometry, 152)를 이용하여 흡광도 값을 측정하는 것을 특징으로 한다. The absorbance measuring step is characterized by measuring the absorbance value of the diluted solution using a UV-Visible spectrophotometry (152).

상세하게는, 상기 오토 샘플러(151)를 이용하여 희석용액을 채취하고, 채취한 희석용액을 상기 자외선-가시광선 분광계(UV-Visible spectrophotometry, 152)에 주입하여 흡광도를 측정하는 것이 바람직하다.Specifically, it is preferable to collect a diluted solution using the auto sampler 151, and inject the diluted solution into the ultraviolet-visible spectrophotometer (UV-Visible spectrophotometry, 152) to measure absorbance.

한편, 상기 전해질을 샘플링 하고 샘플링한 전해질을 이용하여 희석용액을 제조하기 위하여 상기 3웨이밸브(112)는 도 3에 개시한 바와 같이 작동하는 것을 특징으로 한다. 하기에는 도 3을 참고하여 상기 3웨이밸브(112)를 중심으로 상기 음극 전해질 또는 양극 전해질의 희석방법에 대하여 설명하도록 한다. On the other hand, in order to sample the electrolyte and prepare a diluted solution using the sampled electrolyte, the 3-way valve 112 is characterized in that it operates as disclosed in FIG. 3. Hereinafter, a method for diluting the cathode electrolyte or the anode electrolyte with reference to FIG. 3 will be described with reference to the three-way valve 112.

샘플링시점에 샘플링 포인트 (111 혹은 121)에서 상기 3웨이밸브(112)까지는 전에 샘플링시점의 전해질 상태의 전해질이 채워져 있다. 이때, 그 전해질은 버려질 필요가 있다. 이에 따라 희석실린더의 하부에 3way 밸브와 연결되어 있는 배관을 풀고 전해질 샘플링을 위해 3way 밸브를 열어 샘플링 포인트(111 혹은 121)에서 3way 밸브(112)까지와 상기 3웨이벨브(112)에서 배출부(140)까지 배관에 차 있던 용액을 트레이에 버리는 것이 바람직하다.At the time of sampling, the electrolyte in the electrolyte state at the time of sampling is filled from the sampling point (111 or 121) to the 3-way valve 112 before. At this time, the electrolyte needs to be discarded. Accordingly, the pipe connected to the 3-way valve at the bottom of the dilution cylinder is released and the 3-way valve is opened for electrolyte sampling, from the sampling point (111 or 121) to the 3-way valve 112 and from the 3-way valve 112 to the discharge port ( 140), it is preferable to discard the solution filled in the pipe to the tray.

즉, 이전 분석 시 초순수로 3웨이벨브(112)에서 배출부(140)까지 흘렀기 때문에 맑은 용액이 먼저 나오고, 그 다음 전해질의 진한 용액이 나오게 된다.That is, since the ultrapure water flowed from the 3-way valve 112 to the outlet 140 during the previous analysis, a clear solution comes out first, and then a thick electrolyte solution comes out.

나아가, 정확한 측정을 위하여 샘플링 초반의 흘러나오는 전해질 용액은 일정시간 동안 배출 후 샘플링을 시작하는 것이 바람직하다. Furthermore, for accurate measurement, it is preferable to start sampling after the electrolyte solution flowing out at the beginning of sampling is discharged for a certain period of time.

도 3에 개시한 바와 같이 상기 제1 샘플링 포인트(111) 및 상기 희석 실린더(132)로 연결되는 3웨이밸브(112) 또는 제2 샘플링 포인트(121) 및 상기 희석 실린더(132)로 연결되는 3웨이밸브(112)를 개도하고, 상기 초순수 공급부(131)와 연결된 3웨이밸브(112)는 개도하지 않아 상기 음극 전해질 또는 상기 양극 전해질을 샘플링하여 상기 희석 실린더(132)로 이송한다. As shown in FIG. 3, a 3-way valve 112 connected to the first sampling point 111 and the dilution cylinder 132 or a 3-way valve 112 connected to the second sampling point 121 and the dilution cylinder 132 The way valve 112 is opened, and the 3-way valve 112 connected to the ultrapure water supply unit 131 is not opened so that the cathode electrolyte or the anode electrolyte is sampled and transferred to the dilution cylinder 132.

이후, 3웨이밸브를 초순수가 주입되도록 개도를 바꾸고 초순수가 들어가게 하고, 3웨이밸브(112)에서 희석실린더(132)까지 배관에 채워지는 용액의 양은 미리 측정해두어 농도계산 시 보정해준다. Then, the opening degree of the 3-way valve is changed so that the ultrapure water is injected, and the ultrapure water is entered.

상기 희석된 희석용액은 상기 자외선-가시광선 분광계(UV-Visible spectrophotometry, 152)를 이용하여 흡광도 값을 측정하는 것으로, 상기 3웨이밸브(112)를 중립에 두어 아무 쪽으로도 희석 용액이 흐르지 않게 하고, 상기 오토샘플러(151)를 이용하여 상기 희석용액을 채취하는 것을 특징으로 한다. 이후 채취한 희석용액을 상기 자외선-가시광선 분광계(UV-Visible spectrophotometry, 152)에 주입함에 따라 상기 양극 전해질 또는 음극 전해질의 흡광도를 측정할 수 있다.The diluted diluted solution is to measure the absorbance value using the ultraviolet-visible spectrophotometry (UV-Visible spectrophotometry, 152), put the 3-way valve 112 in neutral so that the diluted solution does not flow in any direction, , It is characterized in that the diluted solution is collected using the autosampler 151. Thereafter, the absorbance of the anode electrolyte or cathode electrolyte may be measured by injecting the diluted solution into the ultraviolet-visible spectrophotometer (UV-Visible spectrophotometry, 152).

이후, 상기 희석용액의 흡광도 값 및 2가, 3가, 4가, 5가의 바나듐 이온의 고유파장에 따른 흡광도 값을 하기 계산식 1 또는 계산식 2에 적용하여 전해질의 충전 상태(SOC, state of charge)를 판단하는 것을 특징으로 한다.Thereafter, the absorbance value of the diluted solution and the absorbance value according to the natural wavelength of the divalent, trivalent, tetravalent, and pentavalent vanadium ions are applied to the following formula 1 or formula 2 to determine the state of charge (SOC) of the electrolyte It is characterized by judging.

계산식 1Calculation 1

SOC =

Figure pat00005
SOC =
Figure pat00005

계산식 2Calculation 2

SOC =

Figure pat00006
SOC =
Figure pat00006

이하 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Experimental Examples. However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples.

실험예 1. 4가 바나듐의 제조 및 흡광도 측정.Experimental Example 1. Preparation of tetravalent vanadium and measurement of absorbance.

VOSO4 99.9% 분말은 수화물로 존재하는 것으로, ICP 분석을 통해 수분의 양을 정량한 후 적당량을 취하여 1.5M 바나듐 4가 이온을 제조하였다. VOSO 4 99.9% powder exists as a hydrate, and after quantifying the amount of moisture through ICP analysis, an appropriate amount was taken to prepare 1.5M vanadium tetravalent ions.

이때, 상기 VOSO4 분말을 황산 3M 에 용해하여 제조하였다. At this time, the VOSO 4 powder was prepared by dissolving in 3M sulfuric acid.

이때. 상기 4가 바나듐 이온의 샘플을 자외선- 가시광선 분광계로 분석을 하여 도 6 및 표 1과 같이 희석비율에 따른 767.9nm 및 604.3nm 파장의 흡광도 값을 갖는 그래프를 얻었다.At this time. A sample of the tetravalent vanadium ion was analyzed with an ultraviolet-visible spectrometer to obtain a graph having absorbance values of 767.9 nm and 604.3 nm wavelengths according to the dilution ratio as shown in FIG. 6 and Table 1.

이때, Beer 법칙에 의하면 물질의 농도(0.15M 이하)와 흡광도는 다음 식과 같이 비례하는 것으로, 이 파장의 흡광도들은 농도에 비례하며 나타나고 또한 파장들 흡광도간에 비례관계가 형성되게 된다.At this time, according to Beer's law, the concentration of the substance (0.15M or less) and the absorbance are proportional to the following equation, and the absorbance of this wavelength appears in proportion to the concentration, and a proportional relationship is formed between the wavelengths and the absorbance.

식 1.Equation 1.

A = εbC (여기서 A는 흡광도, ε는 몰 흡수율(검량선의 기울기), b는 빛이 통과하는 cell의 길이(1 cm 로 값은 1임), C는 농도이다.)A = εbC (where A is the absorbance, ε is the molar absorptivity (slope of the calibration curve), b is the length of the cell through which light passes (1 cm, the value is 1), and C is the concentration.)

단일 성분의 경우 상기 식 1이 적용되고, 농도 대 흡광도 검량선이 0 점을 지나는 것을 나타내는 것으로, 검량선을 그렸을 때 0 점을 지나지 않게 그려지면 다음 식으로 변경하여 사용할 수 있다. In the case of a single component, Equation 1 is applied, and it indicates that the concentration vs. absorbance calibration curve passes the 0 point.

식 2.Eq 2.

A = εbC + d A = εbC + d

파장(nm) Wavelength (nm) 12.5배 희석
흡광도
12.5-fold dilution
absorbance
15.6배 희석
흡광도
15.6-fold dilution
absorbance
20.8배 희석
흡광도
20.8-fold dilution
absorbance
31.2배 희석
흡광도
31.2 fold dilution
absorbance
62.5배 희석
흡광도
62.5 fold dilution
absorbance
767.9nm 흡광도 대비 평균흡광도Average absorbance vs. 767.9nm absorbance
767.9767.9 2.071362.07136 1.64831.6483 1.228841.22884 0.828150.82815 0.404750.40475 1One 604.3604.3 0.747250.74725 0.596080.59608 0.446970.44697 0.29660.2966 0.1440.144 0.3600010.360001

도 6 및 표 1을 참고하면, 상기 4가 바나듐 이온은 767.9nm 및 604.3nm의 파장에서 흡광도 값이 측정되는 것으로, 상기 4가 바나듐 이온의 고유파장은 767.9nm이며,상기 604.3nm 파장범위에서 상기 4가 바나듐 이온의 고유파장에서 측정되는 흡광도의 0.36배의 흡광도값을 나타내는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 6 and Table 1, the tetravalent vanadium ion has absorbance values measured at wavelengths of 767.9 nm and 604.3 nm, and the natural wavelength of the tetravalent vanadium ion is 767.9 nm, and in the 604.3 nm wavelength range. It is characterized in that it exhibits an absorbance value of 0.36 times the absorbance measured at the natural wavelength of the 4-valent vanadium ion.

또한, 상기 4가 바나듐 이온의 767.9nm 파장의 흡광도의 농도별 검량선 관계식은 하기 검량선 관계식 1과 같다.In addition, the calibration curve relational expression for each concentration of the absorbance of the tetravalent vanadium ion at a wavelength of 767.9 nm is the same as the calibration curve relational expression 1 below.

검량선 관계식 1.Calibration curve relational expression 1.

y = 17.306x - 0.0098y = 17.306x - 0.0098

실험예 2 및 실험예 3. 3가 바나듐 이온 및 5가 바나듐 이온의 제조 및 흡광도 측정.Experimental Example 2 and Experimental Example 3. Preparation of trivalent vanadium ions and pentavalent vanadium ions and measurement of absorbance.

상기 실험예 1을 통하여 제조 한 4가 바나듐 이온을 양극 및 음극에 놓고 전기화학반응을 통하여 음극에서 3가 바나듐 이온을 제조하였으며, 양극에서 5가 바나듐 이온을 제조하였다.The tetravalent vanadium ions prepared in Experimental Example 1 were placed on the positive electrode and the negative electrode, and through an electrochemical reaction, trivalent vanadium ions were produced at the negative electrode and pentavalent vanadium ions were produced at the positive electrode.

이때, 상기 3가 바나듐 이온의 샘플을 자외선- 가시광선 분광계로 분석을 하여 도 7 및 표 2와 같이 희석비율에 따른 604.3nm 및 396.8nm 파장의 흡광도 값을 갖는 그래프를 얻었다. At this time, the trivalent vanadium ion sample was analyzed with an ultraviolet-visible spectrometer to obtain a graph having absorbance values of 604.3 nm and 396.8 nm wavelengths according to the dilution ratio as shown in FIG. 7 and Table 2.

또한, 상기 5가 바나듐 이온의 샘플을 자외선-가시광선 분광계로 분석 하여 도 5 및 표 3과 같이 희석비율에 따른 396.8nm 및 767.9nm 파장의 흡광도 값을 갖는 그래프를 얻었다.In addition, the pentavalent vanadium ion sample was analyzed with an ultraviolet-visible spectrometer to obtain a graph having absorbance values of 396.8 nm and 767.9 nm wavelengths according to the dilution ratio as shown in FIG. 5 and Table 3.

파장(nm)Wavelength (nm) 8.33배 희석
흡광도
8.33 fold dilution
absorbance
10배 희석
흡광도
10x dilution
absorbance
12.5배 희석
흡광도
12.5-fold dilution
absorbance
16.67배 희석
흡광도
16.67 fold dilution
absorbance
604.3nm 흡광도 대비 평균흡광도Average absorbance versus absorbance at 604.3 nm
604.3604.3 1.279151.27915 1.087661.08766 0.85970.8597 0.658390.65839 1One 396.8396.8 2.036152.03615 1.705211.70521 1.356621.35662 1.047321.04732 1.582081.58208

도 7 및 표 2를 참고하면, 상기 3가 바나듐 이온은 604.3nm 및 396.8nm의 파장에서 흡광도 값이 측정되는 것으로, 상기 3가 바나듐 이온의 고유파장은 604.3nm이며, 상기 396.8nm 파장범위에서 상기 3가 바나듐 이온의 고유파장에서 측정되는 흡광도의 1.58배의 흡광도값을 나타내는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 7 and Table 2, the trivalent vanadium ion has absorbance values measured at wavelengths of 604.3 nm and 396.8 nm, the natural wavelength of the trivalent vanadium ion is 604.3 nm, and in the 396.8 nm wavelength range Characterized in that it exhibits an absorbance value of 1.58 times the absorbance measured at the natural wavelength of trivalent vanadium ion.

또한, 상기 3가 바나듐 이온의 604.3nm 파장의 흡광도의 농도별 검량선 관계식은 하기 검량선 관계식 2와 같다.In addition, the calibration curve relational expression for each concentration of the absorbance of the trivalent vanadium ion at a wavelength of 604.3 nm is the same as the calibration curve relational expression 2 below.

검량선 관계식 2.Calibration curve relational expression 2.

y = 6.3335x + 0.0314.y = 6.3335x + 0.0314.

파장
(nm)
wavelength
(nm)
16.67배 희석
흡광도
16.67 fold dilution
absorbance
20배 희석
흡광도
20x dilution
absorbance
25배 희석
흡광도
25-fold dilution
absorbance
33.33배 희석
흡광동
33.33 fold dilution
absorption copper
50배 희석
흡광도
50-fold dilution
absorbance
396.8nm 흡광도 대비 평균흡광도Average absorbance versus absorbance at 396.8 nm
396.8396.8 1.058761.05876 0.852430.85243 0.689850.68985 0.509160.50916 0.359180.35918 1One 767.9767.9 0.033930.03393 0.027010.02701 0.025570.02557 0.014590.01459 0.009320.00932 0.030560.03056

도 5 및 표 3을 참고하면, 상기 5가 바나듐 이온은 396.8nm 및 767.9nm의 파장에서 흡광도 값이 측정되는 것으로, 상기 5가 바나듐 이온의 고유파장은 396.8nm이며, 상기 767.9nm 파장범위에서 상기 5가 바나듐 이온의 고유파장에서 측정되는 흡광도의 0.03배의 흡광도값을 나타내는 것을 특징으로 한다.5 and Table 3, the pentavalent vanadium ion has absorbance values measured at wavelengths of 396.8 nm and 767.9 nm, the natural wavelength of the pentavalent vanadium ion is 396.8 nm, and in the 767.9 nm wavelength range It is characterized in that it exhibits an absorbance value of 0.03 times the absorbance measured at the natural wavelength of 5-valent vanadium ion.

또한, 상기 5가 바나듐 이온의 396.8nm 파장의 흡광도의 농도별 검량선 관계식은 하기 검량선 관계식 3과 같다.In addition, the calibration curve relational expression for each concentration of the absorbance of the pentavalent vanadium ion at a wavelength of 396.8 nm is shown in the following calibration curve relational expression 3.

검량선 관계식 3.Calibration curve relational expression 3.

y = 12.191x - 0.0032y = 12.191x - 0.0032

실험예 4. 2가 바나듐 이온의 제조 및 흡광도 측정.Experimental Example 4. Preparation of divalent vanadium ions and measurement of absorbance.

상기 실험예 1을 통하여 제조 한 4가 바나듐 이온을 양극 전해질조에 넣고, 실험예 2를 통하여 제조한 3가 바나듐 이온을 음극 전해질 조에 넣고 충전반응을 하여 음극에서 2가 바나듐 이온을 제조하였다.The tetravalent vanadium ions prepared in Experimental Example 1 were put into the positive electrode electrolyte bath, and the trivalent vanadium ions prepared in Experimental Example 2 were put into the negative electrode electrolyte bath, followed by a charging reaction to produce divalent vanadium ions at the negative electrode.

이때. 상기 2가 바나듐 이온의 샘플을 자외선- 가시광선 분광계로 분석을 하여 도 4 및 표 4와 같이 희석비율에 따라 846.7nm, 604.3 nm 및 396.8nm 파장의 흡광도 값을 갖는 그래프를 얻었다.At this time. The divalent vanadium ion sample was analyzed with an ultraviolet-visible spectrometer to obtain a graph having absorbance values of 846.7 nm, 604.3 nm, and 396.8 nm wavelengths according to the dilution ratio as shown in FIG. 4 and Table 4.

파장
(nm)
wavelength
(nm)
5배희석
흡광도
5-fold dilution
absorbance
10배 희석
흡광도
10x dilution
absorbance
12.5배희석
흡광도
12.5 times dilution
absorbance
16.67배희석
흡광도
16.67 fold dilution
absorbance
846.7nm 흡광도대비
평균흡광도
846.7nm absorbance contrast
average absorbance
846.7846.7 0.622620.62262 0.290940.29094 0.2396.840.2396.84 0.167080.16708 1One 604.3604.3 1.201211.20121 0.621360.62136 0.47320.4732 0.373780.37378 2.117472.11747 396.8396.8 1.11991.1199 0.619760.61976 0.451580.45158 0.388070.38807 2.1142.114

도 4 및 표 4를 참고하면, 2가 바나듐 이온에서만 나타나는 파장이 846.7nm 부근인 것을 확인할 수 있다. 상세하게는, 2가 바나듐 이온의 흡광도를 측정하면 기본적으로 846.7nm 파장에서 피크가 관찰되며, 이 파장과 함께 604.3nm 와 396.8nm 파장이 함께 나타나는 것을 확인 할 수 있다.Referring to FIG. 4 and Table 4, it can be seen that the wavelength appearing only in divalent vanadium ions is around 846.7 nm. In detail, when the absorbance of divalent vanadium ions is measured, a peak is basically observed at a wavelength of 846.7 nm, and it can be confirmed that 604.3 nm and 396.8 nm wavelengths appear together with this wavelength.

즉, 상기 2가 바나듐 이온은 846.7nm, 604.3nm 및 396.8nm의 파장에서 흡광도 값이 측정되는 것으로, 상기 2가 바나듐 이온의 고유파장은 846.7nm이며, 상기 604.3nm 파장범위에서 상기 2가 바나듐 이온의 고유파장에서 측정되는 흡광도의 2.12배의 흡광도값을 나타내고, 상기 396.8nm 파장범위에서 상기 고유파장에서 측정되는 흡광도값의 2.11배의 흡광도 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.That is, the divalent vanadium ion has absorbance values measured at wavelengths of 846.7 nm, 604.3 nm, and 396.8 nm, the natural wavelength of the divalent vanadium ion is 846.7 nm, and the divalent vanadium ion in the wavelength range of 604.3 nm It can be seen that the absorbance value is 2.12 times the absorbance value measured at the natural wavelength of , and the absorbance value is 2.11 times the absorbance value measured at the natural wavelength in the 396.8 nm wavelength range.

또한, 상기 2가 바나듐 이온의 846.7nm 파장의 흡광도의 농도별 검량선 관계식은 하기 검량선 관계식 4와 같다.In addition, the calibration curve relational expression for each concentration of the absorbance of the divalent vanadium ion at a wavelength of 846.7 nm is shown in the following calibration curve relational expression 4.

검량선 관계식 4.Calibration curve relational expression 4.

y = 1.9534x - 0.0266y = 1.9534x - 0.0266

비교예 1. 수작업으로 샘플 채취(충전 중), 희석 및 흡광도 측정Comparative Example 1. Manual sample collection (during filling), dilution and absorbance measurement

(A) VRFB 시스템으로부터 음극(2가, 3가 바나듐이온) 샘플 채취(수작업)(A) Cathode (divalent, trivalent vanadium ion) sampling from the VRFB system (manual)

도 8의 순서와 같이 VRFB 시스템의 샘플링 포인트의 밸브를 열고 음극 전해질을 비이커에 받는다.As shown in the sequence of FIG. 8, the valve of the sampling point of the VRFB system is opened and the cathode electrolyte is received in the beaker.

(B) 20 배 희석 (B) 20-fold dilution

상기 (A)비이커채취한 음극 전해질 2.5ml를 50ml플라스크에 담고 초순수로 50 ml 눈금에 맞추어 20 배를 희석한 후 교반한다.2.5ml of the anode electrolyte collected from the beaker (A) is put in a 50ml flask, diluted 20 times with ultrapure water according to the 50ml scale, and then stirred.

(C) 흡광도 측정(C) Absorbance measurement

UV-Visible 분광계로 흡광도를 측정하기 위해 분광계의 cell 에 기포가 없이 위 (B) 시료를 autosampler 로 UV-Visible 분광계에 흘려준다. 그리고 흡광도를 측정한다. 전 파장의 흡광도를 측정하여 결과를 얻는다.In order to measure the absorbance with the UV-Visible spectrometer, the sample in (B) is flowed through the UV-Visible spectrometer with an autosampler without bubbles in the cell of the spectrometer. And absorbance is measured. The result is obtained by measuring the absorbance of all wavelengths.

(D) 결과(D) Results

UV-Visible 분광계로 측정한 흡광도 값은 다음과 같았다. The absorbance values measured by a UV-Visible spectrometer were as follows.

파장(nm)Wavelength (nm) 20 배
희석 흡광도
20 times
dilution absorbance
2가 흡광도2-valent absorbance 3가 흡광도trivalent absorbance 4가 흡광도tetravalent absorbance 5가 흡광도Pentavalent absorbance
846.7nm846.7 nm 0.013540.01354 0.013540.01354 604.3nm604.3 nm 0.415740.41574 0.028670.02867 aa dd 767.9nm767.9 nm 0.023620.02362 bb ee 396.8nm396.8 nm 0.665970.66597 0.028620.02862 ff cc

2가 바나듐의 기본은 846.7nm 이고, 이 파장과 함께 604.3nm 부근, 396.8nm 부근의 파장도 같이 나타나게 된다. 846.7nm 파장의 흡광도의 2.11747 배의 흡광도가 604.3nm 부근에서 나타나서 2가에 의해 604.3nm 의 흡광도는 0.02867이 된다. The basis of divalent vanadium is 846.7 nm, and along with this wavelength, wavelengths around 604.3 nm and 396.8 nm also appear. Absorbance of 2.11747 times the absorbance of 846.7nm wavelength appears around 604.3nm, and the absorbance at 604.3nm becomes 0.02867 by divalent.

또한 846.7nm의 흡광도의 2.114배는 396.8nm 부근에서 나타나므로 그 흡광도는 0.02862가 된다.In addition, 2.114 times the absorbance at 846.7 nm appears around 396.8 nm, so the absorbance becomes 0.02862.

3가 바나듐의 기본은 604.3nm 이고, 이 파장과 함께 396.8nm 부근에 파장이 같이 나타난다. 604.3nm 파장의 1.582081배의 흡광도가 396.8nm 부근에서 나타난다. The basis of trivalent vanadium is 604.3 nm, and along with this wavelength, a wavelength appears around 396.8 nm. An absorbance of 1.582081 times the wavelength of 604.3 nm appears around 396.8 nm.

그러므로 표 5의 a와 f 의 관계는 f = 1.582081*a이다. 그리고 a는 측정된 흡광도에서 2가 바나듐에서 유래한 흡광도와 4가 바나듐에서 유래한 흡광도를 빼주면 된다. 즉 a = 0.41574-0.02867-d의 관계가 생긴다.Therefore, the relationship between a and f in Table 5 is f = 1.582081*a. And a is obtained by subtracting the absorbance derived from divalent vanadium and the absorbance derived from tetravalent vanadium from the measured absorbance. That is, a relationship of a = 0.41574-0.02867-d arises.

4가 바나듐의 기본은 767.9nm 이고, 이 파장과 함께 604.3nm 부근의 파장이 나타난다. 767.9nm 파장의 흡광도의 0.360009배가 604.3nm 부근에서 나타난다. 그러므로 d = 0.360009*b 의 관계를 가진다. 또한 b는 측정된 흡광도에서 5가 바나듐에서 유래한 흡광도를 빼주면 된다. 즉 b = 0.02362-e 의 관계가 생긴다.The basis of tetravalent vanadium is 767.9 nm, and along with this wavelength, a wavelength around 604.3 nm appears. 0.360009 times the absorbance of the 767.9 nm wavelength appears around 604.3 nm. Therefore, it has a relationship of d = 0.360009*b. In addition, b is obtained by subtracting the absorbance derived from pentavalent vanadium from the measured absorbance. That is, the relationship of b = 0.02362-e arises.

5가 바나듐의 기본은 396.8nm 이고, 이 파장과 함께 767.9nm 부근의 파장이 나타난다. The base of pentavalent vanadium is 396.8 nm, and a wavelength around 767.9 nm appears along with this wavelength.

396.8nm 파장의 약 0.030556배의 흡광도가 767.9nm 부근에서 나타난다. 그러므로 e = 0.030556*c 의 관계를 가진다. 또한 c는 측정된 흡광도에서 2가 바나듐에서 유래한 흡광도와 3가에서 유래한 흡광도를 빼주면 된다. 즉 c = 0.66597-0.02862-f의 관계가 생긴다.An absorbance of about 0.030556 times the wavelength of 396.8 nm appears around 767.9 nm. Therefore, it has a relationship of e = 0.030556*c. In addition, c is obtained by subtracting the absorbance derived from divalent vanadium and the absorbance derived from trivalent vanadium from the measured absorbance. That is, the relationship of c = 0.66597-0.02862-f arises.

이들을 단순히 나타내면 표 6 같이 간략화 할 수 있다.If these are simply represented, they can be simplified as shown in Table 6.

파장(nm)Wavelength (nm) 20 배 희석 흡광도20-fold dilution absorbance 2가 흡광도2-valent absorbance 3가 흡광도trivalent absorbance 4가 흡광도tetravalent absorbance 5가 흡광도Pentavalent absorbance 846.7nm846.7 nm 0.013540.01354 0.013540.01354 604.3nm604.3 nm 0.415740.41574 0.028670.02867 0.38707-d0.38707-d dd 767.9nm767.9 nm 0.023620.02362 d/0.360009d/0.360009 c×0.030556c×0.030556 396.8nm396.8 nm 0.665970.66597 0.028620.02862 1.582081×
(0.38707-d)
1.582081×
(0.38707-d)
cc

c=0.66597-0.02862-(1.582081×(0.038707-d))=0.02497+1.582081×d c=0.66597-0.02862-(1.582081×(0.038707-d))=0.02497+1.582081×d

여기서 767.9nm 의 4가 흡광도값은 측정 흡광도에서 5가 흡광도를 뺀 값과 같다. 즉, d/0.360009=0.02362-(0.02497+1.582081×d)×0.030556=0.02286-0.04834×d 이며, 여기서 d =0.00809로 계산된다. 그러므로 표 6은 다음 표 7과 같이 정리된다.Here, the tetravalent absorbance value at 767.9 nm is equal to the value obtained by subtracting the pentavalent absorbance from the measured absorbance. That is, d / 0.360009 = 0.02362 - (0.02497 + 1.582081 × d) × 0.030556 = 0.02286 - 0.04834 × d, where d = 0.00809 is calculated. Therefore, Table 6 is organized as Table 7 below.

파장(nm)Wavelength (nm) 20 배
희석 흡광도
20 times
dilution absorbance
2가 흡광도2-valent absorbance 3가 흡광도trivalent absorbance 4가 흡광도tetravalent absorbance 5가 흡광도Pentavalent absorbance 측정농도measured concentration 실제농도
(20 배)
actual concentration
(20x)
846.7846.7 0.013540.01354 0.013540.01354 0.020550.02055 0.410980.41098 604.3604.3 0.415740.41574 0.028670.02867 0.378980.37898 0.008090.00809 0.054880.05488 1.09761.0976 767.9767.9 0.023620.02362 0.022470.02247 0.001150.00115 0.001860.00186 0.037290.03729 396.8396.8 0.665970.66597 0.028620.02862 0.599580.59958 0.037770.03777 0.003360.00336 0.067210.06721

즉, SOC 는 다음 계산식 1과 같이 정의된다.That is, SOC is defined as in Equation 1 below.

계산식 1Calculation 1

SOC =

Figure pat00007
SOC =
Figure pat00007

수동 채취한 음극 전해질의 SOC는 다음과 같다.The SOC of the negative electrolyte sampled manually is as follows.

SOC =(0.41098)/(0.41098+1.0976) = 0.27243SOC = (0.41098)/(0.41098+1.0976) = 0.27243

음극 전해질에는 대부분이 2가와 3가 바나듐이온으로 구성되어 있다. 방전이 끝나고 충전 시작후 5분 후의 샘플링임에 따라 3가 바나듐이 주가 되고 2가 바나듐이 생성되는 시점이다. 그러나 4가와 5가 바나듐이온은 전지의 양극과 음극을 분리하고 있는 분리막을 통해 이동된 양으로 그 양은 전체대비 약 6.5% 에 해당하고 있다. The cathode electrolyte is composed mostly of divalent and trivalent vanadium ions. This is the point at which trivalent vanadium becomes the main and divalent vanadium is generated according to sampling 5 minutes after the end of discharge and the start of charging. However, the amount of tetravalent and pentavalent vanadium ions moved through the separator that separates the anode and cathode of the battery, and the amount corresponds to about 6.5% of the total.

충전 시는 양극 전해질이 음극으로 이동하는 경향이 있고 방전 시는 음극 전해질이 양극으로 이동하는 경향이 있다. 이 샘플은 충전시 샘플이고 음극 샘플이어서 양극의 전해질이 약 6.5% 음극으로 이동한 것을 알 수 있다.When charging, the positive electrolyte tends to move to the negative electrode, and when discharging, the negative electrolyte tends to move to the positive electrode. It can be seen that this sample is a charging sample and a negative electrode sample, so that about 6.5% of the electrolyte in the positive electrode migrates to the negative electrode.

실시예 1. 자동화된 샘플채취라인 구성(충전 중) 음극 전해질의 희석 및 흡광도 측정Example 1. Automated sampling line configuration (during charging) Dilution of cathode electrolyte and measurement of absorbance

(A) VRFB 시스템으로부터 샘플 채취(반자동)(A) Taking a sample from the VRFB system (semi-automated)

도2와 같이 VRFB 시스템의 샘플링 포인트로부터 분석기로 샘플이 이동하도록 3-way 밸브를 열어 음극 전해질을 희석용 실린더에 일정량을(예, 5 ml) 옮긴다. 그 전에 3-way 밸브에서 실린더간의 튜브의 부피를 측정해둔다. As shown in FIG. 2, a certain amount (eg, 5 ml) of cathode electrolyte is transferred to the cylinder for dilution by opening the 3-way valve so that the sample moves from the sampling point of the VRFB system to the analyzer. Before that, measure the volume of the tube between the cylinders in the 3-way valve.

(B) 20 배 희석(B) 20-fold dilution

음극 전해질이 희석용 실린더에 담기도록 3 way 밸브를 열어 5 ml를 실린더에 받는다. 그런 후 3 way 밸브를 돌려 순수가 흐르도록 하여 희석용 실린더에 전체 100 ml 가 되도록 순수를 흘린다. 그런 후 stirring 용 자석을 넣고 교반한다.Open the 3-way valve so that the cathode electrolyte is contained in the cylinder for dilution, and receive 5 ml into the cylinder. Then, turn the 3-way valve to allow pure water to flow so that the total volume is 100 ml in the dilution cylinder. Then, insert a magnet for stirring and stir.

(C) 흡광도 측정(C) Absorbance measurement

UV-Visible 흡광도계로 흡광도를 측정하기 위해 흡광도계용 auto sampler 펌프를 통해 희석용 실린더로부터 UV-Visible 분광도계로 시료를 펌핑한다. 그리고 흡광도를 측정한다. 전 파장의 흡광도를 측정하여 결과를 얻는다.To measure the absorbance with the UV-Visible spectrometer, pump the sample from the dilution cylinder to the UV-Visible spectrometer through the auto sampler pump for the absorbance meter. And absorbance is measured. The result is obtained by measuring the absorbance of all wavelengths.

(D) 결과(D) Results

흡광도 분석값과 값들간의 관계는 표 8과 같다.Table 8 shows the absorbance analysis value and the relationship between the values.

파장(nm)Wavelength (nm) 20 배
희석 흡광도
20 times
dilution absorbance
2가 흡광도2-valent absorbance 3가 흡광도trivalent absorbance 4가 흡광도tetravalent absorbance 5가 흡광도Pentavalent absorbance 측정농도measured concentration 실제농도
(20 배)
actual concentration
(20x)
846.7846.7 0.004740.00474 0.004740.00474 0.016040.01604 0.320880.32088 604.3604.3 0.382870.38287 0.010040.01004 0.367740.36774 0.005090.00509 0.053110.05311 1.06211.0621 767.9767.9 0.016270.01627 0.014140.01414 0.002130.00213 0.001380.00138 0.027670.02767 396.8396.8 0.661460.66146 0.010020.01002 0.58180.5818 0.069640.06964 0.005970.00597 0.11950.1195

반자동 채취한 음극 전해질의 농도에 따른 상기 계산식 1과 같이 계산하여, SOC는 0.23202의 결과를 얻었다. 즉, 이를 통하여 희석용 실린더에 바로 시스템 전해질을 3 way 밸브를 열어 채취하고 다시 3 way 밸브를 열어 순수를 넣을 수 있도록 한 반자동화 샘플채취라인을 구성한 시스템의 분석결과 SOC가 23.2% 의 결과를 얻었다. Calculated as in Equation 1 above according to the concentration of the negative electrolyte sampled semi-automatically, SOC was obtained as 0.23202. In other words, as a result of analysis of the system composed of a semi-automated sampling line in which the system electrolyte was collected by opening the 3-way valve directly in the dilution cylinder and the pure water was added by opening the 3-way valve again, the result of SOC was 23.2%. .

비교 예의 수동 샘플을 채취한 후 반자동화 샘플을 채취함에 따라 시간 차이가 있어 농도의 약간의 차이가 발생하고 그에 따른 SOC 의 차이가 발생하였다. 또한 4, 5가 바나듐이온은 전체의 약 9.6% 가 이동해 온 것을 알 수 있다.After the manual sample of Comparative Example was taken, the semi-automated sample was taken, resulting in a slight difference in concentration due to a time difference and a corresponding difference in SOC. In addition, it can be seen that about 9.6% of the total vanadium ions of 4 and 5 have migrated.

실시예 2. 반자동화된 샘플채취라인 구성(충전 중), 양극 전해질의 희석 및 흡광도 측정Example 2. Configuration of semi-automated sampling line (during charging), dilution of anode electrolyte and measurement of absorbance

(A) VRFB 시스템으로부터 샘플 채취(반자동)(A) Taking a sample from the VRFB system (semi-automated)

VRFB 시스템의 샘플링 포인트로부터 분석기로 샘플이 이동하도록 3-way 밸브를 열어 양극 전해질을 희석용 실린더에 일정량을(예, 2.5ml) 옮긴다. 즉, 제2 샘플링 포인트와 그에 연결되는 3-way 밸브를 통해 샘플링하는 것으로, 그 전에 3-way 밸브에서 실린더간의 튜브의 부피를 측정해둔다.Open the 3-way valve to move the sample from the sampling point of the VRFB system to the analyzer, and transfer a certain amount (eg, 2.5ml) of the anode electrolyte to the dilution cylinder. That is, sampling is performed through the second sampling point and the 3-way valve connected thereto, and the volume of the tube between the cylinders is measured in the 3-way valve beforehand.

(B) 40배 희석(B) 40-fold dilution

양극 전해질이 희석용 실린더에 담기도록 3 way 밸브를 열어 2.5 ml를 실린더에 받는다. 이후 3 way 밸브를 돌려 순수가 흐르도록 하여 희석용 실린더에 전체 100 ml 가 되도록 순수를 흘린다. 그런 후 stirring 용 자석을 넣고 교반한다.Open the 3-way valve so that the positive electrolyte is contained in the cylinder for dilution, and receive 2.5 ml into the cylinder. Then, turn the 3-way valve to allow pure water to flow so that the total volume of 100 ml is poured into the cylinder for dilution. Then, insert a magnet for stirring and stir.

(C) 흡광도 측정(C) Absorbance measurement

UV-Visible 분광도계로 흡광도를 측정하기 위해 분광도계용 auto sampler 펌프를 통해 희석용 실린더로부터 UV-Visible 분광도계로 시료를 펌핑한다. 그리고 흡광도를 측정한다. 관련된 파장의 흡광도를 측정하여 결과를 얻는다.To measure the absorbance with the UV-Visible spectrometer, pump the sample from the dilution cylinder to the UV-Visible spectrometer through the auto sampler pump for the spectrometer. And absorbance is measured. The result is obtained by measuring the absorbance of the relevant wavelength.

(D) 결과(D) Results

다음과 같은 흡광도 값과 값들간의 관계는 다음 표와 같으며, 양극 전해질의 SOC는 다음 계산식 2로 계산이 된다.The following absorbance values and the relationship between the values are shown in the following table, and the SOC of the anode electrolyte is calculated by the following formula 2.

계산식 2Calculation 2

SOC =

Figure pat00008
SOC =
Figure pat00008

파장(nm)Wavelength (nm) 40 배
희석 흡광도
40 times
dilution absorbance
2가 흡광도2-valent absorbance 3가 흡광도trivalent absorbance 4가 흡광도tetravalent absorbance 5가 흡광도Pentavalent absorbance 측정농도measured concentration 실제농도
(40 배)
actual concentration
(40 times)
846.7846.7 00 00 00 00 604.3604.3 0.199240.19924 00 (-0.00367)(-0.00367) 0.200970.20097 (-0.0055)(-0.0055) 00 767.9767.9 0.564150.56415 0.558230.55823 0.005920.00592 0.032820.03282 1.312911.31291 396.8396.8 0.193740.19374 00 0.193740.19374 0.016150.01615 0.646180.64618

604.3nm의 3가 흡광도 값으로 농도를 환산하면 측정농도가 -0.00367의 결과를 얻어서 이 값을 0 으로 처리하였다. 반자동으로 채취한 양극 전해질의 농도에 따른 SOC 는 0.32984의 결과를 얻었으며, 상기 계산식 1을 이용하여 계산하였다.When the concentration was converted into the trivalent absorbance value at 604.3 nm, the measured concentration was -0.00367, and this value was treated as 0. The SOC according to the concentration of the positive electrolyte collected semi-automatically obtained a result of 0.32984, which was calculated using the above formula 1.

실시예 1의 음극 전해질의 샘플을 채취한 후 실시예 2 양극 전해질의 샘플을 채취하여 그 시간 차이에 따른 SOC의 차이가 발생하였다. Samples of the anode electrolyte of Example 1 were taken and samples of the cathode electrolyte of Example 2 were taken, and a difference in SOC occurred according to the time difference.

충전시점에는 양극의 전해질이 분리막을 통해 음극으로 약간 투과되는 경향이 있으므로 양극에서는 음극의 이온이 검출되지 않았다. 즉, 이렇게 측정된 분석값이 신뢰성 있는 결과를 얻어 반자동화 샘플채취 방법으로 실시간 전해질의 분석이 가능할 것으로 여겨진다.At the time of charging, since the electrolyte of the positive electrode tends to slightly permeate through the separator to the negative electrode, negative ions were not detected from the positive electrode. That is, it is believed that the analysis value measured in this way can obtain a reliable result and analyze the electrolyte in real time by a semi-automated sampling method.

본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.In this specification, only a few examples of various embodiments performed by the present inventors are described, but the technical idea of the present invention is not limited or limited thereto, and can be modified and implemented in various ways by those skilled in the art, of course.

Claims (14)

전해질을 샘플링 하는 샘플링부;
상기 전해질을 희석하여 희석용액을 제조하는 전해질 희석부; 및
상기 희석용액의 흡광도를 실시간으로 측정하는 흡광도 측정부;를 포함하는 것으로,
상기 희석용액의 흡광도 값 및 2가, 3가, 4가, 5가의 바나듐 이온의 고유파장에 따른 흡광도 값을 하기 계산식 1 또는 계산식 2에 적용하여 전해질의 충전 상태(SOC, state of charge)를 판단하는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 장치.
계산식 1
SOC =
Figure pat00009

계산식 2
SOC =
Figure pat00010
Sampling unit for sampling the electrolyte;
An electrolyte dilution unit for diluting the electrolyte to prepare a diluted solution; and
To include; absorbance measurement unit for measuring the absorbance of the diluted solution in real time,
Determine the state of charge (SOC) of the electrolyte by applying the absorbance value of the diluted solution and the absorbance value according to the natural wavelength of the divalent, trivalent, tetravalent, and pentavalent vanadium ions to Equation 1 or Equation 2 below to do,
Real-time charge/discharge monitoring device for vanadium redox flow battery.
Calculation 1
SOC =
Figure pat00009

Calculation 2
SOC =
Figure pat00010
제1항에 있어서,
상기 샘플링부는 음극으로 이동하는 음극 전해질을 샘플링하는 제1 샘플링부; 및
양극으로 이동하는 양극 전해질을 샘플링하는 제2 샘플링부;를 포함하는 것으로,
상기 샘플링부는 3웨이밸브(3 way 밸브)를 포함하는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충반전 모니터링 장치.
According to claim 1,
The sampling unit includes a first sampling unit for sampling the cathode electrolyte moving to the cathode; and
To include; a second sampling unit for sampling the anode electrolyte moving to the anode,
The sampling unit is to include a 3-way valve (3 way valve),
Real-time charge/reversal monitoring device for vanadium redox flow battery.
제2항에 있어서,
상기 3웨이밸브(3way 밸브)의 내부는 EPDM소재로 실링되어 있는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충반전 모니터링 장치.
According to claim 2,
The inside of the 3-way valve (3-way valve) is sealed with EPDM material,
Real-time charge/reversal monitoring device for vanadium redox flow battery.
제1항에 있어서,
상기 전해질 희석부는 상기 샘플링 한 전해질을 희석하기 위한 희석 실린더; 및
상기 희석 실린더에 초순수를 공급하는 초순수 공급부;를 포함하는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충반전 모니터링 장치.
According to claim 1,
The electrolyte dilution unit dilution cylinder for diluting the sampled electrolyte; and
To include; ultrapure water supply unit for supplying ultrapure water to the dilution cylinder,
Real-time charge/reversal monitoring device for vanadium redox flow battery.
전해질을 샘플링 하는 샘플링단계;
상기 전해질을 희석하여 희석용액을 제조하는 전해질 희석단계; 및
상기 희석용액의 흡광도를 실시간으로 측정하는 흡광도 측정단계;를 포함하는 것으로,
상기 희석용액의 흡광도 값 및 2가, 3가, 4가, 5가의 바나듐 이온의 고유파장에 따른 흡광도 값을 하기 계산식 1 또는 계산식 2에 적용하여 전해질의 충전 상태(SOC, state of charge)를 판단하는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 방법.
계산식 1
SOC =
Figure pat00011

계산식 2
SOC =
Figure pat00012
A sampling step of sampling the electrolyte;
An electrolyte dilution step of diluting the electrolyte to prepare a diluted solution; and
Absorbance measurement step of measuring the absorbance of the diluted solution in real time; comprising,
Determine the state of charge (SOC) of the electrolyte by applying the absorbance value of the diluted solution and the absorbance value according to the natural wavelength of the divalent, trivalent, tetravalent, and pentavalent vanadium ions to Equation 1 or Equation 2 below to do,
Real-time charging and discharging monitoring method of vanadium redox flow battery.
Calculation 1
SOC =
Figure pat00011

Calculation 2
SOC =
Figure pat00012
제5항에 있어서,
상기 샘플링단계는 음극으로 이동하는 음극 전해질을 샘플링하는 제1 샘플링단계 또는 양극으로 이동하는 양극 전해질을 샘플링하는 제2 샘플링단계를 포함하는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 방법.
According to claim 5,
The sampling step includes a first sampling step of sampling the anode electrolyte moving to the cathode or a second sampling step of sampling the anode electrolyte moving to the anode,
Real-time charging and discharging monitoring method of vanadium redox flow battery.
제5항에 있어서,
상기 전해질 희석단계는 상기 전해질을 희석 실린더로 이송하고,
상기 희석 실린더에 초순수를 공급하여 희석하는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 방법.
According to claim 5,
The electrolyte dilution step transfers the electrolyte to a dilution cylinder,
To dilute by supplying ultrapure water to the dilution cylinder,
Real-time charging and discharging monitoring method of vanadium redox flow battery.
제5항에 있어서,
상기 흡광도 측정단계는 상기 희석용액을 자외선-가시광선 분광계(UV-Visible spectrophotometry)를 이용하여 흡광도 값을 측정하는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 방법.
According to claim 5,
The absorbance measurement step is to measure the absorbance value of the diluted solution using a UV-Visible spectrophotometry,
Real-time charging and discharging monitoring method of vanadium redox flow battery.
제5항에 있어서,
상기 2가 바나듐 이온은 846.7nm,604.3nm 및 396.8nm의 파장에서 흡광도 값이 측정되는 것으로,
상기 2가 바나듐 이온의 고유파장은 846.7nm이며,
상기 604.3nm 파장범위에서 상기 2가 바나듐 이온의 고유파장에서 측정되는 흡광도의 2.12배의 흡광도값을 나타내고,
상기 396.8nm 파장범위에서 상기 고유파장에서 측정되는 흡광도값의 2.11배의 흡광도 값을 나타내는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 방법.
According to claim 5,
The divalent vanadium ion has absorbance values measured at wavelengths of 846.7 nm, 604.3 nm and 396.8 nm,
The natural wavelength of the divalent vanadium ion is 846.7 nm,
Represents an absorbance value of 2.12 times the absorbance measured at the natural wavelength of the divalent vanadium ion in the 604.3 nm wavelength range,
In the 396.8 nm wavelength range, which represents an absorbance value of 2.11 times the absorbance value measured at the natural wavelength,
Real-time charging and discharging monitoring method of vanadium redox flow battery.
제5항에 있어서,
상기 3가 바나듐 이온은 604.3nm 및 396.8nm의 파장에서 흡광도 값이 측정되는 것으로,
상기 3가 바나듐 이온의 고유파장은 604.3nm이며,
상기 396.8nm 파장범위에서 상기 3가 바나듐 이온의 고유파장에서 측정되는 흡광도의 1.58배의 흡광도값을 나타내는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 방법.
According to claim 5,
The trivalent vanadium ion has absorbance values measured at wavelengths of 604.3 nm and 396.8 nm,
The natural wavelength of the trivalent vanadium ion is 604.3 nm,
In the 396.8 nm wavelength range, exhibiting an absorbance value 1.58 times the absorbance measured at the natural wavelength of the trivalent vanadium ion,
Real-time charging and discharging monitoring method of vanadium redox flow battery.
제5항에 있어서,
상기 4가 바나듐 이온은 767.9nm 및 604.3nm의 파장에서 흡광도 값이 측정되는 것으로,
상기 4가 바나듐 이온의 고유파장은 767.9nm이며,
상기 604.3nm 파장범위에서 상기 4가 바나듐 이온의 고유파장에서 측정되는 흡광도의 0.36배의 흡광도값을 나타내는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 방법.
According to claim 5,
The tetravalent vanadium ion has absorbance values measured at wavelengths of 767.9 nm and 604.3 nm,
The natural wavelength of the tetravalent vanadium ion is 767.9 nm,
In the 604.3 nm wavelength range, exhibiting an absorbance value of 0.36 times the absorbance measured at the natural wavelength of the tetravalent vanadium ion,
Real-time charging and discharging monitoring method of vanadium redox flow battery.
제5항에 있어서,
상기 5가 바나듐 이온은 396.8nm 및 767.9nm의 파장에서 흡광도 값이 측정되는 것으로,
상기 5가 바나듐 이온의 고유파장은 396.8nm이며,
상기 767.9nm 파장범위에서 상기 5가 바나듐 이온의 고유파장에서 측정되는 흡광도의 0.03배의 흡광도값을 내는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 방법.
According to claim 5,
The pentavalent vanadium ion has absorbance values measured at wavelengths of 396.8 nm and 767.9 nm,
The natural wavelength of the pentavalent vanadium ion is 396.8 nm,
To produce an absorbance value 0.03 times the absorbance measured at the natural wavelength of the 5-valent vanadium ion in the 767.9 nm wavelength range,
Real-time charging and discharging monitoring method of vanadium redox flow battery.
제5항에 있어서,
상기 2가, 3가, 4가, 5가의 바나듐 이온의 고유파장에서의 농도별 흡광도값을 통해 검량선 그래프를 작성하고,
상기 검량선을 이용하여 미지 샘플의 농도를 측정하는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 방법.
According to claim 5,
A calibration curve graph is prepared through the absorbance values for each concentration at the natural wavelength of the divalent, trivalent, tetravalent, and pentavalent vanadium ions,
Measuring the concentration of an unknown sample using the calibration curve,
Real-time charging and discharging monitoring method of vanadium redox flow battery.
제13항에 있어서,
상기 2가, 3가, 4가, 5가의 바나듐 이온의 고유파장에서의 검량선은
상기 2가, 3가, 4가, 5가의 바나듐 이온의 고유파장의 흡광도 값에서 각 이온에 영향을 주는 다른 이온의 흡광도 값을 빼고 검량선 그래프를 작성하는 것인,
바나듐 레독스 흐름전지의 실시간 충·방전 모니터링 방법.
According to claim 13,
The calibration curve at the natural wavelength of the divalent, trivalent, tetravalent, and pentavalent vanadium ions is
To create a calibration curve graph by subtracting the absorbance values of other ions affecting each ion from the absorbance values of the natural wavelengths of the divalent, trivalent, tetravalent, and pentavalent vanadium ions,
Real-time charging and discharging monitoring method of vanadium redox flow battery.
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