KR20230169505A - 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 - Google Patents

다채널로 구성된 전해질 온도 조절부 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 Download PDF

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KR20230169505A
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박준영
이영호
윤덕희
김윤선
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Abstract

본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전해질의 온도 조절 기능을 갖는 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 종래의 전해질 탱크 전체를 냉각시키는 시스템과 달리, 전지 스택에서 전해질 탱크로 전달되는 배관의 일부분에 전해질 온도 조절부를 연결하여 다채널 흐름 통로를 형성시킴으로써, 상기 전해질이 다채널로 분산되어 유동 전해질의 열 교환 표면적의 확대에 의해 전해질 온도가 1차로 분산 냉각되고, 냉각장치를 포함하는 경우 냉각장치로 2차 냉각되는 동안에도 유체 전해질의 열 교환 표면적이 넓으므로 냉각 효율이 향상되므로, 냉각에 필요한 에너지를 적게 소요하면서도 효과적으로 레독스 흐름 전지 내의 유동 전해질의 온도를 냉각시킴으로써 양극 전해질 침전방지를 통해 전지 에너지효율 및 용량(capacity)을 우수하게 유지시킬 수 있다.

Description

다채널로 구성된 전해질 온도 조절부 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지{Electolyte temperature controller comprising multi-channel and redox flow battery with the same}
본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전해질의 온도 조절 기능을 갖는 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
최근 신재생에너지와 비상전력을 저장할 수 있는 에너지저장시스템(energy storage system: ESS) 및 각종 전기장치의 배터리로서 리튬이온 배터리(lithium ion battery: LIB)가 가장 많이 사용된다. 상기 리튬이온 배터리는 높은 기전력과 에너지밀도를 자랑하지만 공기중 수분 및 산소와의 큰 반응성으로 폭파 및 화재의 위험성을 지녀 미래 사회의 차세대 에너지 저장장치로는 부적합한 면이 있다.
이에 수계 전해질 사용으로 폭파나 화재의 위험이 전무하며 장수명과 용량과 출력을 각각 구성할 수 있는 장점을 지닌 레독스 흐름 전지(redox flow battery: RFB)에 대한 연구가 대두되고 있다. RFB는 다른 전지와 다르게 활물질이 전해질 내 용해 돼있는 상태에서 탱크와 스택 간의 전해질 흐름을 만들어 활물질이 전자를 주고받아 산화, 환원 반응을 일으켜 에너지를 저장하는 장치이다.
도 1은 일반적인 레독스 흐름 전지의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 레독스 흐름 전지(RFB)는 크게 전해질 저장 탱크와 스택(stack: cell array)으로 구성되어 있으며 탱크와 스택 간에 전해질 튜브를 이용해 펌프를 통하여 전해질을 이동시키는, 전해질 순환 구조를 가진다. 하지만 RFB 시스템을 운용함에 있어 고온환경이나 스택의 과열로 인한 전해질 내의 부반응(side reaction)으로 활물질 변성 및 침전을 야기시켜 전기화학적 가역성과 전지용량(capacity)의 감소를 야기시킨다.
도 2는 종래 레독스 흐름 전지에서 (a) 저온 환경과 (b) 고온 환경에서의 전해질 탱크 내의 전해질 모습을 나타내는 사진이다.
상기 도 2는 RFB 시스템 중 하나인 바나듐 레독스 흐름 전지(Vanadium Redox Flow Battery: VRFB)의 전해질 탱크 내의 전해질의 모습을 나타낸다. 상기 바나듐 레독스 흐름 전지에 사용되는 바나듐 전해질은 (a) 저온 환경에서는 안전성과 고수명을 보장할 수는 있으나, (b) 고온 환경에 양극 바나듐 전해질(V5+)이 노출되면, 침전물을 생성하게 된다.
더욱 상세하게는, VRFB의 충전 과정 중 제1 전극(양극)과 제2 전극(음극)에서 일어나는 반응은 하기 반응식 1로 설명될 수 있다.
[반응식 1]
제1 전극(양극)
VO2+ + H2O - e- → VO2 + + 2H+ (충전)
제2 전극(음극)
V3+ + e- → V2+(충전)
바나듐 전해질은 VRFB 작동 중 상기 화학적 반응에 의해 발열 반응이 발생하고, 스택 내의 온도가 높아진 전해질은 펌프를 통해 다시 저장 탱크로 유입되며, 고온의 바나듐 양극 전해질은 아래 반응식 2의 과정에 의해 침전 반응이 일어날 수 있다.
[반응식 2]
[VO2(H2O)3]+ → VO(OH)3 + H3O
2VO(OH)3 → V2O5·H3O (침전)
상기와 같이 생성되는 석출은, 전기용량 감소나 시스템 내구성을 저하시키는 문제점을 유발시키게 되므로, 전해질의 온도 관리가 매우 중요하고, 이에, 전해질의 온도를 조절하기 위한 열교환장치가 필수적으로 설치되어야 한다.
종래의 레독스 흐름 전지 시스템은, 대부분 전해질 탱크와 레독스 흐름 전지 사이에 열교환장치가 구성된 후, 레독스 흐름 전지로부터 유출되는 전해질이 열교환장치에 유입되고 열교환된 후 전해질탱크로 유입되도록 하는 구성을 가지고 있다.
이에, 레독스 흐름 전지 시스템의 전기용량이나 전해질의 사용량에 따라 열교환장치의 크기나 부피도 증가하게 되므로, 상기와 같이 열교환장치가 별도로 구성되는 경우, 장소의 제약이 발생되는 문제점이 있다.
또한, 장소 제약을 해결하기 위하여 열교환장치나 열교환관을 전해질 탱크의 내부에 위치시키기도 하지만, 그 작업이 너무 복잡하고 시간도 많이 소요되며 전해질 탱크 내부에서 열교환관 등에 누수가 발생되는 경우 전해질이 오염되는 문제점이 있다.
따라서 레독스 흐름 전지의 전해질 온도를 20~ 30 ℃의 저온으로 유지하기 위한 새로운 방법이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-2308408호
상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제1 목적은 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 상기 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.
상기 제1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 제공한다. 상기 전해질 온도 조절부는 레독스 흐름 전지의 전해질 배관에 연결되는 전해질 온도 조절부이되, 전해질 배관 유입구; 전해질 배관 유출구; 상기 전해질 배관 유입구 및 전해질 배관 유출구 사이에 형성되는 2개 이상의 다채널의 흐름 통로; 및 상기 다채널의 흐름 통로를 감싸는 하우징을 포함한다.
상기 다채널의 흐름 통로의 소재는 산성 및 염기성에 내성을 가진 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 폴리머는 PP(Polypropylene), PBT(Polybutylene trrephthalate), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PVC(Polyvinyl chloride), PE(Polyethylene), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 계열 또는 이들의 혼합형 소재일 수 있다.
상기 하우징은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 은(Ag), 금(Au) 계열 또는 이들의 혼합형 소재를 포함할 수 있다.
상기 전해질 온도 조절부는 전해질 배관과 일체형이거나, 상기 전해질 배관에 탈·부착될 수 있다.
상기 다채널의 흐름 통로는 채널과 채널 사이의 간격이 채널 직경길이 내지 채널 직경길이의 2배로 유지될 수 있다.
또한, 상기 제2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면은 상기 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공한다. 상기 레독스 흐름 전지는 복수의 전지 셀이 적층된 전지 스택; 전해질을 저장하는 전해질 탱크; 및 상기 전해질 탱크의 전해질을 전지 스택으로 공급하고, 상기 전지 스택에서 사용된 전해질을 전해질 탱크로 회수하는 전해질 순환부를 포함하고, 상기 전해질 순환부는 전해질 탱크의 양극 전해질 배출구와 전지 스택의 양극 전해질 주입구를 연결하는 제1 배관; 상기 전지 스택의 양극 전해질 배출구와 전해질 탱크의 양극 전해질 주입구를 연결하는 제2 배관; 제1 배관에 설치되어 양극 전해질을 순환시키는 제1 펌프; 전해질 탱크의 음극 전해질의 배출구와 전지 스택의 음극 전해질 주입구를 연결하는 제3 배관; 상기 전지 스택의 음극 전해질 배출구와 전해질 탱크의 음극 전해질 주입구를 연결하는 제4 배관; 및 제3 배관에 설치되어 음극 전해질을 순환시키는 제2 펌프를 포함하고, 상기 제2 배관 및 제4 배관 중 적어도 하나의 배관의 일부에는 전해질 온도 조절부가 형성되고, 상기 전해질 온도 조절부는 전해질 배관 유입구; 전해질 배관 유출구; 상기 전해질 배관 유입구 및 전해질 배관 유출구 사이에 형성되는 2개 이상의 다채널의 흐름 통로; 및 상기 다채널의 흐름 통로를 감싸는 하우징을 포함한다.
또한, 상기 레독스 흐름 전지는 상기 전해질 온도 조절부 상에 냉각장치를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각장치는 수냉 장치 및 공냉 장치 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 수냉 장치는 냉매가 흐르는 배관을 전해질 온도 조절부를 감싸도록 나선형태로 둘러싸는 구조로 형성될 수 있다.
상기 공냉 장치는 전해질 온도 조절부와 대향하도록 위치하고, 팬(fan)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 전해질 탱크 전체를 냉각시키는 시스템과 달리, 전지 스택에서 전해질 탱크로 전달되는 배관의 일부분에 전해질 온도 조절부를 연결하여 다채널 흐름 통로를 형성시킴으로써, 상기 전해질이 다채널로 분산되어 유동 전해질의 열 교환 표면적의 확대에 의해 전해질 온도가 1차로 분산 냉각되고, 냉각장치를 포함하는 경우 냉각장치로 2차 냉각되는 동안에도 유체 전해질의 열 교환 표면적이 넓으므로 냉각 효율이 향상되므로, 냉각에 필요한 에너지를 적게 소요하면서도 효과적으로 레독스 흐름 전지 내의 유동 전해질의 온도를 냉각시킴으로써 양극 전해질 침전방지를 통해 전지 에너지효율 및 용량(capacity)을 우수하게 유지시킬 수 있다. 또한, 상기 전해질 온도 조절부는 탈/부착이 가능하므로 공간 활용도가 높고, 종래의 전해질 탱크 전체 냉각과는 달리 배관 일부를 냉각 대상으로 하므로 설치가 간편하고, 경제적이다.
다만, 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 레독스 흐름 전지의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 종래 레독스 흐름 전지에서 (a) 저온 환경과 (b) 고온 환경에서의 전해질 탱크 내의 전해질 모습을 나타내는 사진이다.
도 3은 일반적인 레독스 흐름 전지의 전해질 배관 내의 전해질 유속을 나타내기 위해, 유체 경도와 점도를 포함한 속도분포를 시각적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 온도 조절부가 구비된 레독스 흐름 전지의 일부 구성을 나타내는 모식도이다.
도 7은 도 6에 도시한 전지 스택 중 하나의 전지 셀을 나타낸 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전해질 온도 조절부에 있어서, 다채널 상에 수냉식 냉각장치를 더 포함하는 전해질 온도 조절부를 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전해질 온도 조절부에 있어서, 다채널 상에 공냉식 냉각장치를 더 포함하는 전해질 온도 조절부를 나타낸 모식도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 온도 조절부의 유무에 따른, 레독스 흐름 전지의 고온 조건에서의 100 사이클 구동시 에너지 효율의 변화를 비교한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 온도 조절부의 유무에 따른, 레독스 흐름 전지의 고온 조건에서의 1 사이클 구동시 방전 용량을 비교한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 온도 조절부의 유무에 따른, 레독스 흐름 전지의 고온 조건에서의 100 사이클 구동시 방전 용량을 비교한 그래프이다.
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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
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 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
[다채널로 구성된 전해질 온도 조절부]
본 발명의 일 측면은 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 제공한다.
본 발명에 따른 전해질 온도 조절부는 전해질 배관에 있어서, 전해질 배관 유입구와 전해질 배관 유출구 사이의 배관을 다채널로 구성하여 레독스 흐름 전지 전해질과 냉각 장치 간의 열 교환을 극적으로 높여 전해질 온도 상승을 억제할 수 있는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 전해질 배관 내에서 전해질의 움직임은 배관 내의 유속 이론에 의해 층류(laminar flow)를 지님으로써, 배관 내 중심을 기준으로 상이한 동적 움직임으로 변환될 수 있는데, 이러한 전해질의 유속 분포를 도 3에 나타내었다.
도 3은 일반적인 레독스 흐름 전지의 전해질 배관 내의 전해질 유속을 나타내기 위해, 유체 경도와 점도를 포함한 속도분포를 시각적으로 나타낸 것이다.
도 3에 따른 전해질 유속 분포는 하기 수학식 1로 표현할 수 있다.
[수학식 1]
도 3 및 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 배관 내 중심으로부터 멀리 분포하는 유체의 속도가 상대적으로 중심에 비해 유동 속도가 빠르다. 이는 배관 직경이 증가할수록, 즉, 배관 크기가 대형화될수록 중심의 유체를 빠른 시간 내로 냉각하는 것이 어려워지며, 반대로 배관 크기가 작아질수록 중심의 유체를 빠른 시간 내로 냉각하는 것이 가능해진다.
따라서, 본 발명은 이 점을 착안한 것으로, 배관 유입구와 배관 유출구 사이의 배관을 작은 배관 직경을 가진 다채널로 구성하여 다채널 흐름 통로(multi-channel flow path) 구조를 형성함으로써, 고온의 전해질이 다채널로 분배되어 유체 전해질의 열교환 표면적이 증가하여 일반 단일 채널의 배관을 사용하는 경우에 비하여 빠른 시간 내로 냉각되는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 나타낸 모식도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전해질 온도 조절부는 레독스 흐름 전지 스택 배출구로부터 연결된 전해질 배관(31)에 연결되되, 전해질 배관 유입구(41) 및 전해질 배관 유출구(42) 사이에 2개 이상의 다채널의 흐름 통로(43)가 형성된 것을 특징으로 한다. 상기 다채널의 흐름 통로는 다양한 형태로 배열될 수 있으며, 예컨대 도 4의 다발형 배열, 도 5의 직선형 배열 등으로 배열될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 다채널의 흐름 통로의 소재는 산성 및 염기성에 내성을 가진 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 폴리머는 PP(Polypropylene), PBT(Polybutylene trrephthalate), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PVC(Polyvinyl chloride), PE(Polyethylene), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 계열 또는 이들의 혼합형 소재일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 다채널의 흐름 통로는 열교환이 신속하게 이루어질 수 있도록 채널과 채널 사이의 간격을 채널 직경길이 내지 채널 직경길이의 2배로 유지시킬 수 있다. 만일 상기 채널 사이의 간격이 채널 직경길이보다 좁으면, 열교환시 인근 채널에 다시 열을 전달하여 냉각 효율을 저하시킬 수 있으며, 상기 채널 사이의 간격이 채널 직경길이의 2배보다 넓으면, 동일한 면적 내에 형성할 수 있는 채널의 개수가 적어지므로, 전해질의 흐름이 원활하게 흐르지 못하는 문제가 있다.
본 발명에 따른 전해질 온도 조절부는 열교환 특성을 향상시키기 위하여 상기 다채널의 흐름 통로를 감싸는 하우징(44)을 포함할 수 있다. 상기 하우징 소재는 열을 외부로 신속히 빠져나올 수 있도록 뛰어난 열교환 특성을 가진 금속을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 금속으로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 은(Ag), 금(Au) 계열 또는 이들의 혼합형 소재를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전해질 온도 조절부는 레독스 흐름 전지용 배관과 일체형으로 구성되거나, 상기 레독스 흐름 전지용 배관에 탈·부착이 가능한 형태로 구성될 수 있다.
[다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 포함하는 레독스 흐름 전지]
본 발명의 다른 측면은 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 온도 조절부가 구비된 레독스 흐름 전지의 일부 구성을 나타내는 모식도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 전지 스택(10), 전해질 탱크(20), 전해질 순환부(31, 32) 및 전해질 온도 조절부(40)를 포함한다.
상기 전지 스택(10)은 복수의 전지 셀로 구성될 수 있으며, 전해질 탱크(20)는 양극 전해질과 음극 전해질을 저장한다. 상기 전해질 순환부(31, 32)는 전해질 탱크(20)의 양극 전해질 및 음극 전해질을 전지 스택(10)으로 공급하며, 전지 스택(10)에서 사용된 양극 전해질 및 음극 전해질을 전해질 탱크(20)로 회수한다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 바나듐 레독스 흐름 전지일 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니며, 반응열에 의해 전지 스택(10)의 온도가 상승하여 상기 전지 스택(10)에서 배출되어 전해질 탱크(20)로 회수되는 전해질의 온도를 낮추어야 하는 타입이라면 모두 적용 가능하다.
상기 전지 스택(10)은 복수의 전지 셀로 구성되고, 상기 전지 셀은 당 업계에 공지된 레독스 흐름 전지 셀을 사용할 수 있다.
도 7은 전지 스택 중 하나의 전지 셀을 나타낸 분해 사시도이다.
일례로서, 상기 전지 셀은 도 7을 참조하면, 이온 교환막인 멤브레인(11)과, 멤브레인(11)을 사이에 두고 위치하는 제1 및 제2 다공성 전극과, 제1 및 제2 다공성 전극(12, 13)의 가장자리에서 제1 및 제2 다공성 전극(12, 13)을 각각 고정시키는 제1 및 제2 플로우 프레임(14, 15)과, 제1 및 제2 다공성 전극(12, 13)의 외측에 각각 위치하는 양극 전극(16) 및 음극 전극(17)을 포함한다.
이웃한 두 개의 전지 셀에서 양극 전극(16)과 음극 전극(17)은 일체로 형성되며, 이를 바이폴라 플레이트라 한다. 제1 및 제2 다공성 전극(12, 13)은 카본 펠트로 제작될 수 있고, 양극 및 음극 전극(16, 17)은 그라파이트로 제작될 수 있다. 그리고 제1 및 제2 플로우 프레임(14, 15)에는 전해질 순환을 위한 네 개의 홀이 형성될 수 있다.
제1 플로우 프레임(14)에서 네 개의 홀 중 하나는 양극 전해질 주입구이고, 다른 하나는 양극 전해질 배출구이며, 나머지 두 개는 음극 전해질 통과공이다. 제1 플로우 프레임(14)에는 양극 전해질 주입구와 제1 다공성 전극(12) 사이 및 제1 다공성 전극(12)과 양극 전해질 배출구 사이에 유로가 형성되어 제1 다공성 전극(12)에 양극 전해질이 흐르도록 한다.
제2 플로우 프레임(15)에서 네 개의 홀 중 하나는 음극 전해질 주입구이고, 다른 하나는 음극 전해질 배출구이며, 나머지 두 개는 양극 전해질 통과공이다. 제2 플로우 프레임(15)에는 음극 전해질 주입구와 제2 다공성 전극(13) 사이 및 제2 다공성 전극(13)과 음극 전해질 배출구 사이에 유로가 형성되어 제2 다공성 전극(13)에 음극 전해질이 흐르도록 한다.
양극 및 음극 전해질에 포함된 서로 다른 산화수를 가지는 두 종류의 레독스 커플(바나듐-바나듐 등)이 제1 및 제2 다공성 전극(12, 13)에서 반응함으로써 충방전이 이루어진다. 구체적으로 산화 반응에 의해 충전이 이루어지고, 환원 반응에 의해 방전이 이루어진다.
상기 전해질 탱크(20)는 양극 전해질을 저장하는 양극 전해질 탱크(21) 및 음극 전해질을 저장하는 음극 전해질 탱크(22)로 분리되어 형성되거나, 하나의 전해질 탱크(22)에서 칸막이에 의해 양극 전해질을 저장하는 제1 챔버와, 음극 전해질을 저장하는 제2 챔버를 포함하도록 구성될 수 있다. 이때 칸막이가 형성되는 경우, 상기 칸막이는 전해질 탱크보다 낮은 높이로 형성되어 챔버들 간에 전해질 이동을 가능하게 한다. 즉, 특정 챔버에서 전해질의 수위가 칸막이보다 높아지면 이웃한 다른 챔버로 전해질이 이동할 수 있다.
상기 전해질 순환부(31, 32)는 전해질 탱크(20)의 양극 전해질 배출구와 전지 스택(10)의 양극 전해질 주입구를 연결하는 제1 배관과, 상기 전지 스택의 양극 전해질 배출구와 전해질 탱크의 양극 전해질 주입구를 연결하는 제2 배관과, 제1 배관에 설치되어 양극 전해질을 순환시키는 제1 펌프를 포함한다.
또한, 전해질 탱크의 음극 전해질의 배출구와 전지 스택의 음극 전해질 주입구를 연결하는 제3 배관과, 상기 전지 스택의 음극 전해질 배출구와 전해질 탱크의 음극 전해질 주입구를 연결하는 제4 배관과, 제3 배관에 설치되어 음극 전해질을 순환시키는 제2 펌프를 포함한다.
양극 전해질은 제1 배관을 통해 전지 스택(10)으로 공급되어 각 전지 셀의 제1 다공성 전극(12)에 제공되며, 각 전지 셀에서 화학 반응을 거친 양극 전해질은 제2 배관을 통해 양극 전해질 탱크(21)로 회수된다.
음극 전해질은 제3 배관을 통해 전지 스택(10)으로 공급되어 각 전지 셀의 제2 다공성 전극(13)에 제공되며, 각 전지 셀에서 화학 반응을 거친 음극 전해질은 제4 배관을 통해 다시 음극 전해질 탱크(22)로 회수된다.
양극 전해액과 음극 전해액이 전지 스택(10) 내부를 순환하면서 산화/환원 반응을 일으키며, 이 과정에서 반응열이 발생하므로 전지 스택(10)의 내부 온도가 상승하고, 이에 전지 스택 내에서 배출되는 전해질 또한 온도가 상승한다.
레독스 흐름 전지는 전해질이 전지 스택(10)과 전해질 탱크(20) 사이를 순환하는 구조이므로, 전지 스택에서 가열된 고온의 전해질의 경우, 전해질 탱크로 회수되어 전해질 탱크에서 부반응을 일으키므로, 전해질 탱크로 회수되기 전에 배관 내에서 냉각시킴으로써 전해질의 온도를 낮추는 것이 필수적이다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 전술한 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부(40)를, 전해질 탱크(20)의 전해질 배출구와 전지 스택(10)의 전해질 주입구를 연결하는 배관(제2 배관 또는 제4 배관)의 일부에 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 전해질 온도 조절부(40)는 배관 유입구와 배관 유출구 사이의 배관을 작은 배관 직경을 가진 다채널로 구성하여 다채널 흐름 통로(multi-channel flow path) 구조를 형성함으로써, 고온의 전해질이 다채널로 분배되어 유체 전해질의 열교환 표면적이 증가하여 일반 단일 채널의 배관을 사용하는 경우에 비하여 빠른 시간 내로 전해질을 냉각시킬 수 있다. 또한, 상기 전해질 온도 조절부에 있어서, 상기 다채널 흐름 통로를 감싸는 금속 재질의 하우징으로 인해 외부로의 열 배출이 촉진됨으로써 전해질의 냉각 효율이 더욱 증가할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 상기 전해질 온도 조절부(40) 상에 냉각장치(50)를 더 포함할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전해질 온도 조절부 상에 냉각장치를 배치한 것을 나타낸 모식도이다.
도 8을 참조하면, 상기 냉각장치는 냉매를 이용한 수냉 장치일 수 있으며, 일례로서 냉매가 흐르는 배관을 상기 전해질 온도 조절부를 감싸도록 나선형태로 둘러싸는 구조로 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 수냉 장치의 냉매는 물, 에틸렌 글리콜(EG) 및 프로필렌 글리콜(PG)로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 9를 참조하면, 상기 냉각장치는 공기를 냉각시키는 공냉 장치일 수 있으며, 일례로서 팬(fan)을 포함함으로써, 상기 팬으로 공기를 냉각시켜 전해질 온도 조절부(40)를 냉각시킬 수 있다.
상기 냉각장치는 상기 냉각장치의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 전해질 탱크 전체를 냉각시키는 시스템과 달리, 전지 스택에서 전해질 탱크로 전달되는 배관의 일부분에 전해질 온도 조절부를 연결하여 다채널 흐름 통로를 형성시킴으로써, 상기 전해질이 다채널로 분산되어 유동 전해질의 열 교환 표면적의 확대에 의해 전해질 온도가 1차로 분산 냉각되고, 냉각장치를 포함하는 경우 냉각장치로 2차 냉각되는 동안에도 유체 전해질의 열 교환 표면적이 넓으므로 냉각 효율이 향상되므로, 냉각에 필요한 에너지를 적게 소요하면서도 효과적으로 레독스 흐름 전지 내의 유동 전해질의 온도를 냉각시킴으로써 양극 전해질 침전방지를 통해 전지 에너지효율 및 용량(capacity)을 우수하게 유지시킬 수 있다. 또한, 상기 전해질 온도 조절부는 탈/부착이 가능하므로 공간 활용도가 높고, 종래의 전해질 탱크 전체 냉각과는 달리 배관 일부를 냉각 대상으로 하므로 설치가 간편하고, 경제적이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 제조예 및 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 제조예 및 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 제조예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[제조예 1]
도 6에 나타낸 바와 같이, 전지 스택(10), 전해질 탱크(20) 및 전해질 순환부(31, 32)를 포함하고, 상기 전해질 순환부(31, 32)에 있어서, 상기 전지 스택(10)의 전해질 유출구 및 전해질 탱크(20)의 전해질 유입구를 연결하는 배관(31)의 일부에 다채널로 구성되되, 상기 다채널의 배열 형태가 도 4에 따른 다발형으로 구성된 전해질 온도 조절부(40)가 구비된 레독스 흐름 전지를 제작하였다.
[제조예 2]
도 6에 나타낸 바와 같이, 전지 스택(10), 전해질 탱크(20) 및 전해질 순환부(31, 32)를 포함하고, 상기 전해질 순환부(31, 32)에 있어서, 상기 전지 스택(10)의 전해질 유출구 및 전해질 탱크(20)의 전해질 유입구를 연결하는 배관(31)의 일부에 다채널로 구성되되, 상기 다채널의 배열 형태가 도 5에 따른 직선형으로 구성된 전해질 온도 조절부(40)가 구비된 레독스 흐름 전지를 제작하였다.
[제조예 3]
도 6에 나타낸 바와 같이, 전지 스택(10), 전해질 탱크(20) 및 전해질 순환부(31, 32)를 포함하고, 상기 전해질 순환부(31, 32)에 있어서, 상기 전지 스택(10)의 전해질 유출구 및 전해질 탱크(20)의 전해질 유입구를 연결하는 배관(31)의 일부에 다채널로 구성되되, 상기 다채널의 형태가 도 4에 따른 다발형으로 구성된 전해질 온도 조절부(40)가 구비되고, 도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 온도 조절부(40)를 나선형으로 감싸도록 수냉식 냉각장치(50)가 형성된 레독스 흐름 전지를 제작하였다.
[제조예 4]
도 6에 나타낸 바와 같이, 전지 스택(10), 전해질 탱크(20) 및 전해질 순환부(31,32)를 포함하고, 상기 전해질 순환부(31,32)에 있어서, 상기 전지 스택(10)의 전해질 유출구 및 전해질 탱크(20)의 전해질 유입구를 연결하는 배관(31)의 일부에 다채널로 구성되되, 상기 다채널의 형태가 도 4에 따른 다발형으로 구성된 전해질 온도 조절부(40)가 구비되고, 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 온도 조절부(40)를 대향하여 공냉식 냉각장치(50)가 형성된 레독스 흐름 전지를 제작하였다.
[비교예 1]
도 1에 나타낸 바와 같이, 전지 스택(10), 전해질 탱크(20) 및 전해질 순환부(31, 32)를 포함하고, 온도 조절부는 구비되지 않은, 레독스 흐름 전지를 제작하였다.
[실험예 : 전해질 온도 조절부의 유무에 따른 레독스 흐름 전지의 성능 비교]
본 발명에 따른 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부가 레독스 흐름 전지의 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
구체적으로, 전해질 온도 조절부가 구비된 제조예 1의 레독스 흐름 전지와 전해질 온도 조절부가 구비되지 않은 비교예 1의 레독스 흐름 전지에 대하여, 100 사이클 구동시 에너지 효율을 변화를 측정하여 도 10 및 표 1에 나타내었다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 온도 조절부의 유무에 따른, 레독스 흐름 전지의 고온 조건에서의 100 사이클 구동시 에너지 효율의 변화를 비교한 그래프이다.
실시예 1 비교예 1
100 사이클 평균 에너지 효율
(%)		 81.659 67.341
도 10 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 구비하지 않은 비교예 1의 레독스 흐름 전지는 구동 사이클이 증가함에 따라 발열반응에 의해 전해질 내에 침전이 발생하여 에너지효율이 저하되는 것으로 나타났으나, 본 발명에 따른 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 구비한 실시예 1의 레독스 흐름 전지는 구동시 가열된 전해질이 다채널 흐름 통로에 의해 효과적으로 냉각됨으로써 전해질 침전이 억제되어 구동 사이클이 증가하더라도 레독스 흐름 전지의 에너지 효율이 약 80% 정도로 유지되는 것을 알 수 있다.
다음으로, 전해질 온도 조절부가 구비된 제조예 1의 레독스 흐름 전지와 전해질 온도 조절부가 구비되지 않은 비교예 1의 레독스 흐름 전지에 대하여, 1 사이클 구동 및 100 사이클 구동시 방전 용량의 변화를 측정하여 도 11, 도 12 및 표 2에 나타내었다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 온도 조절부의 유무에 따른, 레독스 흐름 전지의 고온 조건에서의 1 사이클 구동시 방전 용량을 비교한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 온도 조절부의 유무에 따른, 레독스 흐름 전지의 고온 조건에서의 100 사이클 구동시 방전 용량을 비교한 그래프이다.
실시예 1 비교예 1
100 사이클 방전 용량 보존율
(%)		 88.04 53.82
도 11, 도 12 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 다채널로 구성된 전해질 온도 조절부를 구비한 레독스 흐름 전지는 상기 전해질 온도 조절부를 구비하지 않은 비교예와 비교시 1 사이클에서도 방전 용량이 더 높게 나타났으며, 100 사이클 후에는 그 차이가 현저하게 나타났다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전해질 온도 조절부를 구비한 레독스 흐름 전지는 전해질 온도 조절부 내의 다채널 흐름 통로(multi-channel flow path)에 의해 유동 전해질의 온도를 분산 냉각시킴으로써 전해질 침전방지를 통해 레독스 흐름 전지의 전지 성능을 저하시키지 않고 우수한 에너지 효율 및 방전 용량을 지속적으로 유지할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 상기 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.
10 : 레독스 흐름 전지의 전지 스택(stack)
20 : 레독스 흐름 전지의 전해질 탱크
31, 32 : 전해질 순환부
40 : 본 발명에 따른 전해질 온도 조절부
41 : 전해질 온도 조절부의 전해질 유입구
42 : 전해질 온도 조절부의 전해질 유출구
43 : 전해질 온도 조절부의 채널 흐름 통로
44 : 전해질 온도 조절부 하우징
50 : 냉각장치

Claims (11)

  1. 레독스 흐름 전지의 전해질 배관에 연결되는 전해질 온도 조절부이되,
    전해질 배관 유입구;
    전해질 배관 유출구;
    상기 전해질 배관 유입구 및 전해질 배관 유출구 사이에 형성되는 2개 이상의 다채널의 흐름 통로; 및
    상기 다채널의 흐름 통로를 감싸는 하우징을 포함하는, 전해질 온도 조절부.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다채널의 흐름 통로의 소재는 산성 및 염기성에 내성을 가진 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해질 온도 조절부.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 폴리머는 PP(Polypropylene), PBT(Polybutylene trrephthalate), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PVC(Polyvinyl chloride), PE(Polyethylene), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 계열 또는 이들의 혼합형 소재인 것을 특징으로 하는, 전해질 온도 조절부.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 은(Ag), 금(Au) 계열 또는 이들의 혼합형 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해질 온도 조절부.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 온도 조절부는 전해질 배관과 일체형이거나, 상기 전해질 배관에 탈·부착되는 것을 특징으로 하는, 전해질 온도 조절부.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다채널의 흐름 통로는 채널과 채널 사이의 간격이 채널 직경길이 내지 채널 직경길이의 2배로 유지되는 것을 특징으로 하는, 전해질 온도 조절부.
  7. 복수의 전지 셀이 적층된 전지 스택;
    전해질을 저장하는 전해질 탱크; 및
    상기 전해질 탱크의 전해질을 전지 스택으로 공급하고, 상기 전지 스택에서 사용된 전해질을 전해질 탱크로 회수하는 전해질 순환부를 포함하고,
    상기 전해질 순환부는 전해질 탱크의 양극 전해질 배출구와 전지 스택의 양극 전해질 주입구를 연결하는 제1 배관; 상기 전지 스택의 양극 전해질 배출구와 전해질 탱크의 양극 전해질 주입구를 연결하는 제2 배관; 제1 배관에 설치되어 양극 전해질을 순환시키는 제1 펌프; 전해질 탱크의 음극 전해질의 배출구와 전지 스택의 음극 전해질 주입구를 연결하는 제3 배관; 상기 전지 스택의 음극 전해질 배출구와 전해질 탱크의 음극 전해질 주입구를 연결하는 제4 배관; 및 제3 배관에 설치되어 음극 전해질을 순환시키는 제2 펌프를 포함하고,
    상기 제2 배관 및 제4 배관 중 적어도 하나의 배관의 일부에는 전해질 온도 조절부가 형성되고,
    상기 전해질 온도 조절부는 전해질 배관 유입구; 전해질 배관 유출구; 상기 전해질 배관 유입구 및 전해질 배관 유출구 사이에 형성되는 2개 이상의 다채널의 흐름 통로; 및 상기 다채널의 흐름 통로를 감싸는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전해질 온도 조절부 상에 냉각장치를 더 포함하는, 레독스 흐름 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉각장치는 수냉 장치 및 공냉 장치 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수냉 장치는 냉매가 흐르는 배관을 전해질 온도 조절부를 감싸도록 나선형태로 둘러싸는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름 전지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 공냉 장치는 전해질 온도 조절부와 대향하도록 위치하고, 팬(fan)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 레독스 흐름 전지.
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