KR20240034449A - 레독스 흐름전지 시스템 - Google Patents

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권용재
신민규
노찬호
현규환
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템은, 전지부; 상기 전지부의 음극에 공급되는 음극 전해액을 포함하는 음극 전해액 탱크; 상기 전지부의 양극에 공급되는 양극 전해액을 포함하는 양극 전해액 탱크; 및 상기 음극 전해액 탱크 및 상기 양극 전해액 탱크를 연결하는 대기 공유 관;을 포함한다.

Description

레독스 흐름전지 시스템{REDOX FLOW BATTERY SYSTEM}
본 발명은 레독스 흐름전지 시스템에 관한 것이다.
신재생 에너지의 문제점인 발전의 간헐성, 전력 품질의 불균일성 등을 해결하기 위한 에너지 저장장치(Energy Storage System; ESS)의 중요성이 증대되고 있다. ESS용 전지는 대용량, 고안전성이 반드시 요구된다. 이때, 레독스 흐름전지 (Redox Flow Battery; RFB)는 출력과 용량을 따로 조절할 수 있다는 특성과 수계 전해액을 사용할 경우 발화 및 폭발의 위험이 매우 낮다는 점에서 ESS용 전지로서 매우 우수하다.
레독스 흐름전지는 활물질(Active material) 종류에 따라서 그 특성이 결정된다. 이때 수계 기반 전해액을 사용할 경우 양극 또는 음극 활물질의 전위에 따라 충전 시 전해액의 전기분해로 인한 기체 (산소 혹은 수소)가 발생할 수 있다. 이러한 부반응은 레독스 흐름 전지의 장기 안정성에 문제를 발생시키며, 특히, 음극과 양극의 충방전 불균형을 유발하여 지속적인 용량 저하를 야기한다. 이에 따라 이러한 문제를 해결하기 위한 기술이 개발될 필요가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 기체 발생에 의한 레독스 흐름 전지의 충방전 불균형 문제를 해결하기 위한 것으로, 기체가 발생되는 수계 레독스 흐름 전지에서의 음극액과 양극액 대기를 공유하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템은, 전지부; 상기 전지부의 음극에 공급되는 음극 전해액을 포함하는 음극 전해액 탱크; 상기 전지부의 양극에 공급되는 양극 전해액을 포함하는 양극 전해액 탱크; 및 상기 음극 전해액 탱크 및 상기 양극 전해액 탱크를 연결하는 대기 공유 관;을 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 대기 공유 관은, 상기 양극 전해액 탱크로부터 발생한 기체를 상기 음극 전해액 탱크로 회수하여 상기 음극 전해액과 반응시키는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 대기 공유 관의 내경은 3 mm 내지 30 mm인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극 전해액 탱크 방향의 상기 대기 공유 관은, 상기 기체를 흡입하는 석션;을 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 음극 전해액 탱크 방향의 상기 대기 공유 관은, 상기 흡입된 기체를 분사하는 노즐;을 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 전지부는, 음극 전해액 및 음극을 포함하는 제1 하프-셀; 양극 전해액 및 양극을 포함하는 제2 하프-셀; 및 상기 제1 하프-셀 및 상기 제2 하프-셀 사이에 게재된 분리막;을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 음극은 음극 활물질을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극은 양극 활물질을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극 활물질은, 페리시안화물(M3Fe(CN)6) (M은 Li, Na, K 및 NH4임) 페로시안화물(M4Fe(CN)6) (M은 Li, Na, K 및 NH4임), 페로센(C10H10Fe) 및 이의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 음극 활물질은, Bis-Tris (2-비스(2-히드록시에틸)아미노-2-(히드록시메틸)-1,3-프로판디올), MES (2-(N-모르폴리노)에탄설폰산), ADA (N-(2-아세트아미도) 이미노디아세트산), PIPES (피페라진-N,N'-비스(2-에탄설폰산), ACES (N-(2-아세트아미도)-2-아미노에탄설폰산), BES (N,N-비스(2-히드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산), MOPS (3-(N-모르폴리노) 프로판설폰산), TES (N-트리스(히드록시메틸)메틸-2-아미노에탄설폰산), HEPES (N-2-히드록시에틸-피페라진-N'-2-에탄설폰산), DIPSO (3-(N,N-비스[2-하이드로에틸]아미노)-2-하이드록시프로판설포닉산), TEA (트리에탄올아민) 및 TiPA (트리이소프로판올아민)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템은, 음극 전해액 탱크 및 양극 전해액 탱크를 연결하는 대기 공유 관을 포함함으로써, 수계 레독스 흐름전지에서 충전 시 발생할 수 있는 기체를 배기하지 않고 회수하여 전해액과 접촉시켜 반응을 유도할 수 있다. 따라서, 양극 전해액과 음극 전해액이 같은 대기를 공유하는 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 시스템은, 기타 조절을 진행하지 않고 일정 수준 부반응 발생 시 발생하는 물질을 반대쪽 전해액과 접촉시켜 발생한 물질의 화학 반응을 유도하는 방식을 채택할 수 있다. 따라서, 부반응이 발생하여도 발생하는 가스를 처리할 수 있을 뿐만 아니라 전압 조절 등의 추가적인 작업을 수행하지 않아도 안정적으로 전지를 구동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템(100)의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 대기 미공유 시스템과 실시예에 따른 공유 시스템을 사용한 레독스 흐름 전지 구동 실험의 사이클 횟수에 따른 방전용량 측정 그래프이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 대기 미공유 시스템을 이용하는 레독스 흐름 전지 구동 실험 중 산소를 주입한 경우에서의 사이클 횟수에 따른 방전용량 측정 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 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.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 레독스 흐름전지 시스템에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템은, 전지부; 상기 전지부의 음극에 공급되는 음극 전해액을 포함하는 음극 전해액 탱크; 상기 전지부의 양극에 공급되는 양극 전해액을 포함하는 양극 전해액 탱크; 및 상기 음극 전해액 탱크 및 상기 양극 전해액 탱크를 연결하는 대기 공유 관;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템은, 음극 전해액 탱크 및 양극 전해액 탱크를 연결하는 대기 공유 관을 포함함으로써, 수계 레독스 흐름전지에서 충전 시 발생할 수 있는 기체를 배기하지 않고 회수하여 전해액과 접촉시켜 반응을 유도할 수 있다. 따라서, 양극 전해액과 음극 전해액이 같은 대기를 공유하는 상태를 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템(100)의 개략적인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지 시스템(100)은, 전지부(110), 음극 전해액 탱크(120) 및 양극 전해액 탱크(130)를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 전지부(110)는, 음극 전해액(122) 및 음극(112)을 포함하는 제1 하프-셀(114); 양극 전해액(132) 및 양극(116)을 포함하는 제2 하프-셀(118); 및 상기 제1 하프-셀(114) 및 상기 제2 하프-셀(118) 사이에 게재된 분리막(115);을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 시스템(110)은, 상기 음극 전해액 탱크(120)로부터 음극 전해액(122)을 제1 하프-셀(114)로 펌핑하기 위한 제1 펌프(142) 및 상기 양극 전해액 탱크(130)로부터 음극 전해액(132)을 제2 하프-셀(124)로 펌핑하기 위한 제2 펌프(144)를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 음극(112)은 상기 제1 펌프(142)를 통해 상기 음극 전해액 탱크(120)로부터 상기 전지부(110)의 음극 전해액(122)이 공급되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극(116)은 상기 제2 펌프(144)를 통해 상기 양극 전해액 탱크(130)로부터 전지부(110)의 양극 전해액(132)이 공급되는 것일 수 있다.
상기 음극 전해액 탱크(120) 및 상기 양극 전해액 탱크(130)는, 전지부(110)를 통해 흐른 전해액을, 흐르지 않은 전해액으로부터 격리할(segregate) 수도 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 대기 공유 관(150)은, 음극 전해액 탱크 및 양극 전해액 탱크를 연결하여 음극 전해액과 양극 전해액의 대기를 공유할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 대기 공유 관(150)은, 상기 양극 전해액 탱크(130)로부터 발생한 기체를 상기 음극 전해액 탱크(120)로 회수하여 상기 음극 전해액(122)과 반응시키는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 기체는, 부반응으로 발생하는 기체로서, 수소 가스, 산소 가스 및 부산물들로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 대기 공유 관(150)의 내경은 3 mm 내지 30 mm; 3 mm 내지 25 mm; 3 mm 내지 20 mm; 3 mm 내지 15 mm; 3 mm 내지 10 mm; 3 mm 내지 5 mm; 5 mm 내지 30 mm; 5 mm 내지 25 mm; 5 mm 내지 20 mm; 5 mm 내지 15 mm; 5 mm 내지 10 mm; 10 mm 내지 30 mm; 10 mm 내지 25 mm; 10 mm 내지 20 mm; 10 mm 내지 15 mm; 15 mm 내지 30 mm; 15 mm 내지 25 mm; 15 mm 내지 20 mm; 20 mm 내지 30 mm; 20 mm 내지 25 mm; 또는 25 mm 내지 30 mm;인 것일 수 있다.
상기 내경이 3 mm 미만인 경우 기체 유동 저항으로 인하여 정상적인 가스 부산물 이동이 발생하지 않는 문제가 발생할 수 있고, 30 mm 초과인 경우 큰 관 부피에 의하여 기체 유동이 없이 관 내부에 축적되는 문제가 발생할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극 전해액 탱크(130) 방향의 상기 대기 공유 관(150)은, 상기 기체를 흡입하는 석션(미도시);을 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 석션은 상기 대기 공유 관(150)에서 상기 기체를 보다 빠르게 흡입할 수 있게 도움을 준다.
일 실시형태에 있어서, 상기 음극 전해액 탱크 방향의 상기 대기 공유 관은, 상기 흡입된 기체를 분사하는 노즐(미도시);을 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 노즐은 상기 기체가 상기 음극 전해액(122)과 반응이 더 잘 일어나게 도움을 준다.
일 실시형태에 있어서, 상기 음극(112)은 음극 활물질을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 음극 활물질은, Bis-Tris (2-비스(2-히드록시에틸)아미노-2-(히드록시메틸)-1,3-프로판디올), MES (2-(N-모르폴리노)에탄설폰산), ADA (N-(2-아세트아미도) 이미노디아세트산), PIPES (피페라진-N,N'-비스(2-에탄설폰산), ACES (N-(2-아세트아미도)-2-아미노에탄설폰산), BES (N,N-비스(2-히드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산), MOPS (3-(N-모르폴리노) 프로판설폰산), TES (N-트리스(히드록시메틸)메틸-2-아미노에탄설폰산), HEPES (N-2-히드록시에틸-피페라진-N'-2-에탄설폰산), DIPSO (3-(N,N-비스[2-하이드로에틸]아미노)-2-하이드록시프로판설포닉산), TEA (트리에탄올아민) 및 TiPA (트리이소프로판올아민)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 음극 활물질은, 철 화합물과 혼합되어 사용할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 철 화합물은 황산철(Ⅱ)(FeSO4), 황산철(Ⅲ)((FeSO4)3), 질산철(Ⅱ)(Fe(NO3)2), 질산철(Ⅲ)(Fe(NO3)3), 아이언(Ⅱ)아세틸아세토네이트(Fe(acac)2), 아이언(Ⅲ) 아세틸아세토네이트(Fe(acac)3), 아이언(Ⅱ)트리플루오로아세틸아세토네이트(Fe(tfac)2), 아이언(Ⅲ)(트리플루오로아세틸아세토네이트(Fe(tfac)3), 아이언(Ⅱ)아세테이트(Fe(ac)2), 아이언(Ⅲ)아세테이트(Fe(ac)3), 염화철(Ⅱ)(FeCl2), 염화철(Ⅲ)(FeCl3), 브롬화철(Ⅱ))(FeBr2), 브롬화철(Ⅲ)(FeBr3), 과염소산철(Fe(ClO4)3), 아이언설파메이트(Fe(NH2SO3)2), 스테아르산철(Ⅱ)(CH2)16COO)2Fe), 스테아르산철(Ⅲ)(CH3(CH2)16COO)3Fe), 올레산철(Ⅱ)((CH3(CH2)7CHCH(CH2)7COO)2Fe), 올레산철(Ⅲ)((CH3(CH2)7CHCH(CH2)7COO)3Fe), 라우르산철(Ⅱ)((CH3(CH2)10COO)2Fe), 라우르산철(Ⅲ)((CH3(CH2)10COO)3Fe), 펜타카르보닐철(Fe(CO)5), 엔니카르보닐철(Fe2(CO)9) 및 디소듐테트라카르보닐철(Na2[Fe(CO)4])로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 음극 활물질은, 황산철(Ⅲ)(Fe2(SO4)3) 및 Bis-Tris (2-비스(2-히드록시에틸)아미노-2-(히드록시메틸)-1,3-프로판디올)을 혼합한 Fe(Bis-Tris)인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극(116)은 양극 활물질을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 양극 활물질은, 페리시안화물(M3Fe(CN)6) (M은 Li, Na, K 및 NH4임) 페로시안화물(M4Fe(CN)6) (M은 Li, Na, K 및 NH4임), 페로센(C10H10Fe) 및 이의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 페로시아나이드 화합물은 페로시안화칼륨(K4Fe(CN)6) 및 페로시안화나트륨(Na4Fe(CN)6)을 포함하는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 페리시아나이드 화합물은 페리시안화칼륨(K3Fe(CN)6) 및 페리시안화나트륨(Na3Fe(CN)6)을 포함하는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 유도체는, 디(에틸설폰산 리튬) 페로센 (C14H16FeS2O6Li2))인 것일 수 있다.
종래 기술의 경우 수계 레독스 흐름전지에서 부반응을 억제하기 위하여 충/방전 전압 조절, 충전량 조절 등을 이용하였다. 그러나, 이러한 기술을 적용할 경우 전지 전압 손실, 낮은 용량 구현율 등의 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 시스템은, 기타 조절을 진행하지 않고 일정 수준 부반응 발생 시 발생하는 물질을 반대쪽 전해액과 접촉시켜 발생한 물질의 화학 반응을 유도하는 방식을 채택할 수 있다.
따라서, 부반응이 발생하여도 발생하는 가스를 처리할 수 있을 뿐만 아니라 전압 조절 등의 추가적인 작업을 수행하지 않아도 안정적으로 전지를 구동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 시스템은, 기체가 발생되는 수계 레독스 흐름 전지에서의 음극액과 양극액 대기를 공유하는 시스템 구성을 포함함으로써, 물 분해 부반응이 존재할 수 있는 수계 레독스 흐름 전지 구성 시 전지의 안정성을 증가시킬 수 있으므로 기존보다 긴 수명을 가지는 레독스 흐름 전지 개발을 기대할 수 있다.
이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
전해액 제조
음극 활물질은 Fe(BIS-TRIS), 양극 활물질은 Fe(CN)6를 각각 0.5 M씩 사용하였다.
구체적으로, 음극 활물질은 0.5M Fe2(SO4)3 및 0.75 M BIS-TRIS를 넣고 10 분간 혼합 후 4M KOH를 넣고 24 시간 동안 교반하였다. 이후 석출물인 K2SO4를 원심분리기를 통해 제거하였다.
양극 활물질은 0.25 M 소듐 페로시아나이드(Sodium Ferrocyanide), 0.25 M 포타슘 페로시아나이드(Potassium Ferrocyanide) 및 1 M KOH를 넣고 1 시간 동안 교반하였다.
양극액과 음극액은 모두 16 mL를 사용하였다.
단위 전지 조립
전극은 SGL Carbon 사의 GFD 4.6, 분리막은 Chemours 사의 Nafion 212를 사용하였고, 전극 면적은 2 × 3 ㎠로 하였다.
양극판(Bipolar plate)은 탄소(carbon)를 사용하고 집전장치는 금이 코팅된 구리판을 사용하였다.
전지는 30 파운드-인치까지 5씩 늘려가며 체결하였다.
시스템 구성
양극, 음극 전해액 탱크와 전지를 각각 펌프로 연결하며 펌프는 30 rpm으로 하였다.
전해액 탱크 내 용존하는 산소를 제거하기 위하여 질소를 주입하였다.
전해액 대기를 공유하는 레독스 흐름전지 시스템 (실시예)의 경우 음극액과 양극액 탱크의 대기 부분을 실리콘 관을 이용하여 연결하였다. 이를 적용하지 않는 시스템 (비교예)의 경우 실리콘 관을 차단하였다.
실험방법
비교예: 대기 비공유 시스템
1) 음극액과 양극액 탱크를 연결하는 실리콘 관을 차단하였다.
2) 특정 전압(1.75 V)까지 일정한 전류(100 mA cm-2)로 충전하였다.
3) 특정 전압(1.75 V)에 도달하면 특정 전압(0.75 V)까지 일정한 전류(-100 mA cm-2)로 방전하였다.
4) 2, 3) 과정을 반복하였다.
실시예: 대기 공유 시스템
1) 음극액과 양극액 탱크를 실리콘 관을 이용하여 연결한다
2) 특정 전압(1.75 V)까지 일정한 전류(100 mA cm-2)로 충전하였다.
3) 특정 전압(1.75 V)에 도달하면 특정 전압(0.75 V)까지 일정한 전류(-100 mA cm-2)로 방전하였다.
4) 2, 3) 과정을 반복하였다.
대기 미공유 시스템 운전 결과 및 분석
산소가 발생할 경우 페로시아나이드는 충전되지 않고 음극 활물질인 Fe(BIS-TRIS)는 충전된다. 이러한 조건 하에서 충/방전이 지속되게 될 경우 음극은 충전된 물질이 쌓이고 양극은 방전된 상태의 물질이 쌓이면서 음극과 양극의 충방전 균형이 깨지게 된다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 대기 미공유 시스템과 실시예에 따른 공유 시스템을 사용한 레독스 흐름 전지 구동 실험의 사이클 횟수에 따른 방전용량 측정 그래프이다. 도 2의 대기 미공유 시스템 그래프를 통해 확인할 수 있다.
염기성 전해액에서 페로시아나이드 활물질의 산화/환원 반응이 발생할 경우 양극에서 산소발생 부반응이 발생할 수 있다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 대기 미공유 시스템을 이용하는 레독스 흐름 전지 구동 실험 중 산소를 주입한 경우에서의 사이클 횟수에 따른 방전용량 측정 그래프이다.
도 3을을 참조하면, 실제 용량 저하 발생 이후 음극에 산소를 주입하는 경우 충전된 Fe(BIS-TRIS)와 산소가 반응하여 방전이 발생하고, 전체 시스템의 충/방전 균형이 돌아와 용량이 회복되는 것을 확인할 수 있다. 이는 음극 또는 양극물질이 분해 또는 변형되는 것이 아니라 순수하게 충/방전 균형이 맞지 않아서 용량 감소가 발생한다는 것을 보여준다.
대기 공유 시스템 운전 결과 및 분석
대기 미공유 시스템과 동일하게 전지 구동 중 양극에서 부반응 발생하며 음극과 양극의 충방전 균형을 깨뜨린다.
하지만, 양극과 음극액의 대기가 공유되기 때문에 양극에서 발생하는 산소는 공유되는 대기를 통하여 음극과 접촉, 음극 활물질과 반응하여 방전이 발생한다. 이를 통해 시스템의 충/방전 균형이 다시 돌아오며 용량 저하를 방지할 수 있다. 다시 도 2를 참조하면, 실제 대기 미공유 시스템의 경우 용량 감소율이 사이클 당 0.131 %인 반면 대기 공유 시스템의 경우 용량 감소율이 사이클 당 0.025 %로 개선된 것을 확인할 수 있다.
상기 운전 결과 및 분석에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 대기 공유 시스템을 활용할 경우 수계 레독스 흐름전지에서 발생할 수 있는 산소 등의 부반응 기체들을 시스템 내부에서 처리할 수 있다.
따라서, 레독스 흐름전지 시스템 내부의 물질 평형을 지속적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 충/방전 균형을 맞춰주어 시스템의 장기 안정성 또한 확보할 수 있다.
본 발명은 기존 레독스 흐름전지 시스템과 비교하여 많은 구성의 변화를 요구하지 않기 때문에 사용되던 레독스 흐름전지 시스템들과의 호환성 또한 높을 것으로 예상된다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
100: 레독스 흐름전지 시스템
110: 전지부
112: 음극
114: 제1 하프-셀
115: 분리막
116: 양극
118: 제2 하프-셀
120: 음극 전해액 탱크
122: 음극 전해액
130: 양극 전해액 탱크
132: 양극 전해액
142: 제1 펌프
144: 제2 펌프
150: 대기 공유 관

Claims (5)

  1. 전지부;
    상기 전지부의 음극에 공급되는 음극 전해액을 포함하는 음극 전해액 탱크;
    상기 전지부의 양극에 공급되는 양극 전해액을 포함하는 양극 전해액 탱크; 및
    상기 음극 전해액 탱크 및 상기 양극 전해액 탱크를 연결하는 대기 공유 관;
    을 포함하는,
    레독스 흐름전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대기 공유 관은, 상기 양극 전해액 탱크로부터 발생한 기체를 상기 음극 전해액 탱크로 회수하여 상기 음극 전해액과 반응시키는 것이고,
    상기 대기 공유 관의 내경은 3 mm 내지 30 mm인 것인,
    레독스 흐름전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양극 전해액 탱크 방향의 상기 대기 공유 관은, 상기 기체를 흡입하는 석션; 또는
    상기 음극 전해액 탱크 방향의 상기 대기 공유 관은, 상기 흡입된 기체를 분사하는 노즐;
    을 더 포함하는,
    레독스 흐름전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전지부는,
    음극 전해액 및 음극을 포함하는 제1 하프-셀;
    양극 전해액 및 양극을 포함하는 제2 하프-셀; 및
    상기 제1 하프-셀 및 상기 제2 하프-셀 사이에 게재된 분리막;
    을 포함하고,
    상기 음극은 음극 활물질을 포함하고,
    상기 양극은 양극 활물질을 포함하는 것인,
    레독스 흐름전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극 활물질은, 페리시안화물(M3Fe(CN)6) (M은 Li, Na, K 및 NH4임) 페로시안화물(M4Fe(CN)6) (M은 Li, Na, K 및 NH4임), 페로센(C10H10Fe) 및 이의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 음극 활물질은, Bis-Tris (2-비스(2-히드록시에틸)아미노-2-(히드록시메틸)-1,3-프로판디올), MES (2-(N-모르폴리노)에탄설폰산), ADA (N-(2-아세트아미도) 이미노디아세트산), PIPES (피페라진-N,N'-비스(2-에탄설폰산), ACES (N-(2-아세트아미도)-2-아미노에탄설폰산), BES (N,N-비스(2-히드록시에틸)-2-아미노에탄설폰산), MOPS (3-(N-모르폴리노) 프로판설폰산), TES (N-트리스(히드록시메틸)메틸-2-아미노에탄설폰산), HEPES (N-2-히드록시에틸-피페라진-N'-2-에탄설폰산)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
    레독스 흐름전지 시스템.
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