WO2016099161A1 - 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법 및 장치 - Google Patents

레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법 및 장치 Download PDF

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오은선
예희창
김병철
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Definitions

  • the present invention relates to a pump speed control method and apparatus for a redox flow battery.
  • a general secondary battery converts electrical energy input through a charging process into chemical energy and stores it, and converts stored chemical energy into electrical energy through a discharge process and outputs the electrical energy.
  • a redox flow battery converts and stores electrical energy input through a charging process into chemical energy, and converts and stores the stored chemical energy into electrical energy through a discharge process.
  • a redox flow battery is different from a general secondary battery in that an electrolyte containing energy is stored in a separate tank.
  • a separate pump in order to supply the electrolyte stored in the tank to the cell stack, a separate pump must be installed in the pipe connecting the tank and the electrolyte.
  • a redox flow battery includes a first tank 102 storing a first electrolyte, a second tank 104 storing a second electrolyte, a first tank 102, and a second tank 104. And a cell stack 110 in which charge and discharge of energy occur through an oxidation-reduction reaction using a first electrolyte and a second electrolyte delivered from the same.
  • the first pump 106 is connected to a pipe connecting the first tank 102 and the cell stack 110. Is installed, and a second pump 108 is installed in the pipe connecting the second tank 104 and the cell stack 110.
  • the pump (106, 108) is an essential device for supplying the electrolyte consumes the most power of the additional device, because the power loss in the cell stack 110 is affected by the flow rate of the supplied electrolyte, There is a problem that the speed of the pump can not be lowered or increased unconditionally.
  • the flow rate of the electrolyte supplied to the cell stack 110 increases due to the increase in the speed of the pumps 106 and 108, the power consumption of the pumps 106 and 108 increases, but the power loss in the stack decreases. In this case, power consumption of the pumps 106 and 108 is reduced, but power loss in the cell stack 110 is increased.
  • An object of the present invention is to maximize the power efficiency of the redox flow battery system by controlling the pump speed and the amount of electrolyte supply so that the power loss of the redox flow battery system is minimized.
  • the present invention provides a method of controlling a pump speed of a redox flow battery for delivering an electrolyte stored in an electrolyte tank to a cell stack, wherein at least one of input power and output power of the redox flow battery is controlled. Measuring; Measuring at least one of charging power and discharging power of the redox flow battery; Calculating a power loss of the redox flow battery using the difference between the input power and the charging power or the difference between the output power and the discharge power; And adjusting the pump speed according to the power loss.
  • the present invention includes the step of adjusting the pump speed, increasing the pump speed; Comparing the first power loss before the pump speed increase and the second power loss after the pump speed increase; And increasing the pump speed if the first power loss is greater than the second power loss, and decreasing the pump speed if the first power loss is less than or equal to the second power loss.
  • the present invention also includes the step of adjusting the pump speed, reducing the pump speed; Comparing the first power loss before the pump speed decrease and the second power loss after the pump speed decrease; And reducing the pump speed if the first power loss is greater than the second power loss, and increasing the pump speed if the first power loss is less than or equal to the second power loss.
  • the present invention also provides a method for controlling a pump speed, the method comprising: maintaining an existing pump speed when the power loss is less than or equal to a predetermined first loss power; And allowing the pump speed to be changed only when the power loss is equal to or greater than a second preset loss power.
  • the present invention is the step of adjusting the pump speed, the step of terminating the charge or discharge of the redox flow battery when the pump speed reaches a predetermined upper limit speed; And when the pump speed reaches a preset lower limit speed, maintaining the existing pump speed as it is when the power loss falls below a preset third reference power.
  • the present invention is a device for controlling the pumping speed of the redox flow battery for delivering the electrolyte stored in the electrolyte tank to the cell stack, measuring at least one of the input power and output power of the redox flow battery, A measuring unit measuring at least one of charging power and discharging power of the dox flow battery; A calculator configured to calculate a power loss of the redox flow battery using a difference between the input power and the charging power or a difference between the output power and the discharge power; And a control unit for adjusting the pump speed according to the power loss.
  • the controller increases the pump speed, compares the first power loss before the pump speed increase and the second power loss after the pump speed increase, and when the first power loss is greater than the second power loss.
  • the pump speed is increased, and if the first power loss is less than or equal to the second power loss, the pump speed is reduced.
  • the controller may further reduce the pump speed and compare the first power loss before the pump speed decrease with the second power loss after the pump speed decrease, and if the first power loss is greater than the second power loss, Reduce the speed, and increase the pump speed if the first power loss is less than or equal to the second power loss.
  • the controller may maintain the existing pump speed when the power loss is less than or equal to a preset first loss power, and allow the pump speed to be changed only when the power loss is greater than or equal to a preset second loss power.
  • the controller may terminate charging or discharging of the redox flow battery when the pump speed reaches a preset upper limit speed, and when the pump speed reaches a preset lower limit speed, the third power loss may be preset. If it falls below the reference power, it is characterized by maintaining the existing pump speed as it is.
  • the power efficiency of the redox flow battery system can be maximized by controlling the pump speed and the amount of electrolyte supply so that the power loss of the redox flow battery system is minimized.
  • FIG. 1 is a block diagram of a redox flow battery system according to the prior art.
  • FIG. 2 is a block diagram of a redox flow battery system and a pump speed control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a view for explaining the SOC change of the electrolyte flowing into the unit cell and the electrolyte flowing out of the unit cell.
  • FIG. 4 is a graph showing a cell voltage curve of a redox flow battery according to a difference between SOC of an electrolyte flowing into a unit cell and an SOC of an electrolyte flowing out of a unit cell.
  • 5 is a graph showing stack power loss, pump power consumption, and system power loss according to pump speed, respectively.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a pump speed control method of a redox flow battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a redox flow battery according to an exemplary embodiment of the present invention includes a first tank 202 for storing a first electrolyte, a second tank 204 for storing a second electrolyte, and a first tank 202. And a cell stack 210 in which charge and discharge of electric power occur through an oxidation-reduction reaction using the first electrolyte and the second electrolyte delivered from the second tank 204.
  • the cell stack 210 is composed of a plurality of unit cells.
  • a first pump 206 is provided in a pipe connecting the first tank 202 and the cell stack 210. Is installed, and a second pump 208 is installed in the pipe connecting the second tank 204 and the cell stack 210.
  • a second pump 208 is installed in the pipe connecting the second tank 204 and the cell stack 210.
  • the pump speed control device 212 includes a measurement unit 214, a calculation unit 216, and a control unit 218.
  • the measurement unit 214 may be connected to a redox flow battery to measure or calculate an input power, an output power, a charging power, and a discharge power of the redox flow battery.
  • the input power when the redox flow battery operates in the charging mode, the input power may be defined as the total amount of power provided to the redox flow battery during charging, and the charging power may be defined as the power actually charged in the battery.
  • the output power when the redox flow battery operates in the discharge mode, the output power is defined as the total amount of power emitted from the redox flow battery to the outside during discharge, the discharge power is defined as the amount of power actually discharged from the battery.
  • the charge power or the discharge power means power reflecting only a change in the SOC, excluding power loss caused by an internal resistance of the redox flow battery and an accessory such as a pump.
  • the measurement unit 214 may measure the magnitude of the voltage and current applied to the cell stack 210, the open voltage of the cell stack 210, the speed or power consumption of the pumps 206 and 208.
  • the calculator 216 may calculate the power loss of the redox flow battery using the input power and the charging power, or the output power and the discharge power measured by the measuring unit 214.
  • the controller 218 may control the speeds of the pumps 206 and 208 of the redox flow battery according to the power loss calculated by the measurement unit 214. According to the pump speed control of the controller 218, the flow rate of the electrolyte flowing into the cell stack 210 from the tanks 202 and 204 is adjusted.
  • the power loss of the entire redox flow battery system as shown in FIG. 2 is the difference between the input power supplied from the outside to the redox flow battery and the charging power actually charged in the redox flow battery or the output power emitted to the outside from the redox flow battery. And the discharge power discharged in the redox flow battery.
  • the input power may be defined as the total amount of power provided to the redox flow battery during charging
  • the charging power may be defined as the power actually charged in the battery.
  • the output power may be defined as the total amount of power emitted from the redox flow battery to the outside during discharge
  • the discharge power may be defined as the amount of power actually discharged from the battery.
  • P Input Power
  • B -Charging Power
  • A Stack Power Loss (Power Loss from Stack) + Power Consumption of Additional Equipment (Power Consumption by Additional Equipment such as Pump)
  • the input power B or the output power D may be measured by the measuring unit 214.
  • the charging power (A) or discharge power (C) can be obtained from the product of the open voltage of the cell stack 210 and the current applied to the cell stack 210 measured by the measuring unit 214 as follows. .
  • the cell stack 210 of the present invention is composed of a plurality of unit cells.
  • the open voltage (cell voltage) is measured and used for specific unit cells among all the unit cells constituting the cell stack 210, the amount of power used (A) Is defined as
  • Charge Power (A) Open Voltage (OCV) ⁇ Current (I) ⁇ ⁇ Number of series-connected cells in stack (ST) / Number of series-connected cells in OCV measurement cell (SI) ⁇
  • the loss of power loss (P) can be calculated as follows.
  • 20 W is a power loss consumed by heat generation or operation of additional devices such as pumps 206 and 208.
  • 3 is a view for explaining the SOC change of the electrolyte flowing into the unit cell and the electrolyte flowing out of the unit cell.
  • FIG. 3 illustrates one unit cell 302 constituting the cell stack 210.
  • the electrolyte stored in the tanks 202 and 204 is introduced into the unit cell 302 by the pumps 206 and 208, and the electrolyte which has completed the redox reaction is discharged out of the unit cell 302.
  • the state of charge (SOC) of the electrolyte introduced at this time is x%
  • the SOC of the electrolyte flowing out is (x + ⁇ x)%.
  • the SOC difference between the SOC of the electrolyte flowing into the unit cell 302 and the electrolyte flowing out of the unit cell 302 may be expressed as follows.
  • the SOC of the electrolyte flowing into the unit cell 302 reflects the state of the currently charged electrolyte
  • the SOC of the electrolyte flowing out of the unit cell 302 will not be charged. Reflect the power required.
  • the pumps 206 and 208 supply the electrolyte to the unit cell 302 at a sufficiently high rate. The SOC difference will be close to zero, and the slower the pumps 206, 208, the larger the SOC difference between the incoming and outgoing electrolyte will be.
  • 4 is a graph showing a cell voltage curve of a redox flow battery according to a difference between SOC of an electrolyte flowing into a unit cell and an SOC of an electrolyte flowing out of a unit cell. 4 illustrates the trend of the cell voltage curve of the redox flow battery when the SOC difference between the SOC of the electrolyte flowing into the unit cell 302 and the electrolyte flowing out of the unit cell 302 is 0%, 16%, and 32%, respectively. Indicates. In FIG. 4, the horizontal axis represents the SOC of the redox flow battery, and the vertical axis represents the magnitude of the voltage required to charge the battery in the SOC.
  • the SOC difference between the incoming electrolyte and the outflowing electrolyte is 0%, and as the SOC difference increases to 16%, 32%, and so on, that is, as the pump speed decreases, It can be seen that the SOC requires more voltage for charging.
  • the power consumption of the pump is proportional to the product of the differential pressure and the flow rate, and since the differential pressure is proportional to the flow rate, the power consumption is proportional to the square of the flow rate.
  • FIG. 5 is a graph showing stack power loss, pump power consumption, and system power loss according to pump speed.
  • the horizontal axis represents the pump speed
  • the vertical axis represents the power loss or power consumption.
  • stack power loss tends to decrease as the pump speed increases
  • pump power consumption tends to increase as the pump speed increases.
  • the system power loss of the redox flow battery system according to the pump speed may be represented by a graph having one minimum value as shown in FIG. 5.
  • there is a specific speed of the pump in which the power loss of the system is minimized and the speed is not proportional to the SOC of the redox flow battery. Therefore, if the pump speed is increased or decreased while measuring or calculating the system power loss periodically or aperiodically, it is possible to operate the pump at the optimum speed which minimizes the system power loss.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a pump speed control method of a redox flow battery according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the calculator 216 calculates a first power loss P1 at the current pump speed of the redox flow battery system (602).
  • the power loss of the redox flow battery system is defined as the difference between the input power and the charging power (at the time of charging) or the difference between the output power and the discharge power (at the time of discharge).
  • the controller 218 changes the pump speed to a predetermined size (604), and after the pump speed is increased, the calculator 216 again measures the second power loss P2 of the system.
  • the controller 218 controls the first power loss P1 and the second power loss.
  • the magnitude of the power loss P2 is compared (608). Thereafter, the controller 218 adjusts the pump speed according to a result of comparing the first power loss P1 and the second power loss P2 (610).
  • the controller 218 determines the pump speed if the first power loss P1 is greater than the second power loss P2 in step 610. Is continuously increased, and if the first power loss P1 is less than or equal to the second power loss P2, the pump speed is decreased.
  • control unit 218 determines the pump speed if the first power loss P1 is greater than the second power loss P2 in step 610. Is continuously reduced and the pump speed is increased if the first power loss P1 is less than or equal to the second power loss P2.
  • the controller 218 compares the first power loss P1 and the second power loss P2 as described above and repeatedly performs a process of increasing or decreasing the pump speed according to the comparison result, thereby reducing power loss of the redox flow battery system.
  • the pump speed can be adjusted to minimize this.
  • the power loss measurement and pump speed control of the redox flow battery system as shown in FIG. 6 may be repeatedly performed at a predetermined time interval.
  • such a time interval may be changed fluidly according to the degree of change in the loss power or the pump speed.
  • the pump speed may be further maintained without changing the pump speed.
  • the step of allowing a pump speed change may be further included only when the measured power loss P1 or P2 is equal to or greater than a preset second reference power.
  • another embodiment of the present invention may further include terminating the charging or discharging of the redox flow battery when the pump speed reaches a preset upper limit speed.
  • the step of maintaining the pump speed may be further included if the measured power loss (P1 or P2) falls below a predetermined third reference power have.

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Abstract

본 발명은 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 탱크에 저장된 전해질을 셀 스택으로 전달하기 위한 레독스 플로우 전지의 펌프 속도를 제어하는 방법은, 상기 레독스 플로우 전지의 입력전력 및 출력전력 중 적어도 하나를 측정하는 단계, 상기 레독스 플로우 전지의 충전전력 및 방전전력 중 적어도 하나를 측정하는 단계, 상기 입력전력 및 상기 충전전력 간 차이 또는 상기 출력전력 및 상기 방전전력 간 차이를 이용하여 상기 레독스 플로우 전지의 전력손실을 계산하는 단계 및 상기 전력손실에 따라 상기 펌프 속도를 조절하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면 레독스 플로우 전지 시스템의 전력손실이 최소가 되도록 펌프 속도 및 그에 따른 전해질 공급량을 제어함으로써 레독스 플로우 전지 시스템의 전력 효율을 극대화시킬 수 있다.

Description

레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법 및 장치
본 발명은 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적인 이차 전지는 충전과정을 통하여 입력된 전기 에너지를 화학 에너지로 변환시켜 저장하고, 방전과정을 통하여 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 출력한다.
레독스 플로우 전지도 일반적인 이차전지와 마찬가지로 충전과정을 통하여 입력된 전기 에너지를 화학 에너지로 변환시켜 저장하고, 방전과정을 통하여 상기 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 출력한다. 그러나, 레독스 플로우 전지는 에너지를 보유하고 있는 전해액을 별도의 탱크에 보관한다는 점에서 일반적인 이차전지와는 다르다. 또한 탱크에 저장된 전해질을 셀 스택에 공급하기 위해서는 탱크와 전해질을 연결하는 배관에 별도의 펌프가 설치되어야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 레독스 플로우 전지 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 레독스 플로우 전지는 제1 전해질을 저장하는 제1 탱크(102), 제2 전해질을 저장하는 제2 탱크(104), 제1 탱크(102) 및 제2 탱크(104)로부터 전달된 제1 전해질 및 제2 전해질을 이용한 산화-환원 반응을 통해 에너지의 충전 및 방전이 일어나는 셀 스택(110)을 포함한다. 또한 제1 탱크(102) 및 제2 탱크(104)에서 셀 스택(110)으로 전해질을 공급하기 위해, 제1 탱크(102)와 셀 스택(110)을 연결하는 배관에는 제1 펌프(106)가 설치되고, 제2 탱크(104)와 셀 스택(110)을 연결하는 배관에는 제2 펌프(108)가 설치된다.
도 1과 같은 구성을 갖는 레독스 플로우 전지 시스템의 효율을 높이기 위해서는 펌프(106, 108)와 같은 부가장치에 의한 전력 소모를 최소화하는 것이 중요하다. 특히, 펌프(106, 108)의 경우 전해질을 공급하기 위한 필수적인 장치로 부가장치 중 가장 많은 전력을 소모하는데, 공급되는 전해질의 유량에 따라 셀 스택(110)에서의 전력손실이 영향을 받기 때문에, 무조건 펌프의 속도를 낮추거나 높일 수 없다는 문제가 있다. 일반적으로 펌프(106, 108)의 속도 증가로 인해 셀 스택(110)으로 공급되는 전해질의 유량이 증가할 경우 펌프(106, 108)의 전력 소모는 증가하나 스택에서의 전력손실은 감소하며, 반대의 경우 펌프(106, 108)의 전력 소모는 감소하나 셀 스택(110)에서의 전력손실은 증가한다.
이와 같은 점을 감안할 때, 레독스 플로우 전지 시스템의 전력 효율을 높이기 위한 펌프 속도 제어 방법의 개선이 필요하다.
본 발명은 레독스 플로우 전지 시스템의 전력손실이 최소가 되도록 펌프 속도 및 그에 따른 전해질 공급량을 제어함으로써 레독스 플로우 전지 시스템의 전력 효율을 극대화하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전해질 탱크에 저장된 전해질을 셀 스택으로 전달하기 위한 레독스 플로우 전지의 펌프 속도를 제어하는 방법에 있어서, 상기 레독스 플로우 전지의 입력전력 및 출력전력 중 적어도 하나를 측정하는 단계; 상기 레독스 플로우 전지의 충전전력 및 방전전력 중 적어도 하나를 측정하는 단계; 상기 입력전력 및 상기 충전전력 간 차이 또는 상기 출력전력 및 상기 방전전력 간 차이를 이용하여 상기 레독스 플로우 전지의 전력손실을 계산하는 단계; 및 상기 전력손실에 따라 상기 펌프 속도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 상기 펌프 속도를 조절하는 단계에 있어서, 상기 펌프 속도를 증가시키는 단계; 상기 펌프 속도 증가 전의 제1 전력손실 및 상기 펌프 속도 증가 후의 제2 전력손실을 비교하는 단계; 및 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 크면 상기 펌프 속도를 증가시키고, 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 작거나 같으면 상기 펌프 속도를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 펌프 속도를 조절하는 단계에 있어서, 상기 펌프 속도를 감소시키는 단계; 상기 펌프 속도 감소 전의 제1 전력손실 및 상기 펌프 속도 감소 후의 제2 전력손실을 비교하는 단계; 및 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 크면 상기 펌프 속도를 감소시키고, 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 작거나 같으면 상기 펌프 속도를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 펌프 속도를 조절하는 단계에 있어서, 상기 전력손실이 미리 설정된 제1 손실전력 이하인 경우 기존의 펌프 속도를 유지시키는 단계; 및 상기 전력손실이 미리 설정된 제2 손실전력 이상인 경우에만 상기 펌프 속도의 변경을 허용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 펌프 속도를 조절하는 단계에 있어서, 상기 펌프 속도가 미리 설정된 상한 속도에 도달할 경우 상기 레독스 플로우 전지의 충전 또는 방전을 종료시키는 단계; 및 상기 펌프 속도가 미리 설정된 하한 속도에 도달할 경우, 상기 전력손실이 미리 설정된 제3 기준전력 미만으로 떨어지면 기존의 펌프 속도를 그대로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러 본 발명은 전해질 탱크에 저장된 전해질을 셀 스택으로 전달하기 위한 레독스 플로우 전지의 펌프 속도를 제어하는 장치에 있어서, 상기 레독스 플로우 전지의 입력전력 및 출력전력 중 적어도 하나를 측정하고, 상기 레독스 플로우 전지의 충전전력 및 방전전력 중 적어도 하나를 측정하는 측정부; 상기 입력전력 및 상기 충전전력 간 차이 또는 상기 출력전력 및 상기 방전전력 간 차이를 이용하여 상기 레독스 플로우 전지의 전력손실을 계산하는 계산부; 및 상기 전력손실에 따라 상기 펌프 속도를 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서 상기 제어부는 상기 펌프 속도를 증가시키고, 상기 펌프 속도 증가 전의 제1 전력손실 및 상기 펌프 속도 증가 후의 제2 전력손실을 비교하며, 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 크면 상기 펌프 속도를 증가시키고, 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 작거나 같으면 상기 펌프 속도를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 상기 제어부는 상기 펌프 속도를 감소시키고, 상기 펌프 속도 감소 전의 제1 전력손실 및 상기 펌프 속도 감소 후의 제2 전력손실을 비교하며, 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 크면 상기 펌프 속도를 감소시키고, 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 작거나 같으면 상기 펌프 속도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는 상기 전력손실이 미리 설정된 제1 손실전력 이하인 경우 기존의 펌프 속도를 유지시키고, 상기 전력손실이 미리 설정된 제2 손실전력 이상인 경우에만 상기 펌프 속도의 변경을 허용하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는 상기 펌프 속도가 미리 설정된 상한 속도에 도달할 경우 상기 레독스 플로우 전지의 충전 또는 방전을 종료시키고, 상기 펌프 속도가 미리 설정된 하한 속도에 도달할 경우, 상기 전력손실이 미리 설정된 제3 기준전력 미만으로 떨어지면 기존의 펌프 속도를 그대로 유지하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 레독스 플로우 전지 시스템의 전력손실이 최소가 되도록 펌프 속도 및 그에 따른 전해질 공급량을 제어함으로써 레독스 플로우 전지 시스템의 전력 효율을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 레독스 플로우 전지 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 플로우 전지 시스템 및 펌프 속도 제어 장치의 구성도.
도 3은 단위 셀로 유입되는 전해질 및 단위 셀로부터 유출되는 전해질의 SOC 변화를 설명하기 위한 도면.
도 4는 단위 셀로 유입되는 전해질의 SOC와 단위 셀로부터 유출되는 전해질의 SOC 차이에 따른 레독스 플로우 전지의 셀 전압 곡선을 나타내는 그래프.
도 5는 펌프 속도에 따른 스택 전력손실, 펌프 전력 소모량, 시스템 전력손실을 각각 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법의 흐름도.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 플로우 전지 시스템 및 펌프 속도 제어 장치의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 플로우 전지는 제1 전해질을 저장하는 제1 탱크(202), 제2 전해질을 저장하는 제2 탱크(204), 제1 탱크(202) 및 제2 탱크(204)로부터 전달된 제1 전해질 및 제2 전해질을 이용한 산화-환원 반응을 통해 전력의 충전 및 방전이 일어나는 셀 스택(210)을 포함한다. 셀 스택(210)은 다수의 단위 셀로 구성된다.
또한 제1 탱크(202) 및 제2 탱크(204)에서 셀 스택(210)로 전해질을 공급하기 위해, 제1 탱크(202)와 셀 스택(210)을 연결하는 배관에는 제1 펌프(206)가 설치되고, 제2 탱크(204)와 셀 스택(210)을 연결하는 배관에는 제2 펌프(208)가 설치된다. 본 발명에서, 펌프(206, 208)의 속도가 증가하면 탱크(202, 204)로부터 셀 스택(210)로 공급되는 전해질의 유량이 증가하고, 펌프(206, 208)의 속도가 감소하면 탱크(202, 204)로부터 셀 스택(210)로 공급되는 전해질의 유량은 감소한다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프 속도 제어 장치(212)는 측정부(214), 계산부(216), 제어부(218)를 포함한다.
측정부(214)는 레독스 플로우 전지와 연결되어 레독스 플로우 전지의 입력전력, 출력전력, 충전전력, 방전전력을 측정 또는 계산할 수 있다. 본 발명에서 레독스 플로우 전지가 충전 모드로 동작하는 경우, 입력전력은 충전 시 레독스 플로우 전지에 제공되는 총 전력량으로 정의되고, 충전전력은 전지에 실제로 충전되는 전력으로 정의될 수 있다. 또한 레독스 플로우 전지가 방전 모드로 동작하는 경우, 출력전력은 방전 시 레독스 플로우 전지에서 외부로 방출하는 총 전력량으로 정의되고, 방전전력은 전지에서 실제로 방전되는 전력량으로 정의된다. 본 발명에서 충전전력 또는 방전전력은 레독스 플로우 전지의 내부 저항 및 펌프와 같은 부속장치에 의한 전력손실을 제외하고 SOC의 변화만을 반영한 전력을 의미한다.
또한 측정부(214)는 셀 스택(210)에 인가되는 전압 및 전류의 크기, 셀 스택(210)의 개방 전압, 펌프(206, 208)의 속도 또는 전력소모량 등을 측정할 수 있다.
계산부(216)는 측정부(214)에 의해 측정된 입력전력 및 충전전력, 또는 출력전력 및 방전전력을 이용하여 레독스 플로우 전지의 전력손실을 계산할 수 있다.
제어부(218)는 측정부(214)에 의해 계산된 전력손실에 따라 레독스 플로우 전지의 펌프(206, 208)의 속도를 제어할 수 있다. 이와 같은 제어부(218)의 펌프 속도 제어에 따라 탱크(202, 204)로부터 셀 스택(210)으로 유입되는 전해질의 유량이 조절된다.
이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 2와 같은 레독스 플로우 전지 시스템 전체의 전력손실은 레독스 플로우 전지에 외부로부터 공급되는 입력전력 및 레독스 플로우 전지에 실제로 충전되는 충전전력 간의 차이 또는 레독스 플로우 전지에서 외부로 방출되는 출력전력 및 레독스 플로우 전지에서 방전되는 방전전력 간의 차이에 따라 결정된다. 레독스 플로우 전지가 충전 모드로 동작하는 경우, 입력전력은 충전 시 레독스 플로우 전지에 제공되는 총 전력량으로 정의되고, 충전전력은 전지에 실제로 충전되는 전력으로 정의될 수 있다. 또한 레독스 플로우 전지가 방전 모드로 동작하는 경우, 출력전력은 방전 시 레독스 플로우 전지에서 외부로 방출하는 총 전력량으로 정의되고, 방전전력은 전지에서 실제로 방전되는 전력량으로 정의될 수 있다.
즉, 레독스 플로우 전지 시스템의 충전 시 전력손실은 [수학식 1]과 같이 정의된다.
[수학식 1]
시스템 전력손실(P) = 입력전력(B) - 충전전력(A) = 스택 전력손실(스택에서 발생하는 전력손실) + 부가장치 전력소모(펌프 등 부가장치에 의한 전력소모량)
또한 레독스 플로우 전지 시스템의 방전 시 전력손실은 [수학식 2]와 같이 정의된다.
[수학식 2]
시스템 전력손실(P) = 방전전력(C) - 출력전력(D) = 스택 전력손실 + 부가장치 전력소모
도 2와 같은 레독스 플로우 전지 시스템에서 입력전력(B) 또는 출력전력(D)은 측정부(214)에 의해 측정될 수 있다. 한편, 충전전력(A) 또는 방전전력(C)은 다음과 같이 측정부(214)에 의해 측정된 셀 스택(210)의 개방 전압과 셀 스택(210)에 인가되는 전류의 곱으로부터 구할 수 있다.
[수학식 3]
충전전력(A) = 개방 전압(OCV) × 전류(I)
[수학식 4]
방전전력(C) = 개방 전압(OCV) × 전류(I)
본 발명의 셀 스택(210)은 다수의 단위 셀들로 구성되는데, 셀 스택(210)을 구성하는 전체 단위 셀들 중 특정 단위 셀들에 대한 개방 전압(셀 전압)을 측정하여 사용할 경우 사용 전력량(A)은 다음과 같이 정의된다.
[수학식 5]
충전전력(A) = 개방 전압(OCV) × 전류(I) × {스택 내 직렬 연결된 셀의 개수(ST) / OCV 측정 대상 셀의 직렬 연결된 개수(SI)}
예를 들어 도 2와 같은 레독스 플로우 전지 시스템의 충전 시 외부로부터 100W의 전력이 공급되고, 셀 스택(210)의 전류는 10A이며, 10개의 단위 셀로 구성되는 셀 스택(210) 중 1개 단위 셀의 개방전압이 0.8V인 경우, 손실 전력(P)손실은 다음과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 6]
P = B - A = 100W - (0.8V × 10A × (10 / 1)) = 20W
즉, 이와 같은 경우 20W가 열 발생 또는 펌프(206, 208) 등의 부가장치 운전에 의해 소모되는 전력손실이 된다.
도 3은 단위 셀로 유입되는 전해질 및 단위 셀로부터 유출되는 전해질의 SOC 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 셀 스택(210)을 구성하는 하나의 단위 셀(302)을 나타낸다. 단위 셀(302)에는 펌프(206, 208)에 의해 탱크(202, 204)에 저장된 전해질이 유입(in)되고, 산화-환원 반응을 마친 전해질은 단위 셀(302)로부터 유출(out)된다. 이 때 유입되는 전해질의 SOC(State Of Charge)를 x% 라고 하면, 유출되는 전해질의 SOC는 (x+Δx)% 가 된다. 이 때 단위 셀(302)로 유입되는 전해질의 SOC와 단위 셀(302)로부터 유출되는 전해질 간의 SOC 차이, 즉 Δx는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Δx ∝ (단위 셀에 인가되는 전류 / 펌프 속도)
예컨대 레독스 플로우 전지 시스템이 충전 모드로 동작할 때, 단위 셀(302)로 유입되는 전해질의 SOC가 현재 충전된 전해질의 상태를 반영한다면, 단위 셀(302)로부터 유출되는 전해질의 SOC는 충전에 필요한 전력을 반영한다. 만약 단위 셀(302)에 일정한 전류를 인가하여 전해질을 충전한다고 가정할 때, 펌프(206, 208)가 충분히 높은 속도로 단위 셀(302)에 전해질을 공급한다면, 유입되는 전해질과 유출되는 전해질의 SOC 차이는 0에 가까울 것이며, 펌프(206, 208)의 속도가 느려질수록 유입되는 전해질과 유출되는 전해질의 SOC 차이는 커질 것이다.
도 4는 단위 셀로 유입되는 전해질의 SOC와 단위 셀로부터 유출되는 전해질의 SOC 차이에 따른 레독스 플로우 전지의 셀 전압 곡선을 나타내는 그래프이다. 도 4에는 단위 셀(302)로 유입되는 전해질의 SOC와 단위 셀(302)로부터 유출되는 전해질 간의 SOC 차이가 각각 0%, 16%, 32%인 경우 레독스 플로우 전지의 셀 전압 곡선의 경향을 나타낸다. 도 4에서 가로 축은 레독스 플로우 전지의 SOC를 나타내며 세로 축은 해당 SOC에서 전지를 충전하기 위해 요구되는 전압의 크기를 나타낸다.
도 4에서 유입되는 전해질과 유출되는 전해질의 SOC 차이가 0%인 선이 현재 전해질 상태라고 볼 때, SOC차이가 16%, 32% 등으로 점점 커짐에 따라, 즉 펌프 속도가 느려짐에 따라, 동일한 SOC에서 충전을 위해 더 많은 전압이 필요함을 알 수 있다.
결국, 단위 셀(302)에 인가되는 전류에 비례하는 단위 셀(302) 자체의 저항에 의한 전력손실 외에, 추가적으로 펌프 속도에 따른 전력손실이 발생된다. 도 4를 참조하면, 펌프 속도에 따른 필요 전압의 증가, 즉 레독스 플로우 전지 시스템의 전력손실은 SOC의 양 말단(0%, 100%)에서 최대가 되며, 가운데에서는 최소가 되는 것을 알 수 있으며, 펌프 속도가 빠를수록 전력손실은 작아진다.
한편, 펌프 속도가 증가함에 따른 펌프의 전력 소모는 차압과 유량의 곱에 비례하며, 차압은 유량에 비례하므로, 전력 소모는 유량의 제곱에 비례한다.
도 5는 펌프 속도에 따른 스택 전력손실, 펌프 전력 소모량, 시스템 전력손실을 각각 나타내는 그래프이다. 도 5에서 가로 축은 펌프 속도를 나타내고, 세로 축은 전력손실 또는 전력 소모량을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 스택 전력손실은 펌프 속도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내며, 펌프 전력 소모는 펌프 속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타낸다. 결국 펌프 속도에 따른 레독스 플로우 전지 시스템의 시스템 전력손실은 도 5와 같이 하나의 최소값을 갖는 그래프로 표현될 수 있다. 이와 같이 시스템의 전력손실이 최소가 되는 펌프의 특정 속도가 존재하며, 이 속도는 레독스 플로우 전지의 SOC에 비례하지 않음을 알 수 있다. 따라서 시스템 전력손실을 주기적 또는 비주기적으로 측정 또는 계산하면서 펌프 속도를 증가시키거나 감소시킨다면 시스템 전력손실을 최소로 하는 최적의 속도로 펌프를 운전하는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법의 흐름도를 나타낸다.
먼저 레독스 플로우 전지 시스템이 운전 중일 때 계산부(216)는 레독스 플로우 전지 시스템의 현재 펌프 속도에서의 제1 전력손실(P1)을 계산한다(602). 전술한 바와 같이, 레독스 플로우 전지 시스템의 전력손실은 입력전력 및 충전전력 간의 차이(충전 시) 또는 출력전력 및 방전전력 간의 차이(방전 시)로 정의된다.
그리고 나서 제어부(218)는 펌프 속도를 미리 정해진 크기로 변경시키고(604), 펌프 속도가 증가된 후 계산부(216)는 다시 시스템의 제2 전력손실(P2)을 측정한다.
이와 같이 펌프 속도를 변경시킨 후 펌프 속도 변경 전의 제1 전력손실(P1) 및 펌프 속도 변경 후의 제2 전력손실(P2)이 계산되면, 제어부(218)는 제1 전력손실(P1)과 제2 전력손실(P2)의 크기를 비교한다(608). 그 후 제어부(218)는 제1 전력손실(P1)과 제2 전력손실(P2)의 비교 결과에 따라 펌프 속도를 조절한다(610).
만약 도 6의 단계(604)에서 제어부(218)가 펌프 속도를 증가시킨 경우, 단계(610)에서 제어부(218)는 제1 전력손실(P1)이 제2 전력손실(P2)보다 크면 펌프 속도를 계속해서 증가시키고, 제1 전력손실(P1)이 제2 전력손실(P2)보다 작거나 같으면 펌프 속도를 감소시킨다.
만약 도 6의 단계(604)에서 제어부(218)가 펌프 속도를 감소시킨 경우, 단계(610)에서 제어부(218)는 제1 전력손실(P1)이 제2 전력손실(P2)보다 크면 펌프 속도를 계속해서 감소시키고, 제1 전력손실(P1)이 제2 전력손실(P2)보다 작거나 같으면 펌프 속도를 증가시킨다.
제어부(218)는 이와 같이 제1 전력손실(P1) 및 제2 전력손실(P2)을 비교하고 비교 결과에 따라 펌프 속도를 증가 또는 감소시키는 과정을 반복적으로 수행함으로써 레독스 플로우 전지 시스템의 전력손실이 최소화되도록 펌프 속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같은 레독스 플로우 전지 시스템의 전력손실 측정 및 펌프 속도 제어는 미리 설정된 시간 간격에 따라 반복적으로 수행될 수 있다. 또한 이와 같은 시간 간격은 손실전력 또는 펌프 속도의 변화 정도에 따라 유동적으로 변경될 수 있다.
또한 도 6에는 도시되지 않았으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 측정된 전력손실(P1 또는 P2)이 미리 설정된 제1 기준전력 이하인 경우 펌프 속도를 변경시키지 않고 그대로 유지시키는 단계가 더 포함될 수 있다. 또한 본 발명의 다른 실시예에서는 측정된 전력손실(P1 또는 P2)이 미리 설정된 제2 기준전력 이상인 경우에만 펌프 속도 변경을 허용하는 단계가 더 포함될 수 있다.
또한 도 6에는 도시되지 않았으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 펌프 속도가 미리 설정된 상한 속도에 도달할 경우 레독스 플로우 전지의 충전 또는 방전을 종료시키는 단계가 더 포함될 수 있다. 또한 본 발명의 다른 실시예에서는 펌프 속도가 미리 설정된 하한 속도에 도달할 경우, 측정된 전력손실(P1 또는 P2)이 미리 설정된 제3 기준전력 미만으로 떨어지면 펌프 속도를 그대로 유지하는 단계가 더 포함될 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (10)

  1. 전해질 탱크에 저장된 전해질을 셀 스택으로 전달하기 위한 레독스 플로우 전지의 펌프 속도를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 레독스 플로우 전지의 입력전력 및 출력전력 중 적어도 하나를 측정하는 단계;
    상기 레독스 플로우 전지의 충전전력 및 방전전력 중 적어도 하나를 측정하는 단계;
    상기 입력전력 및 상기 충전전력 간 차이 또는 상기 출력전력 및 상기 방전전력 간 차이를 이용하여 상기 레독스 플로우 전지의 전력손실을 계산하는 단계; 및
    상기 전력손실에 따라 상기 펌프 속도를 조절하는 단계를
    포함하는 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펌프 속도를 조절하는 단계는
    상기 펌프 속도를 증가시키는 단계;
    상기 펌프 속도 증가 전의 제1 전력손실 및 상기 펌프 속도 증가 후의 제2 전력손실을 비교하는 단계; 및
    상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 크면 상기 펌프 속도를 증가시키고, 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 작거나 같으면 상기 펌프 속도를 감소시키는 단계를
    포함하는 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펌프 속도를 조절하는 단계는
    상기 펌프 속도를 감소시키는 단계;
    상기 펌프 속도 감소 전의 제1 전력손실 및 상기 펌프 속도 감소 후의 제2 전력손실을 비교하는 단계; 및
    상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 크면 상기 펌프 속도를 감소시키고, 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 작거나 같으면 상기 펌프 속도를 증가시키는 단계를
    포함하는 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펌프 속도를 조절하는 단계는
    상기 전력손실이 미리 설정된 제1 손실전력 이하인 경우 기존의 펌프 속도를 유지시키는 단계; 및
    상기 전력손실이 미리 설정된 제2 손실전력 이상인 경우에만 상기 펌프 속도의 변경을 허용하는 단계를
    포함하는 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 펌프 속도를 조절하는 단계는
    상기 펌프 속도가 미리 설정된 상한 속도에 도달할 경우 상기 레독스 플로우 전지의 충전 또는 방전을 종료시키는 단계; 및
    상기 펌프 속도가 미리 설정된 하한 속도에 도달할 경우, 상기 전력손실이 미리 설정된 제3 기준전력 미만으로 떨어지면 기존의 펌프 속도를 그대로 유지하는 단계를
    포함하는 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 방법.
  6. 전해질 탱크에 저장된 전해질을 셀 스택으로 전달하기 위한 레독스 플로우 전지의 펌프 속도를 제어하는 장치에 있어서,
    상기 레독스 플로우 전지의 입력전력 및 출력전력 중 적어도 하나를 측정하고, 상기 레독스 플로우 전지의 충전전력 및 방전전력 중 적어도 하나를 측정하는 측정부;
    상기 입력전력 및 상기 충전전력 간 차이 또는 상기 출력전력 및 상기 방전전력 간 차이를 이용하여 상기 레독스 플로우 전지의 전력손실을 계산하는 계산부; 및
    상기 전력손실에 따라 상기 펌프 속도를 조절하는 제어부를
    포함하는 레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 펌프 속도를 증가시키고, 상기 펌프 속도 증가 전의 제1 전력손실 및 상기 펌프 속도 증가 후의 제2 전력손실을 비교하며, 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 크면 상기 펌프 속도를 증가시키고, 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 작거나 같으면 상기 펌프 속도를 감소시키는
    레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 펌프 속도를 감소시키고, 상기 펌프 속도 감소 전의 제1 전력손실 및 상기 펌프 속도 감소 후의 제2 전력손실을 비교하며, 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 크면 상기 펌프 속도를 감소시키고, 상기 제1 전력손실이 상기 제2 전력손실보다 작거나 같으면 상기 펌프 속도를 증가시키는
    레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 전력손실이 미리 설정된 제1 손실전력 이하인 경우 기존의 펌프 속도를 유지시키고, 상기 전력손실이 미리 설정된 제2 손실전력 이상인 경우에만 상기 펌프 속도의 변경을 허용하는
    레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 펌프 속도가 미리 설정된 상한 속도에 도달할 경우 상기 레독스 플로우 전지의 충전 또는 방전을 종료시키고, 상기 펌프 속도가 미리 설정된 하한 속도에 도달할 경우, 상기 전력손실이 미리 설정된 제3 기준전력 미만으로 떨어지면 기존의 펌프 속도를 그대로 유지하는
    레독스 플로우 전지의 펌프 속도 제어 장치.
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