WO2017007228A1 - 레독스 흐름 전지 - Google Patents

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WO2017007228A1
WO2017007228A1 PCT/KR2016/007297 KR2016007297W WO2017007228A1 WO 2017007228 A1 WO2017007228 A1 WO 2017007228A1 KR 2016007297 W KR2016007297 W KR 2016007297W WO 2017007228 A1 WO2017007228 A1 WO 2017007228A1
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electrolyte
module
cathode
tank
electrolyte tank
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최원석
김대식
정현진
김태언
정진교
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롯데케미칼 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a redox flow cell.
  • zinc bromine redox flow cells are a type of flow cell that produce electricity through redox reactions between the electrolyte and the electrodes.
  • a redox flow battery is formed by repeatedly stacking a bipolar electrode and a membrane and sequentially stacking current collector plates and end caps on both sides of the outermost layer to supply electrolyte to supply electrolyte.
  • the electrolyte tank comprises an anode electrolyte tank containing an anode electrolyte containing zinc, a cathode electrolyte tank containing a cathode electrolyte containing bromine, and a two-phase phase of the cathode electrolyte. It includes a two-phase electrolyte tank containing a).
  • the anode electrolyte tank and the cathode electrolyte tank are connected to the first overflow pipe to supply insufficient electrolyte solution to each other.
  • the two-phase electrolyte tank separates the cathode electrolyte flowing out of the stack according to the difference in specific gravity, and accommodates aqueous bromine (aqueous Br) at the top and heavy complexing Br (QBr) at the bottom.
  • the cathode electrolyte tank and the two-phase electrolyte tank are connected to the second overflow tube to supply the upper aqueous bromine from the two-phase electrolyte tank to the cathode electrolyte tank.
  • the amount of mixed bromine is increased, and the amount of mixed bromine is decreased during discharge.
  • the stored heavy mixed bromine is used only at discharge.
  • the redox flow battery has an anode electrolyte tank 82, a cathode electrolyte tank 83, and a two-phase electrolyte tank 84 below the frame 81, and an upper portion thereof.
  • the stack 85 is stacked in two stages, and the electric field portion 86 is provided on the stack 85, and the heat exchanger 87 and the fan 88 are provided on the side of the stack 85.
  • the anode pipe 821 connecting the anode electrolyte tank 82 and the stack 85 and the cathode pipes 831 and 832 connecting the cathode electrolyte tank 83 and the stack 85 are stacked in two stages 85. In order to supply the electrolyte to the, it further includes the length (L82, L83) of the height range corresponding to the two-layer stack (85).
  • the stack 85 Since the stack 85 is stacked in two stages, and the anode pipe 821 and the cathode pipe 831 have a height difference, the uniformity of electrolyte distribution to the stacks 85 is lowered, and the pipe at the supply side of the electrolyte solution ( As the lengths L82 and L83 of 821 and 831 (832) become longer, the internal pressure increases and the stack stability decreases.
  • the internal temperature can be increased by the heat generated by the electrical component 86, and the electrical component 86 is exposed to the internal heat. Since the heat exchanger 87 is disposed on the side of the stack 85, the heat exchange efficiency for heat generated in the stack 85 is limited, and since one fan 88 is disposed on the side of the stack 85, the temperature of the electrolyte is increased. Difficult to adjust effectively
  • One aspect of the present invention is to provide a redox flow cell that distributes the anode electrolyte containing zinc and the cathode electrolyte containing bromine evenly inside the unit stacks.
  • Redox flow battery is a module formed by electrically connecting the unit modules including the unit stacks for generating a current to each other side, the electrolyte supply to the module and the module
  • An electrolyte tank for storing the electrolyte solution flowing out
  • an electrolyte inflow line for connecting the electrolyte tank and the module to inject the electrolyte into the module by driving an electrolyte pump, and connecting the electrolyte tank and the module to connect the electrolyte solution to the module.
  • the electrolyte tank includes an anode electrolyte tank containing an anode electrolyte supplied between the membrane of the unit stack and an anode electrode, and a cathode electrolyte supplied between the membrane and the cathode electrode of the unit stack, and the anode electrolyte tank
  • a cathode electrolyte tank connected to a first overflow tube, and two phases of the cathode electrolyte flowing out between the membrane and the cathode electrode, and connected to the cathode electrolyte tank by a second overflow tube; It includes a phase electrolyte tank, the lower portion of the two-phase electrolyte tank and the lower portion of the cathode electrolyte tank may be connected by a communication tube.
  • the electrolyte inflow line includes an anode electrolyte inflow line connecting the anode electrolyte tank and the module, and a cathode electrolyte inflow line connecting the cathode electrolyte tank and the module, wherein the anode electrolyte inflow line and the cathode electrolyte inflow line May be connected to a height below a top of the unit module at the side of the module.
  • the electrolyte outflow line includes an anode electrolyte outflow line connecting the module and the anode electrolyte tank, and a cathode electrolyte outflow line connecting the module and the two-phase electrolyte tank, wherein the cathode electrolyte inflow line and the cathode electrolyte outflow
  • the line may be connected to the cathode electrolyte tank, the two-phase electrolyte tank and the module via a four-way valve to selectively perform inflow and outflow operation of the cathode electrolyte.
  • the cathode electrolyte inlet line and the cathode electrolyte outlet line may be connected to a height below or equal to the top of the unit module at the side of the module.
  • the frame containing the module and the electrolyte tank, a partition for setting a space that is distinct from the module and the electrolyte tank from one side of the frame, and the partition wall Installed in the space may further include an electric component for controlling the electrolyte pump.
  • the heat exchanger is disposed on the upper portion of the module controlled by the electric field, and a plurality of fans disposed above the heat exchanger and selectively controlled by the electric field It may further include.
  • the unit modules are arranged on the side of each other to electrically connect and the electrolyte inlet line is connected to the height below the top of the unit module from the side of the module (eg, anode electrolyte and cathode electrolyte) ) Is evenly distributed inside the unit stacks.
  • the electrolyte inlet line is connected to the height below the top of the unit module from the side of the module (eg, anode electrolyte and cathode electrolyte) ) Is evenly distributed inside the unit stacks.
  • the zinc bromine redox reaction generated inside the unit stack becomes constant. That is, the internal temperature and shunt current resistance of the unit stacks are reduced, and the unit stacks are balanced. This increases the efficiency and lifetime of the redox flow cell.
  • FIG. 1 is a block diagram of a redox flow battery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a module and an electrolyte tank applied to FIG. 1.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a unit stack applied to FIG. 2.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of FIG. 3.
  • Figure 6 is a graph comparing the energy efficiency of the prior art and one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph comparing the module efficiency balance between the prior art and the stacks of one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram of a redox flow battery according to the prior art.
  • electrode plate 31 cathode electrode
  • unit stack 101, 102, 103, 104 first, second, third, fourth unit stack
  • electrolyte tank 201 first overflow tube
  • anode electrolyte tank 220 cathode electrolyte tank
  • CH1, CH2 first and second channel H21, H31: electrolyte inlet
  • La1 Lc1 (anode, cathode) electrolyte inlet line
  • La2, Lc2 (anode, cathode) electrolyte outflow line
  • FIG. 1 is a block diagram of a redox flow battery according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a perspective view showing a module and an electrolyte tank applied to FIG. 1 and 2, the redox flow battery of one embodiment supplies an electrolyte to a module 120 and a module 120 that generate a current, and an electrolyte tank 200 that stores electrolyte flowing out of the module 120. ).
  • the module 120 includes a plurality of unit modules 110.
  • the module 120 is formed by arranging two unit modules 110 on the side of each other and electrically connecting them.
  • the unit module 110 is configured to generate a current in the circulation of the electrolyte, and, as an example, includes four unit stacks 100.
  • the electrolyte tank 200 includes an anode electrolyte tank 210 containing an anode electrolyte containing zinc, a cathode electrolyte tank 220 containing a cathode electrolyte containing bromine, and a cathode electrolyte two phases. It includes a two-phase electrolyte tank 230 for receiving.
  • the redox flow battery of the embodiment is connected to the electrolyte tank 200 and the module 120, the electrolyte inflow line (La1 Lc1) for introducing the electrolyte into the module 120 by the driving of the electrolyte pump (Pa, Pc), And electrolyte outlet lines La2 and Lc2 for connecting the electrolyte tank 200 and the module 120 to discharge the electrolyte solution from the module 120.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a unit stack applied to FIG. 2. 2 and 3, the anode electrolyte tank 210 supplies the anode electrolyte between the membrane 10 of the unit stack 100 and the anode electrode 32, and the membrane 10 and the anode electrode 32. The anode electrolyte which flows out between them is accommodated.
  • the cathode electrolyte tank 220 accommodates the cathode electrolyte supplied between the membrane 10 of the unit stack 100 and the cathode electrode 31, and is connected to the anode electrolyte tank 210 by a first overflow pipe 201. do.
  • the first overflow tube 201 allows the electrolyte of the anode and cathode electrolyte tanks 210 and 220 to be exchanged with each other.
  • the two-phase electrolyte tank 230 includes a cathode electrolyte (an aqueous solution containing two phases of an aqueous bromine and a medium mixed bromine) which flows out between the membrane 10 of the unit stack 100 and the cathode electrode 31. ) Is connected to the cathode electrolyte tank 220 by a second overflow tube 202. In addition, a lower portion of the two-phase electrolyte tank 230 and a lower portion of the cathode electrolyte tank 220 are connected to the communication tube 203.
  • a cathode electrolyte an aqueous solution containing two phases of an aqueous bromine and a medium mixed bromine
  • the two-phase electrolyte tank 230 separates the cathode electrolyte flowing out between the membrane 10 and the cathode electrode 31 into two phases according to specific gravity, that is, accommodates the mixed bromine on the lower side and the aqueous bromine on the upper side. To accept. Aqueous bromine is supplied to the cathode electrolyte tank 220 through the second overflow tube 202.
  • the second overflow tube 202 is supplied with the upper aqueous bromine to the cathode electrolyte tank 220.
  • the lower heavy mixed bromine may be supplied between the membrane 10 and the cathode electrode 31 in place of the cathode electrolyte of the cathode electrolyte tank 220 through the communication tube 203.
  • the electrolyte inflow lines La1 and Lc1 are the anode electrolyte inflow line La1 connecting the anode electrolyte tank 210 to the module 120, and at the time of discharge, the two-phase electrolyte tank 230 or at the time of filling, the cathode. It includes a cathode electrolyte inlet line (Lc1) connecting the electrolyte tank 220 to the module 120.
  • the electrolyte outflow lines La2 and Lc2 are the anode electrolyte outflow line La2 connecting the anode electrolyte tank 210 to the module 120, and the cathode electrolyte outflow connecting the two-phase electrolyte tank 230 to the module 120. Line Lc2.
  • the anode and cathode electrolyte inflow lines La1 and Lc1 are connected to the anode electrolyte tank 210 and the cathode electrolyte tank through the electrolyte inlets H21 and H31 of the unit stack 100 via the anode and cathode electrolyte pumps Pa and Pc. And 220 or two-phase electrolyte tank 230, respectively.
  • the anode and cathode electrolyte outlet lines La2 and Lc2 connect the anode electrolyte tank 210 and the two-phase electrolyte tank 230 to the electrolyte outlets H22 and H32 of the unit stack 100, respectively.
  • the anode electrolyte tank 210 contains an anode electrolyte containing zinc, and drives the anode electrolyte between the membrane 10 of the unit stack 100 and the anode electrode 32 by driving the anode electrolyte pump Pa. Circulate
  • the cathode electrolyte tank 220 or the two-phase electrolyte tank 230 may contain a cathode electrolyte containing bromine, and the membrane 10 and the cathode of the unit stack 100 may be driven by the cathode electrolyte pump Pc.
  • the cathode electrolyte is circulated between the electrodes 31.
  • the two-phase electrolyte tank 230 drives the cathode electrolyte flowing out between the membrane 10 of the unit stack 100 and the cathode electrode 31 by the driving of the cathode electrolyte pump Pc to the cathode electrolyte outlet line Lc2.
  • the mixture receives the mixed bromine on the lower side and the aqueous bromine on the upper side.
  • the cathode electrolyte inflow line Lc1 and the cathode electrolyte outflow line Lc2 selectively connect the cathode electrolyte tank 220 and the two-phase electrolyte tank 230 to the module 120 through the four-way valve 205.
  • the inflow and outflow of the cathode electrolyte to the module 120 may be selectively performed.
  • the communication pipe 203 is provided with an intermittent valve 206, and can drive the cathode electrolyte in the two-phase electrolyte tank 230 to the module 120 by driving the cathode electrolyte pump Pc during discharge. That is, when the intermittent valve 206 is closed during charging, the cathode electrolyte of the cathode electrolyte tank 220 is supplied to the cathode electrolyte inflow line Lc1, and when the intermittent valve 206 is opened during discharge, the two-phase electrolyte tank 230 is discharged. Cathode electrolyte is supplied to the cathode electrolyte inlet line (Lc1).
  • the unit stack 100 is electrically connected to other unit stacks 100 that are adjacent to each other through the bus bars B1 and B2.
  • the unit module 110 and the module 120 discharge current generated inside the unit stacks 100 through the busbars B1 and B2, or are connected to an external power source to connect the anode electrolyte tank 210 with the two.
  • the current may be charged in the phase electrolyte tank 230.
  • the unit stack 100 may be formed by stacking a plurality of unit cells C1 and C2.
  • this embodiment illustrates a unit stack 100 formed by stacking two unit cells C1 and C2.
  • the unit stack 100 is stacked as shown in FIG. 2, the unit module 110 is formed. Since the unit modules 110 are disposed on the side of each other, the module 120 is formed.
  • electrolyte inlets H21 and H31 are provided in the left unit cell C1, and the electrolyte inlets H21 and H31 are respectively supplied through the anode and the cathode electrolyte pumps Pa and Pc.
  • the lines La1 and Lc1 are connected to the anode electrolyte tank 210 and the cathode electrolyte tank 220 or the two-phase electrolyte tank 230, respectively.
  • electrolyte unit outlets H22 and H32 are provided in the right side unit cell C2, and the electrolyte outlets H22 and H32 are anode and cathode electrolyte outlet lines La2 and Lc2, respectively, with the anode electrolyte tank 210 and the two-phase electrolyte solution. Respectively connected to the tank 230.
  • the electrolyte inlets H21 and H31 flow the electrolyte from the anode electrolyte tank 210 and the cathode electrolyte tank 220 or the two-phase electrolyte tank 230 into the left unit cell C1, respectively.
  • the electrolyte outlets H22 and H32 flow out the electrolyte flowing out from the right unit cell C2 to the anode electrolyte tank 210 and the two-phase electrolyte tank 230 via the unit stack 100, respectively.
  • the unit stack 100 includes a membrane 10, a spacer 20, an electrode plate 30, a flow frame (eg, a membrane flow frame 40, and an electrode flow frame 50). ), First and second collector plates 61 and 62 and first and second end caps 71 and 72.
  • the unit stack 100 includes two unit cells C1 and C2, one unit flow frame 50 may be provided at the center, and the unit stack 100 may be arranged in a symmetrical structure on both sides of the electrode flow frame 50.
  • the membrane 10 is configured to pass ions and is coupled to the membrane flow frame 40 at the center of the thickness direction of the membrane flow frame 40.
  • the electrode plate 30 is coupled to the electrode flow frame 50 at the center of the thickness direction of the electrode flow frame 50.
  • the first end cap 71, the membrane flow frame 40, the electrode flow frame 50, the membrane flow frame 40 and the second end cap 72 are disposed, and the membrane 10 and the electrode plate 30 are disposed.
  • the membrane flow frame 40, the electrode flow frame 50, and the first and second end caps 71 and 72 are joined to each other via the spacer 20 therebetween.
  • a unit stack 100 having a structure is formed.
  • the electrode plate 30 forms the anode electrode 32 on one side and the cathode electrode 31 on the other side at the portion where the two unit cells C1 and C2 are connected, thereby forming the two unit cells C1 and C2.
  • the carbon coating layer may be formed on the cathode electrode 31.
  • the membrane flow frame 40, the electrode flow frame 50, and the first and second end caps 71 and 72 are bonded to each other to establish an internal volume IV between the membrane 10 and the electrode plate 30.
  • first and second channel channels CH1 (see FIG. 4) and CH2 (see FIG. 5) for supplying an electrolyte solution to the internal volume IV.
  • the first and second flow channels CH1 and CH2 are configured to supply the electrolyte at uniform pressure and amount on both sides of the membrane 10, respectively.
  • the membrane flow frame 40, the electrode flow frame 50, and the first and second end caps 71 and 72 may be formed of an electrical insulating material including a synthetic resin component, and may be bonded by thermal fusion or vibration fusion.
  • the first flow channel CH1 connects the electrolyte inlet H21, the internal volume IV and the electrolyte outlet H22 to drive the membrane 10 and the anode electrode 32 by driving the anode electrolyte pump Pa.
  • the anode electrolyte is introduced into the internal volume IV set therebetween to allow the electrolyte to flow out after the reaction (see FIG. 4).
  • the second channel CH2 connects the electrolyte inlet H31, the internal volume IV and the electrolyte outlet H32, and drives the membrane 10 and the cathode electrode 31 by driving the cathode electrolyte pump Pc.
  • the cathode electrolyte is introduced into the internal volume IV set therebetween to allow the electrolyte to flow out after the reaction (see FIG. 5).
  • the anode electrolyte is redox-reacted at the anode electrode 32 side of the internal volume IV to generate a current and stored in the anode electrolyte tank 200.
  • the cathode electrolyte is redox-reacted at the cathode electrode 31 side of the internal volume IV to generate a current and stored in the two-phase electrolyte tank 230.
  • bromine included in the cathode electrolyte is produced and stored in the two-phase electrolyte tank 230. At this time, bromine is immediately mixed by tetraammonium ions in the cathode electrolyte to form a high density second phase which is immediately removed from the unit stack 100, such as the cathode electrolyte.
  • the aqueous bromine separated in the two-phase electrolyte tank 230 is overflowed to the cathode electrolyte tank 220 through the second overflow tube 202.
  • the anode electrolyte or the cathode electrolyte between the anode electrolyte tank 210 and the cathode electrolyte tank 220 may overflow each other through the first overflow pipe 201.
  • a reverse reaction of equation 1 occurs between the membrane 10 and the cathode electrode 31, and a reverse reaction of equation 2 occurs between the membrane 10 and the anode electrode 32.
  • the first and second current collector plates 61 and 62 collect current generated from the cathode electrode 31 and the anode electrode 32 or supply current to the cathode electrode 31 and the anode electrode 32 from the outside.
  • the outermost electrode plates 30 and 30 are bonded to and electrically connected to each other.
  • the first end cap 71 is integrally formed by receiving the first collector plate 61 to which the bus bar B1 is connected, and the electrode plate 30 connected to the first collector plate 61.
  • One side of the unit stack 100 is formed.
  • the first end cap 71 may be molded by insert injection by inserting the bus bar B1, the first current collector plate 61, and the electrode plate 30.
  • the second end cap 72 is integrally formed to accommodate the second collector plate 62 to which the bus bar B2 is connected, and the electrode plate 30 to be connected to the second collector plate 62. To form the outer side of the other side.
  • the second end cap 72 may be molded by insert injection by inserting the bus bar B2, the second current collector plate 62, and the electrode plate 30.
  • the first end cap 71 includes anode and cathode electrolyte inlets H21 and H31 at one side thereof, and is connected to the first and second channel CHs CH1 and CH2, respectively, to introduce the cathode electrolyte and the anode electrolyte.
  • the second end cap 72 has electrolyte outlets H22 and H32 on one side thereof, and is connected to the first and second channel channels CH1 and CH2 to respectively discharge the cathode electrolyte and the anode electrolyte.
  • the cathode electrolyte flowing out through the cathode electrolyte outflow line Lc2 and the four-way valve 205 flows into the two-phase electrolyte tank 230. Therefore, the mixed bromine mixed in the cathode electrolyte introduced into the two-phase electrolyte tank 230 is located below.
  • the overflow from the two-phase electrolyte tank 230 to the second overflow pipe 202 is an aqueous bromine located on the upper side, and the heavy mixed bromine located on the lower side does not overflow.
  • the intermittent valve 206 is closed to supply the cathode electrolyte from the cathode electrolyte tank 220 to the cathode electrolyte inflow line Lc1.
  • the two-phase electrolyte tank 230 accommodates the cathode electrolyte.
  • the cathode electrolyte is supplied from the cathode electrolyte tank 220 to the cathode electrolyte inflow line Lc1.
  • the intermittent valve 206 is opened to supply the cathode electrolyte including the mixed bromine to the cathode electrolyte inflow line Lc1.
  • the electrolyte inflow lines La1 and Lc1 are connected to a height below the top of the unit module 110 on the side of the module 120. That is, the electrolyte inflow lines La1 and Lc1 are not higher than the highest height of the unit module 110.
  • the anode electrolyte inflow line La1 and the cathode electrolyte inflow line Lc1 are connected to a height below the top of the unit module 110 on the side of the module 120. That is, since the unit modules 110 are disposed on the side of each other, the overall height of the module 120 is set to be the same as the height of the unit module 110.
  • the unit modules 110 are disposed in a plane, the unit modules 110 and the unit stack 100 may be easily replaced, and electrolyte flows in.
  • the length in the height direction of the lines La1 and Lc1 is shortened, the heights of the electrolyte inflow lines La1 and Lc1 with respect to the unit modules 110 become uniform.
  • the electrolyte may be distributed evenly with respect to the unit modules 110, and the electrolyte may be injected evenly with respect to the unit stacks 100 in each unit module 110. That is, the resistance of the shunt current can be reduced.
  • the length of the height direction of the electrolyte inflow lines La1 and Lc1 is shortened, stability of the unit stacks 100 may be improved due to a decrease in internal pressure.
  • the internal resistance of the unit stacks 100 may be reduced, and zinc deposition (Zn-Deposition) may be evenly dissolved. Internal pressure can be reduced.
  • cathode electrolyte inlet line Lc1 and the cathode electrolyte outlet line Lc2 which connect the cathode electrolyte tank 220 and the two-phase electrolyte tank 230 to the module 120 via the four-way valve 205, Both sides of the module 120 are connected to a height below the top of the unit module 110.
  • the driving speeds of the anode and cathode electrolyte pumps Pa and Pc may not be increased.
  • the pressure in the electrolyte inflow lines La1 and Lc1 and the module 120 may be reduced, and the risk of electrolyte leak may be lowered.
  • the redox flow battery of the embodiment is a frame 300 and a space that is separated from the module 120 and the electrolyte tank 200 on one side of the frame 300, the module 300 and the electrolyte tank 200 is built in It further includes a partition 400 for setting (S), and an electric component 500 installed in the space of the partition 400 to control the electrolyte pumps Pa and Pc.
  • the frame 300 is configured to receive the electrolyte tank 200 at the bottom and to receive the module 120 at the top.
  • the frame 300 forms a space S by the partition 400 on one side of the upper portion, and separately includes the electric parts 500 in the space S, so that heat generated from the electric parts 500 is moduled. May be blocked from being transmitted to 120.
  • the redox flow battery of one embodiment is provided in the upper portion of the heat exchanger 600 and the heat exchanger 600, which is disposed on the module 120 and controlled by the electric field unit 500 (four as an example). And further include a fan 700 which is selectively controlled by the electric component 500.
  • the heat exchanger 600 may effectively control the temperature at the upper portion of the module 120 by a heat exchange effect on the heat generated from the module 120.
  • the fan 700 may be selectively driven according to the temperature of the corresponding part in the module 120 by providing a plurality of small fans. Since the fan 700 is individually controlled, the temperature of the electrolyte may be adjusted more uniformly. In other words, by maintaining the pH of the electrolyte solution, to prevent the generation of bromine gas, the efficiency can be improved.
  • the electronic device 500 includes a battery management system (BMS) to control the anode and the cathode electrolyte pumps (Pa, Pc) to control the flow rate of the electrolyte, and to control the plurality of fans 700 individually.
  • BMS battery management system
  • Pa, Pc cathode electrolyte pumps
  • the internal temperature of the module 120 is easily controlled, chemical side reactions other than the reaction between zinc and the mixed bromine (QBr) may be removed. Therefore, the efficiency and durability of the redox flow battery can be improved.
  • FIG. 6 is a graph comparing the energy efficiency of the prior art and one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, performance experiments were performed on the prior art and the redox flow battery of one embodiment.
  • the unit module 120 includes four unit stacks 100, that is, first, second, third, and fourth unit stacks 101, 102, 103, and 104.
  • the first unit stack 101 of one embodiment includes a plurality of unit stacks (two in front and rear in FIG. 2) disposed on the same side in neighboring unit modules 120.
  • the first unit stack of the prior art includes a plurality of stacks (two in the top and bottom in FIG. 8) arranged in the same line in the vertical direction in FIG.
  • Example Conventional Example One 68.40 71.00 69.20 69.34 68.88 70.90 66.60 72.90 2 68.70 71.10 69.81 70.10 68.84 70.40 66.70 74.37 3 66.20 70.50 67.00 68.89 68.12 68.60 64.70 73.25
  • the energy efficiency of the embodiment of the present invention is generally higher for the first to fourth unit stacks 101, 102, 103, 104.
  • the voltage efficiency of the embodiment of the present invention is generally higher for the first to fourth unit stacks 101, 102, 103, 104.
  • the module efficiency of the prior art was generally 60%, and in one embodiment, the module efficiency was better than the prior art by 70%.
  • FIG. 7 is a graph comparing the module efficiency balance between the prior art and the stacks of one embodiment of the present invention. 2 and 7, in one, two, three cycle experiments on the first, second, and fourth unit stacks 101, 102, 104, prior art stacks have an imbalance in module efficiency in the third cycle. The values ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 4 were large, and the stacks of one embodiment showed largely uneven values of module efficiency ( ⁇ 11, ⁇ 21, ⁇ 41).
  • the unbalance value ⁇ 31 of the module efficiency of one embodiment is greater than the unbalance value ⁇ 3 of the module efficiency of the prior art. Is showing.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈들을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 모듈, 상기 모듈에 전해액을 공급하고 상기 모듈에서 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크, 상기 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하여 전해액 펌프의 구동으로 상기 전해액을 상기 모듈에 유입하는 전해액 유입라인, 및 상기 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하여 상기 전해액을 상기 모듈로부터 유출하는 전해액 유출라인을 포함하며, 상기 전해액 유입라인은 상기 모듈의 측방에서 상기 단위 모듈의 최상부 이하의 높이에 연결된다.

Description

레독스 흐름 전지
본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 아연 브로민 레독스 흐름 전지는 흐름 전지의 일종으로써 전해액과 전극 사이에서 일어나는 산화 환원 반응으로 전기를 생산한다.
예를 들면, 레독스 흐름 전지는 바이폴라 전극판(bipolar electrode)과 멤브레인(membrane)을 반복적으로 적층하고, 적층된 최외곽의 양측에 집전판과 앤드 캡을 차례로 적층하여 형성되어 전해액이 공급되어 산화 환원 반응이 일어나는 스택, 스택에 전해액을 공급하는 펌프와 배관, 스택에서 내부 반응 후, 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크, 스택 내부에 전력을 일정하게 제어하는 전장부를 포함한다.
레독스 흐름 전지에서, 전해액 탱크는 아연을 포함하는 애노드 전해액(anolyte)을 수용하는 애노드 전해액 탱크, 브로민을 포함하는 캐소드 전해액(catholyte)을 수용하는 캐소드 전해액 탱크, 및 캐소드 전해액의 2상(phase)을 수용하는 2상 전해액 탱크를 포함한다. 애노드 전해액 탱크와 캐소드 전해액 탱크는 제1오버 플로우 관으로 연결되어 부족한 전해액을 서로 공급한다.
2상 전해액 탱크는 스택으로부터 유출되는 캐소드 전해액을 비중 차에 따라 분리하여, 상부에 수성 브로민(aqueous Br)과 하부에 중혼합 브로민(heavy complexing Br, QBr)을 수용한다. 캐소드 전해액 탱크와 2상 전해액 탱크는 제2오버 플로우 관으로 연결되어 상부 수성 브로민을 2상 전해액 탱크에서 캐소드 전해액 탱크로 공급한다. 충전시 2상 전해액 탱크에는 중혼합 브로민의 양이 증가하고, 방전시 중혼합 브로민의 양이 감소된다. 저장된 중혼합 브로민은 방전시에만 사용된다.
한편, 스택, 펌프와 배관 및 전장부는 레독스 흐름 전지의 효율에 큰 영향을 미친다. 스택에 전해액이 일정하게 공급되지 않으면, 스택 내부에서 발생되는 아연 브로민 산화 환원 반응이 일정하지 않게 된다. 따라서 스택 내부 온도 및 분권 전류(shunt current) 저항의 증가로 인하여 스택 간 불균형이 발생된다. 즉 레독스 흐름 전지의 효율 및 수명이 저감된다.
전해액을 공급하는 배관의 길이 편차가 크면, 스택 내부에 공급되어야 할 전해액의 양이 불균일하게 되고, 전해액의 내부 흐름이 변화하게 된다. 따라서 전압 및 저항이 변화되고 부반응이 발생되며, 에너지 효율(Energy Efficiency; EE), 초기화 효율(Columbic Efficiency; CE), 및 전압 효율(Voltage Efficiency; VE)이 영향을 받는다. 그리고 내부 압력의 변화로 인하여, 스택과 배관에서 누액(Leak)의 위험이 높아질 수 있다.
도 8을 참조하면, 종래기술에 따른 레독스 흐름 전지는 프레임(81)의 하측에 애노드 전해액 탱크(82), 캐소드 전해액 탱크(83), 및 2상 전해액 탱크(84)를 구비하고, 그 상부에 스택(85)을 2단으로 적층 배치하며, 스택(85)의 상부에 전장부(86)를 구비하며, 스택(85)의 측방에 열교환기(87)와 팬(88)을 구비한다.
애노드 전해액 탱크(82)와 스택(85)을 연결하는 애노드 배관(821)과, 캐소드 전해액 탱크(83)와 스택(85)을 연결하는 캐소드 배관(831, 832)은 2단의 스택(85)에 전해액을 공급하기 위하여, 2층 스택(85)에 대응하는 높이 범위의 길이(L82, L83)를 더 포함한다.
스택(85)이 2단으로 적층되고, 애노드 배관(821)과 캐소드 배관(831)이 높이 차이를 가지므로 스택들(85)에 대한 전해액 분배의 균일성이 저하되고, 전해액의 공급측에서 배관(821, 831(832))의 길이(L82, L83)가 더 길어짐에 따라 내부 압력 증가로 스택의 안정성이 저하된다.
전장부(86)가 스택(85)의 상부에 배치되므로 전장부(86)에서 발생된 열로 내부의 온도를 상승시킬 수 있고, 전장부(86)가 내부 열에 노출되어 있다. 열교환기(87)는 스택(85)의 측방에 배치되므로 스택(85)에서 발생되는 열에 대한 열교환 효율이 제한적이며, 하나의 팬(88)이 스택(85)의 측방에서 배치되므로 전해액의 온도를 효과적으로 조절하기 어렵다.
본 발명의 일 측면은 아연을 포함하는 애노드 전해액과 브로민을 포함하는 캐소드 전해액을 단위 스택들의 내부에 균등하게 분배하는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈들을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 모듈, 상기 모듈에 전해액을 공급하고 상기 모듈에서 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크, 상기 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하여 전해액 펌프의 구동으로 상기 전해액을 상기 모듈에 유입하는 전해액 유입라인, 및 상기 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하여 상기 전해액을 상기 모듈로부터 유출하는 전해액 유출라인을 포함하며, 상기 전해액 유입라인은 상기 모듈의 측방에서 상기 단위 모듈의 최상부 이하의 높이에 연결된다.
상기 전해액 탱크는, 상기 단위 스택의 멤브레인과 애노드 전극 사이에 공급하는 애노드 전해액을 수용하는 애노드 전해액 탱크, 상기 단위 스택의 상기 멤브레인과 캐소드 전극 사이에 공급하는 캐소드 전해액을 수용하며, 상기 애노드 전해액 탱크에 제1오버 플로우 관으로 연결되는 캐소드 전해액 탱크, 및 상기 멤브레인과 상기 캐소드 전극 사이에서 유출되는 상기 캐소드 전해액의 2상(phase)을 수용하며, 상기 캐소드 전해액 탱크에 제2오버 플로우 관으로 연결되는 2상 전해액 탱크를 포함하며, 상기 2상 전해액 탱크의 하부와 상기 캐소드 전해액 탱크의 하부는 연통관으로 연결될 수 있다.
상기 전해액 유입라인은 상기 애노드 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하는 애노드 전해액 유입라인, 및 상기 캐소드 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하는 캐소드 전해액 유입라인을 포함하며, 상기 애노드 전해액 유입라인 및 상기 캐소드 전해액 유입라인은 상기 모듈의 측방에서 상기 단위 모듈의 최상부 이하의 높이에 연결될 수 있다.
상기 전해액 유출라인은 상기 모듈과 상기 애노드 전해액 탱크를 연결하는 애노드 전해액 유출라인, 및 상기 모듈과 상기 2상 전해액 탱크를 연결하는 캐소드 전해액 유출라인을 포함하며, 상기 캐소드 전해액 유입라인 및 상기 캐소드 전해액 유출라인은 4방향 밸브를 개재하여 상기 캐소드 전해액 탱크 및 상기 2상 전해액 탱크와 상기 모듈에 연결되어 캐소드 전해액의 유입과 유출 작동을 선택적으로 수행할 수 있다.
상기 캐소드 전해액 유입라인 및 상기 캐소드 전해액 유출라인은 상기 모듈의 측방에서 상기 단위 모듈의 최상부 이하의 높이에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 상기 모듈 및 상기 전해액 탱크를 내장하는 프레임, 상기 프레임의 일측 상방에서 상기 모듈과 상기 전해액 탱크와 구별되는 공간을 설정하는 격벽, 및 상기 격벽의 공간에 설치되어 상기 전해액 펌프를 제어하는 전장부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 상기 모듈의 상부에 배치되어 상기 전장부로 제어되는 열교환기, 및 상기 열교환기의 상방에 복수로 배치되어 상기 전장부에 의하여 선택적으로 제어되는 팬을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단위 모듈들을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하고 전해액 유입라인을 모듈의 측방에서 단위 모듈의 최상부 이하의 높이에 연결하므로 전해액(일례로써, 애노드 전해액과 캐소드 전해액)을 단위 스택들의 내부에 균등하게 분배하는 효과가 있다.
따라서 단위 스택의 내부에서 발생되는 아연 브로민 산화 환원 반응이 일정하게 된다. 즉 단위 스택들의 내부 온도 및 분권 전류(shunt current) 저항이 줄어들고, 단위 스택들 간의 균형이 이루어진다. 이로써 레독스 흐름 전지의 효율 및 수명이 증가된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 모듈과 전해액 탱크를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에 적용되는 단위 스택의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다.
도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ 선에 따른 단면도이다.
도 6은 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 에너지 효율을 비교한 그래프이다.
도 7은 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 스택들 간의 모듈 효율 균형을 비교한 그래프이다.
도 8은 종래기술에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이다.
- 부호의 설명 -
10: 멤브레인 20: 스페이서
30: 전극판 31: 캐소드 전극
32: 애노드 전극 40, 50: (멤브레인, 전극)흐름 프레임
61, 62: 제1, 제2집전판 71, 72: 제1, 제2앤드 캡
100: 단위 스택 101, 102, 103, 104: 제1, 제2, 제3, 제4단위 스택
110: 단위 모듈 120: 모듈
200: 전해액 탱크 201: 제1오버 플로우 관
202: 제2오버 플로우 관 203: 연통관
205: 4방향 밸브 206: 단속 밸브
210: 애노드 전해액 탱크 220: 캐소드 전해액 탱크
230: 2상 전해액 탱크 300: 프레임
400: 격벽 500: 전장부
600: 열교환기 700: 팬
B1, B2: 버스바 C1, C2: 단위 셀
CH1, CH2: 제1, 제2유로 채널 H21, H31: 전해액 유입구
H22, H32: 전해액 유출구 S: 공간
La1 Lc1: (애노드, 캐소드) 전해액 유입라인
La2, Lc2: (애노드, 캐소드) 전해액 유출라인
Pa, Pc: (애노드, 캐소드) 전해액 펌프
IV: 내부 용적 Δ1, Δ2, Δ3, Δ4: 불균형 값
Δ11, Δ21, Δ31, Δ41: 불균형 값
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이고, 도 2는 도 1에 적용되는 모듈과 전해액 탱크를 도시한 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 전류를 발생시키는 모듈(120) 및 모듈(120)에 전해액을 공급하고 모듈(120)에서 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크(200)를 포함한다.
모듈(120)은 복수의 단위 모듈들(110)을 포함한다. 일례로써, 모듈(120)은 2개의 단위 모듈(110)을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성된다. 단위 모듈(110)은 전해액의 순환으로 전류를 발생시키도록 구성되며, 일례로써, 각각 4개의 단위 스택들(100)을 포함한다.
예를 들면, 전해액 탱크(200)는 아연을 포함하는 애노드 전해액을 수용하는 애노드 전해액 탱크(210), 브로민을 포함하는 캐소드 전해액을 수용하는 캐소드 전해액 탱크(220), 및 캐소드 전해액의 2상을 수용하는 2상 전해액 탱크(230)를 포함한다.
또한, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 전해액 탱크(200)와 모듈(120)을 연결하여 전해액 펌프(Pa, Pc)의 구동으로 전해액을 모듈(120)에 유입하는 전해액 유입라인(La1 Lc1), 및 전해액 탱크(200)와 모듈(120)을 연결하여 전해액을 모듈(120)로부터 유출하는 전해액 유출라인(La2, Lc2)을 포함한다.
도 3은 도 2에 적용되는 단위 스택의 분해 사시도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 애노드 전해액 탱크(210)는 단위 스택(100)의 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 애노드 전해액을 공급하고, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이를 경유하여 유출되는 애노드 전해액을 수용한다.
캐소드 전해액 탱크(220)는 단위 스택(100)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 공급하는 캐소드 전해액을 수용하며, 애노드 전해액 탱크(210)에 제1오버 플로우 관(201)으로 연결된다. 제1오버 플로우 관(201)는 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)의 전해액을 서로 교환할 수 있게 한다.
2상 전해액 탱크(230)는 단위 스택(100)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이를 경유하여 유출되는 캐소드 전해액(수성 브로민과 중혼합 브로민의 2상(phase)을 포함하는 전해액)을 수용하며, 캐소드 전해액 탱크(220)에 제2오버 플로우 관(202)으로 연결된다. 또한 2상 전해액 탱크(230)의 하부와 캐소드 전해액 탱크(220)의 하부는 연통관(203)으로 연결된다.
2상 전해액 탱크(230)는 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서 유출되는 캐소드 전해액을 비중에 따라 2상으로 분리하여, 즉 하측에 중혼합 브로민을 수용하고, 상측에 수성 브로민을 수용한다. 수성 브로민은 제2오버 플로우 관(202)을 통하여 캐소드 전해액 탱크(220)로 공급된다.
즉 제2오버 플로우 관(202)은 상측 수성 브로민을 캐소드 전해액 탱크(220)로 공급된다. 방전시, 하측 중혼합 브로민은 연통관(203)을 통하여 캐소드 전해액 탱크(220)의 캐소드 전해액을 대신하여 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이로 공급될 수 있다.
이를 위하여, 전해액 유입라인(La1, Lc1)은 애노드 전해액 탱크(210)를 모듈(120)에 연결하는 애노드 전해액 유입라인(La1), 및 방전시, 2상 전해액 탱크(230) 또는 충전시, 캐소드 전해액 탱크(220)을 모듈(120)에 연결하는 캐소드 전해액 유입라인(Lc1)을 포함한다.
전해액 유출라인(La2, Lc2)은 모듈(120)에 애노드 전해액 탱크(210)를 연결하는 애노드 전해액 유출라인(La2), 및 모듈(120)에 2상 전해액 탱크(230)를 연결하는 캐소드 전해액 유출라인(Lc2)을 포함한다.
애노드, 캐소드 전해액 유입라인(La1, Lc1)은 애노드, 캐소드 전해액 펌프(Pa, Pc)를 개재하여, 단위 스택(100)의 전해액 유입구(H21, H31)를 애노드 전해액 탱크(210)와 캐소드 전해액 탱크(220) 또는 2상 전해액 탱크(230)에 각각 연결한다. 애노드, 캐소드 전해액 유출라인(La2, Lc2)은 단위 스택(100)의 전해액 유출구(H22, H32)에 애노드 전해액 탱크(210)와 2상 전해액 탱크(230)를 각각 연결한다.
애노드 전해액 탱크(210)는 아연을 포함하는 애노드 전해액(anolyte)을 내장하며, 애노드 전해액 펌프(Pa)의 구동으로 단위 스택(100)의 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 애노드 전해액을 순환시킨다.
캐소드 전해액 탱크(220) 또는 2상 전해액 탱크(230)는 브로민을 포함하는 캐소드 전해액(catholyte)을 내장하며, 캐소드 전해액 펌프(Pc)의 구동으로 단위 스택(100)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 캐소드 전해액을 순환시킨다.
또한, 2상 전해액 탱크(230)는 캐소드 전해액 펌프(Pc)의 구동으로 단위 스택(100)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서 유출되는 캐소드 전해액을 캐소드 전해액 유출라인(Lc2)으로 공급 받아서 비중 차에 따라 하측에 중혼합 브로민을 수용하고, 상측에 수성 브로민을 수용한다.
한편, 캐소드 전해액 유입라인(Lc1) 및 캐소드 전해액 유출라인(Lc2)은 4방향 밸브(205)를 개재하여, 캐소드 전해액 탱크(220) 및 2상 전해액 탱크(230)을 선택적으로 모듈(120)에 연결하므로 모듈(120)에 대한 캐소드 전해액의 유입과 유출 작동을 선택적으로 수행할 수 있다.
연통관(203)에는 단속 밸브(206)가 구비되어, 방전시 캐소드 전해액 펌프(Pc) 구동으로, 2상 전해액 탱크(230)의 캐소드 전해액을 모듈(120)에 공급할 수 있다. 즉 충전시 단속 밸브(206)가 폐쇄되면, 캐소드 전해액 탱크(220)의 캐소드 전해액이 캐소드 전해액 유입라인(Lc1)으로 공급되고, 방전시 단속 밸브(206)가 개방되면, 2상 전해액 탱크(230)의 캐소드 전해액이 캐소드 전해액 유입라인(Lc1)으로 공급된다.
또한, 단위 스택(100)은 버스바(B1, B2)를 통하여 이웃하는 다른 단위 스택(100)과 전기적으로 연결된다. 단위 모듈(110) 및 모듈(120)은 버스바(B1, B2)를 통하여 단위 스택들(100)의 내부에서 생성된 전류를 방전하거나, 외부의 전원에 연결되어 애노드 전해액 탱크(210)와 2상 전해액 탱크(230)에 전류를 충전할 수 있다.
예를 들면, 단위 스택(100)은 단위 셀들(C1, C2)을 복수로 적층하여 형성될 수 있다. 편의상, 본 실시예는 2개의 단위 셀들(C1, C2)을 적층하여 형성된 단위 스택(100)을 예시한다.
단위 스택(100)을 도 2에 도시된 바와 같이 적층하므로 단위 모듈(110)이 형성된다. 단위 모듈들(110)을 서로의 측면에 배치하므로 모듈(120)이 형성된다.
단위 스택(100)에서 좌측 단위 셀(C1)에 전해액 유입구(H21, H31)가 구비되고, 전해액 유입구(H21, H31)는 애노드, 캐소드 전해액 펌프(Pa, Pc)를 개재하여 애노드, 캐소드 전해액 유입라인(La1, Lc1)으로 애노드 전해액 탱크(210)와 캐소드 전해액 탱크(220) 또는 2상 전해액 탱크(230)에 각각 연결된다.
또한, 우측 단위 셀(C2)에 전해액 유출구(H22, H32)가 구비되고, 전해액 유출구(H22, H32)는 애노드, 캐소드 전해액 유출라인(La2, Lc2)으로 애노드 전해액 탱크(210)와 2상 전해액 탱크(230)에 각각 연결된다.
전해액 유입구(H21, H31)는 애노드 전해액 탱크(210)와 캐소드 전해액 탱크(220) 또는 2상 전해액 탱크(230)의 전해액을 좌측 단위 셀(C1)로 각각 유입한다. 전해액 유출구(H22, H32)는 단위 스택(100)을 경유하여, 우측 단위 셀(C2)로부터 유출되는 전해액을 애노드 전해액 탱크(210)와 2상 전해액 탱크(230)로 각각 유출한다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이고, 도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ 선에 따른 단면도이다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 단위 스택(100)은 멤브레인(10), 스페이서(20), 전극판(30), 흐름 프레임(예를 들면, 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50)), 제1, 제2집전판(61, 62) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)을 포함한다.
일례로써, 단위 스택(100)은 2개의 단위 셀(C1, C2)을 구비하므로 1개의 전극 흐름 프레임(50)을 중앙에 구비하고, 전극 흐름 프레임(50)의 양측에 좌우 대칭 구조로 배치되는 2개의 멤브레인 흐름 프레임(40), 및 멤브레인 흐름 프레임(40)의 외곽에 각각 배치되는 2개의 제1, 제2앤드 캡(71, 72)을 포함한다.
멤브레인(10)은 이온을 통과시키도록 구성되고, 멤브레인 흐름 프레임(40)에 멤브레인 흐름 프레임(40)의 두께 방향 중심에 결합된다. 전극판(30)은 전극 흐름 프레임(50)에 전극 흐름 프레임(50)의 두께 방향 중심에 결합된다.
제1앤드 캡(71), 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50), 멤브레인 흐름 프레임(40) 및 제2앤드 캡(72)을 배치하고, 멤브레인(10)과 전극판(30) 사이에 각각 스페이서(20)를 개재하여 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)을 서로 접합함으로써, 2개의 단위 셀(C1, C2)을 구비한 단위 스택(100)이 형성된다.
전극판(30)은 2개의 단위 셀(C1, C2)이 연결되는 부분에서는 일측으로 애노드 전극(32)을 형성하고 다른 측으로 캐소드 전극(31)을 형성하여, 2개의 단위 셀(C1, C2)을 직렬로 연결하는 바이폴라 전극을 형성한다. 캐소드 전극(31)에는 카본 코팅층이 형성될 수 있다.
멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)은 서로 접착되어 멤브레인(10)과 전극판(30) 사이에 내부 용적(IV)을 설정하며, 내부 용적(IV)에 전해액을 공급하는 제1, 제2유로 채널(CH1(도 4 참조), CH2(도 5 참조))을 구비한다. 제1, 제2유로 채널(CH1, CH2)은 멤브레인(10)의 양면에서 각각 균일한 압력과 양으로 전해액을 공급하도록 구성된다.
멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)은 합성수지 성분을 포함하는 전기 절연재로 형성되어, 열융착 또는 진동 융착으로 접착될 수 있다.
제1유로 채널(CH1)은 전해액 유입구(H21), 내부 용적(IV) 및 전해액 유출구(H22)를 연결하여, 애노드 전해액 펌프(Pa)의 구동에 의하여, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 설정되는 내부 용적(IV)으로 애노드 전해액을 유입하여 반응 후, 유출 가능하게 한다(도 4 참조).
제2유로 채널(CH2)은 전해액 유입구(H31), 내부 용적(IV) 및 전해액 유출구(H32)를 연결하여, 캐소드 전해액 펌프(Pc)의 구동에 의하여, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 설정되는 내부 용적(IV)으로 캐소드 전해액을 유입하여 반응 후, 유출 가능하게 한다(도 5 참조).
애노드 전해액은 내부 용적(IV)의 애노드 전극(32) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 애노드 전해액 탱크(200)에 저장된다. 캐소드 전해액은 내부 용적(IV)의 캐소드 전극(31) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 2상 전해액 탱크(230)에 저장된다.
충전시, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서,
2Br- → 2Br＋2e- (식 1)
와 같은 화학 반응이 일어나서, 캐소드 전해액에 포함된 브로민이 생산되어 2상 전해액 탱크(230)에 저장된다. 이때, 브로민은 캐소드 전해액과 같이 단위 스택(100)으로부터 즉시 제거되는 고밀도 제2상을 형성하도록 캐소드 전해액 안에서 사암모늄 이온에 의하여 즉시 혼합된다. 2상 전해액 탱크(230)에서 분리된 수성 브로민은 제2오버 플로우 관(202)을 통하여, 캐소드 전해액 탱크(220)로 오버 플로우 된다.
충전시, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에서,
Zn2 ＋＋2e- → Zn (식 2)
와 같은 화학 반응이 일어나서, 애노드 전해액에 포함된 아연이 애노드 전극(32)에 증착되어 저장된다. 이때, 애노드 전해액 탱크(210)와 캐소드 전해액 탱크(220) 사이에서 애노드 전해액 또는 캐소드 전해액은 제1오버 플로우 관(201)을 통하여 상호 오버 플로우 될 수 있다.
방전시, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서, 식 1의 역 반응이 일어나고, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에서 식 2의 역 반응이 일어난다.
제1, 제2집전판(61, 62)은 캐소드 전극(31)과 애노드 전극(32)에서 생성된 전류를 모으거나, 외부에서 캐소드 전극(31)과 애노드 전극(32)에 전류를 공급하도록 최외곽 전극판(30, 30)에 접착되어 전기적으로 연결된다.
단위 스택(100), 단위 모듈(110) 및 모듈(120)에서 생성된 전류를 방전하거나, 외부 전원에 연결되어 애노드 전해액 탱크(210)와 2상 전해액 탱크(230)에 전류를 충전할 필요가 있다.
이를 위하여, 제1앤드 캡(71)은 버스바(B1)가 연결된 제1집전판(61)과, 제1집전판(61)에 연결되는 전극판(30)을 수용하여 일체로 형성되어, 단위 스택(100)의 일측 외곽을 형성한다. 제1앤드 캡(71)은 버스바(B1), 제1집전판(61), 및 전극판(30)을 삽입하여 인서트 사출로 성형될 수 있다.
제2앤드 캡(72)은 버스바(B2)가 연결된 제2집전판(62)과, 제2집전판(62)에 연결되는 전극판(30)을 수용하여 일체로 형성되어 단위 스택(100)의 다른 일측 외곽을 형성한다. 제2앤드 캡(72)은 버스바(B2), 제2집전판(62), 및 전극판(30)을 삽입하여 인서트 사출로 성형될 수 있다.
제1앤드 캡(71)은 일측에 애노드, 캐소드 전해액 유입구(H21, H31)를 구비하여 제1, 제2유로 채널(CH1, CH2)에 연결되어, 캐소드 전해액과 애노드 전해액을 각각 유입한다. 제2앤드 캡(72)은 일측에 전해액 유출구(H22, H32)를 구비하여 제1, 제2유로 채널(CH1, CH2)에 연결되어 캐소드 전해액과 애노드 전해액을 각각 유출한다.
즉 캐소드 전해액 유출라인(Lc2) 및 4방향 밸브(205)를 통하여 유출되는 캐소드 전해액은 2상 전해액 탱크(230)로 유입된다. 따라서 2상 전해액 탱크(230)로 유입된 캐소드 전해액에 포합된 중혼합 브로민은 하측에 위치한다.
그러므로 2상 전해액 탱크(230)에서 제2오버 플로우 관(202)으로 오버 플로우 되는 것은 상측에 위치하는 수성 부로민이며, 하측에 위치하는 중혼합 브로민은 오버 플로우 되지 않는다.
충전시에는 단속 밸브(206)가 폐쇄되어 캐소드 전해액 탱크(220)에서 캐소드 전해액 유입라인(Lc1)으로 캐소드 전해액이 공급된다. 이때, 2상 전해액 탱크(230)는 캐소드 전해액을 수용하고 있다.
방전시에는 캐소드 전해액 탱크(220)에서 캐소드 전해액 유입라인(Lc1)으로 캐소드 전해액이 공급된다. 또한 방전시 단속 밸브(206)가 개방되어 중혼합 브로민이 포함된 캐소드 전해액을 캐소드 전해액 유입라인(Lc1)으로 공급한다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 전해액 유입라인(La1, Lc1)은 모듈(120)의 측방에서 단위 모듈(110)의 최상부 이하의 높이에 연결된다. 즉 전해액 유입라인(La1, Lc1)은 단위 모듈(110)의 최고 높이보다 높지 않다.
구체적으로 보면, 애노드 전해액 유입라인(La1) 및 캐소드 전해액 유입라인(Lc1)은 모듈(120)의 측방에서 단위 모듈(110)의 최상부 이하의 높이에 연결된다. 즉 단위 모듈들(110)이 서로의 측방에 배치되므로 모듈(120)의 전체적인 높이는 단위 모듈(110)의 높이와 동일하게 설정된다.
단위 모듈들을 상하 방향으로 적층하는 경우(종래기술)에 비하여, 본 실시예는 단위 모듈들(110)을 평면에 배치하므로 단위 모듈(110) 및 단위 스택(100)의 교체가 용이하고, 전해액 유입라인(La1, Lc1)의 높이 방향의 길이가 짧아지면서 단위 모듈들(110)에 대한 전해액 유입라인(La1, Lc1)의 높이가 균일하게 된다.
따라서 단위 모듈들(110)에 대하여 전해액이 균등하게 분배되고, 또한 각 단위 모듈(110) 내에서 단위 스택들(100)에 대하여 전해액이 균등하게 주입될 수 있다. 즉 분권 전류(shunt current)의 저항이 감소될 수 있다. 또한 전해액 유입라인(La1, Lc1)의 높이 방향의 길이가 짧아짐에 따라 내부 압력 감소로 인하여 단위 스택들(100)의 안정성이 향상될 수 있다.
즉 전해액 유입라인(La1, Lc1)에서 전해액의 흐름이 원활하므로 단위 스택들(100)의 내부 저항이 감소되고, 아연 증착(Zn-Deposition)을 균등하게 용해할 수 있으므로 단위 스택들(100)의 내부 압력이 감소될 수 있다.
또한, 4방향 밸브(205)를 개재하여 캐소드 전해액 탱크(220) 및 2상 전해액 탱크(230)를 모듈(120)에 연결되는, 캐소드 전해액 유입라인(Lc1) 및 캐소드 전해액 유출라인(Lc2)은 모듈(120)의 양쪽 측방에서 단위 모듈(110)의 최상부 이하의 높이에 연결된다.
충전 시 생성되고, 방전 시 사용되는 중혼합 브로민(QBr)은 무겁고 점도가 높지만 단위 모듈(110)을 측방으로 배열하여 전해액 유입라인(La1, Lc1)의 길이를 짧게 하고 길이 차이를 제거되므로 원활하게 흐를 수 있다.
따라서 모듈(120)의 내부 저항이 감소되고, 분권 전류의 흐름성이 우수하기 때문에 애노드, 캐소드 전해액 펌프(Pa, Pc)의 구동 속도를 높이지 않을 수 있다. 이로 인하여, 전해액 유입라인(La1, Lc1) 및 모듈(120) 내부의 압력이 감소되고 전해액 리크(leak)의 위험성이 낮아질 수 있다.
한편, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 모듈(120) 및 전해액 탱크(200)를 내장하는 프레임(300), 프레임(300)의 일측 상방에서 모듈(120)과 전해액 탱크(200)와 구별되는 공간(S)을 설정하는 격벽(400), 및 격벽(400)의 공간에 설치되어 전해액 펌프(Pa, Pc)를 제어하는 전장부(500)를 더 포함한다.
프레임(300)은 하부에 전해액 탱크(200)를 수용하고, 상부에 모듈(120)을 수용하도록 구성된다. 또한 프레임(300)은 상부의 일측에 격벽(400)에 의한 공간(S)을 형성하여, 공간(S)에 전장부(500)를 별도로 구비함으로써, 전장부(500)에서 발생되는 열이 모듈(120)로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
또한, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 모듈(120)의 상부에 배치되어 전장부(500)로 제어되는 열교환기(600) 및 열교환기(600)의 상방에 복수(일례로써 4개)로 구비되어 전장부(500)에 의하여 선택적으로 제어되는 팬(700)을 더 포함한다.
열교환기(600)는 모듈(120)의 전체에 대하여 상부에 구비되므로 모듈(120)에서 발생되는 열에 대한 열교환 작용으로 모듈(120) 상부에서 온도를 효과적으로 조절할 수 있다.
팬(700)은 소형 팬을 복수로 구비함으로써 모듈(120)에서 대응 부분의 온도에 따라 대응하여 선택적으로 구동될 수 있다. 팬(700)을 개별로 제어하므로 전해액의 온도를 더 일정하게 조절할 수 있다. 즉 전해액의 pH를 유지하고, 브롬 가스의 생성을 방지하여, 효율이 향상될 수 있다.
전장부(500)는 BMS(Battery Management System)를 구비하여, 애노드, 캐소드전해액 펌프(Pa, Pc)를 제어하므로 전해액의 유량을 제어할 수 있고, 또한 복수의 팬들(700)을 개별적으로 제어할 수 있다.
이와 같이 모듈(120)의 내부 온도 조절이 용이하므로 아연과 중혼합 브로민(QBr)의 반응 이외의 화학적인 부반응이 제거될 수 있다. 따라서 레독스 흐름 전지의 효율성 및 내구성이 향상될 수 있다.
도 6은 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 에너지 효율을 비교한 그래프이다. 도 6을 참조하면, 종래기술과 일 실시예의 레독스 흐름 전지에 대하여 성능 실험을 진행하였다. 단위 모듈(120)은 4개의 단위 스택(100), 즉 제1, 제2, 제3, 제4단위 스택(101, 102, 103, 104)을 포함한다.
정격 전류 모드(Constant Current)로 20A(State Of Charge, SOC 0 95%까지) 충전 후, 17A(SOC 95 0%까지)로 방전하는 것을 한 사이클로 하여, 도 6과 같은 실험 결과를 얻었다.
여기에서, 일 실시예의 제1단위 스택(101)은 이웃하는 단위 모듈들(120)에서 동일한 측방에 배치되는 복수의 단위 스택(도 2에서는 전후 2개)을 포함한다. 종래기술의 제1단위 스택은 도 8에서 상하 방향으로 동일 선상에 배치되는 복수의 스택(도 8에서는 상하 2개)을 포함한다.
먼저, 종래기술과 본 발명의 실시예에 대한 스택의 에너지 효율(%)과 전압 효율(%)은 표 1 및 표 2와 같다.
에너지 효율(%)
사이클 제1단위 스택 제2단위 스택 제3단위 스택 제4단위 스택
종래 실시예 종래 실시예 종래 실시예 종래 실시예
1 68.40 71.00 69.20 69.34 68.88 70.90 66.60 72.90
2 68.70 71.10 69.81 70.10 68.84 70.40 66.70 74.37
3 66.20 70.50 67.00 68.89 68.12 68.60 64.70 73.25
종래기술의 에너지 효율에 비하여, 본 발명의 실시예의 에너지 효율이 제1 내지 제4단위 스택(101, 102, 103, 104)에 대하여 대체로 더 높게 나타나는 것이 확인된다.
전압 효율(%)
사이클 제1단위 스택 제2단위 스택 제3단위 스택 제4단위 스택
종래 실시예 종래 실시예 종래 실시예 종래 실시예
1 80.80 83.75 80.80 83.76 80.20 84.26 80.50 83.11
2 80.30 83.59 80.30 83.70 79.20 84.21 79.20 83.15
3 81.20 83.99 81.00 84.13 80.40 84.75 80.70 83.00
종래기술의 전압 효율에 비하여, 본 발명의 실시예의 전압 효율이 제1 내지 제4단위 스택(101, 102, 103, 104)에 대하여 대체로 더 높게 나타나는 것이 확인된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 1, 2, 3 사이클 실험에서, 대체로 종래기술의 모듈 효율은 60%로 나타났고, 일 실시예에서 모듈 효율은 70% 정도로 종래기술에 비하여 더 우수하게 나타났다.
도 7은 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 스택들 간의 모듈 효율 균형을 비교한 그래프이다. 도 2 및 도 7을 참조하면, 제1, 제2, 제4단위 스택(101, 102, 104)에 대한 1, 2, 3 사이클 실험에서, 종래기술의 스택들은 제3사이클에서 모듈 효율의 불균형 값(Δ1, Δ2, Δ4)이 크게 나타났고, 일 실시예의 스택들은 모듈 효율의 불균형 값(Δ11, Δ21, Δ41)이 대체로 균등하게 나타났다.
제3단위 스택(103)에서는 종래기술의 모듈 효율의 불균형 값(Δ3)에 비하여 일 실시예의 모듈 효율의 불균형 값(Δ31)이 더 크게 나타났지만, 일 실시예가 종래기술에 비하여 더 높은 모듈 효율을 보여 주고 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (7)

  1. 전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈들을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 모듈;
    상기 모듈에 전해액을 공급하고 상기 모듈에서 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크;
    상기 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하여 전해액 펌프의 구동으로 상기 전해액을 상기 모듈에 유입하는 전해액 유입라인; 및
    상기 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하여 상기 전해액을 상기 모듈로부터 유출하는 전해액 유출라인
    을 포함하며,
    상기 전해액 유입라인은
    상기 모듈의 측방에서 상기 단위 모듈의 최상부 이하의 높이에 연결되는 레독스 흐름 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 탱크는,
    상기 단위 스택의 멤브레인과 애노드 전극 사이에 공급하는 애노드 전해액을 수용하는 애노드 전해액 탱크,
    상기 단위 스택의 상기 멤브레인과 캐소드 전극 사이에 공급하는 캐소드 전해액을 수용하며, 상기 애노드 전해액 탱크에 제1오버 플로우 관으로 연결되는 캐소드 전해액 탱크, 및
    상기 멤브레인과 상기 캐소드 전극 사이에서 유출되는 상기 캐소드 전해액의 2상(phase)을 수용하며, 상기 캐소드 전해액 탱크에 제2오버 플로우 관으로 연결되는 2상 전해액 탱크
    를 포함하며,
    상기 2상 전해액 탱크의 하부와 상기 캐소드 전해액 탱크의 하부는
    연통관으로 연결되는 레독스 흐름 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전해액 유입라인은
    상기 애노드 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하는 애노드 전해액 유입라인, 및
    상기 캐소드 전해액 탱크와 상기 모듈을 연결하는 캐소드 전해액 유입라인을 포함하며,
    상기 애노드 전해액 유입라인 및 상기 캐소드 전해액 유입라인은
    상기 모듈의 측방에서 상기 단위 모듈의 최상부 이하의 높이에 연결되는 레독스 흐름 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전해액 유출라인은
    상기 모듈과 상기 애노드 전해액 탱크를 연결하는 애노드 전해액 유출라인, 및
    상기 모듈과 상기 2상 전해액 탱크를 연결하는 캐소드 전해액 유출라인을 포함하며,
    상기 캐소드 전해액 유입라인 및 상기 캐소드 전해액 유출라인은
    4방향 밸브를 개재하여 상기 캐소드 전해액 탱크 및 상기 2상 전해액 탱크와 상기 모듈에 연결되어 캐소드 전해액의 유입과 유출 작동을 선택적으로 수행하는 레독스 흐름 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캐소드 전해액 유입라인 및 상기 캐소드 전해액 유출라인은
    상기 모듈의 측방에서 상기 단위 모듈의 최상부 이하의 높이에 연결되는 레독스 흐름 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 및 상기 전해액 탱크를 내장하는 프레임;
    상기 프레임의 일측 상방에서 상기 모듈과 상기 전해액 탱크와 구별되는 공간을 설정하는 격벽; 및
    상기 격벽의 공간에 설치되어 상기 전해액 펌프를 제어하는 전장부
    를 더 포함하는 레독스 흐름 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모듈의 상부에 배치되어 상기 전장부로 제어되는 열교환기; 및
    상기 열교환기의 상방에 복수로 구비되어 상기 전장부에 의하여 선택적으로 제어되는 팬
    을 더 포함하는 레독스 흐름 전지.
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