WO2018062888A1 - 레독스 흐름 전지 - Google Patents

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stacks
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series
shunt current
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장현석
김대식
한동화
정진교
서동균
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롯데케미칼 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a redox flow battery, and more particularly to a technique for reducing the generation of shunt current.
  • LiBs Lithium ion batteries
  • RFB redox flow battery
  • the redox flow battery uses a chemical reaction of a redox couple, of which a Zn-Br flow battery using zinc (Zn) and bromine (Br) as a redox couple is stacked.
  • a battery based on chemical reaction it has advantages such as power and capacity autonomy and price.
  • the redox flow battery repeatedly stacks a bipolar electrode and a membrane, supplies a stack formed by sequentially stacking current collector plates and end caps on both sides of the outermost layer, and supplies electrolyte to the stack. And an electrolyte tank for storing the electrolyte solution flowing out after the internal reaction in the stack.
  • the cells in which the electrochemical reaction occurs are connected in series in a bipolar structure, and the electrolytes are shared in parallel to generate a shunt current flowing into the electrolyte.
  • the zinc when a branch current occurs, the zinc is prevented from being evenly distributed, thereby degrading the performance of the battery. In addition, it causes corrosion of electrodes or components, leading to a decrease in battery life, improper deposition of zinc, impedes electrolyte movement, and reactants excessively react to generate thermal loss.
  • One embodiment of the present invention to provide a redox flow battery that can minimize or reduce the generation of shunt current by different electrical connection between the stack sharing the electrolyte.
  • a redox flow battery in a flow battery in which a plurality of stacks are electrically connected, the plurality of stacks are alternately connected through an electrical connection with at least one stack interposed therebetween. do.
  • the plurality of stacks may be connected to each other by stacks that do not share an electrolyte.
  • the plurality of stacks may be connected in series through an electrical connection.
  • the plurality of stacks a plurality of stack pairs connected in series by wires with at least one stack interposed therebetween, the plurality of stack pairs each includes an open / close switch installed on the wires connecting the two stacks, Each of the open / close switches may be turned on or off under the control of the battery management system according to each stack voltage of two stacks for each stack pair.
  • a method of operating a battery management system comprising: measuring each stack voltage for each of a plurality of stack pairs continuously connected to each wire with at least one stack therebetween, and each stack voltage Comparing the first stack voltage with other stack voltages except for the first stack voltage, and controlling on / off of the on / off switch installed in each of the wires according to the comparison result.
  • the controlling may include installing the first stack voltage on a wire of the measured pair of stacks when the voltage difference between the first stack voltage and the remaining stack voltages satisfies a predetermined threshold voltage or more.
  • the on / off switch When the on / off switch is turned off and the voltage difference satisfies at least one of the threshold voltages, the on / off switch may be turned on.
  • FIG. 1 is a block diagram of a redox flow battery according to an embodiment of the present invention.
  • 2 (a) and 2 (b) are diagrams for explaining the shunt current.
  • FIG 3 illustrates a stack connection structure of a redox flow battery for reducing a shunt current according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a stack connection structure of a redox flow battery for reducing a shunt current according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates a stack serial structure for comparison with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 illustrates a resistance definition due to shunt current generation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 shows a series electrical connection (shunt generation reference) structure of ten stacks according to the experimental test-bed structure of FIG. 11.
  • FIG. 13 shows the results of experiments on the stack series electrical connection structure of FIG. 11.
  • FIG. 14 shows experimental results (A) of the stacked series electrical connection structure of FIG. 11.
  • 15 and 16 are diagrams illustrating the amount of shunt current generated for each of the five stack series electrical structures by connection position.
  • 17 is a diagram illustrating an increase in the amount of shunt current according to an increase in the number of stacks electrically connected in series.
  • FIG. 18 shows experimental results for distances when two stacks are electrically connected in series.
  • the redox flow cell 100 includes a stack 101, a positive electrolyte (A 2+ / A 3+ ) tank 103, and a negative electrolyte (B 3+ / B 2+ ) tank. 105, a pump 107, and a pipe 109.
  • the stack 101 a plurality of cells are stacked. At this time, one cell of the bipolar plates 111, the positive electrode 113, the positive electrolyte 115, the ion exchange membrane 117, the negative electrolyte 119, the negative electrode 121, and the bipolar plate 111 is formed. It has a stacked structure in order.
  • the current collector and the end plate are arranged on the outermost sides of the positive electrode 113 and the negative electrode 121 of the stack 101.
  • a plurality of stacks 101 may be connected in series or in parallel.
  • the positive electrolyte tank 103 supplies the stored positive electrolyte to the positive electrode 113 by driving the pump 107.
  • the cathode electrolyte tank 105 supplies the stored cathode electrolyte to the cathode 121 by driving the pump 107.
  • the flow of electrolyte in the redox flow battery 100 is important.
  • the electrolyte transferred through the pump 107 moves to the manifold having a flow path, and then to the electrodes 113 and 121 which are redox reaction units.
  • Shunt current is indispensable in a redox flow cell based on the chemical reaction of the electrolyte through which current can flow.
  • Shunt current is generated when the standby time of the redox flow battery is prolonged, the self-discharge occurs as the active material in the electrolyte inside the stack 101 moves to the other side through the ion exchange membrane 117.
  • 2 (a) and 2 (b) are diagrams for explaining the shunt current.
  • FIG. 2A the ideal electron flow is made in the stack 101, but when a shunt current occurs, electrons due to shunt current loss have the same flow as FIG. 2B.
  • the shunt current tends to vary depending on the flow path of the electrolyte, which is a channel called a channel inside the stack 101, a manifold that is an inflow path formed by fusion of cells in series, and a pipe 109 connected to the stack 101. Go through).
  • the manifold is not shown, when the pipe 109 located at the inlet of the stack 101 and the pipe 109 located at the outlet of the stack 101 are connected in a straight line, the stacks 101 are shared. Manifolds are formed.
  • FIG. 3 illustrates a stack connection structure of a redox flow battery for reducing a shunt current according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 4 and 5 show results of experiments on the stack electrical connection structure of FIG. 3.
  • ten stacks that is, a stack (A), a stack (B), a stack (C), a stack (D), a stack (E), a stack (F), a stack (G), and a stack (H) ), Stack (I), stack (J) are arranged in series in series, stack (A), stack (C), stack (E), stack (G), stack (I) to wire (L1)
  • the stack B, the stack D, the stack F, the stack H, and the stack J are connected to the wire L2.
  • the wire (L1) is the first wire (1) connected to the stack (A) and the stack (C), the second wire (2) connected to the stack (C) and the stack (E), the stack (E) and It consists of a third electric wire (3) to which the stack G is connected, and a fourth electric wire (4) to which the stack G and the stack I are connected.
  • the wire L2 includes a first wire 5 to which the stack B and the stack D are connected, a second wire 6 to which the stack D and the stack F are connected, a stack F, and a stack. It consists of the 3rd electric wire (7) connected with (H), and the 4th electric wire (8) connected with the stack (H) and the stack (J).
  • the anode line (9) connected to the anode of the stack (A) is connected to the cathode line (10) connected to the cathode of the stack (J).
  • each stack is reduced to reduce the shunt current caused by the series connection of the manifolds.
  • the stacks 101 that do not share the electrolyte solution may be connected to the wires L1 and L2.
  • Such a structure in which wiring is spaced one by one is based on the difference in the amount of shunt current generated when the manifolds sharing the electrolyte are electrically connected in series and otherwise. That is, in order to reduce the shunt resistance, electrical connections are made between stacks that do not share an electrolyte, which is the cause of the shunt.
  • the measured shunt current amount of 1 is 2.64A, but in Figure 13 it is 2.91A, it is confirmed that the no-load shunt current amount is reduced Can be.
  • FIG. 6 shows a stack connection structure of a redox flow battery for reducing a shunt current according to another embodiment of the present invention.
  • the stack connection structure is the same as that of FIG. 3, but the opening and closing switches S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, and S8 are connected to each of the wires L1 and L2 connected between the stacks 101.
  • the charge imbalance of each stack can be eliminated.
  • each opening and closing switch (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8) is connected to the battery management system (BMS) (200). Then, according to the operation control of the BMS 200 (ON, Open) or off (OFF, Closed).
  • the BMS 200 measures the stack voltage. And compare the measured voltage.
  • the BMS 200 turns on or off the on / off switch of the wire to which the stack is connected if any stack voltage is higher or lower than a threshold value compared to other stack voltages.
  • the switch is kept closed. And, if it is lower than the threshold, it is left in an open state for a time balancing with other stacks.
  • the switches S1 and S2 of the wires 1 and 2 to which the stack C is connected are turned off.
  • the stack C is kept off for a period of time to balance the stack C with other stack voltages. That is, the switches S1 and S2 remain off until the voltage of the stack C becomes less than or equal to the other stack voltages.
  • FIG. 7 shows a stack series structure for comparison with an embodiment of the present invention
  • FIGS. 8 and 9 show a current state in the stack series structure of FIG. 7,
  • FIG. 10 shows one embodiment of the present invention.
  • resistance definition due to shunt current generation is shown.
  • FIG. 7 five stacks, that is, a stack (A), a stack (B), a stack (C), a stack (D), and a stack (E) are arranged in series.
  • a stack (A), a stack (B), a stack (C), a stack (D), and a stack (E) are arranged in series.
  • the results of measuring the current in the stack structure are shown in FIGS. 8 and 9.
  • an inter-stack current that can be confirmed by an electrical connection is 0A for no load and 10A for a load, respectively. This means no internal shunt current generation, i.e. no loss.
  • 2A ⁇ 3A is a current due to the shunt resistance (shunt resistance), the current should not flow even when no load can be confirmed that the current flows due to the internal shunt resistance.
  • the three types of shunt current and resistance can be defined.
  • three are channels, manifolds, and pipes.
  • the channel is a flow path inside the stack
  • the manifold is a section in which the opening of the flow path is shared
  • a pipe is a space in which the electrolyte is transported to enter the stack.
  • Shunt resistance which is a resistance due to shunt current generation, may be defined as shown in FIG. 10. That is, the shunt resistors are R Channel , R Manifold , and R Pipe .
  • FIG. 11 illustrates an experimental test-bed.
  • 10 stacks of 5 test sets were prepared in an experimental test-bed.
  • the internal flow path of the cell was designated as a fixed variable that cannot be changed (channelt shunt) and the experiment was performed to find the trend of the shunt current according to the number of manifold shunts or pipe shunts.
  • FIG. 12 shows a series electrical connection (shunt generation reference) structure of ten stacks according to the experimental test-bed structure of FIG. 11.
  • FIG. 12A illustrates a first set of five stacks sharing an electrolyte, that is, a stack (A), a stack (B), a stack (C), a stack (D), and a stack (E) in series.
  • a second set of five stacks sharing an electrolyte that is, a stack (F), a stack (G), a stack (H), a stack (I), and a stack (J) connected in series.
  • the first set is the same as that of FIG. 12B, and the second set is the same as FIG. 12C.
  • FIG. 13 shows the results of the experiment of the stack series electrical connection structure of FIG. 11
  • FIG. 14 shows the experimental results (A) of the stack series electrical connection structure of FIG. 11.
  • FIG. 14 When electrical stacks of 10 stacks sharing an electrolyte as shown in FIG. 13 are connected in series, an A value estimated as a shunt current is shown in FIG. 14.
  • FIG. 13 is a measurement result according to the experiment, and the result of estimating the shunt current amount based on the experiment result is shown in FIG. 14.
  • Lines 9, 10, 11, and 12 run at zero load, but current flows inside, and the results show that the current gap of each line is equal to the amount of shunt current generated at no load.
  • 15 and 16 are diagrams illustrating the amount of shunt current generated for each of the five stack series electrical structures by connection position.
  • the amount of shunt current generation for each position increases more toward the stack located in the center.
  • the amount of generated shunt currents in the load and no-load states was similar to about 2A to 4A.
  • 17 is a diagram illustrating an increase in the amount of shunt current according to an increase in the number of stacks electrically connected in series.
  • 1 is the number of electrically connected stacks as two stacks (A), (B), 2 2 is the number of electrically connected stacks as a stack (A), stack (B), stack (C) 3 (3) is the number of electrically connected stacks (A), stack (B), stack (C), and stack (D), and 4 is the number of electrically connected stacks (A).
  • the number of electrically connected stacks is five (A), stack (B), stack (C), stack (D), stack (E), 6 is the number of electrically connected stacks A), stack (B), stack (C), stack (D) is four, the number of (7) is electrically connected stack number of stack (A), stack (B), stack (C), 8 is the number of electrically connected stacks, stack (A) and stack (B).
  • the number of connected stacks increases as 1-> 2-> 3-> 4, and the amount of shunt current (1.2A-> 2.08A-> 2.59A-> 2.93 It can be seen that A) increases.
  • the shunt current is 2.93A when the measurement point is no load (1, 2), the shunt current is 3.96A when no load (2, 3), and the shunt current is 3.96A when no load (3, 4). Since the shunt current is 2.91 A at no load (4, 5), when (2, 3), (3, 4) at the measurement point is center, no load (1, 2), (4, It can be seen that more than 5).
  • serial connection stack increases by approximately 1A per unit.
  • FIG. 18 shows experimental results for distances when two stacks are electrically connected in series.
  • the amount of shunt current is 1.2A in the stacks (1)-(2)
  • the amount of shunt current is 1.3A in the case of (2)-(3), 1.23A in the case of (3)-(4), ( In the case of 4)-(5), 1.2A to 1.3A were generated based on the two stack series connection.
  • the stacks are connected in series and the manifold is lengthened to increase the amount of shunt current.
  • the shunt current amount is 1.1A when the stacks (1)-(3) are 1A, when the shunt current amount is 1A when (1)-(4), and the shunt current amount is 0.9A when the (1)-(5) is
  • the shunt current amount is 1.A when (4), the shunt current amount is 1A when (2)-(5), and the shunt current amount is 1.1A when (3)-(5). .
  • FIG. 19 a structure in which a stack (A), a stack (B), and a stack (C) are connected in series is shown.
  • FIG. 19 (b) a stack is skipped one by one. The structure which connected A), the stack C, and the stack E in series is shown.
  • the measured shunt current amount is 2.08A in FIG. 19A
  • the shunt current amount is 1.75A in FIG. 19B.
  • the shunt current of 2.08A is generated at no load when the three stacks are connected in series, but the distance between the stacks is 1.75A and the 0.33A decreases.
  • the shunt current decreases when the manifolds are separated when the stacks share electrolyte in series.
  • the electrical connection structure according to the embodiment of the present invention is a structure capable of reducing the shunt current.
  • the shunt current of 2A to 4A generated by connecting the stack sharing the electrolyte in the existing series is reduced to within 1A to 2A.
  • the electrical connections of the stacks formed in series are also connected in series, but in the embodiment of the present invention, since such a structure causes a loss due to the shunt current generated by the electrolyte, the path channel of the electrolyte causing the shunt current ( It was confirmed that the shunt current caused by the manifold sharing the electrolyte when the stack was connected in series among the channel, the manifold, and the pipe can be reduced by an electrical connection change method.

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Abstract

본 발명은, 복수개의 스택이 전기적으로 연결되는 흐름 전지에 관한 것이다. 여기서, 복수개의 스택은, 적어도 하나의 스택을 사이에 두고 전기적인 결선을 통하여 교호적으로 연결된다.

Description

레독스 흐름 전지
본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 션트 전류 발생을 저감하는 기술에 관한 것이다.
현재 에너지 저장 시스템(Energy Storage Systems, ESS)을 위한 다양한 배터리(Battery)들이 연구되고 있다. 리튬 이온 전지(Lithium ion Battery, LiB) 가 상업화에 근접하였으나, 아직 안정성 및 수명 측면에서 완벽한 검증을 이루어 내지 못하였다. 그래서 레독스 흐름 전지(Redox flow battery, RFB) 등의 흐름 전지(Flow Battery) 타입(type)의 배터리(Battery) 개발이 활발하게 진행 중에 있다.
레독스 흐름 전지는 산화-환원쌍(Redox couple)의 화학반응을 이용한 것으로 그 중 아연(Zn)과 브롬(Br)을 산화-환원쌍으로 이용하는 Zn-Br 흐름 전지(flow battery)는 스택(Stack)내 화학 반응을 기반으로 한 전지로서, 출력 및 용량 자율도, 가격 등의 장점을 가진다.
레독스 흐름 전지는 바이폴라 전극판(bipolar electrode)과 멤브레인(membrane)을 반복적으로 적층하고, 적층된 최외곽의 양측에 집전판과 앤드 캡을 차례로 적층하여 형성되는 스택, 및 스택에 전해액을 공급하고 스택에서 내부 반응 후, 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크를 포함한다.
그런데, 레독스 흐름 전지에서에서 전기화학 반응이 일어나는 셀은 바이폴라(Bipolar) 구조로 직렬로 연결되어 있고, 전해액은 병렬 형태로 공유하고 있어, 전해액으로 흐르는 분기 전류(Shunt current)가 발생한다.
특히, 화학 반응 중 스택과 파이프(Pipe)내 전해액으로 흐르는 분기 전류(Shunt current)가 불균형하게 발생하여 스택의 에너지가 손실되는 문제가 있다.
또한, 분기 전류가 발생하면, 징크(Zinc)가 고르게 분배되는 것을 방해하여 전지의 성능을 저하시킨다. 그리고 전극이나 부품의 부식을 야기하여 전지의 수명 감소를 유발하고, 잘못된 징크(Zinc)의 석출로 전해질 이동을 방해하며, 반응물이 과하게 반응하여 열손실(thermal loss)을 발생시킨다.
본 발명의 일실시예는 전해액을 공유하는 스택들간의 전기적 결선을 다르게 하여 분기 전류(Shunt current)의 발생을 최소화하거나 또는 줄일 수 있는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 복수개의 스택이 전기적으로 연결되는 흐름 전지에 있어서, 상기 복수개의 스택은, 적어도 하나의 스택을 사이에 두고 전기적인 결선을 통하여 교호적으로 연결된다.
상기 복수개의 스택은, 전해액을 공유하지 않는 스택들끼리 전기적인 결선을 통하여 연결될 수 있다.
상기 복수개의 스택은, 전기적인 결선을 통하여 직렬 연결될 수 있다.
상기 복수개의 스택은, 적어도 하나의 스택을 사이에 두고 전선으로 연결된 복수개의 스택 쌍이 연속해서 연결되고, 상기 복수개의 스택 쌍은, 두개의 스택을 연결하는 전선에 설치되는 개폐 스위치를 각각 포함하고, 상기 각각의 개폐 스위치는, 스택 쌍 별로 두개의 스택이 형성하는 각각의 스택 전압에 따라 배터리 관리 시스템의 제어 하에 온 또는 오프될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 동작 방법으로서, 적어도 하나의 스택을 사이에 두고 각각의 전선으로 연속 연결된 복수개의 스택 쌍 별로 각각의 스택 전압을 측정하는 단계, 그리고 상기 각각의 스택 전압 중에서 제1 스택 전압을 상기 제1 스택 전압을 제외한 나머지 스택 전압과 비교하고, 비교 결과에 따라, 상기 각각의 전선에 설치된 개폐 스위치의 온 또는 오프를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 제어하는 단계는, 상기 제1 스택 전압과 상기 나머지 스택 전압들 간의 전압 차이가 기 설정된 임계치 전압 이상을 만족하는 경우가 적어도 하나 해당하면, 상기 제1 스택 전압이 측정된 스택 쌍의 전선에 설치된 개폐 스위치를 오프시키고, 상기 전압 차이가 상기 임계치 전압 미만을 만족하는 경우가 적어도 하나 해당하면, 상기 개폐 스위치를 온시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 분기 전류(Shunt current)가 불균형하게 발생하여 스택의 에너지가 손실되는 현상을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery)의 구성도이다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 션트 전류에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 션트 전류를 저감하기 위한 레독스 흐름 전지의 스택 연결 구조를 나타낸 것이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 스택 전기적 결선 구조에 대해 실험한 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 션트 전류를 저감하기 위한 레독스 흐름 전지의 스택 연결 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예와 비교하기 위한 스택 직렬 구조를 나타낸 것이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 스택 직렬 구조에서 전류 상태를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 션트 전류 발생으로 인한 저항(Resistance) 정의를 나타낸다.
도 11은 실험 테스트-베드(Test-bed)를 도시한 것이다.
도 12는 도 11의 실험 테스트-베드 구조에 따른 10개 스택의 직렬 전기적 결선(shunt 발생 reference) 구조를 나타낸다.
도 13은 도 11의 스택 직렬 전기적 결선 구조에 대해 실험한 결과를 나타낸다.
도 14는 도 11의 스택 직렬 전기적 결선 구조의 실험 결과(A)를 나타낸다.
도 15 및 도 16은 5개의 스택 직렬 전기적 구조 별로 션트 전류 발생량을 결선 위치 별로 나타낸 도면이다.
도 17은 전기적으로 직렬 연결되는 스택 수의 증가에 따른 션트 전류량의 상승을 나타낸 도면이다.
도 18은 스택 2개를 직렬로 전기적 결선할 경우, 거리별 실험 결과를 나타낸다.
도 19는 스택 3개 직렬 전기적 결선 거리별 실험 & 결과를 나타낸다.
도 20은 파이프 거리별 션트 전류 발생 실험을 나타낸다.
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.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery)의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 레독스 흐름 전지(100)는 스택(tack)(101), 양극 전해액(A2+/A3+) 탱크(103), 음극 전해액(B3+/B2+) 탱크(105), 펌프(Pump)(107), 파이프(pipe)(109)를 포함한다.
스택(101)은 복수의 셀이 적층되어 있다. 이때, 하나의 셀은 바이폴라 플레이트(Bipolar Plates)(111), 양극(113), 양극 전해질(115), 이온 교환막(117), 음극 전해질(119), 음극(121) 및 바이폴라 플레이트(111)의 순서대로 적층된 구조를 가진다.
여기서, 도시하지는 않았지만, 스택(101)의 최외측의 양극(113)과 음극(121) 측면에는 집전체와 엔드플레이트가 놓인 구조로 되어 있다. 그리고 도 1에서는 하나의 스택(101)만을 도시하였지만, 레독스 흐름 전지(100)의 출력을 증가시키기 위하여 다수의 스택(101)을 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용한다.
양극 전해액 탱크(103)는 저장된 양극 전해액을 펌프(107)의 구동에 의해 양극(113)에 공급한다. 그리고 음극 전해액 탱크(105)는 저장된 음극 전해액을 펌프(107)의 구동에 의해 음극(121)에 공급한다.
레독스 흐름 전지(100)에서 전해액의 흐름은 중요하다. 펌프(107)를 통해 이동된 전해액은 유로를 가지는 매니폴드로 이동하고, 이어서 산화 환원 반응부인 전극(113, 121)으로 이동한다.
이때, 전해액의 유량 특성이 균일하지 못할 경우 반응부(113, 121)에서의 속도 차이가 나거나, 반응을 하지 못하는 부분에 의한 과전압이 발생한다.
전류가 흐를 수 있는 전해액의 화학 반응을 기초로 하는 레독스 흐름 전지에서 션트 전류(shunt current)는 필수 불가결하다.
션트 전류는 레독스 흐름 전지의 대기시간이 길어지면 스택(101) 내부에 존재하는 전해액 내부의 활물질이 이온 교환막(117)을 통해 반대편으로 이동하면서 자가 방전이 일어나 발생한다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 션트 전류에 대해 설명하기 위한 도면이다.
즉, 도 2(a)와 같이, 이상적인 전자의 흐름은 스택(101) 내부에서 이루어지나, 션트 전류가 발생하면, 션트 전류 손실에 의한 전자는 도 2(b)와 같은 흐름을 가진다.
전해액이 흐르는 경로에 따라 션트 전류의 경향성이 달라지는데, 전해액은 스택(101) 내부의 채널(channel)이라는 경로, 셀이 직렬로 융착하며 생기는 유입 경로인 매니폴드 및 스택(101)과 연결된 파이프(109)를 거친다.
여기서, 매니폴드는 도시하지 않았지만, 스택(101)의 유입부에 위치하는 파이프(109)와 스택(101)의 유출부에 위치하는 파이프(109)를 직선으로 연결하면 스택(101)들이 공유하는 매니폴드가 형성된다.
본 발명의 실시예에서는 이러한 션트 전류를 저감하기 위한 방법을 제안하였다. 스택(101)이 직렬로 많은 수의 매니폴드를 공유할 경우, 션트 전류의 발생량이 증가한다.
따라서, 스택(101)을 직렬로 연결할 때, 내부적으로 전기적 결선시 션트 전류를 저감하는 방법을 제안하였다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 션트 전류를 저감하기 위한 레독스 흐름 전지의 스택 연결 구조를 나타낸 것이고, 도 4 및 도 5는 도 3의 스택 전기적 결선 구조에 대해 실험한 결과를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 10개의 스택, 즉, 스택(A), 스택(B), 스택(C), 스택(D), 스택(E), 스택(F), 스택(G), 스택(H), 스택(I), 스택(J)이 직렬로 순차적으로 배치된 구조에서 스택(A), 스택(C), 스택(E), 스택(G), 스택(I)를 전선(L1)으로 연결하고, 스택(B), 스택(D), 스택(F), 스택(H), 스택(J)을 전선(L2)으로 연결한다.
여기서, 전선(L1)은 스택(A)과 스택(C)이 연결된 제1 전선(①)과, 스택(C)과 스택(E)가 연결된 제2 전선(②)과, 스택(E)와 스택(G)이 연결된 제3 전선(③)과, 스택(G)과 스택(I)가 연결된 제4 전선(④)으로 이루어진다.
그리고 전선(L2)은 스택(B)과 스택(D)이 연결된 제1 전선(⑤)과, 스택(D)과 스택(F)가 연결된 제2 전선(⑥)과, 스택(F)와 스택(H)이 연결된 제3 전선(⑦)과, 스택(H)과 스택(J)가 연결된 제4 전선(⑧)으로 이루어진다.
이때, 스택(A)의 양극에 연결된 양극선(⑨)은 스택(J)의 음극에 연결된 음극선(⑩)과 연결된다.
이처럼, 1 스택씩 전기적으로 결선 거리를 두어 매니폴드의 직렬 연결로 인해 야기되는 션트 전류를 줄일 수 있다.
이때, 전해액을 공유하지 않는 스택(101)끼리 전선(L1, L2)으로 연결할 수 있다.
이와 같은, 1 스택씩 거리를 두고 결선한 구조는 전해액을 공유하는 매니폴드가 전기적으로도 직렬로 연결될 경우와 그렇지 않을 경우 발생되는 션트 전류의 양이 차이가 있음을 토대로 한다. 즉, 션트 저항을 저감하기 위하여 션트의 원인인 전해액(electrolyte)을 공유하지 않는 스택끼리 전기적 결선을 한다.
후술할 도 13과 비교하면, 스택 5개를 연이어 직렬로 연결할 경우와 비교하면, 무부하일 때, ①의 측정 션트 전류량이 2.64A이지만, 도 13에서는 2.91A이므로, 무부하시 션트 전류량이 감소한 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 션트 전류를 저감하기 위한 레독스 흐름 전지의 스택 연결 구조를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 스택 연결 구조는 도 3과 동일하지만, 스택(101) 간에 연결된 전선(L1, L2)마다 개폐 스위치(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8)를 연결하여 스택별 전하 불균형을 해소할 수 있다.
여기서, 각 개폐 스위치(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8)는 BMS(Battery Management System)(200)에 연결되어 있다. 그리고 BMS(200)의 운용 제어에 따라 온(ON, Open) 또는 오프(OFF, Closed)된다.
BMS(200)는 스택 전압(stack voltage)을 측정한다. 그리고 측정한 전압을 비교한다.
BMS(200)는 셀 측정 전압을 비교한 결과, 임의의 스택 전압이 다른 스택 전압에 비해 임계치 이상 높거나 낮으면, 해당 스택이 연결된 전선의 개폐 스위치를 온 또는 오프한다.
이때, 임계치 이상 높으면, 스위치 오프(closed) 상태를 유지한다. 그리고, 임계치 이상 낮으면, 다른 스택들과 균형을 맞추는 시간 동안 스위치 온(open) 상태가 되도록 한다.
예시로, 스택(C)의 전압이 다른 스택들에 비해 임계치 이상으로 높게 측정되면, 스택(C)이 연결된 전선(①, ②)들의 스위치(S1, S2)를 오프시킨다. 그리고 스택(C)의 전압이 다른 스택 전압들과 균현을 맞추는 시간 동안 오프 상태를 유지한다. 즉, 스택(C)의 전압이 다른 스택 전압들과 임계치 이하의 차이가 될때까지 스위치(S1, S2) 오프 상태를 유지한다.
이상 기술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 스택 간에 1개씩 스택 거리를 두었으며, 이는 전해액을 공유하는 매니폴드 간에 전기적으로 직렬로 연결되는 경우와 연결되지 않는 경우 각각 발생하는 션트 전류의 양이 차이가 있다. 이러한 차이에 대해 이하 실험 결과를 통해 설명한다.
먼저, 도 7은 본 발명의 실시예와 비교하기 위한 스택 직렬 구조를 나타낸 것이고, 도 8 및 도 9는 도 7의 스택 직렬 구조에서 전류 상태를 도시한 도면이며, 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 션트 전류 발생으로 인한 저항(Resistance) 정의를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 5개의 스택, 즉, 스택(Stack)(A), 스택(B), 스택(C), 스택(D), 스택(E)을 직렬로 배치한 구조를 나타낸다. 이러한 5개의 스택을 직렬로 전기적 결선할 경우, 스택 구조에서 전류를 측정한 결과는 도 8 및 도 9와 같다.
5개의 스택 또는 셀(cell)을 직렬로 배치하고, 전해액을 공유하면 이상적인 상태에서의 전기적 결선 사이의 전류 흐름을 알 수 있다.
도 8을 참조하면, 이상적인(Ideal State) 직렬 연결시 전기적 결선으로 확인할 수 있는 스택간 전류가 무부하인 경우, 0A, 부하인 경우, 10A로 각각 동일하다. 이것은 내부 션트 전류 발생이 없음, 즉, 손실이 없음을 의미한다.
도 9를 참조하면, 실제 분기 전류(shunt current) 발생시의 전류량을 확인할 수 있다.
실제 실험(Real State)에서는 도 9와 같이, 스택간 결선에서 발생하는 전류와 DC-Link와 연결되는 출력단의 전류가 다른 것을 확인할 수 있다. 이는 스택 내부에서 션트 전류가 발생함을 의미하고, 특히, 무부하 상태에서 출력단의 전류는 0A이나, 내부 전류가 2A ~ 3A 흐르는 것을 확인할 수 있고, 부하 상태에서 양끝단의 8A에 비해 내부에 10A, 11A가 발생한다.
이때, 2A ~ 3A가 션트 저항(Shunt resistance)에 의한 전류이며, 무부하시에도 전류가 흐르면 안되는데 내부의 션트 저항으로 인하여 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라 분기 전류(shunt current)와 저항(resistance)의 종류를 위에 언급한 3가지로 정의할 수 있다. 여기서, 3가지는 채널(Channel), 매니폴드(manifold), 파이프이다. 전해액이 지나가는 경로로써, 채널은 스택 내부의 유로, 매니폴드는 그 유로의 초입구를 공유하는 구간, 파이프는 스택에 유입되기 위해 전해액이 운반되는 공간이다.
션트 전류 발생으로 인한 저항인 션트 저항(Shunt resistance)은 도 10과 같이 정의 내릴 수 있다. 즉, 션트 저항은 RChannel, RManifold, RPipe가 된다.
전류 측정은 도 7의 각 스택 간 전선(O 표시 부분), 즉 스택끼리 연결되는 전기적 결선 라인의 전류가 측정되었다.
도 11은 실험 테스트-베드(Test-bed)를 도시한 것으로서, 션트 전류 경향을 해석하기 위하여 10개의 스택을 5직렬 2Set로 실험 Test-bed를 준비하였다.
셀 내부 유로는 변경할 수 없는 고정변수로 지정하고(channelt shunt) 스택이 직렬로 연결되는 개수(manifold shunt), 혹은 파이프의 거리(pipe shunt)에 따라 션트 전류의 경향을 찾아보기 위해 실험하였다.
도 12는 도 11의 실험 테스트-베드 구조에 따른 10개 스택의 직렬 전기적 결선(shunt 발생 reference) 구조를 나타낸다.
도 12의 (a)는 전해액을 공유하는 스택 5개, 즉, 스택(A), 스택(B), 스택(C), 스택(D), 스택(E)를 직렬로 연결한 제1 세트와, 전해액을 공유하는 스택 5개, 즉, 스택(F), 스택(G), 스택(H), 스택(I), 스택(J)을 직렬로 연결한 제2 세트를 나타낸다. 그리고 제1 세트는 도 12의 (b)와 같고, 제2 세트는 도 12의 (c)와 같다.
도 13은 도 11의 스택 직렬 전기적 결선 구조에 대해 실험한 결과를 나타내고, 도 14는 도 11의 스택 직렬 전기적 결선 구조의 실험 결과(A)를 나타낸다.
도 13과 같이 전해액을 공유하는 스택 10개를 직렬로 전기적 결선하였을 시, 션트 전류로 추정되는 A값은 도 14와 같다.
도 13이 실험에 따른 측정 결과이고, 그 실험결과를 바탕으로 션트 전류량을 추정한 결과가 도 14와 같다.
무부하시에 9, 10, 11, 12번 line은 0이나 내부에 전류가 흐르며, 이후 각 부하별로 test시에도 라인별 전류 격차가 무부하시의 션트 전류 발생량만큼 결과가 도출되었다.
무부하시에는 전류량이 A값이 되고, 부하가 있으면, ⑨, ⑩, ⑪, ⑫라인의 전류값을 뺀 나머지 값들이 A값(shunt current)으로 정의된다.
도 15 및 도 16은 5개의 스택 직렬 전기적 구조 별로 션트 전류 발생량을 결선 위치 별로 나타낸 도면이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 스택 5개 직렬 전기적 결선 구조의 전기적 결선 실험 결과, 위치 별로 션트 전류 발생량은, 중앙에 위치하는 스택으로 갈수록 션트 전류 발생이 많다. 그리고 부하 상태와 무부하 상태의 션트 전류의 발생량은 대략 2A ~ 4A로 유사하였다.
도 17은 전기적으로 직렬 연결되는 스택 수의 증가에 따른 션트 전류량의 상승을 나타낸 도면이다.
도 17을 참조하면, 전해액을 공유하는 인접한 스택끼리 직렬로 연결되는 개수를 달리하여 결선하고, 이러한 결선 구조에 대한 실험 결과 데이터를 나타낸다.
이때, ①은 전기적으로 결선된 스택의 개수는 스택(A), (B)로 2개이고, ②는 전기적으로 결선된 스택의 개수는 스택(A), 스택(B), 스택(C)로 3개이며, ③은 전기적으로 결선된 스택의 개수는 스택(A), 스택(B), 스택(C), 스택(D)로 4개이고, ④는 전기적으로 결선된 스택의 개수가 스택(A), 스택(B), 스택(C), 스택(D), 스택(E)로 5개이다.
⑤는 전기적으로 결선된 스택의 개수는 스택(A), 스택(B), 스택(C), 스택 (D), 스택 (E)로 5개이고, ⑥는 전기적으로 결선된 스택의 개수는 스택(A), 스택(B), 스택(C), 스택(D)로 4개이며, ⑦은 전기적으로 결선된 스택의 개수는 스택(A), 스택(B), 스택(C)으로 3개이고, ⑧은 전기적으로 결선된 스택의 개수가 스택(A), 스택(B)로 2개이다.
이때, 각각 전기적으로 결선된 스택의 개수 별로, 측정 지점을 달리하여 측정한 결과에 따르면, 전기적으로 결선된 스택의 개수가 많고, 측정 지점이 전체 스택 구조에서 중앙일수록 션트 전류량이 많음을 알 수 있다.
예시로서, 측정지점이 무부하(1, 2)일때 ①-> ② -> ③-> ④로 갈수록 결선된 스택의 개수가 증가하고, 션트 전류량(1.2A -> 2.08A -> 2.59A -> 2.93A)이 증가함을 알 수 있다.
또한, ④ 구조에서는 측정 지점이 무부하(1, 2)일 때 션트 전류랑이 2.93A이고, 무부하(2, 3)일 때 션트 전류량이 3.96A, 무부하(3, 4)일 때 션트 전류량이 3.96A이며, 무부하(4, 5)일 때 션트 전류량이 2.91A이므로, 측정 지점이 중앙인 (2, 3), (3, 4) 일때가 측정 지점이 외곽인 무부하 (1, 2), (4, 5)일 때보다 많음을 알 수 있다.
또한, 직렬 연결 스택이 1개당 대략 1A씩 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로 2개 스택의 직렬 연결시 위치별 션트 전류의 경향을 알아보기 위해 도 18과 같이 같이 전기적인 결선 후 실험하였다.
도 18은 스택 2개를 직렬로 전기적 결선할 경우, 거리별 실험 결과를 나타낸다.
도 18을 참조하면, 스택 (1)-(2)일 때 션트 전류량이 1.2A, (2)-(3)일 때 션트 전류량이 1.3A, (3)-(4)일 때 1.23A, (4)-(5)일 때 1.25A로서, 2 스택 직렬 연결 기준으로 1.2A ~ 1.3A가 발생하였다. 이처럼, 가까운 거리의 스택을 직렬로 연결하면 스택들이 직렬로 연결되어 매니폴드가 길어져 션트 전류량이 증가한다.
그러나 스택 (1)-(3)일 때 션트 전류량이 1.1A, (1)-(4)일 때 션트 전류량이 1A, (1)-(5)일 때 션트 전류량이 0.9A, (2)-(4)일 때 1.13A, (2)-(5)일 때 션트 전류량이 1A, (3)-(5)일 때 션트 전류량이 1.1A로서, 스택 간 거리 간격이 생길수록 션트 전류량이 감소한다.
이때, 1 스택을 건너띄고 결선할시 스택당 대략 0.1A씩 감소하는 경향성을 보였다.
도 19는 스택 3개 직렬 전기적 결선 거리별 실험 & 결과를 나타낸다.
즉, 스택 3개의 위치별 션트 전류 경향을 실험한 결과를 나타낸다.
도 19의 (a)를 참조하면, 스택(A), 스택(B), 스택(C)을 직렬로 연결한 구조를 나타내고, 도 19의 (b)를 참조하면, 스택 1개씩 건너띄어 스택(A), 스택(C), 스택(E)를 직렬로 연결한 구조를 나타낸다.
이때, 측정된 션트 전류량은 도 19의 (a)일 경우 션트 전류량이 2.08A이고, 도 19의 (b)일 경우 션트 전류량이 1.75A로서, 감소함을 알 수 있다.
즉, 3개 스택 기준 직렬 연결시 무부하시에 2.08A의 션트 전류가 발생하였으나, 스택간 거리를 두니 1.75A가 발생하고, 대략 0.33A가 감소함을 알 수 있다.
이전 2개 스택 직렬 연결 거리별 실험(도 18)과 비교하여, 1 스택 추가로 인하여 1A가 증가하였으나, 1개 스택 거리간으로 인하여 대략 0.1A ~ 0.15A가 저감된다는 것을 확인할 수 있다.
이처럼, 스택이 직렬로 전해액을 공유할시 매니폴드가 거리를 두면 션트 전류가 감소한다는 결과를 추정할 수 있다.
도 20은 파이프 거리별 션트 전류 발생 실험을 나타낸다.
이때, 10개의 스택을 연결(→)한 도면이고, 양방향 화살표(↔)는 파이프 거리를 나타낸다.
도 20을 참조하면, 파이프의 전해액으로 발생하는 션트 전류의 경향성을 알아보기 위해 실험하였으나, 그 차이가 심하지 않았다(A=0.09).
스택 간의 거리를 극단적으로 멀게 하였을 경우 션트 전류가 조금 더 많이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 파이프 거리는 스택간 거리가 멀어질수록 길어진다.
지금까지 도 7 ~ 도 20을 통해 설명한 실험 결과를 바탕으로 본 발명의 실시예에 따른 전기적인 결선 구조가 션트 전류를 저감할 수 있는 구조임을 확인할 수 있다.
또한, 기존 직렬로 전해액을 공유하는 스택을 결선함으로 발생하는 2A ~ 4A의 션트 전류를 1A ~ 2A 이내로 저감시킨다.
또한, 션트 전류의 발생이 전해액을 직접적으로 공유하는 5개의 stack을 직렬로 전기적 결선하였을 시 보다 현저하게 작음을 확인할 수 있다.
종래 기술은 직렬로 구성되는 스택의 전기적인 결선도 직렬로 결선하였으나, 본 발명의 실시예에서는 이러한 구조가 전해액으로 인하여 발생되는 션트 전류로 인한 손실을 초래하므로, 션트 전류를 야기하는 전해액의 경로 채널(channel), 매니폴드(manifold), 파이프(pipe) 중 스택 직렬 연결시 전해액을 공유하는 매니폴드로 인한 션트 전류를 전기적인 결선 변경법으로 저감할 수 있음을 확인하였다.

Claims (6)

  1. 복수개의 스택이 전기적으로 연결되는 흐름 전지에 있어서,
    상기 복수개의 스택은,
    적어도 하나의 스택을 사이에 두고 전기적인 결선을 통하여 교호적으로 연결되는, 흐름 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 복수개의 스택은,
    전해액을 공유하지 않는 스택들끼리 전기적인 결선을 통하여 연결되는, 흐름 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 복수개의 스택은,
    전기적인 결선을 통하여 직렬 연결되는, 흐름 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 복수개의 스택은,
    적어도 하나의 스택을 사이에 두고 전선으로 연결된 복수개의 스택 쌍이 연속해서 연결되고,
    상기 복수개의 스택 쌍은,
    두개의 스택을 연결하는 전선에 설치되는 개폐 스위치를 각각 포함하고,
    상기 각각의 개폐 스위치는,
    스택 쌍 별로 두개의 스택이 형성하는 각각의 스택 전압에 따라 배터리 관리 시스템의 제어 하에 온 또는 오프되는, 흐름 전지.
  5. 배터리 관리 시스템의 동작 방법으로서,
    적어도 하나의 스택을 사이에 두고 각각의 전선으로 연속 연결된 복수개의 스택 쌍 별로 각각의 스택 전압을 측정하는 단계, 그리고
    상기 각각의 스택 전압 중에서 제1 스택 전압을 상기 제1 스택 전압을 제외한 나머지 스택 전압과 비교하고, 비교 결과에 따라, 상기 각각의 전선에 설치된 개폐 스위치의 온 또는 오프를 제어하는 단계
    를 포함하는, 동작 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 제1 스택 전압과 상기 나머지 스택 전압들 간의 전압 차이가 기 설정된 임계치 전압 이상을 만족하는 경우가 적어도 하나 해당하면, 상기 제1 스택 전압이 측정된 스택 쌍의 전선에 설치된 개폐 스위치를 오프시키고, 상기 전압 차이가 상기 임계치 전압 미만을 만족하는 경우가 적어도 하나 해당하면, 상기 개폐 스위치를 온시키는, 동작 방법.
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