WO2018160050A2 - 레독스 흐름전지 - Google Patents

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WO2018160050A2
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battery
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fluid
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김부기
김기현
조범희
최담담
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스탠다드에너지(주)
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Definitions

  • the present invention relates to a redox flow battery, and in detail, an electrolyte tank for storing a positive electrolyte solution and a negative electrolyte solution for each battery cell, and a fluid control unit to reduce the reaction time to transfer the electrolyte solution from the electrolyte tank to the battery cell,
  • the present invention relates to a redox flow battery, characterized in that a plurality of battery modules are coupled to improve efficiency and suppress generation of shunt current.
  • renewable energy such as solar energy and wind energy
  • renewable energy has been spotlighted as a method for suppressing greenhouse gas emission, which is a major cause of global warming, and a lot of researches are being carried out for their practical use.
  • renewable energy is greatly affected by the site environment and natural conditions.
  • a large capacity secondary battery is used as such an energy storage system.
  • a large capacity secondary battery storage system is introduced into a large-scale photovoltaic and wind farm.
  • the secondary battery for storing a large amount of power includes a lead acid battery, a sodium sulfide (NaS) battery, and a redox flow battery (RFB).
  • the lead acid battery is widely used commercially compared to other batteries, but has disadvantages such as low efficiency and maintenance costs due to periodic replacement and disposal of industrial waste generated during battery replacement.
  • the energy efficiency is high, but there is a disadvantage in operating at a high temperature of more than 300 °C.
  • the redox flow battery is capable of operating at room temperature and has a lot of research into a large capacity secondary battery recently because it has a feature of independently designing capacity and output.
  • Redox flow battery is a secondary battery capable of charging and discharging electric energy by forming a stack in which a membrane, an electrode, and a bipolar plate are arranged in series similarly to a fuel cell. battery).
  • the anode and cathode electrolytes supplied from the anode and cathode electrolyte storage tanks are circulated on both sides of the separator, and ion exchange is performed. In this process, electrons move to generate charge and discharge.
  • ESS Electronicgy storage system
  • the redox flow battery has a structure in which the tanks for storing the positive and negative electrolytes are arranged separately in a predetermined space (for example, a structure in which the electrolyte tank is arranged at both sides or the bottom of the stack).
  • the overall volume of the system by the electrolyte circulation pipe connecting the tank has a relatively large disadvantage compared to other power storage devices such as lead acid batteries, lithium ion batteries and lithium-sulfur batteries based on similar power storage capacity.
  • the general battery should be fast response to the operation performed the charging and discharging operation.
  • the redox flow battery when operated for charging and discharging in a stopped state, it takes time until the electrolyte is circulated into the stack by the pump, and the responsiveness of the required time decreases.
  • the cost increases because a large number of chemical-resistant piping to connect the pump.
  • a typical redox flow battery is supplied with electrolyte to each battery cell through a manifold.
  • the electrolyte filled in the manifold serves as an electric path connecting each cell, which may be a path of electron movement.
  • a shunt current is generated, and a part of the energy is applied to the shunt current during charging and discharging.
  • Are lost which is the main cause of reduced efficiency, component damage, and uneven cell performance.
  • the method of increasing the manifold length and narrowing the cross-sectional area has been mainly adopted to reduce the shunt current.
  • the pumping loss is generated.
  • the present invention has been made to solve the above problems, each having an electrolyte tank for storing the electrolyte for each stack unit (battery cell) or a plurality of battery cells are stacked or a plurality of battery cells share the electrolyte tank
  • each having an electrolyte tank for storing the electrolyte for each stack unit (battery cell) or a plurality of battery cells are stacked or a plurality of battery cells share the electrolyte tank In the form, by applying a means for replacing the pump to transport the electrolyte to the battery cell or stack, to provide a redox flow battery that can overcome the decrease in battery efficiency caused by the installation of a plurality of pumps, and suppress the generation of shunt current For the purpose.
  • the present invention relates to a redox flow battery.
  • One aspect of the present invention is provided with one or more battery modules including a battery cell, an electrolyte tank, an electrolyte flow path and a fluid control unit for transferring the pressure generated from the outside to the electrolyte flow path is electrically connected, the battery module
  • a battery module including a battery cell, an electrolyte tank, an electrolyte flow path and a fluid control unit for transferring the pressure generated from the outside to the electrolyte flow path is electrically connected, the battery module
  • Each relates to a redox flow battery that independently charges and discharges by circulating an electrolyte solution.
  • the battery module one or more battery cells including a separator provided between the positive electrode and the negative electrode and a separator stacked on the outer surface of the positive electrode and the negative electrode;
  • a pair of electrolyte tanks provided inside the battery module and supplying a positive electrolyte solution or a negative electrolyte solution to the positive electrode or the negative electrode;
  • one or two or more fluid control units provided in the electrolyte channel and controlling the flow of the electrolyte by transferring the pressure transferred from the outside of the battery module to the electrolyte channel.
  • the fluid control unit one or a plurality of check valves provided in a portion of the electrolyte flow path, induces the flow of the electrolyte in one direction;
  • a fluid transfer pipe configured to directly transfer the pressure transmitted from the outside of the battery module to the electrolyte flow path through the electrolyte flow path adjacent to the check valve, or provided at one end of the electrolyte flow path, and located in the electrolyte tank.
  • a fluid transfer pipe that directly transfers the pressure transmitted from the outside of the battery module into the control housing; And one or a plurality of check valves provided on the side of the control unit housing, inducing the electrolyte solution from the electrolyte tank to the control unit housing, and simultaneously inducing the electrolyte solution from the control unit housing to the electrolyte channel.
  • the battery module may include two or more fluid control units.
  • the pressure supply period of the fluid control unit may be different from the positive pressure period of any one fluid control unit. It is characterized in that it partially overlaps with the positive pressure cycle of the control unit.
  • the fluid control unit may further include one or more pressure control valves.
  • the fluid transfer pipe may further comprise one or two or more fluid filter or any one or two or more electrolyte inflow preventing device selected from a valve, a shut-off valve, a check valve and a floating valve therein.
  • the redox flow battery according to the present invention includes a battery cell or a stack and an electrolyte tank in a battery module, and is provided with a fluid control unit using pressure instead of a pump for each module to transport electrolyte, and applied to each battery module.
  • the generation of shunt currents can be significantly reduced or eliminated.
  • FIG. 1 illustrates a redox flow battery in which a plurality of battery modules are coupled according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 illustrates an internal structure of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 illustrates an internal structure of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows an example of a check valve in the present invention.
  • 5C to 8B show other examples of the check valve in the present invention.
  • 6 and 7 illustrate a redox flow battery provided with two fluid controllers.
  • 8A to 9A illustrate pressure cycles of each fluid control unit when two fluid control units are provided.
  • 10A and 10A illustrate a fluid control unit further including a pressure control valve.
  • 10A and 5A show an example of a pressure control valve.
  • 11 and 12 illustrate a fluid control unit further including an electrolyte inflow preventer and a fluid filter.
  • FIG. 13 illustrates a redox flow battery in which a plurality of battery modules are combined according to an embodiment of the present invention.
  • the term 'battery cell' refers to a minimum unit in which charge and discharge occur through an electrolyte, and includes a separator, a separator, and the like, in which ion exchange occurs.
  • 'stack' in the present invention means that a plurality of battery cells are stacked or configured.
  • the inventors of the present invention increase the length of the electrolyte circulation tube, which is a disadvantage of the redox flow battery, and thereby increase the volume of the battery itself, require a high performance pump or increase the number of pumps themselves, and the pump according to the transport of the electrolyte.
  • the size of the battery and the manufacturing cost of the battery increases, responsiveness and pumping loss during the intensive study to solve the problem, while the battery cell or stack and a plurality of battery modules having a fluid control unit by combining the electrolyte
  • the present invention has been completed by solving problems such as responsiveness degradation and pumping loss.
  • Redox flow battery is a fluid control unit for transmitting the pressure generated from the battery cell 100, the electrolyte tank 200, the electrolyte flow passage 400 and the outside to the electrolyte flow passage as shown in FIG.
  • One or two or more battery modules 10 including 300 are electrically connected to each other, and the battery modules are each independently charged and discharged by circulating an electrolyte solution.
  • FIG. 1 there is a pair of electrodes divided into an anode 110 and a cathode 120 therein, the separator 130 provided between the electrode and the outer surface of the electrode is stacked
  • One or more battery cells 100 including a separator plate 140;
  • a pair of electrolyte tanks 200 provided inside the battery module and supplying a positive electrolyte or a negative electrolyte to the positive electrode or the negative electrode;
  • one or two or more fluid control units 300 provided in the electrolyte channel and controlling the flow of the electrolyte by transferring the pressure transferred from the outside of the battery module to the electrolyte channel.
  • the battery cell is described and illustrated with reference to a conventional redox flow battery, and in some cases, an electrode, a separator, a separator, or the like may be omitted.
  • FIG. 1 is a view briefly showing a form of a redox flow battery according to the present invention, a plurality of battery modules 10 are electrically connected through a module connection part 600, the battery module for the transfer of the electrolyte It is connected to the pressure generator 500 through the fluid transfer pipe 330.
  • the battery modules may be configured to be driven independently without an electrical connection.
  • Redox flow battery according to the present invention is characterized in that the electrolyte is circulated independently without any electrolyte interference or exchange between the battery modules, or several battery modules share the electrolyte tank, thereby minimizing the generation of shunt current do.
  • a passage through which the electrolyte flows between the battery modules may be configured to mix the electrolyte between the battery modules.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the electrolyte flow path may be provided with a fluid control unit 300 to transfer the electrolyte using the pressure transmitted from the outside.
  • the battery cell 100 is a pair of electrodes divided into the positive electrode 110 and the negative electrode 120 as shown in the bottom of Figure 2, the separator 130 positioned between the electrode and the outside of the positive electrode and the negative electrode It may include a separation plate 140 which is spaced apart from.
  • the positive electrode, the negative electrode, the separator, and the separator are positioned in the housing 150 to cause an electrochemical reaction such as movement, charging, and discharging of the electrolyte within the housing.
  • the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte supplied to the battery cell are transferred from the electrolyte tank to the inside of the housing through the electrolyte channel and the reaction proceeds, and the finished electrolyte is circulated back into the electrolyte tank through the electrolyte channel.
  • the fluid control unit 300 may be provided in the electrolyte flow path in which the electrolyte flows into the battery cell to replace the existing pump and circulate the electrolyte.
  • the fluid control unit is provided to allow the electrolyte to flow in a predetermined direction by using a change in pressure, and the structure and type are not limited as long as it prevents backflow and transfers the electrolyte through a change in pressure.
  • the fluid control unit may be a check valve.
  • the check valve will be described in more detail through the upper left side of FIG. 2, and a pair of check valves (311 and 312) can be provided to transfer fluid in one direction in the electrolyte flow path, between the check valves.
  • a fluid transfer pipe 330 that directly transfers pressure to the electrolyte channel is provided with the electrolyte channel.
  • the fluid transfer pipe when the fluid transfer pipe is operated to lower the pressure in the space between the first and second check valves (negative pressure), the pressure in the space between the check valves is naturally reduced. Therefore, in order to maintain the pressure balance, the electrolyte solution is introduced into the space between the check valves and the second check valve is closed to prevent the back flow of the electrolyte solution.
  • the pressure supplied from the outside increases (positive pressure)
  • the electrolyte present between the check valves naturally flows into the battery cell through the second check valve, and the first check valve is closed. By repeating this process, the electrolyte flows into the battery cell or stack and circulates.
  • the fluid control unit is illustrated as having a pair of check valves.
  • the fluid control unit may have only one check valve, and on the contrary, two or more check valves may be further provided.
  • the configuration of the fluid control unit can be freely changed within the scope that can achieve the object of the present invention, which also belongs to the scope of the present invention.
  • the fluid control unit to supply a positive pressure to the battery cell to supply the electrolyte solution is not limited to this is connected to the electrolyte flow path from which the electrolyte is discharged from the battery cell by the fluid control unit to apply a negative pressure to the battery cell from the battery cell
  • the electrolyte may be configured to circulate.
  • the operation direction of the check valve may be configured to be reversed.
  • the pressure supply period of the fluid control unit described in FIGS. 8A to 8C may be such that the positive pressure and the negative pressure are operated opposite to each other.
  • a positive pressure and a negative pressure of a predetermined level or more should be formed.
  • the present invention is not limited to a range of positive pressure and negative pressure, and may be higher or lower than atmospheric pressure as long as the pressure is sufficient to induce the flow of the electrolyte.
  • the pressure range may be appropriately adjusted regardless of the upper and lower limits of the pressure, such as positive pressure to negative pressure, positive pressure to atmospheric pressure, atmospheric pressure to negative pressure, and the like based on the atmospheric pressure.
  • control housing 320 that can form a constant compartment between the check valve as shown in the upper end of FIG. .
  • a pressure generator 500 may be provided as a compressor or a pump for compressing a fluid for transmitting pressure, and a pressure generator may be provided with a vacuum device, a suction device, or a venturi tube to form a negative pressure. It can be done with one ejector. In the case of a fluid, both gas and liquid can be used, and it can be freely selected depending on the type of pressure generator to be operated. In addition, only one device may be used for forming a positive or negative pressure.
  • the pressure generator according to the present invention can be supplemented through a separate supply device (not shown) to compensate for the fluid lost during operation, and to maintain a constant magnitude of the pressure applied to the fluid control unit (not shown)
  • the fluid may be further configured to inject or replenish the fluid to the pressure generator through the supply device or discharge to the outside.
  • FIG. 4 illustrates a general form of a fluid control unit having a check valve, and a pair of check valves 311 and 312 directly connected to the electrolyte flow passage 400 are provided at both sides of the control housing 320.
  • the upper surface is directly connected to the fluid transfer pipe 330 for supplying pressure to the electrolyte passage.
  • at least one electrolyte inflow preventer 350 may be further provided to prevent the fluid from flowing into the controller housing through the fluid transfer pipe.
  • the electrolyte inflow preventing device is capable of smoothly transferring the pressure, and may have any material and shape as long as it prevents the fluid from flowing into the control housing.
  • it is located in the control unit housing as shown in Figure 4, the control unit housing and the fluid transfer pipe can be physically blocked, it is preferable to be provided in the form of a valve having flexibility.
  • the fluid control unit 300 may be located between the electrolyte tank and the battery cell as shown in FIG. 2, but may be located inside the electrolyte tank 200 as shown in FIG. 3.
  • the fluid control unit is provided in the electrolyte tank and positioned at one end of the electrolyte flow passage 400, and blocks the mixing of the fluid and the electrolyte through the control unit housing 320.
  • the control unit housing has a pair of check valves 311 and 312 on the side, and the check valve has an internal operation from the outside of the control housing and an external operation from the inside of the control housing. At this time, the check valve operating from the inside of the control housing to the outside may be directly connected to one end of the electrolyte flow path.
  • the check valve operating from the outside of the control housing to the inside is preferably in contact with the electrolyte of the electrolyte tank or the pipe is extended in the electrolyte.
  • the check valve 310 is also referred to as a non-return valve, it operates to guide the flow of the electrolyte in one direction.
  • the check valve may have any structure as long as it can control the flow direction of the fluid such as a ball shape or a valve shape as shown in FIG. 2.
  • a disk type check valve or a valve type check valve shown in FIG. 5B may be provided.
  • various types of lift check valves, swing check valves, swing type wafer check valves, and split disk check valves may be provided.
  • Check valves can be used.
  • a valve operated by pressure as shown in FIG. 5C may be provided.
  • the valve is also the same operation form as the general check valve, the flow resistance in the reverse direction than the forward direction in the flow of the electrolyte may have a form in which the fluid flows in the forward direction as a whole, also can be said to belong to the category of the check valve. That is, irrespective of the shape of the check valve, the flow resistance in the reverse direction is higher than that in the forward direction in the flow of the electrolyte, so that the fluid may flow in the forward direction as a whole. This may also belong to the category of the check valve.
  • the battery module may include two or more fluid control units 300 as shown in FIGS. 6 and 7.
  • the electrolyte when there is only one fluid transfer tube in the fluid control unit, the electrolyte is supplied to the battery cell only when the positive pressure is difficult to make a continuous flow of the electrolyte.
  • the electrolyte may remain in the cell for a predetermined time, thereby degrading the performance of the cell itself.
  • the present invention can induce a continuous flow by connecting two or more fluid control unit to solve this.
  • the second fluid control unit 300b supplies a negative pressure. That is, since positive pressure is supplied to the first fluid control unit, electrolyte positioned between the check valves is introduced into the battery cell, and at the same time, the second fluid control unit is supplied with negative pressure so that the electrolyte in the electrolyte tank flows into the space between the check valves. do.
  • a negative pressure is supplied to the first fluid control part and a positive pressure is supplied to the second fluid control part at the same time to supply the electrolyte solution to the battery cell.
  • the battery module is provided with a plurality of fluid control units as described above, it is preferable to adjust the supply cycle of the pressure supplied to them. In this case, however, it is preferable to change the pressure in different phases rather than having the same supply period in the same phase.
  • the pressure supply cycle of the first fluid controller and the pressure supply cycle of the second fluid controller are completely reversed as shown in FIG. 8A, but the positive and negative pressure sections of each controller are mirror image phases. If the lengths of the same are the same, electrolyte of a certain flow rate should be supplied to the battery cell, but less electrolyte solution than the electrolyte which should be generally supplied due to interference by each section at the point where the pressure cycle is changed in each fluid control part Supplied to the cell. In other words, the flow rate can be instantaneously reduced in this section.
  • the positive pressure cycle section or the negative pressure cycle section overlap each other.
  • the period of each fluid control unit is the same, but the length of the positive pressure section and the negative pressure section of one fluid control unit is kept the same, and the positive pressure section of the other fluid control unit is Maintaining longer than the negative pressure section, or as shown in Figure 8c the operating phase of the two fluid control unit is different, but the positive pressure period of one fluid control unit and the positive pressure period of the other fluid control unit to overlap each other for a certain time, that is, in one fluid control unit
  • the period D 1 of the positive pressure period may be adjusted to be longer than the period D 2 of the negative pressure period in another fluid control unit.
  • the cycles of the two fluid controllers are shown to be identical to each other on the drawing, the periods of the two fluid controllers may be the same or different, and may be changed in any form as long as the operation purpose of the fluid controller described above can be achieved.
  • the flow rate of the electrolyte flowing into the fluid control unit is less than the flow rate discharged into the battery cell (and if the electrolyte inflow preventing device is not provided or damaged)
  • the positive pressure fluid flowing into the fluid control unit to the battery cell instead of the electrolyte solution Since the inflow may decrease the cell performance, it is preferable to adjust the negative pressure and the positive pressure so that the flow rate of the electrolyte flowing into the fluid controller is greater than the discharged flow rate.
  • a pressure control valve 340 between the pressure generator and the fluid control unit as shown in Figure 9a and 9b to adjust the period of the pressure supplied to each fluid control unit 300 as described above.
  • the pressure control valve is for supplying the positive and negative pressure alternately to the fluid control unit, the structure that can freely control the opening and closing of the port in accordance with the specific pressure supply cycle as described above, and includes all types of devices corresponding thereto. do.
  • a pressure control valve may be provided in each of the fluid transfer pipes from two different pressure generators.
  • the pressure control valve may include a pressure control valve housing 341 and a switching tube 342 inside the housing.
  • the pressure control valve housing is provided with a pipe (inlet pipe) in which the flow direction of the fluid is directed to the inside of the housing (inlet), and a pipe (outlet pipe) facing the output (outlet) from the inside of the housing, respectively,
  • the switching type of the switching tube can be freely adjusted.
  • the positive pressure and the negative pressure may be simultaneously connected to the respective pressure control valves 340, and the pressure supplied to the fluid control unit 300 may be selectively supplied between the positive pressure and the negative pressure according to a required period.
  • two pressure supply pipes may be connected to each other by having a separate port or an external valve to form an intermediate pressure between positive and negative pressure.
  • one pressure control valve when one pressure control valve includes one inlet pipe and two discharge pipes, the pressure control valve has a structure connected to one pressure generator and two fluid control units. Therefore, when it is necessary to change the form of the pressure while supplying a positive pressure to one of the fluid control unit, it can be adjusted by supplying a positive pressure to the other fluid control unit by changing the connection form of the switching pipe and the discharge pipe.
  • one housing inlet pipe and two housing discharge pipes may be provided, but two housing inlet pipes and one housing discharge pipe may be provided. Free control of the number of the present invention is not limited.
  • the solenoid valve of the discharge pipe connected to the fluid control unit is opened, and then to both the first fluid control unit and the second fluid control unit.
  • solenoid valves of all discharge pipes are opened to adjust the positive pressure cycle as described above.
  • the positive pressure and the negative pressure may be independently controlled for each battery cell.
  • the redox flow battery according to the present invention may include a plurality of pressure generators 500 as shown in FIGS. 9A and 9B, but simultaneously generates positive and negative pressures in one pressure generator as shown in FIG. 9B, and generates positive and negative pressures. Different outlets can be used to reduce energy consumption and maximize space utilization.
  • the redox flow battery according to the present invention may further include an electrolyte inflow preventer 350 inside the fluid transfer pipe 330.
  • redox flow batteries contain vanadium oxide, hydrazine, halogenated compounds, and other acids. Therefore, an acid resistant transfer tube must be used to transport them.
  • the special transport pipe as described above is more expensive than the general pipe, so it is better to use a general metal pipe or a pneumatic pipe or a pneumatic tube other than the pipe for transporting the electrolyte.
  • the problem is that in order to apply pressure to the electrolyte flow passage using the fluid as described above, the fluid transfer pipe for supplying the fluid should be provided in contact with the electrolyte flow passage, but the electrolyte may flow back toward the fluid transfer pipe in the positive pressure supply or the negative pressure supply process.
  • any one or two or more electrolyte inflow preventing devices selected from the valve, the shutoff valve, the check valve and the floating valve may be further included in the fluid transfer pipe to prevent backflow of the electrolyte.
  • the electrolyte inflow preventer 350 may be provided at a position adjacent to the fluid transfer pipe and the fluid control unit housing, and may be floated by the electrolyte, and the inside of the net structure and the like.
  • the surface having pores but in contact with the fluid transport pipe may be an object having a sheet shape to close the fluid transport pipe.
  • the electrolyte inflow preventing unit preferably has a diameter of a predetermined size or more so as to float in the fluid transport pipe, and preferably smaller than the diameter of the fluid transport pipe.
  • the fluid transfer pipe may have a diameter of a portion directly connected to the control housing to be smaller than a diameter of the electrolyte inflow preventer so that the electrolyte inflow preventer does not escape.
  • an electrolyte inflow prevention device in the form of a valve may be introduced to completely cover the end surface of the fluid transfer pipe.
  • the valve completely closes the connection between the fluid transfer pipe and the control housing, and is made of an elastic material to effectively transfer the pressure transferred through the fluid transfer pipe into the control housing. That is, when positive pressure is transmitted to the control unit housing as shown in the upper part of FIG. 12, the valve also extends in the direction of the control unit housing from the fluid transfer pipe in accordance with the positive pressure. Therefore, since the pressure in the control unit housing is increased, the internal check valve is naturally operated to move the electrolyte toward the battery cell.
  • valve When sound pressure is transmitted to the control unit housing as shown in the lower part of FIG. 12, the valve also extends in the direction of the fluid transport tube from the control unit housing in accordance with the sound pressure. In this case, while the pressure in the control unit housing is lowered, an internal check valve is operated to move the electrolyte solution from the electrolyte tank to the control unit housing direction.
  • the electrolyte inflow preventing device may be provided in the form of completely blocking the fluid transfer pipe as a valve capable of deforming the floating body or the pressure as shown in FIG. 11 or 12, but may also prevent the inflow of the electrolyte and transmit pressure to the fluid control unit. If it is a structure, it can be applied without distinction in the present invention.
  • the electrolyte inflow preventer may be used by mixing one or two or more other structures. That is, one or two or more floating or valve-like electrolyte inflow preventers may be used in combination.
  • the electrolyte inflow preventing device maintains acid resistance because the electrolyte is in direct contact with each other, and in the case of the valve form as described above, it may be made of a material having fluidity.
  • a material having fluidity For example, polymers such as polypropylene, polyethylene, polystyrene, rubbers such as acrylic rubber and fluorine rubber, metals such as aluminum, and the like, and other materials can be used without limitation as long as they have the above properties.
  • the redox flow battery according to the present invention may further include a fluid filter 360 in the fluid transfer pipe 330 to remove impurities that may be mixed in the electrolyte.
  • the electrolyte When the fluid transmitting pressure to the fluid control unit is a gas containing air or oxygen, the electrolyte may be oxidized to lower the charge and discharge efficiency of the battery cell.
  • the fluid filter may be installed in each fluid control unit or may be installed in one fluid transfer pipe by connecting the entire fluid control unit and may be replaced for repair.
  • the fluid filter is for removing components that degrade the performance of the electrolyte, such as oxygen and water in advance, and the component removal filter that can be removed regardless of the components that affect the performance of the electrolyte. It is preferable to include etc.
  • an oxygen scavenger or oxygen scavenger may be mounted to a portion of the fluid transfer tube.
  • the redox flow battery according to the present invention may further include a control unit and a monitor unit capable of controlling an electrical terminal and the fluid control unit to be electrically connected to the outside, and a terminal or a connection port connecting them. have.
  • the fluid filter is provided with a rotating body using the pressure supplied from the outside, it is also possible to configure a pump replacement structure by the rotation of the rotating body.
  • FIG. 13 illustrates an embodiment in which a large capacity system is configured by connecting a plurality of battery modules described above.
  • the battery module 100 may be electrically connected in series or in parallel or may be configured independently of each other.
  • the battery module 100 may be connected to a pressure generator so as to transfer pressure from the outside for driving the fluid control unit of each battery module. Depending on the number of the pressure generator can also be configured to one or more.
  • the redox flow battery according to the present invention can smoothly circulate the electrolyte solution into the electrolytic cell or stack without using an expensive chemical pump.
  • each battery module may be equipped with an electrolyte tank or may share an electrolyte tank for a certain number of battery modules, the circulation distance of the electrolyte is much shorter than that of a conventional redox flow battery, thereby using an expensive acid resistant transfer pipe. The specific gravity can be greatly reduced.
  • Redox flow battery according to the present invention can effectively implement a high-voltage large-capacity energy storage system (energy storage system) called an electric charge through the above characteristics.
  • energy storage system energy storage system
  • the battery cell, the electrolyte tank and the fluid control unit were connected in the form as shown in FIG. 7, but the flow rate of the electrolyte was measured by connecting a flow meter to the electrolyte inlet and outlet of each battery cell.
  • the battery cell used in each example was composed of two carbon electrodes, two current collectors, four gaskets, and one separator, and the electrode and the membrane active region were about 49 cm 2.
  • the separator is made of carbon and the separator is a fluorine-based separator.
  • the vanadium electrolyte was used as the electrolyte and the vanadium concentration was used at 1.6 mol to 2.0 mol. At this time, the specific gravity of the vanadium electrolyte was about 1.4.
  • the battery module used in each embodiment was provided with two fluid control unit having a valve structure, the flow rate of the electrolyte was about 100 ml / min.
  • the electrolyte is circulated by adjusting the pressure supplied to the fluid control unit, and the pressure supply period of the fluid control unit is 2 seconds, and the positive pressure supply time is adjusted as shown in Table 1 below, repeatedly for 1 minute. Worked. At this time, after measuring the flow rate of the electrolyte discharged from the battery cell in units of 1 minute, the average value was calculated.
  • Example 1 when the two fluid controllers are controlled in the same period and in a different phase (Example 1), an instant occurs when a flow rate lower than the average flow rate occurs, but as in Examples 2 to 4, the pressures of the respective fluid controllers If the phase of supply cycle is adjusted differently, if the positive pressure supply time of each fluid control unit is increased longer than the negative pressure supply time, the flow rate is higher than the average flow rate, so that the flow rate is higher than the minimum flow rate required to maintain the cell performance. This allows for stable cell drive with improved performance.

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Abstract

본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 전지모듈 내에 전지셀 또는 스택과 전해액탱크를 구비하고, 전해액을 전지셀 또는 스택으로 운반하기 위해 펌프를 대체하는 수단을 각 전지모듈별로 적용함으로써 분로전류의 발생을 획기적으로 줄일 수 있다. 또한 전지모듈별로 전해액탱크를 구비함으로써 전해액의 이송경로를 비약적으로 줄일 수 있으며, 전해액을 운송하기 위해 각 모듈별로 펌프를 구비하는 대신 압력을 이용한 유체제어부를 구비하여 펌프 구동에 필요한 동력을 절약하고, 전지의 효율을 높일 수 있다.

Description

레독스 흐름전지
본 발명은 레독스 흐름전지에 관한 것으로, 상세하게는 전지셀마다 양극 전해액 및 음극 전해액을 보관하는 전해액탱크와 상기 전해액탱크에서 전지셀로 전해액을 이송하기 위해 유체제어부를 구비하여 반응 시간을 줄이고, 효율을 향상 시키며 분로 전류(shunt current)의 발생을 억제할 수 있는 전지 모듈이 다수 결합된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
최근 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스 배출을 억제하기 위한 방법으로 태양광에너지나 풍력에너지 같은 재생에너지가 각광을 받고 있으며 이들의 실용화 보급을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 재생에너지는 입지환경이나 자연조건에 의해 크게 영향을 받는다. 더욱이, 재생에너지는 출력 변동이 심하기 때문에 에너지를 연속적으로 고르게 공급할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 재생에너지를 가정용이나 상업용으로 사용하기 위해서는 출력이 높을 때 에너지를 저장하고 출력이 낮을 때 저장된 에너지를 사용할 수 있는 시스템을 도입하여 사용하고 있다.
이러한 에너지 저장 시스템으로는 대용량 이차전지가 사용되는데, 일례로, 대규모 태양광발전 및 풍력발전 단지에는 대용량 이차전지 저장시스템이 도입되어져 있다. 상기 대용량의 전력저장을 위한 이차전지로는 납축전지, 황화나트륨(NaS) 전지 그리고 레독스 흐름전지(RFB, redox flow battery) 등이 있다.
상기 납축전지는 다른 전지에 비해 상업적으로 널리 사용되고 있으나 낮은 효율 및 주기적인 교체로 인한 유지보수의 비용과 전지 교체 시 발생하는 산업폐기물의 처리문제 등의 단점이 있다. NaS 전지의 경우 에너지 효율이 높은 것이 장점이나 300℃이상의 고온에서 작동하는 단점이 있다. 레독스 흐름전지는 상온에서 작동 가능하며 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 이차전지로 많은 연구가 진행되고 있다.
레독스 흐름전지는 연료전지와 유사하게 분리막(멤브레인), 전극 및 분리판(Bipolar plate)이 직렬(Series)로 배치되어 스택(Stack)을 구성함으로써, 전기 에너지의 충방전이 가능한 이차전지(Secondary battery)의 기능을 가진다. 레독스 흐름전지는 분리막의 양측에 양극 및 음극 전해액 저장탱크에서 공급된 양극 전해액(Electrolyte)과 음극 전해액이 순환하면서 이온 교환이 이루어지고 이 과정에서 전자의 이동이 발생하여 충방전이 이루어진다. 이와 같은 레독스 흐름전지는 기존 이차전지에 비해 수명이 길고 kW 내지 MW급 중대형 시스템으로 제작할 수 있기 때문에 ESS(Energy storage system)에 가장 적합한 것으로 알려져 있다.
그러나 레독스 흐름전지는 양극 전해액과 음극 전해액을 저장하는 탱크가 별도로 일정 공간을 두고 배치되는 구조(예를 들면 스택의 양측 또는 하측에 일정 공간을 두고 전해액 탱크가 배치되는 구조)로, 스택과 전해액 탱크를 연결하는 전해액 순환관에 의해 전반적인 시스템의 부피에 있어서, 유사한 전력 저장 용량을 기준으로 다른 전력저장 장치인 납축전지나, 리튬이온 전지 및 리튬-황전지와 비교하여 상대적으로 큰 단점이 있다.
또한, 스택, 펌프 및 전해액 탱크와 연결되는 전해액 순환관이 다수 구비되어야 하므로, 각각의 스택에 전해액을 일정하게 공급하기 위해 일정 기준 이상의 펌프 용량이 요구되는데, 전해액 순환관의 길이가 길어질수록 펌프의 요구 용량이 증대되어 펌프의 크기 및 전지의 제조 단가가 증대되는 문제점이 있으며, 펌프용량 증대에 따른 소비전력이 증가하면서 전반적인 전지 효율이 저하되는 문제점이 수반되고 있다.
아울러, 일반적인 전지는 충방전 동작이 수행되는 작동 응답성이 빨라야 한다. 그러나 레독스 흐름전지의 경우 정지된 상태에서 충방전을 위해 가동을 시킬 경우 펌프에 의해 전해액이 스택 내부로 순환되기까지 시간이 소요되고, 소요되는 시간만큼의 응답성이 저하되며, 셀, 스택과 펌프를 연결하는 내화학성 배관이 다수 필요하므로 원가가 상승하는 문제점이 있었다.
여기에 통상적인 레독스 흐름전지는 매니폴드를 통해 각 전지셀로 전해액이 공급된다. 그런데, 매니폴드에 채워진 전해액은 각 셀을 잇는 전기 통로 역할을 하므로 전자의 이동 경로가 될 수 있으며, 이러한 경로를 통해 분로전류(shunt current)가 발생하여 충방전 시에 에너지의 일부가 분로전류에 의해 손실되고 이는 효율 감소, 부품 손상, 셀 성능 불균일을 일으키는 주된 원인이 된다. 기존에는 이러한 분로전류를 줄이기 위해 매니폴드의 길이를 증가시키고 단면적을 좁히는 방법을 주로 채택하였으나 이는 유체의 흐름 저항을 증가시켜 펌핑 손실을 발생시키므로 이를 극복할 수 있는 대안이 요구된다.
[선행기술문헌]
대한민국 공개특허 10-2011-0119775호 (2011년 11월 02일)
대한민국 등록특허 10-1176126호 (2012년 8월 16일)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전지셀 또는 전지셀이 다수 적층된 스택(stack) 단위마다 전해액을 보관하는 전해액탱크를 각각 구비하거나 또는 다수의 전지셀이 전해액 탱크를 공유하는 형태에, 전해액을 전지셀 또는 스택으로 운반하기 위해 펌프를 대체하는 수단을 적용함으로써 다수의 펌프 설치에 따른 전지 효율 저하를 극복하고, 분로전류의 발생을 억제할 수 있는 레독스 흐름전지의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태는 내부에 전지셀, 전해액탱크, 전해액유로 및 외부에서 생성된 압력을 전해액유로로 전달하는 유체제어부를 포함하는 하나 또는 둘 이상의 전지모듈이 전기적으로 연결되어 구비하되, 상기 전지모듈은 각각 독립적으로 전해액을 내부 순환시켜 충방전하는 것인 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 전지모듈은, 양극와 음극 전극 사이에 구비되는 분리막 및 양극과 음극의 외측 면으로 적층되는 분리판을 포함하는 하나 또는 둘 이상의 전지셀; 상기 전지모듈 내부에 구비되며, 상기 양극 또는 음극으로 양극전해액 또는 음극전해액을 공급하는 한 쌍의 전해액탱크; 상기 전지셀과 전해액탱크를 연결하여 전해액이 이송되는 전해액유로; 및 상기 전해액유로에 구비되며, 전지모듈 외부에서 전달되는 압력을 전해액유로로 전달하여 전해액의 흐름을 제어하는 하나 또는 둘 이상의 유체제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 유체제어부는, 상기 전해액유로의 일부에 구비되며, 일 방향으로 전해액의 흐름을 유도하는 하나 또는 복수의 체크밸브; 및 상기 체크밸브에 인접하여 전해액유로를 타통하여 상기 전지모듈 외부에서 전달되는 압력을 전해액유로로 직접 전달하는 유체이송관을 포함하거나, 상기 전해액유로의 일측 끝단에 구비되되, 상기 전해액탱크 내에 위치하는 제어부하우징; 상기 전지모듈 외부에서 전달되는 압력을 제어부하우징 내로 직접 전달하는 유체이송관; 및 상기 제어부하우징의 측면에 구비되며, 전해액탱크에서 제어부하우징으로 전해액을 유도하고, 동시에 제어부하우징에서 전해액유로로 전해액을 유도하는 하나 또는 복수의 체크밸브를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 전지모듈은 둘 이상의 유체제어부를 구비할 수 있으며, 이 중 상기 전지모듈이 두 개의 유체제어부를 구비하는 경우, 상기 유체제어부의 압력공급주기는 어느 한 유체제어부의 양압주기가 다른 유체제어부의 양압주기와 일부 겹치도록 하는 것을 특징으로 한다. 또한 이를 위해 상기 유체제어부는 하나 또는 둘 이상의 압력제어밸브를 더 구비할 수도 있다.
또한 본 발명에서 상기 유체이송관은 하나 또는 둘 이상의 유체여과기 또는 내부에 판막, 차단밸브, 체크밸브 및 부유밸브에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 전해액유입방지기를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 전지모듈에 전지셀 또는 스택과 전해액탱크를 구비하고, 전해액을 운송하기 위해 각 모듈별로 펌프를 구비하는 대신 압력을 이용한 유체제어부를 구비하여 각 전지모듈별로 적용함으로써 분로전류의 발생을 획기적으로 줄이거나 제거할 수 있다.
또한 전지모듈별로 전해액탱크를 구비할 경우 전해액의 이송경로를 비약적으로 줄일 수 있으며, 펌프 구동에 필요한 동력을 절약하고, 전지의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다수의 전지모듈이 결합된 레독스 흐름전지를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지모듈의 내부 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지모듈의 내부 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에서 체크밸브의 일 예를 도시한 것이다.
도 5c 내지 8b는 본 발명에서 체크밸브의 다른 예들을 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 두 개의 유체제어부가 구비된 레독스 흐름전지를 도시한 것이다.
도 8a 내지 9a는 두 개의 유체제어부가 구비되었을 경우 각 유체제어부의 압력주기를 도시한 것이다.
도 10a 및 10a는 압력제어밸브가 더 구비된 유체제어부를 도시한 것이다.
도 10a 및 5a는 압력제어밸브의 일 예를 도시한 것이다.
도 11 및 도 12는 전해액유입방지기 및 유체여과기가 더 구비된 유체제어부를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 다수의 전지모듈이 결합된 레독스 흐름전지를 도시한 것이다.
*도면의 주요부호에 대한 상세한 설명*
1 : 스택
10 : 전지모듈
100 : 전지셀
110 : 양극
120 : 음극
130 : 분리막
140 : 분리판
150 : 하우징
200 : 전해액탱크
210 : 양극전해액탱크
220 : 음극전해액탱크
300 : 유체제어부
310 : 체크밸브
311 : 제 1체크밸브
312 : 제 2체크밸브
320 : 제어부하우징
330 : 유체이송관
340 : 압력제어밸브
350 : 전해액유입방지기
360 : 유체여과기
400 : 전해액유로
500 : 압력발생기
600 : 모듈연결부
이하, 구체예들을 참조하여 본 발명에 따른 레독스 흐름전지를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 구체예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다.
따라서 본 발명은 이하 제시되는 구체예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 구체예들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 기재된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명에서 용어 '전지셀(battery cell)'은 전해액을 통해 충방전이 일어나는 최소 단위로, 이온 교환이 일어나는 분리막, 분리판 등을 포함하여 구성된다.
본 발명에서 용어 '스택'은 전지셀이 복수 개 적층되거나 구성된 것을 뜻한다.
본 발명의 발명자는 레독스 흐름전지의 단점인 전해액 순환관의 길이 증가와 그로 인한 전지 자체의 부피 증가, 고성능 펌프가 요구되거나 펌프 자체의 숫자를 늘리는 등의 물리적인 문제와, 전해액 운반에 따른 펌프의 크기 및 전지의 제조 단가가 증대되고, 응답성이 저하되며 펌핑 손실이 발생하는 문제점을 해결하기 위해 예의 연구를 거듭하던 중, 전지셀 또는 스택과 유체제어부를 구비하는 전지모듈을 다수 결합함으로써 전해액의 이동거리를 크게 줄이고, 동시에 펌프를 대체하기 위해 각 전지모듈별 유체제어기를 구비함으로써 응답성 저하, 펌핑 손실 등의 문제점을 해결하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 도 1 또는 도 13과 같이 내부에 전지셀(100), 전해액탱크(200), 전해액유로(400) 및 외부에서 생성된 압력을 전해액유로로 전달하는 유체제어부(300)를 포함하는 하나 또는 둘 이상의 전지모듈(10)이 전기적으로 연결되어 구비하되, 상기 전지모듈은 각각 독립적으로 전해액을 내부 순환시켜 충방전하는 것을 특징으로 한다.
도 2를 통해 이를 더욱 상세의 설명하면, 내부에 양극(110)과 음극(120)으로 구분되는 한 쌍의 전극과, 상기 전극 사이에 구비되는 분리막(130) 및 상기 전극의 외측 면으로 적층되는 분리판(140)을 포함하는 하나 또는 둘 이상의 전지셀(100); 상기 전지모듈 내부에 구비되며, 상기 양극 또는 음극으로 양극전해액 또는 음극전해액을 공급하는 한 쌍의 전해액탱크(200); 상기 전지셀과 전해액탱크를 연결하여 전해액이 이송되는 전해액유로(400); 및 상기 전해액유로에 구비되며, 전지모듈 외부에서 전달되는 압력을 전해액유로로 전달하여 전해액의 흐름을 제어하는 하나 또는 둘 이상의 유체제어부(300);를 포함하여 이루어질 수 있다.
다만 본 발명에서 상기 전지셀은 통상적인 레독스 흐름전지를 기준으로 설명 및 도시한 것으로, 경우에 따라서는 전극 또는 분리막, 분리판 등을 생략하여도 무방하다.
한편, 본 명세서에서 앤드플레이트, 전해액탱크(200) 및 펌프 등의 구성 및 기능에 대해서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 모두 잘 알고 있을 것이므로 본 명세서에서 이에 대해 별도로 설명하지는 않기로 한다.
이하, 도면을 바탕으로 각 구성요소를 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 레독스 흐름전지의 형태를 간략하게 도시한 것으로, 다수의 전지모듈(10)이 모듈연결부(600)를 통해 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 전지모듈은 전해액의 이송을 위해 유체이송관(330)을 통해 압력발생기(500)와 연결되어 있다. 단, 경우에 따라서는 전지모듈 간에 전기적 연결 없이 독립적으로 구동되는 형태로 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 상기 전지모듈 간의 전해액 간섭이나 교환 없이 모두 독립적으로 전해액을 순환시키거나 또는 몇 개의 전지모듈이 전해액 탱크를 공유하여, 이를 통해 분로전류의 발생을 최소화시킨 것을 특징으로 한다. 단, 경우에 따라서는 각 전지모듈 간에 전해액의 혼합을 위해 전지모듈 간에 전해액이 흐를 수 있는 통로가 구성될 수 있다. 본 발명에서는 이를 한정하지 아니한다.
도 2는 상기 전지모듈(10)의 형태를 간략하게 도시한 것으로, 전지셀(100)과 양극전해액탱크(210)와 음극전해액탱크(220)가 구비되며 이들은 전해액유로(400)를 통해 전지셀과 연결된다. 한편, 상기 전해액유로에는 외부로부터 전달되는 압력을 이용하여 전해액을 이송할 수 있도록 유체제어부(300)가 구비될 수 있다.
본 발명에서 전지셀(100)은 도 2의 하단과 같이 양극(110)과 음극(120)으로 구분되는 한 쌍의 전극과, 상기 전극 사이에 위치하는 분리막(130) 및 상기 양극 및 음극의 외측에 이격되어 위치하는 분리판(140)을 포함할 수 있다. 상기 양극, 음극, 분리막 및 분리판은 하우징(150) 내에 위치하여 하우징 내부에서 전해액의 이동, 충전, 방전 등의 전기화학적인 반응이 일어난다.
상기 전지셀에 공급되는 양극전해액 및 음극전해액은 전해액탱크에서 이송되어 전해액유로를 통해 하우징 내부로 유입되어 반응이 진행되고, 반응이 끝난 전해액은 다시 전해액유로를 통해 전해액탱크로 들어가 순환하게 된다.
본 발명에서 상기 유체제어부(300)는 기존의 펌프를 대체하고 전해액의 순환을 위해 전해액이 전지셀로 유입되는 전해액유로에 구비될 수 있다. 상기 유체제어부는 압력의 변화를 이용하여 전해액이 정해진 방향으로 흐를 수 있도록 구비하는 것으로, 역류를 방지하고 압력의 변화를 통해 전해액의 이송이 가능한 형태라면 그 구조 및 종류를 한정치 않는다.
상기 유체제어부의 다른 예로 체크밸브를 들 수 있다. 상기 체크밸브에 대해 도 2의 좌측 상단을 통해 이를 더욱 상세히 설명하면, 전해액유로 내에 한 쪽 방향으로 유체를 이송시킬 수 있는 체크밸브가 한 쌍 구비되며(311, 312), 상기 체크밸브들의 사이에 전해액유로에 압력을 직접 전달하는 유체이송관(330)이 전해액유로와 타통되어 구비된다.
즉, 유체이송관을 통해 외부로부터 압력이 전달되면 자연스럽게 제 1체크밸브와 제 2체크밸브 사이의 공간에 압력 변화가 발생하게 되며, 이를 통해 전해액이 한 방향으로 흐르게 된다.
예를 들어, 유체이송관에서 제 1체크밸브와 제 2체크밸브 사이의 공간의 압력이 낮아지도록 작동하면(음압), 자연스럽게 체크밸브 사이의 공간의 압력도 낮아지게 된다. 따라서 압력 평형을 유지하기 위해 제 1체크밸브 너머의 전해액이 체크밸브 사이의 공간으로 유입되며, 제 2체크밸브는 닫히게 되어 전해액의 역류를 방지한다. 또한 외부에서 공급되는 압력이 높아질 경우(양압), 체크밸브 사이에 존재하는 전해액이 자연스럽게 제 2체크밸브를 통과하여 전지셀로 유입되며, 제 1체크밸브는 닫히게 된다. 이 과정의 반복을 통해 전해액은 전지셀 또는 스택으로 유입되고 순환한다.
다만, 도 2 등에서는 상기 유체제어부가 한 쌍의 체크밸브가 구비되는 형태로 도시되었으나, 일반적으로 전지셀 내부는 유체 흐름 저항이 높아 필요에 따라서는 제 2체크밸브가 없어도 역류가 일부 방지되는 효과가 있으므로 상기 유체제어부는 하나의 체크밸브만을 가질 수도 있으며, 이와는 반대로 둘 이상 다수의 체크밸브를 더 구비하여도 무방하다. 이러한 유체제어부의 구성은 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 자유롭게 변경 가능하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속함은 물론이다.
본 발명의 실시예에서는 유체제어부가 전지셀에 양압을 가하여 전해액을 공급하는 것을 도시하였으나 이에 한정하지 않으며 전지셀로부터 전해액이 배출되는 전해액유로에 연결하여 유체제어부가 전지셀에 음압을 가하여 전지셀로부터 전해액이 순환되도록 구성할 수 있다. 이 경우 체크밸브의 작동 방향이 반대로 구성될 수 있으며 이 경우 도 8a 내지 8c에서 기술하는 유체제어부의 압력공급주기는 양압과 음압이 서로 반대로 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기와 같은 구조를 가짐에 따라 전지모듈 별로 모터를 구동할 필요가 없어 에너지 효율을 높일 수 있으며, 전해액의 순환 거리를 줄여 전지의 응답성을 높이고 내산성 배관 사용을 최소화할 수 있다.
본 발명에서 상기 유체제어부는 전해액의 흐름을 유도하여야 하므로 일정 수준 이상의 양압 및 음압이 형성되어야 한다. 다만, 본 발명에서 양압 및 음압의 범위를 한정하지는 않으며, 전해액의 흐름을 유도할 정도의 압력이라면 대기압보다 높거나 낮아도 관계없다. 일예로, 압력의 범위는 대기압을 기준으로 양압 내지 음압, 양압 내지 대기압, 대기압 내지 음압 등과 같이 압력의 상한 및 하한에 관계없이 그 차이를 적절하게 조절할 수 있다.
또한 전해액의 원활한 흐름을 유도하고, 전지셀에 공급하는 전해액의 양을 증가시키기 위해 도 2의 상단과 같이 체크밸브 사이에 일정한 격실을 형성할 수 있는 제어부하우징(320)을 더 구비하여도 무방하다.
상기 유체제어부에 압력을 전달하는 장치 및 유체의 종류는 본 발명에서 제한하지 않는다. 일예로 양압의 형성을 위해서는 압력을 전달하기 위한 유체의 압축을 위하여 압력발생기(500)를 컴프레서나 펌프로 구비할 수 있으며, 음압의 형성을 위해 압력발생기를 진공장비, 흡입장비 또는 벤츄리관을 구비한 이젝터(ejector)로 할 수 있다. 유체의 경우에도 기체, 액체 모두를 사용할 수 있으며, 작동되는 압력발생기의 종류에 따라 자유롭게 선택할 수 있다. 또한 양압 또는 음압을 형성하는 장비는 어느 한쪽만 사용하여도 무방하다.
또한 본 발명에 따른 압력발생기는 동작 중에 유실되는 유체를 보상하기 위해 별도의 공급장치(미도시)를 통해 보충할 수 있으며, 유체제어부에 가해지는 압력의 크기를 일정하게 유지하기 위해 압력측정기(미도시)를 더 구비하여 일정 수준 이하의 양압 및 음압이 측정될 경우, 상기 공급장치를 통해 유체를 압력발생기로 주입하여 보충하거나 외부로 배출하는 구성을 더 포함할 수도 있다.
도 4는 체크밸브를 구비한 유체제어부의 일반적인 형태를 도시한 것으로, 제어부하우징(320)의 양 측면에 전해액유로(400)와 직접 연결되는 체크밸브(311, 312)가 한 쌍으로 구비되며, 상면에는 상기 전해액유로에 압력을 공급하는 유체이송관(330)이 직접 연결된다. 이때 상기 유체이송관을 통해 제어부하우징 내로 유체가 유입되는 것을 방지하기 위해 하나 이상의 전해액유입방지기(350)을 더 구비할 수 있다.
상기 전해액유입방지기는 압력의 원활한 전달이 가능하며, 제어부하우징 내로 유체가 유입되는 것을 방지한다면 어떠한 재질, 형태를 가져도 무방하다. 일예로 도 4와 같이 제어부하우징 내에 위치하되, 제어부하우징과 유체이송관이 물리적으로 차단될 수 있으며, 유연성을 가지는 판막 형태로 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 유체제어부(300)는 도 2와 같이 전해액탱크와 전지셀의 사이에 위치할 수도 있으나, 도 3과 같이 전해액탱크(200)의 내부에 위치할 수도 있다. 이를 더욱 상세히 설명하면, 상기 유체제어부는 전해액탱크 내에 구비되되 전해액유로(400)의 일단에 위치하며, 제어부하우징(320)을 통해 유체와 전해액의 혼합을 차단한다. 제어부하우징은 측면에 한 쌍의 체크밸브(311, 312)를 구비하되, 상기 체크밸브는 제어부하우징의 외부에서 내부로 작동하는 것과, 제어부하우징의 내부에서 외부로 작동하는 것을 각각 구비한다. 이때 제어부하우징의 내부에서 외부로 작동하는 체크밸브는 바로 전해액유로의 일단과 연결될 수 있다. 또한 제어부하우징의 외부에서 내부로 작동하는 체크밸브는 바로 전해액탱크의 전해액에 접촉하거나 관로가 연장되어 전해액 속에 위치하는 것이 바람직하다.
압력발생기를 통해 전해액탱크 내의 유체제어부로 양압이 전달되면 유체제어부 내의 전해액이 체크밸브를 통해 전해액유로로 밀려나가게 되며, 자연스럽게 유체제어부 내의 전해액의 수위가 줄어들게 되어 유체제어부 내의 전해액과 외부의 전해액과의 수위차가 발생하게 된다. 일정 이상 전해액의 수위를 낮추고 양압의 공급을 중단하면, 전해액의 수위차를 통해 전해액이 유체제어부 내부로 유입될 수 있다. 따라서 압력발생기에서 전해액 유입을 위해 필요한 음압의 공급량을 줄일 수 있거나, 음압을 공급하지 않고도 전해액이 유체제어부 내부로 자연스럽게 유입될 수 있어 전체 레독스 흐름전지의 효율을 높일 수 있다.
본 발명에서 상기 체크밸브(310)는 역류방지밸브라고도 하며, 전해액의 흐름을 한 방향으로 유도하도록 작동한다. 본 발명에서 체크밸브는 도 2 등과 같이 볼(ball) 형태나 판막 형태 등 유체의 흐름 방향을 제어할 수 있다면 어떠한 구조를 가져도 무방하다.
예를 들어 도 5a와 같이 디스크 형태나 도 5b와 같은 판막 형태의 체크밸브를 구비하여도 무방하며, 이외에도 리프트 체크밸브, 스윙 체크밸브, 스윙 타입 웨이퍼 체크밸브, 스플리트 디스크 체크밸브 등 다양한 형태의 체크밸브를 사용할 수 있다.
또한 상기 체크밸브 이외에도 도 5c와 같이 압력으로 동작하는 밸브를 구비하여도 무방하다. 상기 밸브 또한 일반적인 체크밸브와 동작 형태가 동일하며, 전해액의 흐름에 있어 정방향보다 역방향의 흐름 저항이 높아 전체적으로 정방향으로 유체가 흐르는 형태를 가질 수 있으며, 이 또한 체크밸브의 범주에 속한다 할 수 있다. 즉, 체크밸브의 형태와 무관하게 전해액의 흐름에 있어 정방향보다 역방향의 흐름 저항이 높아 전체적으로 정방향으로 유체가 흐르는 형태를 가질 수 있으며, 이 또한 체크밸브의 범주에 속한다 할 수 있다.
또한 상기 전지모듈은 도 6 및 도 7과 같이 상기 유체제어부(300)를 둘 이상 구비할 수도 있다. 일반적으로 유체제어부의 유체이송관이 하나일 경우, 양압일 경우에만 전지셀로 전해액이 공급되어 연속적인 전해액의 흐름을 만들기 어렵다. 또한 이 때 전해액이 일정 시간 이상 셀 내부에 머무르면서 셀 자체의 성능이 떨어질 수 있다.
본 발명은 이를 해소하기 위해 2개 또는 그 이상의 유체제어부를 연결하여 연속적인 흐름을 유도할 수 있다. 도 7을 통해 이를 더욱 상세히 설명하면, 제 1유체제어부(300a)에 양압이 공급되면, 제 2유체제어부(300b)에는 음압을 공급한다. 즉, 제 1유체제어부에 양압이 공급되므로 체크밸브 사이에 위치하는 전해액이 전지셀 쪽으로 유입되며, 같은 시간에 제 2유체제어부는 음압이 공급되므로 전해액탱크 내의 전해액이 체크밸브 사이의 공간으로 유입되게 된다. 제 1유체제어부 내의 전해액을 전지셀 쪽으로 공급한 후에는 제 1유체제어부에 음압을 공급하고, 같은 시간에 제 2유체제어부에는 양압을 공급함으로써 전해액을 전지셀로 공급한다. 이와 같은 동작을 반복하면 전해액의 연속적인 흐름을 유도하여 안정적인 셀 구동이 가능하도록 할 수 있다.
상기와 같이 전지모듈에 복수 개의 유체제어부를 구비하는 경우, 이들에 공급되는 압력의 공급주기를 조절하는 것이 바람직하다. 다만 이 경우, 이들의 공급주기를 동일한 위상(phase)으로 하는 것보다는 서로 다른 위상으로 압력 변화를 주는 것이 바람직하다.
도 8a 내지 8c를 통해 이를 더욱 상세히 설명하면, 도 8a와 같이 제 1유체제어부의 압력공급주기와 제 2유체제어부의 압력공급주기를 완전히 반대로 하되(mirror image phase) 각 제어부의 양압구간과 음압구간의 길이를 동일하게 할 경우, 일정한 유량의 전해액이 전지셀로 공급되어야 하나 각 유체제어부에서 압력주기가 바뀌는 지점에서 각 구간에 의한 간섭으로 인해 일반적으로 공급되어야하는 전해액보다 더 적은 양의 전해액이 전지셀로 공급된다. 즉, 이 구간에서 순간적으로 유량이 감소할 수 있다.
따라서 상기와 같은 간섭에 의한 전해액의 공급 방해를 방지하기 위해 각 유체제어부의 양압주기 구간 또는 음압주기 구간이 서로 겹치도록 하는 것이 좋다.
도면을 통해 이를 더욱 상세히 설명하면, 도 8c와 같이 각 유체제어부의 주기는 동일하게 하되, 하나의 유체제어부의 양압구간과 음압구간의 길이는 동일하게 유지하고, 다른 하나의 유체제어부의 양압구간은 음압구간보다 길게 유지하거나, 도 8c와 같이 두 유체제어부의 작동 위상은 다르되, 어느 한 유체제어부의 양압주기와 다른 유체제어부의 양압주기가 일정 시간 서로 겹치도록 하는 것, 즉 하나의 유체제어부에서 양압주기의 구간(D1)이 다른 유체제어부에서 음압주기의 구간(D2)보다 더 길도록 조절하는 것이 좋다.
이는 양 유체제어부의 양압주기와 음압주기가 완전히 동일한 길이를 가질 경우 일반적으로 공급되어야 하는 전해액의 양보다 더 적은 양의 전해액이 전지셀로 공급되므로, 부족분을 보충하기 위해 어느 하나 또는 두 개의 유체제어부의 양압주기의 길이를 음압주기의 길이보다 늘려 전지셀에 공급하는 전해액을 일정하게 유지시키는 것이다.
다만, 도면 상에서는 두 유체제어부의 주기를 서로 동일하게 도시하였으나, 양 유체제어부의 주기는 서로 같거나 다를 수 있으며 앞서 기술한 유체제어부의 작동 목적을 달성할 수 있다면 어떠한 형태로도 변경할 수 있다.
또한 유체제어부 내부로 유입되는 전해액의 유량이 전지셀로 배출되는 유량보다 적을 경우(그리고 전해액 유입방지기가 구비되지 않거나, 파손되었을 경우), 상기 유체제어부로 유입되는 양압 대상인 유체가 전해액 대신 전지셀로 유입되어 셀 성능을 저하시킬 수 있으므로, 음압과 양압을 조절하여 유체제어부 내부로 유입되는 전해액의 유량이 배출되는 유량보다 많도록 조절하는 것이 좋다.
상기와 같이 각 유체제어부(300)에 공급되는 압력의 주기를 조절하기 위해 도 9a 및 9b와 같이 압력발생기와 유체제어부 사이에 압력제어밸브(340)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 압력제어밸브는 유체제어부에 양압과 음압을 번갈아가면서 공급하기 위한 것으로, 상기와 같은 특정 압력공급주기에 맞추어 포트의 열림과 닫힘을 자유롭게 조절할 수 있는 구조와, 이에 상응되는 모든 형태의 장치를 포함한다.
도 10a 및 10b를 통해 상기 압력제어밸브(340)를 더욱 상세히 설명하면, 도 10a와 같이 서로 다른 두 개의 압력발생기에서 나온 유체이송관에 각각 압력제어밸브를 구비할 수 있다. 상기 압력제어밸브는 압력제어밸브하우징(341)과, 상기 하우징 내부에 스위칭관(342)을 구비할 수 있다. 이때 상기 압력제어밸브하우징은 유체의 흐름 방향이 하우징 내부(input)를 향하는 관(유입관)과, 하우징 내부에서 외부(output)로 향하는 관(배출관)을 각각 구비하며, 이들의 개수를 조절하여 스위칭관의 스위칭 형태를 자유롭게 조절할 수 있다.
또한 도 10b와 같이 각각의 압력제어밸브(340)에 양압과 음압이 동시에 연결되고 필요한 주기에 따라 유체제어부(300)에 공급되는 압력을 양압과 음압 중에서 선택적으로 공급되도록 할 수 있다. 또는 양압과 음압의 중간 압력을 형성할 수 있도록 별도의 포트 또는 외부의 밸브를 구비하여 두 개의 압력 공급관이 연결되도록 할 수 있다.
일예로, 하나의 압력제어밸브에서 하나의 유입관과 두 개의 배출관을 구비하는 경우, 상기 압력제어밸브는 하나의 압력발생기 및 두 개의 유체제어부와 연결되는 구조를 갖는다. 따라서 어느 하나의 유체제어부에 양압을 공급하다 압력의 형태를 변화시켜야 할 경우, 상기 스위칭관과 배출관의 연결 형태를 바꾸어 다른 유체제어부에 양압을 공급하는 것으로 조절할 수 있다.
다만, 도면과 같이 하우징 유입관을 하나, 하우징 배출관을 두 개 구비할 수도 있으나, 하우징 유입관을 두 개, 하우징 배출관을 하나 구비할 수도 있으며, 압력공급기 및 유체제어부의 개수에 따라 유입관 및 배출관의 개수를 자유롭게 조절하는 것은 본 발명이 제한하지 않는다.
또한 상기와 같이 양압주기의 구간(D1)이 음압주기의 구간(D2)보다 더 길도록 조절하는 경우, 양압주기의 구간이 음압주기의 구간보다 길기 때문에 모든 유체제어부에 양압을 공급하는 순간이 발생한다. 이때 상기와 같이 스위칭관이 구비되면 모든 유체제어부에 양압을 공급하기 어려우므로, 상기 스위칭관 대신 하우징 외부에 솔레노이드밸브와 같은 조절밸브(미도시)를 구비하는 것이 좋다.
예를 들어 상기 솔레노이드밸브를 각 유체제어부와 연결된 배출관과 연결하고 어느 하나의 유체제어부에 양압을 공급할 때에는 해당 유체제어부와 연결된 배출관의 솔레노이드밸브를 열었다가, 제 1유체제어부와 제 2유체제어부 모두에 양압을 공급할 때에는 모든 배출관의 솔레노이드밸브를 열어 양압주기를 상기와 같이 조절하는 것이다. 또는 도 10b와 같이 구성하여 양압과 음압을 각 전지셀 별로 독립적으로 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 도 9a 및 9b 등과 같이 다수의 압력발생기(500)를 구비할 수도 있으나, 도 9b와 같이 하나의 압력발생기에서 양압과 음압을 동시에 발생시키고, 발생하는 양압과 음압의 배출구를 다르게 구비하는 방식으로 에너지 소모를 줄이고 공간 활용을 극대화할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 상기 유체이송관(330) 내부에 전해액유입방지기(350)를 더 구비할 수도 있다.
일반적으로 레독스 흐름전지는 바나듐산화물, 히드라진, 할로겐화합물 및 기타 산류 등을 첨가하고 있어 이를 운반하기 위해 내산성을 가지는 이송관을 사용하여야 한다. 다만 상기와 같은 특수한 이송관은 일반 관에 비해 고가이므로 전해액을 이송하는 관 이외에는 일반 금속관 또는 공압관 또는 공압 튜브를 사용하는 것이 좋다.
문제는 상기와 같이 유체를 이용하여 전해액유로에 압력을 가하기 위해서는 상기 유체를 공급하는 유체이송관이 전해액유로와 타통되어 구비되어야 하나, 양압 공급 또는 음압 공급 과정에서 전해액이 유체이송관 쪽으로 역류할 수도 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 유체이송관 내에 판막, 차단밸브, 체크밸브 및 부유밸브에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 전해액유입방지기를 더 구비하여 전해액의 역류를 막을 수 있다.
도 11을 통해 상기 전해액유입방지기(350)의 일예를 더욱 상세히 설명하면, 상기 전해액유입방지기는 유체이송관과 유체제어부하우징이 인접하는 곳에 구비하되, 전해액에 의해 부유할 수 있으며, 그물구조 등 내부에 기공을 가지되 유체이송관과 맞닿을 수 있는 면은 유체이송관을 폐쇄할 수 있도록 시트 형상을 가지는 물체일 수 있다.
도 11의 상단과 같이 상기 전해액유입방지기는 유체이송관 내에서 부유하도록 일정 크기 이상의 직경을 가지는 것이 좋으며, 유체이송관의 직경보다는 작은 것이 바람직하다. 한편 상기 유체이송관은 상기 제어부하우징과 직접 연결되는 부분의 직경은 상기 전해액유입방지기의 직경보다 작게 구비되어 전해액유입방지기가 이탈하지 않도록 할 수 있다.
도 11의 하단과 같이 유체이송관에 음압이 걸려 제어부하우징 내의 전해액 수위가 상승하면, 상기 전해액유입방지기가 유체이송관을 막아 일종의 밸브역할을 하여 전해액의 유입을 방지할 수 있다.
다만 도 11과 같은 부유밸브의 경우 음압과 양압을 공급하는 펌프의 작동에 따라 유체의 제어부하우징 유입을 완전히 막기 어려울 수 있다. 따라서 도 12와 같이 상기 유체이송관의 단면을 완전히 덮도록 판막 형태의 전해액유입방지기를 도입할 수도 있다.
도 12를 통해 이를 더욱 상세히 설명하면, 상기 판막은 상기 유체이송관과 제어부하우징의 연결을 완전히 폐쇄하되, 탄성을 가진 재질로 이루어져 유체이송관을 통해 전달되는 압력을 제어부하우징 내로 효과적으로 전달할 수 있다. 즉, 도 12의 상단과 같이 제어부하우징에 양압을 전달할 때에는 상기 판막도 양압에 맞추어 유체이송관에서 제어부하우징 방향으로 신장이 일어난다. 따라서 제어부하우징 내의 압력이 높아지므로 자연스럽게 내부의 체크밸브가 작동하여 전해액이 전지셀 쪽으로 이동하게 된다.
도 12의 하단과 같이 제어부하우징에 음압이 전달되는 경우, 상기 판막도 음압에 맞춰 제어부하우징에서 유체이송관 방향으로 신장이 일어난다. 이 경우, 제어부하우징 내의 압력이 낮아지면서 내부의 체크밸브가 작동하여 전해액이 전해액탱크에서 제어부하우징 방향으로 이동하게 되는 것이다.
다만 상기 전해액유입방지기는 도 11 또는 12와 같이 부유체나 압력에 변형이 가능한 판막으로 유체이송관을 완전히 막는 형태로 구비할 수도 있으나, 이외에도 전해액의 유입을 막을 수 있으면서도 압력을 유체제어부로 전달할 수 있는 구조라면 본 발명에서 구분 없이 적용할 수 있다.
또한 상기 전해액유입방지기는 하나 또는 둘 이상의 다른 구조를 혼합하여 사용할 수 있다. 즉 하나 또는 둘 이상의 부유체나 판막 형태의 전해액유입방지기를 혼합하여 사용하여도 무방하다.
상기 전해액유입방지기는 전해액이 직접 맞닿는 구조이므로 내산성을 유지하며, 상기와 같이 판막 형태인 경우 유동성을 갖는 물질로 이루어진 것이 좋다. 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌 등의 고분자나 아크릴고무, 불소고무 등의 고무류, 알루미늄 등의 금속 등이 있으며, 이외에도 상기와 같은 물성을 갖는 물질이라면 제한없이 사용 가능하다.
또한 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 전해액에 혼합될 수 있는 불순물을 제거하기 위해 유체이송관(330)에 유체여과기(360)를 더 구비할 수 있다.
유체제어부에 압력을 전달하는 유체가 공기 또는 산소를 포함하는 기체인 경우, 전해액이 산화되어 전지셀의 충방전 효율이 저하될 수 있다. 이를 해소하기 위해 산소 등의 불순물이 전해액에 혼합되지 않도록 도 11 및 12와 같이 유체이송관에 유체여과기를 더 구비하는 것이 좋다. 이 때 유체여과기는 각 유체제어부에 설치하거나 또는 전체 유체제어부를 연결하여 하나의 유체이송관에 설치하는 것이 가능하며 수리를 위해 교체하는 것도 가능하다.
본 발명에서 상기 유체여과기는 산소, 수분과 같이 전해액의 성능을 저하시키는 성분을 미리 제거하기 위한 것으로, 상기 성분들 이외에도 전해액의 성능에 영향을 주는 물질이라면 관계없이 제거할 수 있는 해당 성분 제거용 필터 등을 포함하는 것이 바람직하다. 일예로 산소제거제 또는 산소제거장치가 유체 이송관의 일부에 장착될 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 상기와 같은 구성 이외에도 외부에서 전기적으로 접속하기 위한 전기 단자와 상기 유체제어부 등을 제어할 수 있는 제어부 및 모니터부와, 이들을 연결하는 단자 또는 접속구가 더 추가될 수도 있다.
또한 상기 유체여과기를 응용하여 외부에서 공급되는 압력을 이용한 회전체를 구비하고, 이 회전체의 회전에 의한 펌프 대체구조를 구성하는 것도 가능하다.
도 13은 앞서 기술한 전지모듈을 다수 연결하여 대용량 시스템을 구성하는 실시예에 대한 것이다. 전지모듈(100)은 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결되거나 전기적으로 독립적으로 구성될 수 있으며 각 전지모듈의 유체제어부 구동을 위해 외부로부터 압력을 전달할 수 있도록 압력발생기에 연결하되, 전지모듈의 크기와 개수에 따라 압력발생기의 개수도 한 개 내지는 다수로 구성할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 고가의 화학용 펌프를 사용하지 않고 전해액을 전해셀 또는 스택으로 원활하게 순환시킬 수 있다. 또한 각각의 전지모듈마다 전해액탱크를 구비하거나 일정한 수의 전지모듈마다 전해액 탱크를 공유할 수 있으므로 기존의 레독스 흐름전지에 비해 전해액의 순환 거리가 훨씬 짧으며, 이를 통해 고가의 내산성 이송관의 사용 비중을 크게 줄일 수 있다.
또한 전해액의 순환 거리가 짧기 때문에 기존의 레독스 흐름전지에 비해 응답성이 크게 개선될 수 있으며, 전해액탱크가 분리될 수 있고 이 때 전해액이 각 전지모듈 내에서만 순환하기 때문에 분로전류가 발생하지 않는다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 상기와 같은 특성을 통해 전장고(電藏庫)라 불리는 고전압 대용량 에너지 저장 시스템(energy storage system)을 효과적으로 구현할 수 있다. 또한 고가의 화학용 펌프를 다수 사용할 필요가 없어 원가를 절감할 수 있으며, 각각의 전지모듈을 독립적으로 설치, 교체할 수 있으므로 운용 효율성이 향상된 수 있다. 이 뿐만 아니라 전지모듈의 성능 편차를 감안하여 유사한 성능을 가지는 전지모듈 별로 구분하여 대용량의 에너지 저장 시스템을 구현할 수 있으므로 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명에 따른 레독스 흐름전지를 더욱 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예 및 비교예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 기재되는 것이므로 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다.
전지셀과 전해액탱크 및 유체제어부를 도 7과 같은 형태로 연결하되, 각 전지셀의 전해액출입구와 배출구에 유량측정기를 연결하여 전해액의 유량을 측정하였다.
이때 각 실시예에 사용된 전지셀은 2개의 탄소 전극, 2개의 집전체, 4개의 가스켓 및 1개의 분리막으로 구성되었으며, 상기 전극 및 분리막 활성 영역은 약 49 ㎠이었다. 분리판은 탄소 소재로 구성되었으며 분리막은 불소계 분리막을 사용하였다. 전해액은 바나듐 전해액을 사용하였으며 바나듐 농도는 1.6mol 내지 2.0mol을 사용하였다. 이 때 바나듐 전해액 비중은 약 1.4이다.
또한 각 실시예에 사용된 전지모듈은 판막 구조를 가지는 2개의 유체제어부를 구비하였으며, 상기 전해액의 흐름 속도는 약 100 ㎖/min이었다.
상기와 같이 구성된 전지모듈에서 유체제어부에 공급되는 압력을 조절하여 전해액을 순환시키되, 유체제어부의 압력공급주기는 2초로 하고, 양압공급시간을 하기 표 1과 같이 조절하여 1분 동안 반복적으로 전지모듈을 작동시켰다. 이때 전지셀에서 배출되는 전해액의 유량을 1분 단위로 측정한 후, 평균값을 계산하였다.
양압공급시간(초) 음압공급시간(초) 평균유량(㎖/min) 유량편차(㎖/min) 연속 구동 대비효율 변화
유체제어부 1 유체제어부 2 유체제어부 1 유체제어부 2
실시예 1 1 1 1 1 100 -15 -2%
실시예 2 1 1.2 1 0.8 101 +3 영향없음
실시예 3 1 1.4 1 0.6 101 +5 영향없음
실시예 4 1 1.6 1 0.4 103 +8 영향없음
상기 표 1과 같이, 두 개의 유체제어부가 같은 주기와 다른 위상으로 제어될 경우(실시예 1) 평균 유량보다 더 낮은 유량이 흐르는 순간이 발생하지만, 실시예 2 내지 4와 같이 각 유체제어부의 압력공급주기의 위상을 다르게 조절하되, 각 유체제어부의 양압 공급 시간을 음압 공급 시간보다 늘리게 되면 평균 유량보다 더 높은 유량이 순간적으로 흐르게 되므로 셀 성능을 유지하기 위해 필요한 최소한의 유량보다 더 높은 유량이 확보되므로 더 향상된 성능으로 안정적인 셀 구동이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명에 따른 레독스 흐름전지의 대략적인 연결구조 등을 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 전지셀, 전해액탱크, 전해액유로 및 외부에서 생성된 압력을 전해액유로로 전달하는 유체제어부를 포함하는 하나 또는 둘 이상의 전지모듈을 구비하되, 상기 전지모듈은 각각 또는 일정한 개수의 전지모듈마다 독립적으로 전해액을 순환시켜 충방전하는 것인 레독스 흐름전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전지모듈은,
    내부에 양극과 음극으로 구분되고 분리막 및 전극의 외측 면으로 적층되는 분리판을 포함하는 하나 또는 둘 이상의 전지셀;
    상기 전지모듈 내부에 구비되며, 상기 양극 또는 음극으로 양극전해액 또는 음극전해액을 공급하는 한 쌍의 전해액탱크;
    상기 전지셀과 전해액탱크를 연결하여 전해액이 이송되는 전해액유로; 및
    상기 전해액유로에 구비되며, 전지모듈 외부에서 전달되는 압력을 전해액유로로 전달하여 전해액의 흐름을 제어하는 하나 또는 둘 이상의 유체제어부;
    를 포함하는 레독스 흐름전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유체제어부는,
    상기 전해액유로의 내부에 구비되며, 일 방향으로 전해액의 흐름을 유도하는 하나 또는 복수의 체크밸브; 및
    상기 체크밸브와 인접하여 전해액유로를 타통하여 상기 전지모듈 외부에서 전달되는 압력을 전해액유로로 직접 전달하는 유체이송관;
    을 포함하는 레독스 흐름전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유체제어부는 상기 전해액유로의 일측 끝단에 구비되되,
    상기 전해액탱크 내에 위치하는 제어부하우징;
    상기 전지모듈 외부에서 전달되는 압력을 제어부하우징 내로 직접 전달하는 유체이송관; 및
    상기 제어부하우징의 측면에 구비되며, 전해액탱크에서 제어부하우징으로 전해액을 유도하고, 동시에 제어부하우징에서 전해액유로로 전해액을 유도하는 하나 또는 복수의 체크밸브;
    를 포함하는 레독스 흐름전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전지모듈은 둘 이상의 유체제어부를 구비하는 것인 레독스 흐름전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전지모듈은 두 개의 유체제어부를 구비하되, 상기 유체제어부의 압력공급주기는 어느 한 유체제어부의 양압주기의 구간 또는 음압주기의 구간이 서로 겹치도록 하는 레독스 흐름전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 유체제어부는 하나 또는 둘 이상의 압력제어밸브를 더 구비한 것인 레독스 흐름전지.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 유체이송관은 내부에 판막, 차단밸브, 체크밸브 및 부유밸브에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 전해액유입방지기를 더 구비하는 것인 레독스 흐름전지.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 유체이송관은 유체여과기를 더 구비하는 것인 레독스 흐름전지.
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