WO2019035685A1 - 레독스 흐름 전지 - Google Patents

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cathode electrolyte
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정진교
서동균
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    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a redox flow cell, and more particularly, to a redox flow cell in which an anode tank and a cathode tank are connected by an overflow pipe.
  • the zinc bromine redox flow cell produces electricity by the redox reaction occurring between the electrolyte and the electrode.
  • a redox flow cell is formed by repeatedly laminating a bipolar electrode and a membrane, stacking a current collecting plate and an end plate sequentially on both sides of the outermost layer, A pump for supplying an electrolyte to the stack, a pipe for storing the electrolyte, and an electrolyte tank for storing the electrolyte to be discharged after the internal reaction in the stack.
  • the electrolyte tank is composed of an anode tank containing an anode electrolyte (anolyte) containing zinc, and a cathode containing a cathode electrolyte (catholyte) containing bromine And an electrolyte tank (catholyte tank).
  • the anode electrolyte tank and the cathode electrolyte tank are connected by an overflow pipe to supply the deficient electrolyte solution to each other.
  • the overflow tube connects the anode and the upper end of the cathode electrolyte tank to each other.
  • the internal pressure is changed due to the difference in the viscosity and the specific gravity of the electrolyte, resulting in a crossover.
  • the overflow pipe regulates the level of the anode and the cathode electrolyte.
  • the overflow pipe at the upper part moves the gas and the electrolyte from the cathode electrolytic solution (both electrolytic solution) to the anode electrolytic solution (negative electrolytic solution). Movement of the gas may reduce current efficiency.
  • the overflow pipe connecting the upper ends to each other can reduce the efficiency by introducing an electrolyte having a high specific gravity and viscosity generated in the cathode electrolyte tank into the anode electrolyte tank during charging / discharging.
  • One aspect of the present invention is to provide a redox-flow battery which prevents movement of gas generated during charging / discharging and moves the electrolyte.
  • One aspect of the present invention is to provide a method of controlling a level of an anode and a cathode electrolyte by moving only a cathode electrolyte having a low specific gravity and a viscosity to an anode electrolyte tank while shutting off gas and polybrominated gas generated in the cathode electrolyte, Flow cell.
  • the redox flow cell includes an anode electrolyte inflow line and an anode electrolyte inflow line connecting the anode electrolyte tank and the stack, a cathode electrolyte inflow line connecting the cathode electrolyte tank and the stack, and a cathode electrolyte inflow line
  • An anode electrolyte overflow tube having a first lower end immersed in the anode electrolyte in the anode electrolyte tank and a first upper terminal opened in the upper portion of the cathode electrolyte tank, 2, and a second upper end opened to an upper portion of the anode electrolyte tank.
  • the first lower end of the anode electrolyte overflow pipe may be located at 1/3 or more of the height (H) of the anode electrolyte tank.
  • the second lower end of the cathode electrolyte overflow pipe may be located at a half or more of the height (H) of the cathode electrolyte tank.
  • the anode electrolyte overflow pipe and the cathode electrolyte overflow pipe may be provided in plurality.
  • the anode and the cathode electrolyte tank are connected to the anode and the cathode electrolyte overflow pipe to block the gas and the polybenzene generated in the cathode electrolyte during charging / discharging,
  • the current efficiency can be increased because only the low cathode electrolyte is moved to the anode electrolyte tank to adjust the level of the anode and the cathode electrolyte. That is, the total energy efficiency can be increased.
  • FIG. 1 is a state diagram for blocking the movement of gas generated in a cathode electrolyte of a redox flow cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a stack applied to FIG.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line III-III in Fig.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along the line IV-IV in Fig.
  • FIG. 5 is a perspective view of the anode, cathode, and electrolyte solution overflow tanks in FIG. 1; FIG.
  • FIG. 6 is a view illustrating a state in which a cathode electrolyte is moved in a redox flow cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a state diagram for blocking the movement of gas generated in a cathode electrolyte of a redox flow cell according to an embodiment of the present invention.
  • the redox flow cell of one embodiment includes a stack 120 for generating current in a redox reaction, and an anode, a cathode electrolyte, and an anode (not shown) An anode for respectively storing a cathode electrolyte, and cathode electrolyte tanks 210 and 220.
  • the redox flow cell of the embodiment includes an anode that connects the anode and the cathode electrolyte tanks 210 and 220 and the stack 120 via the anode and the cathode electrolyte pumps Pa and Pc, a cathode electrolyte inflow line La1, Lc1, an anode, and a cathode electrolyte discharge line La2, Lc2.
  • the anode and the cathode electrolytic solution flow into the stack 120 through the anode and the cathode electrolytic solution inflow line La1 Lc1 according to the driving of the anode and the cathode electrolytic solution pumps Pa and Pc, respectively.
  • the anode and the cathode electrolytic solution outflow lines La2 And Lc2 are stored in the anode and cathode electrolyte tanks 210 and 220, respectively.
  • a heat exchanger (207) is provided in the anode electrolyte outflow line (La2) through which the anode electrolyte flows out.
  • the heat exchanger 207 is disposed on the side of the anode electrolyte, which is less reactive than the cathode electrolyte, and directly contacts the anode electrolyte to increase the reactivity of the anode electrolyte. That is, the efficiency of the battery is improved.
  • electrolyte crossover occurs within the stack 120 due to viscosity and specific gravity difference of the electrolyte. This may cause a difference in the level of the electrolyte solution (L1a, L1c) in the anode electrolyte tank 210 and the cathode electrolyte tank 220.
  • the heat exchanger 207 can reduce the difference in the level of the electrolytic solution (L1a, L1c).
  • the anode electrolyte tank 210 accommodates an anode electrolyte containing zinc and the cathode electrolyte tank 220 (for convenience, a two-phase electrolyte tank containing two phases of the cathode electrolyte is not shown) Containing catholyte.
  • a middle cathode electrolytic solution having a high specific gravity and a high viscosity is accommodated in the lower part
  • a light catholyte having a specific gravity and viscosity lower than that of the middle cathode electrolytic solution is accommodated in the middle
  • the upper part accommodates the gas generated during charge / discharge.
  • the redox flow cell of the embodiment of the present invention further includes an anode and cathode electrolyte overflow pipes La3 and Lc3 for connecting the anode and the cathode electrolyte tanks 210 and 220 to each other.
  • the anode and the cathode electrolyte overflow pipes La3 and Lc3 are formed in such a manner that when the internal pressure of the stack 120 changes due to the difference in viscosity and specific gravity of the electrolyte during charging and discharging, And the levels (L1a, L1c) of the anode and the cathode electrolyte in the anode and cathode electrolyte tanks 210, 220 are adjusted.
  • the anode electrolyte overflow pipe La3 is arranged so that the first lower end D1 constituting the lower portion thereof is inserted into the lower portion of the anode electrolyte tank 210 and immersed in the anode electrolyte, And the first upper end U1 constituting the upper portion is opened at an upper portion of the cathode electrolyte tank 220.
  • the cathode electrolytic solution overflow pipe Lc3 is disposed such that the second lower end D2 of the cathode electrolytic solution overflow pipe Lc3 is inserted into the lower portion of the cathode electrolytic solution tank 220 and immersed in the cathode electrolytic solution, (U2) is opened at an upper portion of the anode electrolyte tank 210.
  • the anode and the cathode electrolyte overflow pipes La3 and Lc3 move the anode where the first lower end D1 or the second lower end D2 is immersed and the cathode electrolytic solution to the cathode on the opposite side and the anode electrolyte tanks 220 and 210 .
  • the cathode electrolyte overflow pipe Lc3 is disposed such that the second lower end D2 is preferably immersed in the light cathode electrolyte, as in the embodiment of the present invention, Only the cathode electrolytic solution can be moved to the anode electrolyte tank 210.
  • the anode and the cathode electrolyte overflow pipes La3 and Lc3 are arranged so that the first lower end D1 and the second lower end D2 are respectively immersed in the anode and the cathode electrolytic solution, Gas and polybromine are prevented from moving to the anode electrolyte tank 210.
  • the anode and cathode electrolyte overflow pipes La3 and Lc3 may be provided in three embodiments, but the present invention is not limited thereto.
  • the anode and the cathode electrolyte overflow pipe La3, and Lc3 may be provided in one, or preferably three or more, in number.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the stack applied to FIG. 1
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 2 through 4
  • the stack 120 includes a membrane 10, a spacer 20, and an electrode plate 30 that are repeatedly stacked.
  • the stack 120 further includes collectors 61 and 62 and end plates 71 and 72 which are sequentially stacked at both ends in the stacking direction and supply an anode and a cathode electrolytic solution to the electrode plate 30
  • An anode electrolyte channel CHa see FIG. 3
  • a cathode electrolyte channel CHc see FIG. 4
  • the electrode plate 30 includes one side of the anode electrode 32 and the other side of the cathode electrode 31.
  • the anode and cathode electrolyte channels CHa and CHc supply the anode and the cathode electrolyte to the anode and cathode electrodes 32 and 31, respectively.
  • the end plate 71 has an anode, an anode connected to the cathode electrolyte inflow lines La1 and Lc1, and cathode electrolyte inlets H21 and H31.
  • the end plate 72 has an anode, an anode connected to the cathode electrolyte outflow lines La2 and Lc2, a cathode electrolyte outflow ports H22 and H32, and an anode, a cathode electrolyte outlets H22 and H32, To the anode and cathode electrolyte channels (CHa, CHc).
  • anode and cathode electrolyte channels CHa and CHc are connected to the anode and cathode electrolyte inlets H21 and H31 at one end in the stack 120 and to the anode and cathode electrolyte outlets H22 and H32 at the other end .
  • the stack 120 also includes bus bars B1 and B2 which are disposed inside the end plates 71 and 72 and connected to the current collecting plates 61 and 62, respectively.
  • the bus bars B1 and B2 may discharge the current generated in the stack 120 or may be connected to an external power source 206 to charge the anode and cathode electrolyte tanks 210 and 220 with current.
  • FIG. 5 is a perspective view of the anode, cathode, and electrolyte solution overflow tanks in FIG. 1; FIG. 5, the anode electrolyte overflow pipe La3 may have a first lower end D1 at least one third of the height H of the anode electrolyte tank 210 according to an embodiment of the present invention. have.
  • the cathode electrolytic solution overflow pipe Lc3 may have a second lower end D2 at least one half of the height H of the cathode electrolytic solution tank 220.
  • the height settings of the first lower end D1 and the second lower end D2 can be variously changed as needed.
  • an anode which flows into and overflows into the anode and cathode electrolyte overflow pipes La3 and Lc3 through the height setting of the first lower end D1 and the second lower end D2,
  • the amount of the anode, the anode electrolyte overflowed, and the cathode electrolyte may be limited to those with low specific gravity and low viscosity.
  • the cathode electrolytic solution tank 220 there is a stagnant middle cathode electrolytic solution having a high specific gravity and viscosity.
  • the middle cathode electrolytic solution is supplied through the cathode electrolytic solution overflow pipe Lc3 at the same internal pressure as the light cathode electrolytic solution. Movement can be disadvantageous.
  • the second lower end D2 of the cathode electrolyte overflow pipe Lc3 is equal to or larger than a half of the height H of the cathode electrolyte tank 220, ) Can be immersed in the cathode cathode electrolyte to limit the overflow of the cathode cathode electrolyte and increase the efficiency.
  • anode electrolyte overflow pipe La3 can also increase the efficiency of the level control of the anode and the cathode electrolyte through the overflow by adjusting the height of the first lower end D1 similarly to the cathode electrolyte overflow pipe Lc3 have.
  • the first lower end D1 of the anode electrolyte overflow pipe La3 is connected to the second electrode of the cathode electrolytic solution overflow pipe Lc3 And may be disposed at a lower height than the lower end D2.
  • the height settings of the first lower end and the second lower end may be variously set as needed.
  • the anode electrolyte overflow pipe La3 has a first end U1 exposed to the cathode electrolyte tank 220 and the cathode electrolyte overflow pipe Lc3 has a first end U1 exposed to the cathode electrolyte tank 220, And an upper end U2.
  • the first and second upper ends are disposed above the anode and cathode electrolyte tanks 210 and 220 so that the anode and the cathode electrolyte can be prevented from flowing into the anode and cathode electrolytic solution tanks 210 and 220.
  • the second top U2 may be located above the first top U1. Therefore, the anode and cathode electrolyte moving to the first and second ends U1 and U2 do not interfere with each other at the second and first ends U2 and U1. However, although not shown, the second top U2 may be located below the first top U1 or at the same height.
  • the cathode electrolytic solution tank 220 further includes a gas discharge line Lc4 at the upper end thereof and a gas filter GF at the gas discharge line Lc4 to generate a cathode electrolytic solution Gas is discharged. Therefore, the gas generated from the cathode electrolyte and the polybromine do not move to the anode electrolyte tank 210.
  • the anode and the cathode electrolyte overflow pipes La3 and Lc3 move the anode and the cathode electrolyte to the cathode and the anode electrolyte tanks 220 and 210 by the inner pressure at the bottom of the anode and cathode electrolyte tanks 210 and 220, respectively.
  • the cathode electrolytic solution tank 220 only the light cathode electrolytic solution having a low specific gravity and viscosity is moved to the anode electrolytic solution tank 210.
  • the first lower end D1 and the second lower end D2 are disposed so as to be immersed in the anode and the cathode electrolytic solution respectively, even if gas is generated in the cathode electrolytic solution tank 220 during charging / discharging, Lc3 in the anode-electrolyte tank 210 as shown in Fig. Therefore, as compared with the case of using the electrolyte tank of the prior art, the current efficiency increases in this embodiment, thereby increasing the total energy efficiency.
  • the anode electrolyte overflow pipe La3 has a first lower end D1 at least one third of the height H of the anode electrolyte tank 210 and the cathode electrolyte overflow pipe Lc3 has a cathode (H / 3) of the cathode electrolyte tank 220 because the second lower end D2 is provided at least one half of the height H of the electrolyte tank 220, The cathode electrolyte is not moved.
  • the anode and the cathode electrolyte overflow pipes La3 and Lc3 are connected to the anode and the cathode electrolyte inflow lines La1 and Lc1 and the anode and cathode electrolyte overflow pipes La3 and Lc3 in order to match the flow rates of the anode and cathode electrolyte in the anode and cathode electrolyte tanks 210 and 220, May be set to be equal to or larger than the piping area of the cathode electrolyte outflow lines (La2, Lc2). To this end, a plurality of anode and cathode electrolyte overflow pipes La3 and Lc3 may be formed.
  • the anode electrolyte tank 210 includes an anode electrolyte containing zinc, and is driven by an anode electrolyte pump Pa, And the anode electrode 32 and receives the anode electrolyte discharged via the space between the membrane 10 and the anode electrode 32.
  • the cathode electrolyte tank 220 includes a cathode electrolyte containing bromine, and is disposed between the membrane 10 of the stack 120 and the cathode electrode 31 To the cathode side.
  • the cathode electrolytic solution tank 220 circulates the cathode electrolytic solution between the membrane 10 and the cathode electrode 31 of the stack 120 by driving the cathode electrolytic solution pump Pc.
  • the cathode electrolytic solution inflow line Lc1 and the cathode electrolytic solution outflow line Lc2 connect the cathode electrolytic solution tank 220 to the stack 120 with the four-way valve 205 interposed therebetween, And an outflow operation.
  • the four-way valve 205 may also connect the cathode electrolyte outlet H32 to the cathode electrolyte inlet H31 of the stack 120 to supply the cathode electrolyte together with the cathode electrolyte inlet line Lc1 back to the stack 120 have.
  • the stack 120 may be formed by stacking a plurality of unit cells C1 and C2.
  • this embodiment illustrates a stack 120 formed by stacking two unit cells (C1, C2).
  • the stack 120 further includes a flow frame, a membrane flow frame 40 and an electrode flow frame 50.
  • the stack 120 includes two unit cells C1 and C2 and therefore has one electrode flow frame 50 at the center and two membrane flows arranged symmetrically on both sides of the electrode flow frame 50.
  • Two end plates 71 and 72 are disposed on the outer surface of the frame 40 and the outer surface of the membrane flow frame 40, respectively.
  • the membrane 10 is configured to pass ions and is coupled to the membrane flow frame 40 in the thickness direction center of the membrane flow frame 40.
  • the electrode plate 30 is joined to the electrode flow frame 50 at the center in the thickness direction of the electrode flow frame 50.
  • the end plates 71 and 72, the membrane flow frame 40, the electrode flow frame 50, the membrane flow frame 40 and the end plates 71 and 72 are disposed and the membrane 10, And the stacks of the unit cells C1 and C2 are formed by joining the membrane flow frame 40, the electrode flow frame 50 and the end plates 71 and 72 to each other with the spacers 20 interposed therebetween. 120 are formed.
  • the electrode plate 30 has an anode electrode 32 formed on one side and a cathode electrode 31 on the other side in a portion where the two unit cells C1 and C2 are connected to form two unit cells C1 and C2. To form a bipolar electrode connecting in series.
  • the membrane flow frame 40, the electrode flow frame 50 and the end plates 71 and 72 are adhered to each other to set the internal volume S between the membrane 10 and the electrode plate 30,
  • the anode and cathode electrolyte channels (CHa, CHc) are configured to supply the anode and the cathode electrolytic solution, respectively, at equal pressures and amounts on both sides of the membrane (10).
  • the anode electrolyte channel CHa connects the anode electrolyte solution inlet H21, the internal volume S and the anode electrolyte outlet H22 to the membrane 10 and the anode electrode 32 by driving the anode electrolyte pump Pa. To allow the anode electrolyte to flow out after reaction.
  • the cathode electrolyte channel CHc connects the membrane electrode 10 and the cathode electrode 31 by driving the cathode electrolyte pump Pc by connecting the cathode electrolyte inlet H31, the internal volume S and the cathode electrolyte outlet H32.
  • the cathode electrolytic solution is allowed to flow into the internal volume S set between the anode and the cathode.
  • the anode electrolyte undergoes a redox reaction on the side of the anode electrode 32 of the internal volume S to generate a current and is stored in the anode electrolyte tank 210.
  • the cathode electrolytic solution is subjected to a redox reaction on the cathode electrode 31 side of the internal volume S to generate a current and is stored in the cathode electrolytic solution tank 220.
  • the bromine contained in the cathode electrolytic solution is produced and stored in the cathode electrolyte tank 220.
  • the zinc contained in the anode electrolyte is deposited on the anode electrode 32 and stored.
  • Equation 1 a reverse reaction of Equation 1 occurs between the membrane 10 and the cathode electrode 31, and an adverse reaction of Equation 2 occurs between the membrane 10 and the anode electrode 32.
  • the current collecting plates 61 and 62 in the stack 120 collect current generated in the anode electrode 32 and the cathode electrode 31 or supply the current to the anode electrode 32 and the cathode electrode 31 from outside And are electrically connected to the outermost electrode plates 30 and 30.
  • the anode electrolyte overflow pipe La3 is connected to the inner pressure of the anode electrolyte tank 210 because the first lower end D1 is provided in 1/3 or more of the height H of the anode electrolyte tank 210 in the charge /
  • the anode electrolyte of the level L1a flows into the first lower end D1 and moves to the cathode electrolytic tank 220 of the level L1c through the first end U1. At this time, the gas and the polybromine in the anode electrolyte tank 210 are not moved to the cathode electrolyte tank 220.
  • FIG. 6 is a view illustrating a state in which a cathode electrolyte is moved in a redox flow cell according to an embodiment of the present invention.
  • the cathode electrolyte overflow pipe Lc3 is connected to the cathode electrolyte tank
  • the cathode electrolytic solution of the level L2c flows into the second lower end D2 by the internal pressure of the anode 220 and moves to the anode electrolyte tank 210 of the level L2a through the second upper end U2.
  • the gas and the polybromine in the cathode electrolyte tank 220 are not transferred to the anode electrolyte tank 210.
  • the gas inside the cathode electrolyte tank 220 is discharged through the gas discharge line Lc4 and the gas filter GF.
  • the prior art connects the anode, the cathode electrolyte overflow tube to the anode, and the cathode electrolyte tank from above.
  • the anode and the cathode electrolyte overflow pipes La3 and Lc3 are inserted into the lower portions of the anode and cathode electrolyte tanks 210 and 220 to be opened at the top of the cathode and anode electrolyte tanks 220 and 210 Structure.
  • the prior art achieved a voltage efficiency of 80.7%, a current efficiency of 88.5% and an energy efficiency of 71.4%.
  • this embodiment achieved a voltage efficiency of 80.9%, a current efficiency of 90.4%, and an energy efficiency of 73.1%. That is, as a result of the charge / discharge efficiency test under the same conditions, the current efficiency and the energy efficiency of the present embodiment were higher than those of the prior art.
  • electrode plate 31 cathode electrode
  • heat exchanger 210 anode electrolyte tank
  • C1, C2 unit cell Cha: anode electrolyte channel
  • CHc cathode electrolyte channel D1, D2: first and second bottom
  • H21 anode electrolyte inlet
  • H22 anode electrolyte outlet
  • H31 cathode electrolyte inlet
  • H32 cathode electrolyte outlet
  • L1a, L1c, L2a, L2c level La1: anode electrolyte inflow line
  • La2 anode electrolyte outflow line
  • La3 anode electrolyte overflow tube
  • Lc1 cathode electrolyte inlet line
  • Lc2 cathode electrolyte outlet line
  • Lc3 cathode electrolyte overflow tube
  • Lc4 gas discharge line
  • Pa anode electrolyte pump Pc: cathode electrolyte pump

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Abstract

본 발명의 일 측면은 충/방전 시, 발생되는 가스의 이동을 차단하고 전해액을 이동시키는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 애노드 전해액 탱크와 스택을 연결하는 애노드 전해액 유입라인과 애노드 전해액 유출라인, 캐소드 전해액 탱크와 상기 스택을 연결하는 캐소드 전해액 유입라인과 캐소드 전해액 유출라인, 상기 애노드 전해액 탱크 내부에서 애노드 전해액에 침지되는 제1하단과 상기 캐소드 전해액 탱크의 상부에 개방되는 제1상단을 구비하는 애노드 전해액 오버 플로우 관 및 상기 캐소드 전해액 탱크 내부에서 캐소드 전해액에 침지되는 제2하단과 상기 애노드 전해액 탱크의 상부에 개방되는 제2상단을 구비하는 캐소드 전해액 오버 플로우 관을 포함한다.

Description

레독스 흐름 전지
본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것으로서, 애노드 전해액 탱크(anolyte tank)와 캐소드 전해액 탱크(catholyte tank)를 오버 플로우 관으로 연결하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
아연 브로민 레독스 흐름 전지는 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 엔드 플레이트를 차례로 적층하여 형성되어 전해액이 공급되어 산화 환원 반응이 일어나는 스택, 스택에 전해액을 공급하는 펌프와 배관, 스택에서 내부 반응 후, 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크를 포함한다.
레독스 흐름 전지에서, 전해액 탱크는 아연을 포함하는 애노드 전해액(anolyte, 음전해액)을 수용하는 애노드 전해액 탱크(anolyte tank), 및 브로민을 포함하는 캐소드 전해액(catholyte, 양전해액)을 수용하는 캐소드 전해액 탱크(catholyte tank)를 포함한다. 애노드 전해액 탱크와 캐소드 전해액 탱크는 오버 플로우 관으로 연결되어 부족한 전해액을 서로 공급한다.
일례를 들면, 오버 플로우 관은 애노드, 캐소드 전해액 탱크의 상단부를 서로 연결한다. 충/방전 시, 전해액의 점도 및 비중의 차이로 인하여 내부 압력이 변화되고, 이로 인하여 크로스 오버가 발생된다. 이때, 오버 플로우 관은 애노드, 캐소드 전해액의 레벨을 조절한다.
충/방전 시, 내부 압력의 변화로 레벨 차이가 발생되거나 가스가 발생되면, 상부의 오버 플로우 관은 캐소드 전해액(양전해액)에서 애노드 전해액(음전해액)으로 가스 및 전해액을 이동시킨다. 가스의 이동은 전류효율을 저하시킬 수 있다.
상단부를 서로 연결하는 오버 플로우 관은 충/방전 시, 캐소드 전해액 탱크에서 발생되는 비중 및 점도가 높은 전해액을 애노드 전해액 탱크로 유입시켜 효율을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면은 충/방전 시, 발생되는 가스의 이동을 차단하고 전해액을 이동시키는 레독스 흐름 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은 충/방전 시, 캐소드 전해액에서 발생되는 가스 및 폴리브로민의 이동을 차단하고 비중 및 점도가 낮은 캐소드 전해액만을 애노드 전해액 탱크로 이동시켜 애노드, 캐소드 전해액의 레벨을 조절하는 레독스 흐름 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 애노드 전해액 탱크와 스택을 연결하는 애노드 전해액 유입라인과 애노드 전해액 유출라인, 캐소드 전해액 탱크와 상기 스택을 연결하는 캐소드 전해액 유입라인과 캐소드 전해액 유출라인, 상기 애노드 전해액 탱크 내부에서 애노드 전해액에 침지되는 제1하단과 상기 캐소드 전해액 탱크의 상부에 개방되는 제1상단을 구비하는 애노드 전해액 오버 플로우 관, 및 상기 캐소드 전해액 탱크 내부에서 캐소드 전해액에 침지되는 제2하단과 상기 애노드 전해액 탱크의 상부에 개방되는 제2상단을 구비하는 캐소드 전해액 오버 플로우 관을 포함한다.
상기 애노드 전해액 오버 플로우 관의 상기 제1하단은 상기 애노드 전해액 탱크의 높이(H)의 1/3 이상에 위치할 수 있다.
상기 캐소드 전해액 오버 플로우 관의 상기 제2하단은 상기 캐소드 전해액 탱크의 높이(H)의 1/2 이상에 위치할 수 있다.
상기 애노드 전해액 오버 플로우 관 및 상기 캐소드 전해액 오버 플로우 관은 각각 복수 개로 설치될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 애노드, 캐소드 전해액 탱크를 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관으로 연결하여, 충/방전시, 캐소드 전해액에서 발생되는 가스 및 폴리브로민의 이동을 차단하고 비중과 점도가 낮은 캐소드 전해액만을 애노드 전해액 탱크로 이동시켜 애노드, 캐소드 전해액의 레벨을 조절하므로 전류효율을 증가시킬 수 있다. 즉, 전체 에너지 효율이 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 캐소드 전해액에서 발생되는 가스의 이동을 차단하는 상태도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 스택을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다.
도 5는 도 1에서 애노드, 캐소드 전해액 탱크에 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관을 설치한 상태의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지에서 캐소드 전해액이 이동하는 상태도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 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.
명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "~위에" 또는 "~상에" 있다고 할 때 이는 다른 부분의 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 그리고 "~위에" 또는 "~상에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것을 의미하며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 캐소드 전해액에서 발생되는 가스의 이동을 차단하는 상태도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 산화환원반응으로 전류를 발생시키는 스택(120), 및 스택(120)에 애노드, 캐소드 전해액을 공급하고 반응 후 스택(120)에서 유출되는 애노드, 캐소드 전해액을 각각 저장하는 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)를 포함한다.
또한, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 애노드, 캐소드 전해액 펌프(Pa, Pc)를 개재하여 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)와 스택(120)을 연결하는 애노드, 캐소드 전해액 유입라인(La1, Lc1)과 애노드, 캐소드 전해액 유출라인(La2, Lc2)을 포함한다.
애노드, 캐소드 전해액은 애노드, 캐소드 전해액 펌프(Pa, Pc)의 구동에 따라 애노드, 캐소드 전해액 유입라인(La1 Lc1)을 통하여 스택(120)으로 각각 유입되어 반응 후, 애노드, 캐소드 전해액 유출라인(La2, Lc2)을 통하여 유출되어 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)에 저장된다.
애노드 전해액을 유출하는 애노드 전해액 유출라인(La2)에는 열교환기(207)가 구비된다. 열교환기(207)는 캐소드 전해액에 비하여 반응성이 낮은 애노드 전해액 측에 배치되어, 애노드 전해액과 직접 맞닿아서 애노드 전해액의 반응성을 높인다. 즉 전지의 효율이 향상된다.
충/방전 시, 전해액의 점도 및 비중 차이로 인하여 스택(120) 내부에서 전해액의 크로스오버가 발생된다. 이로 인하여, 애노드 전해액 탱크(210)와 캐소드 전해액 탱크(220)에서 전해액의 레벨(L1a, L1c) 차이가 발생될 수 있다. 열교환기(207)는 전해액의 레벨(L1a, L1c) 차이를 줄일 수 있다.
애노드 전해액 탱크(210)는 아연을 포함하는 애노드 전해액(anolyte)을 수용하고, 캐소드 전해액 탱크(220)(편의상, 캐소드 전해액의 2상을 수용하는 2상 전해액 탱크를 도시 생략함)는 브로민을 포함하는 캐소드 전해액(catholyte)을 수용한다.
캐소드 전해액 탱크(220)의 경우, 하부에는 비중 및 점도가 높은 중 캐소드 전해액(heavy catholyte)을 수용하며, 중간에는 상기 중 캐소드 전해액 대비 비중 및 점도가 낮은 경 캐소드 전해액(light catholyte)를 수용하고, 상부에는 충/방전시 발생되는 가스를 수용하게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)를 서로 연결하는 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)을 더 포함한다.
애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 충/방전 시, 전해액의 점도 및 비중의 차이로 인하여, 스택(120)의 내부 압력이 변화되어 크로스 오버가 발생될 때, 애노드, 캐소드 전해액을 상호 이동시켜 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)에서 애노드, 캐소드 전해액의 레벨(L1a, L1c)을 조절한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 애노드 전해액 오버 플로우 관(La3)은 그 하부를 구성하는 제1하단(D1)이 애노드 전해액 탱크(210)의 하부에 삽입되어 애노드 전해액에 침지되도록 배치되고, 그 상부를 구성하는 제1상단(U1)이 캐소드 전해액 탱크(220)의 상부에서 개방되는 구조를 가진다.
또한, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)은 그 하부를 구성하는 제2하단(D2)이 캐소드 전해액 탱크(220)의 하부에 삽입되어 캐소드 전해액에 침지되도록 배치되고, 그 상부를 구성하는 제2상단(U2)이 애노드 전해액 탱크(210)의 상부에서 개방되는 구조를 가진다.
따라서 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 제1하단(D1) 또는 제2하단(D2)이 침지되는 애노드, 캐소드 전해액을 반대측의 캐소드, 애노드 전해액 탱크(220, 210)으로 이동시킨다.
또한, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)은 후술할 내용과 같이 본 발명의 일 실시예와 같이 제2하단(D2)이 바람직하게는 경 캐소드 전해액에 침지되도록 배치되는 바, 비중과 점도가 낮은 경 캐소드 전해액만을 애노드 전해액 탱크(210)로 이동시킬 수 있다.
애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 제1하단(D1) 및 제2하단(D2)이 각각 애노드, 캐소드 전해액에 침지되도록 배치되는 바, 캐소드 전해액 탱크(220)의 상부에 수용되는 가스 및 폴리브로민이 애노드 전해액 탱크(210)로 이동하는 것을 차단한다.
한편, 본 발명의 일 실시예는 도 5에 도시된 바와 같이 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)이 3개로 구비될 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니고 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 각각 1개 또는 바람직하기로는 3~5개의 복수로 구비될 수 있다.
도 2는 도 1에 적용되는 스택을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이며, 도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 스택(120)은 반복적으로 적층되는 멤브레인(10)과 스페이서(20) 및 전극판(30)을 포함한다.
또한, 스택(120)은 적층 방향의 양단에 차례로 더 적층되는 집전판(61, 62)과 엔드 플레이트(71, 72)를 더 포함하고, 전극판(30)에 애노드, 캐소드 전해액을 각각 공급하는 애노드 전해액 채널(CHa)(도 3 참조)과 캐소드 전해액 채널(CHc)(도 4 참조)을 포함한다.
전극판(30)은 일면의 애노드 전극(32)과 다른 일면의 캐소드 전극(31)을 포함한다. 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)은 애노드, 캐소드 전해액을 애노드, 캐소드 전극(32, 31)으로 각각 공급한다.
스택(120)에서, 엔드 플레이트(71)는 애노드, 캐소드 전해액 유입라인(La1, Lc1)에 연결되는 애노드, 캐소드 전해액 유입구(H21, H31)를 구비하고, 애노드, 캐소드 전해액 유입구(H21, H31)를 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)에 연결한다.
스택(120)에서, 엔드 플레이트(72)는 애노드, 캐소드 전해액 유출라인(La2, Lc2)에 연결되는 애노드, 캐소드 전해액 유출구(H22, H32)를 구비하고, 애노드, 캐소드 전해액 유출구(H22, H32)를 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)에 연결한다.
따라서 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)은 스택(120) 내부에서 일단으로 애노드, 캐소드 전해액 유입구(H21, H31)에 연결되고, 다른 일단으로 애노드, 캐소드 전해액 유출구(H22, H32)에 연결된다.
또한, 스택(120)은 엔드 플레이트(71, 72) 내측에 배치되어 집전판(61, 62)에 연결되는 버스바(B1, B2)를 구비한다. 버스바(B1, B2)는 스택(120)의 내부에서 생성된 전류를 방전하거나, 외부의 전원(206)에 연결되어 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)에 전류를 충전할 수 있다.
도 5는 도 1에서 애노드, 캐소드 전해액 탱크에 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관을 설치한 상태의 사시도이다. 도 5를 참조하면, 애노드 전해액 오버 플로우 관(La3)은 본 발명의 일 실시예에 따라 애노드 전해액 탱크(210)의 높이(H)의 1/3 이상에 제1하단(D1)을 구비할 수 있다. 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)은 캐소드 전해액 탱크(220)의 높이(H)의 1/2 이상에 제2하단(D2)을 구비할 수 있다. 다만, 제1하단(D1) 및 제2하단(D2)의 높이 설정은 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명에서 애노드, 캐소드 전해액은 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)의 제1하단(D1) 및 제2하단(D2)을 통해 유입되므로, 애노드, 캐소드 전해액이 제1하단(D1) 및 제2하단(D2) 이하의 레벨을 가지는 경우 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)을 통한 오버 플로우는 이루어지지 않게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예는 제1하단(D1) 및 제2하단(D2)의 높이 설정을 통해 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)으로 유입 및 오버 플로우되는 애노드, 캐소드 전해액의 양을 제한하거나, 오버 플로우되는 애노드, 캐소드 전해액을 비중 및 점도가 낮은 대상으로 제한할 수도 있다.
예컨대, 캐소드 전해액 탱크(220)의 하부에는 높은 비중과 점도를 가지며 정체되어 있는 중 캐소드 전해액이 존재하며, 이러한 중 캐소드 전해액은 경 캐소드 전해액 대비 같은 내부 압력에서 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)을 통한 이동이 불리할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서는 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)의 제2하단(D2)이 캐소드 전해액 탱크(220)의 높이(H)의 1/2 이상이 되도록 함으로써, 제2하단(D2)이 경 캐소드 전해액에 침지되도록 하여 중 캐소드 전해액의 오버 플로우를 제한하고 효율을 증가시킬 수 있다.
마찬가지로, 애노드 전해액 오버 플로우 관(La3) 또한 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)과 유사하게 제1하단(D1)의 높이 조절을 통해 오버 플로우를 통한 애노드, 캐소드 전해액의 레벨 조절의 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 캐소드 전해액과 달리 비중 및 점도가 높고 정체되는 중 전해액이 없거나 적은 애노드 전해액의 경우, 애노드 전해액 오버 플로우 관(La3)의 제1하단(D1)이 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)의 제2하단(D2)보다 더 낮은 높이에 배치될 수 있다. 다만, 이러한 제1하단 및 제2하단의 높이 설정은 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
또한, 애노드 전해액 오버 플로우 관(La3)은 캐소드 전해액 탱크(220)에 노출되는 제1상단(U1)을 구비하고, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)은 애노드 전해액 탱크(210)에 노출되는 제2상단(U2)을 구비한다.
제1상단 및 제2상단은 애노드, 캐소드 전해액의 유입이 방지될 수 있도록 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220) 상부에 배치되며, 바람직하게는 애노드, 캐소드 전해액의 최고 레벨 이상의 높이에 배치될 수 있다.
그리고 제2상단(U2)은 제1상단(U1) 높이 이상에 위치할 수 있다. 따라서 제1, 제2상단(U1, U2)으로 이동하는 애노드, 캐소드 전해액은 제2, 제1상단(U2, U1)에서 서로 간섭되지 않는다. 다만, 도시하지 않았으나 제2상단(U2)은 제1상단(U1) 높이 미만에 위치하거나 동일 높이에 위치할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 캐소드 전해액 탱크(220)는 상단에 가스 배출 라인(Lc4)를 더 구비하고, 가스 배출 라인(Lc4)에 가스 필터(GF)를 구비하여 충/방전시 캐소드 전해액에서 발생되는 가스를 배출한다. 따라서 캐소드 전해액에서 발생되는 가스 및 폴리브로민은 애노드 전해액 탱크(210)로 이동하지 않게 된다.
애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)의 하부에서 내부 압력에 의하여 애노드, 캐소드 전해액을 캐소드, 애노드 전해액 탱크(220, 210)로 이동시킨다. 이때, 캐소드 전해액 탱크(220)에서는, 비중과 점도가 낮은 경 캐소드 전해액만이 애노드 전해액 탱크(210)로 이동된다.
제1하단(D1) 및 제2하단(D2)이 애노드, 캐소드 전해액에 각각 침지된 상태로 배치되므로, 충/방전시, 캐소드 전해액 탱크(220) 내에서 가스가 발생하더라도 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)을 통하여 애노드 전해액 탱크(210)로 직접 이동하지 않는다. 따라서 종래기술의 전해액 탱크를 사용하는 경우와 비교할 때, 본 실시예에서 전류효율이 증가하고, 이로 인하여, 전체 에너지 효율이 증가하게 된다.
또한 애노드 전해액 오버 플로우 관(La3)이 애노드 전해액 탱크(210)의 높이(H)의 1/3 이상, 즉 하부에 제1하단(D1)을 구비하고, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)이 캐소드 전해액 탱크(220)의 높이(H)의 1/2 이상, 즉 하부에 제2하단(D2)을 구비하므로 캐소드 전해액 탱크(220)의 하부(H/3)에 정체되는 비중과 점도가 높은 중 캐소드 전해액이 이동되지 않는다.
또한 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220) 내부의 애노드, 캐소드 전해액의 유량을 맞추기 위하여, 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 애노드, 캐소드 전해액 유입라인(La1, Lc1)과 애노드, 캐소드 전해액 유출라인(La2, Lc2)의 배관 면적과 동일하거나 그 이상의 크기로 설정될 수 있다. 이를 위하여, 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)은 복수로 형성될 수도 있다.
다시 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 애노드 전해액 탱크(210)는 아연을 포함하는 애노드 전해액(anolyte)을 내장하며, 애노드 전해액 펌프(Pa)의 구동으로 스택(120)의 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 애노드 전해액을 공급하고, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이를 경유하여 유출되는 애노드 전해액을 수용한다.
다시 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 캐소드 전해액 탱크(220)는 브로민을 포함하는 캐소드 전해액(catholyte)을 내장하며, 스택(120)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 공급하는 캐소드 전해액을 수용한다. 캐소드 전해액 탱크(220)는 캐소드 전해액 펌프(Pc)의 구동으로 스택(120)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 캐소드 전해액을 순환시킨다.
캐소드 전해액 유입라인(Lc1) 및 캐소드 전해액 유출라인(Lc2)은 4방향 밸브(205)를 개재하여, 캐소드 전해액 탱크(220)를 스택(120)에 연결하므로 스택(120)에 대한 캐소드 전해액의 유입과 유출 작동을 선택적으로 수행할 수 있게 한다.
예를 들면, 4방향 밸브(205)는 캐소드 전해액 유입라인(Lc1)을 스택(120)의 캐소드 전해액 유입구(H31)에 연결하고, 캐소드 전해액 유출구(H32)를 스택(120)의 캐소드 전해액 유출라인(Lc2)에 연결할 수 있다.
또한 4방향 밸브(205)는 캐소드 전해액 유출구(H32)를 스택(120)의 캐소드 전해액 유입구(H31)에 연결하여, 캐소드 전해액 유입라인(Lc1)과 함께 캐소드 전해액을 스택(120)으로 다시 공급할 수도 있다.
예를 들면, 스택(120)은 단위 셀들(C1, C2)을 복수로 적층하여 형성될 수 있다. 편의상, 본 실시예는 2개의 단위 셀들(C1, C2)을 적층하여 형성된 스택(120)을 예시한다.
다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 스택(120)은 흐름 프레임, 즉 멤브레인 흐름 프레임(40)과 전극 흐름 프레임(50)을 더 포함한다. 스택(120)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 2개의 엔드 플레이트(71, 72)를 배치한다.
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.
엔드 플레이트(71, 72), 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50), 멤브레인 흐름 프레임(40) 및 엔드 플레이트(71, 72)을 배치하고, 멤브레인(10)과 전극판(30) 사이에 각각 스페이서(20)를 개재하여 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 엔드 플레이트(71, 72)을 서로 접합함으로써, 2개의 단위 셀(C1, C2)을 구비한 스택(120)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.
멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 엔드 플레이트(71, 72)는 서로 접착되어 멤브레인(10)과 전극판(30) 사이에 내부 용적(S)을 설정하며, 내부 용적(S)에 애노드, 캐소드 전해액을 공급하는 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)을 구비한다. 애노드, 캐소드 전해액 채널(CHa, CHc)은 멤브레인(10)의 양면에서 각각 균일한 압력과 양으로 애노드, 캐소드 전해액을 공급하도록 구성된다.
애노드 전해액 채널(CHa)은 애노드 전해액 유입구(H21), 내부 용적(S) 및 애노드 전해액 유출구(H22)를 연결하여, 애노드 전해액 펌프(Pa)의 구동에 의하여, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 설정되는 내부 용적(S)으로 애노드 전해액을 유입하여 반응 후, 유출 가능하게 한다.
캐소드 전해액 채널(CHc)은 캐소드 전해액 유입구(H31), 내부 용적(S) 및 캐소드 전해액 유출구(H32)를 연결하여, 캐소드 전해액 펌프(Pc)의 구동에 의하여, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 설정되는 내부 용적(S)으로 캐소드 전해액을 유입하여 반응 후, 유출 가능하게 한다.
애노드 전해액은 내부 용적(S)의 애노드 전극(32) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 애노드 전해액 탱크(210)에 저장된다. 캐소드 전해액은 내부 용적(S)의 캐소드 전극(31) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 캐소드 전해액 탱크(220)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 캐소드 전해액 탱크(220)에 저장된다.
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.
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.
스택(120)에서 집전판(61, 62)은 애노드 전극(32)과 캐소드 전극(31)에서 생성된 전류를 모으거나, 외부에서 애노드 전극(32)과 캐소드 전극(31)에 전류를 공급하도록 최외곽 전극판(30, 30)에 접착되어 전기적으로 연결된다.
충/방전 과정에서, 애노드 전해액 탱크(210) 높이(H)의 1/3 이상에 제1하단(D1)을 구비하므로 애노드 전해액 오버 플로우 관(La3)은 애노드 전해액 탱크(210)의 내부 압력에 의하여 레벨(L1a)의 애노드 전해액을 제1하단(D1)으로 유입하여, 제1상단(U1)을 통하여 레벨(L1c)의 캐소드 전해액 탱크(220)로 이동시킨다. 이때, 애노드 전해액 탱크(210) 내의 가스 및 폴리브로민은 캐소드 전해액 탱크(220)로 이동되지 않는다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지에서 캐소드 전해액이 이동하는 상태도이다.
도 6을 참조하면, 충/방전 과정에서, 캐소드 전해액 탱크(220) 높이(H)의 1/2 이상에 제2하단(D2)을 구비하므로 캐소드 전해액 오버 플로우 관(Lc3)은 캐소드 전해액 탱크(220)의 내부 압력에 의하여 레벨(L2c)의 캐소드 전해액을 제2하단(D2)으로 유입하여, 제2상단(U2)을 통하여 레벨(L2a)의 애노드 전해액 탱크(210)로 이동시킨다. 이때, 캐소드 전해액 탱크(220) 내의 가스 및 폴리브로민은 애노드 전해액 탱크(210)로 이동되지 않는다. 캐소드 전해액 탱크(220) 내부의 가스는 가스 배출 라인(Lc4) 및 가스 필터(GF)를 통하여 배출된다.
종래기술은 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관을 애노드, 캐소드 전해액 탱크를 상방에서 서로 연결한다. 이에 비하여, 본 실시예는 애노드, 캐소드 전해액 오버 플로우 관(La3, Lc3)을 애노드, 캐소드 전해액 탱크(210, 220)의 하부에 삽입하여 캐소드, 애노드 전해액 탱크(220, 210)의 상부에서 개방하는 구조로 연결한다.
따라서 종래기술은 80.7%의 전압 효율, 88.5%의 전류 효율 및 71.4%의 에너지 효율을 얻었다. 이에 비하여, 본 실시예는 80.9%의 전압 효율, 90.4%의 전류 효율 및 73.1%의 에너지 효율을 얻었다. 즉 동일한 조건에서 충/방전 효율을 실험한 결과, 종래기술에 비하여, 본 실시예의 전류효율 및 에너지 효율이 더 높게 나타났다.
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.
- 부호의 설명 -
10: 멤브레인 20: 스페이서
30: 전극판 31: 캐소드 전극
32: 애노드 전극 40: 멤브레인 흐름 프레임
50: 전극 흐름 프레임 61, 62: 집전판
71, 72: 엔드 플레이트 120: 스택
205: 4방향 밸브 206: 전원
207: 열교환기 210: 애노드 전해액 탱크
220: 캐소드 전해액 탱크 B1, B2: 버스바
C1, C2: 단위 셀 Cha: 애노드 전해액 채널
CHc: 캐소드 전해액 채널 D1, D2: 제1, 제2하단
GF: 가스 필터 H: 높이
H21: 애노드 전해액 유입구 H22: 애노드 전해액 유출구
H31: 캐소드 전해액 유입구 H32: 캐소드 전해액 유출구
L1a, L1c, L2a, L2c: 레벨 La1: 애노드 전해액 유입라인
La2: 애노드 전해액 유출라인 La3: 애노드 전해액 오버 플로우 관
Lc1: 캐소드 전해액 유입라인 Lc2: 캐소드 전해액 유출라인
Lc3: 캐소드 전해액 오버 플로우 관 Lc4: 가스 배출 라인
Pa: 애노드 전해액 펌프 Pc: 캐소드 전해액 펌프
S: 내부 용적 U1, U2: 제1, 제2상단

Claims (4)

  1. 애노드 전해액 탱크와 스택을 연결하는 애노드 전해액 유입라인과 애노드 전해액 유출라인;
    캐소드 전해액 탱크와 상기 스택을 연결하는 캐소드 전해액 유입라인과 캐소드 전해액 유출라인;
    상기 애노드 전해액 탱크 내부에서 애노드 전해액에 침지되는 제1하단과 상기 캐소드 전해액 탱크의 상부에 개방되는 제1상단을 구비하는 애노드 전해액 오버 플로우 관; 및
    상기 캐소드 전해액 탱크 내부에서 캐소드 전해액에 침지되는 제2하단과 상기 애노드 전해액 탱크의 상부에 개방되는 제2상단을 구비하는 캐소드 전해액 오버 플로우 관
    을 포함하는 레독스 흐름 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전해액 오버 플로우 관의 상기 제1하단은
    상기 애노드 전해액 탱크의 높이(H)의 1/3 이상에 위치하는 레독스 흐름 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드 전해액 오버 플로우 관의 상기 제2하단은
    상기 캐소드 전해액 탱크의 높이(H)의 1/2 이상에 위치하는 레독스 흐름 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전해액 오버 플로우 관 및 상기 캐소드 전해액 오버 플로우 관은
    각각 복수 개로 설치되는 레독스 흐름 전지.
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