WO2019107676A1 - 레독스 흐름전지 - Google Patents

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WO2019107676A1
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fluid
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김기현
박상현
최담담
조범희
최강영
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스탠다드에너지(주)
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the redox flow battery has a function of a secondary battery capable of charging and discharging electric energy by forming a stack by arranging a membrane, an electrode, and a separator in series, similar to a fuel cell.
  • the positive and negative electrode electrolytic solutions supplied from the positive and negative electrode electrolyte storage tanks are circulated on both sides of the separator, and ion exchange is performed. In this process, electrons move to charge and discharge.
  • Such a redox flow battery is known to be most suitable for ESS because it has a longer lifetime than a conventional secondary battery and can be manufactured as a medium to large size system of kW to MW.
  • a control housing located in the electrolyte tank
  • the check valve 310 is also referred to as a check valve, and operates to guide the flow of the electrolyte in one direction.
  • the check valve of the present invention may have any structure as long as it can control the flow direction of the fluid such as a ball shape or a plate shape as shown in FIG.
  • the positive pressure period section or the negative pressure period section of each fluid control section are overlapped with each other in order to prevent the supply of the electrolytic solution due to the interference.
  • the length of the positive pressure cycle of the battery cell is longer than the length of the negative pressure cycle to maintain the flow rate of the electrolyte solution supplied to the battery cell at a predetermined level or higher.
  • a plate-shaped electrolyte inflow preventing device may be introduced to completely cover the end surface of the fluid transfer pipe.
  • the flow rate of the electrolyte is directly related to the operating environment such as the volume of the electrolyte participating in the oxidation-reduction reaction, which greatly affects the electrochemical reaction of the electrolyte in the battery cell, and the reaction volume (V c ) .
  • the reaction volume (V c ) is generally defined as the product of the effective area of the separation membrane where the ion exchange of the actual electrolyte occurs and the electrode thickness.
  • some redox flow cells may be operated as separators or electrodes, And the configuration of the flow path of the electrolytic solution may be different.
  • the internal pressure change period of the fluid control part becomes shorter than the reaction speed of the control valve and the check valve, and the phenomenon that the electrolyte does not flow occurs.
  • the energy efficiency of the battery cell connected to each fluid control unit is measured and substituted into the following Equation 4 to calculate the energy efficiency.

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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 전류의 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 생에너지가 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 전지 그리고 레독스 흐름전지 등이 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 분리판이 직렬로 배치되어 스택을 구성함으로써, 전기 에너지의 충방전이 가능한 이차전지의 기능을 가진다. 레독스 흐름전지는 분리막의 양측에 양극 및 음극 전해액 저장탱크에서 공급된 양극 전해액과 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 ESS에 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 분로전류가 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.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전지셀 또는 전지셀이 다수 적층된 스택 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 전지모듈을 구비하되, 상기 전지모듈은 각각 또는 일정한 개수의 전지모듈마다 독립적으로 전해액을 순환시켜 충방전하며, 상기 레독스 흐름전지는 하기 식 1 및 2를 만족하는 것인 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
[식 1]
Vh≥ 0.05Vc
[식 2]
0.05초 ≤ T ≤ Qmin
(상기 식 1에서 Vh는 유체제어부에 유입되는 전해액의 최대부피, Vc는 산화-환원반응에 참여하는 전해액의 부피, T는 유체제어부의 작동주기, Qmin은 전해액의 분당 평균 유량을 뜻한다.)
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 유체제어부;
를 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 유체이송관;
을 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 체크밸브;
를 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 5는 본 발명에서 체크밸브의 다른 예를 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 두 개의 유체제어부가 구비된 레독스 흐름전지를 도시한 것이다.
도 8은 두 개의 유체제어부가 구비되었을 경우 각 유체제어부의 압력주기를 도시한 것이다.
도 9는 압력제어밸브가 더 구비된 유체제어부를 도시한 것이다.
도 10은 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.
도 14는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 내지 2에 따른 레독스 흐름전지의 Vh/Vc에 따른 유량 편차비율을 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, 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.
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.
본 발명에서 용어 ‘전지셀’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 구비하되, 전해액 공급에 영향을 주는 여러 인자를 제어함으로써 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.
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.
다만 본 발명에서 상기 전지셀은 통상적인 레독스 흐름전지를 기준으로 설명 및 도시한 것으로, 경우에 따라서는 전극 또는 분리막, 분리판 등을 생략하여도 무방하다.
이하, 도면을 바탕으로 각 구성요소를 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 레독스 흐름전지의 형태를 간략하게 도시한 것으로, 다수의 전지모듈(10)이 도 13에 도시한 것과 같이 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 내부 또는 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 1체크밸브(311)와 제 2체크밸브(312) 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 있다.
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 이젝터로 할 수 있다. 유체의 경우에도 기체, 액체 모두를 사용할 수 있으며, 작동되는 압력발생기의 종류에 따라 자유롭게 선택할 수 있다. 하나의 압력발생기를 통해 양압과 음압을 동시에 발생하는 것 또한 가능하며 양압 또는 음압을 형성하는 장비는 어느 한쪽만 사용하여도 무방하다. 물론 유체제어부의 작동 압력은 앞서 기술한 바와 같이 양압-음압 또는 양압-대기압, 음압-대기압의 조합으로 동작할 수 있으며 전해액의 유량 차이는 발생할 수 있으나 이는 유체제어부의 동작 개념은 압력의 조합과 관계없이 동일함을 의미한다.
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 전해액하우징 내에 위치하되, 전해액하우징과 유체이송관이 물리적으로 차단될 수 있으며, 유연성을 가지는 판막 형태로 구비하는 것이 바람직하다. 전해액이 산성분을 포함하고 있을 경우 전해액이 직접 접촉할 수 있는 판막은 내산성을 가진 판막을 사용하는 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.
전해액탱크 내에 유체제어부가 위치할 경우 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 5의 (a)와 같이 디스크 형태나 도 5의 (b)와 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 5의 (c)와 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 연속적으로 흐르지 않고 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 8을 통해 이를 더욱 상세히 설명하면, 도 8의 (a)와 같이 제 1유체제어부의 압력공급주기와 제 2유체제어부의 압력공급주기를 완전히 반대로 하되 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 8의 (b)와 같이 각 유체제어부의 주기는 동일하게 하되, 하나의 유체제어부의 양압구간과 음압구간의 길이는 동일하게 유지하고, 다른 하나의 유체제어부의 양압구간은 음압구간보다 길게 유지하거나, (c)와 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 전해액의 유량을 일정 수준 이상으로 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. 또는 유체제어부의 주기는 동일하게 하되 각각의 유체제어부의 용량을 달리하여 같은 목적을 달성할 수 있다.
상기와 같이 각 유체제어부(300)에 공급되는 압력의 주기를 조절하기 위해 도 9와 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 10을 통해 상기 압력제어밸브(340)를 더욱 상세히 설명하면, 도 10(a)와 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 내부를 향하는 관(유입관)과, 하우징 내부에서 외부로 향하는 관(배출관)을 각각 구비하며, 이들의 개수를 조절하여 스위칭관의 스위칭 형태를 자유롭게 조절할 수 있다.
또한 도 10의 (b)와 같이 각각의 압력제어밸브(400)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 10의 (b)와 같이 구성하여 양압과 음압을 각 전지셀 별로 독립적으로 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 도 9 등과 같이 다수의 압력발생기(500)를 구비할 수도 있으나, 도 9의 (b)와 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 9와 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.
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.
도 13과 같이 전지모듈이 다수 구비될 경우, 다수의 유체제어부를 균일하게 제어해야 한다. 특히 레독스 흐름전지는 셀 내부에 흐르는 전해액의 유량에 따라 성능의 편차가 발생하므로, 각 전지셀에 일정 범위의 전해액 유량을 확보하는 것이 중요하다. 그러나 유체제어부가 적절하게 설계되지 않을 경우 다수의 유체제어부가 균일한 유량의 전해액을 전지셀에 공급하기 어렵고, 이로 인해 각 전지모듈의 성능이 달라지므로, 전체 레독스 흐름전지의 성능이 크게 떨어질 수 있다.
더구나 레독스 흐름전지의 경우 높은 점도를 가지는 액체 전해액을 사용하므로 각 전지셀로 전해액을 균일하게 공급하고 이를 순환시키기 위해 압력발생기의 전력 사용이 증가할 수 있어 소모 전력을 고려하여 설계하여야 한다. 또한 다수의 유체제어부마다 작동 편차가 발생할 수 있고, 압력발생기로부터 가해지는 유체의 흐름이 각 유체제어부에 동일 시간에 균일하게 도달하기 어려우므로 이를 제어하는 것 또한 중요하다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 전해액의 흐름을 제어하는 유체제어부를 구비하되, 전해액의 공급에 영향을 끼칠 수 있는 여러 인자를 파악하고 이를 제어하여 전지의 효율을 높이는 것을 특징으로 한다.
먼저 유체제어부는 압력발생기를 통해 전달받은 압력을 전해액에 전달하여 전해액이 모듈 내부를 순환하도록 하는 것으로, 크게 제어부하우징 내부에 위치하는 전해액 유동 공간(Vh_electrolyte)과, 상기 전해액 유동 공간과 물리적 또는 개념적으로 분리되어 유체제어부에 압력을 전달하는 자유 공간(Vh_free)이 구비될 수 있다. 더 자세하게는 Vh_electrolyte는 제어부 하우징에 연결된 한 쌍의 체크밸브 사이의 공간으로 정의하거나 체크밸브와 셀의 전극에 이르는 공간으로 정의할 수 있으며 본 발명에서는 이 두 개의 정의 중에 적어도 한 개는 본 발명에서의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
다만 자유 공간은 유체제어부 내부뿐만 아니라 유체제어부와 압력발생기 사이의 공간 부피까지 포함할 수 있으며, Vh_free 중에서 유체제어부 내부에 해당하는 만큼의 공간은 별도로 구성하지 않아도 유체제어부의 구조는 구현이 가능하다.
일예로 유체제어부에 압력이 가해질 경우 제어부하우징의 Vh_electrolyte의 공간은 줄어들어 전해액은 제어부하우징 바깥으로 배출되고 유체제어부에 가해진 압력이 줄어들거나 음압이 가해질 경우 Vh_electrolyte의 공간은 늘어나므로 전해액은 제어부하우징 공간으로 유입된다. 이 동작의 반복으로 유체제어부는 압력발생기로부터 전달받은 유체 압력에 의해 전해액을 셀로 공급하게 된다.
본 발명에서는 유체제어부가 압력 변화에 의해 전해액이 유입될 때의 유체제어부 내부의 전해액 최대 부피와 전해액이 전지셀로 공급될 때 유체제어부 내부 전해액의 최소 부피 중에서 실제 전해액의 유량 공급 성능에 중요한 유입된 전해액의 최대 부피를 Vh=Vh_electrolyte_max로 정의하여 각 파라미터를 기술한다.
만약 하나의 전지셀에 다수의 유체제어부가 연결된 경우 Vh는 각각의 유체제어부 내부의 전해액 유입 최대 부피의 총합이 된다. 만약 하나의 압력발생기가 연결된 전지셀 또는 유체제어부가 서로 다른 형상과 부피를 가질 경우 적어도 1개의 전지셀-유체제어부 세트는 본 발명에서 기술하는 파라미터 값을 만족하는 것으로써 본 발명의 범주 안에 있을 것으로 해석해야 한다.
일예로 Vh가 작을 경우 판막이 변형할 수 있는 부피 또한 작아진다. 이 경우 압력발생기로부터 전달된 유체에 의해 판막이 변형할 수 있는 최대점에 도달하는 시간이 짧아지게 된다. 또한 한 개의 유체이송관(330)에 다수의 유체제어부가 구비될 경우 압력발생기로부터 전달된 유체의 유량이 크게 도달하는 유체제어부 또는 판막의 두께 편차로 인해 상대적으로 판막의 변형이 잘 일어나는 유체제어부(이하 유체제어부1로 지칭한다)가 다른 유체제어부에 비해 판막의 최대 변형점에 이르는 시간이 짧으므로 전해액의 유량이 초기에 빠르게 증가하지만, 판막이 최대변형점에 이르게 되면 판막이 변형할 수 없기 때문에 더 이상 전해액이 흐르지 않으므로 전지셀 내부에 순환하는 전해액의 흐름이 멈추게 된다. 그러나 다른 유체제어부(이하 유체제어부2로 지칭한다)는 판막이 최대변형점에 이르지 않아서 전해액을 전지셀에 전달하고 있으므로 전지셀 간의 거동에 편차가 발생하게 된다.
만약 이를 최소화하기 위해 판막이 최대변형점에 이르기 전에 압력발생기로부터 전달된 유체의 압력을 양압에서 음압으로 바꿀 경우 유체제어부1은 전해액의 흐름을 원활하게 유도할 수 있으나 압력발생기로부터 전달된 유체의 유량이 낮은 유체제어부2는 판막의 변형이 상대적으로 적게 일어날 뿐만 아니라 압력발생기로부터 전달된 유체의 양압과 음압의 주기가 짧을 경우 판막의 변형이 충분하게 일어나지 않아 전해액이 흐르지 않는 경우가 발생할 수 있다.
반대로 Vh가 클 경우 판막이 변형할 수 있는 부피 또한 커지며, 상대적으로 판막의 최대변형점에 이르는 시간이 길고 여유 부피가 크기 때문에 유체제어부의 작동 편차를 줄일 수 있다. 그러나 유체제어부의 제어부하우징 부피가 일정 수준 이상으로 클 경우 일종의 저장소가 발생하여 다른 유체제어부가 동작하기까지의 시간이 길게 소요되므로 펌프의 소모전력이 커지거나 전해액 유량의 편차가 커지게 된다.
여기에 다수의 유체제어부가 구비될 경우 각 유체제어부의 작동 편차로 인해 전해액의 유량에도 차이가 발생할 수 있다. 일예로 10개의 유체제어부가 하나의 유체이송관(330)에 연결되어 있을 경우, 각 유체제어부까지의 유체이송관의 거리 또는 유체제어부 내부 판막의 제작 편차 또는 유체제어부의 조립편차, 유체제어부와 전지셀 사이의 연결부 편차, 전지셀 내부의 전해액 흐름저항의 편차 등 다양한 요인으로 인해 전해액의 유량에도 차이가 발생할 수 있는 것이다.
이러한 유량 편차는 전지셀의 성능 편차를 유발하여 다수의 전지셀로 구성된 시스템 전체의 효율과 안정성을 떨어뜨릴 수 있다. 이를 극복하기 위해 대용량의 압력발생기를 사용하여 모든 유체제어부 중에서 최소의 유량을 제공하는 유체제어부의 유량이 일정 수준 이상의 유량을 확보하여 성능을 보장할 수 있는 유량 임계값 이상으로 동작하도록 할 수는 있으나, 이 경우 압력발생기의 소모 전력이 커지고 다른 유체제어부의 유량이 빨라져 내부 압력이 증가하여 전지셀이 손상될 수 있다. 그러므로 시스템의 효율과 전지셀의 동작 안정성을 확보하면서 유체제어부의 작동 편차를 최소화하여 균일한 유량을 확보하는 것이 중요하다.
또한 전해액의 유량은 전지셀 내부의 전해액의 전기화학반응에 주요하게 영향을 미치는 산화-환원반응에 참여하는 전해액의 부피, 줄여서 반응부피(Vc)와 출력 밀도와 같은 동작 환경에 직접적인 연관이 있다. 반응부피(Vc)는 일반적으로 실제 전해액의 이온 교환이 발생하는 분리막의 유효 면적과 전극 두께의 곱으로 정의하지만, 일부 레독스 흐름전지는 분리막 또는 전극, 분리판 중에 일부가 없이 동작 가능한 경우가 있고 전해액이 흐르는 유로의 구성이 다를 수 있다.
본 발명에서는 이를 고려하여 반응부피를 정의하였다. 더 상세하게는 전해액이 직접적으로 접촉되는 부분인 유로 중 전지셀의 구성요소인 분리막, 분리판, 전극, 집전판을 기준으로 면적이 가장 작은 구성요소의 면적과 전해액의 유로 중 대면거리가 가장 짧은 곳의 길이와의 곱을 뜻한다.
이때 대면거리는 전해액의 유로에서 전해액과 접촉하는 하나의 접촉면을 기준으로 상기 접촉면과 대향하는 다른 접촉면과의 직선거리를 뜻하는 것으로, 전해액의 유로 중에서 가장 폭이 좁은 곳의 길이를 의미한다. 또한 전해액의 유로는 전해액이 전해액 탱크에서 출발하여 다시 전해액 탱크로 순환할 때까지의 모든 경로를 뜻하며, 상기 전해액의 유로는 도시된 전해액유로(400)뿐만 아니라 유체제어부 내의 하우징, 양극 또는 음극, 분리막 및 분리판 간의 공간 등 전해액이 접촉하여 통과하는 모든 곳을 전해액의 경로라 할 수 있다.
상기 대면거리의 일예로 전해액의 유로 중 대면거리가 가장 짧은 부분이 원통형의 관인 경우 대면거리는 해당 관의 직경이며, 전해액의 유로 중 폭이 가장 짧은 곳이 분리막과 전극 간인 경우 해당 폭의 길이가 대면거리이다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 상기와 같은 특성을 고려하여 하기 식 1을 만족하는 것이 바람직하다.
[식 1]
Vh≥ 0.05Vc
또한 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 유체제어부에 유입되는 전해액과 관련된 변수 이외에 압력발생기에서 공급하는 양압 및 음압의 주기를 조절할 수도 있다.
압력발생기가 양압과 음압을 발생시켜 유체제어부에 전달하면 유체제어부 내부의 압력이 변화하며 판막이 움직이고 전해액의 흐름을 만든다. 이 때 유체제어부에 전달되는 작동 유체의 유량과 생성 가능한 압력의 범위 그리고 양압과 음압의 생성 주기가 중요하다. 양압과 음압이 반복되면서 유체제어부는 전지셀에 전해액을 공급하므로 이를 적절히 제어해야 압력발생기의 소모 전력을 최소화하면서 필요한 전해액의 유량을 확보할 수 있다.
레독스 흐름전지는 적용되는 전해액의 종류에 따라 전해액 유량의 최적값은 서로 다를 수 있으나 안정적인 성능을 위해 유체제어부에 의한 전해액이 1분당 흐르는 평균 유량(m3/min)은 반응부피(Vc)의 3% 이상인 것이 바람직하다(실시예 2 참고). 이 때 1분당 흐르는 평균 유량(m3/min)이 반응부피(Vc)의 3%에 해당하는 유량을 임계유량(Qmin)이라 정의한다.
전해액의 유량이 임계유량 이상일 경우 전지셀의 성능을 균일하게 유지할 수 있으므로, 모든 유체제어부는 전지셀에 임계유량 이상의 전해액을 공급할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이를 만족하기 위해 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 유체제어부의 작동주기(T)가 하기 식 a를 만족하는 것이 좋다. 이때 유체제어부의 작동주기는 Vh/Vc값이 고정되었을 때 Vh이 가장 큰 유체제어부를 기준으로 필요한 양압과 음압의 압력전환주기를 의미한다.
그런데 상기 임계유량(Qmin)은 1분당 흐르는 전해액의 부피가 반응부피(Vc)의 3% 이상이라 정의하였으므로 이에 해당하는 값을 대입하면 최대 주기를 설정할 수 있다.
[식 a]
T ≤ Vh / Qmin
다만 주기가 너무 짧을 경우 제어밸브와 체크밸브의 반응속도보다 유체제어부의 내부 압력변화 주기가 더 짧아져 전해액이 흐르지 않는 현상이 발생하므로, 하기 식 2를 만족하는 것이 바람직하다.
[식 2]
0.05초 ≤ T ≤ Vh / Qmin
상기와 같이, 유체제어부가 임계값 이상의 유량을 제공하기 위해서는 T를 짧게 하여 전해액을 빠른 주기로 공급하거나, T를 길게 하고 한 주기 내에 공급하는 전해액의 양을 늘리는 방법이 있다. 그러나 T를 짧게 하면 Vh의 필요한 부피를 줄일 수는 있을지라도 체크밸브의 반응속도의 한계, 제어밸브의 반응속도의 한계, 현실적으로 발생 가능한 부품 및 조립 편차 등으로 인해 유체제어부의 안정적인 동작을 보장하기 어렵다. 반대로 T가 긴 경우 Vh의 부피가 커져야 하므로 시스템의 전체 부피가 커지고 앞서 유체제어부의 부품 및 조립 편차로 인해 일부 유체제어부가 동작하지 않을 수 있다. 그러므로 압력발생기와 유체제어부를 적용하여 구동하는 레독스 흐름전지는 위의 조건을 만족해야 다수의 전지셀을 안정적으로 구동할 수 있다.
종합적으로, 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 최적의 효율을 가지기 위해 유체제어부에서 전지셀로 공급되는 전해액의 유량, 전지셀 내에서 반응하는 전해액의 부피, 유체제어부에 공급되는 압력의 주기 등을 고려하여 하기 식 1 및 2를 모두 만족하는 것이 바람직하다. 다만 유체제어부가 서로 상이한 복수의 주기(T)를 가질 때, 적어도 하나의 주기가 식 2를 만족하는 것이 바람직하며, 복수의 유체제어부가 구비되는 경우, 적어도 하나의 유체제어부가 식 1을 만족하는 것이 바람직하다.
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 전장고라 불리는 고전압 대용량 에너지 저장 시스템을 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.
하기 실시예 및 비교예를 통해 제조된 시편의 제원과 물성 측정 방법은 다음과 같다.
(모듈)
유체제어부 : 8,000 mm3의 부피를 가지며 솔레노이브 밸브가 구비된 PVC(polyvinylchloride) 재질의 하우징
압력발생기 : 최대 0.1kW의 소비전력, -0.1MPa ~ 0.1MPa의 압력 출력을 가지는 양압-음압 컨버터블형 펌프, 자체 체크밸브 구조를 가지고 있어서 2개의 포트가 각각 양압과 음압을 발생시키는 펌프.
판막 : 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 고무와 불소고무
양극, 음극: 탄소섬유 및 흑연, 탄소 복합재료
(전해액)
전해액은 바나듐(V) 전해액으로 바나듐 이온의 농도는 1.6 mol이었으며, 그 외에 황산을 포함하는 것을 사용하였다.
(전해액의 최대부피(Vh))
유체제어부에 전해액탱크와 상기 펌프를 연결한 후, 상기 펌프를 통해 유체제어부에 음압을 가하여 전해액을 유체제어부로 이송시켰을 때 최대 유량을 측정하였다.
(전해액의 반응부피(Vc))
전지셀의 반응면적은 가로 70㎜, 세로 70㎜이었으며, 전극의 압축두께는 2㎜이었고, 전해액의 유로 중 폭이 가장 좁은 곳의 너비가 2㎜로 최종적으로 전해액의 반응부피는 9,800 mm3이었다.
(전류 효율)
전압범위 1.2V 내지 1.6V, 전류밀도 40mA/㎠ ~ 200mA/㎠로 충전 및 방전을 행하되, 이것을 1 사이클(cycle)로 하여 10사이클 반복 후 평균값을 계산하였다.
(유량 편차 비율)
각 유체제어부 별로 일정 시간동안 측정된 전해액의 최대부피를 하기 식 3에 대입하여 계산하였다.
[식 3]
Figure PCTKR2018005243-appb-I000001
(상기 식 3에서 L은 각 유체제어부의 유량 중 최대값이며, S는 각 유체제어부의 유량 중 최소값이다.)
(효율 편차 비율)
각 유체제어부에 연결된 전지셀의 에너지효율을 측정하여 하기 식 4에 대입하여 계산하였다.
[식 4]
Figure PCTKR2018005243-appb-I000002
(상기 식 4에서 M은 전지셀의 에너지효율 중 최대값이며, N은 전지셀의 에너지효율 중 최소값이다.)
(실시예 1, 비교예 1 내지 2)
유체제어부는 총 10개를 구비하되 하나의 압력발생기에 연결하였으며, 하나의 전해액 탱크에 각각 두 개의 유체제어부 연결하였다. 그리고 각각의 유체제어부를 통해 이송되는 전해액의 유량을 개별적으로 측정하였다. 이때 전해액의 최대부피(Vh)와 전해액의 반응부피(Vc)의 비율을 각각 0.05(실시예 1), 0.02(비교예 1), 20(비교예 2)로 조절하였을 때 유량 편차 비율을 측정하여 도 14 및 표 1에 기재하였다.
Vh/Vc 유량편차비율
실시예 1 0.05 0.05
비교예 1 0.02 1.0
비교예 2 20 0.05
유량편차비율이 1일 경우 다수의 유체제어부 중에서 적어도 1개의 유체제어부는 전해액을 전지셀에 공급할 수 없음을 의미한다. 유량은 양극 전해액을 기준으로 기재하되 음극 전해액의 경우에도 같은 조건으로 측정하였다.
상기 표 1 및 도 14의 (a) 및 (b)와 같이 Vh/Vc가 0.05(5%) 이상일 경우 유량 편차 비율이 급격히 감소함을 확인할 수 있었으며, 이는 최소 유량 확보를 위한 주기(T)의 최소값과 관련이 있는 것으로 확인되었다. 앞서 기술한 바와 같이 Vh/Vc 값이 작을 경우에는 양압과 음압의 전환 주기(T) 당 유체제어부가 전지셀에 공급할 수 있는 전해액의 양이 줄어들어 전해액의 흐름이 정지되었으며, 이에 따라 효율이 급격히 떨어진 것을 확인할 수 있었다.
이에 반해 비교예 2와 같이 Vh/Vc을 크게 할 경우, 유체제어부의 조립 편차로 인해 일부 유체제어부가 동작하지 않아 효율이 떨어진 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 2)
유량 임계값을 측정하기 위해 실시예 1의 조건과 동일하게 하되 1분당 평균 유량이 Vc의 0.5%일 때부터 3000%의 범위에서 실험을 진행하였고 전지셀의 효율 변화를 측정하였다. 이 범위에서 식 4에 따라 계산한 효율편차비율을 도시하였다. 이 때 1분당 평균 유량이 Vc의 10% 이상일 경우 뚜렷한 결과값의 차이가 없으므로 0.5% 내지 10% 범위의 값을 도시하였다.
도 14의 (c)와 같이 임계 유량은 전해액이 1분당 흐르는 유량이 Vc의 3% 이상일 경우 전지셀 간의 효율편차가 크게 감소함을 확인할 수 있다. 그러므로 임계유량은 Vc의 3% 이상인 것이 바람직하다.
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. 레독스 흐름전지에 있어서,
    상기 레독스 흐름전지는,
    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 충방전하며, 상기 레독스 흐름전지는 하기 식 1 및 2를 만족하는 것인 레독스 흐름전지.
    [식 1]
    Vh≥ 0.05Vc
    [식 2]
    0.05 ≤ T ≤ Vh / Qmin
    (상기 식 1에서 Vh는 유체제어부에 유입되는 전해액의 최대부피, Qmin은 임계유량으로써 1분당 흐르는 전해액의 부피가 반응부피 Vc의 3%에 해당하는 값, T는 유체제어부의 작동주기를 뜻한다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전지모듈은,
    내부에 양극과 음극으로 구분되고 분리막의 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 1항에 있어서,
    상기 유체이송관은 내부에 판막, 차단밸브, 체크밸브 및 부유밸브에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 전해액유입방지기를 더 구비하는 것인 레독스 흐름전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 유체이송관은 유체여과기를 더 구비하는 것인 레독스 흐름전지.
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