KR20160085113A - 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 혼합 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법 - Google Patents

플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 혼합 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 혼합 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 초기 상태 전해액이 플로우 배터리의 음극 및 양극에서 산화/환원되어, 음극 및 양극 전해액 저장부로 유입된 후, 양극 전해액 저장부에 이온 환원제가 투입됨으로써, 5가의 전해액을 4가의 전해액으로 비교적 쉽게 환원시킬 수 있으며, 또한 4가 및 3가의 전해액을 균일하게 혼합하여 3.5가의 전해액을 사용함으로써 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액의 이용 효율을 향상시킬 수 있는 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 혼합 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법에 관한 것이다.

Description

플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 혼합 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법{Module for mixing of electrolyte and method for mixing of electrolyte for flow battery using the same}
본 발명은 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 혼합 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 초기 상태 전해액이 플로우 배터리의 음극 및 양극에서 산화/환원되어 음극 및 양극 전해액 저장부로 유입된 후, 양극 전해액 저장부에 이온 환원제가 투입됨으로써 5가의 전해액을 4가의 전해액으로 비교적 쉽게 환원시킬 수 있으며, 또한 4가 및 3가의 전해액을 균일하게 혼합하여 3.5가의 전해액을 형성함으로써, 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액의 이용 효율을 향상시킬 수 있는 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 혼합 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법에 관한 것이다.
전력 저장 기술은 전력 이용의 효율화, 전력 공급 시스템의 능력이나 신뢰성 향상, 시간에 따라 변동 폭이 큰 신재생 에너지의 도입 확대, 이동체의 에너지 회생 등 에너지 전체에 걸쳐 효율적 이용을 위해 중요한 기술이며 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있다.
마이크로 그리드와 같은 반 자율적인 지역 전력 공급 시스템의 수급 균형의 조정 및 풍력이나 태양광 발전과 같은 신재생 에너지 발전의 불균일한 출력을 적절히 분배하고 기존 전력 계통과의 차이에서 발생하는 전압 및 주파수 변동 등의 영향을 제어하기 위해서 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 이러한 분야에서 이차 전지의 활용도에 대한 기대치가 높아지고 있다.
특히 대용량 전력 저장용으로 사용될 이차 전지에 요구되는 특성을 살펴보면, 에너지 저장 밀도가 높아야 하며 이러한 특성에 적합한 고용량 및 고효율의 이차 전지로서 레독스 플로우 배터리(RFB, redox flow battery)가 최근들어 각광받고 있는 실정이다.
레독스 플로우 배터리도 일반적인 이차 전지와 동일하게 충전 과정을 통하여 입력된 전기 에너지를 화학 에너지로 변환시켜 저장하고, 방전 과정을 통하여 기저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 출력하게 된다. 그러나, 이러한 레독스 플로우 배터리는 에너지를 보유하고 있는 전극 활물질이 고체 상태가 아닌 액체 상태로 존재하기 때문에 전극 활물질을 저장하는 탱크 혹은 보관 용기가 필요하다는 점에서 일반적인 이차 전지와는 상이하다.
이와 같이, 레독스 플로우 배터리는 대용량화가 가능하며, 유지 보수 비용이 적고, 상온에서 작동 가능하며, 그리고 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 이차 전지로 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다.
이 중에서도, 바나듐 이온을 이용하는 바나듐 레독스 플로우 배터리가 차세대 에너지 저장 장치로서 각광을 받고 있으나, 바나듐 이온의 분리막(혹은 이온교환막) 크로스오버(Cross-over) 현상, 음극에서의 수소 발생, 그리고 공기 노출시 바나듐 이온의 산화 반응 등으로 레독스 플로우 배터리의 용량 저하가 발생하는 문제점 있어 이를 개선하려는 연구가 지속적으로 진행되고 있는 실정이다.
바나듐 레독스 플로우 배터리의 경우, 양극 및 음극 전해액으로 사용되는 전해액을 제조시 일반적으로 VOSO4를 바나듐 전구체로 사용하여, 바나듐 황산 용액을 제조하게 되는데, 이때 초기 4가의 전해액을 음극과 양극에 각각 동량 적용하여 음극에서는 3가의 전해액으로 환원, 양극에서는 5가의 전해액으로 산화시키는 전기 화학적 이온 분리 공정을 진행해야 한다. 여기서, 이온 분리 공정을 통해 4가의 전해액에서 5가의 전해액으로 산화된 전해액은 대부분 폐기되고, 재활용하게 될 경우, 다시 화학적 또는 전기화학적 방법을 통하여 4가 이하의 전해액으로 환원시켜야 한다.
종래의 연구들 중, 양극에서 5가의 전해액으로 산화된 전해액을 4가의 전해액으로 환원시키는 방법이 연구되고 있으나, 탄소를 포함한 유기 환원제의 경우, 과량 투입 또는 반응에 참여하지 않는 유기물이 잔존하게 되어 전지 반응시 부반응을 야기할 수 있는 문제점이 있다.
일본공개특허 제2001-167787호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 4가의 전해액을 3가의 전해액으로 전기 화학적 공정을 이용하여 제조하는 경우 필연적으로 발생되는 5가의 전해액을 이온 환원제를 투입하여 4가의 전해액으로 환원시킴으로써, 5가의 전해액을 폐기시키지 않고 재활용하고 별도의 전지반응 없이 비교적 간단하게 전해액을 환원시킬 수 있는 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 혼합 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법을 제공하고자 하는 것이다.
구체적으로 본 발명의 목적은, 초기 상태 전해액이 플로우 배터리의 음극 및 양극에서 산화/환원되고 이온 분리되어, 음극 및 양극 전해액 저장부로 유입된 후, 양극 전해액 저장부에 이온 환원제가 투입됨으로써, 5가의 전해액을 4가의 전해액으로 비교적 쉽게 환원시킬 수 있으며, 또한 4가 및 3가의 전해액을 균일하게 혼합하여 3.5가의 전해액을 사용함으로써 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액의 이용 효율을 향상시킬 수 있는 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 혼합 모듈 및 이를 이용한 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 혼합 모듈에 있어서, 음극 및 양극 전해액 중 어느 하나 이상을 보관 가능하게 구성되는 음극 및 양극 전해액 저장부; 상기 양극 전해액 저장부에 이온 환원제를 공급하는 이온 환원제 투입부; 및 음극 및 양극 전해액 유출구에서 상기 음극 및 양극 전해액 저장부 중 어느 하나 이상으로 각각 상기 음극 및 양극 전해액을 유출시키는 제1 밸브 및 제2 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 음극 및 양극 전해액은 상기 플로우 배터리의 음극 및 양극에서 각각 산화/환원되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 밸브 및 제2 밸브는 삼방향 밸브인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전해액 혼합 모듈은 제어부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 밸브 및 제2 밸브의 개폐 여부 및 전해액의 유출 방향을 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 제1 밸브를 조절하여 상기 음극에서 유출되는 음극 전해액을 양극 전해액 저장부로 유입되도록 하고, 그리고 상기 제2 밸브를 조절하여 상기 양극에서 유출되는 양극 전해액을 양극 전해액 저장부로 유입되도록 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 제1 밸브를 조절하여 상기 음극에서 유출되는 음극 전해액을 음극 전해액 저장부로 유입되도록 하고, 그리고 상기 제2 밸브를 조절하여 상기 양극에서 유출되는 양극 전해액을 음극 전해액 저장부로 유입되도록 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 양극 전해액 저장부는 가스 밸브가 더 제공되고, 상기 가스 밸브는 상기 이온 환원제가 투입되는 경우 발생하는 가스를 배출하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 음극 및 양극 전해액 저장부에는 저장된 음극 및 양극 전해액의 부피를 측정할 수 있도록 눈금 형태의 계측부;가 제공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 음극 및 양극 전해액 저장부에는 저장된 음극 및 양극 전해액의 부피를 측정할 수 있는 부피 측정 센서가 더 제공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전해액 혼합 모듈은, 일측이 음극 전해액 저장부에 연결 가능하고 타측이 음극 전해액 유입구와 연결 가능하며, 일측이 양극 전해액 저장부에 연결 가능하고 타측이 양극 전해액 유입구와 연결 가능한 펌프를 각각 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전해액 혼합 모듈은, 음극과 양극 사이에 분리막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전해액 혼합 모듈은, 상기 음극 및 양극 전해액 저장부에 저장된 상기 음극 및 양극 전해액을 각각 교반할 수 있는 교반 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 교반 장치는 임펠라(impeller), 아지테이터(agitator) 및 마그네틱 스티러(magnetic stirrer) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 이온 환원제는 히드라진모노하이드레이트(Hydrazine monohydrate, N2H4.H2O)인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법에 있어서, (a) 초기 상태 전해액이 각각 음극 및 양극 전해액 유입구로 유입되는 단계; (b) 상기 초기 상태 전해액이 상기 플로우 배터리의 음극 및 양극에서 산화/환원되는 단계; (c) 산화/환원된 상기 음극 및 양극 전해액이 이온 분리되어 상기 음극 및 양극 전해액 저장부 중 어느 하나 이상으로 유입되는 단계; 및 (d) 상기 양극 전해액 저장부에 이온 환원제가 투입되는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 (a) 단계에서, 음극 및 양극 전해액 저장부에 초기 상태 전해액이 유입되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (a) 및 (d) 단계에서, 상기 음극 및 양극 전해액 저장부에 저장된 상기 음극 및 양극 전해액을 각각 교반하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (d) 단계에서, 상기 이온 환원제가 투입되는 경우 발생되는 가스를 배출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, (e) 상기 음극 전해액 저장부에 저장되어 있는 상기 음극 전해액과 상기 양극 전해액 저장부에 저장되어 있는 상기 양극 전해액이 혼합되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 4가의 전해액을 3가의 전해액으로 전기 화학적 공정을 이용하여 제조하는 경우 필연적으로 발생되는 5가의 전해액을 이온 환원제를 투입하여 4가의 전해액으로 환원시킴으로써, 5가의 전해액을 폐기시키지 않고 재활용함으로써 배터리 생산 및 제조 비용이 절감되는 효과가 발생한다.
또한 본 발명에 따르면, 5가의 전해액을 이온 환원제를 투입하여 4가의 전해액으로 환원시킴으로써, 별도의 전지 반응 없이 비교적 간단하게 전해액을 환원시킴으로써 공정 효율이 향상되는 효과가 발생한다.
또한 본 발명에 따르면, 초기 상태 전해액이 플로우 배터리의 음극 및 양극에서 산화/환원되고 이온 분리되어 음극 및 양극 전해액 저장부로 유입된 후, 양극 전해액 저장부에 이온 환원제가 투입됨으로써 5가의 전해액을 4가의 전해액으로 비교적 쉽게 환원시킬 수 있으며, 또한 4가 및 3가의 전해액을 균일하게 혼합하여 3.5가의 전해액을 사용함으로써 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액의 사용 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 발생한다.
도 1은 레독스 플로우 배터리의 일반적인 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 혼합 모듈(100)이 플로우 배터리에 적용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법을 설명한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법에 따라 VOSO4가 용해된 황산 용액을 전기 화학적 방법으로 5가의 바나듐 용액으로 산화시킨 후, 히드라진모노하이드레이트(N2H4.H2O)를 투입하여 4가 바나듐 용액 상태로 변화된 전해액의 색깔을 각각 관찰한 사진이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
<전해액 혼합 모듈>
도 1은 레독스 플로우 배터리의 일반적인 구조를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 혼합 모듈(100)이 플로우 배터리에 적용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 레독스 플로우 배터리는 분리막(31)과 이러한 분리막(31)의 양쪽에 각각 위치하는 음극(32) 및 양극(33)을 포함하는 전극 어셈블리를 포함하고, 상기 음극(32)에 공급되는 음극 전해액을 수용 및 보관하는 음극 전해액 저장부(10) 및 상기 양극(33)에 공급되는 양극 전해액을 수용 및 보관하는 양극 전해액 저장부(20)를 포함한다.
이때, 음극 전해액 저장부(10)에 저장되는 음극 전해액은 펌프(11)를 통하여 음극 전해액 유입구(41)를 통하여 음극(32)에 전달된 후 레독스 반응이 완료되면, 음극 전해액 유출구(51)를 통하여 다시 음극 전해액 저장부(10)로 이동하게 된다. 유사하게, 양극 전해액 저장부(20)에 저장되는 양극 전해액은 펌프(21)를 통하여 양극 전해액 유입구(42)를 통하여 양극(33)에 전달된 후 레독스 반응이 완료되면, 양극 전해액 유출구(52)를 통하여 다시 양극 전해액 저장부(20)로 이동하게 된다.
즉 레독스 플로우 배터리가 바나듐 레독스 플로우 배터리의 경우에는, 충전 반응시 양극(33)에서는 4가의 바나듐 이온이 산화되어 5가의 바나듐 이온으로 변환되고, 전자가 소모되며 수소 이온은 분리막(31)을 통하여 양극(33)에서 음극(32)으로 이동하는 산화 반응이 일어나게 되고, 음극(32)에서는 3가의 바나듐 이온이 전자를 받아들여 2가의 바나듐 이온으로 변환하는 환원반응이 일어나게 된다. 반면에 방전 반응시에는 상술된 반응과 반대로 바나듐 이온의 산화수가 변화되는 산화/환원 반응(즉 레독스 반응)이 일어남으로써 충전 및 방전을 효과적으로 수행된다.
여기서, 분리막(31)은 수소 이온은 전달시키고, 음극 및 양극 전해액의 바나듐 이온이 상대극으로 이동하는 것은 차단시켜주는 역할을 수행하며, 음극 전해액 저장부(10) 및 양극 전해액 저장부(20)는 상술된 바와 같이 각각 음극 및 양극 전해액을 저장하는 역할을 수행하며, 각 저장부의 내부 압력을 균등하게 분배하거나 작동 중에 발생할 수 있는 가스를 배출하도록 설계가 된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해액 혼합 모듈(100)은 음극 전해액 저장부(10), 양극 전해액 저장부(20), 제1 밸브(110), 제2 밸브(120), 이온 환원제 투입부(130) 및 제어부(140)을 포함할 수 있다. 또한 추가적으로 가스 밸브(131), 가스 배출 유로(132), 계측부(150, 151) 및 부피 측정 센서(160, 161)를 더 포함할 수 있다.
음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)는 음극 및 양극 전해액 중 어느 하나 이상을 보관하는 역할을 수행한다.
이때, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)의 소재는 특별히 한정하지 않으나, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에 수용 및 보관되는 음극 및 양극 전해액과 반응하지 않는 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
음극 전해액 저장부(10)는 일측은 음극 전해액 유입구(41)와 연결 가능하고, 타측은 음극 및 양극의 전해액 유출구(51, 52)와 연결 가능하다. 그리고 양극 전해액 저장부(20)는 일측은 양극 전해액 유입구(42)와 연결 가능하고, 타측은 음극 및 양극 전해액 유출구(51, 52)와 연결 가능하다.
또한 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)와 연결 가능한 펌프(11, 21)가 각각 더 제공될 수 있는데, 이때, 펌프(11)는 일측이 음극 전해액 저장부(10)에 연결 가능하고 타측이 음극 전해액 유입구(41)와 연결 가능하며, 이와 유사하게, 펌프(21)는 일측이 양극 전해액 저장부(20)에 연결 가능하고 타측이 양극 전해액 유입구(42)와 연결 가능하다.
본 발명의 일 실시예로, 음극 전해액 저장부(10)에 저장되는 음극 전해액은 펌프(11)를 통하여 음극 전해액 유입구(41)를 통하여 음극(32)에 전달된 후 레독스 반응이 완료되면, 음극 전해액 유출구(51)를 통하여 다시 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)로 이동하게 된다. 유사하게, 양극 전해액 저장부(20)에 저장되는 양극 전해액은 펌프(21)를 통하여 양극 전해액 유입구(42)를 통하여 양극(33)에 전달된 후 레독스 반응이 완료되면, 양극 전해액 유출구(52)를 통하여 다시 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)로 이동하게 된다.
이때, 음극(32)과 양극(33) 사이에 분리막(31)이 더 제공될 수 있다.
여기서, 분리막(31)은 수소 이온은 전달시키고, 음극 및 양극 전해액의 바나듐 이온이 상대극으로 이동하는 것은 차단시켜주는 역할을 수행한다.
상기의 역할을 수행하는 분리막(31)은 이온 전도성 분리막을 사용하는 것이 바람직하다.
제1 밸브(110) 및 제2 밸브(120)는 음극 및 양극 전해액 유출구(51, 52)에서 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20) 중 어느 하나 이상으로 각각 음극 및 양극 전해액을 유출시키는 역할을 수행한다.
이때, 제1 밸브(110) 및 제2 밸브(120)는 삼방향 밸브인 것이 바람직하다.
제1 밸브(110)는 일측은 음극 전해액 유출구(51)와 연결 가능하고, 타측은 음극 전해액 저장부(10)와 연결 가능하며, 또 다른 타측은 양극 전해액 저장부(20)와 연결 가능하다.
이와 유사하게, 제2 밸브(120)는 일측은 양극 전해액 유출구(52)와 연결 가능하고, 타측은 양극 전해액 저장부(20)와 연결 가능하며, 또 다른 타측은 음극 전해액 저장부(10)와 연결 가능하다.
본 발명의 일 실시예로, 음극 및 양극 전해액 유출구(51, 52)에서 음극 및 양극 전해액이 제1 밸브(110) 및 제2 밸브(120)를 통하여 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20) 중 어느 하나 이상으로 각각 음극 및 양극 전해액이 유출되게 되는데, 이때 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에 동량으로 음극 및 양극 전해액이 저장되는 것이 바람직하다.
여기서, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에는 눈금 형태의 계측부(150, 151)가 각각 제공되게 된다. 이러한 계측부(150, 151)를 통하여 사용자는 시각을 이용하여 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에 수용된 음극 및 양극 전해액의 부피를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
또한, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에는 저장된 음극 및 양극 전해액의 부피를 측정할 수 있는 부피 측정 센서(160, 161)가 더 제공될 수 있다.
한편, 제1 밸브(110) 및 제2 밸브(120)의 재질은 기존 스테인리스스틸 재질 또는 금속 볼이 그대로 적용된 밸브는 내산성을 고려하였을 때 바람직하지 않으며, 내산성 고분자를 코팅하거나, PTFE(Polytetrafluoroethylene), PP(Polypropylene), PVC(Polyvinyl chloride), PE(Polyethylene), PVDF(Polyvinylidene fluoride) 등의 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
이온 환원제 투입부(130)는 양극 전해액 저장부(20)에 이온 환원제를 공급하는 역할을 수행한다.
따라서, 이온 환원제 투입부(130)는 양극 전해액 저장부(20)와 연결 가능하게 구성되어야 한다.
여기서, 이온 환원제 투입부(130)에 투입되는 이온 환원제는 히드라진모노하이드레이트(Hydrazine monohydrate, N2H4.H2O)인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예로, 후술되는 공정인 VOSO4가 용해된 황산 용액을 전기 화학적 방법으로 5가 바나듐으로 산화시킨 후, 양극 전해액 저장부(20)에 N2H4.H2O가 투입되는 경우, 하기와 같은 반응 경로에 의해 N2, H2O, H2SO4가 발생될 것을 추정할 수 있다.
<반응 경로>
Figure pat00001
여기서, 양극 전해액 저장부(120)에 이온 환원제가 투입되어 발생하는 가스를 가스 배출 유로(132)를 통해 배출하도록 구성되는 가스 밸브(131)가 더 제공될 수 있다.
제어부(140)는 제1 밸브(110) 및 제2 밸브(120)의 개폐 여부 및 전해액의 유출 방향을 제어하는 역할을 수행한다.
본 발명의 일 실시예로 먼저, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에 초기 상태 전해액(4가의 바나듐 전해액)이 유입되고, 초기 상태 전해액이 각각 음극 및 양극 전해액 유입구(41, 42)로 유입되게 된다. 이때, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)와 연결 가능한 펌프(11, 21)가 각각 더 제공되어, 펌프(11, 21)를 통해 초기 상태 전해액이 각각 음극 및 양극 전해액 유입구(41, 42)로 유입되게 된다. 구체적으로 설명하면, 펌프(11, 21)가 작동되면 음극 전해액 저장부(10)에 저장된 음극 전해액은 펌프(11)를 통하여 음극 전해액 유입구(41)를 통하여 음극(32)에 전달된다. 유사하게, 양극 전해액 저장부(20)에 저장된 양극 전해액은 펌프(21)를 통하여 양극 전해액 유입구(42)를 통하여 양극(33)에 전달된다.
이후, 초기 상태 전해액이 플로우 배터리의 음극(32) 및 양극(33)에서 산화(4가->5가)/환원(4가->3가)된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기의 단계를 구체적으로 설명하면, 초기 상태 전해액이 음극(32) 및 양극(33)에 동량으로 유입된 후, SOC(State of charge)가 100%가 되도록 충전을 하게 되면, 음극(32)에 저장된 4가의 전해액은 3가의 전해액으로 환원되고, 양극(33)에 저장된 4가의 전해액은 5가의 전해액으로 산화된다.
다음으로, 산화(4가->5가)/환원(4가->3가)된 음극 및 양극 전해액이 이온 분리되어 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)로 유입되는데 이때, 제어부(140)는 제1 밸브(110)를 개방하여 음극(32)에서 유출되는 음극 전해액을 음극 전해액 저장부(10)로 유입되도록 전해액의 유출 방향을 조절하고, 제2 밸브(120)를 개방하여 양극(33)에서 유출되는 양극 전해액을 양극 전해액 저장부(20)로 유입되도록 전해액의 유출 방향을 조절하게 된다.
여기서, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에는 눈금 형태의 계측부(150, 151)가 각각 제공되어, 이러한 계측부(150, 151)를 통하여 사용자는 시각을 이용하여 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에 저장된 음극 및 양극 전해액의 부피를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
또한 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에는 저장된 음극 및 양극 전해액의 부피를 측정할 수 있는 부피 측정 센서(160, 161)가 더 제공될 수 있음을 유의한다.
이때, 추가적으로 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에 저장된 음극 및 양극 전해액을 각각 교반할 수 있는 교반 장치를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 양극 전해액 저장부(20)에 이온 환원제가 투입된다.
구체적으로 설명하면, 양극 전해액 저장부(20)에는 5가의 전해액이 저장되는데 이때, 5가의 전해액을 4가의 전해액으로 환원시키기 위해 이온 환원제가 투입된다.
여기서, 이온 환원제는 히드라진모노하이드레이트인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예로, 양극 전해액 저장부(20)에 히드라진모노하이드레이트가 투입되는 경우, 제어부(140)는 가스 밸브(131)를 개방하여, 발생하는 가스를 가스 배출 유로(132)를 통해 배출할 수 있다.
이때, 발생하는 가스는 N2, H2O, H2SO4가 발생되고, 이러한 물질은 전지가 반응하는 경우 부반응을 야기하는 물질이 아님으로 부작용이 없게된다.
또한, 5가의 전해액을 4가의 전해액으로 환원시킬 경우 별도의 전지 반응을 통하지 않으므로, 전지 소재의 물성을 약화시키는 것을 방지하게 된다.
양극 전해액 저장부(20)에 저장되어 있는 5가의 전해액을 환원시키기 위해 이온 환원제가 투입되고, 이때, 균일하게 혼합되기 위해 교반할 수 있는 교반 장치를 포함하는 것이 바람직하다.
다음으로, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에 저장되어 있는 3가 및 4가의 전해액이 각각 음극 및 양극 전해액 유입구(41, 42)로 유입되어 레독스 반응이 완료되면, 음극 및 양극 전해액이 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20) 중 어느 하나 이상으로 유입되게 되는데, 이때, 제어부(140)는 제1 밸브(110)를 개방하여 음극(32)에서 유출되는 음극 전해액을 음극 전해액 저장부(10)로 유입되도록 전해액의 유출 방향을 조절하고, 제2 밸브(120)를 개방하여 양극(33)에서 유출되는 양극 전해액을 음극 전해액 저장부(10)로 유입되도록 전해액의 유출 방향을 조절하게 된다.
이와 유사하게, 제어부(140)는 제1 밸브(110)를 개방하여 음극(32)에서 유출되는 음극 전해액을 양극 전해액 저장부(20)로 유입되도록 전해액의 유출 방향을 조절하고, 제2 밸브(120)를 개방하여 양극(33)에서 유출되는 양극 전해액을 양극 전해액 저장부(20)로 유입되도록 전해액의 유출 방향을 조절하게 된다.
상기의 과정을 반복적으로 수행하게 되면, 음극 전해액 저장부(10)에 저장되어 있는 음극 전해액과 양극 전해액 저장부(20)에 저장되어 있는 양극 전해액이 균일하게 혼합된다.
이때, 제1 밸브(110) 및 제2 밸브(120)는 삼방향 밸브인 것이 바람직하다.
상기의 과정을 구체적으로 설명하면, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에는 3가 및 4가의 전해액이 저장되는데, 이때, 교반장치를 이용하여 균일하게 혼합되면 3.5가의 전해액이 제조된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에는 각각 바나듐 이온의 평균 산화수가 V3.5+ 인 음극 및 양극 전해액이 저장된다.
이후, 음극 및 양극 전해액은 각각 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)로 균등하게 분배된다.
이러한 구성으로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따르면 초기 상태 전해액이 플로우 배터리의 음극 및 양극에서 산화/환원되고 이온 분리되어, 음극 및 양극 전해액 저장부로 유입된 후, 양극 전해액 저장부에 이온 환원제가 투입됨으로써, 5가의 전해액을 4가의 전해액으로 비교적 쉽게 환원시킬 수 있으며, 또한 4가 및 3가의 전해액을 균일하게 혼합하여 3.5가의 전해액을 형성함으로써 플로우 배터리의 음극 및 양극 전해액의 이용 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 발생한다.
<플로우 배터리의 전해액 혼합 방법>
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법을 설명한 순서도이다.
플로우 배터리의 전해액 혼합 방법은 (a) 초기 상태 전해액이 각각 음극 및 양극 전해액 유입구로 유입되는 단계; (b) 상기 초기 상태 전해액이 상기 플로우 배터리의 음극 및 양극에서 산화/환원되는 단계; (c) 산화/환원된 상기 음극 및 양극 전해액이 이온 분리되어 상기 음극 및 양극 전해액 저장부로 유입되는 단계; 및 (d) 상기 양극 전해액 저장부에 이온 환원제가 투입되는 단계;를 포함할 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법은 (e) 상기 음극 전해액 저장부에 저장되어 있는 상기 음극 전해액과 상기 양극 전해액 저장부에 저장되어 있는 상기 양극 전해액이 혼합되는 단계;를 더 포함할 수 있다.
(a) 단계는, 초기 상태 전해액이 각각 음극 및 양극 전해액 유입구(11,21)로 유입되는 단계이다.
초기 상태 전해액이 각각 음극 및 양극 전해액 유입구(41, 42)로 유입되게 된다. 이때, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)와 연결 가능한 펌프(11, 21)가 각각 더 제공되어, 펌프(11, 21)를 통해 초기 상태 전해액이 각각 음극 및 양극 전해액 유입구(41, 42)로 유입되게 된다. 구체적으로 설명하면, 펌프(11, 21)가 작동되면, 음극 전해액 저장부(10)에 저장된 음극 전해액은 펌프(11)를 통하여 음극 전해액 유입구(41)를 통하여 음극(32)에 전달된다. 유사하게, 양극 전해액 저장부(20)에 저장된 양극 전해액은 펌프(21)를 통하여 양극 전해액 유입구(42)를 통하여 양극(33)에 전달된다.
여기서, (a) 단계는 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에 초기 상태 전해액이 유입되는 단계가 더 포함될 수 있다.
이때, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에 초기 상태 전해액이 동량으로 유입된다.
또한, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에 각각 보관되는 초기 상태 전해액이 균일하게 혼합될 수 있도록 교반하는 단계가 더 추가될 수 있다.
(b) 단계는, 초기 상태 전해액이 상기 플로우 배터리의 음극(32) 및 양극(33)에서 산화/환원되는 단계이다.
초기 상태 전해액이 음극(32) 및 양극(33)에 동량으로 유입된 후, SOC(State of charge)가 100%가 되도록 충전을 하게 되면, 음극(32)에 저장된 4가의 전해액은 3가의 전해액으로 환원되고, 양극(33)에 저장된 4가의 전해액은 5가의 전해액으로 산화된다.
(c) 단계는, 산화/환원된 음극 및 양극 전해액이 이온 분리되어 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)로 유입되는 단계이다.
산화(4가->5가)/환원(4가->3가)된 음극 및 양극 전해액이 이온 분리되어 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)로 유입되는데, 이때, 제어부(140)는 제1 밸브(110)를 개방하여 음극(32)에서 유출되는 음극 전해액을 음극 전해액 저장부(10)로 유입되도록 전해액의 유출 방향을 조절하고, 제2 밸브(120)를 개방하여 양극(33)에서 유출되는 양극 전해액을 양극 전해액 저장부(20)로 유입되도록 전해액의 유출 방향을 조절하게 된다.
여기서, 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에는 눈금 형태의 계측부(150, 151)가 각각 제공되어, 이러한 계측부(150, 151)를 통하여 사용자는 시각을 이용하여 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에 저장된 음극 및 양극 전해액의 부피를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
또한 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에는 저장된 음극 및 양극 전해액의 부피를 측정할 수 있는 부피 측정 센서(160, 161)가 더 제공될 수 있음을 유의한다.
(d) 단계는, 양극 전해액 저장부(20)에 이온 환원제가 투입되는 단계이다.
양극 전해액 저장부(20)에는 5가의 전해액이 저장되는데, 이때, 5가의 전해액을 4가의 전해액으로 환원시키기 위해 이온 환원제가 투입된다.
본 발명의 일 실시예로, 양극 전해액 저장부(20)에 히드라진모노하이드레이트가 투입되는 경우, 제어부(140)는 가스 밸브(131)를 개방하여, 발생하는 가스를 가스 배출 유로(132)를 통해 배출할 수 있다.
양극 전해액 저장부(20)에 저장되어 있는 5가의 전해액을 환원시키기 위해 이온 환원제가 투입되고, 이때, 균일하게 혼합되기 위해 교반할 수 있는 교반 장치를 포함하는 것이 바람직하다.
(e) 단계는, 음극 전해액 저장부(10)에 저장되어 있는 음극 전해액과 양극 전해액 저장부(20)에 저장되어 있는 양극 전해액이 혼합되는 단계이다.
음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20)에 저장되어 있는 3가 및 4가의 전해액이 각각 음극 및 양극 전해액 유입구(41, 42)로 유입되어 레독스 반응이 완료되면, 음극 및 양극 전해액이 음극 및 양극 전해액 저장부(10, 20) 중 어느 하나 이상으로 유입되게 되는데, 이때, 제어부(140)는 제1 밸브(110)를 개방하여 음극(32)에서 유출되는 음극 전해액을 음극 전해액 저장부(10)로 유입되도록 전해액의 유출 방향을 조절하고, 제2 밸브(120)를 개방하여 양극(33)에서 유출되는 양극 전해액을 음극 전해액 저장부(10)로 유입되도록 전해액의 유출 방향을 조절하게 된다.
이와 유사하게, 제어부(140)는 제1 밸브(110)를 개방하여 음극(32)에서 유출되는 음극 전해액을 양극 전해액 저장부(20)로 유입되도록 전해액의 유출 방향을 조절하고, 제2 밸브(120)를 개방하여 양극(33)에서 유출되는 양극 전해액을 양극 전해액 저장부(20)로 유입되도록 전해액의 유출 방향을 조절하게 된다.
상기의 과정을 반복적으로 수행하게 되면, 음극 전해액 저장부(10)에 저장되어 있는 음극 전해액과 양극 전해액 저장부(20)에 저장되어 있는 양극 전해액이 균일하게 혼합된다.
이러한 이유는, 히드라진모노하이드레이트가 소량이라도 투입되는 경우에는 부피 증가와 농도 변화를 야기하였을 것으로 예상되므로, 전지 용량을 보존하고 성능에 악영향을 미치는 양쪽 전해질의 농도차를 제거하기 위함이다.
<실험예1>
1몰 VOSO4가 용해된 2몰 황산 용액을 전기 화학적 방법으로 5가 바나듐 용액으로 산화시킨 후, 50ml를 채취하여 응축기가 장착된 용기에 투입하고, 높은 rpm으로 교반하면서, N2H4.H2O를 0.1ml씩 30초 간격으로 8회 투입하였다.
요약하자면, 1몰 VOSO4가 용해된 2몰 황산 용액을 5가 바나듐 용액으로 산화시키고, 그 다음 본 발명의 일 실시예에 따라 산화된 5가 바나듐 용액에 N2H4.H2O를 투입하였다.
<실험예2>
3몰 황산 용액을 이용한 것 외에는 실험예1과 동일하게 공정을 수행하였다.
요약하자면, 1몰 VOSO4가 용해된 3몰 황산 용액을 5가 바나듐 용액으로 산화시키고, 그 다음 본 발명의 일 실시예에 따라 산화된 5가 바나듐 용액에 N2H4.H2O를 투입하였다.
<실험예3>
2몰 VOSO4를 사용하고, N2H4.H2O를 16회 투입한 것 외에는 실험예2와 동일하게 공정을 수행하였다.
요약하자면, 2몰 VOSO4가 용해된 3몰 황산 용액을 5가 바나듐 용액으로 산화시키고, 그 다음 본 발명의 일 실시예에 따라 산화된 5가 바나듐 용액에 N2H4.H2O를 투입하였다.
<결과 논의>
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법에 따라 VOSO4가 용해된 황산 용액을 전기 화학적 방법으로 5가의 바나듐 용액으로 산화시킨 후, 히드라진모노하이드레이트(N2H4.H2O)를 투입하여 4가 바나듐 용액 상태로 변화된 전해액의 색깔을 각각 관찰한 사진이다.
상기 실험에 따른 결과를 검토하면,
실험예1 에서 1몰 VOSO4가 용해된 2몰 황산 용액을 전기 화학적 방법으로 5가 바나듐 용액으로 산화시킨 후 바나듐 용액의 색깔을 관찰한 결과 노란색으로 나타났다. 그 후 N2H4.H2O를 0.1ml씩 30초 간격으로 8회 투입한 후 바나듐 용액의 색깔을 관찰한 결과 파란색으로 나타났다.
실험예2 에서 1몰 VOSO4가 용해된 3몰 황산 용액을 전기 화학적 방법으로 5가 바나듐 용액으로 산화시킨 후 바나듐 용액의 색깔을 관찰한 결과 짙은 노란색으로 나타났다. 그 후 N2H4.H2O를 0.1ml씩 30초 간격으로 8회 투입한 후 바나듐 용액의 색깔을 관찰한 결과, 파란색으로 나타났다.
실험예3 에서 2몰 VOSO4가 용해된 3몰 황산 용액을 전기 화학적 방법으로 5가 바나듐 용액으로 산화시킨 후 바나듐 용액의 색깔을 관찰한 결과 상당히 짙은 노란색으로 나타났다. 그 후 N2H4.H2O를 0.1ml씩 30초 간격으로 16회 투입한 후 바나듐 용액의 색깔을 관찰한 결과, 파란색으로 나타났다
이러한 이유를 살펴보면 다음과 같다.
실험예1, 실험예2 및 실험예3 에서 VOSO4가 용해된 황산 용액에 N2H4.H2O를 투입한 후, 용액의 색깔을 관찰한 결과, 4가 바나듐 용액의 고유의 색깔인 파란색으로 변화되므로써 N2H4.H2O로 인해 5가의 바나듐 용액이 4가의 바나듐 용액으로 환원된 것을 알 수 있다.
실험예1과 실험예2를 비교하면, 5가의 바나듐 용액을 4가의 바나듐 용액으로 환원시킬 때 황산 용액의 몰수를 2몰과 3몰로 다르게 준비한 뒤, 5가의 바나듐 용액이 4가의 바나듐 용액으로 환원될 때까지(바나듐 용액의 색이 파란색으로 변화될 때까지) N2H4.H2O를 투입한 결과, 황산 용액의 몰수가 다름에도 불구하고, 투입되는 N2H4.H2O의 양은 동일하였으며, 이로 인해 황산 용액의 몰수와 N2H4.H2O의 투입량은 연관성이 미미하다는 것을 알 수 있었다.
또한, 실험예2와 실험예3을 비교하면, 5가의 바나듐 용액을 4가의 바나듐 용액으로 환원시킬 때 VOSO4의 몰수를 1몰과 2몰로 다르게 준비한 뒤, 5가의 바나듐 용액이 4가의 바나듐 용액으로 환원될 때까지(바나듐 용액의 색이 파란색으로 변화될 때까지) N2H4.H2O를 투입한 결과, 1몰의 VOSO4는 8회 투입, 2몰의 VOSO4는 16회 투입 되었다. 이로 인해 VOSO4의 몰수가 증가함에 따라 N2H4.H2O의 투입량도 증가되는 것을 알 수 있었다.
따라서, VOSO4의 몰수를 고려하여 N2H4.H2O의 투입량을 결정함으로써, 5가의 바나듐 용액을 4가의 바나듐 용액으로 환원시킬 수 있을 것으로 사료된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 음극 전해액 저장부 11 : 펌프
20 : 음극 전해액 저장부 21 : 펌프
31 : 분리막
32 : 음극 33 : 양극
41 : 음극 전해액 유입구 42 : 양극 전해액 유입구
51 : 음극 전해액 유출구 52 : 양극 전해액 유출구
100 : 전해액 재생 모듈
110 : 제1 밸브 120 : 제2 밸브
130 : 이온 환원제 투입부
131 : 가스 밸브 132 : 가스 배출 유로
140 : 제어부
150, 151 : 계측부
160, 161 : 부피 측정 센서

Claims (21)

  1. 플로우 배터리에 적용 가능한 전해액 혼합 모듈에 있어서,
    음극 및 양극 전해액 중 어느 하나 이상을 보관 가능하게 구성되는 음극 및 양극 전해액 저장부;
    상기 양극 전해액 저장부에 이온 환원제를 공급하는 이온 환원제 투입부; 및
    음극 및 양극 전해액 유출구에서 상기 음극 및 양극 전해액 저장부 중 어느 하나 이상으로 각각 상기 음극 및 양극 전해액을 유출시키는 제1 밸브 및 제2 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극 및 양극 전해액은 상기 플로우 배터리의 음극 및 양극에서 각각 산화/환원되는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밸브 및 제2 밸브는 삼방향 밸브인 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 혼합 모듈은 제어부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 밸브 및 제2 밸브의 개폐 여부 및 전해액의 유출 방향을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 밸브를 조절하여 상기 음극에서 유출되는 음극 전해액을 양극 전해액 저장부로 유입되도록 하고, 그리고
    상기 제2 밸브를 조절하여 상기 양극에서 유출되는 양극 전해액을 양극 전해액 저장부로 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 밸브를 조절하여 상기 음극에서 유출되는 음극 전해액을 음극 전해액 저장부로 유입되도록 하고, 그리고
    상기 제2 밸브를 조절하여 상기 양극에서 유출되는 양극 전해액을 음극 전해액 저장부로 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양극 전해액 저장부는 가스 밸브가 더 제공되고,
    상기 가스 밸브는 상기 이온 환원제가 투입되는 경우 발생하는 가스를 배출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 음극 및 양극 전해액 저장부에는 저장된 음극 및 양극 전해액의 부피를 측정할 수 있도록 눈금 형태의 계측부;가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 음극 및 양극 전해액 저장부에는 저장된 음극 및 양극 전해액의 부피를 측정할 수 있는 부피 측정 센서가 더 제공되는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 혼합 모듈은,
    일측이 음극 전해액 저장부에 연결 가능하고 타측이 음극 전해액 유입구와 연결 가능하며, 일측이 양극 전해액 저장부에 연결 가능하고 타측이 양극 전해액 유입구와 연결 가능한 펌프를 각각 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 혼합 모듈은, 음극과 양극 사이에 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전해액 혼합 모듈은,
    상기 음극 및 양극 전해액 저장부에 저장된 상기 음극 및 양극 전해액을 각각 교반할 수 있는 교반 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 교반 장치는
    임펠라(impeller), 아지테이터(agitator) 및 마그네틱 스티러(magnetic stirrer) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 이온 환원제는 히드라진모노하이드레이트(Hydrazine monohydrate, N2H4.H2O)인 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인 것을 특징으로 하는,
    전해액 혼합 모듈.
  16. 플로우 배터리의 전해액 혼합 방법에 있어서,
    (a) 초기 상태 전해액이 각각 음극 및 양극 전해액 유입구로 유입되는 단계;
    (b) 상기 초기 상태 전해액이 상기 플로우 배터리의 음극 및 양극에서 산화/환원되는 단계;
    (c) 산화/환원된 상기 음극 및 양극 전해액이 이온 분리되어 상기 음극 및 양극 전해액 저장부 중 어느 하나 이상으로 유입되는 단계; 및
    (d) 상기 양극 전해액 저장부에 이온 환원제가 투입되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    음극 및 양극 전해액 저장부에 초기 상태 전해액이 유입되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 (a) 및 (d) 단계에서,
    상기 음극 및 양극 전해액 저장부에 저장된 상기 음극 및 양극 전해액을 각각 교반하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 이온 환원제가 투입되는 경우 발생되는 가스를 배출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    (e) 상기 음극 전해액 저장부에 저장되어 있는 상기 음극 전해액과 상기 양극 전해액 저장부에 저장되어 있는 상기 양극 전해액이 혼합되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 플로우 배터리는 바나듐 레독스 플로우 배터리인 것을 특징으로 하는,
    플로우 배터리의 전해액 혼합 방법.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108232268A (zh) * 2018-02-28 2018-06-29 浙江裕源储能科技有限公司 一种搅动溶液的锌镍液流电池
CN109346756A (zh) * 2018-11-26 2019-02-15 上海电气集团股份有限公司 一种电解液再生的液流电池***及其电解液再生方法
US10763532B2 (en) 2016-10-13 2020-09-01 Lg Chem, Ltd. Electrolyte storage unit for redox flow battery and vanadium redox flow battery comprising same
US11309554B2 (en) 2017-02-10 2022-04-19 Lg Chem, Ltd. Method and device for recycling electrolyte of flow battery
KR20220051700A (ko) * 2020-10-19 2022-04-26 한국전력공사 바나듐 레독스 흐름전지용 3.5가 전해질 및 전해질의 제조방법

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09507950A (ja) * 1993-11-17 1997-08-12 ユニサーチ リミテッド 安定電解液およびその製造方法と、レドックス電池の製造方法、および安定した電解液を含む電池
JP2001167787A (ja) 1999-09-27 2001-06-22 Kashimakita Kyodo Hatsuden Kk レドックスフロー電池
JP2013008640A (ja) * 2011-06-27 2013-01-10 Sumitomo Electric Ind Ltd レドックスフロー電池
US20140057140A1 (en) * 2012-08-24 2014-02-27 Zinc Air Incorporated Reduction of Water Transfer Across Membrane
KR20140025285A (ko) * 2012-08-21 2014-03-04 현대중공업 주식회사 이차 전지
KR101367618B1 (ko) * 2013-08-26 2014-03-12 (주) 뉴웰 바나듐산화물을 이용한 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액 제조방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09507950A (ja) * 1993-11-17 1997-08-12 ユニサーチ リミテッド 安定電解液およびその製造方法と、レドックス電池の製造方法、および安定した電解液を含む電池
JP2001167787A (ja) 1999-09-27 2001-06-22 Kashimakita Kyodo Hatsuden Kk レドックスフロー電池
JP2013008640A (ja) * 2011-06-27 2013-01-10 Sumitomo Electric Ind Ltd レドックスフロー電池
KR20140025285A (ko) * 2012-08-21 2014-03-04 현대중공업 주식회사 이차 전지
US20140057140A1 (en) * 2012-08-24 2014-02-27 Zinc Air Incorporated Reduction of Water Transfer Across Membrane
KR101367618B1 (ko) * 2013-08-26 2014-03-12 (주) 뉴웰 바나듐산화물을 이용한 바나듐 레독스 흐름전지용 전해액 제조방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
일본 공표특허공보 특표평09-507950호(1997.08.12.) 1부. *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10763532B2 (en) 2016-10-13 2020-09-01 Lg Chem, Ltd. Electrolyte storage unit for redox flow battery and vanadium redox flow battery comprising same
US11309554B2 (en) 2017-02-10 2022-04-19 Lg Chem, Ltd. Method and device for recycling electrolyte of flow battery
CN108232268A (zh) * 2018-02-28 2018-06-29 浙江裕源储能科技有限公司 一种搅动溶液的锌镍液流电池
CN109346756A (zh) * 2018-11-26 2019-02-15 上海电气集团股份有限公司 一种电解液再生的液流电池***及其电解液再生方法
KR20230107182A (ko) * 2020-10-19 2023-07-14 한국전력공사 바나듐 레독스 흐름전지용 3.5가 전해질 및 전해질의제조방법
KR20230106567A (ko) * 2020-10-19 2023-07-13 한국전력공사 바나듐 레독스 흐름전지용 3.5가 전해질 및 전해질의제조방법
KR20220051700A (ko) * 2020-10-19 2022-04-26 한국전력공사 바나듐 레독스 흐름전지용 3.5가 전해질 및 전해질의 제조방법
KR20230107184A (ko) * 2020-10-19 2023-07-14 한국전력공사 바나듐 레독스 흐름전지용 3.5가 전해질 및 전해질의제조방법
KR20230107183A (ko) * 2020-10-19 2023-07-14 한국전력공사 바나듐 레독스 흐름전지용 3.5가 전해질 및 전해질의제조방법
KR20230107513A (ko) * 2020-10-19 2023-07-17 한국전력공사 바나듐 레독스 흐름전지용 3.5가 전해질 및 전해질의제조방법
KR20230107512A (ko) * 2020-10-19 2023-07-17 한국전력공사 바나듐 레독스 흐름전지용 3.5가 전해질 및 전해질의제조방법
KR20230107514A (ko) * 2020-10-19 2023-07-17 한국전력공사 바나듐 레독스 흐름전지용 3.5가 전해질 및 전해질의제조방법
KR20230107511A (ko) * 2020-10-19 2023-07-17 한국전력공사 바나듐 레독스 흐름전지용 3.5가 전해질 및 전해질의제조방법

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