KR20170077720A

KR20170077720A - 운송용 컨테이너를 이용한 전해액 탱크 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 시스템

Info

Publication number: KR20170077720A
Application number: KR1020150187929A
Authority: KR
Inventors: 하태정; 김병철
Original assignee: 오씨아이 주식회사
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2017-07-06

Abstract

본 발명은 운송용 컨테이너의 규격을 따르는 컨테이너 외피와, 상기 컨테이너 외피의 내부에 배치된 탱크 본체와, 상기 탱크 본체에 연결되는 전해액 공급관과 전해액 회수관을 구비하는 내부 탱크를 포함하는 전해액 탱크;와 상기 전해액 공급관 및 상기 전해액 회수관에 연결되며, 상기 컨테이너 외피 외곽에 상기 전해액 회수관 높이와 같거나 낮게 배치된 스택;를 포함하며, 상기 컨테이너 외피의 단측면이 지면에 힌지고정수단에 의해 고정된 레독스 흐름 전지 시스템을 제공한다.

Description

운송용 컨테이너를 이용한 전해액 탱크 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 시스템{ELECTROLYTE STORAGE TANK USING CONTAINER AND REDOX FLOW BATTERY SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 레독스 흐름 전지의 전해액 탱크 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펌프로 공급되는 전해액의 유입 압력을 향상시킬 수 있도록 하는 운송용 컨테이너를 이용한 전해액 탱크 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 시스템에 관한 것이다.

최근 들어 바나듐 레독스-흐름 전지는 태양광 발전, 풍력 발전 등의 간헐적인 자연에너지를 이용하고 있는 발전 시스템의 원활한 운전을 위한 대용량 전력저장 또는 비상 전원용으로 기술 개발이 진행되고 있다.

바나듐 레독스-흐름 전지는 충전시에는 양극에서 4가 바나듐 이온이 5가 바나듐 이온으로, 음극에서는 3가 바나듐 이온이 2가로 변환되고, 방전시에는 역으로 바나듐 이온의 가수가 변화하여 충전 및 방전이 진행된다.

도 1은 레독스 흐름 전지의 구성을 나타낸 모식도이다.

도시한 바와 같이, 레독스 흐름 전지는 양극 전해액 저장탱크(110)에 양극 전해액이 저장되고, 음극 전해액 탱크(112)에 음극 전해액이 저장된다.

양극 전해액 저장탱크(110)와 음극 전해액 탱크(112)에 저장된 양극 전해액과 음극 전해액 펌프(114,116)를 통해 각각 셀(102)의 양극 셀(102A) 및 음극 셀(102B)로 유입된다.

양극 셀(102A)에서는 전원/부하(118)의 동작에 따라 전극(106)을 통한 전자의 이동이 발생하며, 이에 따라 산화/환원 반응이 일어난다. 마찬가지로 음극 셀(102B)에서는 전원/부하(118)의 동작에 따라 전극(108)을 통한 전자의 이동이 발생하며, 이에 따라 산화/환원 반응이 일어난다. 산화/환원 반응을 마친 양극 전해액과 음극 전해액은 양극 전해액 저장탱크(110)와 음극 전해액 저장 탱크(112)로 순환된다.

한편, 양극 셀(102A) 및 음극 셀(102B)은 이온이 통과할 수 있는 이온교환막(104)에 의해 분리된다. 이에 따라 양극 셀(102A) 및 음극 셀(102B) 간에 이온의 이동, 즉 크로스오버가 일어날 수 있다. 즉 레독스 플로우 전지의 충전/방전 과정에서 양극 셀(102A)의 양극액 이온이 음극 셀(102B)로 이동하고, 음극 셀(102B)의 음극액 이온이 양극 셀(102A)로 이동할 수 있다.

전지 셀의 작동 전압은 1.0~1.7V 정도로 비교적 낮은 전압을 가진다. 따라서, 작동 전압을 높이기 위하여 셀을 직렬로 적층하여 스택을 구성한다. 스택은 다수의 전지 셀이 전기적으로 직렬로 연결되며, 전해액을 병렬로 공유하는 구조를 가진다.

한편, 레독스 흐름 전지 시스템은 대용량으로 설계되는 경우가 많고, 이 경우 전해액 탱크의 크기도 대형화된다. 상용화되어 있는 레독스 흐름 전지 시스템에 있어서 전해액 저장 탱크의 크기는 작게는 1000L에서 5000L에 달하기도 한다.

또한, 전해액 저장 탱크에서 스택으로 전해액을 공급하는 펌프는 충분한 흡입 수두가 확보되지 않으면 효율적인 운전이 어렵거나 수명이 단축되는 문제점을 가져온다.

본 발명의 목적은 전해액의 흡입 수두를 확보하기 용이한 전해액 탱크를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 전해액 탱크의 운반, 설치 및 유지 보수의 편의성을 향상시킨 전해액 탱크 구조를 제공함에 있다.

본 발의 또 다른 목적은 전해액 탱크의 흡입 수두 확보를 통해 펌프를 효율적으로 운전할 수 있음으로써, 레독스 흐름 전지 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.

상기 전해액 탱크는 2개가 이웃하게 구비되어, 각각 양극 전해액과 음극 전해액을 수용하도록 할 수 있다.

상기 전해액 탱크는 단일의 컨테이너 외피에 2개의 내부 탱크를 포함하며, 각각의 내부 탱크는 각각 음극 전해액과 양극 전해액을 수용하도록 할 수 있다.

그리고, 본 발명은 전해액의 수용 공간을 형성하는 탱크 본체와 상기 탱크 본체에 연결되는 전해액 공급관 및 전해액 회수관을 포함한 내부 탱크; 및 운송용 컨테이너의 규격을 따르며 상기 내부 탱크를 내부에 배치한 컨테이너 외피;를 포함하며, 상기 전해액 공급관은 상기 컨테이너 외피의 단측면에 근접하게 배치되고, 상기 컨테이너 외피의 단측면이 지면에 닿아 설치되는 전해액 탱크를 제공한다.

상기 전해액 공급관 및 상기 전해액 회수관은 단부에 플랜지면을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 내부 탱크는 작업자의 액세스를 위하여 개폐가능한 맨홀을 구비할 수 있으며, 상기 맨홀은 설치 상태에서 상기 내부 탱크의 상부면에 위치할 수 있도록 배치되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 내부 탱크의 체적은 상기 컨테이너 외피의 체적의 60% 이상인 것이 바람직하다.

다른 형태로, 상기 컨테이너 외피의 내부에 2개의 내부 탱크가 배치될 수 있으며, 이 때 상기 2개의 내부 탱크는 동일한 체적을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 레독스 흐름 전지 시스템의 전해액 탱크는 육상 및 해상 운송에 적합한 운송용 컨테이너의 내부에 설치됨으로써, 전해액 탱크의 운송 및 설치의 편의성을 향상시키는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지 시스템의 전해액 탱크는 설치 장소에서의 설치시 운송용 컨테이너가 수직방향으로 기립되어 설치될 수 있도록 형성됨으로써, 펌프의 흡입 수두를 적절하게 확보할 수 있는 효과를 가져온다.

따라서, 펌프를 효율적으로 운전할 수 있고, 이로부터 레독스 흐름 전지 시스템 전체의 에너지 효율을 향상시키는 효과를 가져온다.

그리고, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지 시스템의 전해액 탱크는 설치후에도 수평방향으로 눕히거나 수직방향으로 다시 기립시킬 수 있어서 전해액 탱크 내부에 설치되는 계기류나 배관 등의 유지 보수시 전해액을 모두 배출하지 않고서도 작업이 이루어질 수 있음으로써 유지 보수 작업의 편의성을 향상시키는 효과를 가져온다.

도 1은 레독스 흐름 전지의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전해액 탱크의 외관을 형성하는 운송용 컨테이너를 나타낸 사시도이다.
도 3은 유속에 따른 펌프의 소모 동력의 이론값과 실제값을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 전해액 탱크의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 전해액 탱크의 내부 탱크를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 전해액 탱크의 설치 과정을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 전해액 탱크의 설치 상태를 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 전해액 탱크의 구조를 나타낸 사시도이다.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명에 따른 전해액 탱크의 외관을 형성하는 운송용 컨테이너를 나타낸 사시도이다.

도시한 바와 같이 운송용 컨테이너(10)는 육상 또는 해상 운송을 위한 표준화된 규격을 가지고 있다.

운송용 컨테이너(10)는 직육면체 형상을 가지는 박스 형태로 형성된다.

가장 일반적으로 사용되는 20ft 컨테이너와 40ft 컨테이너의 규격의 다음과 같다.

- 20ft 컨테이너 - 폭(W):2,438mm, 길이(L):6,096mm, 높이(H):2,438mm

- 40ft 컨테이너 - 폭(W):2,438mm, 길이(L):12,192mm, 높이(H):2,591mm

도시한 바와 같이, 운송용 컨테이너(10)는 각변이 폭(W)과 길이(L)에 대응하는 바닥면(11)과, 상면(12), 각변이 폭과 높이에 대응하는 두개의 장측면(15,16)과, 각변이 폭(W)과 높이(H)에 대응하는 두개의 단측면(13,14)으로 이루어진다.

일반적으로는 운송용 컨테이너(10) 도시한 바와 같이, 바닥면이 지면과 나란하게 놓여진 상태로 적치되고 운송된다.

한편, 레독스 흐름 전지 시스템을 설치함에 있어서 운송의 편의성과 시스템의 전체적인 외관 품질 향상을 위하여 운송용 컨테이너(10)의 내부에 레독스 흐름 전지 구성품을 설치하기도 한다.

그런데, 도시한 바와 운송용 컨테이너(10)을 수평방향으로 적치할 경우 설치 공간의 높이가 운송용 컨테이너(10)의 높이(H)로 제한되기 때문에 전해액 탱크의 입력수두를 확보하기 곤란한 문제점을 가지고 있었다.

도 3은 유속에 따른 펌프의 소모 동력의 이론값과 실제값을 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 유속을 증가시키기 위해서는 펌프에 더 많은 동력이 필요하게 된다.

그런데, 소모 동력의 이론값과 실제값은 유속이 증가함에 따라 그 차이가 커지게 되는데, 이는 펌프의 유속의 확보를 위해서 필요한 펌프 입측의 수두값 때문이다.

예를 들어, 전해액의 액면 높이와 펌프의 중간 높이의 차이를 '수두'라고 할 때, 펌프 입측의 수두가 5미터인데 실제 수두가 2.4미터 밖에 안되는 경우에는 실제 필요한 수두만큼이 펌프에서 보상이 되어야 하기 때문에 펌프의 실제 소모 동력이 이론값 보다 커지게 된다.

즉 수두가 충분히 확보되지 못하면 유속에 비례하여 펌프의 실제 전력소모가 커지게 된다.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 전해액 탱크의 구조를 나타낸 사시도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 전해액 탱크는 운송용 컨테이너의 규격을 따르는 컨테이너 외피(10)와, 상기 컨테이너 외피(10)의 내부에 배치되는 내부 탱크(100)를 포함한다.

상기 내부 탱크(100)는 전해액의 수용 공간을 형성하는 탱크 본체(100)와, 상기 탱크 본체(110)에 연결되는 전해액 공급관(120) 및 전해액 회수관(130)을 포함한다.

내부 탱크(100)의 체적은 컨테이너 외피(10)의 체적의 60% 이상인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 전해액 탱크의 외관은 컨테이너 외피(10)로 형성되는 것이므로, 내부 탱크(100)가 컨테이너 외피(10) 체적의 60% 이상을 차지하도록 설치함으로써 공간효율성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전해액 탱크는 운송용 컨테이너의 규격을 따른 컨테이너 외피(10)의 내부에 설치되나, 레독스 흐름 전지 시스템 설치시에는 컨테이너 외피의 단측면이 지면에 지지되도록 수직방향으로 기립 설치될 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

이러한 설치를 위하여, 상기 전해액 공급관(120)은 설치시 지면에 지지되는 단측면에 근접하여 배치되며, 상기 전해액 회수관(130)은 타측의 단측면에 근접하여 배치되는 것이 바람직하다.

예를 들어 20ft 컨테이너를 수직방향으로 기립 설치하게 되면 컨테이너 외피(10)의 높이가 6,096mm 가 되며, 40ft 컨테이너를 수직방향으로 기립 설치하게 되면 컨테이너 외피(10)의 높이가 12,192mm 가 되므로, 전해액 공급관(120)으로 공급되는 전해액의 압력을 확보할 수 있다.

전해액 공급관(120)은 스택에 전해액을 압송하기 위한 펌프(미도시)에 연결되는 것으로, 이로부터 펌프로 흡입되는 전해액의 흡입수두를 확보할 수 있게 된다.

펌프는 전해액의 이송 압력을 발생시키는 것으로, 펌프로 흡입되는 전해액의 압력을 상승시켜 스택으로 공급한다. 그런데, 흡입압력이 일정수준 이상을 확보되지 않으며 펌프에서 상승시킬 수 있는 압력에 한계가 있고, 전해액의 압력을 상승시킨다고 하더라고 캐비티 발생으로 인하여 펌프의 내구성이 저하되는 문제를 초래하기 때문에, 펌프의 흡입 압력은 매우 중요한 요소이다.

특히, 본 발명의 전해액 회수관은 상기 탱크와 연결되는 스택의 상부와 같은 높이거나 더 위에 위치하는 것이 바람직하다. 즉 충/방전시 전해액의 흐름에 있어서 스택의 상부에는 통상적으로 전해액이 배출되는 관이 위치하게 되는데 그 관과 전해액 회수관의 높이 관계를 고려하면 회수관의 높이가 더 높아야 한다. 이를 통해 펌프에 의한 소비전력을 줄일 수 있다.

한편, 도시한 실시예의 경우에는 탱크 본체(110)에 전해액 공급관(120)과 전해액 회수관(130)이 연결된 상태를 나타낸 것이나, 전해액 공급관(120)과 전해액 회수관(130)은 전해액 탱크를 설치장소로 이동한 후, 사후적으로 탱크 본체(110)에 설치될 수도 있다.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 전해액 탱크의 내부 탱크를 나타낸 사시도이다.

도 5의 도면은 컨테이너 외피를 생략하고 내부 탱크가 기립된 상태를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 내부 탱크(100)는 탱크 본체(110)와, 상기 탱크 본체(110)의 하부에서 분기되는 전해액 공급관(120)과, 상기 탱크 본체(100)의 상부에서 분기되는 전해액 회수관(130)을 포함한다.

상기 전해액 공급관(120)과 전해액 회수관(130)은 단부에 플랜지면(122,132)을 구비하여, 상기 플랜지면(122,132)에 마개를 체결하여 탱크 본체(110)의 내부 공간을 밀폐할 수 있으며, 설치시에는 상기 플랜지면(122,132)에 배관을 연결하여 레독스 흐름 전지 시스템을 구성하게 된다. 특히, 이는 컨테이너 자체의 보관이나 이동을 위하여 상기 마개를 체결한 플랜지면은 상기 외피와 동일선상에 있는 것이 바람직하다.

또한, 탱크 본체(110)의 상부에는 개폐 가능한 맨홀(145)이 형성된다. 상기 맨홀(145)은 탱크 본체(110)의 내부로 작업자가 진입하여 내부에 계기류 등을 설치하거나, 유지 보수 작업을 수행할 수 있도록 하기 위한 것이다.

도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 전해액 탱크의 설치 과정을 나타낸 개념도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 전해액 탱크는 운송용 컨테이너의 규격을 만족하는 컨테이너 외피(10)의 내부에 내부 탱크(100)를 배치한 상태로 설치 장소로 이동하게 된다.

이동시에 상기 내부 탱크(100)의 내부에는 전해액이 채워진 상태일 수도 있고, 전해액을 채우지 않고 비어 있는 상태로 이동한 후 설치장소에서 전해액을 채울수도 있다.

내부 탱크(100)에 전해액을 채운 상태로 이송하는 경우에는 전해액 공급관(120)과 전해액 회수관(130)은 폐쇄된 상태로 운송이 이루어지게 된다.

전해액 탱크를 설치장소로 이동한 후에는 지면에 지지되는 단측면의 하단을 설치장소의 지면에 힌지고정수단(140)을 고정한 후, 크레인 등을 이용하여 전해액 탱크를 기립하게 된다.

다음으로 전해액 탱크를 기립한 후, 단측면의 반대측을 고정수단(150)으로 지면에 고정하여 전해액 탱크의 기립 설치를 완료한다.

전해액 탱크의 내부에는 전해액 탱크의 상태를 감지하기 위한 계기류가 설치되는데, 계기류의 설치는 전해액 탱크의 기립 설치 후에 이루어지는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면, 운송과정에서 계기류가 손상될 수 있기 때문이다.

한편 계기류는 상기 컨테이너 외피가 수평 적치 상태에서의 상부에 해당하는 영역 또는 상기 컨테이너 외피가 수직 기립 상태에서의 상부에 해당하는 영역에 설치되는 것이 바람직하다.

이는 계기류의 유지 보수 작업시 내부 탱크의 전해액을 비우지 않고서도 작업자가 계기류의 유지 보수 작업 또는 교체 작업을 수행할 수 있도록 하기 위한 것이다.

도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 전해액 탱크의 설치 상태를 나타낸 사시도이다.

도시한 바와 같이, 전해액 탱크를 기립 설치한 후에는 내부 탱크(100)의 전해액 공급관(120)을 스택의 전해액 공급관(125)과 연결하고, 내부 탱크(100)의 전해액 회수관(130)을 스택의 전해액 회수관(135)에 연결하여 레독스 전지 시스템을 설치한다.

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 전해액 탱크의 구조를 나타낸 사시도이다.

레독스 흐름 전지 시스템은 양극 전해액 탱크와 음극 전해액 탱크를 포함하는데, 도시한 바와 같이 단일의 컨테이너 외피에 두 개의 내부 탱크(200,300)를 배치하여, 각각의 내부 탱크(200,300)를 각각 양극 전해액 탱크와 음극 전해액 탱크로 이용할 수 있다.

이 경우 도시한 바와 같이, 각각의 내부 탱크(200,300)에는 전해액 공급관(220,320)과, 전해액 회수관(230,330)이 연결된다.

하나의 컨테이너 외피에 두 개의 내부 탱크(200,300)가 설치되는 경우에도 앞서 설명한 제1실시예와 동일한 방법으로 운송과 설치가 이루어지게 되므로 중복 설명은 생략한다.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 컨테이너 외피
100, 200, 300 : 내부 탱크
120, 220, 320 : 전해액 공급관
130, 230, 330 : 전해액 회수관
122, 132 : 플랜지면
140 : 힌지고정수단
145 : 맨홀

Claims

운송용 컨테이너의 규격을 따르는 컨테이너 외피와, 상기 컨테이너 외피의 내부에 배치된 탱크 본체와, 상기 탱크 본체에 연결되는 전해액 공급관과 전해액 회수관을 구비하는 내부 탱크를 포함하는 전해액 탱크;와
상기 전해액 공급관 및 상기 전해액 회수관에 연결되며, 상기 컨테이너 외피 외곽에 상기 전해액 회수관 높이와 같거나 낮게 배치된 스택;를 포함하며,
상기 컨테이너 외피의 단측면이 지면에 힌지고정수단에 의해 고정된 레독스 흐름 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전해액 탱크는 2개가 이웃하게 구비되어, 각각 양극 전해액과 음극 전해액을 수용하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전해액 탱크는 단일의 컨테이너 외피에 2개의 내부 탱크를 포함하며,
각각의 내부 탱크는 각각 음극 전해액과 양극 전해액을 수용하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 시스템.
전해액의 수용 공간을 형성하는 탱크 본체와 상기 탱크 본체에 연결되는 전해액 공급관 및 전해액 회수관을 포함한 내부 탱크; 및
운송용 컨테이너의 규격을 따르며 상기 내부 탱크를 내부에 배치한 컨테이너 외피;를 포함하며,
상기 전해액 공급관은 상기 컨테이너 외피의 단측면에 근접하게 배치되고,
상기 컨테이너 외피의 단측면이 지면에 닿아 설치되는 전해액 탱크.
제 4 항에 있어서,
상기 전해액 공급관 및 상기 전해액 회수관은 단부에 플랜지면을 구비하는 것을 특징으로 하는 전해액 탱크.
제 4 항에 있어서,
상기 내부 탱크는
작업자의 액세스를 위하여 개폐가능한 맨홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 전해액 탱크.
제 6 항에 있어서,
상기 맨홀은
설차 상태에서 상기 내부 탱크의 상부면에 위치할 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전해액 탱크.
제 4 항에 있어서,
상기 내부 탱크의 체적은
상기 컨테이너 외피의 체적의 60% 이상인 것을 특징으로 하는 전해액 탱크.
제 4 항에 있어서,
상기 컨테이너 외피의 내부에 2개의 내부 탱크가 배치되는 것을 특징으로 하는 전해액 탱크.
제 9 항에 있어서,
상기 2개의 내부 탱크는 동일한 체적을 가지는 것을 특징으로 하는 전해액 탱크.