KR20230140709A - 리밸런싱 배관을 포함하는 레독스 흐름 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극 전해액이 보관되어 있는 양극 탱크(10A); 음극 전해액이 보관되어 있는 음극 탱크(10B); 상기 양극 전해액의 전해질과 음극 전해액의 전해질이 산화 환원 반응하는 스택(50); 상기 양극 전해액이 양극 탱크(10A)에서 스택(50)으로 공급되는 통로인 양극 전해액 입구 배관(30A); 상기 음극 전해액이 음극 탱크(10B)에서 스택(50)으로 공급되는 통로인 음극 전해액 입구 배관(30B); 상기 양극 탱크(10A)의 양극 전해액을 상기 스택(50)에 공급하는 동력을 제공하는 양극 펌프(20A); 상기 음극 탱크(10B)의 음극 전해액을 상기 스택(50)에 공급하는 동력을 제공하는 음극 펌프(20B); 상기 양극 전해액이 상기 스택(50)에서 양극 탱크(10A)로 공급되는 통로인 양극 전해액 출구 배관(40A); 상기 음극 전해액이 상기 스택(50)에서 음극 탱크(10B)로 공급되는 통로인 음극 전해액 출구 배관(40B); 및 상기 양극 전해액 출구 배관(40A) 또는 상기 음극 전해액 출구 배관(40B)에 연결된 리밸런싱 배관(160)을 포함하고, 상기 리밸런싱 배관(160)은 양극 탱크(10A)와 음극 탱크(10B)의 전해액이 서로 흐를수 있는 통로를 구비하고 양극 탱크(10A) 및 음극 탱크(10B)의 상부에 위치하면서 상기 통로를 통해 양극 탱크(10A)의 양극 전해액과 음극 탱크(10B)의 음극 전해액 사이에 사이펀 효과를 발생할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.

Description

리밸런싱 배관을 포함하는 레독스 흐름 전지 {Redox Flow Battery Having Rebalancing Pipe}
본 발명은 리밸런싱 배관을 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
레독스 흐름전지는 최근 전 세계적으로 가장 큰 관심을 불러일으키고 있는 신재생 에너지, 온실가스 감축, 2차전지, 스마트그리드 등과 긴밀하게 연관된 핵심 제품 중 하나이고, 연료 전지는 환경 오염 물질 배출이 없이 화석연료를 대체할 신재생 에너지발전원으로써 전 세계적으로 급격한 시장의 확대가 진행중인 제품이다.
현재 대부분의 에너지를 화석 연료로부터 얻고 있으나, 이러한 화석 연료의 사용은 대기오염, 산성비 및 지구 온난화 같이 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며 에너지 효율도 낮은 문제점이 있다.
이러한 화석 연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위해 근래에는 신재생 에너지 및 연료 전지에 대한 관심이 급속도로 높아졌다. 이러한 신재생 에너지에 대한 관심 및 연구는 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
신재생 에너지 시장의 경우 국내외적으로 성숙 단계에 접어들었다고는 하지만 재생 에너지의 특성상 시간 및 날씨등의 환경 영향에 따라 발생하는 에너지의 양이 크게 변화한다는 문제점이 있어, 신재생 에너지 발전의 안정화를 위해 발생된 재생 에너지를 저장하는 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)의 보급이 매우 필요한 상황이며, 이러한 대용량 에너지 저장 시스템으로 주목받고 있는 것이 레독스 흐름 전지이다.
레독스 흐름 전지(Redox flow battery)는 도 1 및 도2에 도시된 것과 같이 전기 화학 반응이 일어나는 셀을 적층한 스택, 전해액을 보관하는 탱크 및 전해액 탱크에서 스택으로 전해액을 공급하는 펌프로 구성되어 있다.
셀은 분리막(= Membrane)을 사이에 두고 양극 전해액과 음극 전해액의 이온이 교환되는 산화 환원 반응이 이루어지는데, 분리막의 선택도(= selectivity)가 100%가 아니기 때문에 시간이 흐름에 따라 물분자, 바나듐 이온 등 원하지 않는 물질이 분리막 사이를 오가게 되어 양극과 음극의 전해액 농도가 바뀌거나 양극 탱크 및 음극 탱크의 수위가 변하게 된다.
종래에는 도 2에 도시된 것과 같이 양극 탱크(10A)와 음극 탱크(10B)의 측면에 연결 배관(60)을 설치하여 탱크의 전해액 수위를 일정하게 맞추었으며 그 방식은 양극 탱크(10A) 및 음극 탱크(10B) 내부의 전해액 수위가 서로 달라지면, 중력에 의해 밸런싱이 되는 방법이었다.
상기 연결 배관(60)은 전해액 탱크의 사출 이후 용접으로 설치하는데, 장기간 시스템 가동시 전해액의 지속적인 순환 및 움직임으로 인해 상대적으로 약한 용접부위에 손상이 갈 수 있고, 또는 외부적인 요인으로 인해 손상될 가능성도 있으며 이러한 경우 전해액이 외부로 누출되게 되는 문제점이 있다.
등록 특허 제10-2004865-0000호 (2019.07.23)
본 발명에서는 양극 및 음극 탱크 내부의 전해액 수위보다 높은 곳에 배관을 설치하고 이로 인하여 탱크간 전해액 수위를 맞추는 리밸런싱이 가능하도록 하여 배관이 연결되는 부분에 손상이 발생하더라도 외부로 전해액이 누출되지 않도록 하고자 한다.
본 발명은 양극 전해액이 보관되어 있는 양극 탱크(10A); 음극 전해액이 보관되어 있는 음극 탱크(10B); 상기 양극 전해액의 전해질과 음극 전해액의 전해질이 산화 환원 반응하는 스택(50); 상기 양극 전해액이 양극 탱크(10A)에서 스택(50)으로 공급되는 통로인 양극 전해액 입구 배관(30A); 상기 음극 전해액이 음극 탱크(10B)에서 스택(50)으로 공급되는 통로인 음극 전해액 입구 배관(30B); 상기 양극 탱크(10A)의 양극 전해액을 상기 스택(50)에 공급하는 동력을 제공하는 양극 펌프(20A); 상기 음극 탱크(10B)의 음극 전해액을 상기 스택(50)에 공급하는 동력을 제공하는 음극 펌프(20B); 상기 양극 전해액이 상기 스택(50)에서 양극 탱크(10A)로 공급되는 통로인 양극 전해액 출구 배관(40A); 상기 음극 전해액이 상기 스택(50)에서 음극 탱크(10B)로 공급되는 통로인 음극 전해액 출구 배관(40B); 및 상기 양극 전해액 출구 배관(40A) 또는 상기 음극 전해액 출구 배관(40B)에 연결된 리밸런싱 배관(160)을 포함하고, 상기 리밸런싱 배관(160)은 양극 탱크(10A)와 음극 탱크(10B)의 전해액이 서로 흐를수 있는 통로를 구비하고 양극 탱크(10A) 및 음극 탱크(10B)의 상부에 위치하면서 상기 통로를 통해 양극 탱크(10A)의 양극 전해액과 음극 탱크(10B)의 음극 전해액 사이에 사이펀 효과를 발생할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 리밸런싱 배관(160)은 양극 전해액 출구 배관(40A) 또는 상기 음극 전해액 출구 배관(40B)에 연결된 분기 배관 연결부(161), 상기 분기 배관 연결부(161)의 한쪽 단부에 연결되며 양극 탱크(10A)의 전해액에 잠기는 양극 탱크 연결 배관(162) 및 나머지 단부에 연결되며 음극 탱크(10B)의 전해액에 잠기는 음극 탱크 연결 배관(163)을 포함하고, 상기 분기 배관 연결부(161)은 상기 양극 탱크(10A) 및 음극 탱크(10B) 보다 상부에 위치할 수 있다.
또한, 본 발명에서 레독스 흐름 전지는 양극 전해액 출구 배관(40A)에서 분기된 양극 전해액 분기 배관(41A) 또는 음극 전해액 출구 배관(40B)에서 분기된 음극 전해액 분기 배관(41B)을 추가로 포함하고, 상기 분기 배관 연결부(161)는 상기 양극 전해액 분기 배관(41A) 또는 음극 전해액 분기 배관(41B)에 연결될 수 있다.
상기 양극 탱크 연결 배관(162)은 양극 탱크(10A) 내부에 위치하는 전해액에 담겨지는 제1 단부(162a)를 포함하고, 상기 음극 탱크 연결 배관(163)은 음극 탱크(10B) 내부에 위치하는 전해액에 담겨지는 제2 단부(163a)를 포함하고, 상기 양극 탱크(10A)의 바닥면에서 양극 전해액의 높이를 H1, 상기 음극 탱크(10B)의 바닥면에서 음극 전해액의 높이를 H3라고 하고, 상기 양극 탱크(10A)의 바닥면에서 양극 탱크 연결 배관의 제1 단부(162a)까지의 높이를 H2, 상기 음극 탱크(10B)의 바닥면에서 음극 탱크 연결 배관의 제2 단부(163a)까지의 높이를 H4라고 하면, H1 - H2≥ 20cm 이고 H3 - H4 ≥ 20cm 일 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 레독스 흐름 전지는 상기 양극 전해액 분기 배관(41A) 또는 음극 전해액 분기 배관(41B)에 설치되는 분기 배관 밸브(70)을 추가로 포함하고, 상기 분기 배관 연결부(163)에는 리밸런싱 밸브(71)가 설치되어 있을 수 있다.
본 발명에서는 양극 및 음극 탱크 내부의 전해액 수위보다 높은 곳에 리밸런싱 배관을 설치하여 리밸런싱 배관에 손상이 발생하더라도 외부로 전해액이 누출되지 않도록 하였다.
또한, 상기 리밸런싱 배관은 사이펀 효과에 의해 전해액 탱크의 전해액 수위를 조절하도록 하여 별도의 동력 장치가 없이 전해액 수위를 조정할 수 있게 하였다.
또한, 본 발명의 리밸런싱 배관이 사이펀 효과가 발생하는지를 검출하고, 사이펀 효과가 발생하지 않는 경우 상기 배관을 충전시키도록 하여 사이펀 효과를 다시 발생할수 있게 하였다.
도 1은 본 발명 레독스 흐름 전지의 시스템 구성도이다.
도 2는 종래 레독스 흐름 전지 시스템 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 레독스 흐름 전지 시스템 구성도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 또다른 실시예이다.
본 발명의 목적, 기술적 해결수단 및 이점이 더욱 명확해지도록 하기 위하여, 이하 도면 및 실시예를 결합하여, 본 발명을 더 상세하게 설명한다. 응당 이해해야 할 것은, 여기서 설명되는 구체적인 실시예는 본 발명을 해석하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 스택은 다수의 셀과 셀 양쪽에 위치하는 전류 플레이트( = Current Collector) 및 앤드 플레이트( = End Plate)를 포함한다.
상기 셀은 분리막(= Membrane), 상기 분리막 양쪽에 위치하는 전극(= Electrode), 상기 전극이 놓여지는 플로우 프레임 및 상기 플로우 프레임 양쪽에 위치하는 분리판 (= Bipolar Plate)으로 이루어진다.
도 2 및 도 3a 및 도 3b에 도시된 것과 같이, 양극 탱크(10A)에 보관되어 있는 양극 전해액은 양극 펌프(20A)에 의해 양극 전해액 입구 배관(30A)를 통해 스택(50)으로 공급되고, 스택(50)으로부터 양극 전해액 출구 배관(40A)을 통해 양극 탱크(10A)로 돌아온다.
마찬가지로, 음극 탱크(10B)에 보관되어 있는 음극 전해액은 음극 펌프(20B)에 의해 음극 전해액 입구 배관(30B)을 통해 스택(50)으로 공급되고, 스택(50)으로부터 음극 전해액 출구 배관(40B)를 통해 양극 탱크(10B)로 돌아온다.
본 발명에서는 종래기술과는 다르게 밸런싱 배관(160)을 양극 및 음극 탱크(10A, 10B) 내부의 전해액 수위보다 높은 곳에 설치하여, 밸런싱 배관(160)의 용접부위에 손상이 생기더라도 누설되는 전해액이 탱크로 흐르게 하여 외부로 전해액이 새지 않도록 한다.
밸런싱 배관(160)은 양극 전해액 출구 배관(40A)에서 분기된 양극 전해액 분기 배관(41A) 또는 음극 전해액 출구 배관(40B)에서 분기된 음극 전해액 분기 배관(41B)에 연결되도록 설치된다.
상기 밸런싱 배관(160)은 양극 전해액 분기 배관(41A) 또는 음극 전해액 분기 배관(41B)에 연결되는 분기 배관 연결부(161), 상기 분기 배관 연결부(161)의 한쪽 단부에 연결되며 양극 탱크(10A)의 전해액에 잠기는 양극 탱크 연결 배관(162) 및 나머지 단부에 연결되며 음극 탱크(10B)의 전해액에 잠기는 음극 탱크 연결 배관(163)을 포함한다.
즉, 도 3a 및 도 3b에 도시된 것과 같이, 양극 탱크 연결 배관(162)의 제1 단부(162a)와 음극 탱크 연결 배관(163)의 제2 단부(163a)는 양극 탱크 또는 음극 탱크 내부의 전해액에 잠긴다.
또한, 상기 밸렁싱 배관(160) 내부는 전해액이 가득차서 사이펀 효과가 발생하게 하며 이로 인하여 외부의 동력이 없어도, 양극 탱크(10A)와 음극 탱크(10B)의 전해액의 높이를 맞춘다.
밸런싱 배관의 제1 및 제2 단부(162a, 163a)의 높이와 탱크 내부의 전해액의 수위가 비슷하면 충/방전시 전해액의 수위에 변경이 생기는 경우 밸런싱 배관 내부가 대기압에 노출되면서 사이펀 효과가 해제될 수 있으므로, 배관 단부가 전해액에 충분히 담겨질 수 있게 한다.
도 3b에서 처럼, 양극 탱크(10A)의 바닥면에서 양극 전해액의 높이를 H1, 음극 탱크(10B)의 바닥면에서 음극 전해액의 높이를 H3라고 하고, 양극 탱크(10A)의 바닥면에서 양극 탱크 연결 배관의 제1 단부(162a)까지의 높이를 H2, 음극 탱크(10B)의 바닥면에서 음극 탱크 연결 배관의 제2 단부(163a)까지의 높이를 H4라고 하면, H1 - H2≥ 20cm 이고 H3 - H4 ≥ 20cm 인 것이 바람직하다.
또한, 레독스 흐름 전지 사용중에 밸런싱 배관(160) 내부의 전해액이 충전된 상태가 되지 않는 경우 밸런싱 배관의 사이펀 효과가 해제되므로 도 4a 및 도 4b에서 처럼 센서(81)를 밸런싱 배관(160)에 설치하여 밸런싱 배관(160)의 내부가 충전되어 있는지 감지하거나 또는 밸런싱 배관(160)을 투명하게 제작하여 육안으로 확인할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
밸런싱 배관(160)에 전해질을 충전시키는 방법은 다음과 같다.
1) 분기 배관 밸브(70)를 닫힌 상태로 유지하고 양극 및 음극 펌프를 가동하여 전해액을 순환시킨다.
2) 양극 전해액 출구 배관(40A) 또는 음극 전해액 출구 배관(40B)에 충전이 확인되면, 분기 배관 밸브(70)를 열림 상태로 하여 밸런싱 배관(160)을 충전 상태로 만든다.
3) 충전 완료 확인은 센서(81) 또는 투명한 밸런싱 배관(160)을 육안으로 확인한다.
4) 충전이 완료되고 분기 배관 밸브(70)를 닫힘 상태로 변경하면, 제1 및 제2 단부(162a, 163a)가 전해액 수위 아래에 놓여지고 밸런싱 배관(160)은 대기압 노출없이 진공상태의 충전상태가 되어 양극 탱크(10A)와 음극 탱크(10B) 사이에서 사이펀 효과가 발생한다.
분기 배관 연결부(163)에 도 4a 및 도 4b에서 처럼 리밸런싱 밸브(71)를 설치하면 양극 탱크(10A)와 음극 탱크(10B) 사이의 리밸런싱 되는 양을 조절할 수 있다.
상기 실시예의 실행방안은 교체 가능하며, 또한 실시예는 다만 본 발명의 우선 실시예에 대한 설명일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하지 아니한다. 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않고 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 수정의 실시가 가능하고 이러한 변형 및 수정은 본 발명의 범위에 속한다.
10A: 양극 탱크 10B: 음극 탱크
20A: 양극 펌프 20B: 음극 펌프
30A: 양극 전해액 입구 배관 30B: 음극 전해액 입구 배관
40A: 양극 전해액 출구 배관 40B: 음극 전해액 출구 배관
41A: 양극 전해액 분기 배관 41B: 음극 전해액 분기 배관
50: 스택 60: 리밸런싱 배관
70: 분기 배관 밸브 160: 리밸런싱 배관

Claims (4)

  1. 양극 전해액이 보관되어 있는 양극 탱크(10A);
    음극 전해액이 보관되어 있는 음극 탱크(10B);
    상기 양극 전해액의 전해질과 음극 전해액의 전해질이 산화 환원 반응하는 스택(50);
    상기 양극 전해액이 양극 탱크(10A)에서 스택(50)으로 공급되는 통로인 양극 전해액 입구 배관(30A);
    상기 음극 전해액이 음극 탱크(10B)에서 스택(50)으로 공급되는 통로인 음극 전해액 입구 배관(30B);
    상기 양극 탱크(10A)의 양극 전해액을 상기 스택(50)에 공급하는 동력을 제공하는 양극 펌프(20A);
    상기 음극 탱크(10B)의 음극 전해액을 상기 스택(50)에 공급하는 동력을 제공하는 음극 펌프(20B);
    상기 양극 전해액이 상기 스택(50)에서 양극 탱크(10A)로 공급되는 통로인 양극 전해액 출구 배관(40A);
    상기 음극 전해액이 상기 스택(50)에서 음극 탱크(10B)로 공급되는 통로인 음극 전해액 출구 배관(40B); 및
    상기 양극 전해액 출구 배관(40A) 또는 상기 음극 전해액 출구 배관(40B)에 연결된 리밸런싱 배관(160)을 포함하고,
    상기 리밸런싱 배관(160)은 양극 탱크(10A)와 음극 탱크(10B)의 전해액이 서로 흐를수 있는 통로를 구비하고 양극 탱크(10A) 및 음극 탱크(10B)의 상부에 위치하면서 상기 통로를 통해 양극 탱크(10A)의 양극 전해액과 음극 탱크(10B)의 음극 전해액 사이에 사이펀 효과를 발생할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리밸런싱 배관(160)은 양극 전해액 출구 배관(40A) 또는 상기 음극 전해액 출구 배관(40B)에 연결된 분기 배관 연결부(161), 상기 분기 배관 연결부(161)의 한쪽 단부에 연결되며 양극 탱크(10A)의 전해액에 잠기는 양극 탱크 연결 배관(162) 및 나머지 단부에 연결되며 음극 탱크(10B)의 전해액에 잠기는 음극 탱크 연결 배관(163)을 포함하고,
    상기 분기 배관 연결부(161)은 상기 양극 탱크(10A) 및 음극 탱크(10B) 보다 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 리밸런싱 배관을 포함하는 레독스 흐름 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    레독스 흐름 전지는 양극 전해액 출구 배관(40A)에서 분기된 양극 전해액 분기 배관(41A) 또는 음극 전해액 출구 배관(40B)에서 분기된 음극 전해액 분기 배관(41B)을 추가로 포함하고,
    상기 분기 배관 연결부(161)는 상기 양극 전해액 분기 배관(41A) 또는 음극 전해액 분기 배관(41B)에 연결되고,
    상기 양극 탱크 연결 배관(162)은 양극 탱크(10A) 내부에 위치하는 전해액에 담겨지는 제1 단부(162a)를 포함하고,
    상기 음극 탱크 연결 배관(163)은 음극 탱크(10B) 내부에 위치하는 전해액에 담겨지는 제2 단부(163a)를 포함하고,
    상기 양극 탱크(10A)의 바닥면에서 양극 전해액의 높이를 H1, 상기 음극 탱크(10B)의 바닥면에서 음극 전해액의 높이를 H3라고 하고, 상기 양극 탱크(10A)의 바닥면에서 양극 탱크 연결 배관의 제1 단부(162a)까지의 높이를 H2, 상기 음극 탱크(10B)의 바닥면에서 음극 탱크 연결 배관의 제2 단부(163a)까지의 높이를 H4라고 하면, H1 - H2≥ 20cm 이고 H3 - H4 ≥ 20cm 인 것을 특징으로 하는 리밸런싱 배관을 포함하는 레독스 흐름 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 레독스 흐름 전지는 상기 양극 전해액 분기 배관(41A) 또는 음극 전해액 분기 배관(41B)에 설치되는 분기 배관 밸브(70)을 추가로 포함하고,
    상기 분기 배관 연결부(163)에는 리밸런싱 밸브(71)가 설치되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.

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