WO2024117653A1 - 전해액 제조시설의 션트 전류 감소 장치 - Google Patents

전해액 제조시설의 션트 전류 감소 장치 Download PDF

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WO2024117653A1
WO2024117653A1 PCT/KR2023/018871 KR2023018871W WO2024117653A1 WO 2024117653 A1 WO2024117653 A1 WO 2024117653A1 KR 2023018871 W KR2023018871 W KR 2023018871W WO 2024117653 A1 WO2024117653 A1 WO 2024117653A1
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unit
stack
electrolyte
string
stacks
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PCT/KR2023/018871
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장현석
김대식
최은미
김병수
이세나
오승혜
Original Assignee
롯데케미칼 주식회사
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an electrolyte manufacturing facility for a redox flow battery, and more specifically, to a stack configuration and voltage balancing circuit that can prevent loss due to shunt current between a redox flow stack composed of a plurality of redox flow battery cells. It's about.
  • RFB redox flow batteries
  • the purpose of this specification is to provide an electrolyte manufacturing facility capable of reducing shunt current. Furthermore, an additional purpose is to provide a circuit that can efficiently resolve voltage imbalance occurring between redox flow stacks.
  • the electrolyte manufacturing facility for solving the above-described problems includes K unit modules; and an electrolyte tank supplying electrolyte to each of the K unit modules, wherein each unit module includes M unit stacks, and among the unit stacks, unit stacks that do not share electrolyte are electrically connected to each other. You can construct strings connected in series.
  • the string may be M strings in which each unit stack selected from each unit module is electrically connected in series.
  • each string may be composed of a stack having the same location within each unit module.
  • the electrolyte manufacturing facility may further include a voltage balancing device that controls voltage balancing of each string by measuring the voltage of the unit stack included in each string.
  • the voltage balancing device includes an auxiliary power battery; a balancing connection unit electrically connecting the auxiliary power battery and at least one unit stack among K unit stacks included in the string by a balancing control signal; and a balancing control unit that monitors the voltage of the unit stack included in the string and outputs a control signal to the balancing connection unit corresponding to the unit stack requiring voltage balancing.
  • the voltage balancing device includes a discharge resistor connected between both ends of a unit stack; a switching element connected between the unit stack and the discharge resistor and operated by a control signal; and a balancing control unit that monitors the voltage of the unit stack included in the string and outputs a control signal to a switching element corresponding to the unit stack requiring voltage balancing.
  • unnecessary energy loss can be prevented by reducing the shunt current.
  • the charging and discharging efficiency of the electrolyte manufacturing facility can be improved by creating a voltage imbalance between the stacks.
  • Figure 1 is a reference diagram of the chemical reaction within the stack.
  • Figure 2 is a reference diagram for cells, stacks, and pipes.
  • Figure 3 is a reference diagram for electrical wiring when five stacks are connected in series.
  • Figure 4 is a reference diagram for resistance due to shunt current generation.
  • Figure 5 is an electrical wiring diagram of an electrolyte manufacturing facility according to the present specification.
  • Figure 6 is an exemplary diagram briefly showing the physical configuration of an electrolyte manufacturing facility according to the present specification.
  • Figure 7 is a reference diagram for stack wiring according to the present specification.
  • Figure 8 is an example circuit diagram of a voltage balancing device.
  • Figure 9 is a configuration diagram of the experiment module.
  • Figure 10 is a reference diagram for electrical wiring in an experimental example.
  • Figure 11 is a reference diagram for the amount of shunt current generated depending on the stack position.
  • Figure 12 is a reference diagram showing the increase in the amount of electrically connected stack.
  • Figure 13 is a reference diagram for checking the amount of shunt current according to the stack distance.
  • Figure 14 is a reference diagram for the electrical wiring in which three stacks are connected.
  • Spatially relative terms such as “below”, “beneath”, “lower”, “above”, “upper”, etc. are used as a single term as shown in the drawing. It can be used to easily describe the correlation between a component and other components. Spatially relative terms should be understood as terms that include different directions of components during use or operation in addition to the directions shown in the drawings. For example, if you flip a component shown in a drawing, a component described as “below” or “beneath” another component will be placed “above” the other component. You can. Accordingly, the illustrative term “down” may include both downward and upward directions. Components can also be oriented in other directions, so spatially relative terms can be interpreted according to orientation.
  • LiB Battery is close to commercialization, complete verification in terms of stability and lifespan has not yet been achieved. Therefore, development of other types of batteries, such as Redox flow batteries, is actively underway.
  • RFB uses the chemical reaction of the Redox couple, and among them, the Vanadium flow battery is a battery based on the chemical reaction within the stack and has advantages such as output, capacity autonomy, and price.
  • Figure 1 is a reference diagram of the chemical reaction within the stack.
  • the unit cell where the reaction occurs generates a voltage of approximately 1.2 to 1.85 V depending on the charging and discharging state.
  • a stack is formed by connecting multiple unit cells in series.
  • the stack can have about 60 to 100 unit cells connected in series to obtain an output voltage of about 100 to 120 V.
  • the required high voltage can be obtained by connecting the stacks again in series.
  • shunt current is indispensable in RFB, which is based on the chemical reaction of an electrolyte through which current can flow.
  • the tendency of the shunt current varies depending on the path through which the electrolyte flows.
  • the electrolyte passes through a path called a channel inside the cell, a manifold, which is an inflow path created when cells are fused in series, and a pipe connected to the stack. do.
  • Figure 2 is a reference diagram for cells, stacks, and pipes.
  • shunt current is indispensable.
  • the tendency of the shunt current varies depending on the path through which the electrolyte flows.
  • the electrolyte flows through a path called a channel inside a cell and a manifold, which is an inflow path created when cells are fused in series. It passes through a pipe connected to the stack.
  • the types of shunt current and resistance can be defined as the three types mentioned above. Therefore, energy loss occurs due to the shunt current, and there is a need to reduce it.
  • Figure 3 is a reference diagram for electrical wiring when five stacks are connected in series.
  • Figure 4 is a reference diagram for resistance due to shunt current generation.
  • Figure 5 is an electrical wiring diagram of an electrolyte manufacturing facility according to the present specification.
  • the electrolyte manufacturing facility 100 may include K unit modules 110 and an electrolyte tank 112 that supplies electrolyte to each of the K unit modules.
  • Each unit module 110 may include M unit stacks 111.
  • Each unit stack 111 may include N unit redox flow battery (RFB) cells including an anode, a cathode, and a separator.
  • RFB unit redox flow battery
  • the redox flow battery cell has been described with reference to FIG. 1, and since it is a technology widely known to those skilled in the art, detailed description will be omitted.
  • the K, M, and N are natural numbers, and the K, M, and N can be set in various ways depending on the required charge/discharge capacity, output voltage, etc.
  • a unit module is composed of 10 unit stacks, and the description will focus on an electrolyte manufacturing facility composed of 8 unit modules.
  • the present invention is not limited to the examples described herein and that various changes and settings are possible.
  • Figure 6 is an exemplary diagram briefly showing the physical configuration of an electrolyte manufacturing facility according to the present specification.
  • 'A to J' are symbols for distinguishing the unit stack 111 included in each unit module 110
  • '1 to 8' are unit modules included in the electrolyte manufacturing facility 100. This is a symbol to distinguish (110). Therefore, the symbol 'A1' means the first unit stack included in unit module 1.
  • 'Tank 1 ⁇ Tank 8' refers to electrolyte tanks that supply electrolyte to unit modules 1 through 8, respectively. That is, each unit module 110 included in the electrolyte manufacturing facility 100 according to the present specification receives electrolyte from separate electrolyte tanks.
  • the electrolyte manufacturing facility 100 may configure a string in which unit stacks that do not share electrolyte among the unit stacks are electrically connected in series to reduce shunt current.
  • Figure 7 is a reference diagram for stack wiring according to the present specification.
  • the string may be M strings in which each unit stack selected from each unit module 110 is electrically connected in series. In other words, one stack is included in only one string and is not connected to two or more strings.
  • each string may be configured as a stack with the same location within each unit module. That is, as shown in FIG. 6, the first string is a string composed only of the 'A'th stack included in each module 110.
  • the second string is a string composed only of the 'B'th stack included in each module 110
  • the third string is a string composed only of the 'C'th stack included in each module 110
  • the fourth string is a string composed of only the 'C'th stack included in each module 110.
  • the fifth string is a string composed only of the 'E'th stack included in each module 110
  • the sixth string is a string composed of only the 'E'th stack included in each module 110.
  • the 7th string is a string composed only of the 'G'th stack included in each module 110
  • the 8th string is a string composed of only the 'G'th stack included in each module 110.
  • the 9th string is a string composed only of the 'H'th stack
  • the 9th string is a string composed of only the 'I'th stack included in each module 110
  • the 10th string is a string composed of only the 'J'th stack included in each module 110. It is a string composed only of a stack.
  • the order between stacks connected in series within each string takes into account the physical distance where each stack is located so that adjacent stacks are connected in order.
  • the shunt current generated through the manifold and pipe can be minimized.
  • electrical connection between unit stacks using the same electrolyte supplied from each electrolyte tank can be avoided to minimize the occurrence of shunt current caused by electrolyte sharing.
  • stacks selected from different unit stacks according to the present specification form a string
  • voltage imbalance between stacks within the string may worsen.
  • the electrolyte manufacturing facility 100 may further include a voltage balancing device that controls voltage balancing of each string by measuring the voltage of the unit stack included in each string.
  • the voltage balancing device can adjust voltage balancing in two ways. One method is to increase the voltage of a stack that is relatively lower than the voltage of other stacks (Active Balancing), and the other method is to lower the voltage of a stack that is relatively higher than the voltage of other stacks (Passive Balancing).
  • Figure 8 is an example circuit diagram of a voltage balancing device.
  • the voltage balancing device electrically connects the auxiliary power battery and at least one unit stack among the K unit stacks included in the string by a balancing control signal. It may further include a balancing control unit that monitors the voltage of the connection unit and the unit stack included in the string, and outputs a control signal to the balancing connection unit corresponding to the unit stack requiring voltage balancing.
  • the voltage balancing device can be used in standby mode, charging mode, and discharging mode of an electrolyte manufacturing facility.
  • the voltage balancing device includes a discharge resistor connected between both ends of a unit stack, a switching element connected between the unit stack and the discharge resistor and operated by a control signal, and a unit included in the string. It may further include a balancing control unit that monitors the voltage of the stack and outputs a control signal to a switching element corresponding to a unit stack requiring voltage balancing.
  • the voltage balancing device can be used in standby mode and charging mode.
  • the balancing control unit detects the voltage of each stack, and when the voltage of the other stack differs by more than 1V based on the lowest voltage among the stacks included in the string, the control signal is output to discharge. Resistance allows current to flow.
  • the balancing control unit may output the control signal to prevent current from flowing through the discharge resistor when the voltage of the other stacks is 100 mV or less based on the lowest voltage among the stacks included in the string.
  • the balancing control unit may include a processor, an application-specific integrated circuit (ASIC), other chipsets, logic circuits, registers, communication modems, data processing devices, etc. known in the art to calculate and execute various control logic. You can. Additionally, when the above-described control logic is implemented as software, the control unit 140 may be implemented as a set of program modules. At this time, the program module may be stored in the memory unit and executed by the processor.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the above-mentioned computer program is C/C++, C#, JAVA that the processor (CPU) of the computer can read through the device interface of the computer in order for the computer to read the program and execute the methods implemented in the program.
  • these codes may further include memory reference-related codes that indicate at which location (address address) in the computer's internal or external memory additional information or media required for the computer's processor to execute the above functions should be referenced. there is.
  • the code uses the computer's communication module to determine how to communicate with any other remote computer or server. It may further include communication-related codes regarding whether communication should be performed and what information or media should be transmitted and received during communication.
  • the storage medium refers to a medium that stores data semi-permanently and can be read by a device, rather than a medium that stores data for a short period of time, such as a register, cache, or memory.
  • examples of the storage medium include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, etc., but are not limited thereto. That is, the program may be stored in various recording media on various servers that the computer can access or on various recording media on the user's computer. Additionally, the medium may be distributed to computer systems connected to a network, and computer-readable code may be stored in a distributed manner.
  • Figure 9 is a configuration diagram of the experiment module.
  • shunt current trend In order to analyze the trend of shunt current, a test bed consisting of 10 stacks of 5 in series and 2 sets was prepared.
  • the internal flow path of the cell is designated as a fixed variable that cannot be changed (channelt shunt), and the shunt current trend is determined according to the number of stacks connected in series (manifold shunt) or the distance of the pipe (pipe shunt). I experimented to find out.
  • Figure 10 is a reference diagram for electrical wiring in an experimental example.
  • Figure 11 is a reference diagram for the amount of shunt current generated depending on the stack position.
  • the amount of shunt current generated increased toward the center of the stack, and the amount of shunt current generated in the loaded state and unloaded state was similar at approximately 2 to 4 A.
  • Figure 12 is a reference diagram showing the increase in the amount of electrically connected stack.
  • Figure 13 is a reference diagram for checking the amount of shunt current according to the stack distance.
  • Figure 14 is a reference diagram for the electrical wiring in which three stacks are connected.

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Abstract

본 명세서는 션트 전류를 감소시킬 수 있는 전해액 제조 시설을 개시한다. 본 명세서에 따른 전해액 제조 시설은 K개의 단위 모듈; 및 상기 K개의 단위 모듈에 각각 전해액을 공급하는 전해액 탱크;를 포함하는 전력 저장 시스템으로서, 상기 각 단위 모듈은 M개의 단위 스택을 포함하고, 상기 각 단위 스택은 양극, 음극 및 분리막을 포함한 N개의 단위 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)셀을 포함하고, 상기 단위 스택 중 전해액을 공유하지 않는 단위 스택끼리 전기적으로 직렬로 연결된 스트링을 구성할 수 있다.

Description

전해액 제조시설의 션트 전류 감소 장치
본 발명은 레독스 흐름 전지의 전해액 제조 시설에 관한 것이며, 보다 상세하게는 다수의 레독스 흐름 전지 셀로 구성된 레독스 흐름 스택 사이에서 션트 전류로 인한 손실을 방지할 수 있는 스택 구성 및 전압 밸런싱 회로에 관한 것이다.
현재 ESS(Energy Storage System)를 위한 다양한 2차 전지(secondary battery)들이 연구되고 있다. 2차 전지들 중 리튬-이온 배터리가 가장 상업화 되어있으나 아직 안정성 및 수명 측면에서 불완전한 상태이다. 그래서 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)등의 다른 형태의 2차 전지의 개발이 활발하게 진행 중에 있다. RFB는 두 물질 사이의 산화-환원 반응을 이용한 것으로 그 중 아연-브롬 흐름 전지(Zn-Br flow battery)는 아연과 브롬 사이의 산화-환원 반응을 기반으로 한 전지로서, 출력 및 용량 자율도, 가격 등의 장점을 가진다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
공개특허공보 제10-2018-0105937호 (2018.10.01)
본 명세서는 션트 전류를 감소시킬 수 있는 전해액 제조 시설을 제공하는 것을 목적으로 한다. 나아가, 레독스 흐름 스택 사이에 발생하는 전압 불균형을 효율적으로 해소할 수 있는 회로를 제공하는 것을 추가 목적으로 한다.
본 명세서는 상기 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 전해액 제조 시설은 K개의 단위 모듈; 및 상기 K개의 단위 모듈에 각각 전해액을 공급하는 전해액 탱크;를 포함하는 전해액 제조 시설로서, 상기 각 단위 모듈은 M개의 단위 스택을 포함하고, 상기 단위 스택 중 전해액을 공유하지 않는 단위 스택끼리 전기적으로 직렬로 연결된 스트링을 구성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 스트링은 상기 각각의 단위 모듈에서 선택된 각 1개의 단위 스택끼리 전기적으로 직렬로 연결된 M개의 스트링일 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 각 스트링은 각 단위 모듈 내 동일 위치를 가진 스택으로 구성될 수 있다.
본 명세서에 따른 전해액 제조 시설은, 각 스트링에 포함된 단위 스택의 전압을 측정하여 각 스트링의 전압 밸런싱을 제어하는 전압 밸런싱 기기;를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 전압 밸런싱 기기는 보조전원 배터리; 밸런싱 제어 신호에 의해 상기 보조전원 배터리와 상기 스트링에 포함된 K개의 단위 스택 중 적어도 어느 하나의 단위 스택을 전기적으로 연결하는 밸런싱 연결부; 및 상기 스트링에 포함된 단위 스택의 전압을 모니터링하고, 전압 밸런싱이 필요한 단위 스택에 해당하는 상기 밸런싱 연결부에 제어 신호를 출력하는 밸런싱 제어부;를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 전압 밸런싱 기기는 단위 스택의 양단 사이에 연결된 방전 저항; 상기 단위 스택과 방전 저항과 사이에 연결되어 제어 신호에 의해 동작하는 스위칭 소자; 및 상기 스트링에 포함된 단위 스택의 전압을 모니터링하고, 전압 밸런싱이 필요한 단위 스택에 해당하는 스우칭 소자에 제어 신호를 출력하는 밸런싱 제어부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 명세서의 일 측면에 따르면, 션트 전류를 감소시켜 불필요한 에너지 손실을 방지할 수 있다.
본 명세서의 다른 측면에 따르면, 스택 사이에 전압 불균형을 해서하여 전해액 제조 시설의 충방전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 스택 내 화학반응의 참고도이다.
도 2는 셀과 스택 및 파이프에 대한 참고도이다.
도 3은 스택 5개가 직렬로 연결되었을 때, 전기적 결선에 대한 참고도이다.
도 4는 션트 전류 발생으로 인한 저항에 대한 참고도이다.
도 5는 본 명세서에 따른 전해액 제조 시설의 전기 결선도이다.
도 6은 본 명세서에 따른 전해액 제조 시설의 물리적 구성을 간략하게 도시한 예시도이다.
도 7은 본 명세서에 따른 스택 배선에 대한 참고도이다.
도 8은 전압 밸런싱 기기의 예시 회로도이다.
도 9는 실험 모듈의 구성도이다.
도 10은 실험예의 전기적 결선에 대한 참고도이다.
도 11은 스택 위치에 따른 션트 전류의 발생량에 대한 참고도이다.
도 12는 전기적으로 결선된 스택의 양이 증가하는 참고도이다.
도 13은 스택 거리에 따른 션트 전류량 확인을 위한 참고도이다.
도 14는 3개의 스택이 연결된 전기적 결선에 대한 참고도이다.
본 명세서에 개시된 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서가 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하고, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자(이하 '당업자')에게 본 명세서의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서의 권리 범위는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 명세서의 권리 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성요소와 다른 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓일 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
현재 ESS를 위한 다양한 Battery들이 연구되고 있다. LiB Battery가 상업화에 근접하였으나, 아직 안정성 및 수명 측면에서 완벽한 검증을 이루어 내지 못하였다. 그래서 Redox flow battery 등의 다른 type의 Battery가 개발이 활발하게 진행 중에 있다. RFB는 Redox couple의 화학반응을 이용한 것으로 그 중 Vanadium flow battery는 Stack내 화학반응을 기반으로 한 전지로서, 출력 및 용량 자율도, 가격 등의 장점을 가진다.
하지만 반응 중 Stack과 Pipe내 전해액으로 흐르는 Shunt current가 불균형하게 발생함으로 Stack의 에너지가 손실된다. 이러한 현상을 해결하기 위해 Stack내 shunt current 발생 구조를 해석하고 그 발생을 최소화 하고자 한다. 본 개발에서는 이러한 Shunt current 발생의 과정과 정도를 해석하고, 전해액을 공유하는 Stack들간의 전기적 결선을 다르게 하여 그 발생을 최소화하는데 목적으로 한다.
도 1은 스택 내 화학반응의 참고도이다.
도 1을 참조하면, 아연-브롬 흐름 전지는 분리막을 사이에 두고 아래 반응식과 같이 양극(양극전해액)과 음극(음극전해액)에서 화학반응이 발생한다.
음극 : Zn2+ + 2e- ↔ Zn (-0.77V)
양극 : 2Br- ↔ Br2 + 2e- (+1.08V)
상기 반응이 일어나는 단위 셀에서는 충전 및 방전 상태에 따라 약 1.2 ~ 1.85V의 전압이 발생하는 바, 필요한 전압을 얻기 위해 다수의 단위 셀을 직렬로 연결한 스택(Stack)을 구성한다. 상기 스택은 약 100~120V의 출력 전압을 얻기 위하여 약 60~100개의 단위 셀이 직렬로 연결할 수 있다. 또한, 대용량의 ESS를 구성하기 상기 스택을 다시 직렬로 연결하여 요구되는 고전압을 얻을 수 있다.
한편, 전류가 흐를수 있는 전해액의 화학반응을 기초로하는 RFB에서 션트 전류(shunt current)는 필수 불가결한 존재이다. 전해액이 흐르는 경로에 따라 션트 전류의 경향성이 달라지는데, 전해액은 셀(cell) 내부의 채널(channel)이라는 경로와 셀이 직렬로 융착하며 생기는 유입경로인 매니폴드(manifold)와 스택과 연결된 파이프를 거치게 된다.
도 2는 셀과 스택 및 파이프에 대한 참고도이다.
전류가 흐를수 있는 전해액의 화학반응을 기초로하는 레독스 흐름 전지(Redox flow battery)에서 션트 전류(shunt current)는 필수 불가결한 존재이다. 전해액이 흐르는 경로에 따라 션트 전류(shunt current)의 경향성이 달라지는데, 전해액은 셀(cell)내부의 채널(channel)이라는 경로와 셀(cell)이 직렬로 융착하며 생기는 유입경로인 매니폴드(manifold)와 스택(stack)과 연결된 파이프(pipe)를 거치게 된다. 이에 따라 션트 전류(shunt current)와 저항(resistance)의 종류를 위에 언급한 3가지로 정의할 수 있다. 따라서, 상기 션트 전류로 인한 에너지 손실이 발생하며, 이를 감소시킬 필요가 있다.
도 3은 스택 5개가 직렬로 연결되었을 때, 전기적 결선에 대한 참고도이다.
도 3을 참조하면, 이상적인 직렬 연결시 전기적 결선으로 확인할 수 있는 Stack간 전류가 동일하다. 이것은 내부 shunt전류 발생이 없음, 곧 손실이 없음을 의미한다. 하지만 실제 실험에서는 Stack간 결선에서 발생하는 전류와 DC-Link와 연결되는 출력단의 전류가 다른 것을 확인 할 수 있었다. 이는 Stack 내부에서 shunt current 발생을 의미하며, 특히 무부하 상태에서 출력단의 전류는 0A이나, 내부 전류가 2~3A 흐르는 것을 확인 할 수 있었다.
도 4는 션트 전류 발생으로 인한 저항에 대한 참고도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 5는 본 명세서에 따른 전해액 제조 시설의 전기 결선도이다.
본 명세서에 따른 전해액 제조 시설(100)은 K개의 단위 모듈(110) 및 상기 K개의 단위 모듈에 각각 전해액을 공급하는 전해액 탱크(112)를 포함할 수 있다.
상기 각 단위 모듈(110)은 M개의 단위 스택(111)을 포함할 수 있다.
상기 각 단위 스택(111)은 양극, 음극 및 분리막을 포함한 N개의 단위 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB)셀을 포함할 수 있다.
상기 레독스 흐름 전지 셀에 대해서는 도 1을 참조하여 설명하였으며, 당업자에게 널리 알려진 기술이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 K, M, N은 자연수로서, 상기 K, M, N은 요구되는 충방전 용량, 출력 전압 등에 의해 다양하게 설정될 수 있다. 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 10개의 단위 스택으로 단위 모듈을 구성하고, 8개의 단위 모듈로 구성된 전해액 제조 시설을 중심으로 설명하도록 하겠다. 그러나 본 발명이 본 명세서에 기재된 예시에 의해 제한되지 않으며, 다양한 변경 및 설정이 가능함을 다시 한번 강조한다.
도 6은 본 명세서에 따른 전해액 제조 시설의 물리적 구성을 간략하게 도시한 예시도이다.
도 6을 참조하면, 'A~J'는 각 단위 모듈(110)에 포함된 단위 스택(111)을 구분하기 위한 기호이며, '1~8'은 전해액 제조 시설(100)에 포함된 단위 모듈(110)을 구분하기 위한 기호이다. 따라서 기호 'A1'은 1번 단위 모듈에 포함된 첫번째 단위 스택이라는 의미이다. 그리고 'Tank 1~ Tank 8'은 1번 단위 모듈부터 8번 단위 모듈에 각각 전해액을 공급하는 전해액 탱크를 의미한다. 즉, 본 명세서에 따른 전해액 제조 시설(100)에 포함된 각 단위 모듈(110)은 서로 분리된 전해액 탱크로부터 각각 전해액을 공급받는다.
본 명세서에 따른 전해액 제조 시설(100)은 션트 전류를 감소하기 위해 상기 단위 스택 중 전해액을 공유하지 않는 단위 스택끼리 전기적으로 직렬로 연결된 스트링을 구성할 수 있다.
도 7은 본 명세서에 따른 스택 배선에 대한 참고도이다.
도 7을 참조하면, 모듈내 스택 병렬 연결, 모듈간 bus-bar 직렬연결, 양쪽 종단 1대의 DC/DC Converter 연결할 수 있다. 모듈 내 모든 스택을 병렬 연결하여 동전위 유지하여, 션트 전류(shunt current)를 방지하고, 셀프 밸런싱(self-balancing)을 유지할 수 있다. 또한, 모듈 간 직렬 연결하여 전압 승압 및 일정 전류 유지하여 컨버터(Converter)에 가해지는 적정 수준의 전류량 유지할 수 있다. 이를 통해 높은 전압에서 운영하여 컨버터(Converter) 전력변환 손실을 최소화할 수 있다.
상기 스트링은 상기 각각의 단위 모듈(110)에서 선택된 각 1개의 단위 스택끼리 전기적으로 직렬로 연결된 M개의 스트링이 될 수 있다. 즉, 한 개의 스택은 한 개의 스트링에만 포함되며, 2이상의 스트링에 중복 연결되지 않는다.
이 때, 상기 각 스트링은 각 단위 모듈 내 동일 위치를 가진 스택으로 구성될 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 스트링은 각 모듈(110)에 포함된 'A'번째 스택으로만 구성된 스트링이다. 제2 스트링은 각 모듈(110)에 포함된 'B'번째 스택으로만 구성된 스트링이고, 제3 스트링은 각 모듈(110)에 포함된 'C'번째 스택으로만 구성된 스트링이고, 제4 스트링은 각 모듈(110)에 포함된 'D'번째 스택으로만 구성된 스트링이고, 제5 스트링은 각 모듈(110)에 포함된 'E'번째 스택으로만 구성된 스트링이고, 제6 스트링은 각 모듈(110)에 포함된 'F'번째 스택으로만 구성된 스트링이고, 제7 스트링은 각 모듈(110)에 포함된 'G'번째 스택으로만 구성된 스트링이고, 제8 스트링은 각 모듈(110)에 포함된 'H'번째 스택으로만 구성된 스트링이고, 제9 스트링은 각 모듈(110)에 포함된 'I'번째 스택으로만 구성된 스트링이고, 제10 스트링은 각 모듈(110)에 포함된 'J'번째 스택으로만 구성된 스트링이이다.
각 스트링 내 직렬로 연결되는 스택 사이의 순서는 각 스택이 위치한 물리적 거리를 고려하여 인접한 스택끼리 순서대로 연결되도록 할 수 있다.
본 명세서에 따른 스트링의 구성을 통해 매니폴더(Manifold)와 파이프로 발생하는 션트 전류를 최소화할 수 있다. 즉, 각 전해액 탱크에서 공급되는 같은 전해액을 사용하는 단위 스택들 사이의 전기적인 연결을 회피하여 전해액 공유로 인해 발생하는 션트 전류의 발생을 최소화할 수 있다.
다만, 본 명세서에 따라 서로 다른 단위 스택에서 선택된 스택끼리 스트링을 구성하다보니, 스트링 내 스택 사이에 전압 불균형이 심화될 수 있다.
따라서 본 명세서에 따른 전해액 제조 시설(100)은 각 스트링에 포함된 단위 스택의 전압을 측정하여 각 스트링의 전압 밸런싱을 제어하는 전압 밸런싱 기기를 더 포함할 수 있다.
상기 전압 밸런싱 기기는 2가지 방식으로 전압 밸런싱을 조정할 수 있다. 하나는 다른 스택의 전압보다 상대적으로 낮은 스택의 전압을 높여주는 방식(Active Balancing)과 다른 하나는 다른 스택의 전압보다 상대적으로 높은 스택의 전압을 낮여주는 방식(Passive Balancing)이다.
도 8은 전압 밸런싱 기기의 예시 회로도이다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 전압 밸런싱 기기는 보조전원 배터리, 밸런싱 제어 신호에 의해 상기 보조전원 배터리와 상기 스트링에 포함된 K개의 단위 스택 중 적어도 어느 하나의 단위 스택을 전기적으로 연결하는 밸런싱 연결부 및 상기 스트링에 포함된 단위 스택의 전압을 모니터링하고, 전압 밸런싱이 필요한 단위 스택에 해당하는 상기 밸런싱 연결부에 제어 신호를 출력하는 밸런싱 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 전압 밸런싱 기기는 전해액 제조 시설의 대기모드, 충전모드 및 방전모드 에 사용될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 전압 밸런싱 기기는 단위 스택의 양단 사이에 연결된 방전 저항, 상기 단위 스택과 방전 저항과 사이에 연결되어 제어 신호에 의해 동작하는 스위칭 소자 및 상기 스트링에 포함된 단위 스택의 전압을 모니터링하고, 전압 밸런싱이 필요한 단위 스택에 해당하는 스우칭 소자에 제어 신호를 출력하는 밸런싱 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 전압 밸런싱 기기는 대기 모드 및 충전모드에 사용될 수 있다. 일 예로, 상기 전압 밸런싱은 상기 밸런싱 제어부가 각 스택의 전압 감지하고 있다가, 스트링에 포함된 스택 중 가장 낮은 전압을 기준으로 다른 스택의 전압이 1V이상 차이가 날때, 상기 제어 신호를 출력하여 방전 저항으로 전류가 흐르게 할 수 있다. 그리고 상기 밸런싱 제어부는 스트링에 포함된 스택 중 가장 낮은 전압을 기준으로 다른 스택의 전압이 100mV 이하일 때, 상기 제어 신호를 출력하여 방전 저항으로 전류가 흐르지 않게 할 수 있다.
상기 밸런싱 제어부는 산출 및 다양한 제어 로직을 실행하기 위해 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 포함할 수 있다. 또한, 상술한 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(140)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 상기 메모리부에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다.
상기 전술한 컴퓨터프로그램은, 상기 컴퓨터가 프로그램을 읽어 들여 프로그램으로 구현된 상기 방법들을 실행시키기 위하여, 상기 컴퓨터의 프로세서(CPU)가 상기 컴퓨터의 장치 인터페이스를 통해 읽힐 수 있는 C/C++, C#, JAVA, Python, 기계어 등의 컴퓨터 언어로 코드화된 코드(Code)를 포함할 수 있다. 이러한 코드는 상기 방법들을 실행하는 필요한 기능들을 정의한 함수 등과 관련된 기능적인 코드(Functional Code)를 포함할 수 있고, 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 소정의 절차대로 실행시키는데 필요한 실행 절차 관련 제어 코드를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 코드는 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 실행시키는데 필요한 추가 정보나 미디어가 상기 컴퓨터의 내부 또는 외부 메모리의 어느 위치(주소 번지)에서 참조되어야 하는지에 대한 메모리 참조관련 코드를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 컴퓨터의 프로세서가 상기 기능들을 실행시키기 위하여 원격(Remote)에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 통신이 필요한 경우, 코드는 상기 컴퓨터의 통신 모듈을 이용하여 원격에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 어떻게 통신해야 하는지, 통신 시 어떠한 정보나 미디어를 송수신해야 하는지 등에 대한 통신 관련 코드를 더 포함할 수 있다.
상기 저장되는 매체는, 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상기 저장되는 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다. 즉, 상기 프로그램은 상기 컴퓨터가 접속할 수 있는 다양한 서버 상의 다양한 기록매체 또는 사용자의 상기 컴퓨터상의 다양한 기록매체에 저장될 수 있다. 또한, 상기 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장될 수 있다.
<실험예>
도 9는 실험 모듈의 구성도이다.
션트 전류(Shunt current)의 경향을 해석하기 위하여 10개의 스택(Stack)을 5개의 직렬로 2개 셋(Set)으로 구성한 실험(Test-bed)을 준비하였다. 셀(Cell)내부 유로는 변경할 수 없는 고정변수로 지정하고(channelt shunt) Stack이 직렬로 연결되는 개수(manifold shunt), 혹은 pipe의 거리(pipe shunt)에 따라 션트 전류(shunt current)의 경향을 찾아보기 위해 실험하였다.
도 10은 실험예의 전기적 결선에 대한 참고도이다.
도 9 및 10에 언급된 전해액을 공유하는 스택(Stack) 5개를 직렬로 전기적 결선하였을 시, 추정되는 실험 결과는 표 1과 같다.
<표 1>
Figure PCTKR2023018871-appb-img-000001
상기 결과를 통해 추정되는 션트 전류는 표 2와 같다.
<표 2>
Figure PCTKR2023018871-appb-img-000002
도 11은 스택 위치에 따른 션트 전류의 발생량에 대한 참고도이다.
도 11을 참조하면, 스택(stack)의 중앙으로 갈수록 션트 전류(shunt current)의 발생량이 증가하였으며 부하상태와 무부하상태의 션트 전류의 발생량이 대략 2~4A로 유사하였다.
도 12는 전기적으로 결선된 스택의 양이 증가하는 참고도이다.
도 12와 같이, 전기적으로 직렬 연결되는 스택(Stack)수의 증가에 따른 션트 전류(shunt current)의 상승을 표 3에서 확인할 수 있다.
<표 3>
Figure PCTKR2023018871-appb-img-000003
직렬 연결 스택(stack)이 1개당 대략 1A씩 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 다음으로 2개 스택(Stack)의 직렬 연결시 위치별 션트 전류(shunt current)의 경향을 알아보기 위해 아래와 같이 결선을 변경 후 실험하였다.
도 13은 스택 거리에 따른 션트 전류량 확인을 위한 참고도이다.
도 13과 같이 스택 거리에 따른 션트 전류량을 확인한 결과를 표 4에서 확인할 수 있다.
<표 4>
Figure PCTKR2023018871-appb-img-000004
실험 결과, 인접 2개 스택(stack)을 직렬 연결한 것을 기준으로 1.2~1.3A가 발생하였다. 1 개 스택(Stack)을 건너띄고 결선할 시 스택(Stack) 당 대략 0.1A씩 감소하는 경향성을 보였다. 이 것은 스택(Stack)이 직렬로 전해액을 공유할 시 매니폴드(manifold)가 거리를 두면 션트 전류(shunt current)가 감소한다는 결과를 추정할 수 있다.
도 14는 3개의 스택이 연결된 전기적 결선에 대한 참고도이다.
도 14를 참조하면, 인접한 3개의 스택이 전기적으로 연결된 경우와, 서로 떨어진 3개의 스택이 전기적으로 결선된 예시를 확인할 수 있다. 각각의 경우에 측정된 값은 표 5와 같다.
<표 5>
Figure PCTKR2023018871-appb-img-000005
인접한 3개의 스택(Stack)을 직렬 연결한 것을 기준으로 무부하시에 2.08A의 션트 전류가 발생하였으나, 스택간 거리를 두니 1.75A가 발생, 대략 0.33A가 감소함을 알 수 있었다. 이전 2개 스택을 직렬 연결할 때 거리별 실험과 비교하여, 1개의 스택이 추가되어 1A가 증가하였으나, 1개 스택 거리간으로 인하여 대략 0.1~0.15A가 저감된다는 것을 확인할 수 있었다.
아래와 같이 파이프의 전해액으로 발생하는 션트 전류(shunt current)의 경향성을 알아보기 위해 실험하였으나, 그 차이가 심하지 않았다(△A=0.09). 스택간의 거리를 극단적으로 멀게 하였을 경우 션트 전류(shunt current)가 조금 더 많이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 명세서의 실시예를 설명하였지만, 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (6)

  1. K개의 단위 모듈; 및
    상기 K개의 단위 모듈에 각각 전해액을 공급하는 전해액 탱크;를 포함하는 전해액 제조 시설로서,
    상기 각 단위 모듈은 M개의 단위 스택을 포함하고,
    상기 단위 스택 중 전해액을 공유하지 않는 단위 스택끼리 전기적으로 직렬로 연결된 스트링을 구성하는 것을 특징으로 하는 전해액 제조 시설.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스트링은, 상기 각각의 단위 모듈에서 선택된 각 1개의 단위 스택끼리 전기적으로 직렬로 연결된 M개의 스트링인 것을 특징으로 하는 전해액 제조 시설.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 스트링은, 각 단위 모듈 내 동일 위치를 가진 스택으로 구성된 것을 특징으로 하는 전해액 제조 시설.
  4. 청구항 1에 있어서,
    각 스트링에 포함된 단위 스택의 전압을 측정하여 각 스트링의 전압 밸런싱을 제어하는 전압 밸런싱 기기;를 더 포함하는 전해액 제조 시설.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전압 밸런싱 기기는,
    보조전원 배터리;
    밸런싱 제어 신호에 의해 상기 보조전원 배터리와 상기 스트링에 포함된 K개의 단위 스택 중 적어도 어느 하나의 단위 스택을 전기적으로 연결하는 밸런싱 연결부; 및
    상기 스트링에 포함된 단위 스택의 전압을 모니터링하고, 전압 밸런싱이 필요한 단위 스택에 해당하는 상기 밸런싱 연결부에 제어 신호를 출력하는 밸런싱 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 제조 시설.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전압 밸런싱 기기는,
    단위 스택의 양단 사이에 연결된 방전 저항;
    상기 단위 스택과 방전 저항과 사이에 연결되어 제어 신호에 의해 동작하는 스위칭 소자; 및
    상기 스트링에 포함된 단위 스택의 전압을 모니터링하고, 전압 밸런싱이 필요한 단위 스택에 해당하는 스우칭 소자에 제어 신호를 출력하는 밸런싱 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전해액 제조 시설.
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