KR101934570B1 - Redox flow battery - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 전류를 생성하는 스택, 스택에 제1 파이프를 통해서 공급되는 애노드 전해액을 저장하는 애노드 전해조, 애노드 전해조와 제1 연결 파이프 및 제2 연결 파이프로 연결되며, 상기 스택에 제2 파이프를 통해서 공급되는 캐소드 전해액을 저장하는 캐소드 전해조, 스택에서 제3 파이프를 통해서 배출되는 상기 캐소드 전해액을 저장하는 2상 전해조를 포함하고, 제1 연결 파이프와 상기 제2 연결 파이프는 서로 다른 높이에 위치하고, 제1 연결 파이프는 상기 애노드 전해조와 상기 캐소드 전해조 사이의 가스가 이동하는 유로를 제공하고, 제2 연결 파이프는 애노드 전해조와 상기 캐소드 전해조 사이의 수위차에 따른 전해액이 이동하는 유로를 제공한다.The redox flow cell according to the present invention comprises a stack for generating a current, an anode electrolytic cell for storing an anode electrolytic solution supplied through a first pipe to the stack, an anode electrolytic cell connected to a first connection pipe and a second connection pipe, And a two-phase electrolytic cell for storing the cathode electrolytic solution discharged from the stack through a third pipe, wherein the first connecting pipe and the second connecting pipe are connected to each other The first connection pipe provides a flow path through which the gas flows between the anode electrolytic cell and the cathode electrolytic cell and the second connection pipe connects the anode electrolytic cell and the cathode electrolytic cell to the cathode electrolytic cell, Lt; / RTI >
Description
본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것이다. The present invention relates to redox flow cells.
레독스 흐름 전지는 생산된 전력을 전력계통(grid)에 저장했다가 전력이 필요한 시기에 공급하여 에너지 효율을 높이는 에너지 저장 시스템이다. The redox flow cell is an energy storage system that stores the generated power in a grid and supplies it at the required time to increase energy efficiency.
레독스 흐름 전지는 바이폴라 전극판(bipolar electrode)과 멤브레인(membrane)을 반복적으로 적층하고, 적층된 최외곽의 양측에 집전판과 앤드 캡을 차례로 적층하여 형성되는 스택, 및 스택에 전해액을 공급하고 스택에서 내부 반응 후, 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크를 포함한다. A redox flow cell is a stack comprising a bipolar electrode and a membrane which are repeatedly laminated, a laminate of a current collector plate and an end cap laminated on both sides of the outermost layer, and an electrolyte solution is supplied to the stack And an electrolyte tank for storing an electrolytic solution flowing out after the internal reaction in the stack.
전해액은 활물질을 포함하고 있어 활물질이 산화-환원되어 충방전이 가능하도록 하며, 전지의 용량을 결정짓는 중요한 요소이다. The electrolyte contains an active material, which enables oxidation and reduction of the active material to enable charging and discharging, and is an important factor determining the capacity of the battery.
이 중 징크/브로민 흐름 전지의 전해액은 징크 이온과 브로마이드 이온으로 구성되어 있다. 브로마이드 이온의 경우, 충전 시 브롬이 되는데 브롬의 용해도가 낮아 쉽게 기화되어 손실될 수 있다. 이 때문에 반응물질의 양이 감소하여 성능이 저하되거나, 안전상의 위험이 있다. 이를 보완하기 위해 브롬 착제를 도입하여 브롬 착화합물을 형성시킴으로써 브롬의 용해도를 높여 브롬의 손실을 막는 것과 동시에 안정성을 확보할 수 있다. Among them, the electrolyte of the zinc / bromine flow cell is composed of zinc ions and bromide ions. In the case of bromide ions, bromine is converted to bromine at the time of charging. Since the solubility of bromine is low, it can easily be vaporized and lost. As a result, the amount of the reactant is reduced to deteriorate performance, or there is a safety risk. In order to compensate for this, the bromine complex is formed by introducing a bromine complex to increase the solubility of bromine, thereby preventing loss of bromine and ensuring stability.
하지만, 브롬 착화합물을 형성함으로써 점도가 증가하여 흐름성에 변화를 주며, 내부압력에 영향을 준다. 또한 징크이온의 경우, 충전시 전극에 징크로 도포되면서 유로의 간격이 좁아져 내부압력에 변화를 주며 이로 인해서 크로스오버 현상이 발생한다. However, by forming a bromine complex, the viscosity increases and changes the flowability and affects the internal pressure. Also, in the case of zinc ions, the zinc ions are applied to the electrodes at the time of charging to narrow the gap between the channels, thereby changing the internal pressure, thereby causing a crossover phenomenon.
또한, 이는 한쪽 전해조로 전해액이 이동하여 전해액의 수위차로 인해서 반응이 불균일하고 따라서 각각의 전극에 반응 물질이 공급되지 못하게 되어 전극의 수명을 단축시키는 문제점이 있다. In addition, since the electrolytic solution moves to one electrolytic cell, the reaction is not uniform due to the difference in the level of the electrolytic solution, and thus the reaction material can not be supplied to each electrode, shortening the life of the electrode.
따라서, 본 발명은 애노드 전해조와 캐소드 전해조 사이의 내압을 균일하게 유지하고, 애노드 전해조와 캐소드 전해조 사이의 수위차를 줄임으로써 반응을 균일하게 일으켜 전극의 수명을 증가시킬 수 있는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다. Accordingly, the present invention provides a redox flow cell capable of uniformly maintaining the internal pressure between the anode electrolytic cell and the cathode electrolytic cell and reducing the difference in water level between the anode electrolytic cell and the cathode electrolytic cell, thereby increasing the life of the electrode uniformly .
또한, 본 발명은 전해조의 전해액 배출시에 전해조 바닥에 전해액이 남겨지지 않는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다. The present invention also provides a redox-flow battery in which an electrolyte is not left on the bottom of an electrolytic cell when the electrolytic solution is discharged from the electrolytic bath.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지는 전류를 생성하는 스택, 스택에 제1 파이프를 통해서 공급되는 애노드 전해액을 저장하는 애노드 전해조, 애노드 전해조와 제1 연결 파이프 및 제2 연결 파이프로 연결되며, 상기 스택에 제2 파이프를 통해서 공급되는 캐소드 전해액을 저장하는 캐소드 전해조, 스택에서 제3 파이프를 통해서 배출되는 상기 캐소드 전해액을 저장하는 2상 전해조를 포함하고, 제1 연결 파이프와 상기 제2 연결 파이프는 서로 다른 높이에 위치하고, 제1 연결 파이프는 상기 애노드 전해조와 상기 캐소드 전해조 사이의 가스가 이동하는 유로를 제공하고, 제2 연결 파이프는 애노드 전해조와 상기 캐소드 전해조 사이의 수위차에 따른 전해액이 이동하는 유로를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a redox flow cell comprising: a stack for generating a current; an anode electrolytic cell storing an anode electrolytic solution supplied through a first pipe to the stack; A cathode electrolytic cell connected to the stack through a second pipe and storing a cathode electrolytic solution supplied through the second pipe; and a two-phase electrolytic cell storing the cathode electrolytic solution discharged from the stack through a third pipe, Wherein the second connecting pipe is located at a different height and the first connecting pipe provides a flow path through which the gas between the anode electrolytic bath and the cathode electrolytic bath is moved and the second connecting pipe is connected to the cathode electrolytic bath, Thereby providing a flow path through which the electrolytic solution moves.
상기 제1 연결 파이프는 상기 애노드 전해조의 바닥으로부터 제1 높이에 위치하고, 제2 연결 파이프는 상기 애노드 전해조의 바닥으로부터 제2 높이에 위치하고, 제1 높이는 상기 제2 높이보다 상기 애노드 전해조의 상부에 더 인접하게 위치할 수 있다.The first connecting pipe is located at a first height from the bottom of the anode electrolyzer and the second connecting pipe is located at a second height from the bottom of the anode electrolyzer and the first height is higher than the second height at the top of the anode electrolyzer Can be positioned adjacent.
상기 제1 높이는 상기 애노드 전해조 및 상기 캐소드 전해조에 최초로 채워지는 전해액의 수면의 높이 이고, 제2 높이는 애노드 전해조 및 상기 캐소드 전해조에 최초로 채워지는 전해액이 1회 상기 스택을 통과하여 저장되는 상기 애노드 전해조 및 상기 캐소드 전해조의 평균 수면 높이일 수 있다.Wherein the first height is a height of a water surface of the electrolyte that is initially filled in the anode electrolyzer and the cathode electrolyzer and the second height is an anode electrolyzer in which the anode electrolytic bath and the electrolytic solution first filled in the cathode electrolytic bath are stored through the stack once, And may be an average water surface height of the cathode electrolyzer.
상기 제1 파이프 및 제2 파이프에 각각 설치되어 있는 제어 밸브를 더 포함하고, 제어 밸브는 상기 제1 파이프와 제2 파이프의 내압을 측정하는 압력 센서, 상기 압력 센서와 연결되어 있는 비율 밸브를 포함할 수 있다. And a control valve provided in each of the first pipe and the second pipe, wherein the control valve includes a pressure sensor for measuring the internal pressure of the first pipe and the second pipe, and a ratio valve connected to the pressure sensor can do.
상기 애노드 전해조, 캐소드 전해조 및 상기 2상 전해조의 바닥은 제1 파이프 및 제2 파이프로 애노드 전해액 및 캐소드 전해액이 흐르도록 파이프 및 제2 파이프를 향해서 기울어진 경사면을 포함할 수 있다.The bottom of the anode electrolyzer, the cathode electrolyzer, and the two-phase electrolyzer may include an inclined surface inclined toward the pipe and the second pipe so that the anode electrolytic solution and the cathode electrolytic solution flow through the first pipe and the second pipe.
상기 캐소드 전해조와 상기 2상 전해조 사이에 설치되어 있는 오버 플로우 관을 더 포함할 수 있다.And an overflow pipe installed between the cathode electrolyzer and the two-phase electrolyzer.
상기 오버 플로우 관의 일측은 제2 높이보다 캐소드 전해조의 바닥과 더 인접하게 위치할 수 있다. One side of the overflow tube may be located closer to the bottom of the cathode electrolyzer than the second height.
본 발명에서와 같이 레독스 흐름 전지를 제조하면 애노드 전해조와 캐소드 전해조 사이의 내압을 균일하게 유지하면서도, 균일한 수위를 유지하도록 함으로써 반응이 불균일하게 진행되는 것을 방지할 수 있다.As described in the present invention, by manufacturing the redox flow cell, uniform pressure is maintained between the anode electrolytic cell and the cathode electrolytic cell while maintaining a uniform water level, thereby preventing the reaction from proceeding unevenly.
따라서, 레독스 흐름 전지의 전극 수명을 증가시킬 수 있다. Therefore, the electrode life of the redox-flow battery can be increased.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 적용된 스택의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 III-III선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2의 IV-IV선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1에 적용된 전해조의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic block diagram of a redox flow cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is an exploded perspective view of the stack applied to Figure 1;
3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in Fig.
5 is a schematic cross-sectional view of the electrolyzer applied to Fig.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. In the following detailed description, the names of components are categorized into the first, second, and so on in order to distinguish them from each other in the same relationship, and are not necessarily limited to the order in the following description. Throughout the specification, when a component is referred to as "comprising ", it means that it can include other components as well, without excluding other components unless specifically stated otherwise. The term " unit ", "unit "," part ", "member ", and the like refer to a unit of a comprehensive configuration that performs at least one function or operation.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 레독스 흐름 전지대해서 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a redox flow cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1에 적용된 스택의 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 III-III선을 따라 잘라 도시한 단면도이고, 도 4는 도 2의 IV-IV선을 따라 잘라 도시한 단면도이고, 도 5는 도 1에 적용된 전해조의 개략적인 단면도이다.FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a redox flow cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of the stack applied to FIG. 1, and FIG. 3 is a cross- Fig. 4 is a cross-sectional view cut along the line IV-IV in Fig. 2, and Fig. 5 is a schematic cross-sectional view of the electrolyzer applied to Fig.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는 스택(100), 스택(100)에 전해액을 공급하고 스택(100)에서 배출되는 전해액을 저장하는 전해조(200, 300, 400), 전해조(200, 300, 400)와 스택(100) 사이를 연결하는 순환부를 포함한다. 1 and 2, a redox flow battery according to an embodiment of the present invention includes a
스택(100)은 버스바(B1, B2)를 통하여 외부의 전하에 연결되어 스택(100)의 내부에서 생성된 전류를 방전할 수 있다.The
예를 들면, 스택(100)은 단위 셀들(C1, C2)을 복수로 적층하여 구성할 수 있다. 설명의 편의상, 본 발명의 실시예에서는 좌우 양측에 위치하는 제1 단위 셀(C1) 및 제2 단위 셀(C2)을 예로 들어 설명한다. For example, the
도 3 및 도 4를 참조하면, 스택(100)은 멤브레인(10), 스페이서(20), 전극판(30), 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50), 제1 집전판(61), 제2 집전판(62), 제1 앤드 캡(71) 및 제2 앤드 캡(72)을 포함한다. 3 and 4, the
스택(100)은 복수의 단위 셀(C1, C2)을 구비하므로, 전극 흐름 프레임(50)을 중앙에 구비하고, 전극 흐름 프레임(50)의 양측에 좌우 대칭 구조로 배치되는 2개의 멤브레인 흐름 프레임(40), 멤브레인 흐름 프레임(40)의 외곽에 각각 배치되는 한 쌍의 제1 앤드 캡(71) 및 제2 앤드 캡(72)을 포함한다. Since the
멤브레인(10)은 이온을 통과시키도록 구성되고, 멤브레인 흐름 프레임(40)의 두께 방향 중심에 결합되고, 전극판(30)은 전극 흐름 프레임의 두께 방향 중심에 결합된다.The
제1앤드 캡(71), 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50), 멤브레인 흐름 프레임(40) 및 제2앤드 캡(72)을 배치하고, 멤브레인(10)과 전극판(30) 사이에 각각 스페이서(20)를 개재하여 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)을 서로 접합함으로써, 복수의 단위 셀들(C1~C2)을 구비한 스택(100)이 형성된다.The
전극판(61, 62)은 복수의 단위 셀(C1, C2)이 연결되는 부분에서는 일측으로 애노드 전극(32)을 형성하고, 다른 측으로 캐소드 전극(31)을 형성하여, 복수의 단위 셀들(C1, C2)을 직렬로 연결하는 바이폴라 전극을 형성한다. 캐소드 전극(31)에는 카본 코팅층이 형성될 수 있다. The
멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 제1 앤드 캡(71)은 서로 접착되어 멤브레인(10)과 전극판(30) 사이에 내부 용적(S)을 설정하며, 내부 용적(S)에 전해액을 공급하는 제1 유로 채널(CH1), 제2 유로 채널(CH2)이 형성된다. 제1 유로 채널(CH1) 및 제2 유로 채널(CH2)은 멤브레인(10)의 양면에 각각 균일한 압력과 양으로 전해액을 공급하도록 구성된다. The
제1 유로 채널(CH1)은 애노드 전해액 유입구(H21), 내부 용적(S) 및 애노드 전해액 유출구(H22)를 연결하여, 제1 펌프(P1)의 구동에 의하여 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 설정되는 내부 용적(S)으로 애노드 전해액을 유비하여 반응 후 유출 가능하게 한다.The first channel channel CH1 connects the anode electrolyte solution inlet H21 and the internal volume S and the anode electrolyte solution outlet H22 so that the
제2 유로 채널(CH2)는 캐소드 전해액 유입구(H31), 내부 용적(S) 및 캐소드 전해액 유출구(H32)를 연결하여, 제2 펌프(P2)의 구동에 의하여, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 설정되는 내부 용적(S)으로 캐소드 전해액을 유입하여 반응 후 유출 가능하게 한다.The second flow channel CH 2 connects the cathode
멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50), 제1 앤드 캡(71), 제2 앤드 캡(72)은 합성 수지 성분을 포함하는 전기 절연 물질로 이루어지며, 열융착 또는 진동 융착으로 접착될 수 있다.The
본 발명에 따른 흐름 전지는 징크-브로민 흐름 전지일 수 있으며, 충전시, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서는 [식 1]과 같은 반응이 발생하고, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에는 [식 2]와 같은 반응이 발생할 수 있다. The flow cell according to the present invention may be a zinc-bromine flow battery. During charging, a reaction as shown in [Equation 1] occurs between the
[식 1] [Formula 1]
2Br― → 2Br+2e- 2Br - > 2Br + 2e -
[식 2][Formula 2]
Zn2 ++2e- → Zn Zn 2 + + 2e - → Zn
반대로, 방전시에는 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서, [식 1]의 역 반응이 일어나고, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에서는 [식 2]의 역 반응이 일어난다.Conversely, during the discharge, a reverse reaction of [Equation 1] occurs between the
제1 집전판(61)과 제2 집전판(62)은 캐소드 전극(31)과 애노드 전극(32)에서 생성된 전류를 모으거나, 외부에서 캐소스 전극(31) 및 애노드 전극(32)에 전류를 공급하도록 최외곽 전극판(30)에 접착되어 전기적으로 연결될 수 있다. The first
제1 버스바(B1)와 제2 버스바(B2)는 제1 집전판(61) 및 제2 집전판(62)에 각각 전기적으로 연결되며, 스택(100)의 외부로 전류를 인출하거나 외부의 전류를 스택(100)으로 공급할 수 있게 한다. The first bus bar B1 and the second bus bar B2 are electrically connected to the first
제1 앤드 캡(71)은 제1 버스바(B1)가 연결된 제1 집전판(61)과 제1 집전판(61)에 연결되는 전극판(30)을 수용하여 스택(100)의 일측 외곽을 형성한다. 이때, 제1앤드 캡(71)은 버스바(B1) 제1집전판(61) 및 전극판(30)과 일체로 형성될 수 있으며, 버스바(B1) 제1집전판(61) 및 전극판(30)을 삽입하여 인서트 사출로 성형될 수 있다.The
제2 앤드 캡(72)은 제2 버스바(B2)가 연결된 제2 집전판(62), 제2 집전판(62)에 연결되는 전극판(30)을 수용하여 엘체로 형성되어 스택(100)의 다른 일측 외곽을 형성할 수 있다. 제2 앤드 캡(72)은 제2 버스바(B2), 제2 집전판(62) 및 전극판(30)을 삽입하여 인서트 사출로 형성될 수 있다.The
제1앤드 캡(71)은 일측에 애노드, 캐소드 전해액 유입구(H21, H31)를 구비하여 제1, 제2유로 채널(CH1, CH2)에 연결되어, 애노드 전해액과 캐소드 전해액을 각각 유입한다. 제2앤드 캡(72)은 일측에 애노드, 캐소드 전해액 유출구(H22, H32)를 구비하여 제1, 제2유로 채널(CH1, CH2)에 연결되어 애노드 전해액과 캐소드 전해액을 각각 유출한다.The
다시 도 1 및 도 2를 참고하면, 애노드 전해조(200)는 스택(100)의 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 애노드 전해액을 공급하고, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이를 경유하여 유출되는 애노드 전해액을 수용한다. 애노드 전해액(anolyte)은 징크를 포함하는 전해액일 수 있다. 1 and 2, the anode
캐소드 전해조(300)는 스택(100)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 캐소드 전해액을 공급한다. 캐소드 전해액(catholyte)는 브로민을 포함하는 전해액일 수 있다. The
2상 전해조(400)는 스택(100)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이를 경유하여 유출되는 캐소드 전해액(2상 전해액)을 수용한다. 2상 전해조(400)의 전해액은 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서 유출되는 캐소드 전해액으로 비중에 따라 2상으로 분리될 수 있다. 이중, 중혼합 브로민은 2상 전해조의 하부에 위치하고, 수성 브로민은 2상 전해조의 상부에 위치한다. The two-phase
2상 전해조(400)는 캐소드 전해조(200)와 오브 플로우 관(도시하지 않음)으로 연결될 수 있으며, 2상 전해조(400)의 상부에 위치하는 수성 브로민은 오버 플로우 관을 통해서 캐소드 전해조(300)로 전달될 수 있다. 이때, 캐소드 전해조(300) 내에 위치하는 오버 플로우 관의 일단은 캐소드 전해조(300)의 수면과 인접하거나, 수면에 잠기게 배치하여 전해액의 유입시 전해액의 낙하로 인해서 전해액에 기포가 발생되는 것을 최소화하는 것이 바람직하다. The two-phase
도 5를 참조하면, 애노드 전해조(200)와 캐소드 전해조(300) 사이에는 제1 연결 파이프(L51) 및 제2 연결 파이프(L52)가 설치될 수 있다. 제1 연결 파이프(L51)와 제2 연결 파이프(52)에는 각각 밸브(V1, V2)가 설치되어 있다. Referring to FIG. 5, a first connection pipe L51 and a second connection pipe L52 may be provided between the anode
제1 연결 파이프(L51)는 애노드 전해조(200)와 캐소드 전해조(300)에서 발생되는 가스가 이동하는 가스 유로를 제공하며, 가스의 이동에 의해서 애노드 전해조(200) 및 캐소드 전해조(300) 내부 압력이 균형을 이룬다.The first connection pipe L51 provides a gas flow path through which the gas generated from the anode
제2 연결 파이프(L52)는 애노드 전해조(200)와 캐소드 전해조(300)의 전해액의 수위 차이를 보상하기 위한 것으로, 어느 한 전해조의 수위가 높을 경우 제2 연결 파이프(L52)의 밸브(V2)를 개방하면 수압에 의해서 전해액이 이동하여 애노드 전해조(200)와 캐소드 전해조(300) 내의 전해액이 동일한 높이의 수위를 유지할 수 있다. The second connection pipe L52 is provided to compensate for the difference in the level of the electrolytic solution between the
제1 연결 파이프(L51)와 제2 연결 파이프(L52)는 서로 다른 높이에 위치할 수 있으며, 각각 제1 높이(H1)와 제2 높이(H2)에 설치될 수 있다. 제1 높이(H1)는 제2 높이(H2)보다 애노드 전해조(200)의 상부에 더 인접하게 위치할 수 있다. The first connection pipe L51 and the second connection pipe L52 may be located at different heights and may be installed at the first height H1 and the second height H2, respectively. The first height H1 may be located closer to the top of the
제1 높이(H1)는 초기에 채워지는 애노드 전해액 및 캐소드 전해액의 수위이다. The first height H1 is the level of the anode electrolyte and the cathode electrolyte initially filled.
제1 높이(H1)의 애노드 전해액 및 캐소드 전액이 스택(100)을 통과하면 스택(100)에 잔류하거나 순환부에 잔류하는 양만큼 전해액이 줄어들어 애노드 전해조(200) 및 캐소드 전해조(300)에 채워지는 전해액의 수위가 낮아질 수 있으며, 이때 수위는 제1 높이(H1)다 낮게 된다. When the anode electrolyte of the first height H1 and the cathode whole liquid pass through the
스택(100)을 통과한 애노드 전해액과 캐소드 전해액은 각각 애노드 전해조(200) 및 2상 전해조(400)에 각각 유입된다. 이후, 2상 전해조(400)에서 넘치는 전해액이 오브 플로우관(201)을 통해서 캐소드 전해조(300)로 이동한다. The anode electrolytic solution and the cathode electrolytic solution that have passed through the
따라서, 애노드 전해조(200)의 수위가 캐소드 전해조(200)의 수위보다 높아 수위차가 발생할 수 있다. 이때, 제2 연결 파이프(L52)의 밸브(V2)를 개방하면 상대적으로 높은 위치의 애노드 전해조(200)의 전해액이 상대적으로 낮은 위치의 캐소드 전해조(300)로 이동하여 애노드 전해조(200) 및 캐소드 전해조(300)의 수위가 같게 된다. Accordingly, the water level of the anode
따라서, 제2 높이(H2)는 초기에 채워진 애노드 전해액 및 캐소드 전해액이 스택(100)을 순환한 후 채워지는 애노드 전해액과 캐소드 전해액의 평균 수면과 동일한 위치이다. Accordingly, the second height H2 is the same as the average water surface of the anode electrolyte and the cathode electrolyte, which is filled after the initially filled anode electrolyte and cathode electrolyte circulate in the
애노드 전해조(200), 캐소드 전해조(300) 및 2상 전해조(400)의 바닥면은 전해조의 측벽을 향해서 기울어진 경사면(SD)을 포함한다. The bottom surfaces of the
스택(100)과 전해조(200, 300, 400)는 순환부로 연결될 수 있으며, 애노드 전해액 및 캐소드 전해액은 순환부를 통해서 스택(100)과 전해조(200, 300, 400)를 순환할 수 있다. The
다시, 도 1 및 도 2를 참조하면 순환부는 복수의 파이프(L21, L22, L31, L32, L41) 및 펌프(P1, P2)를 포함할 수 있다. 애노드 전해조(200)와 스택의 애노드 유입구(H21) 사이는 제1 파이프(L21)로 연결되고, 애노드 전해조(200)와 스택의 애노드 배출구(H22)는 제2 파이프(L22)로 연결되고, 캐소드 전해조(300)와 스택의 캐소드 유입구(H31) 사이는 제3 파이프(L31)로 연결되고, 캐소드 배출구(H32)와 2상 전해조(400) 사이는 제4 파이프(L32)를 통해서 연결된다. 이때, 제1 파이프(L21) 및 제3 파이프(L31)에는 각각 제1 펌프(P1) 및 제2 펌프(P2)가 설치될 수 있으며, 제1 펌프 및 제2 펌프(P1, P2)에 공급되는 전해액은 제어 밸브(VV1, VV2)에 의해서 제어될 수 있다.Referring again to FIGS. 1 and 2, the circulation unit may include a plurality of pipes L21, L22, L31, L32, and L41 and pumps P1 and P2. An anode outlet H22 of the
캐소드 전해조(300)와 캐소드 유입구(H31)를 연결하는 제3 파이프(L31)는 분기되어 2상 전해조(400)와 연결되는 가지 파이프(L41)를 더 포함할 수 있다. 가지 파이프(L1)에는 밸브(V3)가 설치될 수 있다. The third pipe L31 connecting the
한편, 본 발명의 한 실시예에 따른 전해조의 바닥은 경사면(SD)을 포함하고, 경사면(SD)은 제1 파이프(L21) 및 제3 파이프(L31)를 향해서 전해액이 흐를 수 있도록 기울어질 수 있다. 이처럼, 경사면(SD)을 형성하면 전해액이 경사면(SD)을 따라서 이동하므로, 용이하게 파이프로 전달될 수 있어, 전해조 바닥에 남겨지는 전해액을 최소화할 수 있다. 경사면은 전해조 측벽에 대해서 수직한 가상의 면에 대해서 10° 이상의 경사각(θ)으로 기울어질 수 있다. Meanwhile, the bottom of the electrolyzer according to an embodiment of the present invention includes the inclined surface SD, and the inclined surface SD can be tilted so that the electrolytic solution can flow toward the first pipe L21 and the third pipe L31 have. When the inclined plane SD is formed, the electrolyte moves along the inclined plane SD, so that it can be easily transferred to the pipe, so that the electrolyte remaining on the bottom of the electrolyzer can be minimized. The inclined plane can be inclined at an inclination angle? Of 10 degrees or more with respect to a virtual plane perpendicular to the electrolytic cell side wall.
또한, 제1 파이프 내지 제4 파이프에는 각각 제어 밸브(VV1, VV2, VV3, VV4)가 설치될 수 있다. 제어 밸브(VV1, VV2, VV3, VV4)는 파이프 내의 압력을 감지하는 압력 센서와 비율 밸브를 포함하며, 압력 센서와 비율 밸브는 제어부(700)에 연결될 수 있다. 제어부(700)는 압력 센서로부터 측정된 압력 정보를 입력 받아서, 압력에 따른 비율 밸브의 개방 정도를 판단하여 비율 밸브를 제어한다. In addition, control valves VV1, VV2, VV3, and VV4 may be installed in the first pipe to the fourth pipe, respectively. The control valves VV1, VV2, VV3, and VV4 include a pressure sensor and a ratio valve for sensing the pressure in the pipe, and the pressure sensor and the ratio valve can be connected to the
즉, 제1 파이프 및 제3 파이프의 압력이 높고, 제2 파이프 및 제4 파이프의 압력이 낮아 이들 사이에 압력 차이가 발생하고, 이로 인해서 스택 내부의 압력이 균일하지 않을 수 있다. 이처럼, 전해액이 주입되는 부분과 배출되는 부분에서의 압력 차이가 발생하면, 전지의 전기적 특성이 감소할 수 있다.That is, the pressures of the first pipe and the third pipe are high, the pressures of the second pipe and the fourth pipe are low, and a pressure difference is generated therebetween, so that the pressure inside the stack may not be uniform. As described above, if a pressure difference occurs between a portion where the electrolyte is injected and a portion where the electrolyte is injected, the electrical characteristics of the battery may be reduced.
따라서, 측정된 압력이 높으면 비율 밸브를 개방하여 압력을 줄이고, 압력이 낮으면 비율 밸브를 조여 압력을 증가시켜, 제1 파이프와 제2 파이프 사이의 압력 차이, 제3 파이프와 제4 파이의 사이의 압력 차이가 발생하지 않도록 조절할 수 있다. 물론, 제1 펌프 및 제2 펌프의 전압을 증가시키거나, 줄여 전해액의 유량 속도를 변화시킴으로써 압력 차이를 줄일 수 있다. Accordingly, if the measured pressure is high, the ratio valve is opened to reduce the pressure, and if the pressure is low, the ratio valve is tightened to increase the pressure so that the pressure difference between the first pipe and the second pipe, Can be adjusted so that the pressure difference of the first and second pressure chambers does not occur. Of course, it is possible to reduce the pressure difference by increasing or decreasing the voltage of the first pump and the second pump and changing the flow rate of the electrolytic solution.
에너지 효율 및 전하량 효율 비교Comparison of energy efficiency and charge efficiency
전극은 카본 플라스틱(롯데 캐미컬 제조)으로, 600㎛두께로 제조하였고, 멤브레인은 아사히 제품명 SF601이고, 600㎛의 두께로 제조되었다.The electrode was made of carbon plastic (manufactured by Lotte Chemical Co., Ltd.) to have a thickness of 600 mu m, and the membrane was manufactured by Asahi product name SF601 to have a thickness of 600 mu m.
에너지 효율, 전압 효율 및 전하량 효율은 각각 아래 식3, 식4, 식5로 구해질 수 있다.Energy efficiency, voltage efficiency, and charge efficiency can be obtained from Equation 3, Equation 4, and Equation 5, respectively.
[식 3][Formula 3]
에너지 효율 (Energy Efficiency, EE) = (방전에너지 (Wh) / 충전에너지 (Wh)) *100Energy Efficiency (EE) = (discharge energy (Wh) / charge energy (Wh)) * 100
[식 4][Formula 4]
전압 효율 (Voltage Efficiency, VE) = (에너지 효율 / 전하량 효율) *100Voltage Efficiency (VE) = (energy efficiency / charge efficiency) * 100
[식 5][Formula 5]
전하량 효율 (Current Efficiency, CE) = (방전용량 (Ah) / 충전용량(Ah)) * 100Current Efficiency (CE) = (Discharging Capacity (Ah) / Charging Capacity (Ah)) * 100
[비교예][Comparative Example]
10cycle 충방전을 진행시 에너지 효율, 전압 효율 및 전하량 효율을 측정하였다. Energy efficiency, voltage efficiency and charge efficiency were measured during 10 cycle charge / discharge.
[표 1]을 참조하면, 충방전이 진행될수록 에너지 효율, 전압 효율 및 전하량 효율이 감소하는 것을 알 수 있으며, 전하량 효율의 감소폭이 큰 것을 확인할 수 있다. Referring to Table 1, it can be seen that the energy efficiency, the voltage efficiency and the charge efficiency decrease as the charge / discharge progresses, and the reduction in the charge efficiency is large.
[실시예][Example]
5cycle 충방전을 진행한 후, 방전 직후에 제2 연결 파이프를 열어 수위를 조절한 후 충방전을 진행하였다. After 5 cycles charging / discharging, the second connecting pipe was opened immediately after discharging to regulate the water level, and the charge / discharge proceeded.
있음
has exist
있음
has exist
[표 2]를 참조하면, 제2 연결 파이프를 열어 전해액을 이동시켜 애노드 전해조와 캐소드 전해조 사이의 전해액 수위가 동일하게 유지시켰다. 이후, 충방전을 진행하면, 에너지 효율, 전압 효율 및 전하량 효율이 감소하지 않고 유지되거나, 일부 증가한 것을 확인 할 수 있다. 이는 크로스 오버에 의한 이온 공급 불균형이 해소되어 방전 전하량이 증가함으로써 에너지 효율이 저하되는 것을 방지하기 때문이다.Referring to Table 2, the second connection pipe was opened to move the electrolytic solution to maintain the electrolyte level between the anode electrolyzer and the cathode electrolyzer at the same level. Thereafter, it can be confirmed that the energy efficiency, the voltage efficiency, and the charge efficiency are maintained or decreased, while the charge and discharge are progressed. This is because the irregularity of the ion supply caused by the crossover is solved and the discharge charge amount is increased to prevent the energy efficiency from being lowered.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.
10: 멤브레인 20: 스페이서
30: 전극판 31: 캐소드 전극
32: 애노드 전극 40: 멤브레인 흐름 프레임
50: 전극 흐름 프레임 61, 62: 제1, 제2집전판
71, 72: 제1, 제2앤드 캡 100: 스택
200: 애노드 전해조 300: 캐소드 전해조
400: 2상 전해조10: membrane 20: spacer
30: electrode plate 31: cathode electrode
32: anode electrode 40: membrane flow frame
50:
71, 72: first and second end caps 100: stack
200: anode electrolyzer 300: cathode electrolyzer
400: Two phase electrolyzer
Claims (6)
상기 스택에 제1 파이프를 통해서 공급되는 애노드 전해액을 저장하는 애노드 전해조,
상기 애노드 전해조와 제1 연결 파이프 및 제2 연결 파이프로 연결되며, 상기 스택에 제2 파이프를 통해서 공급되는 캐소드 전해액을 저장하는 캐소드 전해조,
상기 스택에서 제3 파이프를 통해서 배출되는 상기 캐소드 전해액을 저장하는 2상 전해조,
상기 캐소드 전해조와 상기 2상 전해조 사이에 설치되며 수위차에 따라 전해액이 이동하는 오버 플로우 관
을 포함하고,
상기 제1 연결 파이프와 상기 제2 연결 파이프는 서로 다른 높이에 위치하고,
상기 제1 연결 파이프는 상기 애노드 전해조와 상기 캐소드 전해조 사이의 가스가 이동하는 유로를 제공하고,
상기 제2 연결 파이프는 상기 애노드 전해조와 상기 캐소드 전해조 사이의 수위차에 따른 전해액이 이동하는 유로를 제공하고,
상기 오버 플로우 관의 일측은 상기 제1 연결 파이프의 일측과 같은 높이에 위치하고,
상기 오버 플로우 관의 타측은 상기 제2 연결 파이프의 일측과 같거나, 상기 제2 연결 파이프의 일측보다 상기 2상 전해조의 바닥에 더 인접하게 위치하는 레독스 흐름 전지.A stack generating current,
An anode electrolytic cell storing an anode electrolytic solution supplied through the first pipe to the stack,
A cathode electrolytic cell connected to the anode electrolytic cell, the first connection pipe and the second connection pipe, for storing the cathode electrolytic solution supplied through the second pipe to the stack,
A two-phase electrolytic bath for storing the cathode electrolytic solution discharged through the third pipe in the stack,
An overflow pipe installed between the cathode electrolytic cell and the two-phase electrolytic cell,
/ RTI >
Wherein the first connecting pipe and the second connecting pipe are located at different heights,
The first connection pipe provides a flow path through which gas between the anode electrolyzer and the cathode electrolyzer moves,
Wherein the second connection pipe provides a flow path through which the electrolyte flows according to a difference in water level between the anode electrolyzer and the cathode electrolyzer,
Wherein one side of the overflow pipe is located at the same height as one side of the first connecting pipe,
Wherein the other side of the overflow pipe is the same as one side of the second connecting pipe or is located closer to the bottom of the two-phase electrolytic cell than one side of the second connecting pipe.
상기 제1 연결 파이프는 상기 애노드 전해조의 바닥으로부터 제1 높이에 위치하고,
상기 제2 연결 파이프는 상기 애노드 전해조의 바닥으로부터 제2 높이에 위치하고,
상기 제1 높이는 상기 제2 높이보다 상기 애노드 전해조의 상부에 더 인접하게 위치하는 레독스 흐름 전지.The method of claim 1,
Wherein the first connecting pipe is located at a first height from the bottom of the anode electrolyzer,
The second connecting pipe is located at a second height from the bottom of the anode electrolyzer,
Wherein the first height is located closer to the top of the anode electrolyzer than the second height.
상기 제1 높이는 상기 애노드 전해조 및 상기 캐소드 전해조에 최초로 채워지는 전해액의 수면의 높이 이고,
상기 제2 높이는 상기 애노드 전해조 및 상기 캐소드 전해조에 최초로 채워지는 전해액이 1회 상기 스택을 통과하여 저장되는 상기 애노드 전해조 및 상기 캐소드 전해조의 평균 수면 높이인 레독스 흐름 전지.3. The method of claim 2,
Wherein the first height is a height of a water surface of an electrolyte first filled in the anode electrolyzer and the cathode electrolyzer,
Wherein the second height is an average water surface height of the anode electrolytic cell and the cathode electrolytic cell, through which the electrolytic solution initially filled in the anode electrolytic cell and the cathode electrolytic cell passes through the stack once.
상기 애노드 전해조, 상기 캐소드 전해조 및 상기 2상 전해조의 바닥은 상기 제1 파이프 및 제2 파이프로 상기 애노드 전해액 및 캐소드 전해액이 흐르도록 상기 제1 파이프 및 상기 제2 파이프를 향해서 기울어진 경사면을 포함하는 레독스 흐름 전지.The method of claim 1,
Wherein the bottom of the anode electrolyzer, the cathode electrolyzer, and the two-phase electrolyzer includes an inclined surface inclined toward the first pipe and the second pipe so that the anode electrolytic solution and the cathode electrolytic solution flow into the first pipe and the second pipe Redox flow cell.
상기 오버 플로우 관의 일측은 상기 제2 높이보다 상기 캐소드 전해조의 바닥과 더 인접하게 위치하는 레독스 흐름 전지.3. The method of claim 2,
Wherein one side of the overflow tube is positioned closer to the bottom of the cathode electrolyzer than the second height.
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