KR20200041121A

KR20200041121A - 레독스 흐름전지

Info

Publication number: KR20200041121A
Application number: KR1020180121189A
Authority: KR
Inventors: 김부기; 이동영; 김기현; 최담담; 박상현; 최강영
Original assignee: 스탠다드에너지(주)
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2020-04-21
Also published as: WO2020075899A1

Abstract

본 발명은 레독스 흐름전지에 관한 것으로, 내부에 양극 전극과 음극 전극을 포함하는 전지셀;과 양극 전해액 저장부와 음극 전해액 저장부를 포함하는 전해액 탱크;와 상기 전해액 탱크와 상기 전지셀을 연결하여 전해액이 이송되는 전해액 유로;와 외부에서 생성된 압력을 상기 전해액 유로에 전달하는 유체 제어부;를 구비하는 전지 모듈을 포함하며, 상기 전지 모듈은 하나 또는 둘 이상이 구비되되, 상기 전지 모듈은 독립적으로 전해액을 순환시켜 충전 및 방전하거나, 복수 개의 상기 전지 모듈에서 전해액을 순환시켜 충전 및 방전하며, 상기 양극 전해액 저장부와 상기 음극 전해액 저장부를 연결하는 전해액 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

레독스 흐름전지 {Redox flow battery}

본 발명은 레독스 흐름전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지셀마다 양극 전해액 및 음극 전해액을 보관하는 전해액 탱크와 전지셀로 전해액을 이송하기 위한 유체 제어부를 구비하여 반응 시간을 줄이고, 분류 전류(shunt current)의 발생을 억제할 수 있으며, 전해액 연결부를 통해 양극 전해액 저장부와 음극 전해액 저장부에 저장되는 전해액의 밸런스를 유지할 수 있는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.

최근 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스 배출을 억제하기 위한 방법으로 태양광에너지나 풍력에너지 같은 재생에너지가 각광을 받고 있으며 이들의 실용화 보급을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 재생에너지는 입지환경이나 자연조건에 의해 크게 영향을 받는다. 더욱이, 재생에너지는 출력 변동이 심하기 때문에 에너지를 연속적으로 고르게 공급할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 재생에너지를 가정용이나 상업용으로 사용하기 위해서는 출력이 높을 때 에너지를 저장하고 출력이 낮을 때 저장된 에너지를 사용할 수 있는 시스템을 도입하여 사용하고 있다.

이러한 에너지 저장 시스템으로는 대용량 이차전지가 사용되는데, 일례로, 대규모 태양광발전 및 풍력발전 단지에는 대용량 이차전지 저장시스템이 도입되어져 있다. 상기 대용량의 전력저장을 위한 이차전지로는 납축전지, 황화나트륨(NaS)전지 그리고 레독스 흐름전지(RFB, redox flow battery) 등이 있다.

상기 납축전지는 다른 전지에 비해 상업적으로 널리 사용되고 있으나 낮은 효율 및 주기적인 교체로 인한 유지보수의 비용과 전지 교체 시 발생하는 산업폐기물의 처리문제 등의 단점이 있다. NaS 전지의 경우 에너지 효율이 높은 것이 장점이나 300℃ 상의 고온에서 작동하는 단점이 있다. 레독스 흐름전지는 상온에서 작동 가능하며 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 근 대용량 이차전지로 많은 연구가 진행되고 있다.

레독스 흐름전지는 연료전지와 유사하게 분리막(멤브레인), 전극 및 분리판(Bipolar plate)이 직렬(Series)로 배치되어 스택(Stack)을 구성함으로써, 전기에너지의 충방전이 가능한 이차전지(Secondary battery)의 기능을 가진다. 레독스 흐름전지는 분리막의 양측에 양극 및 음극 전해액 저장탱크에서 공급된 양극 전해액(Electrolyte)과 음극 전해액이 순환하면서 이온 교환이 이루어지고 이 과정에서 전자의 이동이 발생하여 충방전이 이루어진다. 이와 같은 레독스 흐름전지는 기존 이차전지에 비해 수명이 길고 kW 내지 MW급 중대형 시스템으로 제작할 수 있기 때문에 ESS(Energy storage system)에 가장 적합한 것으로 알려져 있다.

그러나 레독스 흐름전지는 양극 전해액과 음극 전해액을 저장하는 탱크가 별

도로 일정 공간을 두고 배치되는 구조(예를 들면 스택의 양측 또는 하측에 일정 공

간을 두고 전해액 탱크가 배치되는 구조)로, 스택과 전해액 탱크를 연결하는 전해액 순환관에 의해 전반적인 시스템의 부피에 있어서, 유사한 전력 저장 용량을 기준으로 다른 전력저장 장치인 납축전지나, 리튬이온 전지 및 리튬-황전지와 비교하

여 상대적으로 큰 단점이 있다.

또한, 스택, 펌프 및 전해액 탱크와 연결되는 전해액 순환관이 다수 구비되어야 하므로, 각각의 스택에 전해액을 일정하게 공급하기 위해 일정 기준 이상의 펌프 용량이 요구되는데, 전해액 순환관의 길이가 길어질수록 펌프의 요구 용량이 증대되어 펌프의 크기 및 전지의 제조 단가가 증대되는 문제점이 있으며, 펌프용량 증대에 따른 소비전력이 증가하면서 전반적인 전지 효율이 저하되는 문제점이 수반되고 있다.

아울러, 일반적인 전지는 충방전 동작이 수행되는 작동 응답성이 빨라야 한다. 그러나 레독스 흐름전지의 경우 정지된 상태에서 충방전을 위해 가동을 시킬 경우 펌프에 의해 전해액이 스택 내부로 순환되기까지 시간이 소요되고, 소요되는 시간 만큼의 응답성이 저하되며, 셀, 스택과 펌프를 연결하는 내화학성 배관이 다수 필요하므로 원가가 상승하는 문제점이 있었다.

여기에 통상적인 레독스 흐름전지는 매니폴드를 통해 각 전지셀로 전해액이 공급된다. 그런데, 매니폴드에 채워진 전해액은 각 셀을 잇는 전기 통로 역할을 하

므로 전자의 이동 경로가 될 수 있으며, 이러한 경로를 통해 분로 전류(shunt current)가 발생하여 충방전 시에 에너지의 일부가 분로 전류에 의해 손실되고 이는 효율 감소, 부품 손상, 셀 성능 불균일을 일으키는 주된 원인이 된다. 기존에는 이러한 분로 전류를 줄이기 위해 매니폴드의 길이를 증가시키고 단면적을 좁히는 방법을 주로 채택하였으나 이는 유체의 흐름 저항을 증가시켜 펌핑 손실을 발생시키므로 이를 극복할 수 있는 대안이 요구된다.

또한, 일반적으로 레독스 흐름전지를 구동하게 되면, 분리막을 통해 이온 교환이 이루어지면서 전해액 내부에 포함된 물질 등이 양극에서 음극 또는 음극에서 양극으로 이동하게 된다. 이와 같이 양극에서 음극 또는 음극에서 양극으로 전해액 내부에 포함된 물질이 이동하게 되면, 양극 전해액과 음극 전해액의 양이 초기 상태일 때 1:1 비율이었던 것이, 0.8:1.2와 같이 변하게 된다.

또한, 양극과 음극에 각각 전해액을 공급할 때 양극과 음극의 공급 시간, 공급 타이밍, 공급 압력이 같지 않을 경우 양극과 음극의 비율(양 또는 전해액 탱크 내부의 수위)은 차이가 더 커질 수 있다.

즉, 레독스 흐름전지의 구동에 의해 양극 전해액과 음극 전해액의 밸런스가 초기상태와 다르게 변경되게 되는데, 이는 레독스 흐름전지의 구동 가능한 용량(capacity)을 감소시키게 되면서, 전지의 성능 저하를 야기하게 되는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 더욱 상세하게는 전지셀마다 양극 전해액 및 음극 전해액을 보관하는 전해액 탱크와 전지셀로 전해액을 이송하기 위한 유체 제어부를 구비하여 반응 시간을 줄이고, 분류 전류(shunt current)의 발생을 억제할 수 있으며, 전해액 연결부를 통해 양극 전해액 저장부와 음극 전해액 저장부에 저장되는 전해액의 밸런스를 유지할 수 있는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지는, 내부에 양극 전극과 음극 전극을 포함하는 전지셀;과 양극 전해액 저장부와 음극 전해액 저장부를 포함하는 전해액 탱크;와 상기 전해액 탱크와 상기 전지셀을 연결하여 전해액이 이송되는 전해액 유로;와 외부에서 생성된 압력을 상기 전해액 유로에 전달하는 유체 제어부;를 구비하는 전지 모듈을 포함하며, 상기 전지 모듈은 하나 또는 둘 이상이 구비되되, 상기 전지 모듈은 독립적으로 전해액을 순환시켜 충전 및 방전하거나, 복수 개의 상기 전지 모듈에서 전해액을 순환시켜 충전 및 방전하며, 상기 양극 전해액 저장부와 상기 음극 전해액 저장부를 연결하는 전해액 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지는, 상기 유체 제어부에 연결되며, 압력을 형성시켜 상기 유체 제어부에 압력을 전달할 수 있는 압력 발생기와, 상기 압력 발생기와 상기 유체 제어부 사이에 구비되며, 상기 유체 제어부에 양압 또는 음압을 선택적으로 전달할 수 있는 압력 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 전해액 연결부는, 물, 산 수용액, 활물질로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 액체 또는 슬러리로 채워질 수 있으며, 상기 전해액 연결부는, 다공성 물질로 채워질 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 전해액 연결부는 중공형 파이프로 이루어질 수 있으며, 상기 전해액 연결부는, 상기 중공형 파이프보다 단면적이 넓은 저장부를 포함할 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 전해액 연결부의 직경 또는 상기 전해액 연결부의 단면적을 동일 면적의 원으로 환산했을 때의 직경은, 상기 전해액 연결부의 길이의 1/3 이하일 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 전해액 연결부의 부피는, 상기 양극 전해액 저장부에 저장되어 있는 전해액과 상기 음극 전해액 저장부에 저장되어 있는 전해액의 합의 1 내지 50 % 일 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 전해액 연결부의 부피는, 상기 전해액 연결부가 닫힌 상태에서 방전된 상기 전지 모듈을 충전할 때, 양극에서 음극 또는 음극에서 양극으로 이동하는 전해액 부피의 2% 이상일 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 전해액 연결부는, 상기 전해액 연결부를 닫거나 열 수 있는 연결부 밸브를 더 포함할 수 있으며, 상기 연결부 밸브는, 상기 전지 모듈이 충전 또는 방전될 때, 상기 전해액 연결부의 일부를 닫히게 하거나, 상기 전해액 연결부의 전체를 닫히게 할 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지는, 상기 연결부 밸브에 연결되며, 압력을 형성시켜 상기 연결부 밸브에 압력을 전달할 수 있는 연결부 압력 발생기를 더 포함하며, 상기 연결부 밸브에는, 상기 연결부 압력 발생기에 의해 작동되는 스위치가 포함될 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 연결부 밸브에는 전기에 의해 작동되는 스위치가 포함될 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 전해액 연결부의 양 끝단은 상기 양극 전해액 저장부와 상기 음극 전해액 저장부에 연결되며, 상기 전해액 연결부의 끝단이 상기 양극 전해액 저장부 또는 상기 음극 전해액 저장부와 연결되는 위치에서, 상기 전지셀로부터 상기 양극 전해액 저장부 또는 상기 음극 전해액 저장부로 전해액이 들어오는 입구까지의 직선 거리는, 상기 전해액 연결부의 끝단이 상기 양극 전해액 저장부 또는 상기 음극 전해액 저장부와 연결되는 위치에서, 상기 양극 전해액 저장부 또는 상기 음극 전해액 저장부에서 상기 전지셀로 전해액이 나가는 출구까지의 직선 거리의 2배 이상일 수 있다.

본 발명은 전지셀마다 양극 전해액 및 음극 전해액을 보관하는 전해액 탱크를 구비함에 따라 이송 경로를 효과적으로 줄일 수 있으며, 전지의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 펌프를 구비하는 대신 압력을 이용한 유체 제어부를 구비함에 따라, 각 전지 모듈에서 발생할 수 있는 분로 전류를 효과적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

이와 함께, 본 발명은 양극 전해액 저장부와 음극 전해액 저장부를 연결하는 전해액 연결부를 통해 양극 전해액 저장부와 음극 전해액 저장부의 전해액 밸런스를 유지할 수 있고, 이를 통해 전지의 성능이 감소 되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 다수의 전지 모듈이 결합된 레독스 흐름전지를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 전지 모듈의 내부 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 복수 개의 압력 발생기와 복수 개의 유체 제어부가 구비되는 레독스 흐름전지를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 다수의 전지 모듈이 결합된 레독스 흐름전지를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 전해액 연결부에 저장부가 구비된 것을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 전해액 연결부에 밸브가 구비된 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전지 모듈의 내부 구조를 나타내는 것으로, 전지 모듈을 측면에서 보았을 때의 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전지 모듈의 내부 구조를 나타내는 것으로, 전지 모듈을 상부에서 보았을 때의 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전지 모듈의 내부 구조를 나타내는 것으로, 전해액 연결부가 구비된 것을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전지 모듈의 내부 구조를 나타내는 것으로, 전해액 연결부에 저장부가 구비된 것을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전지 모듈의 내부 구조를 나타내는 것으로, 전해액 연결부에 밸브가 구비된 것을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나 이는 본 발명의 다양한 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 다양한 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.

본 발명의 다양한 실시 예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 발명(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.

본 발명의 다양한 실시 예에서 사용한 용어는 단지 특정일 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 다양한 실시 예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 다양한 실시 예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명에서 용어 ‘전지셀(battery cell)’은 전해액을 통해 충방전이 일어나는 최소 단위로, 이온 교환이 일어나는 분리막, 분리판 등을 포함하여 구성된다. 본 발명에서 용어 ‘스택’은 전지셀이 복수 개 적층되거나 구성된 것을 뜻한다.

본 발명은 레독스 흐름전지에 관한 것으로, 전지셀마다 양극 전해액 및 음극 전해액을 보관하는 전해액 탱크와 전지셀로 전해액을 이송하기 위한 유체 제어부를 구비하여 반응 시간을 줄이고, 분류 전류(shunt current)의 발생을 억제할 수 있으며, 전해액 연결부를 통해 양극 전해액 저장부와 음극 전해액 저장부에 저장되는 전해액의 밸런스를 유지할 수 있는 레독스 흐름전지에 관한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지는, 전지셀(100), 전해액 탱크(200), 유체 제어부(300), 전해액 유로(400)를 구비하는 전지 모듈(10)을 포함하며, 전해액 연결부(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 전지 모듈(10)의 상기 전지셀(100)은 내부에 양극 전극(110)과 음극 전극(120)을 포함할 수 있다. 상기 전지셀(100)은 상기 전해액 탱크(200)로부터 공급받은 전해액의 이동, 충전, 방전하면서 전기 화학적인 반응이 일어날 수 있는 곳으로, 상기 전지셀(100)은 분리막(130), 분리판(140)을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 도 2를 참조하면, 상기 전지셀(100)은 상기 양극 전극(110)과 상기 음극 전극(120) 사이에 구비되는 상기 분리막(130)과 상기 양극 전극(110)과 상기 음극 전극(120)의 외측면에 구비되는 분리판(140)을 포함할 수 있다. 상기 양극 전극(110), 상기 음극 전극(120), 상기 분리막(130), 상기 분리판(140)은 하우징(150)에 위치할 수 있는 것으로, 상기 하우징(150) 내부에서 전해액의 이동, 충전, 방전 등의 전기 화학적인 반응이 일어난다. 상기 전기 모듈(10)에는 하나의 상기 전지셀(100)이 포함될 수 있으며, 둘 이상의 상기 전지셀(100)이 포함될 수도 있다. 또한, 상기 전지셀(100)의 구동 환경에 따라 상기 양극 전극(110), 상기 음극 전극(120), 상기 분리판(130), 상기 분리막(140) 중 어느 하나 이상의 부품은 생략될 수 있다.

상기 전해액 탱크(200)는 양극 전해액 저장부(210)와 음극 전해액 저장부(220)를 포함하는 것이다. 상기 전해액 탱크(200)는 전해액을 저장할 수 있는 것으로, 상기 전해액 탱크(200)에 저장된 전해액은 전해액 유로를 통해 상기 전지셀(100)로 공급된다.

구체적으로, 상기 양극 전해액 저장부(210)에 저장되어 있는 전해액은 상기 전지셀(100)의 상기 양극 전극(110)으로 공급되며, 상기 음극 전해액 저장부(220)에 저장되어 있는 전해액은 상기 전지셀(100)의 상기 음극 전극(120)으로 공급된다.

상기 전해액 탱크(200)에서부터 전해액 유로를 통해 상기 전지셀(100)에 공급된 전해액은, 상기 전지셀(100) 내부에서 반응한 이후에, 전해액 유로를 통해 다시 상기 전해액 탱크(200)로 들어가 순환하게 된다.

상기 전해액 유로(400)는 상기 전지셀(100)과 상기 전해액 탱크(200)를 연결하는 것으로, 상기 전해액 유로(400)를 통해 상기 전지셀(100)로부터 상기 전해액 탱크(200)로 전해액이 이동하거나, 상기 전해액 탱크(200)로부터 상기 전지셀(100)로 전해액이 이동한다.

상기 전해액 유로(400)는 복수 개가 구비될 수 있는 것으로, 상기 전지셀(100)에서 상기 전해액 탱크(200)로 전해액을 이동시키는 전해액 유로와 상기 전해액 탱크(200)에서 상기 전지셀(100)로 전해액을 이동시키는 전해액 유로는 서로 분리되어 형성될 수 있다. 또는, 상기 전해액 유로(400)가 양극과 음극 각각 한 개만 구비될 경우 하나의 전해액 유로를 통해 전해액이 흐르는 방향이 정방향, 역방향으로 바뀌어 전해액이 순환할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 유체 제어부(300)는 기존의 펌프를 대체하고 전해액의 순환을 위해 사용되는 것으로, 상기 유체 제어부(300)는 외부에서 생성된 압력을 상기 전해액 유로(400)에 전달할 수 있는 것이다. 상기 유체 제어부(300)는 상기 전해액 유로(400)에 구비될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 상기 전해액 유로(400)에 압력을 전달할 수 있다면 다양한 위치에 구비될 수 있다. 가령, 상기 유체 제어부(300)는 상기 전해액 탱크(200)에 구비될 수도 있다.

상기 유체 제어부(300)는 압력의 변화를 이용하여 전해액이 정해진 방향으로 흐를 수 있도록 구비되는 것으로, 역류를 방지하고 압력의 변화를 통해 전해액의 이송이 가능한 형태라면 다양한 구조가 적용될 수 있다. 가령, 상기 유체 제어부(300)는 체크 밸브로 이루어질 수 있으며, 상기 유체 제어부(300)는 외부에서부터 양압 또는 음압을 선택적으로 전달받을 수 있다.

상기 전지 모듈(10)에 포함되는 상기 유체 제어부(300)는 하나 또는 둘 이상이 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 유체 제어부(300)는 양압이 공급되는 유체 제어부와 음압이 공급되는 유체 제어부가 분리되어 구비될 수 있는 것으로, 이를 통해 연속적인 전해액의 흐름을 형성할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지는 압력 발생기(500), 압력 제어밸브(510), 유체 이송관(310)을 더 포함할 수 있다. 도 3을 참조하면, 상기 압력 발생기(500)는 상기 유체 제어부(300)에 연결되며, 압력을 형성시켜 상기 유체 제어부(300)에 압력을 전달할 수 있는 것이다. 상기 압력 발생기(500)는 양압 또는 음압을 형성시키면서, 상기 유체 제어부(300)에 양압 또는 음압을 전달할 수 있다.

상기 압력 발생기(500)는 압력을 형성시켜 상기 유체 제어부(300)에 압력을 전달할 수 있는 것이라면, 다양한 장치가 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 압력 발생기(500)는 양압의 형성을 위해 컴프레서나 펌프일 수 있으며, 상기 압력 발생기(500)는 음압의 형성을 위해 진공장비, 흡입장비 또는 벤츄리관을 구비한 이젝터(ejector)일 수 있다. 또는, 상기 압력발생기(500)에서 발생하는 양압과 음압을 동시에 사용할 수도 있다.

또한, 상기 압력 발생기(500)는 복수 개가 구비될 수도 있다. 구체적으로, 상기 압력 발생기(500)는 양압을 형성시키는 장치와 음압을 형성시키는 장치가 분리되면서 복수 개로 이루어질 수도 있다.

상기 유체 이송관(310)은 상기 유체 제어부(300)와 상기 압력 발생기(500)를 연결하는 것으로, 상기 압력 발생기(500)에서 발생한 압력을 상기 유체 제어부(300)로 전달할 수 있는 것이다. 상기 유체 이송관(310)은 유체로 채워질 수 있으며, 상기 압력 발생기(500)에서 형성된 압력이 상기 유체 이송관(310)의 유체를 통해 상기 유체 제어부(300)로 전달될 수 있다. 상기 유체 이송관(310)에 채워지는 유체는 기체, 액체 모두 사용될 수 있으며, 작동되는 압력의 종류에 따라 자유롭게 선택될 수 있다.

상기 압력 제어밸브(510)는 상기 압력 발생기(500)와 상기 유체 제어부(300) 사이에 구비되며, 상기 유체 제어부(300)에 양압 또는 음압을 선택적으로 전달할 수 있는 것이다. 상기 압력 제어밸브(510)는 상기 유체 제어부(300)에 양압과 음압을 번갈아가면서 공급하기 위한 것으로, 압력 공급 주기에 맞추어 포트의 열림과 닫힘을 자유롭게 조절할 수 있는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 압력 제어밸브(510)는 복수 개의 관과 스위치가 구비될 수 있는 것으로, 복수 개의 관의 개수와 스위칭 형태를 조절하여 상기 유체 제어부(300)에 양압과 음압을 번갈아가면서 공급할 수 있는 것이다. 구체적으로, 상기 압력 제어밸브(510)는 양압과 음압이 공급되는 압력 발생기(500)에 동시에 연결되고, 스위치를 통해 양압과 음압을 선택하여 상기 유체 제어부(300)에 공급할 수 있다.

다만, 상기 압력 제어밸브(510)는 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 유체 제어부(300)에 선택적으로 양압과 음압을 공급할 수 있다면, 다양한 장치가 사용될 수 있다. 또한, 상기 압력 제어밸브(510)를 통해 상기 유체 제어부(300)에 양압과 음압을 공급할 때, 별도의 컨트롤러를 구비하여 양압과 음압이 공급되는 주기를 변경하거나 또는 스위치와 복수 개의 관의 개수를 조절함에 따라, 양압과 음압이 공급되는 주기를 변경하면서 상기 유체 제어부(300)에 압력을 공급할 수도 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지의 상기 전지 모듈(10)은 하나 또는 둘 이상이 구비되되, 상기 전지 모듈(10)은 독립적으로 전해액을 순환시켜 충방전하거나, 복수 개의 상기 전지 모듈(10)에서 전해액을 순환시켜 충방전할 수 있는 것이다.

즉, 상기 전지 모듈(10)은 상기 전지 모듈(10) 간의 간섭이나 교환 없이 하나의 상기 전지 모듈(10)에서 독립적으로 전해액을 순환시켜 충전 및 방전할 수도 있으며, 복수 개의 상기 전지 모듈(10)이 일정한 개수로 연결되어 전해액을 순환시키면서 충전 및 방전할 수도 있는 것이다.

도 4를 참조하면, 복수 개의 상기 전지 모듈(10)이 연결될 때는, 상기 전지 모듈(10)은 모듈 연결부(11)를 통해 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결될 수 있으며, 복수 개의 상기 전지 모듈(10)이 연결될 때는 전해액 탱크(200)를 공유할 수도 있다. 이와 같이 상기 전지 모듈(10)이 독립적으로 충전 및 방전되거나, 복수 개의 상기 전지 모듈(10)이 연결될 때 전해액 탱크(200)를 공유함에 따라 요구되는 성능을 조절할 수 있다.

또한, 복수 개의 상기 전지 모듈(10)이 연결될 때는 모듈 연결부(11)를 통해 직렬 또는 병렬로 연결될 수도 있으며, 복수 개의 상기 전지 모듈(10)이 연결될 때는 압력 발생기(500)를 공유할 수도 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지는, 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)를 연결하는 전해액 연결부(600)를 더 포함한다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 전해액 연결부(600)는 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220) 사이에서 전해액의 밸런스를 유지하기 위해 구비된 것으로, 상기 전해액 연결부(600)는 전해액 또는 이온 교환이 가능한 물질로 채워질 수 있는 것이다. 여기서, 전해액의 밸런스라 함은 물리적(수위, 부피, 비중 또는 질량 등) 또는 화학적 (농도 또는 산화수 등) 밸런스를 의미한다.

구체적으로, 상기 전해액 연결부(600)는 중공형 파이프로 이루어질 수 있으며, 상기 전해액 연결부(600)는 물, 산 수용액, 활물질로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 액체 또는 슬러리로 채워질 수 있는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지를 구동하게 되면, 분리막(130)(이온교환막)을 통해 이온 교환이 이루어지면서 전해액 내부에 포함된 활물질, 물, 산(acid) 등이 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120) 또는 상기 음극 전극(120)에서 상기 양극 전극(110)으로 이동할 수 있게 된다.

전해액 내부에 포함된 활물질, 물, 산(acid) 등이 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120) 또는 상기 음극 전극(120)에서 상기 양극 전극(110)으로 이동하게 되면, 최종적으로는 전해액 내부에 포함된 활물질, 물, 산(acid) 등이 상기 양극 전해액 저장부(210)에서 상기 음극 전해액 저장부(220) 또는 상기 음극 전해액 저장부(220)에서 상기 양극 전해액 저장부(210)로 이동하게 된다.

따라서, 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)에 저장되어 있는 양극 전해액과 음극 전해액의 양이 초기 상태일 때, 가령, 1:1의 비율이었더라도, 본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지 구동 중에는 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)에 저장되어 있는 양극 전해액과 음극 전해액의 양의 비율이 0.8:1.2와 같이 변하게 된다.

즉, 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)의 저장되어 있는 전해액의 밸런스가 맞지 않게 되며, 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)의 수위(level)가 초기 상태와 바뀔 수 있게 된다. 이와 같은 현상이 발생하면서 레독스 흐름전지의 반복적인 충전 및 방전이 진행되면, 레독스 흐름전지의 구동 가능한 용량(capacity)이 감소하게 되는 문제가 있다. (여기서, 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)의 양이 초기 상태일 때 1:1로 한정되는 것은 아니며, 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)의 양이 초기 상태는 1:1이 아닐 수도 있다. 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)의 양이 초기 상태일 때 1:1인 것은 본 발명의 하나의 실시 예에 불과하다.)

특히, 본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지와 같이 상기 전지 모듈(10) 각각이 전해액을 포함하고, 상기 전지 모듈(10) 간의 전해액 이동이 제한되면서 독립적으로 작동하게 되는 경우에는, 상기 전지 모듈(10)의 간의 성능 및 용량 밸런스 차이가 발생하여 전체적인 레독스 흐름전지의 성능이 감소하게 되는 문제가 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 유체 제어부(300)를 구비하는 레독스 흐름전지는 양극과 음극 사이 또는 전지 모듈(10)과 전지 모듈(10) 사이에서 발생할 수 있는 유체 제어부(300)의 작동 편차에 의해 전해액의 밸런스 차이가 더 발생할 수도 있다.

상기 전해액 연결부(600)는 이를 방지하기 위해 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)를 연결하는 것으로, 상기 전해액 연결부(600)는 전해액 또는 이온 및 물질 교환이 가능한 물질 등이 채워지면서, 상기 양극 전해액 저장부(210)의 전해액 및 상기 음극 전해액 저장부(220)의 전해액과 혼합될 수 있는 것이다.

조금 더 구체적으로, 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120)으로 이동한 물질에 의해 상기 음극 전해액 저장부(220)의 수위가 높아진 경우, 상기 전해액 연결부(600)를 통해 상기 음극 전해액 저장부(220)에 저장되어 있는 전해액 일부가 상기 양극 전해액 저장부(210)로 이동하면서 혼합될 수 있게 된다.

상기 전해액 연결부(600)는 중공형 파이프로 형상으로 이루어지는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)를 연결하면서 전해액, 이온 및 물질 교환이 가능하다면 다양한 관 형태로 이루어질 수 있다.

이러한 전해액, 이온 또는 물질 교환을 통해 물리적, 화학적 밸런싱이 이루어지며 이에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.

상기 전해액 연결부(600)는 물, 황산 수용액, 활물질로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 슬러리로 이루어지는 것으로 한정되는 것은 아니며, 전해액, 이온 및 물질 교환이 가능한 다른 물질로 채워질 수 있다.

이와 함께, 상기 전해액 연결부(600)는 다공성 물질로 채워질 수도 있다. 전해액 연결부(600)에 의한 밸런싱이 이루어질 때 양극과 음극에 포함된 물질의 혼합이 크게 발생할 경우 전지의 성능이 감소할 수 있으나, 다공성 물질을 통해 전해액 연결부(600)에 의한 혼합을 일부 조절하여 전지 성능의 감소를 억제할 수 있다.

본 발명의 실시 예와 같이 유체 제어부(300)를 포함한 레독스 흐름전지 경우 유체 제어부(300) 내부의 압력이 수시로 변하므로 양극 전해액과 음극 전해액의 수위가 수시로 변할 수 있다.(출렁거림이 발생할 수 있다.)

이와 같은 변화는 상술한 분리막(130)을 통해 물질이 이동하는 것이 아니므로, 수위 변화에 의해 전해액 연결부(600)를 통한 물질의 이동이 빈번하게 발생할 경우 전지 성능이 감소할 수 있게 된다. 다공성 물질은 이와 같은 출렁거림에 의한 혼합을 억제하여 전지 성능 감소를 억제할 수 있다.

또한, 다공성 물질은 전해액에 포함된 침전물, 불순물에 의한 교차 오염을 방지할 수 있다. 다공성 물질은 활성탄, 메쉬, 펠트, 허니콤 등이 사용될 수 있다. 다공성 물질은 전해액 연결부(600) 전체에 구비될 수도 있으며, 전해액 연결부(600)의 일부에만 구비될 수도 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 전해액 연결부(600)의 부피는 상기 양극 전해액 저장부(210)에 저장되어 있는 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)에 저장되어 있는 전해액의 합의 1 내지 50%인 것이 바람직하다. 상기 전해액 연결부(600)의 부피가 클 경우 전지 모듈(10)의 단위 부피 대비 에너지용량이 감소할 수 있고, 상기 전해액 연결부(600)의 부피가 작을 경우 양극과 음극에 포함된 물질의 혼합량이 커져 전지 성능이 감소할 수 있으므로, 상기 전해액 연결부(600)의 부피는 상기 양극 전해액 저장부(210)에 저장되어 있는 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)에 저장되어 있는 전해액의 합의 1 내지 50%인 것이 바람직하다. 이에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.

레독스 흐름전지의 구동으로 인해, 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120)으로 이동한 물질에 의해 상기 음극 전해액 저장부(220)의 수위가 높아진 경우, 상기 전해액 연결부(600)를 통해 상기 음극 전해액 저장부(220)에 저장되어 있는 전해액 일부가 상기 양극 전해액 저장부(210)로 이동하면서 혼합될 수 있게 된다. (상기 음극 전극(120)에서 상기 양극 전극(110)으로 물질이 이동할 수도 있으며, 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120)으로 물질이 이동하는 것은 하나의 실시 예에 불과하다.)

이때, 상기 전해액 연결부(600)의 길이가 짧거나 부피가 작은 경우, 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액의 혼합이 너무 활발하게 일어날 수 있게 된다. 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액의 혼합이 활발한 경우, 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액이 서로 반응하여 에너지 손실이 발생하거나 부반응이 발생할 수 있고, 이는 용량 손실을 야기하게 된다. 이로 인해 전지의 성능이 감소하게 된다.

즉, 상기 전해액 연결부(600)의 길이가 너무 짧거나 부피가 너무 작아, 상기 전해액 연결부(600)를 통해 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액의 혼합이 너무 활발하게 일어나면, 오히려 전지의 성능이 감소하게 되는 것이다. 이를 방지하기 위해, 상기 전해액 연결부(600)의 부피는, 상기 양극 전해액 저장부(210)에 저장되어 있는 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)에 저장되어 있는 전해액의 합의 1% 이상인 것이 바람직하다.

그러나 상기 전해액 연결부(600)의 부피가 너무 클 경우, 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액의 효과가 감소하거나 전지 모듈(10)의 부피가 커질 수 있기 때문에, 상기 전해액 연결부(600)의 부피는, 상기 양극 전해액 저장부(210)에 저장되어 있는 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)에 저장되어 있는 전해액의 합의 50% 이하인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 전해액 연결부(600)의 부피는, 상기 전해액 연결부(600)의 일단이 상기 양극 전해액 저장부(210)와 연결되고, 상기 전해액 연결부(600)의 타단이 상기 음극 전해액 저장부(220)에 연결되어 있는 경우, 상기 전해액 연결부(600)의 양 끝단 사이에 유체가 저장될 수 있는 부피를 나타낸다.

상기 전해액 연결부(600)의 양 끝단과 상기 양극 전해액 저장부(210) 또는 상기 음극 전해액 저장부(220)의 경계가 모호한 경우, 상기 양극 전해액 저장부(210) 또는 상기 음극 전해액 저장부(220) 내부에서 상기 전해액 연결부(600) 사이에 단면적의 변화가 있는 구조의 시작점을 기준으로 상기 전해액 연결부(600)의 양 끝단을 정의할 수 있다.

또한, 상기 전해액 연결부(600)의 직경 또는 상기 전해액 연결부(600)의 단면적을 동일 면적 원으로 환산했을 때의 직경은, 상기 전해액 연결부(600)의 길이의 1/3 이하인 것이 바람직하다. 상기 전해액 연결부(600)의 길이 대비 직경이 너무 크게 되면, 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액의 혼합이 활발하게 되어 상술한 바와 같이 전지의 성능이 저하될 수 있다.

따라서, 상기 전해액 연결부(600)의 직경 또는 상기 전해액 연결부(600)의 단면적을 동일 면적 원으로 환산했을 때의 직경은, 상기 전해액 연결부(600)의 길이의 1/3 이하인 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 전해액 연결부(600)의 단면적이 원으로 이루어진 경우에는, 상기 전해액 연결부(600)의 직경과 상기 전해액 연결부(600)의 길이를 비교하며, 상기 전해액 연결부(600)의 단면적이 원이 아닌 경우에는, 단면적의 넓이와 동일한 면적 원으로 환산했을 때의 직경과 상기 전해액 연결부(600)의 길이와 비교한다. 여기서, 상기 전해액 연결부(600)의 길이는, 상기 전해액 연결부(600)의 일단에서부터 상기 전해액 연결부(600)의 타단에 이르는 상기 전해액 연결부(600)의 전체 길이를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 상기 전해액 연결부(600)가 중공형 파이프로 이루어질 때, 상기 전해액 연결부(600)는 상기 중공형 파이프보다 단면적이 넓은 저장부(610)를 포함할 수 있다. 상기 저장부(610)는 상기 전해액 연결부(600)의 중간에서 일정한 부피를 가지면서, 전해액, 이온 및 물질 교환이 가능한 물질을 저장할 수 있는 공간이다.

상술한 바와 같이, 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액의 혼합이 활발하게 되면, 전지의 성능이 감소될 수 있다. 상기 저장부(610)는 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액이 혼합되는 것을 억제하기 위해, 일정한 부피의 버퍼(buffer) 역할을 할 수 있는 것이다.

이때, 상기 저장부(610)는 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액이 혼합되는 것을 효과적으로 방지하기 위해, 상기 양극 전해액 저장부(210)에 저장되어 있는 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)에 저장되어 있는 전해액의 합의 1% 이상인 것이 바람직하다.

이와 같이 일정한 부피를 가지면서 버퍼(buffer) 역할을 하는 상기 저장부(610)를 구비함에 따라 전지 성능의 감소를 최소화하면서, 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 밸런싱 효과를 향상시킬 수 있게 된다.

도 6을 참조하면, 상기 전해액 연결부(600)는 상기 전해액 연결부(600)를 닫거나 열수 있는 연결부 밸브(620)를 포함할 수 있다. 상기 연결부 밸브(620)는 상기 전해액 연결부(600) 상에 배치되며, 상기 전해액 연결부(600)를 열고 닫을 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이 상기 전해액 연결부(600)를 통해 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액의 혼합이 활발하게 발생하는 경우 전지의 성능이 감소하게 되는 문제가 있다. 상기 전해액 연결부(600)가 계속 열려있는 상태에 있으며, 레독스 흐름전지의 구동 조건에 따라 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액의 혼합이 활발하게 발생하게 될 위험이 있다.

상기 연결부 밸브(620)를 이를 방지하기 위한 것으로, 특정 조건에서 상기 전해액 연결부(600)를 닫기 위해 상기 연결부 밸브(620)가 구비될 수 있다. 가령, 레독스 흐름전지의 충전 또는 방전 과정 중 일부 조건에서는 분리막(130)을 통해 이동하는 전해액 성분의 양이 많아질 수 있고, 이로 인해 급격한 성능저하가 발생할 수 있다. 따라서 이 조건에서는 상기 연결부 밸브(620)를 통해 상기 전해액 연결부(600)를 닫히게 함으로써, 전지의 성능 저하를 방지할 수 있게 된다.

상기 연결부 밸브(620)는 외부의 압력 또는 전기장치에 의해 구동될 수 있는 밸브일 수 있으며, 별도의 제어부를 통해 제어될 수도 있다. 상기 연결부 밸브(620)에 제어부가 구비된 경우, 연결부 밸브(620)는 상기 전지 모듈(10)이 충전 또는 방전될 때, 상기 전해액 연결부(600)의 일부를 닫히게 하거나, 상기 전해액 연결부(600)의 전체를 닫히게 할 수 있다. 여기서, 상기 연결부 밸브(620)를 통해 상기 전해액 연결부(600)의 일부만 닫히게 하는 경우, 이를 통해 상기 전해액 연결부(600)의 단면적을 조절하는 효과가 있다.

즉, 상기 전지 모듈(10)의 충전 또는 방전의 조건에 따라, 상기 연결부 밸브(620)의 제어부를 통해 상기 전해액 연결부(600)를 완전히 닫히게 할 수도 있으며, 상기 전해액 연결부(600)의 일부만 닫히게 할 수도 있는 것이다. 상기 연결부 밸브(620)는 상기 전해액 연결부(600)를 열고 닫을 수 있거나, 상기 전해액 연결부(600)의 일부만을 닫히게 할 수 있다면, 다양한 장치가 사용될 수 있다.

상기 전해액 연결부(600)는 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)를 연결하는 것이지만, 필요에 따라서 상기 전해액 연결부(600)는 상기 전지셀(100), 상기 유체 제어부(300), 상기 전해액 유로(400)와 구조적으로 연결될 수도 있다. 이는 양극 전해액과 음극 전해액이 있는 어느 부위에도 상기 전해액 연결부(600)를 연결할 수 있음을 의미한다. 단, 장착 위치에 따라 전지 성능의 변화는 발생할 수 있다.

즉, 상기 전해액 연결부(600)는 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)를 연결되는 동시에, 상기 전지셀(100), 상기 유체 제어부(300), 상기 전해액 유로(400)와 구조적으로 연결될 수 있는 것이다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 전해액 연결부(600)는 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)만을 연결하는 것으로 한정되는 것은 아니다.

도 7 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레독스 흐름전지를 나타내는 것이다. 도 7 내지 도 11에 도시되어 있는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레독스 흐름전지도, 전지셀(100), 전해액 탱크(200), 유체 제어부(300), 전해액 연결부(600)를 포함하는 것으로, 각 구성관의 연결관계는 상술한 것과 동일하며, 각 구성의 배치 관계만 변경된 것이다. 도 7 내지 도 11에 도시되어 있는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레독스 흐름전지도 상술한 특징을 모두 포함하고 있는 것이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전지 모듈의 내부 구조를 나타내는 것으로, 전지 모듈을 측면에서 보았을 때의 도면이며, 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전지 모듈의 내부 구조를 나타내는 것으로, 전지 모듈을 상부에서 보았을 때의 도면이다. 도 7에 도시되어 있는 + 단자(710)는 전지셀(100)의 양극 전극(110) 또는 분리판(140) 또는 분리판(140)과 접촉한 전도성 물질과 전기적으로 연결되어 있는 것이며, - 단자(720)는 전지셀의 음극 전극(120) 또는 분리판(140) 또는 분리판과 접촉한 전도성 물질과 전기적으로 연결되어 있는 것이다. 상기 + 단자(710)와 상기 - 단자(720)는 레독스 흐름전지의 충전 및 방전을 위해 구비된 것이다.

상술한 바와 같이 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액(211)은 전해액 유로(400)(양극 전해액 유로(401))를 거쳐 전지셀(100)로 이송되었다가, 전지셀(100)에서 반응한 이후에 양극 전해액 저장부(210)로 돌아오게 된다. 동일하게, 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액(221)은 전해액 유로(400)(음극 전해액 유로(401))를 거쳐 전지셀(100)로 이송되었다가, 전지셀(100)에서 반응한 이후에 음극 전해액 저장부(220)로 돌아오게 된다.

이때, 유체 제어부(300)를 통해 양극 전해액(211) 및 음극 전해액(221)이 전지셀(100)로 이송되거나, 양극 전해액 저장부(210) 및 음극 전해액 저장부(220)로 돌아올 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전지 모듈의 측면을 도시한 것이며, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전지 모듈의 윗면을 도시한 것이다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 양극 전해액 저장부(210) 내부에는, 상기 양극 전해액(211)이 상기 양극 전해액 저장부(210)에서부터 상기 전지셀(100)을 향하여 배출될 수 있는 양극 전해액 출구(213)와 상기 양극 전해액(211)이 상기 전지셀(100)에서 상기 양극 전해액 저장부(210) 내부로 들어올 수 있는 양극 전해액 입구(212)가 구비되어 있다.

동일하게, 상기 음극 전해액 저장부(220) 내부에는, 상기 음극 전해액(221)이 상기 음극 전해액 저장부(220)에서부터 상기 전지셀(100)을 향하여 배출될 수 있는 음극 전해액 출구(223)와 상기 음극 전해액(221)이 상기 전지셀(100)에서 상기 음극 전해액 저장부(220) 내부로 들어올 수 있는 음극 전해액 입구(222)가 구비되어 있다.

도 9를 참조하면, 전해액 연결부(600)의 양 끝단은 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)에 연결되는 것으로, 상기 전해액 연결부(600)의 일단(611)은 상기 양극 전해액 저장부(210)에 연결되며, 상기 전해액 연결부(600)의 타단(612)은 상기 음극 전해액 저장부(220)에 연결될 수 있다.

이때, 상기 전해액 연결부(600)의 끝단(611,612)이 상기 양극 전해액 저장부 (210) 또는 상기 음극 전해액 저장부(220)와 연결되는 위치에서, 상기 전지셀(100)로부터 상기 양극 전해액 저장부(210) 또는 상기 음극 전해액 저장부(220)로 전해액이 들어오는 입구(212,222)까지의 직선거리는, 상기 전해액 연결부(600)의 끝단(611,612)이 상기 양극 전해액 저장부(210) 또는 상기 음극 전해액 저장부(220)와 연결되는 위치에서, 상기 양극 전해액 저장부(210) 또는 상기 음극 전해액 저장부(220)에서 상기 전지셀(100)로 전해액이 나가는 출구(213,223) 까지의 직선거리의 2배 이상인 것이 바람직하다.

조금 더 구체적으로, 도 9를 참조하면, 상기 양극 전해액 저장부(210)에 결합되는 상기 전해액 연결부(600)의 일단(611)에서 상기 양극 전해액 입구(212) 까지의 거리는, 상기 양극 전해액 저장부(210)에 결합되는 상기 전해액 연결부(600)의 일단(611)에서 상기 양극 전해액 출구(213) 까지의 거리에 2배 이상인 것이 바람직하다. (동일하게, 상기 음극 전해액 저장부(220)에 결합되는 상기 전해액 연결부(600)의 타단(612)에서 상기 음극 전해액 입구(222)까지의 거리는, 상기 음극 전해액 저장부(220)에 결합되는 상기 전해액 연결부(600)의 타단(612)에서 상기 음극 전해액 출구(223)까지의 거리에 2배 이상인 것이 바람직하다.)

즉, 상기 전해액 연결부(600)의 끝단(611,612)은, 상기 양극 전해액 저장부(210) 또는 상기 음극 전해액 저장부(220)에서 상기 전지셀(100)로 양극 전해액(211) 또는 음극 전해액(221)이 나가는 출구(213,223) 보다, 상기 전지셀(100)에서 상기 양극 전해액 저장부(210) 또는 상기 음극 전해액 저장부(220)로 양극 전해액(211) 또는 음극 전해액(221)이 들어오는 입구(212,222)에서 멀리 배치되는 것이 바람직하다.

이는, 양극 전해액(211) 또는 음극 전해액(221)이 나가는 출구(213,223)에는 반응하지 않은 양극 전해액(211) 또는 음극 전해액(221)이 주로 배치되며, 양극 전해액(211) 또는 음극 전해액(221)이 들어오는 입구(212,222)에는 반응한 양극 전해액과 음극 전해액이 주로 배치되기 때문이다. 서로 반응한 양극 전해액(211) 또는 음극 전해액(221)이 혼합되면, 전지의 성능 및 용량이 더 많이 감소될 위험이 있다.

즉, 상기 전해액 연결부(600)의 끝단(611,612)이 서로 반응이 진행된 양극 전해액(211) 또는 음극 전해액(221)이 들어오는 입구(212,222)에 멀리 배치되는 것이 전지의 성능 및 용량을 감소시키지 않는 측면에서 바람직하다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 전해액 연결부(600)의 끝단(611,612)은, 상기 양극 전해액 저장부(210) 또는 상기 음극 전해액 저장부(220)에서 상기 전지셀(100)로 양극 전해액(211) 또는 음극 전해액(221)이 나가는 출구(213,223) 보다, 상기 전지셀(100)에서 상기 양극 전해액 저장부(210) 또는 상기 음극 전해액 저장부(220)로 양극 전해액(211) 또는 음극 전해액(221)이 들어오는 입구(212,222)에서 멀리 배치되면서, 상기 전해액 연결부(600)에는 저장부(610)가 포함될 수 있으며, 상기 전해액 연결부(600)에는 연결부 밸브(620)가 포함될 수 있다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연결부 밸브(620)에는 압력을 형성시키는 상기 연결부 밸브(620)에 압력을 전달할 수 있는 연결부 압력 발생기(630)가 연결될 수 있다. 상기 연결부 압력 발생기(630)는 상술한 압력 발생기(500)와 동일하거나 공유할 수 있는 것이며, 상기 연결부 밸브(620)에 양압 또는 음압을 선택적으로 형성시킬 수 있는 것이다. 즉, 유체 제어부(300) 구동을 위한 압력 발생기(500)와 연결부 밸브(620) 구동을 위한 연결부 압력 발생기(630)는 별도로 구비될 수도 있고, 같은 압력 발생기를 사용하면서도 압력 제어를 통해 독립적으로 구동될 수 있는 것이다.

상기 연결부 압력 발생기(630)에서 발생한 압력은 연결부 압력 전달관(631)을 통해 상기 연결부 밸브(620)에 전달될 수 있으며, 상기 연결부 밸브(620)에는 상기 연결부 압력 발생기(630)에서 발생한 압력을 통해 작동되는 스위치(621)가 포함될 수 있다. 또한, 상기 연결부 밸브(620)에는 전기에 의해 작동되는 스위치가 포함될 수도 있다.

상기 연결부 밸브(620)에 포함되는 상기 스위치(621)는 별도의 압력 발생기 없이 전기적으로 작동되면서, 상기 전해액 연결부(600)를 닫거나 열리게 할 수 있으며, 상기 전해액 연결부(600)를 일부만 닫히게 할 수도 있다. 또한, 상기 스위치(621)는 상기 연결부 압력 발생기(630)와 연결되어 상기 연결부 압력 발생기(630)에서 형성된 압력을 통해서도 작동되면서, 상기 전해액 연결부(600)를 닫거나 열리게 할 수 있으며, 상기 전해액 연결부(600)를 일부만 닫히게 할 수도 있다.

상기 전해액 연결부(600)의 부피는, 상기 전해액 연결부(600)가 닫힌 상태에서 방전된 상기 전지 모듈(10)을 충전할 때, 분리막(130)을 통해 양극에서 음극 또는 음극에서 양극으로 이동하는 전해액 부피의 2% 이상일 수 있다.

상기 전지 모듈(10)이 충전 또는 상기 전지 모듈(10)을 방전될 때는, 상기 연결부 밸브(620)를 통해 상기 전해액 연결부(600)를 닫아야 전지 성능이 감소하는 것을 방지할 수 있게 된다. 이와 같은 상태에서 상기 전지 모듈(10)을 충전시키면, 양극에서 음극 또는 음극에서 양극으로 전해액이 이동하게 되는데, 상기 전해액 연결부(600)의 부피는, 상기 전해액 연결부(600)를 닫은 상태에서 상기 전지 모듈(10)을 충전시킬 때, 양극에서 음극 또는 음극에서 양극으로 이동하는 전해액 부피의 2% 이상인 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 전해액 연결부(600)의 부피는, 상기 전해액 연결부(600)를 닫힌 상태로 두고(분리막을 제외하고 양극에서 음극으로 전해액이 물리적으로 이동할 수 있는 경로가 없는 상태), 상기 전지 모듈(10)이 방전 상태(단전지 기준 개방전압 0.6V)에서 기준 개방전압 1.5V까지(충전상태)의 전류 밀도 20mA/cm²로 정전류 충전시 양극 전극에서 음극 전극 또는 음극 전극에서 양극 전극으로 이동하는 전해액 부피의 2% 이상일 수 있다. 다만, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 충전 및 방전의 조건에 따라, 양극에서 음극 또는 음극에서 양극으로 이동하는 전해액의 양은 달라질 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 전해액 연결부(600)의 부피가 작은 경우, 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액의 혼합이 너무 활발하게 일어나면서 전지의 성능이 감소될 위험이 있다. 따라서, 상기 전해액 연결부(600)의 부피를 일정 크기 이상으로 해야 한다.

이때 기준이 되는 것이, 상기 전해액 연결부(600)가 닫힌 상태에서 방전된 상기 전지 모듈(10)을 충전할 때, 양극에서 음극 또는 음극에서 양극으로 이동하는 전해액의 부피이다. 상기 전해액 연결부(600)의 부피를 상기 전해액 연결부(600)가 닫힌 상태에서 방전된 상기 전지 모듈(10)을 충전할 때, 양극에서 음극 또는 음극에서 양극으로 이동하는 전해액 부피의 2% 이상으로 하면, 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액의 혼합이 너무 활발하게 일어나는 것을 방지할 수 있게 된다.

그러나 상술한 바와 같이, 상기 전해액 연결부(600)의 부피가 너무 클 경우, 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액의 밸런싱 효과가 감소할 수 있기 때문에, 상기 전해액 연결부(600)의 부피는, 상기 양극 전해액 저장부(210)에 저장되어 있는 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)에 저장되어 있는 전해액의 합의 50% 이하인 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지는 전지셀(100)마다 양극 전해액 및 음극 전해액을 보관하는 전해액 탱크(200)를 구비함에 따라 이송 경로의 길이를 효과적으로 줄일 수 있으며, 전지의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지는, 각 전지 모듈마다 고가의 펌프를 구비하는 대신 압력을 이용한 유체 제어부(300)를 구비함에 따라, 원가경쟁력을 확보할 수 있고, 각 전지 모듈(10)간에 발생할 수 있는 분로 전류를 효과적으로 감소시키거나 차단할 수 있는 장점이 있다.

이와 함께, 본 발명의 실시 예에 따른 양극 전해액 저장부(210)와 음극 전해액 저장부(220)를 연결하는 전해액 연결부(600)를 통해 양극 전해액 저장부(210)와 음극 전해액 저장부(220)의 전해액 밸런스를 유지할 수 있고, 이를 통해 전지의 성능이 감소 되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위를 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10...전지 모듈 11...모듈 연결부
100...전지셀 110...양극 전극
120...음극 전극 130...분리막
140...분리판 150...하우징
200...전해액 탱크 210...양극 전해액 저장부
211...양극 전해액 212...양극 전해액 출구
213...양극 전해액 입구 220...음극 전해액 저장부
221...음극 전해액 222...음극 전해액 출구
223...음극 전해액 입구 300...유체 제어부
310...유체 이송관 400...전해액 유로
401...양극 전해액 유로 402...음극 전해액 유로
500...압력 발생기 510...압력 제어밸브
600...전해액 연결부 610...저장부
611...전해액 연결부 일단 612...전해액 연결부 타단
620...연결부 밸브 621...스위치
630...연결부 압력 발생기 631...연결부 압력 전달관
710...+ 단자 720...- 단자

Claims

내부에 양극 전극과 음극 전극을 포함하는 전지셀;과
양극 전해액 저장부와 음극 전해액 저장부를 포함하는 전해액 탱크;와
상기 전해액 탱크와 상기 전지셀을 연결하여 전해액이 이송되는 전해액 유로;와
외부에서 생성된 압력을 상기 전해액 유로에 전달하는 유체 제어부;를 구비하는 전지 모듈을 포함하며,
상기 전지 모듈은 하나 또는 둘 이상이 구비되되, 상기 전지 모듈은 독립적으로 전해액을 순환시켜 충전 및 방전하거나, 복수 개의 상기 전지 모듈에서 전해액을 순환시켜 충전 및 방전하며,
상기 양극 전해액 저장부와 상기 음극 전해액 저장부를 연결하는 전해액 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제1항에 있어서,
상기 유체 제어부에 연결되며, 압력을 형성시켜 상기 유체 제어부에 압력을 전달할 수 있는 압력 발생기와,
상기 압력 발생기와 상기 유체 제어부 사이에 구비되며, 상기 유체 제어부에 양압 또는 음압을 선택적으로 전달할 수 있는 압력 제어 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제1항에 있어서,
상기 전해액 연결부는,
물, 산 수용액, 활물질로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 액체 또는 슬러리로 채워지는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제1항에 있어서,
상기 전해액 연결부는,
다공성 물질로 채워지는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제1항에 있어서,
상기 전해액 연결부는 중공형 파이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제5항에 있어서,
상기 전해액 연결부는,
상기 중공형 파이프보다 단면적이 넓은 저장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제5항에 있어서,
상기 전해액 연결부의 직경 또는 상기 전해액 연결부의 단면적을 동일 면적의 원으로 환산했을 때의 직경은,
상기 전해액 연결부의 길이의 1/3 이하인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제5항에 있어서,
상기 전해액 연결부의 부피는,
상기 양극 전해액 저장부에 저장되어 있는 전해액과 상기 음극 전해액 저장부에 저장되어 있는 전해액의 합의 1 내지 50 % 인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제8항에 있어서,
상기 전해액 연결부의 부피는,
상기 전해액 연결부가 닫힌 상태에서 방전된 상기 전지 모듈을 충전할 때, 양극에서 음극 또는 음극에서 양극으로 이동하는 전해액 부피의 2% 이상인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제1항에 있어서,
상기 전해액 연결부는,
상기 전해액 연결부를 닫거나 열 수 있는 연결부 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제10항에 있어서,
상기 연결부 밸브는, 상기 전지 모듈이 충전 또는 방전될 때,
상기 전해액 연결부의 일부를 닫히게 하거나, 상기 전해액 연결부의 전체를 닫히게 하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제10항에 있어서,
상기 연결부 밸브에 연결되며, 압력을 형성시켜 상기 연결부 밸브에 압력을 전달할 수 있는 연결부 압력 발생기를 더 포함하며,
상기 연결부 밸브에는, 상기 연결부 압력 발생기에 의해 작동되는 스위치가 포함되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제10항에 있어서,
상기 연결부 밸브에는 전기에 의해 작동되는 스위치가 포함되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제1항에 있어서,
상기 전해액 연결부의 양 끝단은 상기 양극 전해액 저장부와 상기 음극 전해액 저장부에 연결되며,
상기 전해액 연결부의 끝단이 상기 양극 전해액 저장부 또는 상기 음극 전해액 저장부와 연결되는 위치에서, 상기 전지셀로부터 상기 양극 전해액 저장부 또는 상기 음극 전해액 저장부로 전해액이 들어오는 입구까지의 직선 거리는,
상기 전해액 연결부의 끝단이 상기 양극 전해액 저장부 또는 상기 음극 전해액 저장부와 연결되는 위치에서, 상기 양극 전해액 저장부 또는 상기 음극 전해액 저장부에서 상기 전지셀로 전해액이 나가는 출구까지의 직선 거리의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.