KR20200086921A

KR20200086921A - 레독스 흐름전지

Info

Publication number: KR20200086921A
Application number: KR1020190003289A
Authority: KR
Inventors: 이동영; 김부기; 김기현; 최강영; 서현주; 박상현; 최담담
Original assignee: 스탠다드에너지(주)
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2020-07-20
Anticipated expiration: 2039-01-10
Also published as: KR102147948B1

Abstract

본 발명은 레독스 흐름전지에 관한 것으로, 양극 전해액 저장부와 음극 전해액 저장부를 포함하는 전해액 탱크;와 상기 전해액 탱크와 상기 전지셀을 연결하여 전해액이 이송되는 전해액 유로;를 구비하는 전지 모듈을 포함하며, 상기 양극 전해액 저장부와 상기 음극 전해액 저장부를 연결하는 전해액 연결부; 및 상기 전해액 연결부에 구비되며, 내부에 완충 공간이 형성되어 있는 완충부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

레독스 흐름전지 {Redox flow battery}

본 발명은 레독스 흐름전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전해액 연결부와 완충 공간이 형성되어 있는 완충부를 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 다음과 같은 문제점이 있다. 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 전해액 연결부와 완충 공간이 형성되어 있는 완충부를 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;를 구비하는 전지 모듈을 포함하며, 상기 양극 전해액 저장부와 상기 음극 전해액 저장부를 연결하는 전해액 연결부; 및 상기 전해액 연결부에 구비되며, 내부에 완충 공간이 형성되어 있는 완충부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 완충부에는, 상기 완충 공간의 부피를 변경할 수 있는 부피 변경부가 구비될 수 있으며, 상기 완충부에는, 상기 완충 공간을 분리하는 격벽이 구비되며, 상기 격벽을 통해 상기 완충 공간은 복수 개의 공간으로 분리될 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 양극 전해액 저장부에서 상기 완충부를 연결하는 전해액 연결부와, 상기 음극 전해액 저장부에서 상기 완충부를 연결하는 전해액 연결부에는 차단 게이트가 구비될 수 있으며, 상기 완충부와 연결되면서 상기 완충부에 산소를 공급하거나 상기 완충부의 산소를 제거할 수 있는 산화 제어부를 더 포함할 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 완충부의 부피는, 상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최소량의 0.1배 이상으로 이루어지고, 상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최대량의 100배 이하로 이루어질 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 양극 전해액 저장부에서 상기 완충부로 연결되는 전해액 연결부의 부피 또는 상기 음극 전해액 저장부에서 상기 완충부로 연결되는 전해액 연결부의 부피는, 상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최소량의 0.001배 이상으로 이루어지고, 상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최대량의 10배 이하로 이루어질 수 있다.

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;를 구비하는 전지 모듈을 포함하며, 일단은 상기 양극 전해액 저장부와 상기 전지셀을 연결하는 전해액 유로에 결합되며, 타단은 상기 음극 전해액 저장부와 상기 전지셀을 연결하는 전해액 유로에 결합되는 전해액 연결부; 및 상기 전해액 연결부에 구비되며, 내부에 완충 공간이 형성되어 있는 완충부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 양극 전해액 저장부와 상기 전지셀을 연결하는 전해액 유로에서 상기 완충부를 연결하는 전해액 연결부와, 상기 음극 전해액 저장부와 상기 전지셀을 연결하는 전해액 유로에서 상기 완충부를 연결하는 전해액 연결부에는 차단 게이트가 구비될 수 있으며, 상기 완충부와 연결되면서 상기 완충부에 산소를 공급하거나 상기 완충부의 산소를 제거할 수 있는 산화 제어부를 더 포함할 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지의 상기 양극 전해액 저장부와 상기 전지셀을 연결하는 전해액 유로에서 상기 완충부를 연결하는 전해액 연결부의 부피 또는 상기 음극 전해액 저장부와 상기 전지셀을 연결하는 전해액 유로에서 상기 완충부를 연결하는 전해액 연결부의 부피는, 상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최소량의 0.001배 이상으로 이루어지고, 상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최대량의 10배 이하로 이루어질 수 있다.

본 발명은 전해액 연결부와 완충 공간이 형성되어 있는 완충부를 통해 양극 전해액 저장부와 음극 전해액 저장부에 저장되는 전해액의 밸런스를 유지할 수 있는 레독스 흐름전지에 관한 것으로, 양극 전해액 저장부와 음극 전해액 저장부를 연결하는 전해액 연결부와 완충 공간이 형성되어 있는 완충부를 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 실시 예에 따라 다수의 전지 모듈이 결합된 레독스 흐름전지를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 전지 모듈의 내부 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 복수 개의 압력 발생기와 복수 개의 유체 제어부가 구비되는 레독스 흐름전지를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 다수의 전지 모듈이 결합된 레독스 흐름전지를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 양극 및 음극 전해액의 저장 공간에 전해액 연결부와 완충부가 형성되는 것을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 양극 및 음극 전해액의 이동 공간 전해액 연결부와 완충부가 형성되는 것을 나타내는 도면이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명의 실시 예에 따라 완충부에 부피 변경부가 구비되는 것을 나타내는 도면이다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 본 발명의 실시 예에 따라 완충부에 격벽이 구비됨에 따라 완충부에 다구획 공간이 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 본 발명의 실시 예에 따라 전해액 연결부에 차단 게이트가 구비되는 것을 나타내는 도면이다.
도 10(a) 및 도 10(b)는 본 발명의 실시 예에 따라 완충부에 산화 제어부가 구비되는 것을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 레독스 흐름전지에 역전압이 인가되는 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, 전해액 연결부와 완충 공간이 형성되어 있는 완충부를 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 1 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지는, 전지셀(100), 전해액 탱크(200), 전해액 유로(400)를 구비하는 전지 모듈(10)을 포함하며, 전해액 연결부(600)와, 완충부(610)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 분리막(130), 상기 분리판(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 압력 발생기(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.

도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지를 도시한 것으로, 도 5 내지 도 10에서는 설명의 편의상 상기 유체 제어부(300), 상기 압력 발생기(500)를 생략하여 도시하였다. 도 5를 참조하면, 상기 전해액 연결부(600)는 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)를 연결하는 것이며, 상기 완충부(610)는 상기 전해액 연결부(600)에 구비되면서 내부에 완충 공간이 형성되어 있는 것이다.

상기 전해액 연결부(600)와 상기 완충부(610)는 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220) 사이에서 전해액의 밸런스를 유지하기 위해 구비된 것이다. 여기서, 전해액의 밸런스라 함은 물리적(수위, 부피, 비중 또는 질량 등) 또는 화학적 (농도 또는 산화수 등) 밸런스를 의미한다.

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)와 상기 완충부(610)는 이를 방지하기 위한 것이다. 상기 전해액 연결부(600)를 통해 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220)를 연결하고, 상기 전해액 연결부(600)의 중간에서 일정한 부피를 가지면서, 전해액, 이온 및 물질 교환이 가능한 물질을 저장할 수 있는 완충 공간이 형성된 상기 완충부(610)를 구비함에 따라, 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 음극 전해액 저장부(220) 사이에서 전해액의 밸런스를 유지할 수 있게 된다.

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 있다. 상기 완충부(610)는 상기 전해액 연결부(600) 보다 넓은 단면적을 가지면서 완충 공간이 형성될 수 있는 것으로, 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액이 혼합되는 것을 억제하기 위해, 상기 완충 공간이 일정한 부피의 버퍼(buffer) 역할을 할 수 있는 것이다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 전해액 연결부(600a)와 완충부(610a)는 전해액이 이동하는 전해액 유로(400)에 연결될 수도 있다. 도 6을 참조하면, 상기 전해액 연결부(600a)의 일단은 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 전지셀(100)을 연결하는 전해액 유로(400)에 결합되며, 상기 전해액 연결부(600)의 타단은 상기 음극 전해액 저장부(220)와 상기 전지셀(100)을 연결하는 전해액 유로(400)에 연결될 수 있다.

상기 완충부(610a)는 내부에 완충 공간을 형성하면서, 상기 전해액 연결부(600a)에 구비되는 것으로, 상기 전해액 연결부(600a)의 중간 지점에 상기 완충부(610a)가 구비될 수 있다.

즉, 도 5에 따른 본 발명의 실시 예는 양극 및 음극 전해액의 저장 공간(양극 전해액 저장부(210) 및 음극 전해액 저장부(220))에 상기 전해액 연결부(600)와 상기 완충부(610)를 형성하는 것이며, 도 6에 따른 본 발명의 실시 예는 양극 및 음극 전해액의 이동 공간(전해액 유로(400))에 상기 전해액 연결부(600a)와 상기 완충부(610a)를 형성하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따르면 레독스 흐름전지는 상기 완충부(610)에는 상기 완충 공간의 부피를 변경할 수 있는 부피 변경부가 구비될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지는 전해액의 충전 상황(state of charge, SOC), 운행 온도, 충전 및 방전 전류 밀도에 따라, 양극 전극(110)에서 음극 전극(120)으로 또는 음극 전극(120)에서 양극 전극(110)으로 전해액이 이동하는 크로스오버 양이 변경될 수 있는데, 상기 부피 변경부는 크로스오버 양에 대응하여 상기 완충 공간의 부피를 변경할 수 있는 것이다.

상기 부피 변경부는 상기 완충 공간의 부피를 변경할 수 있다면 다양한 장치가 사용될 수 있다. 구체적으로, 도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 상기 부피 변경부는 피스톤(620,620a)일 수 있다. 상기 완충부(610) 내부의 상기 완충 공간에 상기 피스톤(620,620a)이 장착되고, 상기 피스톤(620,620a)의 상하 운동을 통해 상기 완충 공간의 부피를 조절할 수 있게 된다.

본 발명의 실시 예에 따르면 레독스 흐름전지는 상기 완충 공간의 부피를 조절하기 위해 격벽(630,630a)이 사용될 수도 있다. 도 8(a) 및도 8(b)를 참조하면, 상기 격벽(630,630a)은 상기 완충 공간을 분리하는 것으로, 상기 격벽(630,630a)을 통해 상기 완충 공간은 복수 개의 공간으로 분리될 수 있다.

이와 같이 상기 격벽(630,630a)을 통해 상기 완충 공간을 다구획 공간으로 형성시킬 수 있고, 다구획 공간 중 일부에만 물질을 채울수 있도록 하는 방식을 통해 상기 완충 공간의 부피를 조절할 수 있다. 이때, 상기 격벽(630,630a)에는 입출구부(631,631a)가 형성될 수 있다. 상기 입출구부(631,631a)는 상기 격벽(630,630a)을 통해 나누어진 공간 사이에서 물질의 이동을 가능하게 하거나 차단할 수 있는 것으로, 상기 입출구부(631,631a)를 통해 다구획 공간 중 물질이 채워질 수 있는 공간을 선택할 수 있다.

도 7(a)와 도 8(a)는 양극 및 음극 전해액의 저장 공간(양극 전해액 저장부(210) 및 음극 전해액 저장부(220))에 상기 전해액 연결부(600)와 상기 완충부(610)가 형성될 때, 상기 피스톤(620)과 상기 격벽(630)이 구비된 것을 나타내는 것이며, 도 7(b)와 도 8(b)는 양극 및 음극 전해액의 이동 공간(전해액 유로(400))에 상기 전해액 연결부(600a)와 상기 완충부(610a)가 형성될 때, 상기 피스톤(620a)과 상기 격벽(630a)이 구비된 것을 나타내는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 완충부(610,610a)의 부피는 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120)으로 또는 상기 음극 전극(120)에서 상기 양극 전극(110)으로 이동하는 전해액 최소량의 0.1배 이상으로 이루어지고, 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120)으로 또는 상기 음극 전극(120)에서 상기 양극 전극(110)으로 이동하는 전해액 최대량의 100배 이하로 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이 레독스 흐름전지는 전해액의 충전 상황(state of charge, SOC), 운행 온도, 충전 및 방전 전류 밀도에 따라 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120)으로 또는 상기 음극 전극(120)에서 상기 양극 전극(110)으로 전해액이 이동하는 크로스오버 양이 변경될 수 있는데, 상기 크로스오버 양에 따라 상기 완충부(610,610a)의 부피가 정해질 수 있다.

구체적으로, 상기 크로스오버 양은 상기 양극 전극(110)에서 상기 분리막(130)을 지나 상기 음극 전극(120)으로 또는 상기 음극 전극(120)에서 상기 분리막(130)을 지나 상기 양극 전극(110)으로 이동하는 전해액의 양으로써, 레독스 흐름전지의 충전 및 방전이 진행될 때마다 상기 크로스오버 양은 변경될 수 있다.

상기 완충부(610,610a)의 부피는 레독스 흐름전지의 운행 중에 발생할 수 있는 상기 크로스오버 최소량의 0.1배 이상인 것이 바람직하며, 레독스 흐름전지의 운행 중에 발생할 수 있는 상기 크로스오버 최대량의 100배 이하인 것이 바람직하다. 즉, 레독스 흐름전지의 운영 조건에 따라 발생 가능한 상기 크로스오버 최소량 및 최대량을 기준으로, 상기 완충부(610,610a)의 부피를 정할 수 있다.

상기 완충부(610,610a)의 부피가 상기 크로스오버 최소량의 0.1배 보다 작으면, 전해액의 혼합에 의한 자가 방전이 급증하여 충전 및 방전 에너지 효율이 떨어진다. 즉, 상기 완충부(610,610a)의 부피가 너무 작으면, 전해핵이 혼합되어 충전 및 방전 에너지 효율이 떨어지기 때문에, 상기 완충부(610,610a)의 부피는 상기 크로스오버 최소량의 0.1배 보다 큰 것이 바람직하다.

상기 완충부(610,610a)의 부피가 상기 크로스오버 최대량의 100배 보다 크면, 상기 완충 공간이 거의 작동하지 못하게 된다. 즉, 상기 완충부(610,610a)의 부피가 너무 크면, 상기 완충부(610,610a)가 완충 역할을 할 수 없기 때문에, 상기 완충부(610,610a)의 부피는 상기 크로스오버 최대량의 100배 보다 작은 것이 바람직하다. 본 발명의 실시 예에 따른 상기 완충부(610,610a) 부피는, 도 5 및 도 6에 해당하는 실시 예에 모두 적용될 수 있다.

도 5에 따른 본 발명의 실시 예는 양극 및 음극 전해액의 저장 공간(양극 전해액 저장부(210) 및 음극 전해액 저장부(220))에 상기 전해액 연결부(600)와 상기 완충부(610)를 형성하는 것이다. 여기서, 상기 양극 전해액 저장부(210)에서 상기 완충부(610)로 연결되는 전해액 연결부(600)의 부피 또는 상기 음극 전해액 저장부(220)에서 상기 완충부(610)로 연결되는 전해액 연결부(600)의 부피는, 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120)으로 또는 상기 음극 전극(120)에서 상기 양극 전극(110)으로 이동하는 전해액 최소량의 0.001배 이상으로 이루어지고, 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120)으로 또는 상기 음극 전극(120)에서 상기 양극 전극(110)으로 이동하는 전해액 최대량의 10배 이하일 수 있다.

도 6에 따른 본 발명의 실시 예는 양극 및 음극 전해액의 이동 공간(전해액 유로(400))에 상기 전해액 연결부(600a)와 상기 완충부(610a)를 형성하는 것이다. 여기서, 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 전지셀(100)을 연결하는 전해액 유로(400)에서 상기 완충부(610a)를 연결하는 전해액 연결부(600a)의 부피 또는 상기 음극 전해액 저장부(220)와 상기 전지셀(100)을 연결하는 전해액 유로(400)에서 상기 완충부(610a)를 연결하는 전해액 연결부(600a)의 부피는, 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120)으로 또는 상기 음극 전극(120)에서 상기 양극 전극(110)으로 이동하는 전해액 최소량의 0.001배 이상으로 이루어지고, 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120)으로 또는 상기 음극 전극(120)에서 상기 양극 전극(110)으로 이동하는 전해액 최대량의 10배 이하일 수 있다.

상술한 바와 같이 레독스 흐름전지는 전해액의 충전 상황(state of charge, SOC), 운행 온도, 충전 및 방전 전류 밀도에 따라 상기 양극 전극(110)에서 상기 음극 전극(120)으로 또는 상기 음극 전극(120)에서 상기 양극 전극(110)으로 전해액이 이동하는 크로스오버 양이 변경될 수 있는데, 상기 크로스오버 양에 따라 도 5 및 도 6의 실시 예에 구비된 전해액 연결부(600,600a)의 부피가 정해질 수 있다.

상기 전해액 연결부(600,600a)의 부피는 레독스 흐름전지의 운행 중에 발생할 수 있는 상기 크로스오버 최소량의 0.001배 이상인 것이 바람직하며, 레독스 흐름전지의 운행 중에 발생할 수 있는 상기 크로스오버 최대량의 10배 이하인 것이 바람직하다. 즉, 레독스 흐름전지의 운영 조건에 따라 발생 가능한 상기 크로스오버 최소량 및 최대량을 기준으로, 상기 전해액 연결부(600,600a)의 부피를 정할 수 있다.

상기 전해액 연결부(600,600a)의 부피가 상기 크로스오버 최소량의 0.001배 보다 작으면, 전해액의 혼합에 의한 자가 방전이 급증하여 충전 및 방전 에너지 효율이 떨어진다. 즉, 상기 전해액 연결부(600,600a)의 부피가 너무 작으면, 전해핵이 혼합되어 충전 및 방전 에너지 효율이 떨어지기 때문에, 상기 전해액 연결부(600,600a)의 부피는 상기 크로스오버 최소량의 0.001배 보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 전해액 연결부(600,600a)의 부피가 상기 크로스오버 최대량의 10배 보다 크면, 상기 전해액 연결부(600,600a)가 완충 공간으로서 거의 작동하지 못하게 된다. 즉, 상기 전해액 연결부(600,600a)의 부피가 너무 크면, 상기 전해액 연결부(600,600a)가 완충 역할을 할 수 없기 때문에, 상기 전해액 연결부(600,600a)의 부피는 상기 크로스오버 최대량의 100배 보다 작은 것이 바람직하다.

본 발명의 실시 예에 따라 양극 및 음극 전해액의 저장 공간(양극 전해액 저장부(210) 및 음극 전해액 저장부(220))에 상기 전해액 연결부(600)와 상기 완충부(610)가 형성될 때, 상기 양극 전해액 저장부(210)에서 상기 완충부(610)를 연결하는 전해액 연결부(600)와, 상기 음극 전해액 저장부(220)에서 상기 완충부(610)를 연결하는 전해액 연결부(600)에는 차단 게이트(640)가 구비될 수 있다.

도 9(a)를 참조하면, 상기 차단 게이트(640)는 상기 전해액 연결부(600)를 열고 닫을 수 있는 것이다. 레독스 흐름전지의 구동 중에 상기 전해액 연결부(600)가 계속 열려있는 상태에 있으면, 상기 양극 전해액 저장부(210)의 양극 전해액과 상기 음극 전해액 저장부(220)의 음극 전해액의 혼합이 활발하게 발생하게 될 위험이 있다.

따라서, 레독스 흐름전지의 특정 구동 조건 중에서는 상기 전해액 연결부(600)를 닫아야 한다. 상기 차단 게이트(640)는 상기 전해액 연결부(600)를 열고 닫을 수 있는 것으로, 상기 양극 전해액 저장부(210)에서 상기 완충부(610)를 연결하는 전해액 연결부(600)와, 상기 음극 전해액 저장부(220)에서 상기 완충부(610)를 연결하는 전해액 연결부(600)에 각각 구비될 수 있다.

구체적으로, 상기 차단 게이트(640)를 통한 레독스 흐름전지의 전지 운용은 다음과 같이 이루어질 수 있다. 레독스 흐름전지의 충전 시 상기 차단 게이트(640)를 열고, 레독스 흐름전지의 방전 시에는 상기 차단 게이트(640)를 닫아서 사용할 수 있으며, 레독스 흐름전지의 충전 시 상기 차단 게이트(640)를 닫고, 레독스 흐름전지의 방전 시에는 상기 차단 게이트(640)를 열어서 사용할 수도 있다.

또한, 레독스 흐름전지의 충전 도중에 상기 차단 게이트(640)를 열고 레독스 흐름전지의 방전 도중에 상기 차단 게이트(640)를 닫을 수 있으며, 레독스 흐름전지의 충전 도중에 상기 차단 게이트(640)를 닫고 레독스 흐름전지의 방전 도중에 상기 차단 게이트(640)를 열어서 사용할 수도 있다. 다만, 상기 차단 게이트(640)의 작동은 이에 한정되는 것은 아니며, 레독스 흐름전지의 전지 운영 조건에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.

가령, 레독스 흐름전지의 SOC(state of charge)가 낮은 상태에서도 장기간 전지를 운용하지 않는 경우 상기 차단 게이트(640)를 닫아 전해액의 혼합을 방지하는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 차단 게이트(640)를 통해 상기 전해액 연결부(600)를 열고 닫을 수 있으며, 상기 차단 게이트(640)를 사용하면, 전지의 이동이나 지진, 풍랑 환경에서 전해액의 섞임을 방지하여 충전된 에너지를 장기간 보존할 수 있는 장점이 있다.

도 9(b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 양극 및 음극 전해액의 이동 공간(전해액 유로(400))에 상기 전해액 연결부(600a)와 상기 완충부(610a)가 형성될 때 차단 게이트(640a)가 구비된 것을 도시한 것이다. 여기서, 상기 차단 게이트(640a)는 상기 양극 전해액 저장부(210)와 상기 전지셀(100)을 연결하는 전해액 유로(400)에서 상기 완충부(610a)를 연결하는 전해액 연결부(600a)와 상기 음극 전해액 저장부(220)와 상기 전지셀(100)을 연결하는 전해액 유로(400)에서 상기 완충부(610a)를 연결하는 전해액 연결부(600a)에 구비될 수 있다.

도 9(b)의 차단 게이트(640a)는 상술한 도 9(a)의 차단 게이트(640)와 동일한 기능을 하는 것이며, 동일한 방법으로 레독스 흐름전지를 작동시킬 수 있는 것이다. 이에 도 9(b)의 차단 게이트(640a)에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지는 산화 제어부(650,650a)를 더 포함할 수 있다. 상기 산화 제어부(650,650a)는 상기 완충부(610,610a)에 연결되면서 상기 완충부(610,610a)에 산소를 공급하거나 상기 완충부(610,610a)의 산소를 제거할 수 있는 것으로, 산소 주입부(651,651a)와 산소 제거부(652,652a)를 포함할 수 있다.

상기 분리막(130)을 통해 이동하는 이온과 상기 완충부(610,610a)의 상기 완충 공간을 통해 이동하는 이온의 산화수가 크게 차이가 나 음극 또는 양극 한쪽으로 이온이 치우치는 경우 레독스 흐름전지의 성능이 저하될 수 있다. 상기 산화 제어부(650,650a)는 이를 방지하기 위한 것으로, 상기 완충부(610,610a)의 완충 공간에 산소를 공급 또는 제거하면서 상기 완충 공간 내부 전해액의 산화수를 조절할 수 있는 것이다.

구체적으로, 도 10(a) 및 도 10(b)를 참조하면, 상기 완충부(610,610a)에 연결되어 있는 상기 산소 주입부(651,651a)를 통해 상기 완충 공간에 산소를 주입할 수 있으며, 상기 완충부(610,610a)에 연결되어 있는 상기 산소 제거부(652,652a)를 통해 상기 완충 공간에 산소를 제거할 수 있다. 여기서, 상기 산소 주입부(651,651a)와 상기 산소 제거부(652,652a)는 상기 완충 공간에 산소를 주입하거나 제거할 수 있다면 다양한 장치가 사용될 수 있다.

도 10(a)는 양극 및 음극 전해액의 저장 공간(양극 전해액 저장부(210) 및 음극 전해액 저장부(220))에 상기 전해액 연결부(600)와 상기 완충부(610)가 형성될 때, 상기 산소 주입부(651)와 상기 산소 제거부(652)를 포함하는 상기 산화 제어부(650)가 구비된 것을 나타내는 것이며, 도 10(b)는 양극 및 음극 전해액의 이동 공간(전해액 유로(400))에 상기 전해액 연결부(600a)와 상기 완충부(610a)가 형성될 때, 상기 산소 주입부(651a)와 상기 산소 제거부(652a)를 포함하는 상기 산화 제어부(650)가 구비된 것을 나타내는 것이다.

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

종래의 레독스 흐름전지 수명에 문제가 생기는 경우는, 양극과 음극의 이온 균형이 깨지는 경우이다. 특히, 완충 공간이 없는 레독스 흐름전지에서 역전압을 인가하면, 분리막(130)을 통한 활물질의 이동이 제한적이기 때문에 용량이 복원되지 않는 문제가 있다.

그러나 본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지는, 양극 전해액 저장부(210)와 음극 전해액 저장부(220)를 연결하는 전해액 연결부(600,600a)와 완충 공간이 형성된 완충부(610,610a)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.

특히, 도 11을 참조하면, 레독스 흐름전지에 전압이 반대로 인가되어 양극과 음극의 극성이 바뀌는 과정에서 완충 공간이 형성되어 있는 완충부(610,610a)를 구비하면, 역전압 인가에 대응하여 완충 공간을 통해 음극과 양극의 활물질의 자리 이동이 수월해져 빠르게 용량이 복원되는 장점이 있다. 즉, 완충 공간이 형성되어 있는 완충부(610,610a)를 통해 이온 균형을 맞출 수 있고, 이로 인해 하락한 전지의 성능을 다시 복원할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 레독스 흐름전지는, 양극 전해액과 음극 전해액이 동일한 활물질로 이루어질 수 있는데, 양극 전해액과 음극 전해액을 동일한 활물질로 사용하고 완충 공간이 형성되어 있는 완충부(610,610a)를 구비하면, 레독스 흐름전지에 전압이 반대로 인가되어 양극과 음극의 극성이 바뀌는 과정에서 전지의 손상을 방지할 수 있는 장점이 있다. 여기서, 양극 전해액과 음극 전해액은 바나듐 또는 철을 사용하면서 동일한 활물질로 이루어질 수 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
220...음극 전해액 저장부 300...유체 제어부
310...유체 이송관 400...전해액 유로
500...압력 발생기 510...압력 제어밸브
600,600a...전해액 연결부 610,610a...완충부
620,620a...피스톤 630,630a...격벽
631,631a...입출구부 640,640a...차단 게이트
650,650a...산화 제어부 651,651a...산소 주입부
652,652a...산소 제거부

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;를 구비하는 전지 모듈을 포함하며,
상기 양극 전해액 저장부와 상기 음극 전해액 저장부를 연결하는 전해액 연결부; 및
상기 전해액 연결부에 구비되며, 내부에 완충 공간이 형성되어 있는 완충부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제1항에 있어서,
상기 완충부에는,
상기 완충 공간의 부피를 변경할 수 있는 부피 변경부가 구비되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제1항에 있어서,
상기 완충부에는,
상기 완충 공간을 분리하는 격벽이 구비되며, 상기 격벽을 통해 상기 완충 공간은 복수 개의 공간으로 분리되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제1항에 있어서,
상기 양극 전해액 저장부에서 상기 완충부를 연결하는 전해액 연결부와, 상기 음극 전해액 저장부에서 상기 완충부를 연결하는 전해액 연결부에는 차단 게이트가 구비되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제1항에 있어서,
상기 완충부와 연결되면서 상기 완충부에 산소를 공급하거나 상기 완충부의 산소를 제거할 수 있는 산화 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제1항에 있어서,
상기 완충부의 부피는,
상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최소량의 0.1배 이상으로 이루어지고,
상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최대량의 100배 이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제1항에 있어서,
상기 양극 전해액 저장부에서 상기 완충부로 연결되는 전해액 연결부의 부피 또는 상기 음극 전해액 저장부에서 상기 완충부로 연결되는 전해액 연결부의 부피는,
상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최소량의 0.001배 이상으로 이루어지고,
상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최대량의 10배 이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
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;를 구비하는 전지 모듈을 포함하며,
일단은 상기 양극 전해액 저장부와 상기 전지셀을 연결하는 전해액 유로에 결합되며, 타단은 상기 음극 전해액 저장부와 상기 전지셀을 연결하는 전해액 유로에 결합되는 전해액 연결부; 및
상기 전해액 연결부에 구비되며, 내부에 완충 공간이 형성되어 있는 완충부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제8항에 있어서,
상기 완충부에는,
상기 완충 공간의 부피를 변경할 수 있는 부피 변경부가 구비되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제8항에 있어서,
상기 완충부에는,
상기 완충 공간을 분리하는 격벽이 구비되며, 상기 격벽을 통해 상기 완충 공간은 복수 개의 공간으로 분리되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제8항에 있어서,
상기 양극 전해액 저장부와 상기 전지셀을 연결하는 전해액 유로에서 상기 완충부를 연결하는 전해액 연결부와,
상기 음극 전해액 저장부와 상기 전지셀을 연결하는 전해액 유로에서 상기 완충부를 연결하는 전해액 연결부에는 차단 게이트가 구비되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제8항에 있어서,
상기 완충부와 연결되면서 상기 완충부에 산소를 공급하거나 상기 완충부의 산소를 제거할 수 있는 산화 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제8항에 있어서,
상기 완충부의 부피는,
상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최소량의 0.1배 이상으로 이루어지고,
상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최대량의 100배 이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
제8항에 있어서,
상기 양극 전해액 저장부와 상기 전지셀을 연결하는 전해액 유로에서 상기 완충부를 연결하는 전해액 연결부의 부피 또는 상기 음극 전해액 저장부와 상기 전지셀을 연결하는 전해액 유로에서 상기 완충부를 연결하는 전해액 연결부의 부피는,
상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최소량의 0.001배 이상으로 이루어지고,
상기 양극 전극에서 상기 음극 전극으로 또는 상기 음극 전극에서 상기 양극 전극으로 이동하는 전해액 최대량의 10배 이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.