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KR101580865B1 - 전기화학 에너지 전지 시스템 - Google Patents

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KR101580865B1
KR101580865B1 KR1020097016572A KR20097016572A KR101580865B1 KR 101580865 B1 KR101580865 B1 KR 101580865B1 KR 1020097016572 A KR1020097016572 A KR 1020097016572A KR 20097016572 A KR20097016572 A KR 20097016572A KR 101580865 B1 KR101580865 B1 KR 101580865B1
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Abstract

전위를 발생하는 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지. 시스템의 일 실시예는 적어도 하나의 양 전극 및 적어도 하나의 음 전극, 적어도 하나의 전해질, 전해질을 할로겐 반응물과 혼합하는 혼합 벤투리관, 및 양 전극을 통과하고 금속전극에 걸쳐 할로겐 반응물과 혼합된 전해질을 운반하는 순환 펌프를 포함하는 적어도 한 전지를 포함한다. 바람직하게, 양 전극은 다공성 탄화질 재료를 포함하고, 음 전극은 아연을 포함하고, 금속은 아연을 포함하고, 할로겐은 염소를 포함하고, 전해질은 수성 아연-염소 전해질을 포함하고, 할로겐 반응물은 염소 반응물을 포함한다. 또한, 시스템 및 시스템들을 위한 동작의 방법의 변형들.

Description

전기화학 에너지 전지 시스템{ELECTROCHEMICAL ENERGY CELL SYSTEM}
본 발명은, 금속 할로겐 전기화학 에너지 시스템에 관한 것이다.
한 가지 유형의 전기화학 에너지 시스템은 전기화학 시스템의 정규의 디스패치 동안 정규로 양 전극(positive electrode)에서 환원을 위한 할로겐 성분, 및 정규로 음 전극(negative electrode)에서 산화되게 한 산화 가능 금속을 이용한다. 양 전극에서 환원될 때 할로겐 성분의 공급을 보충하기 위해서 수성 전해질이 사용된다. 전해질은 산화된 금속 및 환원된 할로겐의 용존된 이온들을 함유하며 전극영역과 저류 영역과 할로겐 원소 주입 및 혼합영역간에 순환되어, 양 전극에서 소비된다. 이러한 시스템의 일예는 아연 및 염소 시스템을 이용한다.
이러한 전기화학 에너지 시스템들은 미국특허 3,713,888, 3,993,502, 4,001,036, 4,072,540, 4,146,680를 포함한 종래의 특허들에 기술되어 있다. 이러한 시스템들은 또한 Electric Power Research Institue에 의해 공개된, 1979년 4월 EPRI Report EM-1051(Parts 1-3)에 기술되어 있다. 언급한 인용된 참조문헌들의 특정한 교시된 바들은 참조로 여기에 포함시킨다.
대기(standby) 적용들에 있어 종래의 전기화학 에너지 시스템들에서 어떤 약점들 또는 결점들이 있다. 이들은 다음으로 국한되는 것은 아니지만, 다음을 포함한다.
ㆍ 시스템을 충전함에 있어 요구조건없이 충분한 에너지를 저장하지 못하며, 방전상태에 있는 동안 사용을 불가능하게 한다.
ㆍ 방전 동안 능동 냉각 시스템들을 필요로 하는 복잡성 및 비효율성, 이것은 용량을 더 감소시킬 수 있다.
ㆍ 고장의 진단 증상들이 모호하며, 이들은 고장 확률을 현저히 증가시킬 수 있다.
ㆍ 수소가 발생되는데, 이것은 유의한 비싼 안전 문제가 될 수 있다.
대기(standby) 적용들에 있어 종래의 금속 할로겐 시스템들에서 특정의 약점들 또는 결점들은 다음으로 국한되는 것은 아니지만, 다음을 포함한다.
ㆍ 자체 방전에 기인하여 현저한 용량 손실없이 준비 상태를 유지하지 못한다.
ㆍ 서로 다른 전위의 전지들간에 내부 션트 전류들로부터 아연 금속 분배가 불규칙하여 가용 용량을 더욱 감소시킨다.
ㆍ 동작 동안에 션트 전류들을 최소화하기 위해 요구되는 작은 직경의 채널들의 긴 길이는 펌핑 손실들에 기인하여 시스템 용량을 더 감소시킨다.
ㆍ 충전 모드 동안 금속 수지상(dentritic) 성장은 금속 할로겐 시스템을 영구적으로 손상시킬 수 있고 조기의 위험한 고장 상태에 이르게 할 수 있다.
본 발명은 이들 약점들 및 결점들의 일부 또는 전부를 해결하려는 것이다. 본 발명은 사실 이들 약점 및 결점들을 해결하는 실시예들로 국한되지 않는다.
이들 약점들 및 결점들의 일부 또는 전부를 해결하려는 본 발명의 일부 실시예들은 할로겐 전기화학 에너지 전지들이다. 이들 실시예들은 바람직하게는 적어도 하나의 양 전극 및 적어도 하나의 음 전극, 양 전극과 음 전극사이에 반응 구역, 금속 및 할로겐을 포함하는 적어도 하나의 전해질, 및 반응 구역을 통해 전해질을 운반하는 순환 펌프를 포함하며, 펌프 전에, 또는 펌프시, 또는 펌프 후에 전해질 및 할로겐 반응물이 혼합된다. 바람직하게, 양 전극은 다공성 탄화질 재료로 만들어지며, 음 전극은 아연으로 만들어지며, 금속은 아연을 포함하고, 할로겐은 염소를 포함하고, 전해질은 수성 아연-염소 전해질을 포함하고, 할로겐 반응물은 염소 반응물을 포함한다. 이러한 구성의 한 효과는 전위의 발생이다.
바람직한 실시예는 혼합 벤투리관에 할로겐 반응물의 흐름을 제어하는 계량 밸브 또는 포지티브 변위 펌프뿐만 아니라, 전해질 및 할로겐 반응물을 혼합하는 혼합 벤투리관을 더 포함한다.
전해질의 흐름은 반응 구역을 통해 운반되기 전에 1차, 2차, 및 3차 분할되어, 반응 지역에 이르는 서로 다른 경로들에 동일 흐름 저항을 제공한다.
시스템의 바람직한 실시예들은 저류부로부터 전해질이 순환 펌프에 의해 전지에 운반되고 이 저류부에 전해질이 전지로부터 복귀하는 이 저류부와, 전지로부터 기체 퍼지를 용이하게 하기 위해 상향 흐름 전해질 복귀 매니폴드와, 전지에서 저류부로 전해질이 복귀하는 복귀관을 포함한다.
할로겐 반응물은 바람직하게는 외부 소스로부터 공급되고 바람직하게는 압력하에 공급된다. 이 맥락에서, "외부"라는 것은 시스템 외부를 말한다. 외부소스로부터 할로겐의 팽창 엔탈피는 시스템을 냉각시키게 작용한다. 대안적으로, 할로겐 반응물은 시스템 내부에 소스로부터 공급될 수 있다.
시스템들은 바람직하게는 복수의 이러한 전지들을 포함하며, 그 각각은 수평이고 복수의 이들 전지들은 시스템에 수직으로 적층된다. 전지 기하구조에서 수직 단차들에 의해 복수의 전지들 각각 내에 전해질 흐름경로들이 차단되고, 그럼으로써 이들이 없다면 전해질 흐름이 중단된 후에 계속하여 일어나게 되었을 션트 전류들을 차단하게 된다.
복수의 전지들은 바람직하게는 복수의 전지 프레임들을 포함한다. 전지 프레임들은 압력 콘텐인먼트 용기에 복수의 전지들의 삽입을 용이하게 하기 위해 원형일 수 있다. 전지 프레임들 각각의 바람직한 형태는 공급 매니폴드 요소, 분배 채널들, 흐름 분할 노드들, 스페이서 렛지들, 흐름 머징 노드들, 수집 채널들, 및 복귀 매니폴드 요소를 포함한다. 이 형태를 갖는 전지 프레임들이 적층될 때, 이들 구조들은 시스템 내에 추가의 구조들을 형성한다. 특히:
. 복수의 전지 프레임들 각각에 공급 매니폴드 요소는 전지 프레임들의 다른 프레임 내 공급 매니폴드 요소와 정렬하여, 한 공급 매니폴드를 형성한다:
. 전지 프레임들 각각에 분배채널들 및 흐름 분할 노드들은 전지 프레임들의 다른 프레임 내 분배채널들 및 흐름 분할 노드들과 정렬하고, 그럼으로써 한 분배 구역을 형성한다.
. 각 전지를 위한 양 전극은 전지 프레임들의 스페이서 렛지 상에 각 전지를 위한 음 전극 위에 또는 아래에 놓여져, 양 전극들 및 음 전극들이 번갈아 놓인 층들을 형성한다.
. 복수의 전지 프레임들 각각에 흐름 머징 노드들 및 수집 채널들은 복수의 전지 프레임의 다른 프레임 내 흐름 머징 노드들 및 수집 채널들과 정렬하고, 그럼으로써 한 수집 구역을 형성한다.
. 전지 프레임들 각각에 복귀 매니폴드 요소는 전지 프레임들의 다른 프레임 내 복귀 매니폴드 요소와 정렬하고, 그럼으로써 한 복귀 매니폴드를 형성한다.
전지 프레임들은 유체흐름 및/또는 전기선들 또는 케이블을 위한 우회 도관 요소들을 포함할 수 있고, 바람직하게는 정렬을 위한 관통부 및 전지 프레임들을 함께 정렬하고 유지하기 위한 클램핑 요소를 제공한다.
본 발명은 전지 프레임들을 포함하는 전지들을 구비한 시스템들로 제한되지 않는다.
전지 프레임들이 사용되든 아니든, 시스템들의 바람직한 실시예들은 복수의 전지들에 전해질을 위한 공급 매니폴드 및 분배 구역과, 복수의 전지들로부터 전해질을 위한 수집 구역 및 복귀 매니폴드를 포함한다. 각 전지 내 양 전극 및 음 전극은 바람직하게는 전해질 흐름이 중단되고 공급 매니폴드, 분배 구역, 수집 구역, 및 복귀 매니폴드가 배수되었을 때 각 전지 내 전해질 풀과의 접촉을 유지하게 배열된다.
일부 실시예들에서, 전기화학 반응들을 금지하고 그럼으로써 시스템이 대기 또는 정지 모드에 있을 때 시스템 이용성을 유지하기 위해 밸런싱 전압이 인가될 수 있다. 시스템 내 역 전류 흐름을 금지하기 위해 시스템의 출력단자들에 차단 다이오드가 적용될 수 있다.
시스템의 바람직한 실시예의 기본 동작은 다음과 같다: 수성 전해질이 저류부로부터 염소 원소와 같은 할로겐이 전해질에 계량되는 혼합 벤투리관을 통해 흡입된다. 할로겐은 전해질과 혼합하여 이에 용해되고 이때 이의 액화 잠열이 혼합물을 냉각시킨다. 냉각되고 할로겐화된 수성 전해질은 펌프를 통과하여 스택 조립체 내 양의 전극들에 전달된다. 양 전극은 바람직하게는 다공성 그래파이트-염소와 같은 다공성 탄화질 재료로 만들어진다. 전해질은 양 전극들을 통과하여, 용해된 할로겐을 환원시킨다. 이어서 할로겐 이온이 농후한 전해질은 바람직하게는 아연과 같은 금속으로 만들어진 하나 이상의 음 전극을 통과하여, 이곳에서 전극 용해가 일어난다. 이들 반응들은 전극 스택 단자들로부터 전력을 생성하고 금속과 할로겐과의 반응에 의해 전해질에 금속-할로겐이 형성된다.
본 발명은 다른 시스템들 및 공정들뿐만 아니라, 본 발명에 따른 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지의 실시예들에 의해 수행되는 공정들을 포괄한다.
이 간략한 요약은 본 발명의 본질이 신속히 이해될 수 있게 제공되었다. 본 발명의 다른 목적들, 특징들, 및 잇점들은 설명과, 바람직한 실시예를 도시한 도면과, 첨부된 청구항들로부터 명백해질 것이다.
도 1은, 본 발명에 따른 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지을 도시한 도면.
도 2는, 도 1에 도시된 시스템의 실시예의 전지판들을 통과하는 전해질의 흐름 경로를 도시한 도면.
도 3은, 도 1 및 도 2에 도시된 시스템에서 사용될 수 있는 전지 프레임들을 도시한 도면.
전해질 에너지 전지
도 1은 본 발명에 따른 금속 할로겐 전기화학 에너지 시스템을 도시한다.
이들 약점들 및 결점들의 일부 또는 전부를 해결하려는 발명의 일 실시예는 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지 시스템이다. 이 실시예는 적어도 하나의 양 전극 및 적어도 하나의 음 전극, 양 전극과 음 전극 사이에 반응 구역, 금속 및 할로겐을 포함하는 적어도 하나의 전해질, 및 반응 구역을 통해 전해질을 운반하는 순환 펌프를 포함한다. 예를 들면 혼합 벤투리관을 사용하여 펌프 전에, 또는 펌프시, 또는 펌프 후에 전해질 및 할로겐 반응물이 혼합될 수 있다. 바람직하게, 양 전극은 다공성 탄화질 재료로 만들어지며, 음 전극은 아연으로 만들어지며, 금속은 아연을 포함하고, 할로겐은 염소를 포함하고, 전해질은 수성 아연-염소 전해질을 포함하고, 할로겐 반응물은 염소 반응물을 포함한다. 이러한 구성의 한 효과는 전위의 발생이다.
이 실시예의 기본동작은 다음과 같다. 수성 전해질이 저류부로부터 염소 원소와 같은 할로겐이 전해질에 계량되는 혼합 벤투리관을 통해 흡입된다. 할로겐은 전해질과 혼합하여 이에 용해되고 이때 이의 액화 잠열이 혼합물을 냉각시킨다. 냉 각되고 할로겐화된 수성 전해질은 펌프를 통과하여 스택 조립체 내 양 전극들에 전달된다. 양 전극은 바람직하게는 다공성 그래파이트-염소와 같은 다공성 탄화질 재료로 만들어진다. 전해질은 양 전극들을 통과하여, 용해된 할로겐을 환원시킨다. 이어서 할로겐 이온이 농후한 전해질은 바람직하게는 아연과 같은 금속으로 만들어진 하나 이상의 음 전극을 통과하여, 이곳에서 전극 용해가 일어난다. 이들 반응들은 전극 스택 단자들로부터 전력을 생성하고 금속과 할로겐과의 반응에 의해 전해질에 금속-할로겐이 형성된다.
도 1은 전술한 바를 달성하게 설계된 컨테인먼트 용기(11)에 수용되는 전기화학 에너지 시스템을 도시한 것이다. 도 2에 시스템은 2개의 기본 부분들로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 스택 조립체(12) 및 저류부(19)를 포함한다.
스택 조립체(12)는 적어도 하나의 다공성 전극과 적어도 하나의 금속 전극을 포함하는 복수의 전지들 또는 전지 조립체들(13)로 만들어진다. 전지들은 바람직하게는 수직으로 적층된다. 가압된 할로겐 반응물은 시스템 외부의 소스로부터 공급관(15)을 통해 계량 밸브(17)를 거쳐 혼합 벤투리관(18)에 공급된다. 순환 펌프(16)는 전해질을 저류부(19)에서 혼합 벤투리관(18)를 통해, 스택 조립체(12)를 거쳐, 다시 복귀관을 통해 저류부(19)로 순환시킨다. 일부 할로겐 반응물은 전지로부터 저류부로 복귀할 때 전해질에 남아있을 수도 있음에 유의한다.
바람직한 실시예에서, 다공성 전극들은 탄화질 재료를 포함하고, 금속은 아연을 포함하고, 금속 전극은 아연을 포함하고, 할로겐은 염소를 포함하고, 전해질은 수성 아연-염소 전해질을 포함하고, 할로겐 반응물은 염소 반응물을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 이 구성으로 각 전지가 2볼트의 전위를 갖는 전지들이 되므로 21개의 전지들을 갖는 스택 구성은 42볼트의 전위를 준다. 외부 소스로부터 할로겐의 팽창 엔탈피는 바람직하게 시스템을 냉각시킨다. 이에 따라, 과도한 열을 발생함이 없이 강전위가 제공될 수 있다.
전해질 흐름
도 2는 도 1에 도시된 시스템의 실시예의 전지판들을 통과하는 전해질의 흐름경로들을 도시한 것이다. 이 도면에서, 전해질 흐름경로들(28)은 화살표로 나타내었다. 이들 경로들은 공급 매니폴드(21)에서, 분배 구역(22)으로, 그리고 다공성 전극들(23)을 거쳐, 금속전극들(25)을 위로, 그리고 수집 구역(26)으로, 그리고 복귀 매니폴드(27)를 거쳐, 복귀관(29)으로 이어지는 경로이다.
바람직한 실시예에서, 금속전극들(25)의 하부 상에 멤브레인들(24)은 다공성 전극들을 통과하기 전에 전해질의 흐름들이 금속전극들과 접촉하는 것을 차단한다. 멤브레인들은 바람직하게는 접착제로 금속전극들의 하부들에 고착되는 플라스틱 멤브레인들이다. 다른 방법들로 고착되는 다른 유형들의 멤브레인들이 사용될 수 있다. 대안적으로, 멤브레인들은 생략될 수도 있을 것이다.
도 2에 도시된 구성으로, 각 전지 내 다공성 전극 및 금속 전극은 전해질 흐름이 중단되고 공급 매니폴드, 분배 구역, 수집 구역 및 복귀 매니폴드가 배수되었을 때 각 전지에 전해질 풀(pool)과의 접촉을 유지하게 배열된다.
또한, 전지들이 수직으로 적층되고 전지들의 기하구조로 복수의 전지들의 각각 내에 전해질의 흐름경로들을 형성하게 되고 이들은 이들이 없으면 전해질 흐름 이 멈추었을 때 발생할 수 있을 션트 전류들을 이러한 구조로 차단하게 된다. 이들 션트 전류들은 이들이 어떤 유용한 전위를 발생함이 없이 금속판들을 부식하는 판들간에 반응들을 야기할 수 있게 때문에 바람직하지 않다.
다공성 전극을 통해 운반되기 전에, 할로겐 반응물과 혼합된 전해질은 바람직하게는 다공성 전극에 이르는 서로 다른 경로들에 동일 흐름 저항을 제공하기 위해 1차, 2차, 3차로 분할된다. 각각의 분할은 바람직하게는 둘로 흐름을 분할하나, 반드시 그럴 필요는 없다. 도 3은 이들 분할들을 달성할 수 있는 한 가능한 전지 설계를 도시한 것이다.
전지 프레임
도 3은 도 2에 도시된 구조들 및 흐름들을 달성하기 위해 전지 프레임들을 사용하는 전지 설계를 도시한 것이다. 이들 전지 프레임들은 바람직하게는 공급 매니폴드 요소(31), 분배 채널들(32), 흐름 분할 노드들(33), 스페이서 렛지(35), 머징 노드들(36), 수집 채널들(37), 복귀 매니폴드 요소(38), 및 우회 도관 요소들(34)을 포함한다.
이들 전지 프레임들이 적소에 전극들을 구비하여 수직으로 적층될 때, 이들 요소들은 결합하여 다음과 같이 도 2에 도시된 요소들을 형성한다:
ㆍ 복수의 전지 프레임들 각각에 공급 매니폴드 요소는 전지 프레임들의 다른 프레임 내 공급 매니폴드 요소와 정렬하여, 한 공급 매니폴드를 형성한다.
ㆍ 전지 프레임들 각각에 분배채널들 및 흐름 분할 노드들은 전지 프레임들의 다른 프레임 내 분배채널들 및 흐름 분할 노드들과 정렬하고, 그럼으로써 한 분 배 구역을 형성한다.
ㆍ 각 전지를 위한 다공성 전극은 전지 프레임들의 스페이서 렛지 상에 각 전지를 위한 금속전극 위에 또는 아래에 놓여져, 다공성 전극들 및 금속전극들이 번갈아 놓인 층들을 형성한다.
ㆍ 복수의 전지 프레임들 각각에 흐름 머징 노드들 및 수집 채널들은 복수의 프레임들의 다른 프레임 내 흐름 머징 노드들 및 수집 채널들과 정렬하고, 그럼으로써 한 수집 구역을 형성한다.
ㆍ 전지 프레임들 각각에 복귀 매니폴드 요소는 전지 프레임들의 다른 프레임 내 복귀 매니폴드 요소와 정렬하고, 그럼으로써 한 복귀 매니폴드를 형성한다.
ㆍ 전지 프레임들 각각에 우회 도관 요소들은 전지 프레임들의 다른 프레임 내 우회 도관 요소들과 정렬하고, 그럼으로써 유체흐름 및/또는 전기선들 또는 케이블을 위한 우회 도관들을 형성한다.
전지 프레임들은 바람직하게는 용기(11)와 같은 압력 컨테인먼트 용기에 복수의 전지들을 용이하게 삽입할 수 있도록 한 원형이다.
전지 프레임 기반의 설계는 분배가 균일한 저 손실 전해질 흐름, 바이폴라 전기적 설계, 제조 용이성, 내부 우회 경로들, 및 동작 정지 모드(후술함)이 달성될 수 있게 하는 요소들을 용이하게 한다. 전지 프레임의 혁신들은 다음으로 제한되는 것은 아니지만, 전지마다 8개의 공급 채널들을 반응 구역에 전달하기 위해 흐름 채널들에 1차, 2차, 3차 분할들을 포함하는 분배 구역에 흐름 분할 설계를 포함한다. 이 설계는 반응 구역에의 각각의 출구가 동일한 길이의 채널들, 동일 수 및 반경의 굴곡부들을, 전체에 걸쳐 층류를 이루고 각각의 분할에 앞서 균일한 층류를 이루면서, 통과할 수 있게 하려는 것이다. 설계는 흐름 속도에 관계없이 흐름 용적의 균등한 분할, 점도의 균일성, 또는 전해질에 밀도의 균일성을 가능하게 한다. 이들 특징들은 기체상 및 액상의 혼합물이 시스템을 통해 공급될 때 특히 중요한 것으로 발견되었다.
대안적으로, 동일 유형들의 구조들 및 흐름들(즉, 도 2에 도시된 것들)이 전지 프레임들을 사용함이 없이 달성될 수 있다.
동작 모드
발명에 따른 에너지 전지, 바람직하게는 전지는 3가지 동작모드들로서, 오프 모드, 파워 모드 및 정지 모드를 갖는다. 이러한 모드는 아연-염소 시스템의 관계에서 아래 설명된다. 그러나, 모드들은 다른 금속-할로겐 시스템들을 사용하여 구현될 수 있다.
오프 모드는 일반적으로 보관 또는 수송을 위해 사용된다. 오프 모드 동안, 순환 펌프는 오프된다. 스택 조립체 내에서 소량의 염소 원소가 환원되어 아연 이온과 결합함으로써 아연-염소를 형성한다. 스택 단자들은 바람직하게는 단락 저항기를 통해 접속되어, 제로 볼트의 스택 전위를 생성한다. 차단 다이오드는 바람직하게는 임의의 외부 전압원들에 의해 시스템을 통해 역 전류 흐름을 방지하기 위해 사용된다.
파워 모드 동안 전해질 순환 펌프가 관여된다. 용해된 염소를 함유하는 음 전극액(즉, 전해질)이 아연 애노드 판들을 내포한 스택 조립체를 통해 순환된다. 전지당 2.02 볼트의 전위로, 전자들은 아연 이온들이 형성될 때 방출되고 염소 이온들이 형성될 때 포획되어, 바람직하게 스택 조립체의 각 단부에 위치된 수집기 판들의 단자들로부터 전력을 생성한다. 시스템으로부터 전력에 대한 요구는 염소를 소비하고 저류부 내 압력을 감소시켜, 계량 밸브는 혼합 벤투리관에 고압 염소를 방출하게 한다. 이 설계 특징은 전해질에 염소 기체 용해를 가속화할 뿐만 아니라 주입지점에서 동결될 위험없이 전해질을 균일하게 냉각할 수 있게 한다. 주입율은 바람직하게는 스택 조립체 내에 전기화학 반응율들에 의해 결정된다. 계량 밸브 및 순환 펌프는 바람직하게는 급속히 변동하는 순간 전력 요구들에 맞추기에 충분한 응답속도를 제공한다. 압축된 염소가 시스템 내 방출될 때, 이의 팽창 엔탈피는 충분한 열을 흡수하여 열 동작 제한들 내로 에너지 전지를 유지할 것이다.
정지 또는 대기 모드 동안, 거의 또는 전혀 전해질 흐름 또는 염소 주입이 없을 것이다. 시스템의 이용성은 바람직하게는 시스템 이용성을 유지하기 위해 적용되는 밸런싱 전압에 의해 유지된다. 이 밸런싱 전압은 순환 펌프가 오프 되었을 때 일어날 수 있는 전기화학 반응력들에 상쇄하기 위해 전지 스택에서 정밀한 전위를 유지함으로써 자체-방전을 방지하려는 것이다. 셀 판들의 특별한 설계는 바이폴라 전극판들을 통해 전지간 전기적 연속성을 유지하면서, 이러한 설계가 아니면 공급 및 복귀 매니폴드들을 통해 흐르게 되는 션트 전류들을 이 설계가 차단한다.
이들이 바람직한 동작들 모드들이지만, 발명은 이들 모드들로 또는 이들 모드들의 상세들로 제한되지 않는다. 그보다는, 일부 실시예들은 이들 모드들 중 일부를 가질 수도 있고, 또는 전혀 가지지 않을 수도 있고, 또는 다른 모드들의 동작 을 가질 수도 있을 것이다.
발명의 일반성
이 출원은 가장 일반적인 가능한 형태로 파악되어야 한다. 이것은, 제한없이, 다음을 포함한다.
ㆍ 특정 기술들이라는 언급들은 특히 발명의 특징들을 논할 때, 대안적 및 더 일반적 기술들, 또는 발명이 어떻게 제작 또는 사용될 수 있을 것인가를 포함한다.
ㆍ "바람직한" 기술들이라는 언급은 일반적으로 발명자가 이들 기술들을 사용하는 것을 고려하고, 이들이 의도된 적용에 최상이라고 생각함을 의미한다. 이것은 발명에 대한 다른 기술들을 배제하는 것은 아니며, 이들 기술들은 반드시 필수임을., 또는 모든 상황들에서 바람직할 것임을 의미하지 않는다.
ㆍ 일부 구현들에 대해서 고찰된 원인과 결과에 대한 언급들은 다른 구현들에서 일어날 수도 있을 다른 원인 또는 결과들을 배제하지 않는다.
ㆍ 특정 기술들을 사용하기 위한 이유들에 대한 언급들은 완전히 상반된다 할지라도, 다른 이유들 또는 기술들을 배제하지 않으며, 이 경우 상황들은 언급된 이유들 또는 기술들이 적용가능한 것이 아님을 나타낼 것이다.
또한, 여기 개시된 임의의 특정의 실시예들 및 예들의 상세들로 제한되지 않는다. 발명의 내용, 범위 및 정신 내에 있는 이외 많은 다른 변형예들이 가능하며, 이들 변형예들은 이 출원을 숙독한 후 당업자들에게 명백하게 될 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지를 제공하는데 사용된다.

Claims (74)

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  5. 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지에 있어서,
    (A) 용기(vessel)로서,
    (a) 복수의 수평 전지(horizontal cell)의 수직 적층(vertical stack)으로서, 상기 복수의 수평 전지 각각은,
    적어도 하나의 양 전극(positive electrode)과,
    적어도 하나의 음 전극(negative electrode)과,
    상기 양 전극과 상기 음 전극 사이의 반응 구역을
    포함하는, 복수의 수평 전지의 수직 적층과,
    (b) 금속 할라이드를 포함하는 전해질과,
    (c) 상기 전지 적층을 지지하는 전지 프레임 적층(stack of cell frame)과,
    (d) 상기 전지 프레임 적층의 각 전지 프레임에 있는 공급 매니폴드 개구(feed manifold opening) 및 복귀 매니폴드 개구(return manifold opening)와,
    (e) 상기 전지 프레임 적층의 정렬된 공급 매니폴드 개구에 의해 형성된 공급 매니폴드와,
    (f) 상기 전지 프레임 적층의 정렬된 복귀 매니폴드 개구에 의해 형성된 복귀 매니폴드와,
    (g) 각각의 전지 프레임에 위치한 복수의 분배 채널(distribution channel)로서, 상기 분배 채널은, 상기 공급 매니폴드로부터 각 전지의 상기 반응 구역으로, 상기 반응 구역으로부터 상기 복귀 매니폴드로 전해질을 도입하도록 구성된, 상기 복수의 분배 채널을
    함유하는, 용기와,
    (B) 상기 적층의 전지 각각의 반응 구역을 통해 상기 전해질의 흐름을 운반하도록 구성된 순환 펌프(circulation pump)를
    포함하는, 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 분배 채널은 분할 노드(spliting node)에 의해 형성되고, 각각은 상기 전해질의 흐름을 두 개로 분할하여, 상기 분배 채널 각각은 동일 길이 및 동일 개수와 굽힘 반경(radius of bend)을 갖는, 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지.
  7. 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지에 있어서,
    (A) 용기(vessel)로서,
    (a) 복수의 수평 전지(horizontal cell)의 수직 적층(vertical stack)으로서, 상기 복수의 수평 전지 각각은,
    적어도 하나의 양 전극(positive electrode)과,
    적어도 하나의 음 전극(negative electrode)과,
    상기 양 전극과 상기 음 전극 사이의 반응 구역을
    포함하는, 복수의 수평 전지의 수직 적층과,
    (b) 금속 할라이드를 포함하는 전해질을
    함유하는, 용기와,
    (B) 상기 적층의 전지 각각의 반응 구역을 통해 상기 전해질의 흐름을 운반하도록 구성된 순환 펌프(circulation pump)를
    포함하고,
    상기 음 전극은 아연을 포함하고, 상기 금속은 아연을 포함하며, 상기 전해질은, (i) 금속 할라이드를 포함하는 적어도 하나의 수성 전해질과 (ii) 할로겐 반응물을 함유하는 전해질 혼합물을 포함하는, 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지.
  8. 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지에 있어서,
    (A) 용기(vessel)로서,
    (a) 복수의 수평 전지(horizontal cell)의 수직 적층(vertical stack)으로서, 상기 복수의 수평 전지 각각은,
    적어도 하나의 양 전극(positive electrode)과,
    적어도 하나의 음 전극(negative electrode)과,
    상기 양 전극과 상기 음 전극 사이의 반응 구역을
    포함하는, 복수의 수평 전지의 수직 적층과,
    (b) 금속 할라이드를 포함하는 전해질을
    함유하는, 용기와,
    (B) 상기 적층의 전지 각각의 반응 구역을 통해 상기 전해질의 흐름을 운반하도록 구성된 순환 펌프(circulation pump)를
    포함하고,
    복귀 매니폴드는, 상기 적층 전지로부터 전해질을 수거하도록 구성된 상향 유동 복귀 매니폴드(upward flowing return manifold)를 포함하는, 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지.
  9. 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지에 있어서,
    (A) 용기(vessel)로서,
    (a) 복수의 수평 전지(horizontal cell)의 수직 적층(vertical stack)으로서, 상기 복수의 수평 전지 각각은,
    적어도 하나의 양 전극(positive electrode)과,
    적어도 하나의 음 전극(negative electrode)과,
    상기 양 전극과 상기 음 전극 사이의 반응 구역을
    포함하는, 복수의 수평 전지의 수직 적층과,
    (b) 금속 할라이드를 포함하는 전해질을
    함유하는, 용기와,
    (B) 상기 적층의 전지 각각의 반응 구역을 통해 상기 전해질의 흐름을 운반하도록 구성된 순환 펌프(circulation pump)를
    포함하고,
    상기 적층은 전지 대 전지 전기 연속성을 유지하고, 상기 전해질의 흐름이 멈추면 전지 대 전지 전해질 연속성을 유지하지 않는, 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지.
  10. 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지에 있어서,
    (A) 용기(vessel)로서,
    (a) 복수의 수평 전지(horizontal cell)의 수직 적층(vertical stack)으로서, 상기 복수의 수평 전지 각각은,
    적어도 하나의 양 전극(positive electrode)과,
    적어도 하나의 음 전극(negative electrode)과,
    상기 양 전극과 상기 음 전극 사이의 반응 구역을
    포함하는, 복수의 수평 전지의 수직 적층과,
    (b) 금속 할라이드를 포함하는 전해질을
    함유하는, 용기와,
    (B) 상기 적층의 전지 각각의 반응 구역을 통해 상기 전해질의 흐름을 운반하도록 구성된 순환 펌프(circulation pump)를
    포함하고,
    상기 양 전극과 상기 음 전극은, 상기 전해질의 흐름이 멈추면 상기 전해질의 풀(pool)과 접촉을 유지하도록 배열된, 금속 할로겐 전기화학 에너지 전지.
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  14. 금속 할로겐 전기화학 시스템을 사용하는 방법에 있어서,
    (A) 시스템을 제공하는 단계로서,
    (a) 수평 위치한 전지의 수직 적층을 포함한 용기로서, 각각의 전지는,
    적어도 하나의 양 전극과,
    적어도 하나의 음 전극과,
    상기 양 전극과 상기 음 전극 사이의 반응 구역을
    포함하는, 상기 용기를
    포함하는, 시스템을 제공하는 단계와,
    (B) (i) 금속 할라이드를 포함하는 적어도 하나의 수성 전해질과, (ii) 할로겐 반응물을 혼합하여, 전해질 혼합물을 형성하는 단계와,
    (C) 상기 전해질 혼합물의 흐름을 상기 전지의 양 전극으로 운반하고, 상기 양 전극에서 상기 할로겐 반응물을 환원하여 할로겐 이온이 풍부한 전해질 혼합물을 형성하며, 상기 음 전극에 의해 상기 할로겐 이온이 풍부한 전해질 혼합물을 통과시키는 단계를
    포함하고,
    상기 할로겐은 염소를 포함하고, 상기 수성 전해질은 염화 아연 전해질을 포함하며, 상기 할로겐 반응물은 염소 반응물을 포함하는, 금속 할로겐 전기화학 시스템을 사용하는 방법.
  15. 금속 할로겐 전기화학 시스템을 사용하는 방법에 있어서,
    (A) 시스템을 제공하는 단계로서,
    (a) 수평 위치한 전지의 수직 적층을 포함한 용기로서, 각각의 전지는,
    적어도 하나의 양 전극과,
    적어도 하나의 음 전극과,
    상기 양 전극과 상기 음 전극 사이의 반응 구역을
    포함하는, 상기 용기를
    포함하는, 시스템을 제공하는 단계와,
    (B) (i) 금속 할라이드를 포함하는 적어도 하나의 수성 전해질과, (ii) 할로겐 반응물을 혼합하여, 전해질 혼합물을 형성하는 단계와,
    (C) 상기 전해질 혼합물의 흐름을 상기 전지의 양 전극으로 운반하고, 상기 양 전극에서 상기 할로겐 반응물을 환원하여 할로겐 이온이 풍부한 전해질 혼합물을 형성하며, 상기 음 전극에 의해 상기 할로겐 이온이 풍부한 전해질 혼합물을 통과시키는 단계를
    포함하고,
    상기 전해질 혼합물의 흐름이 멈추면 상기 시스템의 자체 방전(self-discharge)을 방지하기 위해 상기 적어도 하나의 전지에 밸런싱 전압 (balancing voltage)을 인가하는 단계를 더 포함하는, 금속 할로겐 전기화학 시스템을 사용하는 방법.
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