KR101169227B1 - 레독스 흐름전지 스택의 다중 셀 플로우 프레임 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온교환막을 사이에 두고 양측에 적층하는 양극과 음극의 전극이 전해질과 반응하는 셀을 포함하는 레독스 흐름전지 스택의 플로우 프레임에 있어서, 각각의 플로우 프레임은 이온 교환막과 전극을 구비하는 셀이 다수 형성된 것을 특징으로 하는 다중 셀 플로우 프레임에 관한 것이다.

Description

레독스 흐름전지 스택의 다중 셀 플로우 프레임{MULTI-CELL FLOW FRAME FOR THE STACK OF REDOX FLOW BATTERY}

본 발명은 레독스 흐름전지 스택의 플로우 프레임에 관한 것이다.

본 발명은 화학물의 산화-환원 반응을 이용하여 전기에너지를 저장할 수 있는 흐름전지 스택의 부품인 플로우 프레임에 관한 것으로, 특히 다중 셀 형태로 플로우 프레임을 설계하여 효율적이고 신뢰성 있는 스택을 제작할 수 있게 하는 다중 셀 플로우 프레임에 관한 것이다.

레독스 흐름전지는 최근 전 세계적으로 가장 큰 관심을 불러일으키고 있는 에너지 혁명, 신재생에너지, 온실가스 감축, 2차전지, 스마트그리드와 긴밀하게 연관된 핵심 제품 중 하나이다. 현재 대부분의 에너지를 화석연료로부터 얻고 있으나, 이러한 화석연료의 사용은 대기오염, 산성비 및 지구 온난화와 같이 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 문제점이 있다. 이러한 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 신재생에너지에 대한 관심이 급속도로 높아졌다. 이러한 신재생에너지에 대한 관심 및 연구는 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 신재생에너지 시장이 국내외적으로 성숙단계에 접어들었다고는 하지만 재생에너지의 특성상 시간 및 날씨 등의 환경영향에 따라 발생하는 에너지의 양이 크게 변화한다는 문제점이 있고, 이로 인해 발생된 재생에너지를 저장하는 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)의 보급이 매우 필요한 상황이며, 이러한 대용량 에너지저장시스템으로 주목받고 있는 것이 레독스 흐름전지(Redox flow battery)이다.

본 발명이 적용되는 레독스 흐름전지의 일반적인 형태는 도 1에서 보는 것과 같이 전기화학반응이 일어나는 셀을 적층한 스택(1), 전해질을 보관하는 탱크(3) 및 전해질 탱크에서 스택으로 전해질을 공급하는 펌프(4)로 구성되며, 스택(1)은 도 2에서 보는 것과 같은 이온 교환막(6), 양극 및 음극 전극(2) 및 프레임(5)으로 구성되는 셀이 다수개가 적층되어 도 3과 같은 구성을 갖고 있다.

스택(1)은 레독스 흐름전지를 구성하는 가장 중요한 부품 중 하나이다. 스택 내부는 양극과 음극 전해질이 전자를 교환하여 충방전을 수행할 수 있도록 설계되어 있다. 그 중 플로우 프레임(5)은 전해질의 이동통로 역할뿐만 아니라 전극이 실제적으로 전기화학 반응을 하는 장소로써 일반적으로 PVC, PE, PP 등의 재질로 제작된다.

이와 같은 레독스 흐름전지(도1)는 충전 및 방전시 양극과 음극이 모두 전해액의 상태로 유지되기 때문에 생산 및 개발이 용이한 장점을 가지고 있다.

또한, 레독스 흐름전지는 충전과 방전시 양극과 음극 전해질의 활물질로 동일한 물질을 사용하며 전기화학 반응을 통해 충방전을 수행하는 2차전지로서 이산화탄소 등이 전혀 발생하지 않아 매우 친환경적이며, 전해질은 스택과 분리된 별도의 공간인 탱크에 보관되기 때문에 설치가 용이하고 설치장소의 제약이 적은 장점이 있다.

스택을 구성하는 부품 중 단가가 가장 높은 재료가 이온교환막(6)이기 때문에 플로우 프레임을 제작시 이온교환막(6)의 크기에 맞추어 제작을 하게 되는데, 시판되는 상용치수의 이온교환막을 사용하게 되면 특정 치수로 맞춤 제작하는 것보다 제품의 원가절감에 큰 도움이 된다.

그러나, 현재 시판되는 이온 교환막은 대용량의 레독스 흐름전지를 제작하기에는 크기가 작아 레독스 흐름전지 제작시 특정 치수의 이온교환막을 맞춤 제작하게 되어 제품 단가가 높은 문제점이 있다. 따라서 현재 시판되는 상용치수의 이온교환막을 사용할 수 있도록 대용량 흐름전지의 스택의 설계가 이루어진다면, 제작비용에서 상당히 유리하게 될 것이다.

또한, 종래의 레독스 흐름전지의 스택 내부에 흐르는 전해질의 방향은 도 1에서 보는 것처럼 아래 입구(8)에서 위쪽 출구(9)방향으로 흐르게 된다. 이는 중력의 효과를 이용하여 플로우 프레임 내부의 전극에 전해질이 충분히 제공되도록하여, 전극 전체에서 반응을 일으켜 전지의 성능 효율을 상승시키기 위해서이다. 이 방법은 전극 전체에 전해질을 제공할 수는 있지만 아래에서 위쪽방향으로, 즉 중력에 반대되는 방향으로 전해질을 운송하므로, 많은 에너지가 소모된다. 따라서, 수평방향으로 전해질을 흐르게 하며, 반응면적의 손실 없이 전극에 충분히 전해질을 공급한다면 레독스 흐름전지의 소모 전력을 줄일 수 있다.

그러나, 종래의 단일 셀 플로우 프레임의 경우 전해질 유로의 방향을 도 8에서처럼 수직 방향이 아닌 수평 방향으로 바꾸면, 중력에 의하여 전극 중간 부분에서 전해질이 플로우 프레임 아래쪽으로 흐르게 되어, 전해질 반응이 전극 전체에서 이루어 지지 않게 된다.

또한, 종래 대용량의 레독스 흐름전지는 주문 제작하는 대형 이온교환막을 사용하는데 이온교환막의 일부분이 파손되었을 경우 스택 단면적에 해당하는 크기의 이온교환막 전체를 교체해 주어야 하기 때문에 유지보수 비용이 크게 발생한다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 한다.

본 발명은 레독스 흐름 전지 제작시 상용으로 시판되고 있는 이온 교환막을 사용하여 제작비를 감소시키며 전기화학 반응의 반응 효율을 증가시키고 유지 보수 비용을 감소시키기 위해 전기화학 반응이 이루어지는 셀의 크기를 작게 할 수 있도록, 하나의 플로우 프레임에 다수개의 셀을 형성하도록 하였다.

본 발명에 의한 다중 셀의 형태는 도 5 및 도 7에서 보여지는 바와 같이 플로우 프레임에 매니폴드(Manifold)를 가공하여 각각의 전해질 유입구마다 분리구조로 나누어진 작은 셀을 다수개 구비하도록 한 것이다.

또한, 본 발명에 의한 플로우 프레임은 각각의 전해질 유입구와 유출구를 잇는 직선과 평행한 방향의 분리구조에 의해 구분된 작은 사이즈의 다수의 셀을 가진 형태를 구성한다.

또한, 상기 다수의 셀은 전해질 유입구와 유출구를 잇는 직선과 평행한 방향뿐만 아니라 수직방향으로도 배열이 형성될 수 있다. (도 6 및 7)

또한, 다중 셀 플로우 프레임 내부의 각각의 셀은 직사각형 형태이며 상기 직사각형은 전해질의 유입구와 유출구를 잇는 방향이 다른 방향보다 길게 형성될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 플로우 프레임(Flow Frame)은 다중 셀의 형태로 설계하여 전해질의 전기화학 반응이 이루어지는 각각의 셀이 분리되어 독립적으로 운용될 수 있도록 크기가 작은 사이즈 다수 개로 형성되게 하였다.

본 발명의 다중 셀 플로우 프레임은 종래의 단 셀 형태의 플로우 프레임과 비교했을 때 각각의 셀의 크기가 작아 독립적으로 운용될 수 있어서 전해질이 플로우 프레임의 가장자리 및 중앙 부분에서도 쉽게 반응하도록 하여 반응 면적의 효율성을 높였으며, 스택의 이동, 위치 변경, 설치 방법 및 펌프 부하 감소 등을 목적으로 전해질이 플로우 프레임 내부에 유입되는 방향을 중력 방향이 아닌 중력에 수직인 방향으로 바꾸었을 때 (도 8 및 9 참조), 종래의 단 셀 플로우 프레임은 도 8에서 보는 것처럼 중력에 의하여 중간 부분에서 전해질이 플로우 프레임 아래쪽으로 흐르게 되어 반응 면적이 손실되지만, 본 발명에서는 각각의 셀의 크기를 작게 하여 아래쪽으로 흐르는 중력에 의해 손실되는 반응면적이 줄게 되어 중력에 의한 위치 에너지 손실 (펌프에서의 손실)을 감소 시켜서 반응 효율 및 작동 효율을 상승시킬수 있다.

또한 하나의 플로우 프레임을 다수의 셀로 분할하였으므로, 하나의 셀에 해당되는 부분이 고장이 발생하였을때, 전체 프레임을 보수할 필요가 없고 해당 셀 부분만을 유지 보수하면 되므로 전체 시스템 효율을 증가시키며 고장에 대한 신뢰성을 확보할 수 있게 되었다.

특히, 하나의 플로우 프레임에 다수의 셀을 종방향 및 횡방향으로 제작하여 각각의 셀을 작게 제작함으로써, 플로우 프레임의 공간 활용을 증대시켰으며 전해질이 플로우 프레임의 가장자리 및 중앙 부분에서도 쉽게 반응하도록 하여 반응 면적의 효율성을 극대화 하고 스택의 이동, 위치 변경, 설치 방법 및 펌프 부하 감소 등을 목적으로 전해질이 플로우 프레임 내부에 유입되는 방향을 중력 방향이 아닌 중력에 수직인 방향으로 바꾸었을 때의 손실을 최소화하였다.

또한, 상기와 같이 다수의 셀을 종방향 및 횡방향으로 제작하여 셀의 크기를 작게 하면, 상용화된 치수의 작은 크기의 이온교환막을 다수 사용하여 다수의 셀을 구비하는 하나의 프레임을 제작하여 대용량 레독스 흐름전지를 제작할 수 있으므로 적은 비용으로 대용량 (MW단위의 이차전지)를 제작할 수 있으나, 본 발명과 달리 하나의 스택에 하나의 셀을 구비하도록 하는 경우에는 상용화된 치수의 이온 교환막의 크기가 작아 맞춤 제작형 이온 교환막을 사용하여야 하므로 제작비가 증가하게 된다.

만약, 맞춤 제작형 이온 교환막이 아닌 상용화된 이온교환막을 사용하여 대용량 레독스 흐름 전지를 제작하게 되면, 이온교환막의 사이즈 때문에 다수의 스택을 구비하도록 레독스 흐름전지가 형성될 것이며, 다수 개의 스택을 연결하여 사용하게 되면 스택 사이의 파이프 및 연결부의 누수, 손상 등의 문제로 유지보수에 불리하고 각각의 스택을 모듈화하여 제작한다고 할지라도 많은 공간이 필요하게 된다.

따라서, 본 발명과 같이 다수의 작은 사이즈의 셀을 하나의 스택에 종방향 및 횡방향으로 배치하면, 상용화된 작은 사이즈의 이온 교환막을 사용하여 하나의 스택을 구비하는 대용량 레독스 흐름 전지를 제작할 수 있다.

또한, 레독스 흐름전지의 가장 큰 고장 원인 중 하나는 전해질 유로가 이물질에 의하여 막히는 것인데, 단 셀의 플로우 프레임의 경우 하나의 유로가 막히게 되면 전체 시스템의 전해질 유로가 막히는 것과 같다. 하지만 본 발명의 다중 셀 플로우 프레임의 경우 하나의 전해질 유로가 막히게 되더라도 전해질이 나머지 셀의 전해질 유로로 우회하여 흐르기 때문에 전체 시스템의 전해질 흐름에 큰 영향을 주지 않는다. 따라서 단 셀 플로우 프레임에 비하여 더욱 안정적으로 시스템을 운용할 수 있어, 종래의 단 셀 플로우 프레임에 비하여 고장에 대한 신뢰성 확보 능력이 높다.

또한, 본 발명의 다중 배열 다중 셀 플로우 프레임은 시판되고 있는 이온분리막을 이용하여 제작될 수 있으므로 제작비가 줄어든다. 레독스 흐름전지 스택 소재 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 이온분리막이며 상용화 되어있는 크기를 제외하고는 특수 제작하여 사용한다. 이때 이온분리막의 제작비는 전지의 단가를 높이는 원인 중 하나가 된다. 특히 대용량 레독스 흐름전지의 경우에는 이온분리막 제작비가 제품 생산 단가의 높은 부분을 차지한다. 그러나, 본 발명과 같은 다중 배열 다중 셀 플로우 프레임은 각각의 셀의 크기가 작아 각각의 셀에 적용되는 이온 분리막의 크기를 작게 할 수 있으므로, 시판되는 이온분리막을 사용하여 대용량 흐름전지용 스택을 제작할 수 있다. 따라서 이온분리막을 특별히 제작하는데 들어가는 생산비를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 레독스 흐름 전지의 개요도이다.
도 2는 종래 레독스 흐름 전지의 단일 셀 플로우 프레임의 분해도이다.
도 3은 종래 레독스 흐름 전지의 스택의 입체도이다.
도 4는 본 발명에 의한 다중 셀 플로우 프레임이다.
도 5는 본 발명에 의한 다중 셀 프레임 단면의 매니폴드 구조이다.
도 6는 본 발명에 의한 다중 배열 다중 셀 플로우 프레임이다.
도 7은 본 발명에 의한 다중 배열 다중 셀 플로우 프레임의 단면 매니폴드 구조이다.
도 8은 종래 발명의 단 셀 플로우 프레임에서 전해질 유입 방향에 따른 전해질 흐름도이다.
도 9은 본 발명의 다중 셀 플로우 프레임에서 전해질 유입 방향에 따른 전해질 흐름도이다

도 1은 레독스 흐름전지의 개요도로서, 레독스 흐름전지는 다수의 셀을 적층한 스택(1)으로 형성되며, 각각의 셀은 양극 및 음극 전극(2), 이온 교환막(6) 및 프레임(5)으로 구성되며, 탱크(3)에 저장된 전해질이 펌프(4)에 의해 스택으로 공급되어 스택에서는 전기화학반응이 일어난다.

도 2는 종래의 레독스 흐름전지에서 하나의 셀을 구성하는 프레임(5), 양극 및 음극 전극(2), 이온 교환막(6)의 분해도를 보여주며, 도 3은 도 2의 셀이 다수개가 적층된 스택(1)을 보여준다.

이와 같이, 종래의 레독스 흐름전지는 한 쌍의 프레임(5) 내부에 이온 교환막(6)을 사이에 두고 양극 및 음극 전극(2)이 배치되어 하나의 셀을 형성하며, 다수의 셀들이 적층되어 하나의 스택(1)을 형성한다.

각각의 셀을 구성하는 한 쌍의 플로우 프레임(5) 내부에는 탱크(3)에 보관된 전해질이 공급되며 프레임 내부에서는 이온 교환막(6)을 사이에 두고 양쪽에 있는 양극 및 음극 전극(2)에 의하여 전해질이 산화 환원 반응을 하며 전기 에너지를 교환하고, 전해질은 프레임(5)의 외부로 방출된다.

이와 같이 스택의 구성요소인 플로우 프레임(5)은 전해질의 이동통로 역할 뿐만 아니라 전극이 실제적으로 전기화학 반응을 하는 장소로서 일반적으로 PVC, PE, PP 등의 재질로 제작된다.

본 발명은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 고안한 것으로, 플로우 프레임에 있어서 제품 단가를 낮추고 스택 운전시 안정성을 제공하며 플로우 프레임의 신뢰성을 높이기 위해 다음과 같은 특징을 구비하도록 하였다.

1) 본 발명의 플로우 프레임은 도 4와 같이 하나의 프레임(5)에 여러 개의 셀을 갖도록 셀을 분할하여 각각의 셀의 사이즈가 작게 형성되도록 하였으며, 이로 인하여 각각의 셀에 배치되는 양극 및 음극 전극과 이온교환막의 사이즈도 작게 할 수 있게 하였다. 이와 같이 대형 이온 교환막이 필요 없게 하여 특정 치수로 맞춤 제작할 필요가 없이 시판되는 상용치수의 이온 교환막을 구매하여 작은 사이즈로 제작함으로써, 제작 비용을 절감하게 되었다.

2) 또한, 본 발명에 의한 플로우 프레임은 도 5에서 보는 것처럼 분할된 각 셀에는 적어도 하나의 전해질 유로가 설치되며, 전해질 유로의 입구를 통하여 공급되는 전해질에 의하여 각각의 셀에서 산화 환원 반응이 이루어지며 전기 에너지가 교환되고 전해질은 전해질 유로의 출구를 통하여 외부로 배출된다.

3) 또한, 본 발명에 의한 분할된 셀에는 전해질 유로가 적어도 하나 이상 있으므로 분할된 셀의 개수는 전해질 유로의 개수보다 적거나 같게 된다.

4) 또한, 본 발명에 의한 플로우 프레임의 다수의 셀은 도 5 및 도 7에서 보이는 것처럼 전해질 유로의 입구와 출구를 잇는 직선과 평행한 방향으로 분리될 수 있다.

5) 또한, 본 발명에 의한 플로우 프레임에서 각 셀의 전해질 유로의 입구와 출구는 분할된 각 셀의 좁은 길이 방향(도 5 및 도 7에서는 가로 방향)의 중앙에 위치할 수 있다.

6) 또한, 본 발명에 의한 플로우 프레임의 분할된 셀들의 간격 및 너비는 서로 동일할 수 있다.

7) 또한, 본 발명에 의한 플로우 프레임은 대용량 레독스 흐름전지의 단가를 낮추고 플로우 프레임의 신뢰성 확보 및 제품의 유지 보수를 위하여 플로우 프레임 내부에 도 6 및 도 7과 같이 다중 셀을 가로 및 세로 방향으로 다중 배열하도록 할 수 있다.

8) 또한, 상기 다중 배열 다중 셀 플로우 프레임의 분할된 각 분리구조의 셀에는 적어도 하나의 유로가 형성되도록 하여, 셀의 개수는 전해질 유로의 개수와 같거나 더 적다.

9) 또한, 상기 다중배열 다중 셀 플로우 프레임에서 각각의 분리구조인 각 셀에 형성된 전해질 유로의 입구와 출구는 분할된 각 셀의 좁은 길이 방향(도 4 내지 도 5의 가로 방향)의 중앙에 위치할 수 있다.

10) 또한, 상기 다중 배열 다중 셀 플로우 프레임의 분할 된 각각의 분리구조의 너비 및 간격은 동일할 수 있다.

11) 또한, 본 발명의 다중 셀 플로우 프레임은 분할된 각 셀마다 전해질 유로의 방향을 도 8 및 9에서 보는 것과 같이 수평 방향으로 형성되도록 할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 플로우 프레임에 분할된 다수의 셀을 구비하도록 분리구조가 형성되도록하여, 시판되는 이온교환막을 사용할 수 있어 제작비를 감소시키고, 문제가 발생한 셀만을 유지 보수하고 전해질 유로 방향을 중력에 수직인 방향으로 설치하여도 반응 면적 손실이 적게되어 유지 보수 비용이 적게되도록 하였다.

다른 수정과 변형은 발명이 속하는 분야의 통상의 기술을 가진 사람에게 쉽게 제안될 것이다. 본 발명은 추가되는 청구항의 취지와 넓은 영역 안에 해당되는 것과 같은 모든 수정과 변경을 포함하도록 의도된다.

1: 스택　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2: 카본 전극
3: 탱크　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4: 펌프
5: 프레임　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

Claims (4)

1. 양극 및 음극 전해질 각각을 보관하는 2개의 전해질 탱크 및 상기 2개의 전해질 탱크 각각으로부터 전해질을 프레임에 공급하는 펌프를 포함하는 레독스 흐름 전지의 스택에 사용되는 다수의 플로우 프레임에 있어서,
   상기 다수의 플로우 프레임 각각은 이온교환막을 사이에 두고 양측에서 양극과 음극의 전극이 전해질과 반응하는 다수의 셀을 포함하며,
   상기 다수의 플로우 프레임 모두는 동일한 형태의 셀을 포함하며,
   상기 다수의 셀은 유입구와 유출구를 잇는 방향이 중력과 수직인 방향인 것을 특징으로 하는 다중 셀 플로우 프레임.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   다중 셀 플로우 프레임 내부의 각각의 셀은 직사각형 형태이며 상기 직사각형은 전해질의 유입구와 유출구를 잇는 방향이 다른 방향보다 긴 것을 특징으로 하는 다중 셀 플로우 프레임.

Images