KR101176126B1 - 레독스 흐름전지 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레독스 흐름전지 구조에 관한 것으로, 더 상세하게는 바이폴라 플레이트와 양전극판 멤브레인 음전극판이 하나의 셀로 구성되고 다수의 셀이 직렬적층된 구조에서 일측으로 주입된 전해액이 각 셀을 순차적으로 통과할 때 서로 다른 극을 갖는 바이폴라 플레이트의 유로통공에는 테프론 재질의 쇼트방지관이 내설되어 서로 다른 극을 갖는 전해액과 바이폴라플레이트의 접촉을 차단해 쇼트에 의한 효율성이 저하되는 것을 방지하는 레독스 흐름전지 구조에 관한 것이다.

Description

레독스 흐름전지 구조{REDOX FLOW BATTERY STRUCTURE}
본 발명은 레독스 흐름전지 구조에 관한 것으로, 더 상세하게는 바이폴라 플레이트와 양전극판 멤브레인 음전극판이 하나의 셀로 구성되고 다수의 셀이 직렬적층된 구조에서 일측으로 주입된 전해액이 각 셀을 순차적으로 통과할 때 서로 다른 극을 갖는 바이폴라 플레이트의 유로통공에는 테프론 재질의 쇼트방지관이 내설되어 서로 다른 극을 갖는 전해액과 바이폴라플레이트의 접촉을 차단해 쇼트에 의한 효율성이 저하되는 것을 방지하는 레독스 흐름전지 구조에 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 상기 재생에너지는 입지환경이나 자연조건에 의해 크게 영향을 받는다. 더욱이, 재생에너지는 출력 변동이 심하기 때문에 에너지를 연속적으로 고르게 공급할 수 없다는 단점이 있다.
따라서, 에너지의 출력을 고르게 하기 위해서 출력이 높을 때는 에너지를 저장하고 출력이 낮을 때는 저장된 에너지를 사용할 수 있는 저장장치의 개발이 중요시 되고 있다. 대표적인 대용량 저장장치로는 납축전지, NaS 전지 그리고 레독스 흐름 전지 (RFB, redox flow battery) 등이 있다.
상기 납축전지는 다른 전지에 비해 상업적으로 널리 사용되고 있으나 낮은 효율 및 주기적인 교체로 인한 유지 보수의 비용과 전지 교체시 발생하는 산업폐기물의 처리문제 등의 단점이 있다. 또한, NaS 전지의 경우 에너지 효율이 높은 것이 장점이나 300℃이상의 고온에서 작동하는 단점이 있다. 반면, 레독스 흐름 전지는 유지 보수 비용이 적고 상온에서 작동가능하며 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 저장장치로의 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다.
상기 레독스 흐름전지의 경우 바이폴라 플레이트와 전극판 멤브레인을 반복적으로 적층함으로써 대용량화가 가능함으로 대형화에 유리하고 용량 증설이 용이하며 상온에서 작동하고 초기비용이 저렴하다는 장점이 있다.
그러나 상기 바이폴라 플레이트가 다수 적층된 레독스 흐름전지의 전해액은 흐름과정에서 적층된 바이폴라 플레이트의 유로를 통과하여 최종적으로 배출되는 과정에서 서로 다른 극을 가진 바이폴라 플레이트의 유로도 통과하게 된다. 이는 전해액 통과시 전기적 쇼트(단락)가 발생되어 레독스 흐름전지의 효율을 저하시키는 요인이 됨으로 이를 해소하기 위한 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
이에 본 발명에 따른 레독스 흐름전지 구조는,
서로 다른 극을 갖는 전해액이 통과되는 바이폴라 플레이트의 유로통공에는 테프론 재질의 쇼트방지관을 설치하여 전해액이 다른 극을 갖는 바이폴라 플레이트의 유로통공을 통과할 때 통과되는 전해액과 바이폴라 플레이트가 접촉되는 것을 방지해 접촉에 의한 쇼트가 발생되는 것을 억제하여 효율이 저감되는 것을 방지할 수 있는 레독스 흐름전지 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 레독스 흐름전지 구조는,
바이폴라 플레이트와, 양전극판과 음전극판으로 구분되는 전극판과, 멤브레인으로 구성된 전지셀이 다수 직렬적층하고, 적층된 다수의 바이폴라 플레이트에는 음극전해액과 양극전해액을 순차적으로 교차 공급시키는 레독스 흐름전지 구조에 있어서, 상기 바이폴라 플레이트는 하부와 상부에 전해액 유입구와 전해액 배출구가 형성되고, 상기 전해액유입구와 전해액배출구 사이에는 전해액이 이동되도록 유로가 형성되고, 상기 전해액유입구와 전해액배출구의 수직선상에서 대칭되는 좌우 부분에는 다른 극을 갖는 전해액이 통과되는 유로통공이 형성되도록 하되, 상기 유로통공에는 통과되는 전해액과 바이폴라 플레이트의 접촉이 차단되도록 절연재질의 쇼트방지관이 삽설되며, 상기 쇼트방지관은 바이폴라 플레이트 외면으로 일부 돌출되도록 하여 적층시 바이플로 플레이트의 양측에 설치되는 전극판에 압밀되어 바이폴라플레이트와 전극판 사이로 전해액이 유출되는 것을 방지하도록 한 것을 특징으로 한다.
이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 레독스 흐름전지 구조는,
바이폴라 플레이트와 양전극판 멤브레인 음전극판이 하나의 셀로 구성되고 다수의 셀이 직렬적층된 구조에서 일측으로 주입된 전해액이 각 셀을 순차적으로 통과할 때 서로 다른 극을 갖는 바이폴라 플레이트의 유로통공에는 테프론 재질의 쇼트방지관을 내설하여 서로 다른 극을 갖는 전해액이 바이폴라 플레이트와 접촉되는 것을 차단하여 접촉에 의한 쇼트발생으로 전지 효율이 저감되는 것을 방지하였다.
또한, 상기 유로통공에 내설되는 쇼트방지관을 둘 이상으로 분리하고, 분리된 객체를 일부 겹치게 해 압밀에 대한 완충이 이루어지도록 함으로써 쇼트방지관의 양단부가 바이폴라 플레이트의 양측에 적층되는 양전극판 및 음전극판에 밀착됨으로 전극판과의 갭을 통해 전해질이 바이폴라 플레이트로 혼입되는 것을 방지할 수 있는 레독스 흐름전지 구조의 제공이 가능하게 되었다.
도 1은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지를 분해 도시한 개략 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트를 도시한 사시도.
도 3a 내지 도 6은 본 발명에 따른 쇼트방지관의 다양한 실시예를 도시한 단면도.
이하에서는 본 발명을 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지(10) 구조는 바이폴라플레이트(40)와 양전극판과 음전극판으로 구분되는 전극판(51~56)과, 멤브레인(61~63)으로 구성되는 전지셀을 다수 직렬 적층하여 이루어진다.
도 1을 참조한 바와같이 도시된 도면의 왼쪽에는 앤드플레이트(20)가 위치하고 오른쪽으로 가면서 집전체(30), 제1바이폴라플레이트(41), 제1전극판(51), 제1멤브레인(61), 제2전극판(52), 제2바이폴라플레이트(42), 제3전극판(53), 제2멤브레인(62), 제4전극판(54), 제3바이폴라플레이트(43), 제5전극판(55), 제3멤브레인(63), 제6전극판(56), 제4바이폴라플레이트(44), 집전체(30), 앤드플레이트(20)로 구성된다. 상기 레독스 흐름전지는 바이폴라플레이트, 전극판, 멤브레인, 전극판을 하나의 전지셀로 하여 추가로 구성함으로써 전지 용량을 증가시킬 수 있다.
상기 구성에서 양단부에 위치하는 앤드플레이트(20)에는 하부와 상부 두 개의 통공이 일측방향으로 평향되어 구성된다. 상기 일측 앤드플레이트의 하부 통공에는 양극전해액을 주입하여 내부의 바이폴라플레이트(40) 유로를 따라 이동한 다음 타측 앤드플레이트 상부 통공으로 배출되도록 하며, 타측 앤드플레이트의 하부 통공에는 음극전해액을 주입하여 내부의 바이폴라플레이트 유로를 따라 이동한 다음 다른 앤드플레이트 상부 통공으로 배출한다.
또한, 상기 바이폴라플레이트(40)는 도 2를 참조한 바와같이 하부에 전해액유입구(45)가 형성되고, 상부에는 전해액배출구(46)가 형성되며, 상기 전해액유입구와 전해액배출구 사이에는 유로(47)가 형성된다. 상기 유로(47)는 전해액의 이동과 반응시간을 증대시키기 위해 도시된 바와같이 지그재그 형태로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전해액유입구(45)와 전해액배출구(46)는 도시된 바와같이 서로 대각선상으로 배치되거나 동일한 방향으로 편향되어 위치하도록 할 수 있다.
한편, 상기 바이폴라플레이트(40)에는 전해액유입구(45)와 전해액배출구(46)의 수직으로 대칭되는 방향의 상하부에 각각 유로통공(48)이 형성된다. 예컨대 본 발명의 바이폴라플레이트(41~44)는 4개가 직렬로 연결되는데 제1(41), 제3바이폴라플레이트(43)에는 왼쪽으로부터 양극전해액을 주입시키고, 제2(42), 4바이폴라플레이트(44)에는 오른쪽으로부터 음극전해액이 주입되어 산화환원반응이 이루어지도록 한다. 즉, 제3바이폴라플레이트(43)에 양극전해액을 주입시키기 위해서는 음극전해액이 주입되는 제2바이폴라플레이트(42)를 통과하여야 하며, 제3바이폴라플레이트(43)의 전해액배출구(46)로 배출되는 양극전해액은 음극전해액이 주입되는 제4바이폴라플레이트(44)를 통과하여야 한다. 따라서, 상기 바이폴라플레이트는 전해액유입구(45)와 전해액배출구(46)와 수직선상에서 서로 대향되는 부분에 유로통공(48)을 형성하여 상기 유로통공을 통해 다른 극을 갖는 전해액이 통과되도록 한다.
이 때 상기 유로통공(48)은 바이폴라플레이트(40,41~44)의 극성과 다른 극을 갖는 전해액이 이동됨으로 바이폴라플레이트와 쇼트가 발생될수 있다. 따라서, 상기 유로통공(48)에는 절연재질의 쇼트방지관(70a~70d)을 삽설하여 이동되는 전해액이 바이폴라플레이트와 접촉되는 것을 차단해 전기적 단락을 방지할 수 있다. 상기 쇼트방지관(70a~70d)의 재질로는 절연성을 갖는 다양한 재질을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 테프론(Teflon)을 사용하는 것이다. 상기 테프론은 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene ; PTFE)으로 열에 강하고, 마찰계수가 극히 낮으며, 화학제에도 강한 성질을 갖는다.
이와같이 테프론으로 제조되는 쇼트방지관은 도 3a와 도 3b에 도시된 바와같이 상기 쇼트방지관(70a)은 본체(71a)와 덮개(72a)로 분리구성할 수 있으며, 설치시에는 상기 분리된 본체와 덮개는 일부가 중첩되도록 결합한다. 이 때 상기 본체와 덮개의 결합부위는 원뿔형태의 경사면(710)으로 형성하여, 결합시 본체(71a)가 덮개(72a)의 내측으로 삽입되면서 밀착이 이루어지게 할 수 있다.
또한, 상기 쇼트방지관(70a)은 유로통공(48)보다 길게 형성하여 바이폴라플레이트(40) 외면으로 일부 돌출되도록 할 수 있다. 도 3b를 참조한 바와같이 쇼트방지관을 일부 돌출시킨 상태에서 바이폴라플레이트의 양면에 전극판을 적층시키면 전극판이 돌출된 쇼트방지관을 가압하게 된다. 상기 가압된 쇼트방지관은 본체와 덮개가 긴밀하게 접하면서 양단부는 전극판에 압밀되어 내부로 이동되는 전해액이 바이폴라플레이트와 전극판 사이의 갭으로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
도 4a와 도 4b는 쇼트방지관(70b)의 다른 실시예을 도시한 단면도로써, 바이폴라플레이트(40)의 유로통공(48)의 양단부에는 단턱(481)이 형성되고, 쇼트방지관(70b)은 본체(71b)와 덮개(72b)로 분리구성되데 일측단부에 유로통공의 단턱에 안착되는 플랜지부(711,721)가 일체로 형성된 형태로 제공될 수 있다. 상기 플랜지가 형성된 본체(71b)와 덮개(72b)의 결합부위로 도 3a의 실시예와 같이 원뿔형태의 경사면(720)으로 형성하여 장착시 본체가 덮개의 내측으로 일부 삽입되면서 결합이 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 미도시되었지만 플랜지부가 형성된 단부의 반대측 단부를 점진적으로 두께가 얇아지는 쐐기 형태로 형성하지 않고 끝단도 일정한 두께가 형성된 형태로 형성하여 장착시 체결력에 의해 끝단이 형태변형되는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 쇼트방지관(70c)의 다른 실시예를 도시한 단면도이다. 상기 쇼트방지관도 상기 유로통공의 양단부에 단턱이 형성될 때 체결가능한 형태이다. 도시된 바와같이 상기 쇼트방지관(70c)은 유로통공의 길이와 동일 또는 약간 큰 길이를 갖는 본체관(73)과, 상기 본체관의 양단을 내포하도록 결합되고 유로통공의 단턱에 안착되는 플랜지링(74)으로 구성된다. 상기 플랜지링의 두께는 단턱의 깊이보다 약간 크게 형성하여 적층되는 전극판과 압밀이 이루어지도록 함으로써 내부 전해액이 유출되는 것을 방지하게 하는 것이 바람직하다. 이러한 플랜지링은 테프론 재질로 형성된 예 이외에 일반적으로 갭상에 개제되어 유체의 유출을 방지하기 위한 오링으로 대체하여 사용될 수 있다.
도 6은 쇼트방지관(70d)의 또다른 실시예를 도시한 단면도이다. 상기 실시예도 유로통공의 양단부에 단턱을 형성되었을 때 체결가능한 형태이다. 도시된 바와같이 쇼트방지관(70d)은 본체관(75)과 덮개관(76)인 두 개의 관체로 분리구성된다. 상기 본체관과 덮개관은 일단이 유로통공의 단턱에 안착되는 플랜지부(751,761)가 형성된다. 상기 두 개의 관체로 형성된 쇼트방지관은 본체관에서 플랜지부를 제외한 부분을 덮개관 내부로 유입되어 장착된다. 따라서 상기 형태는 본체관 내부의 통공을 통해 전해액의 이동이 이루어진다.
아울러 본 발명의 레독스 흐름전지는 양극전해질로는 V(Ⅳ),V(Ⅴ) 레독스 커플, 할로겐 레독스 커플로 이루어진 군으로부터 선택사용할 수 있다. 또한, 음극전해질로는 V(Ⅱ), V(Ⅲ) 레독스 커플, 설퍼이드 레독스 커플, 아연(Zn) 레독스 커플을 선택 사용할 수 있다.
또한 상기 멤브레인은 양쪽에 샌드위치형의 다공성 고분자막이 부착된 격리막 구조를 적용할 수 있다. 상기 고분자막은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐디플루오라이드(PVdF), 폴리 아크릴로니트릴(PAN)계의 고분자 물질 또는 그 혼합체를 다공성 필름이나 부직포, 펠트(FELT)의 형태로 제작된 것을 사용할 수 있다.
10 : 레독스 흐름전지
20 : 앤드플레이트
30 : 집전체
40,41~44 : 바이폴라플레이트,제1 내지 제4 바이폴라플레이트
45 : 전해액유입구 46 : 전해액배출구
47 : 유로 48 : 유로통공
481 : 단턱
51~56 : 제1 내지 제6전극판
61~63 : 제1 내지 제3멤브레인
70a~70d : 쇼트방지관
71a,71b : 본체 72a,72b : 덮개
73,75 : 본체관 74 : 플랜지링
76 : 덮개관
710,720 : 경사면
711,721,751,761 : 플랜지부

Claims (6)

  1. 바이폴라 플레이트(40,41~44)와, 양전극판과 음전극판으로 구분되는 전극판(51~56)과, 멤브레인(61~63)으로 구성된 전지셀이 다수 직렬적층하고, 적층된 다수의 바이폴라 플레이트에는 음극전해액과 양극전해액을 순차적으로 교차 공급시키는 레독스 흐름전지 구조에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트(40,41~44)는 하부와 상부에 전해액 유입구(45)와 전해액 배출구(46)가 형성되고, 상기 전해액유입구와 전해액배출구 사이에는 전해액이 이동되도록 유로(47)가 형성되고, 상기 전해액유입구와 전해액배출구의 수직선상으로 대칭되는 좌우 부분에는 다른 극을 갖는 전해액이 통과되는 유로통공(48)이 형성되도록 하되,
    상기 유로통공에는 통과되는 전해액과 바이폴라 플레이트의 접촉이 차단되도록 절연재질의 쇼트방지관(70a~70d)이 삽설되며,
    상기 쇼트방지관(70a~70d)은 바이폴라 플레이트 외면으로 일부 돌출되도록 하여 적층시 바이플로 플레이트의 양측에 설치되는 전극판에 압밀되어 바이폴라플레이트와 전극판 사이로 전해액이 유출되는 것을 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 구조.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 쇼트방지관(70a)은 본체(71a)와 덮개(72a)로 분리구성하고, 상기 분리된 본체와 덮개는 일부가 중첩되도록 결합하되 상기 본체와 덮개의 결합부위는 원뿔형태의 경사면(710)으로 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유로통공(48)은 양단부에 단턱(481)을 형성하고,
    상기 쇼트방지관(70b)은 유로통공의 단턱에 안착되는 플랜지부(711,721)가 각각 형성된 본체(71b)와 덮개(72b)로 분리구성하고, 상기 분리된 본체와 덮개는 일부가 중첩되도록 결합하되 상기 본체와 덮개의 결합부위는 원뿔형태의 경사면(720)으로 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유로통공은 양단부에 단턱(481)을 형성하고,
    상기 쇼트방지관(70c)은 본체관(73)과, 상기 본체관의 양단을 내포하도록 결합되고 유로통공의 단턱에 안착되는 두 개의 플랜지링(74)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유로통공은 양단부에 단턱(481)을 형성하고,
    상기 쇼트방지관(70d)은 일측단부에 유로통공의 단턱에 안착되는 플랜지부(751,761)가 형성된 본체관(75)과 덮개관(76)으로 분리구성하되, 상기 본체관은 덮개관의 통공으로 삽설되도록 한 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 구조.
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