KR101205062B1 - 전류 접속 단자를 매립하기 위한 블록을 포함하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 앤드 플레이트, 절연판 및 전류 플레이트를 포함하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택에 있어서, 상기 전류 플레이트는 외부 에너지원과 전도성으로 연결되는 접속 단자를 포함하며, 상기 전류 플레이트에 인접하는 플레이트에 홈을 구비하여 부도체의 접속 단자 결합 부재가 삽입될 수 있고, 삽입된 접속 단자 결합 부재는 전류 접속 단자와 결합이 가능한 것을 특징으로 하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택에 관한 것이다.

Description

전류 접속 단자를 매립하기 위한 블록을 포함하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택{Fuel Cell or Flow Battery Stack With A Block for Flush Type Current Connecting Terminal}

본 발명은 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지용 스택을 위한 매립형 전류 접속단자에 관한 것이다.

레독스 흐름 전지는 최근 전 세계적으로 가장 큰 관심을 불러일으키고 있는 에너지 혁명, 신재생 에너지, 온실가스 감축, 2차 전지, 스마트그리드 등과 긴밀하게 연관된 핵심 제품 중 하나이다. 현재 대부분의 에너지를 화석 연료로부터 얻고 있으나, 이러한 화석 연료의 사용은 대기오염, 산성비 및 지구 온난화와 같이 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 문제점이 있다.

이러한 화석 연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 신재생 에너지에 대한 관심이 급속도로 높아졌다. 이러한 신재생 에너지에 대한 관심 및 연구는 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

다만, 신재생 에너지 시장이 국내외적으로 성숙 단계에 접어들었다고는 하지만 재생 에너지의 특성상 시간 및 날씨 등의 환경 영향에 따라 발생하는 에너지의 양이 크게 변화한다는 문제점이 있어, 이로 인해 신재생에너지 발전의 안정화를 위해 발생된 재생 에너지를 저장하는 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)의 보급이 매우 필요한 상황이며, 이러한 대용량 에너지 저장 시스템으로 주목받고 있는 것이 레독스 흐름 전지(Redox flow battery)이다.

본 발명이 적용되는 레독스 흐름 전지의 일반적인 형태는 도 1에서 보는 것과 같이 전기 화학 반응이 일어나는 셀을 적층한 스택(1), 전해질을 보관하는 탱크(3) 및 전해질 탱크에서 스택으로 전해질을 공급하는 펌프(4)로 구성되는 형태이다.

도 2에서 보는 것과 같이 스택(1)은 중앙의 이온 교환막(27)을 사이에 두고, 플로우 프레임(26), 분리판(24)이 대칭 구조로 배치되며, 이온 교환막 (27), 플로우 프레임(26) 및 분리판(24) 사이에는 기밀성을 유지하기 위한 가스켓(25)이 배치되는 단위 셀들이 다수 적층되어 이루어진다.

단위 셀들이 다수 적층되는 구조에서, 스택을 체결하는 경우 가스켓(25)을 압축하여 기밀성을 유지하기 위해 비교적 높은 압력이 필요하게 되어 앤드 플레이트는 강한 체결 압력에 견딜 수 있는 금속 계열 재질을 사용한다. 하지만 이러한 금속 계열의 재질은 전기가 잘 통하는 도체이기 때문에 전류 플레이트와 직접적으로 접촉되지 않도록 앤드 플레이트와 전류 플레이트 사이에 부도체인 절연체를 삽입하고 외부의 에너지원과 연결되는 전류 플레이트의 접속 단자(28)는 돌출된 형태로 형성한다.

본 발명에서, 스택을 이루는 각각의 판(플로우 프레임, 분리판, 전류 플레이트, 앤드 플레이트, 절연판 등)은 일반적으로 플레이트라고 칭할 수 있다.

그런데 이와 같이 전류 접속 단자가 외부로 돌출되어 있으면, 접속 단자에는 고전류가 흐르므로 합선, 감전 등의 위험이 있으며, 돌출된 형상에 의하여 차지하는 공간이 커서 공간 활용이 경제적이지 못한 문제점이 있었다.

종래 기술과 같이 외부에 노출되어 있는 전류 접속 단자의 경우 돌출되어 있는 형상으로 구성되어 있기 때문에 필연적으로 쉽게 접촉할 수 있게 되어 있다. 따라서 돌출된 전류 접속 단자가 도체에 접촉하게 되면 합선이 발생한다. 특히 연료 전지 및 레독스 흐름 전지의 경우 고전류가 흐르기 때문에 이러한 전기 합선은 치명적인 문제를 초래할 수 있다. 또한 이러한 전류 접속 단자에 감전이 되었을 경우 큰 인명 피해를 일으킬 수 있다.

이에 본 발명은 고전류가 흐르는 전류 접속 단자를 외부에 노출시키지 않음으로써 전기 합선 및 감전의 사고를 예방할 수 있게 하였다.

또한, 종래 기술에 따르면 외부에 돌출되어 있는 형태의 전류 접속 단자로 인해 스택을 적층하는 경우 불필요하게 부피가 증가하게 된다. 특히, 레독스 흐름 전지의 경우 낮은 에너지 밀도로 인하여 다른 이차 전지에 비해 부피가 크다는 단점을 지니고 있는데 돌출형의 전류 접속 단자로 인해 부피가 더욱 증가하게 된다.

이에 본 발명은 전류 접속 단자를 매립형으로 설계함으로써 스택으로서 요구되는 부피를 최소화하도록 하고자 하는 것이다.

본 발명은 전도성 앤드 플레이트, 절연판, 전류 플레이트 및 플로우 프레임을 포함하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택에 있어서, 상기 전류 플레이트는 외부 에너지원과 전도성으로 연결되는 접속 단자를 포함하며, 상기 앤드 플레이트 또는 플로우 프레임은 홈을 구비하여 부도체의 접속 단자 결합 부재가 삽입될 수 있고, 삽입된 접속 단자 결합 부재는 상기 전류 접속 단자와 결합이 가능한 것을 특징으로 하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택에 관한 것이다.

상기 앤드 플레이트 또는 플로우 프레임의 홈은 바람직하게는 상기 접속 단자 결합 부재가 삽입되었을 때 상하좌우의 4축방향으로는 움직이지 않도록 홈이 형성되어 있고 볼트 체결 후 고정이 되어 전후 방향으로도 고정이 되어 체결 후에는 6축 방향 모두 고정이 된다.

또한, 본 발명의 상기 접속 단자 결합 부재에는 홀을 구비하고 홀의 하부의 단면은 다각형 형태로서 모서리를 구비할 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 접속 단자는 볼트가 통과 가능한 홀을 구비하며 외부로 돌출되지 않은 형태, 바람직하게는 90° 절곡된 형태가 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 접속 단자 결합 부재의 단면이 다각형 형태인 홀의 하부에 너트를 삽입하고, 상기 너트는 상기 접속 단자 결합 부재 상부에서부터 접속 단자의 홀과 상기 접속 단자 결합 부재의 홀을 통과하는 볼트에 의하여 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 볼트의 길이는 너트와 결합하였을 때, 볼트가 앤드 플레이트 또는 플로우 프레임과 접촉이 되지 않는 길이가 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 접속 단자 결합 부재 또는 절연판은 접속 단자가 매립될 수 있는 홈을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 접속 단자 결합 부재에서, 홀의 상부와 하부가 단을 형성하며 구별되고, 상기 하부는 다각형 형상의 단면을 구비하여 삽입되는 너트가 상부로부터 홀로 삽입되는 볼트와 결합시 회전되지 않는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전류 플레이트와 근접하는 앤드 플레이트 또는 플로우 프레임 등에 홈을 구비하여 부도체의 접속 단자 결합 부재가 삽입되고, 접속 단자가 부도체의 접속 단자 결합 부재와 결합 가능하게 하여 접속 단자가 돌출되지 않도록 하였으며, 이로 인하여 합선, 감전 등의 위험을 방지하였고, 돌출된 형상에 의하여 차지하는 공간을 절약하였다.

또한, 본 발명은 접속 단자 및 접속 단자 결합 부재는 볼트가 통과 가능한 홀을 구비하며 외부로 돌출하지 않은, 바람직하게는 90° 절곡된 형태의 접속 단자가 볼트에 의하여 접속 단자 결합 부재에 결합 가능하게 하였다.

또한, 본 발명의 접속 단자 결합 부재의 홀의 하부의 단면은 다각형 형태로서 모서리를 구비하도록 하여, 다각형 하부에 삽입되는 너트가 접속 단자 상부에서 삽입되는 볼트와 결합 시 회전하지 않도록 하여 접속 단자와 부도체의 접속 단자 결합 부재가 효과적으로 결합 가능하게 하였다.

또한, 본 발명에서 볼트의 길이는 너트와 결합하였을 때, 볼트가 전류 플레이트와 근접하는 앤드 플레이트 또는 플로우 프레임 등과 접촉이 되지 않도록 하여 효과적으로 접속 단자와 접속 단자 결합 부재가 결합할 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명은 상기 접속 단자 결합 부재 및 절연판 또는 플로우 프레임등은 접속 단자가 매립될 수 있는 홈을 구비하도록 하여 외부에 노출되지 않도록 함으로써 감전 및 합선의 위험을 보다 더 방지하며, 공간 활용을 증대하였다.

도 1은 레독스 흐름 전지의 개요도이다.
도 2는 레독스 흐름 전지 스택의 분해도이다.
도 3은 종래 레독스 흐름 전지 스택의 조립된 사진이다.
도 4은 본 발명에 의한 전류 플레이트, 절연판 및 앤드 플레이트의 조립도이다.
도 5은 본 발명에 의한 전류 플레이트, 절연판 및 앤드 플레이트의 분해도이다.
도 6은 본 발명의 접속 단자 결합 부재의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 의한 접속 단자 결합 부재와 접속 단자의 결합 상태를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에 의한 접속 단자 결합 부재가 앤드 플레이트에 결합된 상태를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 접속 단자 절곡 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 연료 전지 스택의 조립도이다.
도 11은 연료 전지 스택을 구성하는 플레이트의 분해도이다.

본 발명이 적용되는 레독스 흐름 전지의 일반적인 형태는 도 1에서 보는 것과 같이 전기 화학 반응이 일어나는 셀을 적층한 스택(1), 전해질을 보관하는 탱크(3) 및 전해질 탱크에서 스택으로 전해질을 공급하는 펌프(4)로 구성되는 형태이다.

스택(1)은 레독스 흐름 전지를 구성하는 가장 중요한 부품 중 하나로 스택 내부는 양극과 음극 전해질이 전자를 교환하여 충전 및 방전을 수행하며, 외부로부터 에너지를 공급받거나 외부로 에너지를 공급한다.

스택(1)은 도 2에서 보는 것과 같이 중앙의 이온교환막(27)을 사이에 두고, 플로우 프레임(26), 분리판(24)이 대칭 구조로 배치되며, 상기 이온교환막(27), 플로우 프레임(26) 및 분리판(24) 사이에는 기밀성을 유지하기 위한 가스켓(25)을 배치하는 단위 셀들이 다수 적층된다.

상기 단위 셀들이 다수 적층된 후에는, 양쪽에 전류 플레이트(23), 절연판(22) 및 앤드 플레이트(21)가 순차적으로 적층되어 조립된다. 절연판(22)은 전류 플레이트(23)와 앤드 플레이트(21)의 사이에 존재하여 전류 플레이트(23)에 흐르는 전류가 앤드 플레이트(21)에 흐르는 것을 방지하며 부도체 계열의 재료가 사용되고 있으며 주로 내산성을 지닌 폴리머 재질이 사용된다.

즉, 전류 플레이트(23)가 앤드 플레이트(21)와 접촉하면, 전류 플레이트(23)의 전류가 앤드 플레이트(21)로 통하므로 감전 사고가 발생할 수 있어, 그 사이에 부도체 계열의 절연판(22)을 삽입하여, 전류 플레이트(23)의 전류가 앤드 플레이트(21)에 흐르는 것을 방지한다.

전류 플레이트(23)는 분리판(24)과 전기적으로 연결되어 전류가 통하며, 접속 단자(28)를 구비하여 접속 단자(28)에 의하여 외부로부터 에너지를 공급받거나 외부로 에너지를 공급한다.

종래, 상기 접속 단자(28)는 도 2에서와 같이 전류 플레이트(23)의 외부로 돌출된 형태로 구성되며, 종래의 조립된 스택 구조를 보여주는 도 3을 보면 접속 단자(3)가 돌출되어 있는 것을 볼 수가 있다.

레독스 흐름 전지는 다수개의 스택을 적층하여 사용하게 되는데 접속 단자(3)가 외부로 돌출된 경우, 스택을 적층하기 위해서는 돌출된 접속 단자(3)의 높이 또는 그 이상의 공간이 추가로 필요하게 되어 공간 활용에 문제점이 있다.

레독스 흐름 전지의 스택은 많게는 수백 개의 스택을 적층하여 사용하게 되므로 공간 활용은 더욱더 필요하다.

또한, 이와 같이 외부로 돌출된 접속 단자(3)는 합선 및 감전의 위험이 있다.

이에 본 발명은 도 4에서 보는 것처럼, 접속 단자(28)가 외부로 노출되지 않도록 하고자 하는 것이다.

도 5를 보면, 접속 단자(28)는 전류 플레이트(23)의 표면에 대하여 수직으로 절곡되어 있으며, 굽혀진 접속 단자(28)에는 홀(36)을 구비하고 있다. 또한, 앤드 플레이트(21)에는 접속 단자 결합 부재(30)가 삽입될 수 있는 홈(37)을 구비하고 있다.

도 6을 보면, 접속 단자 결합 부재(30)에는 볼트(29)가 통과되는 홀(31)이 구비되어 있는데 상기 홀(31)의 상부 부분과 하부 부분이 단을 이루고 있으며 하부(32)의 단면은 상부 단면보다 넓고 다각형 형상으로 이루어진다.

이는 볼트 결합 시 사용되는 홀에서 카운터 보링이 원형으로 형성되는 것과는 달리 다각형 형상(하부, 32)을 구비하도록 하는 것과 같다.

상기 다각형 형상은 가공의 편의를 위하여 약간의 변형이 가능하나 (예를 들어 모서리 부분에서 가공을 위해 곡면이 형성되는 것), 이하 설명하는 것과 같이 하부에 삽입되는 너트가 상부에서 삽입되는 볼트와 결합 시 회전을 방지하는데 충분한 형태이면 변형된 다각형 형태는 모두 가능하다.

도 7은 90° 절곡 된 접속 단자(28)가 접속 단자 결합 부재(30)와 결합되는 과정을 보여준다. 너트(35)를 접속 단자 결합 부재(30)의 다각형 형상 홀 하부(32)에 삽입한 후, 접속 단자 결합 부재(30)를 앤드 플레이트(21)의 홈(37)에 삽입한다. 이와 같이 접속 단자 결합 부재(30)를 홈(37)에 삽입하면 도 7과 같이 90° 굽어진 접속 단자(28)가 접속 단자 결합 부재(30) 위에 놓여지게 될 것이다. 그 후, 볼트(29)를 접속 단자(28)의 홀(36)과 접속 단자 결합 부재(30)의 홀(31)을 통과하도록 하면 볼트(29)는 홀(31)의 하부에 놓여 있는 너트(35)와 결합할 수 있는 상태가 된다. 이러한 상태에서 볼트(29)를 회전시키면 너트(35)는 홀 하부(32)의 다각형 형상의 모서리에 부딪혀 회전하지 않고 너트(35)는 위로 올라가면서 볼트(29)와 결합하게 된다.

따라서, 본 발명에서 접속 단자 결합 부재(30)의 홀(31)의 하부(32)는 볼트(29)와 결합하는 너트(35)가 회전되는 것을 방지할 수 있는 다각형 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서 육각형 너트가 주로 사용되므로 상기 다각형도 육각형인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.

도 8은 본 발명의 접속 단자 결합 부재(30)가 앤드 플레이트(21)에 결합된 상태를 보여준다.

본 발명의 접속 단자 결합 부재(30)는 도 6에서 보는 것처럼 상부에 홈(39)이 형성되어 있고, 절연판(22)에도 도 5에서 보는 것처럼 홈(38)이 형성되어 있어, 스택의 조립 시에 전류 플레이트(23)의 접속 단자(28)가 도 8과 같이 매립된 형태로 형성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 부도체인 접속 단자 결합 부재(30)를 앤드 플레이트(21)에 삽입한 후, 절곡된 접속 단자(28)를 접속 단자 결합 부재(30)의 홈에 매립된 형태로 스택을 제작하여, 감전 위험 및 스택이 차지하는 부피를 줄였다.

접속 단자 결합 부재(30)는 앤드 플레이트(21)의 홈(37)에 삽입될 수 있는 형상이면 본 발명의 목적을 달성할 수 있으므로 다양한 형태의 변형이 가능할 것이다.

한편, 본 발명에 따른 접속 단자(28)가 앤드 플레이트(21) 방향으로 절곡되어야만 하는 것은 아니며, 도 9에서 보는 바와 같이 앤드 플레이트(21)의 반대 방향으로 절곡될 수도 있음은 물론이다.

도 9에서, 접속 단자(28)는 플로우 프레임(26) 방향으로 절곡됨을 확인할 수 있으며, 상술한 바와 같은 접속 단자 결합 부재, 그리고 접속 단자(28)와 접속 단자 결합 부재를 결합하기 위한 구성들은 마찬가지로 플로우 프레임(26) 등에서 형성될 것이다.

분리판(24)이 전류 플레이트(23) 옆에 위치하나, 분리판(24)은 조립시 플로우 프레임(26)에 삽입되므로, 분리판(24)이 아닌 플로우 프레임(26)에 홈이 형성되고, 접속단자 결합 부재는 상기 플로우 프레임(26)의 홈에 삽입되는 것이 바람직하다.

도 10은 본 발명의 또 다른 주제인 연료 전지의 조립도로서 공기(53)와 수소(54)가 이온교환막(52) 및 분리판(51)을 사이에 두고 공급되는 형태를 보여준다.

도 11에서 보는 것처럼 연료 전지 또한 글래스 실(61), 인터 커넥터(62), 수소 전극(63), 전해질(64) 및 산소 전극(65)과 같이 다수의 플레이트를 구비하며 레독스 흐름 전지의 스택과 같이 조립되고 양쪽 끝 부분에는 전류 플레이트, 절연판 및 앤드 플레이트를 구비하므로, 위에서 설명한 접속 단자는 연료 전지에도 동일한 방식으로 적용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예 에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1: 스택 2: 카본 전극
3: 탱크 4: 펌프
21: 앤드 플레이트 22: 절연판
23: 전류 플레이트 24: 분리판
25: 가스켓 26: 플로우 프레임
27: 이온교환막 28: 접속 단자
29: 볼트 30: 접속 단자 결합 부재
31: 접속 단자 결합 부재의 홀 32: 홀 하부 부분
36: 접속 단자의 홀 37: 앤드 플레이트의 홈
38: 절연판의 홈 39: 접속 단자 결합 부재의 홈
53: 공기 54: 수소
61: 글래스 실 62: 인터 커넥터
63: 수소 전극 64: 전해질
65: 산소 전극

Claims (8)

1. 앤드 플레이트, 절연판, 전류 플레이트, 분리판 및 플로우 프레임을 포함하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택에 있어서,
   상기 전류 플레이트는 외부 에너지원과 전도성으로 연결되는 접속 단자를 포함하며,
   상기 전류 플레이트에 인접하는 플레이트는 홈을 구비하여 부도체의 접속 단자 결합 부재가 삽입될 수 있고,
   삽입된 접속 단자 결합 부재는 전류 접속 단자와 결합이 가능한 것을 특징으로 하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택.
2. 제1항에 있어서,
   상기 인접하는 플레이트는 앤드 플레이트 또는 플로우 프레임인 것을 특징으로 하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택.
3. 제2항에 있어서,
   상기 접속 단자 결합 부재에는 홀을 구비하고 홀의 상부와 하부는 단을 이루며 구별되고, 상기 하부의 단면은 다각형 형태로서 모서리를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택.
4. 제3항에 있어서,
   상기 접속 단자는 볼트가 통과 가능한 홀을 구비하며 돌출되지 않은 형태인 것을 특징으로 하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택.
5. 제4항에 있어서,
   상기 접속 단자 결합 부재의 다각형 형태의 홀의 하부에 너트를 삽입하고, 상기 너트는 상기 접속 단자 결합 부재 상부에서부터 접속 단자의 홀과 상기 접속 단자 결합 부재의 홀을 통과하는 볼트에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 볼트의 길이는 너트와 결합하였을 때, 볼트가 앤드 플레이트 또는 플로우 프레임과 접촉이 되지 않는 길이가 되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택.
7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서,
   상기 접속 단자 결합 부재 또는 절연판은 접속 단자가 매립될 수 있는 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 또는 레독스 흐름 전지 스택.
8. 홀을 구비하는 부도체 블록에 있어서,
   상기 홀의 하부는 상부와 단을 형성하며 구별되며,
   상기 하부는 다각형 형상의 단면을 구비하여 삽입되는 너트가 상부로부터 홀로 삽입되는 볼트와 결합 시 회전되지 않는 것을 특징으로 하는 부도체 블록.
   

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