KR101291752B1 - Combined complex electrode cell with inner seal and redox flow battery comprising thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전해액 넘어감 현상을 막을 수 있도록 내부 밀봉 구조를 갖는 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated composite electrode cell having an internal sealing structure and a redox flow battery including the same so as to prevent the electrolyte from falling over.
대용량의 전력저장을 위한 이차전지로서 레독스 흐름전지(RFB, redox flow battery)는 유지 보수 비용이 적고 상온에서 작동가능하며 용량과 출력을 각기 독립적으로 설계할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 2차전지로 많은 연구가 진행되고 있다.Redox flow battery (RFB) as a secondary battery for storage of large capacity power has low maintenance cost, can be operated at room temperature, and can be designed independently of capacity and output. Many studies have been conducted.
일반적으로 레독스 흐름전지는 프레임에 고정된 바이폴라 플레이트와 양극펠트전극이 구비된 양극전극용 매니폴드를 포함하는 양극셀과, 프레임에 고정된 바이폴라 플레이트와 음극펠트전극이 구비된 음극전극용 매니폴드를 포함하는 음극셀, 및 상기 양극셀과 음극셀 사이에 형성되는 분리막을 포함하여 이루어진다. 상기 양극셀과 음극셀은 다수 적층되어 사용될 수 있는데, 이때 최외측의 양극셀과 음극셀의 외측면에는 각각 집전체 및 엔드플레이트가 놓여진다.In general, a redox flow battery includes a positive electrode cell including a bipolar plate fixed to a frame and a positive electrode manifold having a positive felt electrode, and a negative electrode manifold equipped with a bipolar plate and a negative felt electrode fixed to a frame. And a separator formed between the cathode cell and the anode cell. The cathode and anode cells may be stacked in plural, and a current collector and an end plate may be placed on the outer surfaces of the outermost anode and cathode cells, respectively.
이러한 종래 레독스 흐름전지는 적층 시 바이폴라 플레이트를 지지해 줄 수 있는 바이폴라 플레이트 프레임을 사용하게 되어 더 많은 재료를 사용함에 따라 발생하는 부피 증가, 가격 상승 및 적층 시간 증가라는 문제점이 발생하게 된다.Such a conventional redox flow battery uses a bipolar plate frame that can support a bipolar plate in stacking, resulting in problems such as volume increase, price increase, and stacking time increase caused by using more materials.
이에 본 발명자들은 국내 특허출원번호 제2012-0099919호에서 적층 작업 시간 및 비용, 스택 가격 및 부피를 줄임으로써 레독스 흐름전지의 스택적층 효율을 높일 수 있는 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지를 제안한바 있다. 상기 일체형 복합전극셀은 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 외측에 제1전극(이하 편의상 양극전극이라고도 한다)이 삽입되는 제1매니폴드, 외측에 제2전극(이하 편의상 음극전극이라고도 한다)이 삽입되는 제2매니폴드, 및 상기 제1매니폴드와 제2매니폴드 사이에 안착되는 바이폴라 플레이트를 포함하여 이루어진다. Accordingly, the present inventors in the Korean Patent Application No. 2012-0099919 No. of the integrated composite electrode cell and the redox flow that can increase the stack stacking efficiency of the redox flow battery by reducing the stacking time and cost, stack price and volume A battery has been proposed. As shown in FIGS. 1A and 1B, the integrated composite electrode cell may include a first manifold in which a first electrode (hereinafter referred to as an anode electrode) may be inserted at an outer side, and a second electrode (hereinafter referred to as a cathode electrode for convenience). And a second manifold to be inserted, and a bipolar plate seated between the first and second manifolds.
이 경우 제1매니폴드의 양극전극과 제2매니폴드의 음극전극에 각각 접촉되는 양극전해액과 음극전해액은 바이폴라 플레이트에 의해 단절되어야 하나, 바이폴라 플레이트의 면을 타고 반대방향으로 넘어가는 현상이 발생한다는 문제점이 있다. 특히, 바이폴라 플레이트는 전도성이 좋은 그라파이트 플레이트나 탄소플레이트를 사용하여 적층 시 휘어짐 현상이 발생할 수 있어 전해액의 넘어감 현상을 방지하는 것이 요구되어 진다. 이와 같은 전해액의 넘어감 현상은 충전시간이 길어지거나 방전이 짧아져 충방전 효율 및 에너지 효율을 떨어뜨리게 된다. In this case, the anolyte and the catholyte that are in contact with the cathode electrode of the first manifold and the cathode electrode of the second manifold, respectively, should be disconnected by the bipolar plate, but the phenomenon of crossing the surface of the bipolar plate to the opposite direction occurs. There is a problem. In particular, the bipolar plate using the graphite plate or carbon plate with good conductivity may cause the warpage phenomenon when laminated, it is required to prevent the fall of the electrolyte. Such a phenomenon of falling of the electrolyte may result in a decrease in charge and discharge efficiency and energy efficiency due to a long charging time or a short discharge.
이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레독스 흐름전지 적층체의 부피를 획기적으로 줄여 적층효율을 높이기 위하여 서로 다른 극성의 두장의 매니폴드 내측에 바이폴라 플레이트를 삽입하여 일체화할 때 일측의 매니폴드에 접촉되는 전해액이 바이폴라 플레이트의 면을 타고 타측의 매니폴드 쪽으로 넘어가지 않도록 함으로써 충전시간이 길어지거나 방전이 짧아져 충방전 효율 및 에너지 효율을 떨어뜨리지 않도록 한 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지를 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, in order to integrate the bipolar plate inside the two manifolds of different polarities in order to significantly reduce the volume of the redox flow battery stack to increase the stacking efficiency. An integrated composite electrode cell which prevents the electrolyte from being in contact with the manifold on one side from passing through the surface of the bipolar plate to the manifold on the other side, so that the charging time is long or the discharge is shortened so as to reduce the charge and discharge efficiency and the energy efficiency. Its purpose is to provide a redox flow battery comprising the same.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀은 외측에 제1전극이 삽입되는 제1매니폴드, 외측에 제2전극이 삽입되는 제2매니폴드, 및 제1매니폴드와 제2매니폴드 내측에 구비된 안착홈에 안착되는 바이폴라 플레이트를 포함하며, 상기 제1매니폴드와 제2매니폴드의 안착홈 중 적어도 하나에 전해액의 누수를 차단하기 위한 누수방지부가 형성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an integrated composite electrode cell according to the present invention includes a first manifold in which a first electrode is inserted in an outer side, a second manifold in which a second electrode is inserted in an outer side, and a first manifold and a first manifold. And a bipolar plate seated in a seating groove provided inside the manifold, wherein at least one of the seating grooves of the first and second manifolds is provided with a leakage preventing unit for blocking leakage of electrolyte. do.
상기 제1전극과 제2전극의 가로와 세로방향의 길이는 바이폴라 플레이트의 가로와 세로방향의 길이보다 작게 형성될 수 있다. The lengths in the horizontal and vertical directions of the first and second electrodes may be smaller than the lengths in the horizontal and vertical directions of the bipolar plate.
상기 누수방지부는 제1매니폴드와 제2매니폴드의 안착홈에 각각 요홈을 형성하고, 상기 요홈에 누수 방지 보형물을 삽입하여서 된 것일 수 있다. The leakage preventing part may be formed by forming recesses in the recesses of the first manifold and the second manifold, respectively, and inserting a leakage preventing implant into the recess.
상기 누수방지부는 제1매니폴드와 제2매니폴드의 안착홈에 누수 방지 보형물을 부착하여서 된 것일 수 있다. The leakage preventing unit may be made by attaching a leakage preventing implant to the seating grooves of the first and second manifolds.
또한 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀은 외측에 제1전극이 삽입되는 제1매니폴드, 외측에 제2전극이 삽입되는 제2매니폴드, 및 제1매니폴드와 제2매니폴드 내측에 구비된 안착홈에 안착되는 바이폴라 플레이트를 포함하며, 상기 제1매니폴드와 제2매니폴드의 안착홈에 접촉하는 바이폴라 플레이트의 접촉면 중 적어도 하나에 전해액의 누수를 차단하기 위한 누수방지부가 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the integrated composite electrode cell according to the present invention includes a first manifold in which a first electrode is inserted in an outer side, a second manifold in which a second electrode is inserted in an outer side, and a first manifold and a second manifold. And a bipolar plate seated in the seating groove, wherein a leakage preventing part is formed on at least one of the contact surfaces of the bipolar plate contacting the seating grooves of the first and second manifolds to prevent leakage of the electrolyte. do.
상기 제1전극과 제2전극의 가로와 세로방향의 길이는 바이폴라 플레이트의 가로와 세로방향의 길이보다 작게 형성될 수 있다. The lengths in the horizontal and vertical directions of the first and second electrodes may be smaller than the lengths in the horizontal and vertical directions of the bipolar plate.
상기 누수방지부는 제1매니폴드와 제2매니폴드의 안착홈에 접촉하는 바이폴라 플레이트의 접촉면에 각각 요홈을 형성하고, 상기 요홈에 누수 방지 보형물을 삽입하여서 된 것일 수 있다. The leakage preventing part may be formed by forming recesses in the contact surfaces of the bipolar plates that contact the seating grooves of the first and second manifolds, and inserting a leakproof implant into the recesses.
상기 누수방지부는 제1매니폴드와 제2매니폴드의 안착홈에 접촉하는 바이폴라 플레이트의 접촉면에 누수 방지 보형물을 부착하여서 된 것일 수 있다. The leakage preventing part may be formed by attaching a leakage preventing implant to a contact surface of a bipolar plate contacting the seating grooves of the first and second manifolds.
상기 누수방지 보형물은 EPDM, 바이톤, 고무, 연질 PVC, 경질 PVC을 포함하는 그룹에서 선택되는 소재로 제조된 것일 수 있다. The leak-proof implant may be made of a material selected from the group consisting of EPDM, Viton, rubber, soft PVC, rigid PVC.
상기 누수방지 보형물은 다각형 또는 원형의 형태로 제조된 것일 수 있다. The leak-proof implant may be manufactured in the form of a polygon or a circle.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 상기 일체형 복합전극셀을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 한다.Redox flow battery according to the present invention for achieving the above object is characterized in that it comprises at least one integral composite electrode cell.
상기 일체형 복합전극셀은 분리막을 기준으로 반복하여 적층될 수 있다.The integrated composite electrode cell may be repeatedly stacked on the basis of the separator.
또한, 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 전해액 주입구 및 배출구를 갖는 한 쌍의 엔드플레이트, 상기 엔드플레이트 각각의 내측에 위치하는 집전체, 상기 집전체 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트가 안착되고 반대면에 펠트전극이 삽입되는 엔드매니폴드, 및 상기 엔드매니폴드 사이에 위치하는 것으로서 적어도 두 개의 분리막과 상기 분리막 사이에 위치하는 상기한 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. In addition, the redox flow battery according to the present invention corresponds to a pair of end plates having an electrolyte inlet and outlet, a current collector located inside each of the end plates, and located inside each of the current collectors. An end manifold in which a bipolar plate is seated on a side thereof and a felt electrode is inserted on an opposite side thereof, and an integrated composite electrode according to the present invention, which is positioned between the end manifold and at least two separators. Characterized in that it comprises a cell.
상기한 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀은 바이폴라 플레이트를 두장의 매니폴드 들 사이에 안착시켜 일체화함으로써 기존에 사용하던 바이폴라 플레이트 프레임을 제거하여 레독스 흐름전지 적층체의 부피를 획기적으로 줄여 적층효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 적층을 용이하게 할 수 있다는 이점이 있다. In the integrated composite electrode cell according to the present invention, the bipolar plate is seated between two manifolds to be integrated to remove the existing bipolar plate frame, thereby dramatically reducing the volume of the redox flow battery stack, thereby improving stacking efficiency. In addition to being able to increase, there is an advantage in that lamination can be facilitated.
특히, 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀은 서로 다른 극성의 두장의 매니폴드 내측에 바이폴라 플레이트를 삽입하여 일체화할 때 일측의 매니폴드에 접촉되는 전해액이 바이폴라 플레이트의 면을 타고 타측의 매니폴드 쪽으로 넘어가지 않도록 함으로써 전해액의 넘어감 현상에 의한 충전시간이 길어지거나 방전이 짧아져 충방전 효율 및 에너지 효율을 떨어뜨리는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. In particular, in the integrated composite electrode cell according to the present invention, when the bipolar plate is inserted into two manifolds having different polarities and integrated, the electrolyte contacting the manifold on one side passes over the surface of the bipolar plate toward the manifold on the other side. It is possible to effectively prevent the charging and discharging efficiency and the energy efficiency from being lowered by prolonging the charging time or shortening the discharge due to the fall of the electrolyte.
도 1은 종래 일체형 복합전극셀을 나타낸 것으로서, 도 1a은 분해사시도이고, 도 1b는 결합단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 복합전극셀을 나타낸 것으로서, 도 3a는 분해사시도이고, 도3b는 분해 단면도이며, 도 3c는 결합 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 복합전극셀의 분해 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 복합전극셀의 분해 단면도이다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 복합전극셀의 분해 단면도이다. Figure 1 shows a conventional integrated composite electrode cell, Figure 1a is an exploded perspective view, Figure 1b is a cross-sectional view of the coupling.
2 is a view schematically showing a laminated structure of a redox flow battery according to an embodiment of the present invention.
3 shows an integrated composite electrode cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 3A is an exploded perspective view, FIG. 3B is an exploded cross-sectional view, and FIG. 3C is a combined cross-sectional view.
4 is an exploded cross-sectional view of an integrated composite electrode cell according to another exemplary embodiment of the present invention.
5 is an exploded cross-sectional view of an integrated composite electrode cell according to still another exemplary embodiment of the present invention.
6 is an exploded cross-sectional view of an integrated composite electrode cell according to still another embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 2 is a view schematically showing a laminated structure of a redox flow battery according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 전해액 주입구 및 배출구를 갖는 한 쌍의 엔드플레이트(1a, 1b), 상기 엔드플레이트(1a, 1b) 각각의 내측에 위치하는 집전체(2a, 2b), 상기 집전체(2a, 2b) 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체(2a, 2b)와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트(110)가 안착되고 반대면에 전극이 삽입되는 엔드매니폴드(123, 124), 및 상기 엔드매니폴드(123, 124) 사이에 위치하는 것으로서 적어도 두개의 분리막(130)과 상기 분리막(130) 사이에 위치하는 일체형 복합전극셀(140)을 포함하여 이루어진다.
As shown in FIG. 2, the redox flow battery according to the present invention includes a pair of
상기 엔드플레이트(1a, 1b)는 전체적인 레독스 흐름전지의 윤곽을 형성하는 역할을 하는 것으로서 최외각에 배치되며 각각 전해액 주입구와 전해액 배출구가 형성되는데, 당해 분야에서 일반적으로 사용되는 통상의 플레이트에 전해액이 주입되거나 배출될 수 있는 통로를 형성하면 용이하게 형성할 수 있다. 여기서 전해액 주입구와 전해액 배출구는 도면에 도시하지는 않았지만 양극전해액탱크 및 음극전해액탱크와 연결되어 있으며, 별도로 구비된 펌프의 구동에 의해 양극전해액과 음극전해액이 순환하게 된다. The
상기 엔드플레이트(1a, 1b)는 절연체를 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 엔드플레이트(1a, 1b)는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 및 염화비닐(PVC)등의 고분자를 사용하여 형성될 수 있으며, 가격 및 구입의 용이성 등을 고려하면 염화비닐(PVC)를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
The
최외각에 배치되는 상기 엔드플레이트(1a, 1b) 각각의 내측에는 집전체(2a, 2b)가 형성되는데, 상기 집전체(2a, 2b)는 전자가 움직이는 통로로서 충전 시 외부로부터 전자를 받아들이거나 방전 시 외부로 전자를 내어주는 역할을 한다. 양 말단에 위치한 2개의 집전체(2a, 2b)는 서로 전극을 달리한다.
이러한 집전체(2a, 2b)는 당 분야에서 일반적으로 사용하는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들면 구리 또는 황동을 사용할 수 있다.
The
상기 엔드매니폴드(123, 124)는 상기 집전체(2a, 2b) 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체(2a, 2b)와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트(110)가 안착되고 반대면에 전극이 삽입된다. The end manifolds 123 and 124 are located inside each of the
상기 바이폴라 플레이트(110)는 당해분야에서 일반적으로 사용되는 도전성플레이트를 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 바이폴라 플레이트(110)는 도전성 그라파이트 플레이트를 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 바이폴라 플레이트(110)는 페놀 수지에 함침된 그라파이트 플레이트가 사용될 수 있다. 그라파이트 플레이트를 단독으로 사용하는 경우에는 전해액에 사용된 강산이 그라파이트를 투과할 수 있는 바, 강산의 투과를 막기 위하여 페놀 수지에 함침된 그라파이트 플레이트를 사용하는 것이 바람직하다.The
상기 전극은 전해액의 산화환원을 위한 활성 사이트(active site)를 제공하는 것으로서 당해분야에서 일반적으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있다. 바람직하게 펠트전극이 사용될 수 있다.The electrode may provide an active site for redox of the electrolyte and may be used without limitation, which is generally used in the art. Preferably a felt electrode can be used.
예를 들어 상기 펠트전극은 부직포 및 탄소섬유 및 탄소 페이퍼 등이 사용될 수 있다. 바람직하게 상기 펠트전극은 폴리아크릴로나이트릴(PAN, polyacrylonitrile) 계열 또는 레이온(Rayon) 계열로 형성된 탄소섬유펠트전극일 수 있다. For example, the felt electrode may be a nonwoven fabric, a carbon fiber, a carbon paper, or the like. Preferably, the felt electrode may be a carbon fiber felt electrode formed of polyacrylonitrile (PAN) or rayon (Rayon).
상기 엔드매니폴드(123, 124)는 위치에 따라 양극용 또는 음극용으로 사용될 수 있으며, 상기 전극이 삽입되는 면에는 용도에 따라 양극전해액 또는 음극전해액이 이동하기 위한 통로인 유로가 형성된다.
The end manifolds 123 and 124 may be used for the positive electrode or the negative electrode according to the position, and a flow path is formed on the surface on which the electrode is inserted, which is a passage for moving the positive or negative electrolyte according to the purpose.
본 발명에 따르면 상기 엔드매니폴드(123, 124) 사이에는 적어도 두개의 분리막(130)과 상기 분리막(130) 사이에 위치하는 일체형 복합전극셀(140)을 포함하여 이루어진다. According to the present invention, the
상기 분리막(130)은 충전 또는 방전 시 양극 전해액과 음극 전해액을 분리시키고, 충전 또는 방전 시 선택적으로 이온만을 이동시키는 역할을 한다. 이러한 분리막(130)은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않는다. The
상기 분리막(130) 사이에는 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀(140)이 구비되며, 종래의 레독스 흐름전지에서는 양극매니폴드, 바이폴라 플레이트(110) 및 음극매니폴드가 각각 형성되어 있었으나, 본 발명에서는 이를 일체화시킨 복합전극셀(140)이 구비된다. 상기 복합전극셀(140)의 구조 등에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다. Between the
상기 일체형 복합전극셀(140)은 레독스 흐름전지의 용량에 맞게 분리막(130)을 기준으로 반복하여 적층될 수 있다. 즉 일체형 복합전극셀(140)과 분리막(130)을 반복하여 적층할 수 있으며, 그 수는 제한되지 않고 설계용량에 맞게 적절하게 변형시킬 수 있다.
The integrated
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 도면에 도시하지는 않았으나, 양극전해액을 저장하는 양극전해액탱크, 음극전해액을 저장하는 음극전해액탱크 및 상기 양극전해액과 음극전해액을 순환시키기 위한 펌프를 더 포함한다. 이는 당업자라면 용이하게 구현할 수 있는 것으로서 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. Although not shown in the drawings, the redox flow battery according to the present invention further includes a positive electrolyte tank for storing the positive electrolyte, a negative electrolyte tank for storing the negative electrolyte, and a pump for circulating the positive electrolyte and the negative electrolyte. This can be easily implemented by those skilled in the art, a detailed description thereof will be omitted.
아울러 상기 음극전해액과 양극전해액 역시 일반적으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있으며, 이 역시 당업자라면 용이하게 구현할 수 있는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
In addition, the negative electrode electrolyte and the positive electrode electrolyte may also be used in general, without limitation, which can also be easily implemented by those skilled in the art and a detailed description thereof will be omitted.
상기 일체형 복합전극셀(140)에 대하여 이하 상세하게 설명하기로 한다.The integrated
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 복합전극셀을 나타낸 것으로서, 도 3a는 분해사시도이고, 도3b는 결합단면도이며, 도 3c는 분해 단면도이다. 3 shows an integrated composite electrode cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 3A is an exploded perspective view, FIG. 3B is a cross-sectional view of the coupling, and FIG. 3C is an exploded cross-sectional view.
도 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀(140)은 외측에 제1전극(125)이 삽입되는 제1매니폴드(121), 외측에 제2전극(126)이 삽입되는 제2매니폴드(122), 및 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 내측에 구비된 안착홈(141)에 안착되는 바이폴라 플레이트(110)를 포함하며, 상기 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141) 중 적어도 하나에 전해액의 누수를 차단하기 위한 누수방지부(142)가 형성된다. As shown in FIG. 3, the integrated
상기 바이폴라 플레이트(110) 앞서 설명한 바와 동일한 것을 적용할 수 있는 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. Since the same as the above-described
상기 바이폴라 플레이트(110)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 사이에 형성된 안착홈(141)에 안착된다. 이와 같이 바이폴라플레이트를 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 내측에 삽입하여 고정됨으로서 바이폴라 플레이트(110)의 프레임의 제거가 가능하다. The
상기 바이폴라 플레이트(110)는 접착제나 열융착을 통해 안착홈(141)에 안착될 수 있다. 상기 바이폴라 플레이트(110)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 내측의 안착홈(141)에 안착됨에 따라 바이폴라 플레이트(110) 프레임 없이도 고정이 가능하게 된다. The
따라서 기존에 사용하던 바이폴라 플레이트(110) 프레임을 제거하여 제작에 따른 소요 비용을 절감할 수 있으며, 종래 평탄도 차이 및 엇갈림 현상에 따른 누수를 방지할 수 있다. 무엇보다, 스택의 부피가 줄어들어 부피 당 레독스 흐름 전지의 용량이 증가된 레독스 흐름전지 구조를 제공할 수 있다. 또한, 적층이 용이하여 작업시간을 단축시킬 수 있다.Therefore, by removing the conventional
상기 제1매니폴드(121) 및 제2매니폴드(122)는 외측에는 제1전극(125) 또는 제2전극(126)이 삽입된다. 상기 제1전극(125) 및 제2전극(126)은 앞서 설명한 바와 같은 펠트전극이 사용될 수 있다. 다만, 상기 제1전극(125) 및 제2전극(126)은 접촉되는 양극전해액 또는 음극전해액에 따라 극성이 서로 다른 양극전극 또는 음극전극으로 구분될 수 있다. The
이때 상기 제1전극(125)과 제2전극(126)의 가로와 세로방향의 길이는 바이폴라 플레이트(110)의 가로와 세로방향의 길이보다 작게 형성된다. 즉, 제1전극(125)과 제2전극(126)의 크기는 바이폴라 플레이트(110)보다 작게 형성된다. In this case, the lengths of the
상기 제1전극(125) 또는 제2전극(126)이 삽입되는 제1매니폴드(121) 및 제2매니폴드(122)의 면에는 유로가 구비된다. 상기 유로는 전해액이 이동하기 위한 통로로서 양극전해액 또는 음극전해액이 이동되며, 그 형상은 다양하게 변형가능하다. 아울러 상기 제1매니폴드(121) 및 제2매니폴드(122)에는 양극전해액 또는 음극전해액을 상기 유로에 공급하거나 상기 유로로부터 배출하기 위한 주입구 및 배출구가 구비될 수 있으며, 이는 당업자라면 용이하게 형성 가능한 것이다. A flow path is provided on the surfaces of the
본 발명에 따르면, 상기 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141) 중 적어도 하나에 전해액의 누수를 차단하기 위한 누수방지부(142)가 형성된다. 상기 누수방지부(142)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)에 접촉되는 양극전해액과 음극전해액이 바이폴라 플레이트(110)의 면을 타고 반대방향으로 넘어가는 현상을 방지하기 위한 것이다. According to the present invention, a
전해액의 누수를 효과적으로 방지하기 위하여 상기 누수방지부(142)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141)에 각각 형성할 수 있다. In order to effectively prevent leakage of the electrolyte, the
예를 들어 상기 누수방지부(142)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141)에 접촉하는 바이폴라 플레이트(110)의 접촉면에 누수 방지 보형물을 부착하여서 된 것일 수 있다. For example, the
상기 누수방지부(142)에 적용되는 누수방지 보형물은 EPDM, 바이톤, 고무, 연질 PVC, 경질 PVC을 포함하는 그룹에서 선택되는 소재로 제조된 것일 수 있다. The leakage preventing implant applied to the
상기와 같이 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀(140)에 누수방지부(142)가 적용되면 서로 다른 극성의 두 장의 매니폴드(121, 122) 내측에 바이폴라 플레이트(110)를 삽입하여 일체화할 때 상기 누수방지부(142)에 의하여 일측의 매니폴드에 접촉되는 전해액이 바이폴라 플레이트(110)의 면을 타고 타측의 매니폴드 쪽으로 넘어가지 않게 되어 전해액의 넘어감 현상에 의한 충전시간이 길어지거나 방전이 짧아져 충방전 효율 및 에너지 효율을 떨어뜨리는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. When the
상기 누수방지부(142)는 다양한 형상으로 변형이 가능하다. The
도 4 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 복합전극셀의 분해 단면도로서, 도 4 내지 도 6에서 보는 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 복합전극셀(140)에 적용되는 누수방지부(142)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141)에 각각 요홈을 형성하고, 상기 요홈에 누수 방지 보형물을 삽입하여서 된 것일 수 있다. 4 to 6 are exploded cross-sectional views of the integrated composite electrode cell according to another embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 4 to 6 are applied to the integrated
이때 상기 누수방지부(142)는 하나의 오링, 또는 둘 이상의 오링으로 된 누수방지보형물을 안착홈(141)의 요홈에 삽입하여 형성할 수 있다. 또한 상기 누수방지부(142)의 누수방지보형물은 도면에 도시된 바와 같이 그 단면이 원형, 사각형 등 다양한 형태의 적용이 가능하다. In this case, the
본 발명에 따르면 도면에 구체적으로 도시하지는 않았지만, 상기 누수방지부(142)는 상기 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141)에 접촉하는 바이폴라 플레이트(110)의 접촉면 중 적어도 하나에 형성될 수도 있다. 이는 전술한 누수방지부(142)가 상기 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122)의 안착홈(141)에 형성된 것과는 달리 상기 안착홈(141)에 접촉하는 바이폴라 플레이트(110)의 접촉면에 형성된 것으로서, 이를 제외하고는 동일한 구조를 갖는 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
According to the present invention, although not illustrated in detail, the
<실험예><Experimental Example>
바이폴라플레이트(GCP)를 통한 양극전해액과 음극전해액의 넘어감 현상을 확인하기 위해 도 2에 도시된 바와 같은 레독스 흐름전지의 형태를 구성하였다. 다만, 분리막을 통해 전해액이 넘어가는 현상을 배제하기 위해 분리막 대신 기공이 존재하지 않는 경질 PVC를 사용하였다. 전극으로는 5mm의 그라파이트 섬유를 사용하였으며, 30cm2의 면적으로 잘라 셀을 구성하였다. 이때 일체형 복합전극셀은 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 오링을 제1매니폴드와 제2매니폴드에 각각 형성한 형태로 하였다. In order to confirm the fall of the positive electrolyte and the negative electrolyte through the bipolar plate (GCP), a form of a redox flow battery as shown in FIG. 2 was configured. However, in order to exclude the phenomenon that the electrolyte flows through the separator, hard PVC without pores was used instead of the separator. 5 mm graphite fiber was used as an electrode, and the cell was cut | disconnected by the area of 30 cm <2> . In this case, as shown in FIG. 4, the integrated composite electrode cell has one O-ring formed in each of the first and second manifolds.
또한 레독스 흐름전지의 전해액 흐름을 가능하게 하기 위해 양극전해액 탱크, 음극전해액 탱크 및 전해액 이송을 위한 펌프를 준비하였으며, 양극 전해액 탱크에는 2몰 바나듐을 2몰의 황산 용액에 용해시켜 파란색 바나듐 4가 전해액을 주입하였으며, 음극 전해액 탱크에는 2몰의 황산 수용액을 주입하였다. 각각 80ml의 전해액을 주입하였으며, 펌프를 이용하여 분당 80ml의 유속으로 적층체에 전해액을 흘려주었다. In addition, a cathode electrolyte tank, a cathode electrolyte tank, and a pump for transporting the electrolyte were prepared to enable the electrolyte flow of the redox flow battery. In the cathode electrolyte tank, 2 mol of vanadium was dissolved in 2 mol of sulfuric acid solution to dissolve the blue vanadium tetravalent. The electrolyte solution was injected, and 2 mol of sulfuric acid aqueous solution was injected into the cathode electrolyte tank. Each 80ml of the electrolyte was injected, and the electrolyte was poured into the laminate at a flow rate of 80ml per minute using a pump.
이때 시간에 따른 전해액 수위 변화를 관찰하였으며, 퍼킨 엘머(PERKIN ELMER)사의 흡광도 측정기(UV/Vis spectrometer Lambda2)를 이용하여 흡광도를 확인 하였다. 흡광도를 확인하기 위해 2ml의 음극전해액을 채취하여 흡광도 변화 값을 측정하였으며, 측정 후 다시 음극전해액 탱크에 주입하여 수위변화에 영향이 없도록 진행하였다. At this time, the change of electrolyte level with time was observed, and the absorbance was confirmed by using an absorbance meter (UV / Vis spectrometer Lambda2) of PERKIN ELMER. In order to confirm the absorbance, 2 ml of the negative electrolyte was collected and the absorbance change was measured. After the measurement, the absorbance was again injected into the negative electrolyte tank to proceed without affecting the water level.
제조된 4가의 바나듐 황산 수용액은 760 nm에서 최대 흡수 파장을 나타내며, 4가의 바나듐이 존재하지 않는 음극전해액을 수거하여 전해액이 넘어감에 따라 발생하는 흡광도 변화를 관찰하였다. The prepared tetravalent vanadium sulfuric acid aqueous solution exhibited a maximum absorption wavelength at 760 nm, and the absorbance change generated as the electrolyte was crossed by collecting the negative electrolyte without tetravalent vanadium was observed.
그 결과 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 200시간의 실험과정 동안에 음극전해액의 수위 및 흡광도 변화는 전혀 발생하지 않았다. 이는 전극을 통해 전해액이 누수되는 현상이 전혀 없으므로 전극 내부 밀봉이 잘되어 있음을 의미한다.As a result, as shown in Table 1, no change in the level and absorbance of the negative electrolyte was occurred during the 200-hour experiment. This means that there is no leakage of electrolyte through the electrode, so that the inside of the electrode is well sealed.
흡광도 변화Catholyte
상술한 바와 같이 본 발명에 따라 누수방지부가 형성된 일체형 복합전극셀은 제1매니폴드와 제2매니폴드 사이에 안착된 바이폴라 플레이트에 의한 전해액 넘어감 현상을 방지할 수 있어, 충방전 효율 및 에너지 효율의 감소를 막을 수 있다.
As described above, the integrated composite electrode cell in which the leakage preventing unit is formed according to the present invention can prevent the electrolyte from falling due to the bipolar plate seated between the first manifold and the second manifold, thereby charging and discharging efficiency and energy efficiency. It can prevent the decrease.
상기에서 본 발명은 첨부된 도면을 일예로 하여 설명하였으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로서, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 당업자라면 이로부터 다양한 형태의 변경 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위 내에 속하는 그러한 모든 대안들, 수정들, 및 변형들, 및 변경들을 포괄적으로 포함한다.
Although the present invention has been described with reference to the accompanying drawings as an example, it is presented to aid the understanding of the present invention, the present invention is not limited thereto, and those skilled in the art will understand that various changes and modifications can be made therefrom. Could be. Accordingly, the invention encompasses all such alternatives, modifications and variations that fall within the spirit and scope of the appended claims.
1a, 1b : 엔드플레이트 2a, 2b : 집전체
110 : 바이폴라 플레이트 121 : 제1매니폴드
122 : 제2매니폴드 123, 124 : 엔드매니폴드
125 : 제1전극 126 : 제2전극
130 : 분리막 140 : 일체형 복합전극셀
141 : 안착홈 142 : 누수 방지부1a, 1b:
110: bipolar plate 121: the first manifold
122:
125: first electrode 126: second electrode
130: separator 140: integrated electrode cell
141: seating groove 142: leak prevention unit
Claims (6)
상기 엔드플레이트 각각의 내측에 위치하는 집전체,
상기 집전체 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트가 안착되고 반대면에 전극이 삽입되는 엔드매니폴드, 및
상기 엔드매니폴드 사이에 위치하는 것으로서 적어도 두 개의 분리막과 상기 분리막 사이에 형성되고 외측에 제1전극이 삽입되는 제1매니폴드, 외측에 제2전극이 삽입되는 제2매니폴드, 및 상기 제1매니폴드와 제2매니폴드 사이에 안착되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 일체형 복합전극셀을 포함하며,
상기 엔드플레이트는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 및 염화비닐(PVC) 중 어느 하나를 사용하여 형성되고,
상기 바이폴라 플레이트는 페놀 수지에 함침된 도전성 그라파이트 플레이트를 사용하여 형성되고,
상기 전극은 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 계열의 섬유 또는 레이온(Rayon) 계열의 섬유로 형성되고,
상기 일체형 복합전극셀의 제1매니폴드와 제2매니폴드 중 적어도 1개의 매니폴드에 구비된 안착홈에 전해액의 누수를 차단하기 위한 누수방지부가 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.A pair of end plates having an electrolyte inlet and an outlet,
A current collector located inside each of the end plates,
An end manifold, which is located inside each of the current collectors, on which a bipolar plate is seated on a surface corresponding to the current collector, and an electrode is inserted on an opposite surface;
A first manifold formed between the at least two separators and the separator and having a first electrode inserted therein, a second manifold having a second electrode inserted outside thereof, and the first manifold positioned between the end manifolds; An integrated composite electrode cell including a bipolar plate seated between the manifold and the second manifold,
The end plate is formed using any one of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS) and vinyl chloride (PVC),
The bipolar plate is formed using a conductive graphite plate impregnated with a phenol resin,
The electrode is formed of polyacrylonitrile-based fibers or Rayon-based fibers,
Redox flow battery, characterized in that the leakage preventing portion for blocking the leakage of the electrolyte is formed in the mounting groove provided in at least one manifold of the first manifold and the second manifold of the integrated electrode cell.
상기 엔드플레이트 각각의 내측에 위치하는 집전체,
상기 집전체 각각의 내측에 위치하는 것으로서 상기 집전체와 대응되는 면에 바이폴라 플레이트가 안착되고 반대면에 전극이 삽입되는 엔드매니폴드, 및
상기 엔드매니폴드 사이에 위치하는 것으로서 적어도 두 개의 분리막과 상기 분리막 사이에 형성되고 외측에 제1전극이 삽입되는 제1매니폴드, 외측에 제2전극이 삽입되는 제2매니폴드, 및 상기 제1매니폴드와 제2매니폴드 사이에 안착되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 일체형 복합전극셀을 포함하며,
상기 엔드플레이트는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 및 염화비닐(PVC) 중 어느 하나를 사용하여 형성되고,
상기 바이폴라 플레이트는 페놀 수지에 함침된 도전성 그라파이트 플레이트를 사용하여 형성되고,
상기 전극은 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile) 계열의 섬유 또는 레이온(Rayon) 계열의 섬유로 형성되고,
상기 일체형 복합전극셀의 바이폴라 플레이트의 안착홈 접촉면에 전해액의 누수를 차단하기 위한 누수방지부가 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.A pair of end plates having an electrolyte inlet and an outlet,
A current collector located inside each of the end plates,
An end manifold, which is located inside each of the current collectors, on which a bipolar plate is seated on a surface corresponding to the current collector, and an electrode is inserted on an opposite surface;
A first manifold formed between the at least two separators and the separator and having a first electrode inserted therein, a second manifold having a second electrode inserted outside thereof, and the first manifold positioned between the end manifolds; An integrated composite electrode cell including a bipolar plate seated between the manifold and the second manifold,
The end plate is formed using any one of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS) and vinyl chloride (PVC),
The bipolar plate is formed using a conductive graphite plate impregnated with a phenol resin,
The electrode is formed of polyacrylonitrile-based fibers or Rayon-based fibers,
Redox flow battery, characterized in that the leakage preventing portion for blocking the leakage of the electrolyte is formed on the contact groove contact surface of the bipolar plate of the integrated electrode cell.
상기 일체형 복합전극셀의 누수방지부는 EPDM, 바이톤, 고무, 연질 PVC, 경질 PVC을 포함하는 그룹에서 선택되는 소재로 제조된 누수 방지 보형물이 삽입되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.The method according to claim 1 or 2,
Redox flow battery, characterized in that the leak-proof implant is made of a material selected from the group consisting of EPDM, Viton, rubber, soft PVC, rigid PVC.
상기 일체형 복합전극셀의 누수방지부는 다각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.The method according to claim 1 or 2,
Redox flow battery, characterized in that the leakage preventing portion of the integrated composite electrode cell is polygonal or circular.
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