KR101309262B1 - 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 - Google Patents

일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레독스 흐름전지의 적층구조에 관한 것으로 매니폴드와 바이폴라 플레이트(BP: bipolar plate)를 일체화함으로써 바이폴라 플레이트 프레임을 제거할 수 있어 적층 단가를 줄일 수 있다. 또한 본 발명은 매니폴드와 바이폴라 플레이트를 일체화함으로서 적층이 용이해져 스택의 적층 작업 시간을 단축할 수 있고 적층 효율을 높이는, 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.

Description

일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 {COMBINED COMPLEX ELECTRODE CELL AND REDOX FLOW BATTERY COMPRISING THEREOF}
본 발명은 적층효율을 높일 수 있는 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
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.
종래 레독스 흐름전지는 개략도인 도 1a 및 단면도인 도 1b에서 보는 바와 같이 최외측에 형성되는 전해액 출입구 및 배출구를 포함하는 한쌍의 엔드플레이트(1) 각각의 내측에 형성된 집전체(2) 사이에 형성된 것으로서 프레임(11)에 고정된 바이폴라 플레이트(10), 펠트전극(25)을 포함하는 매니폴드(21, 22), 및 분리막(30)을 구비한 단위체를 포함하여 이루어지며, 상기 단위체는 직렬로 반복 적층될 수 있다.
구체적으로 상기 단위체는 도 1b에서 보는 바와 같이 극성을 달리하는 펠트전극(25)을 포함하는 제1매니폴드(21)와 제2매니폴드(22)가 분리막(30)을 사이에 두고 형성되며, 제1매니폴드(21)와 제2매니폴드(22) 외측에는 프레임(11)에 고정된 바이폴라 플레이트(10)가 형성된다.
이러한 종래 레독스 흐름전지는 적층 시 제1매니폴드(21)와 바이폴라 플레이트가 구비된 프레임(11) 및 제2매니폴드(22)를 분리막(30)을 기준으로 반복하여 적층하게 되는데, 그에 따라 적층체(스택)의 부피가 증가될 뿐만 아니라 많은 재료가 사용되어 가격 상승 및 적층 시간의 증가라는 문제점이 발생하게 된다.
이에, 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 레독스 흐름전지 적층체의 부피를 획기적으로 줄여 적층효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 적층 작업 시간 및 비용을 획기적으로 줄일 수 있도록 한 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀은 외측에 제1전극이 삽입되는 제1매니폴드, 외측에 제2전극이 삽입되는 제2매니폴드, 및 상기 제1매니폴드와 제2매니폴드 사이에 안착되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1전극과 제2전극의 가로와 세로방향의 길이는 바이폴라 플레이트의 가로와 세로방향의 길이보다 작게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1전극과 제2전극은 극성이 서로 다른 양극전극 또는 음극전극일 수 있다.
상기 바이폴라 플레이트는 제1매니폴드 및 제2매니폴드의 내측에 구비된 안착홈에 안착될 수 있다.
상기 바이폴라 플레이트는 접착제나 열융착을 통해 안착홈에 안착될 수 있다.
상기 제1매니폴드 및 제2매니폴드의 내측에는 안착홈이 형성되고, 외측에는 유로가 형성될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 상기 일체형 복합전극셀을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 일체형 복합전극셀은 분리막을 기준으로 반복하여 적층될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 전해액 주입구 및 배출구를 갖는 한 쌍의 엔드플레이트, 상기 엔드플레이트 각가의 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 두개의 분리막과 상기 분리막 사이에 위치하는 상기한 본 발명에 따른 일체형 복합전극셀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 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.
따라서 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 부피 당 용량을 고려하여 볼 때 기존의 레독스 흐름 전지에 비하여 용량이 증가된 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다는 이점이 있다.
나아가, 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 부수기자재(바이폴라 플레이트 프레임)를 줄임으로서 제작에 따른 소요 비용을 절감할 수 있으며, 적층이 용이하여 작업시간을 단축시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 1a는 종래 레독스 흐름전지의 적층 구조를 나타낸 도면이고,
도 1b는 종래 레독스 흐름전지의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 복합전극셀의 분해 사시도이고,
도 4는 도 3에 도시된 일체형 복합전극셀의 결합 단면도이며,
도 5는 도 3에 도시된 일체형 복합전극셀의 분해 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
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 두 개의 분리막(130)과 상기 분리막(130) 사이에 위치하는 일체형 복합전극셀(140)을 포함하여 이루어진다.
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.
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)을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
본 발명에 따르면 상기 엔드매니폴드(123, 124) 사이에는 적어도 두개의 분리막(130)과 상기 분리막(130) 사이에 위치하는 일체형 복합전극셀(140)을 포함하여 이루어진다.
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.
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.
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.
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.
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.
상기 일체형 복합전극셀(140)에 대하여 이하 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 복합전극셀의 분해 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 일체형 복합전극셀의 결합 단면도이며, 도 5는 도 3에 도시된 일체형 복합전극셀의 분해 단면도이다.
도 3 내지 도 5에서 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 상기 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 사이에 안착되는 바이폴라 플레이트(110)를 포함하여 이루어진다.
상기 바이폴라 플레이트(110) 앞서 설명한 바와 동일한 것을 적용할 수 있는 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 바이폴라 플레이트(110)는 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 사이에 형성된 안착홈(141)에 안착된다. 이와 같이 바이폴라 플레이트(110)를 제1매니폴드(121)와 제2매니폴드(122) 내측의 안착홈(141)에 삽입하여 고정됨으로서 바이폴라 플레이트(110)의 프레임의 제거가 가능하다.
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.
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.
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.
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.
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.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 바이폴라 플레이트(110)를 두 장의 매니폴드 사이에 안착시켜 일체화한 일체형 복합전극셀(140)을 포함하여 이루어짐에 따라 종래 레독스 흐름전지에 비하여 레독스 흐름전지 적층체의 부피를 획기적으로 줄여 적층효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 적층을 용이하게 할 수 있다는 이점이 있다. 따라서 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 부피 당 용량을 고려하여 볼 때 기존의 레독스 흐름 전지에 비하여 용량이 증가된 레독스 흐름전지를 제공할 수 있다는 이점이 있다.
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 이해 할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위 내에 속하는 그러한 모든 대안들, 수정들, 및 변형들, 및 변경들을 포괄적으로 포함한다.
1a, 1b : 엔드플레이트 2a, 2b : 집전체
10, 110 : 바이폴라 플레이트 11 : 바이폴라 플레이트 프레임
21, 121 : 제1매니폴드 22, 122 : 제2매니폴드
123, 124 : 엔드매니폴드 25 : 전극
125 : 제1전극 126 : 제2전극
30, 130 : 분리막 140 : 일체형 복합전극셀
141 : 안착홈

Claims (9)

  1. 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 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 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 일체형 복합전극셀의 제1전극과 제2전극의 가로와 세로방향의 길이는 바이폴라 플레이트의 가로와 세로방향의 길이보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 일체형 복합전극셀의 제1전극과 제2전극은 극성이 서로 다른 양극전극 또는 음극전극인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 일체형 복합전극셀의 바이폴라 플레이트는 제1매니폴드 및 제2매니폴드의 내측에 구비된 안착홈에 안착된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 일체형 복합전극셀의 바이폴라 플레이트는 접착제나 열융착을 통해 안착홈에 안착되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 일체형 복합전극셀의 제1매니폴드 및 제2매니폴드의 내측에는 안착홈이 형성되고, 외측에는 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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