KR101379323B1 - 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트 - Google Patents

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김기현
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남수현
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Abstract

본 발명은 단위 셀들이 직렬로 적층되어 있는 스택의 양면에 체결되는 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트를 개시한다. 본 발명의 엔드플레이트는 심재와, 심재의 양면에 접합되어 있는 두 개의 면재들을 포함하고, 심재와 두개의 면재들은 스택에 체결 시 부여되는 체결력에 의한 굽힘 변형을 보상할 수 있는 곡률을 갖도록 예비변형되어 있다. 또한, 곡률은 여러 형태로 형성될 수 있다. 곡률은 두 개의 면재들의 가로 방향을 따라 볼록한 가로 방향 곡면과 세로 방향을 따라 오목한 세로 방향 곡면에 의하여 형성되어 있다. 곡률은 두 개의 면재들의 가로 방향을 따라 볼록한 가로 방향 곡면과 세로 방향을 따라 볼록한 세로 방향 곡면에 의하여 형성되어 있다. 발열체가 발열에 의하여 곡률을 조절할 수 있도록 심재와 두 개의 면재들 중 어느 하나에 장착되어 있다. 본 발명에 의하면, 스택에 체결 시 부여되는 체결력에 의한 굽힘 변형을 보상할 수 있는 곡률을 갖도록 예비변형되어 있고, 체결 후 평탄하게 되어 스택 내의 면압을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 단열재가 심재에 내재되어 있는 복합 샌드위치 패널 구조에 의하여 경량화 할 수 있고, 비강성을 향상시킬 수 있으며, 단열 성능을 향상시켜 스택 내의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

레독스 흐름 전지용 엔드플레이트{END PLATE FOR REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택(Stack)에 체결 시 부여되는 체결력에 의한 굽힘 변형을 보상할 수 있는 곡률을 갖도록 예비변형(Prestrain)되어 있는 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트에 관한 것이다.
최근 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스의 배출을 억제하기 위한 방법으로 태양광에너지나 풍력에너지와 같은 재생에너지가 각광을 받고 있다. 재생에너지는 출력변동이 심하여 연속적 공급이 불가능하고, 에너지 생산시점과 수요시점의 시간차가 발생하게 된다. 따라서 재생에너지의 출력이 높을 때 에너지를 저장하고, 출력이 낮을 때 저장된 에너지를 사용할 수 있는 에너지 저장 시스템(Energy storage system)이 중요하게 대두되고 있다.
여러 가지 에너지 저장 시스템 중에서 재생에너지의 저장에 효율적인 대용량 이차전자(Secondary battery)로 레독스 흐름 전지의 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다. 레독스 흐름 전지는 전해질(Electrolyte) 중의 활물질(Active material)이 산화(Oxdaition)-환원(Reduction)되어 충전·방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지 저장시키는 전기화학적 축전장치이다.
이러한 레독스 흐름 전지는 미국 특허 제8,288,939호, 미국 특허 제8,221,911호, 미국 특허 제7,537,859호 등 많은 특허 문헌들에 개시되어 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 레독스 흐름 전지(10)는 단위 셀(Unit cell/Single cell: 20)들이 직렬로 적층되어 있는 스택(30)과, 산화 상태가 각각 다른 활물질이 저장되어 있는 탱크(40, 50)들과, 충전·방전 시 활물질을 순환시키는 펌프(42, 52)들로 구성되어 있다. 음극과 양극의 전해액은 바나듐(Vanadium, V), 철(Fe), 크롬(Chromium, Cr) 등의 활물질과 주석(Stannum, Sn) 등의 전이금속을 강산수용액에 용해시킨 산성수용액을 이용한다.
단위 셀(20)들은 기본적으로 멤브레인(Membrane)과, 멤브레인의 양쪽에 배치되어 있는 전극(Electrode)들과, 전극들의 양쪽에 배치되어 있는 분리판(Bipolar plate)들을 구비한다. 스택(30)은 단위 셀들과 두 개의 엔드플레이트(End plate: 60, 62)들로 구성되어 있다. 단위 셀들과 엔드플레이트(60, 62)들은 복수의 타이로드(Tie rod: 64)들에 의하여 체결되어 있다.
한편, 엔드플레이트들(60, 62)의 주요 기능은 스택(30) 내에서 고른 면압(Surface pressure)이 유지되도록 각 구성요소들을 지지하는 것이다. 또한, 엔드플레이트(60, 62)들은 전해질의 누설을 방지하고, 단위 셀들 간 전기접촉저항의 증가를 방지하며, 스택(30)의 열손실을 최소화하여 스택 내의 온도를 빠른 시간 내에 일정하게 유지시킴으로써 레독스 흐름 전지(10)의 효율적으로 작동해야 하는 것이 중요하다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 레독스 흐름 전지에 있어서 엔드플레이트들은 타이로드들의 체결력에 의하여 굽힘 변형되는 문제가 있다. 엔드플레이트들은 굽힘 변형에 의하여 중앙과 모서리 부분이 스택의 양면에서 벌어지면서 스택 내에서 고른 면압을 유지시키지 못하게 된다. 따라서 엔드플레이트들의 굽힘 변형은 레독스 흐름 전지의 효율을 저하시키는 원인이 되고 있다.
또한, 엔드플레이트들은 면압을 일정하게 유지하기 위하여 주로 두꺼운 강철(Steel)로 제조되어 무게가 무겁고, 단열 성능이 저하되어 스택 내의 온도를 균일하게 유지하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 스택에 체결 시 부여되는 체결력에 의한 굽힘 변형을 보상할 수 있는 곡률을 갖도록 예비변형되어 있는 새로운 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 단열재가 심재(Core material)에 내재되어 있고, 심재의 양면에 면재(Face material)들이 접합되어 있는 복합 샌드위치 패널 구조(Composite sandwich panel structure)에 의하여 경량화 할 수 있고, 비강성(Specific Stiffness)을 향상시킬 수 있는 새로운 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 심재가 폴리머 폼(Polymeric foam)이 내재되어 있는 허니콤 코어(Honeycomb core)로 구성되어 단열 성능을 향상시킴으로써 스택 내의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트가 제공된다. 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트는, 복수의 단위 셀들이 직렬로 적층되어 있는 스택의 양면에 체결되는 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트에 있어서, 심재와; 심재의 양면에 접합되어 있는 두 개의 면재들을 포함하고, 심재와 두개의 면재들은 스택에 체결 시 부여되는 체결력에 의한 굽힘 변형을 보상할 수 있는 곡률을 갖도록 예비변형되어 있으며, 심재와 두 개의 면재들 중 어느 하나에 발열에 의하여 곡률을 조절할 수 있는 적어도 하나 이상의 발열체가 장착되어 있다.
또한, 심재는 허니콤 코어로 이루어지고, 면재들은 허니컴 코어의 양쪽에 접합되어 있는 섬유강화 복합재료 시트로 이루어진다. 곡률은 여러 형태로 형성될 수 있다. 곡률은 두 개의 면재들의 가로 방향을 따라 볼록한 가로 방향 곡면과 세로 방향을 따라 오목한 세로 방향 곡면에 의하여 형성되어 있다. 곡률은 두 개의 면재들의 가로 방향을 따라 볼록한 가로 방향 곡면과 세로 방향을 따라 볼록한 세로 방향 곡면에 의하여 형성되어 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트는, 스택에 체결 시 부여되는 체결력에 의한 굽힘 변형을 보상할 수 있는 곡률을 갖도록 예비변형되어 있고, 체결 후 평탄하게 되어 스택 내의 면압을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 단열재가 심재에 내재되어 있는 복합 샌드위치 패널 구조에 의하여 경량화 할 수 있고, 비강성을 향상시킬 수 있으며, 단열 성능을 향상시켜 스택 내의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 레독스 흐름 전지의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트에서 면재의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이다.
도 6은 도 4의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트에서 발열체가 면재에 장착되어 있는 구성을 나타낸 정면도이다.
도 8은 도 7에서 발열체의 발열에 의한 면재의 변형을 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트에서 면재의 제조 방법을 설명하기 위하여 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트의 다른 실시예의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 11은 도 10에서 면재의 구성을 나타낸 사시도이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트(100)는 심재(110)와 심재(110)의 양면에 부착되어 있는 두 개의 면재(120, 122)들을 구비하는 복합 샌드위치 패널 구조로 구성되어 있다. 면재(120, 122)들 각각은 심재(110)의 양면에 접착제층(130, 132)들에 의하여 접합되어 있다. 타이로드의 체결을 위하여 복수의 볼트구멍(Bolt hole: 124)들이 심재(110)와 면재(120, 122)들 각각의 양쪽 가장자리 중앙부분에 형성되어 있다. 본 실시예에 있어서, 볼트구멍(124)들은 심재(110)와 면재(120, 122)들 각각의 양쪽 가장자리 중앙부분 각각에 세 개가 형성되어 있는 것이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 볼트구멍(124)들의 개수 및 위치는 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
심재(110)는 허니콤 코어(Honeycomb core: 140)로 구성되어 있다. 허니콤 코어(140)는 복수의 허니콤 셀(Honeycomb cell: 142)들을 가지며, 금속, 예를 들면 알루미늄으로 구성될 수 있다. 면재(120, 122)들은 허니콤 셀(142)들을 폐쇄하도록 허니콤 코어(140)의 양면에 접합되어 있고, 허니콤 코어(140)보다 강성이 큰 소재로 구성된다. 면재(120, 122)들은 섬유강화 복합재료 시트(Fiber reinforced composite sheet: 150)로 구성될 수 있다.
섬유강화 복합재료 시트(150)는 프리프레그(Prepreg)로 제조된다. 프리프레그는 다수의 보강섬유들을 매트릭스(Matrix)에 함침시킨 후, 비-스테이지(B-stage)로 경화시켜 시트 또는 층(Laminate)으로 만든 것이다. 보강섬유들은 탄소섬유(Carbon fiber), 유리섬유(Glass fiber), 아라미드섬유(Aramid fiber) 등으로 다양하게 구성될 수 있다. 매트릭스는 폴리프로필렌(Polypropylene), 에폭시수지(Epoxy resin), 폴리에스테르수지(Polyester resin), 페놀수지(Phenolic resin) 등으로 다양하게 구성될 수 있다. 이러한 프리프레그는 다층으로 적층(Stacking)되어 압축성형(Compression molding), 진공백성형(Vacuum bag molding) 등에 의하여 압밀·경화되어 섬유강화 복합재료 시트(150)로 제조된다. 프리프레그는 125~155℃에서 성형된다.
이와 같은 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트(100)는 허니콤 코어(140)의 양면에 면재(120, 122)들로 섬유강화 복합재료 시트(150)들이 각각 접합되는 구조에 의하여 경량화 되고, 비강성이 높일 수 있다.
본 발명에 따른 엔드플레이트(100)는 허니콤 코어(140)의 허니콤 셀(142)들에 단열을 위하여 내재되어 있는 단열재로 폴리머 폼(160)을 더 구비한다. 폴리머 폼(160)은 단열 성능이 우수한 예를 들면 폴리우레탄 폼(Polyurethane foam)으로 구성될 수 있다. 폴리머 폼(160)은 압입이나 발포성형(Expanding molding)에 의하여 허니콤 셀(142)들에 내재될 수 있다. 이와 같이 폴리머 폼(160)이 허니콤 셀(142)들에 내재되는 것에 의하여 엔드플레이트(100)의 단열 성능이 향상되어 스택 내의 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 심재(110)는 허니콤 코어(140) 대신에 폴리머 폼으로 구성될 수 있다.
도 2, 도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트(100)는 가로 방향(X)을 따라 볼록한 가로 방향 곡면(170)을 가지며, 세로 방향(Y)을 따라 오목한 세로 방향 곡면(172)을 갖도록 말안장 형태로 형성되어 있다. 볼록한 가로 방향 곡면(170)과 오목한 세로 방향 곡면(172)은 타이로드들의 체결에 의하여 엔드플레이트(100)를 스택의 양면에 조립할 때, 타이로드들의 체결력에 의한 굽힘 변형을 보상한다.
엔드플레이트(100)의 체결이 완료되면, 볼록한 가로 방향 곡면(170)과 오목한 세로 방향 곡면(172)은 타이로드들의 체결력에 의하여 변형되고, 엔드플레이트(100)는 평탄하게 된다. 즉, 타이로드들의 체결 시 엔드플레이트(100)에 발생되는 굽힘 변형이 볼록한 가로 방향 곡면(170)과 오목한 세로 방향 곡면(172)에 의하여 상쇄되고, 엔드플레이트(100)는 평탄하게 된다. 따라서 평탄한 엔드플레이트(100)에 의한 스택 내의 면압이 일정하게 유지된다. 스택 내의 면압이 일정하게 유지되면, 전해질의 누설과 단위 셀들 간 전기접촉저항의 증가가 방지되어 레독스 흐름 전지의 성능이 향상된다.
도 7과 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트(100)는 면재(120, 122)들에 장착되어 있는 적어도 하나 이상의 발열체(180)를 구비한다. 발열체(180)는 섬유강화 복합재료 시트(150)들의 외면에 접합되거나 섬유강화 복합재료 시트(150)들 안에 삽입될 수 있다. 발열체(180)는 전력의 인가에 의하여 발열되어 섬유강화 복합재료 시트(150)의 곡률을 조절한다. 발열체(180)는 두께가 얇은 금속 또는 탄소 면상발열체로 구성될 수 있다. 발열체(180)는 필요에 따라 심재(110)에 장착될 수 있다.
볼록한 가로 방향 곡면(170)과 오목한 세로 방향 곡면(172)의 곡률을 갖는 엔드플레이트(100)가 스택에 체결된 후, 시간이 경과됨에 따라 체결력의 변화, 외부 충격 등에 의하여 스택 내의 면압 분포에 차이가 발생될 수 있다. 본 발명에 따른 엔드플레이트(100)에 있어서 발열체(180)에 전력이 인가되어 발열체(180)가 발열되면, 섬유강화 복합재료 시트(150)들의 곡률이 발열체(180)의 열에 의하여 조절된다. 이와 같이 엔드플레이트(100)가 온도 조절에 의하여 일정한 곡률을 갖도록 조절되므로, 체결력의 변화에 대응하여 스택 내의 면압을 일정하게 부여할 수 있고, 레독스 흐름 전지의 성능을 보장할 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트(100)의 제조 방법을 살펴보면, 면재(120, 122)는 섬유강화 복합재료 시트(150)로 구성한다. 도 9를 참조하면, 섬유강화 복합재료 시트(150)의 볼록한 가로 방향 곡면(170)과 오목한 세로 방향 곡면(172)은 다수의 프리프레그(152)들을 적층한 후, 금형(154a, 154b)들에 의하여 압축성형하거나 진공백성형에 의하여 형성할 수 있다. 한편, 프리프레그(152)들은 적층 순서, 적층 각도, 성형 온도 등에 의하여 강성이 결정된다. 따라서 프리프레그(152)의 곡률은 열팽창계수의 차이에 의한 변형에 의하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 길이가 긴 보강섬유들이 일방향으로 배열되어 있는 일방향 프리프레그는 보강섬유들이 직교, 횡단등방성 및 준등방성으로 배열되도록 적층될 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 심재(110)와 프리프레그(152)들 동시경화(Co-cure)에 의하여 일체형으로 제작할 수 있다. 프리프레그(152)들은 서로 종류가 다른 것을 적층하여 면재(120, 122)들로 제조할 수 있다. 예를 들면, 면재(120, 122)들은 일방향 탄소섬유 에폭시 프리프레그(Uni-directional carbon fiber epoxy prepreg)와 일방향 유리섬유 에폭시 프리프레그(Uni-directional glass fiber epoxy prepreg) 또는 일방향 아라미드섬유 에폭시 프리프레그(Uni-directional aramid fiber epoxy prepreg)를 혼합하여 제조할 수 있다. 또한, 보강섬유들은 바인더(Binder)를 이용하여 프리폼(Preform)으로 제조하고, 수지이송성형(Resin transfer molding)에 의하여 프리폼을 섬유강화 복합재료 시트로 제조할 수 있다.
도 10과 도 11에 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 10과 도 11을 참조하면, 다른 실시예의 엔드플레이트(100a)의 구성은 앞에서 설명한 엔드플레이트(100)의 구성과 거의 동일하므로, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 자세한 설명을 생략한다.
다른 실시예의 엔드플레이트(100a)는 심재(110)와 두 개의 면재(120, 122)들로 구성되어 있다. 면재(120, 122)들은 섬유강화 복합재료 시트(150)들로 구성되어 있다. 타이로드의 체결을 위하여 복수의 볼트구멍(124a)들이 심재(110)와 면재(120, 122)들 각각의 네 모서리들에 형성되어 있다. 도 에 보이는 발열체는 엔드플레이트(100a)의 심재(110) 또는 면재(120, 122)에 곡률을 조절하도록 장착될 수 있다.
다른 실시예의 엔드플레이트(100a)는 가로 방향(X)을 따라 볼록한 가로 방향 곡면(190)을 가지며, 세로 방향(Y)을 따라 볼록한 세로 방향 곡면(192)을 갖도록 되어 있다. 볼록한 가로 방향 곡면(190)과 볼록한 세로 방향 곡면(192)은 타이로드들의 체결에 의하여 엔드플레이트(100a)를 스택의 양면에 조립할 때, 타이로드들의 체결력에 의한 굽힘 변형을 보상한다.
엔드플레이트(100a)의 체결이 완료되면, 볼록한 가로 방향 곡면(190)과 볼록한 세로 방향 곡면(192)은 타이로드들의 체결력에 의하여 변형되어 엔드플레이트(100a)는 평탄하게 된다. 즉, 타이로드들의 체결 시 엔드플레이트(100a)에 발생되는 굽힘 변형이 볼록한 가로 방향 곡면(190)과 볼록한 세로 방향 곡면(192)에 의하여 상쇄되고, 엔드플레이트(100a)는 평탄하게 된다. 따라서 평탄한 엔드플레이트(100a)에 의한 스택 내의 면압이 일정하게 유지된다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
100, 100a: 레독스 흐름 전지 110: 심재
120, 122: 면재 140: 허니콤 코어
142: 허니콤 셀 150: 섬유강화 복합재료 시트
152: 프리프레그 160: 폴리머 폼
170, 190: 볼록한 가로 방향 곡면 172: 오목한 세로 방향 곡면
180: 발열체 192: 볼록한 세로 방향 곡면

Claims (6)

  1. 복수의 단위 셀들이 직렬로 적층되어 있는 스택의 양면에 체결되는 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트에 있어서,
    심재와;
    상기 심재의 양면에 접합되어 있는 두 개의 면재들을 포함하고,
    상기 심재와 상기 두개의 면재들은 상기 스택에 체결 시 부여되는 체결력에 의한 굽힘 변형을 보상할 수 있는 곡률을 갖도록 예비변형되어 있으며,
    상기 심재와 상기 두 개의 면재들 중 어느 하나에 발열에 의하여 상기 곡률을 조절할 수 있는 적어도 하나 이상의 발열체가 장착되어 있는 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 곡률은 상기 두 개의 면재들의 가로 방향을 따라 볼록한 가로 방향 곡면과 세로 방향을 따라 오목한 세로 방향 곡면에 의하여 형성되어 있는 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 곡률은 상기 두 개의 면재들의 가로 방향을 따라 볼록한 가로 방향 곡면과 세로 방향을 따라 볼록한 세로 방향 곡면에 의하여 형성되어 있는 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 심재는 복수의 허니콤 셀들을 갖는 허니콤 코어로 이루어지고, 상기 두 개의 면재들 각각은 섬유강화 복합재료 시트로 이루어지며, 상기 두 개의 면재들은 상기 복수의 허니콤 셀들을 폐쇄하도록 상기 허니콤 코어의 양면에 접합되어 있는 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 허니콤 셀들에 단열을 위하여 내재되어 있는 폴리머 폼을 더 포함하는 레독스 흐름 전지용 엔드플레이트.
  6. 삭제
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