KR101488092B1 - 레독스 흐름 전지용 셀 - Google Patents

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Abstract

레독스 흐름 전지용 셀 및 씰 구조가 개시된다. 내부에 전해액을 수용하는 셀 프레임과 셀 프레임에 장착되어 전해액 누설을 방지하는 씰에 있어서, 셀 프레임은 복수 개로서 격막을 사이에 두고 서로 마주하며, 셀 프레임에 형성된 한 쌍 이상의 씰홈이 격막을 사이에 두고 씰을 공유한다. 격막과 씰, 씰홈에 체결력이 가해졌을 때 씰이 삽입된 부위의 셀 프레임에 집중 응력이 감소하므로써 스택 조립 시 체결력에 의한 셀 프레임의 파손 가능성을 줄일 수 있으며, 셀 프레임의 박판화가 가능하다. 또한, 격막이 씰홈에 삽입되어 씰과 압접하였을 때, 씰과 격막 사이의 접촉 면적이 충분히 확보됨으로써 전해액 누설을 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

레독스 흐름 전지용 셀{Redox flow battery cell}
본 발명은 레독스 흐름 전지용 셀 및 씰 구조에 관한 것으로, 보다 구체적으로 두 개의 씰홈이 한 개의 씰을 공유하는 구조로 구성되어 셀 프레임의 국부 응력을 감소시킬 수 있으며, 전해액 누설을 효과적으로 방지 할 수 있는 레독스 흐름 전지용 셀 및 씰 구조에 관한 것이다.
최근 환경오염 및 지구 온난화로 인하여 전 세계적으로 온실 가스를 줄이고자 하는 노력을 진행하고 있으며, 그 일환으로 신 재생 에너지의 도입 확대, 친환경 자동차 개발, 전력 수급 시스템의 개선을 위한 전력 저장 시스템 개발과 같은 다양한 노력이 시도되고 있다.
대부분의 전력 공급 시스템은 화력 발전이 주를 이루고 있으나 화력 발전은 화석 연료의 사용으로 인하여 엄청난 양의 CO2 가스가 배출되며 이로 인한 환경오염 문제가 매우 심각한 실정으로 이러한 문제를 해결하기 위하여 친환경 에너지(풍력, 태양 에너지, 조력 등)를 이용한 전력 공급 시스템 개발이 급속히 증가하고 있는 실정이다.
대부분의 신 재생 에너지는 자연에서 발생하는 청정에너지를 사용하기 때문에 환경오염과 관련된 배기가스의 배출이 없어 매력적이기는 하나 자연환경에 영향을 많이 받기 때문에 시간에 따른 출력 변동폭이 매우 크기 때문에 그 사용에 한계점을 가지고 있는 실정이다.
전력 저장 기술은 전력 이용의 효율화, 전력 공급 시스템의 능력이나 신뢰성 향상, 시간에 따른 변동폭이 큰 신 재생 에너지의 도입 확대 등 에너지 전체에 걸쳐 효율적 이용을 위해 중요한 기술이며, 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있는 실정이다. 특히, 이러한 분야에서 이차 전지의 활용도에 대한 기대치가 높아지고 있다.
레독스 흐름 이차 전지는 가변적으로 전해액 탱크 용량 및 전지 스택 수를 변화시켜 에너지 저장 용량 및 출력을 손쉽게 바꿀 수 있고 반영구적으로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있어 고용량 및 고효율 이차 전지가 적용되어야 하는 대용량 전력 저장용으로 가장 각광 받고 있는 이차 전지이다.
레독스 흐름 이차 전지는 산화수가 변하는 금속 이온의 산화 환원 반응을 이용하여 충전 및 방전 하는 전지를 말한다. 양/음극 전해액으로는 바나듐 등의 금속 이온이 용해된 산성 수용액이 사용되며, 이를 각기 다른 탱크에 저장한다.
레독스 흐름 이차 전지는 셀 프레임이 전체 셀의 윤곽을 형성하고 있으며 셀 중앙이 격막에 의해 분리되며 격막을 중심으로 양극 및 음극의 전극이 위치하고 있다. 또한, 전기 전도를 위한 쌍극판과 집전체가 구성되어 있으며, 레독스 흐름 이차 전지의 전해액 유입부와 배출부가 전해액 탱크와 연결되어 있어 전해액을 순환시키며 전기화학 반응을 진행한다.
셀 프레임을 복수 적층하여 구성되는 것을 셀 스택이라 하며, 셀 프레임, 격막, 셀 프레임으로 반복되어 적층 함으로써 스택 출력을 높일 수 있다.
셀 프레임은 내부에 전해액을 수용하며, 전해액이 누설되지 못하도록 밀폐하는 것이 중요하다. 밀폐 수단으로는 씰이 있으며, 이러한 씰은 셀 프레임에 수용되며, 전해액이 누설되는 것을 방지한다. 씰은 격막과 인접하는 부분에 위치하고, 씰과 격막이 닿음으로써 전해액 누설을 방지할 수 있는데, 예를 들어 일본 출원번호 2005-3682244호의 경우, 서로 마주보는 프레임 틀의 대칭인 위치에서 양쪽 씰이 격막을 압접하는 구조는 국부 응력에 의한 셀 프레임의 내구성 문제가 있을 수 있으며, 이는 셀 프레임의 박판화를 어렵게 한다. 또한, 씰이 서로 부딪히는 면의 격막은 전해액의 씰에 필요한 표면 형상을 갖고 있지 않기 때문에 그 틈새로 인해, 전해액이 누설될 수 있다.
또한, 일본 출원번호 2000-3143613 호의 경우, 단일 씰과 평평한 셀 프레임표면 사이에서 격막이 압접되는 구조로서 이는 격막 건조 등으로 격막이 변형될 시 작은 틈으로 인해 전해액이 누설 될 가능성이 있다. 이와 같이 전해액이 누설되면 전지의 용량 감소뿐 아니라 시스템의 내구성에 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 전해액이 누설되지 않으면서 셀 프레임에 가해지는 국부 응력을 줄일 수 있는 씰 구조 개발이 시급한 실정이다.
본 발명의 목적은 씰 사이 혹은 씰과 격막 사이에 발생하는 국부 응력을 감소시켜서, 스택 조립 시 체결력에 의한 셀 프레임의 파손 위험을 줄이고, 셀 프레임의 박판화를 가능하게 하여 스택의 출력밀도를 높일 수 있는 레독스 흐름 전지용 셀 및 씰 구조를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전해액 누설이 효과적으로 방지되어 전지 셀 스택의 안정적인 운전이 가능하고, 시스템의 신뢰성이 향상되는 레독스 흐름 전지용 셀 및 씰 구조를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 밀폐성을 향상 시키면서도 기존 씰 사용량 대비 절반으로 줄일 수 있어 스택의 제작 단가를 낮출 수 있고, 작업의 효율성을 향상시킬 수 있는 레독스 흐름 전지용 셀 및 씰 구조를 제공하는데 있다.
내부에 전해액을 수용하는 셀 프레임과, 상기 셀 프레임에 장착되어 전해액 누설을 방지하는 씰에 있어서, 상기 셀 프레임은 복수로서 격막을 사이에 두고 서로 마주하는 단위 프레임들로 구성되며, 상기 단위 프레임 각각에 형성된 한 쌍 이상의 씰홈이 서로 마주하되 상기 격막을 사이에 두고 상기 씰을 공유한다.
상기 단위 프레임의 동일한 면에 두 개의 씰홈이 형성된 경우, 씰 사이 이격 거리를 두고 격막을 이중으로 씰하여 보다 효과적으로 전해액 누설을 방지할 수 있다. 이 때, 상기 두 개의 씰홈은 각각 d1, d2의 폭을 갖고, 상기 두 개의 씰홈 중심 사이의 폭(a)은 0.5(d1 + d2) < a < 5(d1 + d2)인 것이 바람직하다. 상기 씰은 격막을 사이로 서로 다른 면에 엇갈리게 배치가 가능하고, 이 때 격막은 "S"자 형상으로 구부려질 수 있다. 서로 마주보는 한 쌍의 씰홈은 깊이와 폭이 서로 다를 수 있으며, 상기 씰홈의 깊이와 폭을 조절함으로써 씰의 압축률 또는 씰과 격막 간의 접촉 면적 등을 조절할 수 있다. 상기 씰을 수용하는 씰홈의 깊이와 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 깊이 비는 1:0.01~1인 것이 바람직하다. 또한, 상기 씰을 수용하는 씰홈 및 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 깊이 합(a)과 씰 두께(b)가 0.05b≤b-a≤0.5b 인 관계를 가질 수 있다. 여기서, (b-a)/b는 씰의 압축률을 의미하며, 씰이 5 ~ 50 % 압축률을 갖는 것을 선호한다. 또한, 상기 씰을 수용하는 씰홈의 폭과 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 폭 비는 1:0.01~1일 수 있다. 상기 씰홈 또는 상기 씰에는 접착력을 높이는 접착제, 씰을 보강하는 씰 재질과 유사한 수지, 표면장력을 높이는 도포제 등이 도포될 수 있고, 씰은 O-ring 또는 가스켓 일 수 있다. 상기 씰은 상기 셀 프레임의 외주면을 따라 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 격막 위치 영역뿐 아니라 전해액 유입/배출부 영역에서도 씰홈이 씰을 공유하는 구조가 적용될 수 있다. 셀 프레임은 복수로서 격막을 사이에 두고 서로 마주하는 단위 프레임들로 구성되며, 상기 단위 프레임의 전해액 유입/배출부 주변에 각각 형성된 한 쌍 이상의 원형 씰홈이 서로 마주하며 씰을 공유한다. 상기 씰을 수용하는 씰홈의 깊이와 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 깊이 비는 1:0.01~1일 수 있다. 또한, 상기 두 개의 씰홈은 각각 d1, d2의 폭을 갖고, 상기 두 개의 씰홈 중심 사이의 폭(a)은 0.5(d1 + d2) < a < 5(d1 + d2)인 것이 바람직하다. 또한, 상기 씰을 수용하는 씰홈 및 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈 깊이의 합(a)과 씰 두께(b)에 있어서 0.05b ≤ b - a ≤ 0.5b 인 관계를 가질 수 있다.
전해액이 외부로 누설되는 것을 방지하는 셀 프레임 적층 구조에 있어서, 상기 셀 프레임은 한 쌍의 단위 프레임이 접합되고, 상기 단위 프레임의 접합면에 전해액이 유동하는 전해액 유로가 형성되고, 상기 셀 프레임은 상기 전해액 유로를 통해 전해액이 흐르는 쌍극판 및 상기 전해액 유로를 밀봉하는 보호판과 일체화 된다. 적층되는 상기 셀 프레임 각각에 형성된 한 쌍 이상의 씰홈이 서로 마주하되 격막을 사이에 두고 씰을 공유한다. 또한, 상기 셀 프레임의 전해액 유입/배출부 주변에 각각 형성된 한 개 이상의 씰홈이 셀 프레임 적층 시 서로 마주하여 씰을 공유한다. 상기 씰은 O-ring또는 가스켓 일 수 있다.
본 발명에 따르면, 셀 프레임에서 씰 사이에 발생하는 국부 응력을 감소시켜서, 스택 조립 시 체결력에 의한 셀 프레임의 파손 위험을 줄이고, 셀 프레임의 박판화를 가능하게 하여 스택의 출력밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 전해액 누설을 효과적으로 방지하여 전지 셀 스택의 안정적인 운전이 가능하고, 시스템의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
이뿐 아니라, 밀폐성을 향상 시키면서도 기존 씰 사용량 대비 절반으로 줄일 수 있어 스택의 제작 단가를 낮출 수 있고, 작업의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도1은 본 발명의 구성을 나타낸 단면도이다.
도2는 본 발명의 또 다른 구성을 나타낸 단면도이다.
도3은 격막과 씰이 체결된 단면도이다.
도4는 격막과 씰이 체결된 또 다른 구성을 나타낸 단면도이다.
도5는 본 발명의 또 다른 구성을 나타낸 단면도이다.
도6은 씰에 도포제가 도포된 구성을 나타낸 단면도이다.
도7은 씰홈에 도포제가 도포된 구성을 나타낸 단면도이다.
도8는 본 발명 셀 프레임의 사시도이다.
이하, 본 발명에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 구성(100)을 나타낸 단면도이다. 이를 참조하면, 셀 프레임(5)은 한 쌍의 단위 프레임(6a, 6b)이 접합되는 구조이며, 상기 단위 프레임(6)의 접합면에 전해액이 유동하는 전해액 유로가 형성되어 있고, 상기 단위 프레임(6) 사이에 쌍극판(4) 및 전해액 유로를 밀봉하는 보호판(7)을 포함하여 일체화 된다. 상기 셀 프레임(5) 사이에 격막이 위치하며, 상기 격막(1)과 쌍극판(4) 사이에 양극 전극(2) 및 음극 전극(3)이 배치된다. 각각의 단위 프레임(6)에 씰홈(10)이 형성되며, 상기 씰홈(10)에 씰(11)이 수용된다.
셀 프레임(5)은 복수 개 적층되며, 양극 전극(2)이 위치하는 양극실에 양극액을 순환시킴과 동시에 음극 전극(3)이 위치하는 음극실에 음극액을 순환시킨다.
셀 프레임(5)을 복수 적층하여 구성되는 것을 셀 스택이라 한다. 셀 프레임(5)을 반복 적층함으로써 스택 출력을 높일 수 있다.
이하 본 발명의 상세구성에 대하여 설명한다.
격막(1)을 사이에 두고, 각각의 단위 프레임(6)이 마주한다. 단위 프레임(6)의 동일 선상에 한 쌍의 씰홈(10)이 씰(11)을 공유하는 구조이며, 씰홈(10)은 각각의 단위 프레임(6)에 형성되어 있다.
격막(1)을 사이에 두고 셀 프레임(5)을 적층하여 체결력을 가했을 때, 씰(11)에 격막(1)이 압접하고 이로 인해 격막(1)이 씰홈(10)에 삽입되어 밀폐성이 향상되고 전해액 누설을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 격막(1)을 사이에 두고 양측에 씰홈(10)이 형성되고 씰(11)이 한 개 삽입되기 때문에 씰(11)이 삽입되는 부위의 셀 프레임(5)에 국부 응력이 감소하게 되며, 이는 스택 조립 시 체결력에 의한 프레임(5)의 파손 위험을 줄이고, 박판화를 가능하게 한다. 또한, 단위 프레임(6)의 적층 방향에 결합력을 부가 시켰을 때, 격막(1)은 씰(11)에 눌리는 동시에 씰홈(10)에 삽입되어 격막(1)과 씰(11) 사이의 접촉 면적이 충분히 확보되며, 격막(1)과 단위 프레임(6)이 적층하여 체결하였을 때 전해액이 밀봉되어 혼합되지 않으며, 스택의 밀폐성이 향상되는 특징이 있다.
또한, 밀폐성을 향상 시키면서 기존 씰 사용량 대비 절반으로 줄일 수 있어 스택 제작 단가를 낮출 수 있으며, 씰홈(10)이 격막(1)에 밀착하여 전해액 누설이 방지 됨으로써, 전지 셀 스택의 안정적인 운전이 가능하고, 시스템의 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.
각각의 단위 프레임(6)에서 상기 씰을 수용하는 씰홈의 깊이와 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 깊이 비는 1:0.01~1인 것이 바람직하다. 또한, 상기 씰을 수용하는 씰홈 및 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 깊이 합(a)과 씰 두께(b)가 0.05b≤b-a≤0.5b 인 관계를 가질 수 있다. 또한, 상기 씰을 수용하는 씰홈의 폭과 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 폭 비는 1:0.01~1일 수 있다.
씰홈(10) 또는 씰(11)에는 접착력을 높이는 잡착제, 씰을 보강하는 씰 재질과 유사한 수지, 표면장력을 높이는 도포제 등을 도포할 수 있으며, 두께 1mm, 폭 2mm이하로 도포한다. 씰 재질과 유사한 수지는 액상 고무 등을 이용할 수 있으며, 표면장력을 높이는 도포제는 테플론 등을 이용할 수 있고, 이는 고마찰을 유발하거나 표면장력을 높여 전해액 누설을 방지하는 특징이 있다.
단위 프레임(6)은 폴리염화비닐 또는 다른 유기 수지, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에폭시 수지 등을 혼합해서 사용해도 좋다.
또한, O-ring 또는 가스켓은 천연고무, 유기 수지, Viton과 같은 합성고무 등의 재질을 이용할 수 있으며, 쌍극판(4)은 플라스틱 카본제 또는 흑연, 카본 미립자, 염소를 포함하는 전기 전도성이 좋은 재질을 사용한다.
도2는 본 발명의 또 다른 구성(200)을 나타낸 단면도이다. 도2를 참조하면, 셀 프레임(5)은 한 쌍의 단위 프레임(6a, 6b)이 접합되는 구조이며, 상기 단위 프레임(6)의 접합면에 전해액이 유동하는 전해액 유로가 형성되어 있고, 상기 단위 프레임(6) 사이에 쌍극판(4) 및 전해액 유로를 밀봉하는 보호판(7)을 포함하여 일체화 된다. 상기 셀 프레임(5) 사이에 격막이 위치하며, 상기 격막(1)과 쌍극판(4) 사이에 양극 전극(2) 및 음극 전극(3)이 배치된다. 각각의 단위 프레임(6)에 씰홈(10)이 형성되며, 상기 씰홈(10)에 씰(11)이 수용된다.
격막(1) 영역에 있으며, 단위 프레임(6)에 수용되는 내주 씰(11b)과 상기 내주 씰(11b)의 외측에 있는 외주 씰(11a)은 격막(1)을 고정시키고, 전해액을 이중으로 밀봉한다.
격막(1)을 사이에 놓고, 단위 프레임(6)에서 서로 마주하는 한 쌍의 내주 씰홈(10c, 10d) 및 한 쌍의 외주 씰홈(10a, 10b)이 형성되어 있으며, 상기 내주 씰홈(10c, 10d) 및 외주 씰홈(10a, 10b)은 각각 한 개의 내주 씰(11b) 및 외주 씰(11a)을 공유한다.
체결력에 의해 외주 씰홈(10a 또는 10b) 및 내주 씰홈(10c 또는 10d)에 장착된 외주 씰(11a) 및 내주 씰(11b)에 격막이 압접하고, 격막(1)이 외주 씰홈(10a 또는 10b) 및 내주 씰홈(10c 또는 10d)에 삽입되어 밀폐성을 향상 시킨다.
또한, 격막(1)을 중심으로 서로 다른 이면에 씰(11)이 배치되기 때문에, 다중 밀폐 구조로 구성 될 수 있으며, 격막(1)이 씰홈(10)에 삽입되고 씰(11)과 함께 압접하여 휘게 함으로써 씰(11)과 격막(1) 사이의 접촉 면적이 충분히 확보되어 전해액이 누설되는 것을 효과적으로 막을 수 있다.
단위 프레임 적층 방향으로 체결력을 가할 시 격막(1)을 중심으로 동일 선상에 있는 양측의 씰홈(10)이 한 개의 씰(11)을 공유하기 때문에 국부 응력 감소 효과를 볼 수 있으며, 이로 인하여 셀의 박판화가 가능하며, 스택 출력 밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.
보다 상세하게 설명하면, 격막(1)을 사이에 두고 단위 프레임(6)이 서로 마주한다. 상기 단위 프레임(6)에는 한 쌍 이상의 씰홈(10)이 각각 형성되어 한 개의 씰(11)을 공유한다. 단위 프레임(6)과 격막(1)이 맞닿는 부위에 내주 씰홈(10c, 10d) 및 외주 씰홈(10a, 10b)이 형성되어 있다. 상기 내주 씰홈(10c, 10d) 및 외주 씰홈(10a, 10b)은 각각 한 개의 내주 씰(11b) 및 외주 씰(11a)을 공유한다. 외주 씰홈(10a, 10b) 및 내주 씰홈(10c, 10d)은 격막(1)을 사이에 두고 각각 양측에 있으며, 이는 격막(1)과 셀 프레임(5)을 적층하고 체결했을 시, 씰(11)에 격막(1)이 압접하며 격막이 씰홈(10)에 삽입되어 밀폐성이 향상되는 것을 특징으로 한다. 격막(1)은 외주 씰(11a) 및 내주 씰(11b)에 눌리는 동시에 외주 씰홈(10a, 10b) 및 내주 씰홈(10c, 10d)에 삽입되어 격막(1)을 단단히 고정시킴과 동시에 전해액을 이중으로 밀봉하여 전해액의 혼합 및 누설을 효과적으로 방지한다. 씰(11)은 O-ring 또는 가스켓인 것을 특징으로 한다.
외주 씰(11a) 및 내주 씰(11b) 사이 이격 거리를 두고 격막을 이중으로 씰하는 다중 밀폐 구조에 있어서, 상기 외주 씰홈 및 내주 씰홈은 각각 d1, d2의 폭을 갖고, 상기 외주 씰홈 및 내주 씰홈 중심 사이의 폭(a)은 0.5(d1 + d2) < a < 5(d1 + d2)인 것이 바람직하다. 또한, 각각의 단위 프레임(6)에서 상기 씰을 수용하는 씰홈의 깊이와 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 깊이 비는 1:0.01~1인 것이 바람직하다. 또한, 상기 씰을 수용하는 씰홈 및 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 깊이 합(a)과 씰 두께(b)가 0.05b≤b-a≤0.5b 인 관계를 가질 수 있다. 또한, 상기 씰을 수용하는 씰홈의 폭과 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 폭 비는 1:0.01~1일 수 있다. 상기 씰은 격막(1)을 사이로 서로 다른 면에 엇갈리게 배치될 수 있으며, 이는 격막(1)이 삽입되는 씰홈(10)에 있어서, 격막(1)과 씰홈(10)이 인접할 시 격막을"S"자 형상으로 휘게 함으로써 전해액이 누설을 효과적으로 방지하기 위한 것이다. 격막(1)의 크기는 전극과 씰(11)을 수용할 수 있는 크기이면 충분하다.
씰홈(10) 또는 씰(11)에는 접착력을 높이는 접착제, 씰을 보강하는 씰 재질과 유사한 수지, 표면장력을 높이는 도포제 등을 도포할 수 있으며, 두께 1mm, 폭 2mm 이하로 도포한다. 씰 재질과 유사한 수지는 액상 고무 등을 이용할 수 있으며, 표면장력을 높이는 도포제는 테플론 등을 이용할 수 있고, 이는 고마찰을 유발하거나 표면장력을 높여 전해액 누설을 방지하는 특징이 있다.
단위 프레임(6)은 폴리염화비닐 또는 다른 유기 수지, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에폭시 수지 등을 혼합해서 사용해도 좋다.
또한, O-ring 또는 가스켓은 천연고무, 유기 수지, Viton과 같은 합성고무 등의 재질을 이용할 수 있으며, 쌍극판(4)은 플라스틱 카본제 또는 흑연, 카본 미립자, 염소를 포함하는 전기 전도성이 좋은 재질을 사용한다.
도 3은 격막(1)과 씰(11)이 체결된 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 격막(1)을 사이에 두고 단위 프레임(6)에 형성된 양측의 씰홈(10)에 있어서, 씰(11)을 수용하는 씰홈(10)의 깊이와 씰(11)을 수용하지 않는 씰홈의 깊이 비는 1:0.01~1일 수 있다. 또한, 상기 씰을 수용하는 씰홈 및 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 깊이 합(a)과 씰 두께(b)가 0.05b ≤b - a ≤ 0.5b 인 관계를 가져, 씰(11)의 압축률이 5 ~ 50 %인 것이 바람직하다. 또한, 상기 씰을 수용하는 씰홈의 폭과 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 폭 비는 1:0.01~1일 수 있다.
상기 격막(1)을 중심으로 양측에 씰홈(10)이 형성되고 씰(11)이 한 개 삽입되기 때문에 씰(11)이 삽입되는 부위의 셀 프레임(5)에 국부 응력이 감소하게 되며, 이는 스택 조립 시 체결력에 의한 셀 프레임(5)의 파손 위험을 줄이고, 박판화를 가능하게 한다. 또한, 격막(1)이 씰홈(10)에 삽입되어 휘어지고, 씰홈(10), 씰(11), 격막(1)이 압접함으로써 격막(1)과 씰(11) 사이의 접촉 면적이 충분히 확보되어 전해액 누설을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 4는 격막(1)과 씰(11)이 체결된 또 다른 구성을 나타낸 단면도이다. 이를 참조하면, 단위 프레임(6)에 형성된 복수 개의 씰홈(10)에 있어서, 상기 씰홈(10)은 이격 거리를 두고 격막을 씰하는 다중 밀폐 구조이며, 상기 씰홈은 각각 d1, d2의 폭을 갖고, 상기 씰홈 중심 사이의 폭(a)은 0.5(d1 + d2) < a < 5(d1 + d2)인 것을 특징으로 한다. 각각의 단위 프레임(6)에서 상기 씰을 수용하는 씰홈의 깊이와 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 깊이 비는 1:0.01~1인 것을 선호하며, 상기 씰을 수용하는 씰홈 및 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 깊이 합(a)과 씰 두께(b)가 0.05b ≤b - a ≤ 0.5b 인 관계를 가질 수 있다. 또한, 상기 씰을 수용하는 씰홈의 폭과 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 폭 비는 1:0.01~1일 수 있다. 상기 씰은 격막(1)을 사이로 서로 다른 면에 엇갈리게 배치되어, 체결력에 의해 씰홈(10), 씰(11), 격막(1)이 압접하여 격막(1)이 씰홈(10)에 삽입되었을 때, 격막(1)이 "S" 자 형상으로 휘어져 전해액 누설을 효과적으로 방지할 수 있다.
도5는 본 발명의 또 다른 구성(300)을 나타낸 단면도이다. 이를 참조하면, 셀 프레임(5)은 한 쌍의 단위 프레임(6a, 6b)이 접합되는 구조이며, 상기 단위 프레임(6)의 접합면에 전해액이 유동하는 전해액 유로가 형성되어 있고, 상기 단위 프레임(6) 사이에 쌍극판(4) 및 전해액 유로를 밀봉하는 보호판(7)을 포함하여 일체화 된다. 상기 셀 프레임(5) 사이에 격막이 위치하며, 상기 격막(1)과 쌍극판(4) 사이에 양극 전극(2) 및 음극 전극(3)이 배치된다. 각각의 단위 프레임(6)에 씰홈(10)이 형성되며, 상기 씰홈(10)에 씰(11)이 수용된다.
셀 프레임(5)은 복수 개 적층되며, 양극 전극(2)이 위치하는 양극실에 양극액을 순환시킴과 동시에 음극 전극(3)이 위치하는 음극실에 음극액을 순환시킨다.
셀 프레임(5)을 복수 적층하여 구성되는 것을 셀 스택이라 한다. 셀 프레임(5)을 반복 적층함으로써 스택 출력을 높일 수 있다.
이하 본 발명의 상세구성에 대하여 설명한다.
격막(1)을 사이에 두고, 각각의 단위 프레임(6)이 마주한다. 단위 프레임(6)에 형성된 한 쌍 이상의 씰홈(10)이 서로 마주하여 씰(11)을 공유하는 구조로써 씰홈(10)에 씰(11)이 삽입되며, 씰(11)은 한쪽 단위 프레임(6)에만 수용이 가능하다. 복수 개의 씰(11)이 동일한 면에 위치하기 때문에 셀 프레임 조립 시 씰이 각 셀 프레임의 윗면에 배치되었을 때 발생하는 씰의 이탈을 방지할 수 있으며, 이로써 작업 효율이 향상된다. 또한, 상기 격막(1)을 중심으로 양측에 씰홈(10)이 형성되고 씰(11)이 한 개 삽입되기 때문에 씰(11)이 삽입되는 부위의 셀 프레임(5)에 국부 응력이 감소하게 되며, 이는 스택 조립 시 체결력에 의한 셀 프레임(5)의 파손 위험을 줄이고, 박판화를 가능하게 한다.
단위 프레임(6)의 적층 방향에 결합력을 부가 시킴으로써, 격막(1)은 씰(11)에 눌리는 동시에, 씰홈(10)에 삽입되어 격막(1)과 씰(11) 사이의 접촉 면적이 충분히 확보되며, 격막(1)과 단위 프레임(6)이 적층하여 체결하였을 때 전해액이 밀봉되어 혼합되지 않으며, 스택의 밀폐성이 향상되는 특징이 있다. 밀폐성을 향상 시키면서 기존 씰 사용량 대비 절반으로 줄일 수 있어 스택 제작 단가를 낮추면서도 전해액 누설이 효과적으로 방지됨으로써, 전지 셀 스택의 안정적인 운전이 가능하고, 시스템의 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.
도6은 씰(11)에 도포제가 도포된 구성을 나타낸 단면도이다. 이를 참조하면, 씰(11)에 접착력을 높이는 접착제, 씰을 보강하는 씰 재질과 유사한 수지, 표면장력을 높이는 도포제(30) 등을 도포할 수 있으며, 두께 1mm, 폭 2mm 이하로 도포할 수 있다. 씰 재질과 유사한 수지는 액상 고무 등을 이용할 수 있으며, 표면장력을 높이는 도포제는 테플론 등을 이용할 수 있고, 이는 고마찰을 유발하거나 표면장력을 높여 전해액 누설을 방지하는 특징이 있다.
도7은 씰홈(10)에 도포제가 도포된 구성을 나타낸 단면도이다. 이를 참조하면, 씰홈(10)에 접착력을 높이는 접착제, 씰을 보강하는 씰 재질과 유사한 수지, 표면장력을 높이는 도포제(30) 등을 도포할 수 있으며, 두께 1mm, 폭 2mm 이하로 도포할 수 있다. 씰 재질과 유사한 수지는 액상 고무 등을 이용할 수 있으며, 표면장력을 높이는 도포제는 테플론 등을 이용할 수 있고, 이는 고마찰을 유발하거나 표면장력을 높여 전해액 누설을 방지하는 특징이 있다.
도8은 셀 프레임의 전해액 유입/배출부 주변에 형성된 씰홈에 대한 사시도이다. 셀 프레임(5)은 한 쌍의 단위 프레임이 접합되는 구조이다. 상기 단위 프레임의 접합면에 전해액이 유동하는 전해액 유입/배출부(8)와 분배유로(9)가 형성되어 있고, 상기 단위 프레임 사이에 쌍극판(4) 및 전해액 유로를 밀봉하는 보호판을 포함하여 일체화 된다. 상기 셀 프레임(5) 사이에 격막이 위치하며, 상기 격막(1)과 쌍극판(4) 사이에 양극 전극(2) 및 음극 전극(3)이 배치된다. 이로 구성된 셀 프레임(5)은 복수 개 적층되며, 이를 셀 스택이라 한다. 셀 프레임(5)을 반복 적층함으로써 스택 출력을 높일 수 있다.
이하 상세사항을 설명한다.
상기 셀 프레임(5)은 복수로서 격막(1)을 사이에 두고 서로 마주하는 단위 프레임들로 구성되며, 상기 단위 프레임의 전해액 유입/배출부(8) 주변에 각각 형성된 한 쌍 이상의 원형 씰홈(20a, 21a)이 적층되는 셀 프레임(5)의 원형 씰홈(20b, 21b)과 서로 마주하며 씰을 공유한다. 상기 씰은 전해액 유입/배출부 주변에서 전해액을 밀봉하기 위해 존재하며, 상기 씰은 O-ring 또는 가스켓 일 수 있다.
상기 단위 프레임(5)의 전해액 유입/배출부(8) 주변에 각각 두 개씩 원형 씰홈이 형성된 경우, 상기 두 개의 원형 씰홈(20, 21)은 각각 d1, d2의 폭을 갖고, 상기 두 개의 원형 씰홈 중심 사이의 폭(a)은 0.5(d1 + d2) < a < 5(d1 + d2)인 것을 선호한다. 또한 상기 씰을 수용하는 원형 씰홈 및 상기 씰을 수용하지 않는 원형 씰홈의 깊이의 합(a)과 씰 두께(b)가 0.05b ≤ b - a ≤ 0.5b 관계를 갖는 것이 바람직하며, 이는 씰 압축률이 5 ~ 50 %인 것을 의미한다. 씰로 사용되는 O-ring 또는 가스켓의 재질로는 천연고무, 유기 수지, Viton과 같은 합성고무 등을 사용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 격막 2: 양극 전극
3: 음극 전극 4: 쌍극판
5: 셀 프레임 6: 단위 프레임
6a: 제1프레임 6b: 제2 프레임
7: 보호판 8: 전해액 유입/배출부
9: 전해액 분배유로 10: 씰홈
10a, 10b: 외주 씰홈 10c, 10d: 내주 씰홈
11: 씰 11a: 외주 씰
11b: 내주 씰 20,21: 원형 씰홈
20a, 20b: 외주 원형 씰홈 21a, 21b: 내주 원형 씰홈
30: 도포제

Claims (19)

  1. 내부에 전해액을 수용하는 셀 프레임과, 상기 셀 프레임에 장착되어 상기 전해액 누설을 방지하는 씰에 있어서,
    상기 셀 프레임은 복수로서 격막을 사이에 두고 서로 마주하는 단위 프레임들로 구성되며, 상기 단위 프레임 각각에 형성된 한 쌍 이상의 씰홈이 서로 마주하되 상기 격막을 사이에 두고 상기 씰을 공유하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단위 프레임의 동일한 면에 두 개의 씰홈이 형성된 경우, 상기 두 개의 씰홈은 각각 d1, d2의 폭을 갖고, 상기 두 개의 씰홈 중심 사이의 폭(a)은 0.5(d1 + d2) < a < 5(d1 + d2)인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 씰은 격막을 사이로 서로 다른 면에 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 씰을 수용하는 씰홈의 깊이와 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 깊이 비가 1:0.01~1 인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 씰을 수용하는 씰홈 및 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈 깊이의 합(a)과 씰 두께 (b)에 있어서 0.05b ≤ b - a ≤ 0.5b인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 씰을 수용하는 씰홈의 폭과 상기 씰을 수용하지 않는 씰홈의 폭 비가 1:0.01~1 인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 씰홈 또는 씰에 접착력을 높이는 접착제가 도포되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 씰홈 또는 상기 씰에 씰 재질과 유사한 수지를 도포하여 씰을 보강하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 씰홈 또는 상기 씰에는 표면장력을 높이는 도포제가 도포되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 씰은 상기 셀 프레임의 외주면을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  11. 셀 프레임은 복수로서 격막을 사이에 두고 서로 마주하는 단위 프레임들로 구성되며, 상기 셀 프레임의 전해액 유입/배출부 주변에 각각 형성된 한 쌍 이상의 씰홈이 서로 마주하며 씰을 공유하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 씰을 수용하는 씰홈의 깊이와 상기 씰을 수용하지 않은 씰홈의 깊이 비가 1:0.01~1 인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 씰을 수용하는 씰홈 및 상기 씰을 수용하지 않은 씰홈 깊이의 합(a)과 씰 두께(b)에 있어서 0.05b ≤ b - a ≤ 0.5b인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 단위 프레임의 동일한 면에 두 개의 씰홈이 형성된 경우, 상기 두 개의 씰홈은 각각 d1, d2의 폭을 갖고, 상기 두 개의 씰홈 중심 사이의 폭(a)은 0.5(d1 + d2) < a < 5(d1 + d2)인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  15. 적층되는 셀 프레임의 전해액이 외부로 누설되는 것을 방지하는 셀에 있어서,
    상기 적층되는 복수 개의 셀 프레임;
    상기 셀 프레임 사이에 위치한 격막;
    상기 셀 프레임 각각에 형성된 한 쌍 이상의 씰홈;
    상기 격막을 사이에 두고 서로 마주보는 씰홈에 수용되는 씰;
    을 포함하며, 상기 한쌍 이상의 씰홈이 서로 마주하면서 상기 씰을 공유하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 셀 프레임은
    상기 격막 양측에 배치되는 쌍극판;
    상기 쌍극판 외주의 양쪽으로 부착된 단위 프레임;
    상기 단위 프레임 사이에 배치되는 보호판;
    상기 격막과 상기 쌍극판 사이에 배치되는 전극;
    상기 프레임에 형성되는 전해액 유입/배출부와 분배유로;
    상기 전해액 유입/배출부 주변에 각각 형성된 한 쌍 이상의 씰홈;
    서로 마주보는 한 쌍의 씰홈에 수용되는 씰;
    을 더 포함하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 씰은 상기 격막을 사이로 서로 다른 면에 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  18. 제 15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 씰을 수용하는 씰홈의 깊이와 상기 씰을 수용하지 않은 씰홈의 깊이 비가 1:0.01~1 인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.
  19. 제 15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 씰을 수용하는 씰홈 및 상기 씰을 수용하지 않은 씰홈 깊이의 합(a)과 씰 두께(b)에 있어서 0.05b ≤ b - a ≤ 0.5b 인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 셀.

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