KR101498596B1 - 유로 눌림 방지를 위한 레독스 흐름전지용 매니폴드 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 - Google Patents

유로 눌림 방지를 위한 레독스 흐름전지용 매니폴드 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 Download PDF

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전재덕
양정훈
신경희
진창수
이범석
박세국
전명석
정규남
연순화
윤수근
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 유로 눌림을 방지하여 전해액 흐름을 원활히 하기 위한 유로 덮개 및 이를 포함하는 매니폴드와 레독스 흐름전지에 관한 것으로, 가스켓 눌림에 의한 유로 상의 전해액 막힘 또는 가스켓 들림에 의한 전해액 섞임을 미연에 방지하여 충방전 효율 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

유로 눌림 방지를 위한 레독스 흐름전지용 매니폴드 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 {MANIFOLD INCLUDING FLOW PATH COVER FOR PREVENTION THE FLOW PATH FROM BEING PRESSED FLAT AND REDOX FLOW BATTERY INCLUDING THEREOF}
본 발명은 레독스 흐름전지에 사용되는 매니폴드에 형성된 유로의 눌림을 방지하여 전해액 흐름이 원활하도록 한 유로 눌림 방지를 위한 레독스 흐름전지용 매니폴드 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
일반적으로 레독스 흐름전지의 스택은 양극전극과 양극용 매니폴드를 포함하는 양극셀, 음극전극과 음극용 매니폴드를 포함하는 음극셀 및 상기 양극셀과 음극셀을 분리시켜주는 이온교환막을 포한한다. 상기 양극셀과 음극셀은 바이폴라 플레이트를 기준으로 다수 적층되어 사용될 수 있으며, 이 때 최외측 양극셀과 음극셀의 측면에는 바깥방향으로 각각 바이폴라플레이트, 집전체 및 엔드플레이트가 놓여진다.
상기 레독스 흐름전지의 양극용 매니폴드 및 음극용 매니폴드에는 양극 또는 음극 전해액이 흐를 수 있도록 한 유로가 구비되어 있다. 이러한 양극용 매니폴드와 음극용 매니폴드는 적층 시 접촉되는 전해액이 외부로 누출되는 것을 방지하기 위하여 개스킷을 사용하게 된다. 상기 개스킷은 연질 PVC필름, 경질PVC필름, 고무, 내화학성 고무(바이톤) 등의 재질로 제작된다.
그러나 유로가 구비된 양극용 매니폴드 및 음극용 매니폴드는 다수 적층하여 사용 시 적층 압력으로 인하여 개스킷이 유로를 눌러 막음으로써 전해액의 원활한 흐름을 방해하는 유로 눌림 현상이 일어나게 된다. 이러한 유로 눌림 현상은 적층된 스택으로 전해액이 유입되는 것을 막고, 다수의 양극셀과 음극셀에 존재하는 전해액의 양이 일정하지 않아 밸런스를 무너뜨리는 결과를 초래하게 된다. 위와 같은 문제는 전체적인 스택의 과잉 전압을 유발시켜 스택의 열화를 발생시키고, 그에 따른 충방전 효율 및 에너지 효율이 떨어뜨리는 결과를 나타내는 문제가 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 매니폴드에 형성된 유로의 눌림 현상을 방지할 수 있도록 함으로써 전해액의 흐름이 원활함과 아울러 다수의 양극셀과 음극셀에 존재하는 전해액이 일정하도록 한 유로 눌림 방지를 위한 레독스 흐름전지용 매니폴드 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 매니폴드는 플레이트의 일면 또는 양면에 형성된 것으로서, 내측에 형성된 전해액반응부와, 상기 전해액반응부의 극과 같은 극의 전해액을 유입 및 유출시키기 위한 전해액주입구 및 전해액배출구, 상기 전해액주입구로부터 주입된 전해액이 전해액반응부를 거쳐 전해액배출구로 이송되는 유로, 및 상기 전해액반응부의 극과 반대 극의 전해액을 이송하기 위한 전해액 통공을 포함하여 이루어지며, 상기 유로에는 유로 눌림 방지를 위한 유로덮개가 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 예에 따르면 상기 유로덮개는 상판, 및 상기 상판의 좌우측 단부에서 하측을 향하여 형성된 외측벽을 포함하여 이루어지며, 상기 유로덮개는 상기 외측벽이 유로 내부의 좌우측 벽면에 밀착되도록 끼워지는 것일 수 있다.
상기 유로덮개의 상판 하면 내측에는 유로 내부의 바닥면에 닿도록 형성된 적어도 하나의 지지부가 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 예에 따르면 상기 유로덮개는 유로의 전면을 덮을 수 있는 단일의 상판으로 된 것일 수 있다.
상기 상판은 상기 전해액반응부에 전극의 삽입이 가능하도록 형성된 관통홀을 포함할 수 있다. 상기 관통홀은 전해액반응부와 동일한 형상으로 형성된 것일 수 있다. 또한 상기 상판은 전해액통공을 통해 전해액이 통과하도록 형성된 제1통공; 및 매니폴드 적층 시 나사가 통과하도록 형성된 제2통공을 추가로 포함할 수 있다.
상기 유로의 바닥면에는 상기 상판의 하면에 닿도록 형성된 적어도 하나의 지지돌기가 구비될 수 있다.
상기 유로덮개는 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 바이톤, NC나일론, 및 염화비닐(PVC) 중 어느 하나의 소재로 제조된 것일 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 상기한 본 발명에 따른 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 따른 유로 눌림 방지를 위한 매니폴드는 레독스 흐름전지에 적용 시 유로덮개에 의해 유로 눌림 현상이 방지됨에 따라 전해액의 흐름이 원활하게 된다. 그에 따라 양극셀과 음극셀에 존재하는 전해액의 양의 밸런스가 유지되고, 스택의 열화를 방지할 수 있으며, 충방전 효율 및 에너지 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 유로덮개에 의해 내부 밀봉이 가능하므로, 다수의 가스켓을 사용할 필요가 없어 레독스 흐름전지의 부피를 줄일 수 있으며, 가스켓 눌림에 의한 전해액 막힘 또는 가스켓 들림에 의한 전해액 섞임을 미연에 방지하여 전류효율, 에너지 효율, 및 전압효율을 향상시킬 수 있다.
나아가, 유로덮개에 지지부를 형성할 경우 형성된 지지부 형태에 따라 우회로를 형성할 수 있어, 한쪽이 막힐 경우 다른 쪽으로 전해액이 이동할 수 있으므로 막힘에 의한 부하를 줄일 수 있어 효율을 증대할 수 있다.
도 1은 유로가 형성된 레독스 흐름전지용 매니폴드를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 예에 따라 매니폴드의 유로에 유로덮개가 결합되는 상태를 나타낸 도면이고,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 예에 따라 매니폴드의 유로에 유로덮개가 결합된 상태를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 유로가 형성된 레독스 흐름전지용 매니폴드를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 것과 같이 레독스 흐름전지용 매니폴드(47)는 플레이트의 일면 또는 양면에 형성된 것으로서, 내측에 형성된 전해액반응부(101)와, 상기 전해액반응부의 극과 같은 극의 전해액을 유입 및 유출시키기 위한 전해액주입구(102) 및 전해액배출구(103), 상기 전해액주입구로부터 주입된 전해액이 전해액반응부를 통과하여 전해액배출구로 이송되는 유로(104), 및 상기 전해액반응부의 극과 반대 극의 전해액을 이송하기 위한 전해액통공(105)을 포함하여 이루어진다.
상기 전해액반응부(101)에는 전극이 삽입될 수 있으며, 상기 전극은 전극은 전해액의 산화환원을 위한 활성 사이트(active site)를 제공한다. 상기 전극은 펠트전극일 수 있다. 펠트전극은 양극펠트전극 또는 음극펠트전극일 수 있다. 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 유로는 용도에 따라 양극전해액 또는 음극전해액이 이동하기 위한 통로일 수 있다.
상기 매니폴드를 형성하는 플레이트는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 및 염화비닐(PVC)등의 고분자를 사용하여 형성된 것일 수 있으며, 가격 및 구입의 용이성 등을 고려하면 염화비닐(PVC)을 사용하여 형성된 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 상기 매니폴드의 유로에 유로덮개(110, 120)가 결합된 것에 그 특징이 있다. 매니폴드의 유로에 결합되는 유로덮개는 다양한 구조를 가질 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 예에 따라 매니폴드의 유로에 유로덮개(110)가 결합되는 상태를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따르면 유로덮개는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이 상판 및 상기 상판의 좌우측 단부에서 하측을 향하여 형성된 외측벽을 포함하여 이루어지며, 상기 유로덮개는 상기 외측벽이 유로 내부의 좌우측 벽면에 밀착되도록 끼워지는 형태의 유로덮개(110)일 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 유로덮개는 상판의 좌우측 단부에서 하측을 향하여 외측벽이 형성되어 하부에 개방부가 형성되며, 유로의 상부를 덮기 위하여 상기 개방부의 양쪽에 구비된 외측벽이 유로 내부의 외측벽 안쪽으로 끼워진다. 즉 좌우측 벽면에 밀착되도록 끼워진다.
따라서 유로덮개의 정단면은 "┏┓" 형상일 수 있다.
상기 유로덮개의 외측벽의 높이는 유로의 깊이와 같거나 더 클 수 있다. 유로의 깊이보다 작게 유로덮개의 외측벽이 형성될 경우에는 매니폴드를 적층하여 압착하였을 때 들림 현상이 일어날 수 있으므로 이를 방지하기 위한 것이다.
상기 유로덮개는 상기한 매니폴드를 형성하는 플레이트와 같은 소재를 사용하거나, 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 바이톤, NC나일론, 및 염화비닐(PVC) 중 어느 하나의 소재로 제조될 수 있다.
상기 유로덮개의 상판 하면 내측에는 유로 내부의 바닥면에 닿도록 형성된 적어도 하나의 지지부(111)가 구비될 수 있다.
상기 지지부는 도 2b에 도시된 바와 같이 1개 구비되거나, 도 2c에 도시된 바와 같이 다수 구비될 수 있다.
상기 지지부는 가스켓의 눌림에 의해 유로가 눌리는 것을 효과적으로 방지하기 위하여 형성된 것으로, 전해액이 유로를 따라 흐르는 도중에 일부분에서 막히더라도 지지부에 의하여 우회로가 형성되므로 막힘에 의한 부하를 줄일 수 있다. 상기 지지부는 유로의 바닥면에 닿는다.
상기 지지부는 막대형상으로 개방부에 수직으로 늘어지도록 형성될 수 있며, 1개 또는 2 이상으로 형성될 수 있다. 1개일 경우에는 유로덮개의 단면이 "┏┓" 형상을 갖게 되며, 2개의 지지부가 유로덮개에 형성될 경우에는 유로덮개의 단면이 "┏┱┓" 형상을 형성하게 된다. 3개의 지지부가 형성된 유로덮개가 도 2c에 도시되어 있다.
상기 지지부 또한 유로덮개와 마찬가지로 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 바이톤, NC나일론, 및 염화비닐(PVC) 중 어느 하나의 소재로 제조될 수 있다.
본 발명에 따르면 상기 유로의 바닥면에는 도 2d에 도시된 바와 같이 상기 상판의 하면에 닿도록 형성된 적어도 하나의 지지돌기(112)가 구비될 수 있다. 상기 지지돌기는 유로덮개에 지지부를 형성하여 가스켓의 눌림에 의한 유로 눌림을 방지하는 방법과 마찬가지로, 유로 표면에 유로 눌림 방지를 위한 것이다.
상기 지지돌기는 도 2d에 도시된 바와 같이 아일랜드 형상으로 형성되거나, 도면에 도시하지는 않았지만 돌기라는 표현에 국한되지 않고 전술한 지지부(111)와 같이 막대형상으로 표면과 수직하게 형성될 수 있다. 그 형상은 제한되지 않는다.
상기 지지돌기의 높이는 유로의 깊이보다 낮거나, 유로 눌림 방지를 위한 유로덮개의 높이보다 낮은 것이 바람직하다. 그보다 높을 경우에는 매니폴드를 적층하여 압착하였을 때 유로덮개의 들림 현상이 일어날 수 있다.
한편, 유로 상에 지지돌기(112)와 유로덮개 하면에 지지부(111)가 동시에 형성될 경우에는 지지돌기와 지지부가 상이한 위치에 형성된다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 예에 따라 매니폴드의 유로에 유로덮개(120)가 결합된 상태를 나타낸 도면이다.
본 발명의 다른 예에 따르면 유로덮개는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 매니폴드의 유로 전면을 덮을 수 있는 단일의 상판으로 된 유로덮개일 수 있다.
상기 유로덮개(120)는 매니폴드에 포함된 전해액반응부에 전극이 삽입 가능하도록 형성된 관통홀(121); 다수의 매니폴드 적층 시 나사가 통과하도록 형성된 제2통공(126); 및 전해액이 매니폴드의 전해액통공을 통과하도록 형성된 제1통공(125)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 관통홀(121)은 예를 들어 도 1에 도시된 매니폴드(47)에 형성되는 전해액반응부(101)의 위치에 대응되도록 유로덮개(120) 상에 형성될 수 있다. 상기관통홀(121)은 전해액반응부와 동일한 형상 및 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 유로덮개의 관통홀(121)이 전해액반응부보다 작거나 큰 크기로 형성될 경우 유로덮개가 매니폴더 상에 고정되지 않고 움직여 유로가 눌릴 위험이 있다. 상기 관통홀(121)은 전해액반응부에 끼워져 매니폴드 상부에 고정될 수 있다.
상기 제1통공(125)은 도 1에 도시된 매니폴드(47)에서 하나의 극을 갖는 전해액이 주입되는 전해액주입구(102), 상기 전해액이 유로를 따라 배출되는 전해액배출구(103), 및 상기 전해액과 반대 극을 갖는 전해액이 통과하는 전해액통공(105)의 위치에 대응되도록 유로덮개(120) 상에 형성된다.
상기 제2통공(126)은 도 1에 도시된 매니폴드(47)에 형성되는 나사홈(106)의 위치에 대응되도록 유로덮개(120) 상에 형성된다. 상기 나사홈에는 레독스 흐름전지의 적층구조를 일렬로 연결하는 연결부재가 삽입된다.
상기 유로덮개는 매니폴드(47)와 동일한 소재 또는 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 바이톤, NC나일론, 및 염화비닐(PVC) 중 어느 하나의 소재로 제조될 수 있다.
상기 유로덮개(120)는 가장자리에 높이를 가진 외벽을 형성하여 입체적으로 매니폴드에 고정될 수 있다. 이 경우, 유로덮개(120) 외벽의 높이는 매니폴드(47)에 형성되는 전해액반응부(101)가 매니폴드 상에 돌출된 높이와 같거나 그보다 높아야한다. 유로덮개(120) 외벽 높이가 매니폴드 상에 돌출된 전해액반응부(101) 높이보다 낮을 경우, 매니폴드를 적층하여 압착하였을 때 유로덮개의 들림 현상이 일어날 수 있다.
본 발명에 따른 유로덮개는 도면에 도시하지는 않았지만 전술한 유로덮개에서 설명한 바와 같이 유로 표면에 지지돌기가 형성될 수 있다. 상기 지지돌기는 아일랜드 형상으로 형성되거나, 막대형상으로 표면과 수직하게 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 상기한 본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 매니폴드를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 매니폴드를 제외한 구성의 레독스 흐름전지는 공지된 구성을 용이하게 선택하여 형성할 수 있는 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 유로 눌림 방지를 위한 레독스 흐름전지는 전술한 바와 같은 유로덮개 또는 유로덮개가 택일적으로 형성될 수 있으며, 아울러 지지돌기가 유로 표면에 추가적으로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명은 유로 눌림 방지를 위한 유로덮개, 레독스 흐름전지용 매니폴드, 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지를 제공함으로써 가스켓 눌림에 의한 유로 상의 전해액 막힘 또는 가스켓 들림에 의한 전해액 섞임을 미연에 방지하여 스택의 열화를 방지하고, 그에 따른 충방전 효율 및 에너지 효율을 향상시킬 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 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위 내에 속하는 모든 대안들, 수정들, 및 변형들, 및 변경들을 포괄적으로 포함한다.
47 : 레독스 흐름전지용 매니폴드
101 : 전해액반응부 102 : 전해액주입구
103 : 전해액배출구 104 : 유로
105 : 전해액통공 106 : 나사홈
110, 120 : 유로덮개
111 : 지지부 112 : 지지돌기
121 : 관통홀 125 : 제1통공
126 : 제2통공

Claims (10)

  1. 플레이트의 일면 또는 양면에 형성된 것으로서,
    내측에 형성된 전해액반응부와,
    상기 전해액반응부의 극과 같은 극의 전해액을 유입 및 유출시키기 위한 전해액주입구 및 전해액배출구,
    상기 전해액주입구로부터 주입된 전해액이 전해액반응부를 거쳐 전해액배출구로 이송되는 유로, 및
    상기 전해액반응부의 극과 반대 극의 전해액을 이송하기 위한 전해액 통공을 포함하여 이루어지며,
    상기 유로에는 유로 눌림 방지를 위한 유로덮개가 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 매니폴드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유로덮개는 상판, 및 상기 상판의 좌우측 단부에서 하측을 향하여 형성된 외측벽을 포함하여 이루어지며,
    상기 유로덮개는 상기 외측벽이 유로 내부의 좌우측 벽면에 밀착되도록 끼워지는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 매니폴드.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유로덮개의 상판 하면 내측에는 유로 내부의 바닥면에 닿도록 형성된 적어도 하나의 지지부가 구비된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 매니폴드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 유로덮개는 유로의 전면을 덮을 수 있는 단일의 상판으로 된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 매니폴드.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 상판은 상기 전해액반응부에 전극의 삽입이 가능하도록 형성된 관통홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 매니폴드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 관통홀은 전해액반응부와 동일한 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 매니폴드.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 상판은 전해액통공을 통해 전해액이 통과하도록 형성된 제1통공; 및 매니폴드 적층 시 나사가 통과하도록 형성된 제2통공을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 매니폴드.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로의 바닥면에는 상기 상판의 하면에 닿도록 형성된 적어도 하나의 지지돌기가 구비된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 매니폴드.
  9. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로덮개는 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 바이톤, NC나일론, 및 염화비닐(PVC) 중 어느 하나의 소재로 제조된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지용 매니폴드.
  10. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 따른 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지.
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