KR101511229B1 - Redox flow battery - Google Patents

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KR101511229B1 KR20130146481A KR20130146481A KR101511229B1 KR 101511229 B1 KR101511229 B1 KR 101511229B1 KR 20130146481 A KR20130146481 A KR 20130146481A KR 20130146481 A KR20130146481 A KR 20130146481A KR 101511229 B1 KR101511229 B1 KR 101511229B1
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electrolyte
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장현석
김대식
곽은식
정현진
최원석
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롯데케미칼 주식회사
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Abstract

One aspect of the present invention provides a redox flow battery which optimizes a ratio of an electrolyte tank and increases efficiency. According to an embodiment of the present invention, the redox flow battery comprise a stack which generates current, and the electrolyte tank which supplies an electrolyte to the stack and stores the electrolyte spilled from the stack. The electrolyte tank comprises: an anode electrolyte tank accommodating an anode electrolyte supplied between a membrane of the stack and an anode electrode; a cathode electrolyte tank accommodating a cathode electrolyte supplied between the membrane of the stack and a cathode electrode, and connected to the anode electrolyte tank by a first overflow pipe; and a two phase electrolyte tank accommodating two phases of the cathode electrolyte spilled between the membrane and the cathode electrode, and connected to the cathode electrolyte tank by a second overflow pipe, wherein the anode electrolyte tank, the cathode electrolyte tank, and two phase electrolyte tank have a volumetric ratio of 30~40: 30~40: 20~40%.

Description

레독스 흐름 전지 {REDOX FLOW BATTERY}Redox Flow Battery {REDOX FLOW BATTERY}

본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.The present invention relates to redox flow cells.

알려진 바에 따르면, 레독스 흐름 전지는 바이폴라 전극판(bipolar electrode)과 멤브레인(membrane)을 반복적으로 적층하고, 적층된 최외곽의 양측에 집전판과 앤드 캡을 차례로 적층하여 형성되는 스택, 및 스택에 전해액을 공급하고 스택에서 내부 반응 후, 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크를 포함한다.It has been known that a redox flow cell comprises a stack formed by repeatedly laminating a bipolar electrode and a membrane, stacking a collecting plate and an end cap on both sides of the outermost stacked layer, And an electrolytic solution tank for supplying the electrolytic solution and storing the electrolytic solution flowing out after the internal reaction in the stack.

예를 들면, 레독스 흐름 전지에서, 전해액 탱크는 아연을 포함하는 애노드 전해액(anolyte)을 수용하는 애노드 전해액 탱크, 브로민을 포함하는 캐소드 전해액(catholyte)을 수용하는 캐소드 전해액 탱크, 및 캐소드 전해액의 2상(phase)을 수용하는 2상 전해액 탱크를 포함한다.For example, in a redox flow cell, the electrolyte tank contains an anode electrolyte tank containing an anode containing zinc, a cathode electrolyte tank containing a cathode electrolyte containing bromine, and a cathode electrolyte tank containing a cathode electrolyte And a two-phase electrolyte tank that accommodates two phases.

애노드 전해액 탱크와 캐소드 전해액 탱크는 제1오버 플로우 관으로 연결되어 부족한 전해액을 서로 공급하며, 캐소드 전해액 탱크와 2상 전해액 탱크는 제2오버 플로우 관으로 연결되어 캐소드 전해액의 2상을 수용한다.The anode electrolyte tank and the cathode electrolyte tank are connected by a first overflow pipe to supply the deficient electrolyte solution to each other. The cathode electrolyte tank and the two-phase electrolyte tank are connected by a second overflow pipe to receive two phases of the cathode electrolyte.

2상 전해액 탱크는 스택으로부터 유출되는 캐소드 전해액을 비중 차에 따라 분리하여, 상부에 수성 브로민(aqueous Br)과 하부에 중혼합 브로민(heavy complexing Br)을 수용한다. The two-phase electrolyte tank separates the cathode electrolyte discharged from the stack according to the specific gravity difference, and houses aqueous bromine (aqueous Br) and heavy complexing Br at the bottom.

충전시 2상 전해액 탱크에는 중혼합 브로민의 양이 증가하고, 방전시 중혼합(heavy complexing) 브로민의 양이 감소된다. 수성 브로민은 제2오버 플로우 관을 통하여 캐소드 전해액 탱크로 공급된다.At the time of charging, the amount of middle-born bromine increases in the two-phase electrolyte tank, and the amount of heavy complexing bromine decreases at discharge. The aqueous bromine is supplied to the cathode electrolyte tank through the second overflow tube.

2상 전해액 탱크의 용량이 작으면, 수성 브로민과 함께 중혼합 브로민이 오버 플로우되어 캐소드 전해액 탱크로 유입되어 레독스 흐름 전지의 효율이 저하될 수 있다. If the capacity of the two-phase electrolytic solution tank is small, the middle-bodied bromine overflows together with aqueous bromine and flows into the cathode electrolyte tank, thereby reducing the efficiency of the redox-flow battery.

반대로 2상 전해액 탱크의 용량이 너무 크면, 2상 전해액 탱크에서 캐소드 전해액 탱크로 캐소드 전해액을 유입하는 제2오버 플로우 관의 위치 설계가 어려워지고, 중혼합 브로민이 분리된 수성 브로민의 순환을 위하여 많은 양의 캐소드 전해액이 요구된다.On the contrary, if the capacity of the two-phase electrolyte tank is too large, it becomes difficult to design the position of the second overflow pipe for introducing the cathode electrolytic solution from the two-phase electrolyte tank into the cathode electrolytic solution tank. A positive cathode electrolyte is required.

본 발명의 일 측면은 전해액 탱크의 비율을 최적화 하여, 효율을 높이는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is to provide a redox flow cell that optimizes the ratio of the electrolyte tank to improve efficiency.

본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지는, 전류를 생성하는 스택, 및 상기 스택에 전해액을 공급하고 상기 스택에서 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크를 포함하며, 상기 전해액 탱크는 상기 스택의 멤브레인과 애노드 전극 사이에 공급하는 애노드 전해액을 수용하는 애노드 전해액 탱크, 상기 스택의 상기 멤브레인과 캐소드 전극 사이에 공급하는 캐소드 전해액을 수용하며 상기 애노드 전해액 탱크에 제1오버 플로우 관으로 연결되는 캐소드 전해액 탱크, 및 상기 멤브레인과 상기 캐소드 전극 사이에서 유출되는 상기 캐소드 전해액의 2상(phase)을 수용하며 상기 캐소드 전해액 탱크에 제2오버 플로우 관으로 연결되는 2상 전해액 탱크를 포함하고, 상기 애노드 전해액 탱크와 상기 캐소드 전해액 탱크 및 상기 2상 전해액 탱크는 30~40: 30~40: 20~40%의 용적 비율을 가진다.The redox flow cell according to an embodiment of the present invention includes a stack for generating a current and an electrolyte tank for supplying an electrolyte to the stack and storing an electrolyte discharged from the stack, An anode electrolyte tank for storing an anode electrolyte supplied between the membrane and the anode electrode, a cathode electrolyte tank for supplying the cathode electrolyte between the membrane and the cathode electrode of the stack, and a cathode electrolyte tank connected to the anode electrolyte tank via a first overflow pipe, And a two-phase electrolyte tank which receives two phases of the cathode electrolyte discharged between the membrane and the cathode electrode and is connected to the cathode electrolyte tank by a second overflow tube, wherein the anode electrolyte tank Wherein the cathode electrolyte tank and the two-phase electrolyte tank are in the range of 30 to 40:30 to 40 : Has a volume ratio of 20 to 40%.

상기 애노드 전해액 탱크와 상기 캐소드 전해액 탱크 및 상기 2상 전해액 탱크는 3.5: 3.5: 3의 용적 비율을 가질 수 있다.The anode electrolyte tank, the cathode electrolyte tank, and the two-phase electrolyte tank may have a volume ratio of 3.5: 3.5: 3.

상기 애노드 전해액 탱크와 상기 캐소드 전해액 탱크 및 상기 2상 전해액 탱크의 각 용적은 제1방향으로 설정되는 폭(Wa, Wc, W2), 상기 제1방향에 직교하는 제2방향으로 설정되는 동일 너비(D), 및 상기 제2방향에 직교하는 제3방향으로 설정되는 동일 높이(H)로 설정되며, 상기 폭(Wa, Wc, W2)은 30~40: 30~40: 20~40%의 비율을 가질 수 있다.Wherein each of the anode electrolyte tank, the cathode electrolyte tank, and the two-phase electrolyte tank has a width (Wa, Wc, W2) set in a first direction, an equal width set in a second direction orthogonal to the first direction W and W2 are set to a same height H which is set in a third direction orthogonal to the first direction and a third direction orthogonal to the second direction and the widths Wa and Wc are set to 30 to 40:30 to 40:20 to 40% Lt; / RTI >

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 애노드 전해액 탱크와 캐소드 전해액 탱크 및 2상 전해액 탱크의 용적 비율을 30~40: 30~40: 20~40%로 설정하므로 전해액 탱크의 비율을 최적화 하는 효과가 있다.As described above, according to one embodiment of the present invention, the volume ratio of the anode electrolyte tank, the cathode electrolyte tank, and the two-phase electrolyte tank is set at 30 to 40:30 to 40:20 to 40%, thereby optimizing the ratio of the electrolyte tank .

즉 전해액 탱크들의 비율을 최적화 하므로 2상 전해액 탱크에서 수성 브로민 만이 캐소드 전해액 탱크로 유입되고, 중혼합 브로민이 캐소드 전해액 탱크로 유입되지 않게 되므로 레독스 흐름 전지는 높은 효율을 구현할 수 있다.That is, since the ratio of the electrolyte tanks is optimized, only the aqueous bromine flows into the cathode electrolyte tank in the two-phase electrolyte tank, and the middle-bodied bromine does not flow into the cathode electrolyte tank, so that the redox flow battery can achieve high efficiency.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 스택의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다.
도 5는 도 1에 적용되는 전해액 탱크의 사시도이다.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 선에 따른 단면도이다.
도 7은 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 에너지 효율을 비교한 그래프이다.
도 8은 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 전압 효율을 비교한 그래프이다.
도 9는 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 쿨롱 효율을 비교한 그래프이다.
도 10은 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 용량을 비교한 그래프이다.1 is a configuration diagram of a redox flow cell according to an embodiment of the present invention.
2 is an exploded perspective view of the stack as applied to Fig.
3 is a sectional view taken along the line III-III in Fig.
4 is a sectional view taken along the line IV-IV in Fig.
5 is a perspective view of the electrolyte tank applied to Fig.
6 is a cross-sectional view taken along a line VI-VI in Fig.
7 is a graph comparing the energy efficiency of the prior art and one embodiment of the present invention.
8 is a graph comparing the voltage efficiency of the prior art and one embodiment of the present invention.
9 is a graph comparing the Coulomb efficiency of the prior art and the embodiment of the present invention.
10 is a graph comparing capacities of the prior art and one embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예의 레독스 흐름 전지는 전해액의 순환으로 전류를 발생시키는 스택(100), 및 스택(100)에 전해액을 공급하고 스택(100)에서 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크(예를 들면, 애노드 전해액 탱크(200), 캐소드 전해액 탱크(300), 및 2상 전해액 탱크(400))를 포함한다.1 is a configuration diagram of a redox flow cell according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a redox flow cell according to an embodiment includes a stack 100 for generating an electric current by circulation of an electrolyte, and an electrolyte tank 100 for supplying an electrolyte solution to the stack 100 and storing an electrolyte solution flowing out of the stack 100. (For example, an anode electrolyte tank 200, a cathode electrolyte tank 300, and a two-phase electrolyte tank 400).

도 2는 도 1에 적용되는 스택의 분해 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 애노드 전해액 탱크(200)는 스택(100)의 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 공급하고, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이를 경유하여 유출되는 애노드 전해액을 수용한다.2 is an exploded perspective view of the stack as applied to Fig. 1 and 2, an anode electrolyte tank 200 is provided between the membrane 10 and the anode electrode 32 of the stack 100, and is connected between the membrane 10 and the anode electrode 32 And accommodates the outgoing anode electrolyte.

캐소드 전해액 탱크(300)는 스택(100)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 공급하는 캐소드 전해액을 수용하며, 애노드 전해액 탱크(200)에 제1오버 플로우 관(201)으로 연결된다.The cathode electrolyte tank 300 receives the cathode electrolyte supplied between the membrane 10 and the cathode electrode 31 of the stack 100 and is connected to the anode electrolyte tank 200 through the first overflow pipe 201 .

2상 전해액 탱크(400)는 스택(100)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이를 경유하여 유출되는 캐소드 전해액(수성 브로민과 중혼합 브로민의 2상(phase)을 포함하는 전해액)을 수용하며, 캐소드 전해액 탱크(300)에 제2오버 플로우 관(202)으로 연결된다.The two-phase electrolytic solution tank 400 includes a cathode electrolytic solution (electrolytic solution containing aqueous bromine and two-phase moulombin phase) flowing out between the membrane 10 and the cathode electrode 31 of the stack 100, And is connected to the cathode electrolyte tank 300 through a second overflow pipe 202.

2상 전해액 탱크(400)는 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서 유출되는 캐소드 전해액을 비중에 따라 2상으로 분리하여, 하측에 중혼합 브로민을 수용하고, 상측에 수성 브로민을 수용한다. 수성 브로민은 제2오버 플로우 관(202)을 통하여 캐소드 전해액 탱크(300)로 공급된다.The two-phase electrolyte tank 400 separates the cathode electrolyte discharged between the membrane 10 and the cathode electrode 31 into two phases according to the specific gravity, accommodates the middle-dowyl bromine on the lower side, and aqueous bromine on the upper side. Accept. Aqueous bromine is supplied to the cathode electrolyte tank 300 through the second overflow pipe 202.

이를 위하여, 전해액 유입 라인(L21, L31)은 제1, 제2펌프(P1, P2)를 개재하여, 스택(100)의 전해액 유입구(H21, H31)를 애노드 전해액 탱크(200)와 캐소드 전해액 탱크(300)에 각각 연결한다. 전해액 유출 라인(L22, L32)은 스택(100)의 전해액 유출구(H22, H32)에 애노드 전해액 탱크(200)와 2상 전해액 탱크(400)를 각각 연결한다.The electrolytic solution inflow lines H21 and H31 of the stack 100 are connected to the anode electrolytic solution tank 200 and the cathode electrolytic solution tank 200 via the first and second pumps P1 and P2, Respectively. The electrolyte outflow lines L22 and L32 connect the anode electrolyte tank 200 and the two-phase electrolyte tank 400 to the electrolyte outlets H22 and H32 of the stack 100, respectively.

애노드 전해액 탱크(200)는 아연을 포함하는 애노드 전해액(anolyte)을 내장하며, 제1펌프(P1)의 구동으로 스택(100)의 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 애노드 전해액을 순환시킨다.The anode electrolyte tank 200 contains an anode containing zinc and is driven by the first pump P1 to circulate the anode electrolyte between the membrane 10 and the anode electrode 32 of the stack 100. [ .

캐소드 전해액 탱크(300)는 브로민을 포함하는 캐소드 전해액(catholyte)을 내장하며, 제2펌프(P2)의 구동으로 스택(100)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 캐소드 전해액을 순환시킨다.The cathode electrolytic solution tank 300 contains a cathode electrolyte containing bromine and a cathode electrolytic solution is injected between the membrane 10 and the cathode electrode 31 of the stack 100 by driving the second pump P2 Circulate.

2상 전해액 탱크(400)는 스택(100)의 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서 유출되는 캐소드 전해액을 공급 받아서 비중에 따라 하측에 중혼합 브로민을 수용하고, 상측에 수성 브로민을 수용한다.The two-phase electrolyte tank 400 receives the cathode electrolyte discharged from the membrane 10 of the stack 100 and the cathode electrode 31 to receive the middle-bodied sodium bromide in the lower side according to the specific gravity, Lt; / RTI >

또한, 스택(100)은 버스바(B1, B2)를 통하여 외부의 부하에 연결되어 스택(100)의 내부에서 생성된 전류를 방전하거나, 외부의 전원에 연결되어 애노드 전해액 탱크(200)와 2상 전해액 탱크(400)에 전류를 충전할 수 있다.The stack 100 may be connected to an external load via bus bars B1 and B2 to discharge the current generated in the stack 100 or may be connected to an external power source to supply power to the anode electrolyte tanks 200 and 2 The upper electrolyte tank 400 can be charged with an electric current.

예를 들면, 스택(100)은 단위 셀들(C1, C2)을 복수로 적층하여 형성될 수 있다. 편의상, 본 실시예는 2개의 단위 셀들(C1, C2)을 적층하여 형성된 스택(100)을 예시한다.For example, the stack 100 may be formed by stacking a plurality of unit cells (C1, C2). For convenience, this embodiment illustrates a stack 100 formed by stacking two unit cells (C1, C2).

좌측 단위 셀(C1)에 전해액 유입구(H21, H31)가 구비되고, 전해액 유입구(H21, H31)는 제1, 제2 펌프(P1, P2)를 개재하여 전해액 유입 라인(L21, L31)으로 애노드 전해액 탱크(200)와 캐소드 전해액 탱크(300)에 각각 연결된다.The left unit cell C1 is provided with electrolyte inlets H21 and H31 and the electrolyte inlets H21 and H31 are connected to the electrolyte inflow lines L21 and L31 via the first and second pumps P1 and P2, And is connected to the electrolyte tank 200 and the cathode electrolyte tank 300, respectively.

또한, 우측 단위 셀(C2)에 전해액 유출구(H22, H32)가 구비되고, 전해액 유출구(H22, H32)는 전해액 유출 라인(L22, L32)으로 애노드 전해액 탱크(200)와 2상 전해액 탱크(400)에 각각 연결된다.The electrolytic solution outflow ports H22 and H32 are provided in the right unit cell C2 and the electrolyte solution outlets H22 and H32 are connected to the anode electrolyte tank 200 and the two- Respectively.

전해액 유입구(H21, H31)는 애노드 전해액 탱크(200)와 캐소드 전해액 탱크(300)의 전해액을 좌측 단위 셀(C1)로 각각 유입한다. 전해액 유출구(H22, H32)는 스택(100)을 경유하여, 우측 단위 셀(C2)로부터 유출되는 전해액을 애노드 전해액 탱크(200)와 2상 전해액 탱크(400)로 각각 유출한다.The electrolytic solution inlets H21 and H31 flow the electrolytic solution of the anode electrolytic solution tank 200 and the cathode electrolytic solution tank 300 into the left unit cell C1. The electrolyte outlets H22 and H32 flow out the electrolytic solution flowing out from the right unit cell C2 to the anode electrolyte tank 200 and the two-phase electrolyte tank 400 via the stack 100, respectively.

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이고, 도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 스택(100)은 멤브레인(10), 스페이서(20), 전극판(30), 흐름 프레임(예를 들면, 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50)), 제1, 제2집전판(61, 62)(도 4 및 도 5 참조) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)을 포함한다.3 is a cross-sectional view taken along line III-III in Fig. 2, and Fig. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in Fig. 2 through 4, the stack 100 includes a membrane 10, a spacer 20, an electrode plate 30, a flow frame (e.g., a membrane flow frame 40, an electrode flow frame 50, First and second collector plates 61 and 62 (see FIGS. 4 and 5), and first and second end caps 71 and 72. The first and second collector plates 61 and 62 (see FIGS.

일례로써, 스택(100)은 2개의 단위 셀(C1, C2)을 구비하므로 1개의 전극 흐름 프레임(50)을 중앙에 구비하고, 전극 흐름 프레임(50)의 양측에 좌우 대칭 구조로 배치되는 2개의 멤브레인 흐름 프레임(40), 및 멤브레인 흐름 프레임(40)의 외곽에 각각 배치되는 2개의 제1, 제2앤드 캡(71, 72)을 포함한다.For example, the stack 100 includes two unit cells (C1, C2), so that one electrode flow frame (50) is disposed at the center, and the electrode flow frame (50) Two membrane flow frames 40, and two first and second end caps 71 and 72, respectively, disposed on the outside of the membrane flow frame 40.

멤브레인(10)은 이온을 통과시키도록 구성되고, 멤브레인 흐름 프레임(40)에 이의 두께 방향 중심에 결합된다. 전극판(30)은 전극 흐름 프레임(50)에 이의 두께 방향 중심에 결합된다.The membrane 10 is configured to pass ions and is coupled to the membrane flow frame 40 at its center in the thickness direction. The electrode plate 30 is joined to the electrode flow frame 50 at the center in the thickness direction thereof.

제1앤드 캡(71), 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50), 멤브레인 흐름 프레임(40) 및 제2앤드 캡(72)을 배치하고, 멤브레인(10)과 전극판(30) 사이에 각각 스페이서(20)를 개재하여 멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)을 서로 접합함으로써, 2개의 단위 셀(C1, C2)을 구비한 스택(100)이 형성된다.The first end cap 71, the membrane flow frame 40, the electrode flow frame 50, the membrane flow frame 40 and the second end cap 72 are disposed and the membrane 10 and the electrode plate 30 Two unit cells C1 and C2 are formed by joining the membrane flow frame 40, the electrode flow frame 50 and the first and second end caps 71 and 72 to each other with the spacers 20 interposed therebetween. The stack 100 is formed.

전극판(30)은 2개의 단위 셀(C1, C2)이 연결되는 부분에서는 일측으로 애노드 전극(32)을 형성하고 다른 측으로 캐소드 전극(31)을 형성하여, 2개의 단위 셀(C1, C2)을 직렬로 연결하는 바이폴라 전극을 형성한다. 캐소드 전극(31)에는 카본 코팅층이 형성될 수 있다.The electrode plate 30 has an anode electrode 32 formed on one side and a cathode electrode 31 on the other side in a portion where the two unit cells C1 and C2 are connected to form two unit cells C1 and C2. To form a bipolar electrode connecting in series. A carbon coating layer may be formed on the cathode electrode 31.

멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)은 서로 접착되어 멤브레인(10)과 전극판(30) 사이에 내부 용적(IV)을 설정하며, 내부 용적(IV)에 전해액을 공급하는 제1, 제2유로 채널(CH1(도 3 참조), CH2(도 4 참조))을 구비한다. 제1, 제2유로 채널(CH1, CH2)은 멤브레인(10)의 양면에서 각각 균일한 압력과 양으로 전해액을 공급하도록 구성된다.The membrane flow frame 40, the electrode flow frame 50 and the first and second end caps 71 and 72 are bonded together to establish an internal volume IV between the membrane 10 and the electrode plate 30 And a first and a second flow channel CH1 (see FIG. 3) and CH2 (see FIG. 4) for supplying an electrolyte to the internal volume IV. The first and second flow channel channels (CH1, CH2) are configured to supply the electrolyte at a uniform pressure and amount, respectively, on both sides of the membrane (10).

멤브레인 흐름 프레임(40), 전극 흐름 프레임(50) 및 제1, 제2앤드 캡(71, 72)은 합성수지 성분을 포함하는 전기 절연재로 형성되어, 열융착 또는 진동 융착으로 접착될 수 있다.The membrane flow frame 40, the electrode flow frame 50 and the first and second end caps 71 and 72 are formed of an electrically insulating material containing a synthetic resin component and can be bonded by thermal welding or vibration welding.

제1유로 채널(CH1)은 전해액 유입구(H21), 내부 용적(IV) 및 전해액 유출구(H22)를 연결하여, 제1펌프(P1)의 구동에 의하여, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에 설정되는 내부 용적(IV)으로 애노드 전해액을 유입하여 반응 후, 유출 가능하게 한다(도 3 참조).The first flow channel CH1 connects the electrolyte inlet H21, the internal volume IV and the electrolyte outlet H22 to the membrane 10 and the anode electrode 32 by driving the first pump P1. The anode electrolytic solution is introduced into the internal volume IV set between the anode and the cathode.

제2유로 채널(CH2)은 전해액 유입구(H31), 내부 용적(IV) 및 전해액 유출구(H32)를 연결하여, 제2펌프(P2)의 구동에 의하여, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에 설정되는 내부 용적(IV)으로 캐소드 전해액을 유입하여 반응 후, 유출 가능하게 한다(도 4 참조).The second flow channel CH2 connects the electrolyte solution inlet H31, the internal volume IV and the electrolyte solution outlet H32 to the membrane 10 and the cathode electrode 31 by driving the second pump P2. The cathode electrolytic solution is introduced into the internal volume IV set between the anode and the cathode so as to be allowed to flow out after the reaction (see FIG. 4).

애노드 전해액은 내부 용적(IV)의 애노드 전극(32) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 애노드 전해액 탱크(200)에 저장된다. 캐소드 전해액은 내부 용적(IV)의 캐소드 전극(31) 측에서 산화환원 반응하여 전류를 생성하여 2상 전해액 탱크(400)에 저장된다.The anode electrolyte undergoes a redox reaction on the side of the anode electrode 32 of the internal volume IV to generate a current and is stored in the anode electrolyte tank 200. The cathode electrolytic solution is subjected to a redox reaction on the cathode electrode 31 side of the internal volume IV to generate a current and is stored in the two-phase electrolyte tank 400.

충전시, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서,During charging, between the membrane 10 and the cathode electrode 31,

2Br- → 2Br＋2e- (식 1)2Br - > 2Br + 2e - (1)

와 같은 화학 반응이 일어나서, 캐소드 전해액에 포함된 브로민이 생산되어 2상 전해액 탱크(400)에 저장된다. 이때, 브로민은 캐소드 전해액과 같이 스택(100)으로부터 즉시 제거되는 고밀도 제2상을 형성하도록 캐소드 전해액 안에서 사암모늄 이온에 의하여 즉시 혼합된다. 2상 전해액 탱크(400)에서 분리된 수성 브로민은 제2오버 플로우 관(202)을 통하여, 캐소드 전해액 탱크(300)로 오버 플로우 된다.And the bromine contained in the cathode electrolyte is produced and stored in the two-phase electrolyte tank 400. At this time, the bromine is immediately mixed with the quaternary ammonium ions in the cathode electrolytic solution to form a high-density second phase that is immediately removed from the stack 100, such as the cathode electrolyte. The aqueous bromine separated from the two-phase electrolyte tank 400 is overflowed to the cathode electrolyte tank 300 through the second overflow pipe 202.

충전시, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에서,During charging, between the membrane 10 and the anode electrode 32,

Zn2＋＋2e- → Zn (식 2)Zn 2+ + 2e - ? Zn (Equation 2)

와 같은 화학 반응이 일어나서, 애노드 전해액에 포함된 아연이 애노드 전극(32)에 증착되어 저장된다. 이때, 애노드 전해액 탱크(200)와 캐소드 전해액 탱크(300) 사이에서 애노드 전해액 또는 캐소드 전해액은 제1오버 플로우 관(201)을 통하여, 상호 오버 플로우 될 수 있다.The zinc contained in the anode electrolyte is deposited on the anode electrode 32 and stored. At this time, the anode electrolytic solution or the cathode electrolytic solution between the anode electrolyte tank 200 and the cathode electrolytic solution tank 300 can be overflowed through the first overflow pipe 201.

방전시, 멤브레인(10)과 캐소드 전극(31) 사이에서, 식 1의 역 반응이 일어나고, 멤브레인(10)과 애노드 전극(32) 사이에서 식 2의 역 반응이 일어난다.During the discharge, a reverse reaction of Equation 1 occurs between the membrane 10 and the cathode electrode 31, and an adverse reaction of Equation 2 occurs between the membrane 10 and the anode electrode 32.

제1, 제2집전판(61, 62)은 캐소드 전극(31)과 애노드 전극(32)에서 생성된 전류를 모으거나, 외부에서 캐소드 전극(31)과 애노드 전극(32)에 전류를 공급하도록 최외곽 전극판(30, 30)에 접착되어 전기적으로 연결된다.The first and second current collectors 61 and 62 collect current generated in the cathode electrode 31 and the anode electrode 32 or supply the current to the cathode electrode 31 and the anode electrode 32 from the outside And are electrically connected to the outermost electrode plates 30 and 30.

버스바(B1, B2)는 제1, 제2집전판(61, 62)에 전기적으로 각각 연결되어 스택(100)의 외부로 전류를 인출하거나 외부의 전류를 스택(100)으로 공급할 수 있게 한다.The bus bars B1 and B2 are electrically connected to the first and second current collectors 61 and 62 to allow the current to flow out of the stack 100 or to supply an external current to the stack 100 .

이를 위하여, 제1앤드 캡(71)은 버스바(B1)가 연결된 제1집전판(61)과, 제1집전판(61)에 연결되는 전극판(30)을 수용하여 일체로 형성되어, 스택(100)의 일측 외곽을 형성한다. 제1앤드 캡(71)은 버스바(B1) 제1집전판(61) 및 전극판(30)을 삽입하여 인서트 사출로 성형될 수 있다.The first end cap 71 is integrally formed with a first current collecting plate 61 connected to the bus bar B1 and an electrode plate 30 connected to the first current collecting plate 61, Thereby forming one side of the stack 100. The first end cap 71 may be formed by inserting the first current collecting plate 61 and the electrode plate 30 of the bus bar B1.

제2앤드 캡(72)은 버스바(B2)가 연결된 제2집전판(62)과, 제2집전판(62)에 연결되는 전극판(30)을 수용하여 일체로 형성되어 스택(100)의 다른 일측 외곽을 형성한다. 제2앤드 캡(72)은 버스바(B2) 제2집전판(62) 및 전극판(30)을 삽입하여 인서트 사출로 성형될 수 있다.The second end cap 72 includes a second current collecting plate 62 connected to the bus bar B2 and an electrode plate 30 connected to the second current collecting plate 62. The second end cap 72 is integrally formed with the stack 100, Thereby forming the other outer edge of the other side. The second end cap 72 may be formed by insert injection by inserting the second current collecting plate 62 and the electrode plate 30 of the bus bar B2.

제1앤드 캡(71)은 일측에 전해액 유입구(H21, H31)를 구비하여 제1, 제2유로 채널(CH1, CH2)에 연결되어, 캐소드 전해액과 애도드 전해액을 각각 유입한다. 제2앤드 캡(72)은 일측에 전해액 유출구(H22, H32)를 구비하여 제1, 제2유로 채널(CH1, CH2)에 연결되어 캐소드 전해액과 애도드 전해액을 각각 유출한다.The first end cap 71 has electrolytic solution inlets H21 and H31 on one side thereof and is connected to the first and second flow channel channels CH1 and CH2 so as to introduce the cathode electrolytic solution and the eardic electrolytic solution respectively. The second end cap 72 has electrolytic solution outlets H22 and H32 on one side thereof and is connected to the first and second flow channel channels CH1 and CH2 to discharge the cathode electrolytic solution and the eardoid electrolytic solution.

도 5는 도 1에 적용되는 전해액 탱크의 사시도이고, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 선에 따른 단면도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 애노드 전해액 탱크(200), 캐소드 전해액 탱크(300) 및 2상 전해액 탱크(400)는 30~40: 30~40: 20~40%의 용적 비율을 가진다.FIG. 5 is a perspective view of the electrolyte tank applied to FIG. 1, and FIG. 6 is a sectional view taken along the line VI-VI of FIG. 5 and 6, the anode electrolyte tank 200, the cathode electrolyte tank 300, and the two-phase electrolyte tank 400 have a volume ratio of 30 to 40:30 to 40:20 to 40%.

2상 전해액 탱크(400)의 용량이 20% 미만이면, 중혼합 브로민이 제2오버 플로우 관(202)을 통하여 캐소드 전해액 탱크(300)로 오버 플로우 되어 레독스 흐름 전지의 효율이 저하된다.If the capacity of the two-phase electrolyte tank 400 is less than 20%, the intermediate-median bromine overflows to the cathode electrolyte tank 300 through the second overflow pipe 202, thereby reducing the efficiency of the redox-flow battery.

2상 전해액 탱크의 용량이 40% 초과이면, 2상 전해액 탱크(400)에서 캐소드 전해액 탱크(300)로 캐소드 전해액을 유입하는 제2오버 플로우 관(202)의 위치 설계가 어려워지고, 중혼합 브로민이 분리된 수성 브로민의 순환을 위하여 많은 양의 캐소드 전해액이 요구된다.When the capacity of the two-phase electrolyte tank is more than 40%, it becomes difficult to design the position of the second overflow pipe 202 for flowing the cathode electrolyte from the two-phase electrolyte tank 400 into the cathode electrolyte tank 300, A large amount of cathode electrolyte is required for the circulation of aqueous bromine which is separated.

또한, 애노드 전해액 탱크(200), 캐소드 전해액 탱크(300) 및 2상 전해액 탱크(400)는 3.5: 3.5: 3의 용적 비율을 가질 수 있다.Also, the anode electrolyte tank 200, the cathode electrolyte tank 300, and the two-phase electrolyte tank 400 may have a volume ratio of 3.5: 3.5: 3.

예를 들면, 애노드 전해액 탱크(200), 캐소드 전해액 탱크(300) 및 2상 전해액 탱크(400)의 각 용적은 제1방향(x축 방향)으로 설정되는 폭(Wa, Wc, W2), 제1방향에 직교하는 제2방향(y축 방향)으로 설정되는 동일 너비(D), 및 제2방향에 직교하는 제3방향(z축 방향)으로 설정되는 동일 높이(H)로 설정된다.For example, the respective volumes of the anode electrolyte tank 200, the cathode electrolyte tank 300, and the two-phase electrolyte tank 400 have widths Wa, Wc and W2 set in the first direction (x axis direction) Is set to the same width (D) set in a second direction (y-axis direction) orthogonal to one direction and a same height (H) set in a third direction (z-axis direction) perpendicular to the second direction.

이때, 애노드 전해액 탱크(200), 캐소드 전해액 탱크(300) 및 2상 전해액 탱크(400)의 폭(Wa, Wc, W2)은 30~40: 30~40: 20~40%의 비율을 가질 수 있다.At this time, the widths Wa, Wc and W2 of the anode electrolyte tank 200, the cathode electrolyte tank 300 and the two-phase electrolyte tank 400 may have a ratio of 30 to 40:30 to 40:20 to 40% have.

애노드 전해액 탱크(200), 캐소드 전해액 탱크(300) 및 2상 전해액 탱크(400)의 비율에 따른 스택(100)의 성능을 평가하기 위하여, 20A, 4.5hour의 충전 및 20A, 60V 컷오프(cut off) 방전 조건으로 종래기술에 따른 전해액 탱크 비율(5: 3: 2)과 일 실시예의 전해액 탱크 비율(3.5: 3.5: 3)로 충전 및 방전 테스트를 실시하였다. 전해액 탱크 비율 이외의 온도, 전해액 종류, 스택 및 스트립핑(stripping) 조건은 동일하다.In order to evaluate the performance of the stack 100 according to the ratio of the anode electrolyte tank 200, the cathode electrolyte tank 300 and the two-phase electrolyte tank 400, 20A, 4.5 hours of charging and 20A, 60V cut off (3.5: 3.5: 3) of the electrolytic solution tank ratio (5: 3: 2) according to the prior art and the electrolytic solution tank ratio of one embodiment. Temperature, electrolyte type, stacking and stripping conditions other than the electrolyte tank ratio are the same.

도 7은 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 에너지 효율을 비교한 그래프이다. 도 7을 참조하면, 종래기술의 전해액 탱크 비율(5: 3: 2)에 비하여, 일 실시예의 전해액 탱크 비율(3.5: 3.5: 3)은 7~8% 높은 에너지 효율을 가진다.7 is a graph comparing the energy efficiency of the prior art and one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, the electrolyte tank ratio (3.5: 3.5: 3) of one embodiment is 7 to 8% higher than the prior art electrolyte tank ratio (5: 3: 2).

도 8은 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 전압 효율을 비교한 그래프이며, 도 9는 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 쿨롱 효율을 비교한 그래프이고, 도 10은 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 용량을 비교한 그래프이다.FIG. 8 is a graph comparing the voltage efficiency of the prior art and one embodiment of the present invention. FIG. 9 is a graph comparing the Coulomb efficiency of the prior art and the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a graph comparing the capacities of the examples. FIG.

도 8 내지 도 10을 보면, 종래기술의 전해액 탱크 비율(5: 3: 2)에 비하여, 일 실시예의 전해액 탱크 비율(3.5: 3.5: 3)은 전압 효율, 쿨롱 효율 및 용량에서 전반적으로 더 높게 나타난다.8 to 10, the electrolyte tank ratio (3.5: 3.5: 3) of one embodiment is higher than that of the prior art electrolyte tank ratio (5: 3: 2) Voltage efficiency, Coulomb efficiency and capacity.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

10: 멤브레인 20: 스페이서
30: 전극판 31: 캐소드 전극
32: 애노드 전극 40: 멤브레인 흐름 프레임
50: 전극 흐름 프레임 61, 62: 제1, 제2집전판
71, 72: 제1, 제2앤드 캡 100: 스택
200: 애노드 전해액 탱크 201, 202: 제1, 제2오버 플로우 관
300: 캐소드 전해액 탱크 400: 2상 전해액 탱크
B1, B2: 버스바 C1, C2: 단위 셀
CH1, CH1: 제1, 제2유로 채널 H21, H31: 전해액 유입구
H22, H32: 전해액 유출구 IV: 내부 용적
L21, L31: 전해액 유입 라인 L22, L32: 전해액 유출 라인
P1, P2: 제1, 제2펌프10: membrane 20: spacer
30: electrode plate 31: cathode electrode
32: anode electrode 40: membrane flow frame
50: electrode flow frame 61, 62: first and second collectors
71, 72: first and second end caps 100: stack
200: anode electrolyte tank 201, 202: first and second overflow pipes
300: cathode electrolyte tank 400: two-phase electrolyte tank
B1, B2: bus bar C1, C2: unit cell
CH1, CH1: first and second flow channels H21, H31: electrolyte inlet
H22, H32: electrolyte outlet IV: internal volume
L21, L31: electrolyte inflow line L22, L32: electrolyte efflux line
P1, P2: first and second pumps

Claims (3)

전류를 생성하는 스택; 및
상기 스택에 전해액을 공급하고 상기 스택에서 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크를 포함하며,
상기 전해액 탱크는,
상기 스택의 멤브레인과 애노드 전극 사이에 공급하는 애노드 전해액을 수용하는 애노드 전해액 탱크,
상기 스택의 상기 멤브레인과 캐소드 전극 사이에 공급하는 캐소드 전해액을 수용하며, 상기 애노드 전해액 탱크에 제1오버 플로우 관으로 연결되는 캐소드 전해액 탱크, 및
상기 멤브레인과 상기 캐소드 전극 사이에서 유출되는 상기 캐소드 전해액의 2상(phase)을 수용하며, 상기 캐소드 전해액 탱크에 제2오버 플로우 관으로 연결되는 2상 전해액 탱크를 포함하고,
상기 애노드 전해액 탱크와 상기 캐소드 전해액 탱크 및 상기 2상 전해액 탱크는
30~40: 30~40: 20~40%
의 용적 비율을 가지는 레독스 흐름 전지.
A stack generating current; And
And an electrolyte tank for supplying an electrolyte solution to the stack and storing an electrolyte solution flowing out of the stack,
The electrolytic solution tank,
An anode electrolyte tank containing an anode electrolyte supplied between the membrane of the stack and the anode electrode,
A cathode electrolyte tank receiving the cathode electrolyte supplied between the membrane and the cathode electrode of the stack, the cathode electrolyte tank connected to the anode electrolyte tank via a first overflow tube,
And a two-phase electrolyte tank which receives two phases of the cathode electrolyte discharged between the membrane and the cathode electrode and is connected to the cathode electrolyte tank by a second overflow tube,
The anode electrolyte tank, the cathode electrolyte tank, and the two-phase electrolyte tank
30 to 40: 30 to 40: 20 to 40%
Lt; RTI ID = 0.0 > volume / volume < / RTI >
제1항에 있어서,
상기 애노드 전해액 탱크와 상기 캐소드 전해액 탱크 및 상기 2상 전해액 탱크는
3.5: 3.5: 3
의 용적 비율을 가지는 레독스 흐름 전지.
The method according to claim 1,
The anode electrolyte tank, the cathode electrolyte tank, and the two-phase electrolyte tank
3.5: 3.5: 3
Lt; RTI ID = 0.0 > volume / volume < / RTI >
제1항에 있어서,
상기 애노드 전해액 탱크와 상기 캐소드 전해액 탱크 및 상기 2상 전해액 탱크의 각 용적은
제1방향으로 설정되는 폭(Wa, Wc, W2),
상기 제1방향에 직교하는 제2방향으로 설정되는 동일 너비(D), 및
상기 제2방향에 직교하는 제3방향으로 설정되는 동일 높이(H)로 설정되며,
상기 폭(Wa, Wc, W2)은
30~40: 30~40: 20~40%
의 비율을 가지는 레독스 흐름 전지.
The method according to claim 1,
The respective volumes of the anode electrolyte tank, the cathode electrolyte tank and the two-phase electrolyte tank are
Widths (Wa, Wc, W2) set in the first direction,
An equal width D set in a second direction orthogonal to the first direction, and
(H) set in a third direction orthogonal to the second direction,
The widths (Wa, Wc, W2)
30 to 40: 30 to 40: 20 to 40%
Of the redox flow cell.
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