KR101549945B1 - 전기화학적 흐름 셀 스택 구조 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기화학적 흐름 셀 스택 구조 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연결 및 분리 수단이 포함된 도전성 프레임과 상기 도전성 프레임 상에 전해액을 이동하는 유로가 형성된 한 쌍의 바이폴라 플레이트; 및 상기 2개의 바이폴라 플레이트 사이에 삽입되는 분리막이 포함된 단위셀을, 단층 또는 2층 이상 적층함으로써, 종래 전해액의 흐름 통로인 유로가 형성된 매니폴드 및 전해액의 누수를 방지하는 가스킷 등의 전지의 주요 구성 요소를 배제할 수 있어, 전지의 부피 및 중량을 획기적으로 감소시킬 수 있는 전기화학적 흐름 셀 스택 구조 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.

Description

전기화학적 흐름 셀 스택 구조 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 {Stack structure of electrochemical flow cell and redox flow battery including the same}

본 발명은 중량 및 부피를 감소시킨 전기화학적 흐름 셀 스택 구조 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지에 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.

통상 레독스 흐름전지는 도 1과 같이, 최외측에 형성되는 전해액 출입구 및 배출구를 포함하는 한 쌍의 엔드플레이트 각각의 내측에 형성된 집전체 사이에 형성된 것으로서, 프레임에 고정된 바이폴라 플레이트, 펠트전극을 포함하는 매니폴드, 및 분리막을 구비한 단위체를 포함하여 이루어지며, 상기 단위체는 직렬로 반복 적층될 수 있다.

상기 레독스 흐름 전지의 전해액은 산화환원쌍(redox couple)을 갖는 물질이 용액에 용해될 수 있고 그 반응이 가역적일 때 적용이 가능하다. 초기 레독스 전지의 전해액은 양극과 음극에 서로 다른 물질의 산화환원쌍을 적용하여 사용하였으나, 충방전 동안 이온화된 물질들이 분리막을 통해 서로 교차하는 현상(cross contamination)이 발생하여 용량이 감소하는 단점이 대두되었다.

따라서, 이온 교차현상을 최소화 할 수 있는 방법으로 바나듐을 함유한 수계 전해액을 양극과 음극에 같이 사용하는 것이 제시되었으며 상기 전해액에 적용 시 높은 전지전압을 얻을 수 있을 뿐 아니라 좋은 싸이클 수명을 얻을 수 있다(한국특허공개 제2011-0064058호).

그러나, 상기 수계 전해액은 용매로 산 및 염기들을 사용하므로 전지 내에서 누수되는 경우 전지의 구성 요소들 사이에 침투되어 도전성 재료인 금속의 부식을 유발하고, 이로 인한 열화가 발생되는 단점이 있다.

또한, 상기 누수를 방지하기 위한 가스켓 등을 구성 요소 사이에 다수개 설치하므로 전지의 부피 및 중량이 크게 증가하는 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 유기계 전해액을 사용하여 전해액의 흐름 통로인 유로가 형성된 매니폴드 및 전해액의 누수를 방지하는 가스킷 등을 배제하여 전지의 부피 및 중량을 감소시킨 전기화학적 흐름 셀 스택 구조 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 도전성 프레임과 상기 도전성 프레임 상에 전해액을 이동하는 유로가 형성된 한 쌍의 바이폴라 플레이트; 및 상기 2개의 바이폴라 플레이트 사이에 삽입되는 분리막이 포함된 단위셀을, 적층하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학적 흐름 셀 스택 구조를 제공한다.

또한, 본 발명은 한 쌍의 엔드플레이트; 상기 엔드플레이트 내측에 형성된 한 쌍의 집전체; 상기 집전체 내측에, 도전성 프레임과 상기 도전성 프레임 상에 전해액을 이동하는 유로가 형성된 한 쌍의 바이폴라 플레이트; 및 상기 한 쌍의 바이폴라 플레이트 사이에 삽입되는 분리막이 포함된 단위셀을, 적층하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학적 흐름 셀 스택 구조를 제공한다.

상기 바이폴라 플레이트는 도전성 프레임에 안착되는 펠트전극을 추가로 포함할 수 있다.

상기 바이폴라 플레이트는 도전성 프레임의 일면에 양극 전해액을 이동하는 양극 유로가 형성되고, 다른 일면에 음극 전해액을 이동하는 음극 유로가 형성될 수 있다.

상기 단위셀은 도전성 프레임의 일면에 양극 전해액을 이동하는 양극 유로가 형성되고, 다른 일면에 음극 전해액을 이동하는 음극 유로가 형성된 제1 바이폴라 플레이트; 상기 제1 바이폴라 플레이트의 양 면에 구비된 분리막; 및 상기 분리막의 적어도 일측에, 도전성 프레임의 일면에 양극 전해액을 이동하는 양극 유로가 형성되고, 다른 일면에 음극 전해액을 이동하는 음극 유로가 형성된 제2 바이폴라 플레이트가 구비되되, 상기 제1 바이폴라 플레이트의 양극 유로와 제2 바이폴라 플레이트의 음극 유로가 대응되고, 제1 바이폴라 플레이트의 음극 유로와 제2 바이폴라 플레이트의 양극 유로가 대용 되도록 위치시킬 수 있다.

상기 바이폴라 플레이트는 유로의 말단에 전해액 연결부를 추가로 포함할 수 있다.

상기 바이폴라 플레이트의 도전성 프레임은 도전성 그라파이트 플레이트일 수 있다.

상기 전해액은 유기계 전해액일 수 있다.

상기 유기계 전해액은 유기용매/금속-리간드 배위 활물질을 함유하는 전해액, 또는 유기용매/전유기계 활물질을 함유하는 전해액일 수 있다.

상기 유기용매는 디메틸 아세트아미드, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 아세토니트릴, γ-부티로락톤(GBL), 프로필렌 카보네이트 (PC), 에틸렌 카보네이트(EC), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 플루오로에틸렌 카보네이트, 및 N,N-디메틸아세트아미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

또한, 본 발명은 상기의 전기화학적 흐름 셀 스택 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지를 제공한다.

본 발명에 따른 전기화학적 흐름 셀 스택 구조 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지는 바이폴라 플레이트에 전해액 유로를 형성함으로써, 종래 전해액의 흐름 통로인 유로가 형성된 매니폴드 및 전해액의 누수를 방지하는 가스킷 등의 전지의 주요 구성 요소를 배제할 수 있어, 전지의 부피 및 중량을 획기적으로 감소시킬 뿐만 아니라 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 전기화학적 흐름 셀 스택 구조 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지는 종래 다수 개의 가스킷 사용으로 인한 내부 접촉저항의 증가 및 가스킷의 변형으로 인한 전해액의 누수 현상을 방지할 수 있어, 레독스 흐름 전지의 수명 및 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전기화학적 흐름 셀 스택 구조는 레독스 흐름 전지뿐만 아니라 흐름 캐패시터, 전기영동 셀, 염도차 발전 등의 전기화학적 흐름 셀에 적용이 가능한 이점이 있다.

도 1은 종래 레독스 흐름전지의 적층 구조를 나타낸 도면이고
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트가 포함된 전기화학적 흐름 셀 스택 구조의 모식도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 단면도를 나타낸 것으로, (a)는 펠트전극(60)이 안착된 바이폴라 플레이트이고, (b)는 펠트전극이 안착되지 않은 바이폴라 플레이트이다.

또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트가 포함된 전기화학적 흐름 셀 스택 구조의 모식도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기화학적 흐름 셀 스택 구조는 도전성 프레임(81)과 상기 도전성 프레임 상에 전해액을 이동하는 유로(71, 72)가 형성된 한 쌍의 바이폴라 플레이트; 및 상기 2개의 바이폴라 플레이트 사이에 삽입되는 분리막(100)이 포함된 단위셀을, 적층하여 이루어진 구조를 갖는다.

종래의 단위셀은 도 1과 같이, 한 쌍의 바이폴라 플레이트(40, 40‘), 상기 바이폴라 플레이트 내측에 형성된 한 쌍의 매니폴드(50, 50’) 및 상기 매니폴드 사이에 삽입되는 분리막(100)으로 이루어지나, 본 발명은 한 쌍의 바이폴라 플레이트 및 상기 바이폴라 사이에 삽입되는 분리막으로 이루어진다.

본 발명은 종래 매니폴드에 형성되는 반응부 및 전해액의 흐름 통로인 유로 등을 바이폴라 플레이트에 형성함으로써, 상기 바이폴라 플레이트의 역할과 동시에 매니폴드의 역할을 수행한다.

이러한 전기화학적 흐름 셀 스택 구조는 유기계 전해액 사용 시에 보다 유용하게 적용될 수 있다. 통상 수계 전해액은 누수 방지를 위한 가스킷 등이 반드시 추가 사용되므로 전지의 부피 및 중량이 크고, 상기 가스킷 사용으로 인한 내부 접촉저항의 증가 및 가스킷의 변형으로 인한 전해액의 누수 현상이 발생할 수 있다.

상기 유기계 전해액은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 유기용매/금속-리간드 배위 활물질 및 유기용매/전유기계 활물질로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 유기계 전해액은 금속-리간드 배위 활물질 및 유기용매로 이루어지고, 상기 금속은 Ni, Co, Fe, Ru, Zn, Mn, Y. Zr, Ti, Cr, Mg, Ce, Cu, Pb 및 V로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 리간드는 디피리딜, 터피리딜, 에틸렌디아민, 프로필렌디아민, 난트롤린 및 N-헤테로시클릭카르벤(Nheterocyclic carbine; NHC)으로 이루어진 1종 이상을 함유할 수 있다.

또한, 상기 유기계 전해액은 금속을 포함하지 않는 전유기계 활물질 및 유기용매로 이루어질 수 있다. 상기 전유기계 활물질은 양극용으로서 2,2,6,6-테트라메틸-피페리딘-1-옥실(2,2,6,6-tetramethyl-piperidine-1-oxyl), 4-하이드록시-2,2,6,6-테트라메틸-피페리딘-1-옥실(4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-piperidine-1-oxyl) 및 4-하이드록시-2,2,6,6-테트라메틸-피페리딘-1-옥실-벤조에이트(4-hydroxy- 2,2,6,6-tetramethyl-piperidine 1-oxyl-benzoate)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하여 이루어지고, 음극용으로서 안트라퀴논(Anthraquinone), 1,4-나프토퀴논(1,4-Naphthoquinone), 9,12-페난트렌퀴논(9,12-Phenanthrenequinone) 및 5,12-나프타센퀴논(5,12-Naphthacenequinone)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 유기계 전해액에 함유되는 유기용매는 디메틸 아세트아미드, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 아세토니트릴, γ-부티로락톤(GBL), 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 플루오로에틸렌 카보네이트, 및 N,N-디메틸아세트아미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

상기 바이폴라 플레이트(41, 43)의 프레임(81)은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 도전성 플레이트를 사용할 수 있다. 바람직하게 상기 바이폴라 플레이트는 도전성 그라파이트 플레이트를 사용할 수 있다. 보다 바람직하게 상기 바이폴라 플레이트는 페놀 수지에 함침된 그라파이트 플레이트가 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 바이폴라 플레이트는 유로의 말단에 전해액을 순환시키기 위한 전해액 연결부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(41, 43)는 도전성 프레임(81)에 안착되는 펠트전극(60)을 포함할 수 있다(도 2의 (a) 참조). 상기 펠트전극(60)은 부직포 및 탄소섬유 및 탄소 페이퍼 등이 사용될 수 있다. 바람직하기로는 폴리아크릴로나이트릴(PAN, polyacrylonitrile) 계열 또는 레이온(rayon) 계열로 형성된 탄소섬유 펠트전극일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트는 도전성 프레임의 일면에 양극 전해액을 이동하는 양극 유로가 형성되고, 다른 일면에 음극 전해액을 이동하는 음극 유로가 형성될 수 있다.

상기 분리막(100)은 충/방전 시 양극 전해액과 음극의 전해액을 분리시키고, 충/방전 시 선택적으로 이온만을 이동시키는 역할을 한다. 이러한 분리막(100)은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않는다.

보다 구체적으로 살펴보면, 본원발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지는 한 쌍의 엔드플레이트(10, 10‘); 상기 엔드플레이트 내측에 형성된 한 쌍의 집전체(20, 20’); 상기 집전체 내측에, 연결 및 분리 수단이 포함된 도전성 프레임(81)과 상기 도전성 프레임 상에 전해액을 이동하는 유로(71, 72)가 형성된 한 쌍의 바이폴라 플레이트(41, 43); 및 상기 한 쌍의 바이폴라 플레이트 사이에 삽입되는 분리막(100)이 포함된 단위셀을, 적층하여 이루어진다.

본 발명에 따른 전기화학적 흐름 셀 스택은 단위체의 전 후에 다른 단위체가 반복 적층될 수 있으며, 단위체 사이에는 분리막을 삽입한다. 이때, 바이폴라 플레이트는 도전성 프레임의 일면에 양극 전해액을 이동하는 양극 유로가 형성되고, 다른 일면에 음극 전해액을 이동하는 음극 유로가 형성된 것을 사용한다.

구체적으로 도전성 프레임의 일면에 양극 전해액을 이동하는 양극 유로가 형성되고, 다른 일면에 음극 전해액을 이동하는 음극 유로가 형성된 제1 바이폴라 플레이트; 상기 제1 바이폴라 플레이트의 양 면에 구비된 분리막; 및 상기 분리막의 적어도 일측에, 도전성 프레임의 일면에 양극 전해액을 이동하는 양극 유로가 형성되고, 다른 일면에 음극 전해액을 이동하는 음극 유로가 형성된 제2 바이폴라 플레이트가 구비되되, 상기 제1 바이폴라 플레이트의 양극 유로와 제2 바이폴라 플레이트의 음극 유로가 대응되고, 제1 바이폴라 플레이트의 음극 유로와 제2 바이폴라 플레이트의 양극 유로가 대응 되도록 위치시킬 수 있다.

상기 반복 적층되는 단위셀의 수는 제한되지 않으며, 설계용량에 맞게 적절하게 변형시킬 수 있다.

상기 엔드플레이트(10, 10‘)는 전체적인 레독스 흐름전지의 윤곽을 형성하는 역할을 하는 것으로서 최외각에 배치된다.

상기 엔드플레이트(10, 10‘)는 절연체를 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 엔드플레이트는 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(10, 10‘) 각각의 내측에는 집전체(20, 20’)가 형성되는데, 상기 집전체는 전자가 움직이는 통로로서 충전 시 외부로부터 전자를 받아들이거나 방전 시 외부로 전자를 내어주는 역할을 한다. 양 말단에 위치한 2개의 집전체는 서로 전극을 달리한다.

이러한 집전체는 당 분야에서 일반적으로 사용하는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들면 구리 또는 황동을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 레독스 흐름전지는 집전체는 생략하고, 엔드플레이트의 가장 가까운 쪽에 위치한 바이폴라 플레이트가 집전체의 역할을 동시에 수행할 수도 있다.

상기 레독스 흐름전지는 도면에 도시하지는 않았으나, 양극전해액을 저장하는 양극전해액탱크, 음극전해액을 저장하는 음극전해액탱크 및 상기 양극전해액과 음극전해액을 순환시키기 위한 펌프를 더 포함하여 이루어진다. 이때, 양극전해액과 음극전해액은 당해분야에서 일반적으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 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, 변형들, 및 변경들을 포괄적으로 포함한다.

10 및 10‘ : 엔드 플레이트
20 및 20‘: 집전판
30, 31, 32 및 33: 가스킷
40 및 40‘: 바이폴라 플레이트
41 및 43: 도전성 프레임 상에 유로가 형성된 바이폴라 플레이트
50 및 50‘: 매니폴드
60 및 60‘: 펠트 전극
71 및 72: 유로
81: 도전성 프레임
100: 분리막

Claims (11)

1. 삭제
2. 한 쌍의 엔드플레이트;
   상기 엔드플레이트 내측에 형성된 한 쌍의 집전체;
   상기 집전체 내측에,
   도전성 그라파이트 플레이트 재질로 이루어진 도전성 프레임과 상기 도전성 프레임 상에 전해액을 이동하는 유로가 형성된 한 쌍의 바이폴라 플레이트, 이때 상기 바이폴라플레이트는 도전성 프레임에 안착되는 펠트전극을 포함하고;
   상기 한 쌍의 바이폴라 플레이트 사이에 삽입되는 분리막이 포함된 단위셀을 적층하여 이루어지고,
   이때 전해액은 유기용매/금속-리간드 배위 활물질을 함유하는 전해액, 또는 유기용매/전유기계 활물질을 함유하는 전해액인 것을 특징으로 하는 전기화학적 흐름 셀 스택 구조.
   
3. 삭제
4. 청구항 2에 있어서, 상기 바이폴라 플레이트는 도전성 프레임의 일면에 양극 전해액을 이동하는 양극 유로가 형성되고, 다른 일면에 음극 전해액을 이동하는 음극 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 전기화학적 흐름 셀 스택 구조.
   
5. 청구항 2에 있어서, 상기 단위셀은 도전성 프레임의 일면에 양극 전해액을 이동하는 양극 유로가 형성되고, 다른 일면에 음극 전해액을 이동하는 음극 유로가 형성된 제1 바이폴라 플레이트;
   상기 제1 바이폴라 플레이트의 양 면에 구비된 분리막; 및
   상기 분리막의 적어도 일측에, 도전성 프레임의 일면에 양극 전해액을 이동하는 양극 유로가 형성되고, 다른 일면에 음극 전해액을 이동하는 음극 유로가 형성된 제2 바이폴라 플레이트가 구비되되,
   상기 제1 바이폴라 플레이트의 양극 유로와 제2 바이폴라 플레이트의 음극 유로가 대응되고, 제1 바이폴라 플레이트의 음극 유로와 제2 바이폴라 플레이트의 양극 유로가 대용 되도록 위치시키는 것을 특징으로 하는 전기화학적 흐름 셀 스택 구조.
   
6. 청구항 2에 있어서, 상기 바이폴라 플레이트는 유로의 말단에 전해액 연결부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 흐름 셀 스택 구조.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 청구항 2에 있어서, 상기 유기용매는 디메틸 아세트아미드, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 아세토니트릴, γ-부티로락톤(GBL), 프로필렌 카보네이트 (PC), 에틸렌 카보네이트(EC), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 플루오로에틸렌 카보네이트, 및 N,N-디메틸아세트아미드 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전기화학적 흐름 셀 스택 구조.
    
11. 청구항 2의 전기화학적 흐름 셀 스택 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지.

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