KR101742486B1 - Flow flame having variable channel and redox flow secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가변 채널을 갖는 플로우 프레임 및 그를 포함하는 레독스 플로우 이차전지에 관한 것으로, 유로 구조를 단순화하면서 션트 전류(shunt current)의 발생을 개선하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 플로우 프레임은 중심 부분에 전극이 설치되는 전극 삽입홀이 형성된 프레임 몸체, 전극을 중심으로 일측의 프레임 몸체에 형성되어 전극으로 전해액을 주입하는 주입 유로부, 및 전극을 중심으로 일측에 마주보는 타측의 프레임 몸체에 형성되어 전극으로부터 전해액을 유출하는 유출 유로부를 포함한다. 주입 유로부와 유출 유로부는 각각, 프레임 몸체에 형성된 매니폴드와, 매니폴드와 전극 삽입홀을 연결하는 복수의 채널을 포함한다. 복수의 채널은 단면적과 길이가 서로 상이하다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flow frame having a variable channel and a redox flow secondary battery including the same, and is intended to improve the generation of shunt current while simplifying the flow path structure. The flow frame according to the present invention includes a frame body having an electrode insertion hole in which an electrode is installed at a central portion, an injection flow path portion formed in a frame body on one side of the electrode to inject an electrolyte into the electrode, And an outflow channel portion formed on a frame body of the other opposing side to discharge electrolyte from the electrode. The injection path portion and the outflow path portion each include a manifold formed in the frame body and a plurality of channels connecting the manifold and the electrode insertion hole. The plurality of channels are different in cross-sectional area and length.
Description
본 발명은 레독스 플로우 이차전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플로우 프레임의 유로 구조를 형성하는 채널들의 단면적과 길이를 달리하여 채널들을 통한 전해액의 유속 균일성과 압력 손실(pressure drop)을 최소화하여 션트 전류(shunt current)의 발생을 개선하고 유로 구조를 단순화 한 가변 채널을 갖는 플로우 프레임 및 그를 포함하는 레독스 플로우 이차전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a redox flow secondary battery, and more particularly, to a redox flow secondary battery having a flow path structure of a flow frame, To a flow frame having a variable channel that improves the generation of a shunt current and simplifies a flow path structure, and a redox flow secondary battery including the flow frame.
레독스 플로우 이차전지에서 레독스는 환원(Reduction)과 산화(Oxidation)를 단축하여 합성한 용어이다. 레독스 플로우 이차전지는 활성물질인 두 종류의 레독스 커플의 용액이 양극과 음극에서 반응하는 시스템의 이차전지이다. 레독스 플로우 이차전지는 레독스 커플 용액을 전지셀의 외부에서 공급하여 충ㅇ방전하는 전지이다. 레독스 커플로는 Fe/Cr, V/Br, Zn/Br, Zn/Ce, V/V등이 사용되며, 저장 가능한 전기량이나 경제성 등을 고려해서 V/V가 많이 이용되고 있다.Redox Flow Redox in secondary batteries is a term synthesized by reducing Reduction and Oxidation. The redox flow secondary battery is a secondary battery of a system in which a solution of two kinds of redox couples, which are active materials, reacts at the anode and the cathode. The redox flow secondary battery is a battery for supplying and discharging the redox couple solution from the outside of the battery cell. As the redox couple, Fe / Cr, V / Br, Zn / Br, Zn / Ce and V / V are used.
레독스 플로우 이차전지는 전지셀의 외부에서 반응물질을 연속적으로 공급해서 동작하는 전지라는 점에서 연료전지에 포함될 수 있다. 그리고 충ㅇ방전이 가능하기 때문에, 레독스 플로우 이차전지는 전기 재생형 연료전지로도 분류할 수 있다.The redox flow secondary battery can be included in the fuel cell in that it is a battery that operates by continuously supplying a reactant from outside the battery cell. And because the charge can be discharged, the redox flow secondary battery can be classified as an electric regenerative fuel cell.
이러한 레독스 플로우 이차전지는 여러 장의 단위 셀을 적층하여 스택화 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 레독스 플로우 이차전지는 높은 이온전도도를 갖는 전해액을 사용함에 따라 플로우 프레임(flow frame)의 유로를 통해 전해액에 의한 전기적 통로 형성으로 인해 션트 전류가 무조건적으로 발생하게 된다.The redox flow secondary battery has the advantage of stacking a plurality of unit cells and stacking them. However, since a redox flow secondary battery uses an electrolyte having a high ion conductivity, a shunt current is unconditionally generated due to the formation of an electrical path through an electrolyte through a flow frame.
션트 전류가 발생되는 이유에 대해서 설명하면 다음과 같다. 레독스 플로우 이차전지는 비상용 전원 장치로 주로 사용된다. 이로 인해 레독스 플로우 이차전지는 충전된 상태로 놓여 있다가 비상 상황 시 작동되기 때문에, 대기 시간이 길어질 수 있다. 이와 같이 충전된 레독스 플로우 이차전지의 대기 시간이 길어지면 션트 전류가 발생하게 된다. 즉 레독스 플로우 이차전지의 대기시간이 길어지면 스택의 단위 셀들 내부에 존재하는 전해액의 내부에 녹아있는 활물질이 분리막을 통해 반대편으로 이동하면서 전기화학적 반응이 발생하여 자가방전이 일어난다. 이와 더불어 단위 셀로 전해액을 공급하기 위하여 설치되는 전해액 이동 통로인 채널(배관) 등에 남아있는 다량의 전해액까지 스택 내부로 확산되면 더 많은 자가방전이 일어나게 된다. 이렇게 방전된 전해액을 다시 충전시키기 위해서는 다시 에너지를 인가해야 하기 때문에 전력손실이 발생 될 수 밖에 없다.The reason why the shunt current is generated will be described as follows. The redox flow rechargeable battery is mainly used as an emergency power supply. As a result, the redox flow rechargeable battery is kept in a charged state and operated in an emergency, so that the standby time may become longer. When the waiting time of the charged redox flow secondary battery becomes long, a shunt current is generated. That is, when the standby time of the redox flow secondary battery becomes long, the active material dissolved in the electrolyte existing in the unit cells of the stack moves to the opposite side through the separation membrane, and an electrochemical reaction occurs and self-discharge occurs. In addition, when a large amount of electrolytic solution remaining in the channel (piping), which is an electrolytic solution moving passage installed to supply the electrolytic solution to the unit cell, is diffused into the stack, more self-discharge occurs. In order to charge the discharged electrolyte again, energy must be applied again, so that power loss can not be avoided.
특히 스택 체결 후 전해액 통로로 단위 셀의 숫자가 증가할수록 션트 전류가 증가함에 따라 에너지 효율의 감소 뿐만 아니라 스택되는 단위 셀 수의 제한 요인으로 인식되고 있다.Particularly, as the number of unit cells increases with the passage of the electrolyte after the stacking, the shunt current increases, which is recognized as a limiting factor of the number of unit cells stacked as well as the energy efficiency.
이러한 문제점을 해소하기 위해서, 레독스 플로우 이차전지에 사용되는 플로우 프레임의 경우 유량 분배를 일정하게 하고 압력 손실을 최소화하기 위한 간단한 매니폴드(manifold) 및 플로우 채널(flow channel) 구조가 사용되고 있다. 하지만 종래의 플로우 프레임의 유로 구조로는 션트 전류를 개선하는 데는 한계가 존재한다.In order to solve this problem, a simple manifold and flow channel structure is used for the flow frame used in the redox flow rechargeable battery to keep the flow rate distribution constant and minimize the pressure loss. However, there is a limitation in improving the shunt current in the flow path structure of the conventional flow frame.
이와 같은 기존의 션트 전류를 최소화하기 위한 연구는 플로우 채널의 단면적을 작게 하고 길이를 길게 하여 션트 저항(shunt resistance)을 극대화 할 수 있는 방향으로 유로 설계가 진행되어 왔지만 아직까지 충분하지 않은 상태이다. 또한 션트 저항을 극대화 한 유로 구조는 전해액의 유속 균일성과 압력 손실을 개선하는 데 한계가 있다. 또한 션트 저항을 극대화 한 유로 구조는 복잡하면서 긴 유로 구조를 요구하기 때문에, 플로우 프레임 내에 유로 구조를 디자인하는 데 제한 요인으로 작용하고 있다.In order to minimize the conventional shunt current, the flow channel has been designed to maximize the shunt resistance by shortening the cross-sectional area of the flow channel and increasing the length of the flow channel, but it is not yet sufficient. In addition, the flow path structure maximizing the shunt resistance has limitations in improving the flow uniformity of the electrolyte and the pressure loss. In addition, since the channel structure maximizing the shunt resistance requires a complicated and long channel structure, it is a limiting factor in designing the channel structure in the flow frame.
따라서 본 발명의 목적은 플로우 프레임의 유로 구조를 형성하는 채널들의 단면적과 길이를 달리하여 유로 구조를 단순화 한 가변 채널을 갖는 플로우 프레임 및 그를 포함하는 레독스 플로우 이차전지를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a flow frame having a variable channel that simplifies a flow path structure by varying a cross-sectional area and a length of channels forming the flow path of the flow frame, and a redox flow secondary battery including the flow frame.
본 발명의 다른 목적은 채널들의 단면적과 길이를 달리하는 가변 채널의 도입을 통하여 가변 채널들을 통한 전해액의 유속 균일성과 압력 손실을 최소화하여 션트 전류의 발생을 개선하는 가변 채널을 갖는 플로우 프레임 및 그를 포함하는 레독스 플로우 이차전지를 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a flow frame having a variable channel for minimizing flow uniformity and pressure loss of an electrolyte through variable channels through the introduction of a variable channel having a different cross-sectional area and length, And a re-flowable secondary battery.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 프레임 몸체, 주입 유로부 및 유출 유로부를 포함하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임을 제공한다. 상기 프레임 몸체는 중심 부분에 전극이 설치되는 전극 삽입홀이 형성되어 있다. 상기 주입 유로부는 상기 전극 삽입홀을 중심으로 일측의 상기 프레임 몸체에 형성되어 상기 전극 삽입홀로 전해액을 주입한다. 그리고 상기 유출 유로부는 상기 전극 삽입홀을 중심으로 상기 일측에 마주보는 타측의 상기 프레임 몸체에 형성되어 상기 전극 삽입홀로부터 상기 전해액을 유출한다.In order to attain the above object, the present invention provides a flow frame for a redox flow secondary battery including a frame body, an injection path portion and an outflow path portion. The frame body is formed with an electrode insertion hole in which an electrode is provided at a central portion thereof. The injection path portion is formed in the frame body on one side of the electrode insertion hole, and injects the electrolyte into the electrode insertion hole. The outflow channel portion is formed in the frame body on the other side facing the one side with respect to the electrode insertion hole, and the electrolyte solution flows out from the electrode insertion hole.
상기 주입 유로부와 상기 유출 유로부는 각각, 매니폴드 및 복수의 채널을 포함한다. 상기 매니폴드는 상기 프레임 몸체를 관통하여 형성된다. 상기 복수의 채널은 상기 프레임 몸체에 형성되고, 일단이 상기 매니폴드에 연결되고 타단이 상기 전극 삽입홀의 일측에 연결되며 서로 상이한 단면적과 길이를 갖는다.The injection path portion and the outflow path portion each include a manifold and a plurality of channels. The manifold is formed through the frame body. The plurality of channels are formed in the frame body, one end is connected to the manifold, and the other end is connected to one side of the electrode insertion hole, and has a different cross-sectional area and length.
본 발명에 따른 플로우 프레임에 있어서, 상기 복수의 채널은 상기 매니폴드를 중심으로 상기 전극 삽입홀에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가하는 형태를 가질 수 있다.In the flow frame according to the present invention, the cross-sectional area and the length may increase as the distance from the plurality of channels to the point where the manifold is connected to the electrode insertion hole increases.
본 발명에 따른 플로우 프레임에 있어서, 상기 전극 삽입홀은 직사각관 형태를 가질 수 있다. 상기 매니폴드는 상기 전극 삽입홀의 일측 모서리 쪽에 형성될 수 있다. 그리고 상기 복수의 채널은 상기 전극 삽입홀의 일측면에 수평한 수평 채널부와, 상기 수평 채널부와 상기 전극 삽입홀의 일측면을 수직 방향으로 연결하는 수직 채널부를 포함할 수 있다.In the flow frame according to the present invention, the electrode insertion hole may have a rectangular tube shape. The manifold may be formed on one side edge of the electrode insertion hole. The plurality of channels may include a horizontal horizontal channel part on one side of the electrode insertion hole and a vertical channel part connecting the horizontal channel part and one side of the electrode insertion hole in a vertical direction.
본 발명에 따른 플로우 프레임에 있어서, 상기 복수의 채널은 메인 채널, 분지조 및 복수의 브랜치 채널을 포함할 수 있다. 상기 메인 채널은 상기 프레임 몸체에 형성되고, 상기 매니폴드와 일단이 연결되며 상기 매니폴드 보다는 작은 내경을 갖는다. 상기 분지조는 상기 프레임 몸체에 형성되고, 상기 메인 채널의 타단에 연결되며 상기 메인 채널의 내경보다는 큰 내부 공간을 갖는다. 그리고 상기 복수의 브랜치 채널은 상기 프레임 몸체에 형성되고, 일단이 상기 분지조에 연결되고 타단이 상기 전극 삽입홀의 일측에 연결되며 상기 메인 채널 보다는 작은 내경을 갖는다.In the flow frame according to the present invention, the plurality of channels may include a main channel, a branching unit, and a plurality of branch channels. The main channel is formed in the frame body, has one end connected to the manifold, and has a smaller inner diameter than the manifold. The branch tank is formed in the frame body and has an inner space connected to the other end of the main channel and larger than an inner diameter of the main channel. The plurality of branch channels are formed in the frame body, one end thereof is connected to the branch bank, and the other end is connected to one side of the electrode insertion hole, and has an inner diameter smaller than that of the main channel.
본 발명에 따른 플로우 프레임에 있어서, 상기 복수의 브랜치 채널은 상기 분지조를 중심으로 상기 전극 삽입홀에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가할 수 있다.In the flow frame according to the present invention, the cross sectional area and the length may increase as the distance from the branch channel to the point where it is connected to the electrode insertion hole is increased.
본 발명에 따른 플로우 프레임에 있어서, 상기 분지조는 단면이 원형 또는 타원형의 형태를 가지고, 내경이 상기 메인 채널의 내경의 10배 이하일 수 있다.In the flow frame according to the present invention, the branch tank may have a circular or elliptical cross section, and the inner diameter may be 10 times or less the inner diameter of the main channel.
본 발명에 따른 플로우 프레임에 있어서, 상기 주입 유로부와 상기 유출 유로부의 매니폴드는 상기 전극 삽입홀을 중심으로 서로 마주보는 쪽의 모서리 및 대각선 쪽의 모서리 중에 하나에 형성될 수 있다.In the flow frame according to the present invention, the injection path portion and the manifold portion of the outflow path portion may be formed at one of corners opposite to each other with respect to the electrode insertion hole and one of diagonal corners.
그리고 본 발명은 또한, 전술된 플로우 프레임을 구비하는 복수의 단위 셀과, 복수의 바이폴라 플레이트를 포함하는 레독스 플로우 이차전지를 제공한다. 상기 복수의 단위 셀은 분리막, 상기 분리막을 사이에 두고 서로 마주보게 배치된 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 제2 전극에 각각 결합되어 상기 제1 및 제2 전극으로 전해액을 흘려주는 제1 및 제2 플로우 프레임을 구비하며 스택된다. 그리고 상기 복수의 바이폴라 플레이트는 상기 복수의 단위 셀 사이에 개재되고, 스택된 복수의 단위 셀의 양쪽에 스택된다.The present invention also provides a redox flow secondary battery including a plurality of unit cells each having the above-described flow frame and a plurality of bipolar plates. The plurality of unit cells may include a separator, a first electrode and a second electrode disposed opposite to each other with the separator interposed therebetween, and an electrolyte solution is flowed to the first and second electrodes through the first electrode and the second electrode, The stack has stacked first and second flow frames. The plurality of bipolar plates are interposed between the plurality of unit cells and stacked on both sides of the plurality of stacked unit cells.
본 발명에 따르면, 매니폴드에 연결되는 다수의 채널의 단면적과 길이를 달리함으로써, 다수의 채널을 동일한 길이와 단면적을 갖도록 설계하는 것에 비해서, 플로우 프레임에 형성되는 유로 구조를 단순화할 수 있다. 이로 인해 플로우 프레임에서 유로가 차지하는 면적을 감소시킬 수 있기 때문에, 채널 부분을 컴팩트하게 제작할 수 있다.According to the present invention, by designing the plurality of channels to have the same length and cross-sectional area by differentiating the cross-sectional area and the length of the plurality of channels connected to the manifold, the flow path structure formed in the flow frame can be simplified. As a result, the area occupied by the flow path in the flow frame can be reduced, so that the channel portion can be made compact.
또한 채널들의 단면적과 길이를 달리하는 가변 채널의 도입을 통하여 전해액의 유속 균일성과 압력 손실을 최소화하여 션트 전류의 발생을 최소화 할 수 있다.Also, the generation of shunt current can be minimized by minimizing the flow uniformity and pressure loss of the electrolyte through the introduction of a variable channel having different cross-sectional areas and lengths of channels.
또한 전해액의 유속 균일성을 개선함으로써, 전해액의 유량 분포도를 개선할 수 있기 때문에, 단위 셀들의 스택 안정성을 향상시킬 수 있다. 이로 인해 단위 셀들의 스택 안정성을 향상시킬 수 있기 때문에, 레독스 플로우 이차전지에서 스택되는 단위 셀의 수를 증가시키고 직렬 연결 특성을 확대할 수 있다.Further, by improving the flow rate uniformity of the electrolytic solution, the flow rate distribution of the electrolytic solution can be improved, so that the stack stability of the unit cells can be improved. As a result, the stack stability of the unit cells can be improved, so that the number of unit cells stacked in the redox flow secondary battery can be increased and the serial connection characteristic can be expanded.
또한 스택되는 단위 셀 수의 증가와 직렬 연결 특성을 확대함으로써, 레독스 플로우 이차전지의 고전압화를 구현할 수 있다.In addition, by increasing the number of stacked unit cells and increasing the series connection characteristic, it is possible to realize a high voltage of the redox flow secondary battery.
또한 플로우 프레임 내의 유로 구조를 메인 채널과 다수의 브랜치 채널로 구성함으로써, 션트 저항을 증가시켜 션트 전류의 발생을 최소화 할 수 있다. 즉 메인 채널에서 다수의 브랜치 채널로 분지되는 분지점을 원형 또는 타원형 형태로 설계함으로써, 전해액의 유속 균일성을 개선하고 압력 손실을 최소화하여 레독스 플로우 이차전지의 효율을 개선할 수 있다.Further, by configuring the flow path structure in the flow frame to be a main channel and a plurality of branch channels, the generation of the shunt current can be minimized by increasing the shunt resistance. That is, by designing the branch points branching from the main channel to the plurality of branch channels in a circular or oval shape, the flow rate uniformity of the electrolyte can be improved and the pressure loss can be minimized to improve the efficiency of the redox flow secondary battery.
물론 분지점을 매개로 연결되는 브랜치 채널들은 단면적과 길이를 달리함으로써, 플로우 프레임에 형성되는 유로 구조를 단순화할 수 있다.Of course, the branch channels connected to each other via the branch points can be simplified in terms of the cross-sectional area and the length, thereby simplifying the flow path structure formed in the flow frame.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하나의 단위 셀을 구비하는 레독스 플로우 이차전지를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복수의 단위 셀을 구비하는 레독스 플로우 이차전지를 보여주는 도면이다.
도 3은 제1 비교예에 따른 단위 셀의 플로우 프레임을 보여주는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예 따른 단위 셀의 플로우 프레임을 보여주는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예 따른 단위 셀의 플로우 프레임을 보여주는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예 따른 단위 셀의 플로우 프레임을 보여주는 평면도이다.1 is a view illustrating a redox flow secondary battery having one unit cell according to a first embodiment of the present invention.
2 is a view illustrating a redox flow secondary battery having a plurality of unit cells according to a first embodiment of the present invention.
3 is a plan view showing a flow frame of a unit cell according to a first comparative example.
4 is a plan view showing a flow frame of a unit cell according to the first embodiment of the present invention.
5 is a plan view showing a flow frame of a unit cell according to a second embodiment of the present invention.
6 is a plan view showing a flow frame of a unit cell according to a third embodiment of the present invention.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.In the following description, only parts necessary for understanding embodiments of the present invention will be described, and descriptions of other parts will be omitted to the extent that they do not disturb the gist of the present invention.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and the inventor is not limited to the meaning of the terms in order to describe his invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely preferred embodiments of the present invention, and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention, so that various equivalents And variations are possible.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1 실시예First Embodiment
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하나의 단위 셀을 구비하는 레독스 플로우 이차전지를 보여주는 도면이다.1 is a view illustrating a redox flow secondary battery having one unit cell according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 레독스 플로우 이차전지(100)는 단위 셀(10)과, 단위 셀(10)의 양쪽에 접합되는 한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)를 포함하며, 한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)의 외측에 순차적으로 설치되는 제1 및 제2 집전체(71,79), 제1 및 제2 셀프레임(81,89), 제1 및 제2 전해액 탱크(91,96), 제1 및 제2 펌프(92,97)를 더 포함할 수 있다.1, the redox flow
단위 셀(10)은 분리막(11), 제1 전극(13), 제2 전극(15), 제1 플로우 프레임(20) 및 제2 플로우 프레임(50)을 포함한다. 분리막(11)을 사이에 두고 서로 마주보게 제1 전극(13)과 제2 전극(15)이 배치된다. 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)은 제1 전극(13)과 제2 전극(15)에 각각 결합되어 제1 및 제2 전극(15)으로 전해액을 흘려준다. 제1 전극(13)과 제2 전극(15)은 서로 반대되는 극성을 갖는 전극이다. 예컨대 제1 전극(13)이 양극이고, 제2 전극(15)이 음극일 수 있다.The
이때 분리막(11)은 충전 또는 방전 시 제1 전해액과, 제2 전해액을 분리시키고, 충전 또는 방전 시 선택적으로 이온만을 이동시키는 역할을 한다. 이러한 분리막(11)은 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않는다.At this time, the
제1 및 제2 전극(13,15)은 각각 제1 및 제2 전해액의 산화ㅇ환원을 위한 활성 사이트(active site)를 제공한다. 제1 및 제2 전극(13,15)으로는 펠트전극이 사용될 수 있다. 예컨대 제1 및 제2 전극(13,15)의 소재로는 부직포, 탄소섬유, 탄소 페이퍼 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게 제1 및 제2 전극(13,15)은 폴리아크릴로나이트릴(PAN, polyacrylonitrile) 계열 또는 레이온(Rayon) 계열로 형성된 카본펠트전극일 수 있다.The first and
그리고 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)은 각각 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)이 삽입 설치되는 제1 전극 삽입홀(27)과 제2 전극 삽입홀(57)이 각각 형성되어 있다. 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)은 각각 제1 및 제2 전극 삽입홀(27,27)에 삽입된 제1 및 제2 전극(15)으로 제1 전해액과 제2 전해액을 흘려주기 위한 통로인 유로를 포함한다. 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)의 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 또는 염화비닐(PVC) 등의 플라스틱 수지가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 한편 제1 실시예에 따른 레독스 플로우 이차전지(100)는 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)에 형성된 유로 구조에 기술적 특징이 있기 때문에, 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)에 대해서는 후술하도록 하겠다.The first and second flow frames 20 and 50 have a first
레독스 플로우 이차전지(100)에서 제1 전해액과 제2 전해액으로는 일반적으로 적용되는 레독스 커플을 사용할 수 있다. 예컨대 제1 전해액은 V4+/V5+ 커플을 레독스 커플로 사용하고, 제2 전해액은 V2+/V3+ 커플을 레독스 커플로 사용할 수 있다.In the redox flow
한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)는 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)의 외측에 적층된다. 바이폴라 플레이트(61,69)로는 도전성 플레이트가 사용될 수 있다. 바이폴라 플레이트(61,69)의 소재로 도전성 그라파이트 플레이트가 사용될 수 있다. 예컨대 바이폴라 플레이트(61,69)는 페놀 수지에 함침된 그라파이트 플레이트가 사용될 수 있다. 그라파이트 플레이트를 단독으로 바이폴라 플레이트(61,69)로 사용하는 경우, 전해액에 사용된 강산이 그라파이트 플레이트를 투과할 수 있다. 따라서 바이폴라 플레이트(61,69)로는 강산의 투과를 막기 위하여 페놀 수지에 함침된 그라파이트 플레이트를 사용하는 것이 바람직하다A pair of bipolar plates (61, 69) are stacked on the outside of the first and second flow frames (20, 50). As the
이때 제1 플로우 프레임(20)의 제1 전극 삽입홀(27)에 삽입된 제1 전극(13)에 있어서, 제1 전극 삽입홀(27)을 통하여 외부로 노출된 제1 전극(13)의 양면은 각각 분리막(11)과 바이폴라 플레이트(61,69)에 접촉한다. 분리막(11), 제1 플로우 프레임(20) 및 바이폴라 플레이트(61,69)의 계면을 통해서 제1 전해액이 누액되는 것을 억제하기 위해서, 분리막(11)과 제1 플로우 프레임(20) 사이, 또는 제1 플로우 프레임(20)과 바이폴라 플레이트(61) 사이에 개스킷이 개재될 수 있다.In the
또한 제2 플로우 프레임(50)의 제2 전극 삽입홀(57)에 삽입된 제2 전극(15)에 있어서, 제2 전극 삽입홀(57)을 통하여 외부로 노출된 제2 전극(15)의 양면은 각각 분리막(11)과 바이폴라 플레이트(61,69)에 접촉한다. 분리막(11), 제2 플로우 프레임(50) 및 바이폴라 플레이트(61,69)의 계면을 통해서 제2 전해액이 누액되는 것을 억제하기 위해서, 분리막(11)과 제2 플로우 프레임(50) 사이, 또는 제2 플로우 프레임(50)과 바이폴라 플레이트(61,69) 사이에 개스킷이 개재될 수 있다.In the
한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)의 외측에 제1 및 제2 집전체(71,79)가 적층된다. 제1 및 제2 집전체(71,79)는 전자가 움직이는 통로로서 충전 시 외부로부터 전자를 받아들이거나 방전 시 외부로 전자를 내어주는 역할을 한다. 이러한 제1 및 제2 집전체(71,79)는 구리 또는 황동 소재의 전도성 금속판이 사용될 수 있다.First and second
제1 및 제2 집전체(71,79)의 외측에 제1 및 제2 셀프레임(81,89)이 결합된다. 제1 및 제2 셀프레임(81,89)은 사이에 개재된 단위 셀(10), 한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69), 제1 및 제2 집전체(71,79)를 고정한다. 제1 및 제2 셀프레임(81,89)에는 각각 단위 셀(10)의 제1 및 제2 플로우 프레임(20,50)으로 제1 및 제2 전해액을 주입하거나 유출시키는 주입구와 유출구가 형성되어 있다. 제1 및 제2 셀프레임(81,89)의 소재로는 절연체가 사용될 수 있다. 예컨대 제1 및 제2 셀프레임(81,89)의 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 또는 염화비닐(PVC) 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.The first and second cell frames 81 and 89 are coupled to the outside of the first and second
제1 전해액 탱크(91)는 제1 셀프레임(81)에 형성된 주입구와 유출구에 각각 제1 유입관(93)과 제1 유출관(94)이 연결되어 제1 전해액을 제1 셀프레임(81)으로 순환시킨다. 이때 제1 유입관(93)에는 제1 전해액을 순환시키기 위한 제1 펌프(92)가 연결된다.The
그리고 제2 전해액 탱크(96)는 제2 셀프레임(81,89)에 형성된 주입구와 유출구에 각각 제2 유입관(98)과 제2 유출관(99)이 연결되어 제2 전해액을 제2 셀프레임(89)으로 순환시킨다. 이때 제2 유입관(98)에는 제2 전해액을 순환시키기 위한 제2 펌프(97)가 연결된다.In the
이와 같은 제1 실시예에 따른 레독스 플로우 이차전지(100)는 다음과 같이 제1 및 제2 전해액을 순환시킨다. 즉 제1 전해액 탱크(91)로부터 인출된 제1 전해액은 제1 펌프(92)의 동작에 의해 제1 유입관(93)을 통하여 제1 셀프레임(81)의 유입구로 주입된다. 제1 셀프레임(81)의 유입구로 주입된 제1 전해액은 제1 집전체(71) 및 제1 바이폴라 플레이트(61)를 지나 단위 셀(10)의 제1 플로우 프레임(20)을 통하여 제1 전극(13)을 통과한다. 그리고 제1 전극(13)을 통과한 제1 전해액은 제1 플로우 프레임(20), 제1 바이폴라 플레이트(61), 제2 집전체(79) 및 제1 셀프레임(81)의 유출구를 통하여 제1 유출관(94)으로 유출된다. 그리고 제1 유출관(94)으로 유출된 제1 전해액은 제1 전해액 탱크(91)로 들어가게 된다.The redox flow
그리고 제2 전해액 탱크(96)로부터 인출된 제2 전해액은 제2 펌프(97)의 동작에 의해 제2 유입관(98)을 통하여 제2 셀프레임(89)의 유입구로 주입된다. 제2 셀프레임(89)의 유입구로 주입된 제2 전해액은 제2 집전체(79) 및 제2 바이폴라 플레이트(69)를 지나 단위 셀(10)의 제2 플로우 프레임(50)을 통하여 제2 전극(15)을 통과한다. 그리고 제2 전극(15)을 통과한 제2 전해액은 제2 플로우 프레임(50), 제2 바이폴라 플레이트(69), 제2 집전체(79) 및 제2 셀프레임(89)의 유출구를 통하여 제2 유출관(99)으로 유출된다. 그리고 제2 유출관(99)으로 유출된 제2 전해액은 제2 전해액 탱크(96)로 들어가게 된다.
The second electrolytic solution drawn out from the
한편 도 1에서는 레독스 플로우 이차전지(100)가 하나의 단위 셀(10)을 구비하는 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 도 2에 도시된 바와 같이, 레독스 플로우 이차전지(200)는 복수의 단위 셀(10)이 스택된 구조를 가질 수 있다.On the other hand, FIG. 1 shows an example in which the redox flow
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 복수의 단위 셀(10)을 구비하는 레독스 플로우 이차전지(200)를 보여주는 도면이다.2 is a view showing a redox flow
도 2를 참조하면, 레독스 플로우 이차전지(200)는 복수의 단위 셀(10) 사이에 바이폴라 플레이트(60)가 각각 개재되고, 스택된 복수의 단위 셀(10)의 양쪽에 한 쌍의 바이폴라 플레이트(60)가 배치된 구조를 제외하면, 도 1의 레독스 플로우 이차전지(100)와 동일한 구조를 갖는다. 즉 레독스 플로우 이차전지(200)는 스택된 복수의 단위 셀(10)의 양쪽 외측에 위치하는 한 쌍의 바이폴라 플레이트(61,69)에 제1 및 제2 집전체(71,79), 제1 및 제2 셀프레임(81,89), 제1 및 제2 전해액 탱크(91,96)가 연결된다.Referring to FIG. 2, the redox flow
한편 도 2에 따른 레독스 플로우 이차전지(200)는 3개의 단위 셀(10)이 스택된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 2개 이상의 단위 셀(10)을 스택하여 레독스 플로우 이차전지를 구현할 수 있다.On the other hand, the redox flow
한편 레독스 플로우 이차전지의 션트 전류를 개선하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 기존에는 폭이 좁고 길이가 긴 여러 개의 채널(336)을 적용한 유로 디자인을 적용한 플로우 프레임(320,350)이 개발되었다. 여기서 도 3은 제1 비교예에 따른 단위 셀의 플로우 프레임(320,350)을 보여주는 평면도이다.Meanwhile, in order to improve the shunt current of the redox flow rechargeable battery, as shown in FIG. 3, flow frames 320 and 350 using a channel design applying a plurality of
도 3을 참조하면, 매니폴드(331)에 다수의 채널(336)이 연결된 단일 구조의 플로우 프레임(320,350)을 이용하여 레독스 플로우 이차전지를 구성하였다.Referring to FIG. 3, a redox flow secondary battery is constructed using flow frames 320 and 350 having a single structure in which a plurality of
즉 플로우 프레임(320,350)은 프레임 몸체(321), 주입 유로부(323) 및 유출 유로부를 포함한다. 프레임 몸체(321)는 중심 부분에 전극이 삽입되는 전극 삽입홀(327,357)이 형성되어 있다. 주입 유로부(323)는 전극 삽입홀(327,357)을 중심으로 일측의 프레임 몸체(321)에 형성되어 전극 삽입홀(327,357)로 전해액을 주입한다. 그리고 유출 유로부는 전극 삽입홀(327,357)을 중심으로 일측에 마주보는 타측의 프레임 몸체(321)에 형성되어 전극 삽입홀(327,357)으로부터 전해액을 유출한다. That is, the flow frames 320 and 350 include a
이때 주입 유로부(323)는 제1 매니폴드(331)와, 복수의 제1 채널(336)을 포함한다. 도시하진 않았지만 유출 유로부(325)는 제2 매니폴드(431)와, 복수의 제2 채널(436)을 포함한다.At this time, the
그러나 제1 비교예에 따른 플로우 프레임(320,350)의 유로 디자인은 길이가 동일한 단면적과 길이를 갖는 복수의 채널(336,436)을 적용함으로써 유로 모형이 복잡해지는 단점이 있었다. 즉 복수의 채널(336,436)이 동일한 길이를 갖기 때문에, 제1 및 제2 매니폴드(331,431)를 중심으로 전극 삽입홀(327,357)에 연결되는 지점까지의 거리가 가까워질수록 굴곡부의 수가 증가하기 때문에, 유로 모형이 복잡해지고 플로우 프레임(320,350)에서 주입 유로부(323) 및 유출 유로부(325)가 차지하는 면적이 커지는 문제점을 안고 있다.However, the channel design of the flow frames 320 and 350 according to the first comparative example has a disadvantage in that the channel model is complicated by applying a plurality of
본 발명에서는 아래의 수학식 1과 같은 유체의 압력 손실 관계식을 이용하여 수학식 2와 같은 기하 관계(geometric relation)를 얻을 수 있다. 수학식 2는 △p에 대해 채널의 길이(l)와 직경(D)에 대한 관계식이다.In the present invention, a geometric relation as expressed by Equation 2 can be obtained by using the pressure loss relation equation of the fluid as shown in the following Equation 1. Equation (2) is a relational expression for the length (1) and the diameter (D) of the channel with respect to DELTA p.
[수학식 1][Equation 1]
여기서 Q=const=VA이기 때문에, V=C3/D 이며, 층류영역에서 f=64/Re=64υ/VD 이다.Since Q = const = VA, V = C3 / D and f = 64 / Re = 64v / VD in the laminar flow region.
[수학식 2]&Quot; (2) "
△p : 압력 손실Δp: pressure loss
D : 직경(Diameter)D: Diameter
l : 길이(length)l: length (length)
V : 면적(A)에 대한 유체 속도(Mean Velocity)V: Mean Velocity to Area (A)
ρ : 밀도(Density)ρ: Density
Q : 체적유체Q: volumetric fluid
f : 마찰계수f: coefficient of friction
υ : 채널 내의 평균 유속υ: Average flow rate in the channel
Re : 유체의 레이놀즈 수(Reynolds number of the flow)Re: Reynolds number of the flow
ρV2/2 : 단위 체적 당 운동 에너지(kinetic energy per unit volume)ρV 2/2: the unit kinetic energy (kinetic energy per unit volume) per volume
이와 같은 채널의 기하 관계를 이용하여, 본 발명에서는 각 채널의 단면적과 길이를 변화시켜 기존의 복합한 채널 구조를 단순화 하였다.Using the geometric relationship of the channels, the present invention simplifies the existing complex channel structure by changing the cross-sectional area and length of each channel.
제1 실시예에 따른 레독스 플로우 이차전지(100)에 적용된 단위 셀(10)의 플로우 프레임(20,50)에 대해서 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 4는 본 발명의 제1 실시예 따른 단위 셀(10)의 플로우 프레임(20,50)을 보여주는 평면도이다.The flow frames 20 and 50 of the
도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 플로우 프레임(20,50)은 프레임 몸체(21), 주입 유로부(23) 및 유출 유로부(25)를 포함한다. 프레임 몸체(21)는 중심 부분에 전극(13,15)이 삽입되는 전극 삽입홀(27,57)이 형성되어 있다. 주입 유로부(23)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 일측의 프레임 몸체(21)에 형성되어 전극 삽입홀(27,57)로 전해액을 주입한다. 그리고 유출 유로부(25)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 일측에 마주보는 타측의 프레임 몸체(21)에 형성되어 전극 삽입홀(27,57)으로부터 전해액을 유출한다.1, 2 and 4, the flow frames 20 and 50 include a
이때 제1 실시예에 따른 플로우 프레임(20,50)은 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 상부에 주입 유로부(23)가 형성되고 하부에 유출 유로부(25)가 형성된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 플로우 프레임(20,50)은 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 하부에 주입 유로부(23)가 형성되고 상부에 유출 유로부(25)가 형성될 수 있다.In this case, the flow frames 20 and 50 according to the first embodiment have an example in which the injection
주입 유로부(23)가 설치되는 전극 삽입홀(27,57)의 일측과, 유출 유로부(25)가 설치되는 전극 삽입홀(27,57)의 타측에는 전극 삽입홀(27,57)에 전체적으로 균일하게 전해액이 흐를 수 있도록, 각각 미세주입유로(17)와 미세유출유로(19)가 형성되어 있다. 주입 유로부(23), 유출 유로부(25), 미세주입유로(17) 및 미세유출유로(19)는 각각 프레임 몸체(21)의 일면에 음각 형태로 형성된다.One side of the electrode insertion holes 27 and 57 on which the injection
이때 프레임 몸체(21)는 플로우 프레임(20,50)의 외형을 이루는 부분이며, 예컨대 직사각판에 가까운 형태로 구현될 수 있다. 프레임 몸체(21)의 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 또는 염화비닐(PVC) 등의 플라스틱 수지가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. At this time, the
주입 유로부(23)는 제1 매니폴드(31)와, 복수의 제1 채널(36)을 포함한다. 유출 유로부(25)는 제2 매니폴드(41)와, 복수의 제2 채널(46)을 포함한다.The injection
주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)는 동일한 구성을 갖기 때문에, 주입 유로부(23)를 중심으로 설명하면 다음과 같다. 주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 상하로 대칭되게 형성된다.Since the
제1 매니폴드(31)는 프레임 몸체(21)를 관통하도록 형성된다. 복수의 제1 채널(36)은 프레임 몸체(21)에 형성되고, 일단이 제1 매니폴드(31)에 연결되고 타단이 전극 삽입홀(27,57)의 일측에 연결되며 서로 상이한 단면적과 길이를 갖는다.The
제1 매니폴드(31)는 셀프레임의 주입구와 연결된다. 제2 매니폴드(41)는 셀프레임의 유출구와 연결된다. 펌프의 구동에 의해 전해액 탱크의 전해액이 셀프레임의 주입구를 지나 제1 매니폴드(31)를 통해서 전극 삽입홀(27,57)으로 공급되고, 전극 삽입홀(27,57)을 통과한 전해액은 제2 매니폴드(41)를 통해서 셀프레임의 유출구를 지나 전해액 탱크로 회수된다. 제1 매니폴드(31)와 제2 매니폴드(41)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 서로 마주보는 쪽의 모서리 쪽에 형성될 수 있다.The
제1 매니폴드(31)는, 전극 삽입홀(27,57)이 직사각관 형태로 갖는 경우, 전극 삽입홀(27,57)의 일측 모서리 쪽에 형성될 수 있다.The
그리고 복수의 제1 채널(36)은 일단이 제1 매니폴드(31)에 연결되고, 타단이 전극 삽입홀(27,57)의 일측면의 서로 다른 지점에 연결된다. 즉 복수의 제1 채널(36)의 타단은 전극 삽입홀(27,57)의 일측면에 형성된 미세주입유로(17)의 서로 다른 지점에 연결된다. 복수의 제1 채널(36)이 연결되는 전극 삽입홀(27,57)의 일측면은 주입 유로부(23)가 형성된 쪽에 위치하는 전극 삽입홀(27,57)의 측면이다.The plurality of
복수의 제1 채널(36)은, 미세주입유로(17)를 통하여 전극 삽입홀(27,57)에 전체적으로 균일하게 전해액을 주입할 수 있도록, 제1 매니폴드(31)를 중심으로 전극 삽입홀(27,57)에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가하는 형태를 갖는다. 이와 같이 복수의 제1 채널(36)을 형성한 이유는 동일한 △p를 확보함으로써, 압력 손실을 최소화할 수 있기 때문이다.The plurality of
즉 복수의 제1 채널(36)은 전극 삽입홀(27,57)의 일측면에 수평한 수평 채널부(36a)와, 수평 채널부(36a)와 전극 삽입홀(27,57)의 일측면을 수직 방향으로 연결하는 수직 채널부(36b)를 포함한다. 즉 복수의 제1 채널(36)은 모두 하나의 굴곡부를 구비하는 기역자 형태로 단순하게 형성될 수 있다. That is, the plurality of
예컨대 제1 실시예에 따른 주입 유로부(23)는 5개의 제1 채널을 구비하는 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 전극 삽입홀(27,57)의 크기에 따라 제1 채널의 수는 변경될 수 있다.For example, although the
그리고 주입 유로부(23)를 통하여 전극 삽입홀(27,57)에 유입되는 전해액의 유량이 전극 삽입홀(27,57)의 일측면에 전체적으로 동일한 속도로 공급될 수 있도록 하기 위해서, 미세주입유로(17)의 단면적의 총합과 제1 매니폴드(31)의 단면적을 1 대 1 관계로 하여 압력 차이가 없도록 하는 것이 바람직하다. 또한 전극 삽입홀(27,57)으로부터 유출되는 전해액의 유량이 전극 삽입홀(27,57)의 타측면에 전체적으로 동일한 속도로 유출될 수 있도록 하기 위해서, 미세유출유로(19)의 단면적의 총합과 제2 매니폴드(41)의 단면적을 1 대 1 관계로 하여 압력 차이가 없도록 하는 것이 바람직하다.In order that the flow rate of the electrolytic solution flowing into the electrode insertion holes 27 and 57 through the injection
이와 같이 제1 실시예에 따른 플로우 프레임(20,50)은 매니폴드(31,41)에 연결되는 다수의 채널(36,46)의 단면적과 길이를 달리함으로써, 플로우 프레임(20,50)에 형성되는 유로 구조를 단순화할 수 있다. 이로 인해 플로우 프레임(20,50)에서 유로가 차지하는 면적을 감소시킬 수 있기 때문에, 플로우 프레임(20,50)에서 주입 유로부(23) 및 유출 유로부(25)가 차지하는 면적을 최소화할 수 있다. 따라서 제1 실시예에 따른 플로우 프레임(20,50)을 이용할 경우, 컴팩트한 레독스 플로우 이차전지(100)의 제작이 가능하다.As described above, the flow frames 20 and 50 according to the first embodiment have different cross sectional areas and lengths of the plurality of
또한 채널들(36,46)의 단면적과 길이를 달리하는 가변 채널의 도입을 통하여 전해액의 유속 균일성과 압력 손실을 최소화하여 션트 전류의 발생을 최소화 할 수 있다.Also, the flow rate uniformity of the electrolyte and the pressure loss can be minimized by introducing a variable channel having different cross-sectional areas and lengths of the
또한 전해액의 유속 균일성을 개선함으로써, 전해액의 유량 분포도를 개선할 수 있기 때문에, 단위 셀들(10)의 스택 안정성을 향상시킬 수 있다. 이로 인해 단위 셀들(10)의 스택 안정성을 향상시킬 수 있기 때문에, 레독스 플로우 이차전지(200)에서 스택되는 단위 셀(10)의 수를 증가시키고 직렬 연결 특성을 확대할 수 있다.Further, since the flow rate distribution of the electrolytic solution can be improved by improving the flow rate uniformity of the electrolytic solution, the stack stability of the
또한 스택되는 단위 셀(10) 수의 증가와 직렬 연결 특성을 확대함으로써, 레독스 플로우 이차전지(200)의 고전압화를 구현할 수 있다.In addition, by increasing the number of
제2 실시예Second Embodiment
도 5는 본 발명의 제2 실시예 따른 단위 셀의 플로우 프레임을 보여주는 평면도이다.5 is a plan view showing a flow frame of a unit cell according to a second embodiment of the present invention.
도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 단위 셀(10)에 적용되는 플로우 프레임(120,150)은 제1 전극(13)에 적용되는 제1 플로우 프레임(120)과, 제2 전극(15)에 적용되는 제2 플로우 프레임(150)을 포함하며, 동일한 구조를 갖는다.1, 2 and 5, the flow frames 120 and 150 applied to the
플로우 프레임(120,150)은 프레임 몸체(21), 주입 유로부(23) 및 유출 유로부(25)를 포함한다. 프레임 몸체(21)는 중심 부분에 전극(13,15)이 삽입되는 전극 삽입홀(27,57)이 형성되어 있다. 주입 유로부(23)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 일측의 프레임 몸체(21)에 형성되어 전극 삽입홀(27,57)로 전해액을 주입한다. 그리고 유출 유로부(25)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 일측에 마주보는 타측의 프레임 몸체(21)에 형성되어 전극 삽입홀(27,57)으로부터 전해액을 유출한다.The flow frames 120 and 150 include a
이때 제2 실시예에 따른 플로우 프레임(120,150)은 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 상부에 주입 유로부(23)가 형성되고 하부에 유출 유로부(25)가 형성된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 플로우 프레임(120,150)은 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 하부에 주입 유로부(23)가 형성되고 상부에 유출 유로부(25)가 형성될 수 있다.Although the flow frames 120 and 150 according to the second embodiment have been described with the example in which the injection
주입 유로부(23)가 설치되는 전극 삽입홀(27,57)의 일측과, 유출 유로부(25)가 설치되는 전극 삽입홀(27,57)의 타측에는 전극 삽입홀(27,57)에 전체적으로 균일하게 전해액이 흐를 수 있도록, 각각 미세주입유로(17)와 미세유출유로(19)가 형성되어 있다. 주입 유로부(23), 유출 유로부(25), 미세주입유로(17) 및 미세유출유로(19)는 각각 프레임 몸체(21)의 일면에 음각 형태로 형성된다.One side of the electrode insertion holes 27 and 57 on which the injection
이때 프레임 몸체(21)는 플로우 프레임(120,150)의 외형을 이루는 부분이며, 예컨대 직사각판에 가까운 형태로 구현될 수 있다. 프레임 몸체(21)의 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS) 또는 염화비닐(PVC) 등의 플라스틱 수지가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. At this time, the
주입 유로부(23)는 제1 매니폴드(31), 복수의 제1 채널(36)을 포함한다. 유출 유로부(25)는 제2 매니폴드(41)와, 복수의 제2 채널(46)을 포함한다. 이때 복수의 제1 채널(36)은 제1 메인 채널(33), 제1 분지조(35) 및 복수의 제1 브랜치 채널(37)을 포함한다. 복수의 제2 채널(46)은 제2 메인 채널(43), 제2 분지조(45) 및 복수의 제2 브랜치 채널(47)을 포함한다.The injection
주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)는 동일한 구성을 갖기 때문에, 주입 유로부(23)를 중심으로 설명하면 다음과 같다. 주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 상하로 대칭되게 형성된다.Since the
제1 매니폴드(31)는 프레임 몸체(21)를 관통하도록 형성된다. 제1 메인 채널(33)은 프레임 몸체(21)에 형성되고, 제1 매니폴드(31)와 일단이 연결되며 제1 매니폴드(31) 보다는 작은 내경을 갖는다. 제1 분지조(35)는 프레임 몸체(21)에 형성되고, 제1 메인 채널(33)의 타단에 연결되며 제1 메인 채널(33)의 내경보다는 큰 내부 공간을 갖는다. 그리고 복수의 제1 브랜치 채널(37)은 프레임 몸체(21)에 형성되고, 일단이 제1 분지조(35)에 연결되고 타단이 전극 삽입홀(27,57)의 일측에 연결되며 제1 메인 채널(33) 보다는 작은 내경을 갖는다.The
제1 매니폴드(31)는 셀프레임의 주입구와 연결된다. 제2 매니폴드(41)는 셀프레임의 유출구와 연결된다. 펌프의 구동에 의해 전해액 탱크의 전해액이 셀프레임의 주입구를 지나 제1 매니폴드(31)를 통해서 전극 삽입홀(27,57)으로 공급되고, 제1 전극 삽입홀(27,57)을 통과한 전해액은 제2 매니폴드(41)를 통해서 셀프레임(81)의 유출구를 지나 전해액 탱크로 회수된다. 제1 매니폴드(31)와 제2 매니폴드(41)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 서로 마주보는 쪽의 모서리 쪽에 형성될 수 있다.The
제1 매니폴드(31)는, 전극 삽입홀(27,57)이 직사각관 형태로 갖는 경우, 전극 삽입홀(27,57)의 일측 모서리 쪽에 형성될 수 있다.The
제1 메인 채널(33)은 일측이 제1 매니폴드(31)에 연결되어 전극 삽입홀(27,57)의 일측면에 수평하게 형성될 수 있다. 제1 실시예에서는 전극 삽입홀(27,57)의 상부의 일측면에 수평하게 제1 메인 채널(33)이 형성된 예를 개시하였다.One side of the first
제1 분지조(35)는 제1 메인 채널(33)과 복수의 제1 브랜치 채널(37)의 연결을 매개한다. 제1 분지조(35)는 제1 메인 채널(33)에서 복수의 제1 브랜치 채널(37)로 전해액이 흐를 때, 복수의 제1 브랜치 채널(37)에서의 유속분포도를 균일하게 한다. 이러한 제1 분지조(35)는 단면이 원형 또는 타원형의 형태를 가지고, 내경이 제1 메인 채널(33)의 내경의 1배 내지 10배일 수 있다. The
그리고 복수의 제1 브랜치 채널(37)은 일단이 제1 분지조(35)에 연결되고, 타단이 전극 삽입홀(27,57)의 일측면의 서로 다른 지점에 연결된다. 즉 복수의 제1 브랜치 채널(37)의 타단은 전극 삽입홀(27,57)의 일측면에 형성된 미세주입유로(17)의 서로 다른 지점에 연결된다. 복수의 제1 브랜치 채널(37)이 연결되는 전극 삽입홀(27,57)의 일측면은 주입 유로부(23)가 형성된 쪽에 위치하는 전극 삽입홀(27,57)의 측면이다.The plurality of
복수의 제1 브랜치 채널(37)은, 미세주입유로(17)를 통하여 전극 삽입홀(27,57)에 전체적으로 균일하게 전해액을 주입할 수 있도록, 제1 분지조(35)를 중심으로 전극 삽입홀(27,57)에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가하는 형태를 갖는다. 이와 같이 복수의 제1 브랜치 채널(37)을 형성한 이유는 동일한 △p를 확보함으로써, 압력 손실을 최소화할 수 있기 때문이다.The plurality of
제2 실시예에 따른 주입 유로부(23)는 1개의 제1 메인 채널(33)과, 5개의 제1 브랜치 채널(37)을 구비하는 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 주입 유로부(23)는 1개 이상의 제1 메인 채널(33)과, 제1 메인 채널(33) 보다 많은 수의 제1 브랜치 채널(37)을 구비할 수 있다.Although the
그리고 주입 유로부(23)를 통하여 전극 삽입홀(27,57)에 유입되는 전해액의 유량이 전극 삽입홀(27,57)의 일측면에 전체적으로 동일한 속도로 공급될 수 있도록 하기 위해서, 미세주입유로(17)의 단면적의 총합과 제1 매니폴드(31)의 단면적을 1 대 1 관계로 하여 압력 차이가 없도록 하는 것이 바람직하다. 또한 전극 삽입홀(27,57)으로부터 유출되는 전해액의 유량이 전극 삽입홀(27,57)의 타측면에 전체적으로 동일한 속도로 유출될 수 있도록 하기 위해서, 미세유출유로(19)의 단면적의 총합과 제2 매니폴드(41)의 단면적을 1 대 1 관계로 하여 압력 차이가 없도록 하는 것이 바람직하다.In order that the flow rate of the electrolytic solution flowing into the electrode insertion holes 27 and 57 through the injection
이와 같이 제2 실시예에 따른 플로우 프레임(120,150)은 유로 구조를 메인 채널과 다수의 브랜치 채널로 구성함으로써, 션트 저항을 증가시켜 션트 전류의 발생을 최소화 할 수 있다.As described above, the flow frames 120 and 150 according to the second embodiment can minimize the generation of shunt current by increasing the shunt resistance by configuring the flow path structure with the main channel and the plurality of branch channels.
즉 제2 실시예에서는 플로우 프레임(120,150)의 전해액의 유로를 한 개의 폭이 큰 메인 채널과, 5개의 폭이 작은 분지된 브랜치 채널로 유로를 설계함으로써, 메인 채널에서의 채널 수의 감소와 브랜치 채널에서의 단면적 감소 효과로 인한 션트 저항의 증가로 인한 션트 전류가 감소될 수 있도록 한다.In other words, in the second embodiment, by designing the flow path of the electrolytic solution of the flow frames 120 and 150 as a main channel having one large width and a branch channel having five small widths, it is possible to reduce the number of channels in the main channel, So that the shunt current due to the increase in shunt resistance due to the effect of reducing the cross-sectional area in the channel can be reduced.
뿐만 아니라 분지된 각각의 브랜치 채널의 폭과 길이를 일정하게 유지하여 각 브랜치 채널에서의 유속을 동일하게 설계하였다. 전해액이 흐르는 방향으로 전극의 일측면과 타측면에 미세주입유로(17)와 미세유출유로(19)를 두어 균일한 유속 분포(flow distribution)가 가능할 수 있게 설계하였다.In addition, the width and length of each branched branch channel are kept constant, and the flow rates in each branch channel are designed to be the same. A
그리고 메인 채널에서 브랜치 채널들로 분지되는 지점을 원형 또는 타원형의 분지조를 설치함으로써, 브랜치 채널에서의 유속분포도를 균일하게 하였다.By providing a circular or elliptical branching point at which the branch channels are branched from the main channel, the flow rate distribution in the branch channel is made uniform.
제3 실시예Third Embodiment
한편 본 발명의 제1 및 제2 실시예에서는 플로우 프레임(20,50,120,150)에 있어서, 주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)가 전극을 중심으로 선대칭 되게 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 6과 같이, 제3 실시예에 따른 플로우 프레임(220,250)은 주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)가 전극을 중심으로 선대칭 되게 형성되되, 서로 반대 방향으로 형성될 수 있다.On the other hand, in the first and second embodiments of the present invention, an example in which the injection
도 6은 본 발명의 제3 실시예 따른 단위 셀의 플로우 프레임(220,250)을 보여주는 평면도이다.6 is a plan view showing flow frames 220 and 250 of a unit cell according to a third embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 제3 실시예에 따른 단위 셀의 플로우 프레임(220,250)은 제2 실시예에 따른 플로우 프레임(120,150)과 비교할 때, 주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)가 서로 반대 방향으로 형성된 것을 제외하면 제2 실시예에 따른 단위 셀의 플로우 프레임(120,150)과 동일한 구조를 갖는다. 즉 주입 유로부(23)와 유출 유로부(25)의 제1 및 제2 매니폴드(31,41)는 전극 삽입홀(27,57)을 중심으로 대각선 방향의 모서리 쪽에 형성된다.6, the flow frames 220 and 250 of the unit cell according to the third embodiment are different from the flow frames 120 and 150 according to the second embodiment in that the injection
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
10 : 단위 셀
11 : 분리막
13 : 제1 전극
15 : 제2 전극
17 : 미세주입유로
19 : 미세유출유로
20 : 제1 플로우 프레임
21 : 프레임 몸체
23 : 주입 유로부
25 : 유출 유로부
27 : 제1 전극 삽입홀
31 : 제1 매니폴드
33 : 제1 메인 채널
35 : 제1 분지조
36 : 제1 채널
37 : 제1 브랜치 채널
41 : 제2 매니폴드
43 : 제2 메인 채널
45 : 제2 분지조
46 : 제2 채널
47 : 제2 브랜치 채널
50 : 제2 플로우 프레임
57 : 제2 전극 삽입홀
61 : 제1 바이폴라 플레이트
69 : 제2 바이폴라 플레이트
71 : 제1 집전체
79 : 제2 집전체
81 : 제1 셀프레임
89 : 제2 셀프레임
91 : 제1 전해액 탱크
92 : 제1 펌프
93 : 제1 유입관
94 : 제1 유출관
96 : 제2 전해액 탱크
97 : 제2 펌프
98 : 제2 유입관
99 : 제2 유출관
100, 200 : 레독스 플로우 이차전지10: Unit cell
11: Membrane
13: first electrode
15: second electrode
17:
19: Microflow channel
20: first flow frame
21: frame body
23:
25:
27: First electrode insertion hole
31: first manifold
33: First main channel
35: The first minute
36: First channel
37: First branch channel
41: second manifold
43: Second main channel
45: The second minute
46: Second channel
47: second branch channel
50: second flow frame
57: Second electrode insertion hole
61: first bipolar plate
69: second bipolar plate
71: 1st Total
79: The 2nd Total
81: first cell frame
89: Second cell frame
91: First electrolyte tank
92: first pump
93: first inlet pipe
94: First outflow pipe
96: Second electrolyte tank
97: Second pump
98: second inlet pipe
99: Second outflow pipe
100, 200: redox flow secondary battery
Claims (8)
상기 전극 삽입홀을 중심으로 일측의 상기 프레임 몸체에 형성되어 상기 전극 삽입홀로 전해액을 주입하는 주입 유로부; 및
상기 전극 삽입홀을 중심으로 상기 일측에 마주보는 타측의 상기 프레임 몸체에 형성되어 상기 전극 삽입홀로부터 상기 전해액을 유출하는 유출 유로부;를 포함하고,
상기 주입 유로부와 상기 유출 유로부는 각각,
상기 프레임 몸체를 관통하여 형성된 매니폴드; 및
상기 프레임 몸체에 형성되고, 일단이 상기 매니폴드에 연결되고 타단이 상기 전극 삽입홀의 일측에 연결되며 서로 상이한 단면적과 길이를 갖는 복수의 채널;을 포함하며,
상기 복수의 채널은, 상기 매니폴드를 중심으로 상기 전극 삽입홀에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가하는 형태를 갖고, 다음과 같은 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.
(이 때, l1, l2는 임의의 채널 1, 2의 길이, D1, D2는 임의의 채널 1, 2의 직경)A frame body having an electrode insertion hole in which an electrode is installed at a central portion thereof;
An injection channel formed in the frame body on one side of the electrode insertion hole to inject an electrolyte into the electrode insertion hole; And
And an outflow channel portion formed on the other side of the frame body facing the one side with respect to the electrode insertion hole and discharging the electrolyte solution from the electrode insertion hole,
And the inflow channel portion and the outflow channel portion are respectively connected to the inflow-
A manifold formed through the frame body; And
And a plurality of channels formed on the frame body and having one end connected to the manifold and the other end connected to one side of the electrode insertion hole and having different cross-sectional areas and lengths,
Wherein the plurality of channels have a shape in which a cross-sectional area and a length are increased as the distance from the manifold to a point connected to the electrode insertion hole increases, and the following relationship is satisfied: Flow Flow Frame for secondary flow battery.
(Where l 1 and l 2 are the lengths of arbitrary channels 1 and 2, and D 1 and D 2 are the diameters of arbitrary channels 1 and 2)
상기 전극 삽입홀은 직사각관 형태를 가지며,
상기 매니폴드는 상기 전극 삽입홀의 일측 모서리 쪽에 형성되고,
상기 복수의 채널은 상기 전극 삽입홀의 일측면에 수평한 수평 채널부와, 상기 수평 채널부와 상기 전극 삽입홀의 일측면을 수직 방향으로 연결하는 수직 채널부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.The method according to claim 1,
The electrode insertion hole has a rectangular tube shape,
The manifold is formed on one side edge of the electrode insertion hole,
Wherein the plurality of channels include a horizontal horizontal channel part on one side of the electrode insertion hole and a vertical channel part connecting the horizontal channel part and one side of the electrode insertion hole in a vertical direction. Flow frame.
상기 프레임 몸체에 형성되고, 상기 매니폴드와 일단이 연결되며 상기 매니폴드 보다는 작은 내경을 갖는 메인 채널;
상기 프레임 몸체에 형성되고, 상기 메인 채널의 타단에 연결되며 상기 메인 채널의 내경보다는 큰 내부 공간을 갖는 분지조;
상기 프레임 몸체에 형성되고, 일단이 상기 분지조에 연결되고 타단이 상기 전극 삽입홀의 일측에 연결되며 상기 메인 채널 보다는 작은 내경을 갖는 복수의 브랜치 채널;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.2. The apparatus of claim 1,
A main channel formed in the frame body and connected at one end to the manifold and having an inner diameter smaller than that of the manifold;
A branching tank formed on the frame body and connected to the other end of the main channel and having an inner space larger than an inner diameter of the main channel;
A plurality of branch channels formed in the frame body, one end connected to the branch bank and the other end connected to one side of the electrode insertion hole and having an inner diameter smaller than that of the main channel;
And a flow frame for a redox flow secondary battery.
상기 분지조를 중심으로 상기 전극 삽입홀에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.5. The apparatus of claim 4, wherein the plurality of branch channels comprise:
Wherein a sectional area and a length of the flow frame increase as a distance from the branching tank to a point connected to the electrode insertion hole increases.
상기 분지조는 단면이 원형 또는 타원형의 형태를 가지고, 내경이 상기 메인 채널의 내경의 10배 이하인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.5. The method of claim 4,
Wherein the branch tank has a circular or elliptical cross section and an inner diameter of 10 times or less the inner diameter of the main channel.
상기 주입 유로부와 상기 유출 유로부의 매니폴드는 상기 전극 삽입홀을 중심으로 서로 마주보는 쪽의 모서리 및 대각선 쪽의 모서리 중에 하나에 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지용 플로우 프레임.The method according to claim 1,
Wherein the injection path portion and the manifold portion of the outflow path portion are formed on one of the corners opposite to each other with respect to the electrode insertion hole and one of the corners on the diagonal side.
상기 복수의 단위 셀 사이에 개재되고, 스택된 복수의 단위 셀의 양쪽에 스택되는 복수의 바이폴라 플레이트;를 포함하며,
상기 제1 및 제2 플로우 프레임은 각각,
중심 부분에 전극이 설치되는 전극 삽입홀이 형성된 프레임 몸체;
상기 전극 삽입홀을 중심으로 일측의 상기 프레임 몸체에 형성되어 상기 전극 삽입홀로 전해액을 주입하는 주입 유로부; 및
상기 전극 삽입홀을 중심으로 상기 일측에 마주보는 타측의 상기 프레임 몸체에 형성되어 상기 전극 삽입홀로부터 상기 전해액을 유출하는 유출 유로부;를 포함하고,
상기 주입 유로부와 상기 유출 유로부는 각각,
상기 프레임 몸체를 관통하여 형성된 매니폴드; 및
상기 프레임 몸체에 형성되고, 일단이 상기 매니폴드에 연결되고 타단이 상기 전극 삽입홀의 일측에 연결되며 서로 상이한 단면적과 길이를 갖는 복수의 채널;을 포함하며,
상기 복수의 채널은, 상기 매니폴드를 중심으로 상기 전극 삽입홀에 연결되는 지점까지의 거리가 멀어질수록, 단면적과 길이가 증가하는 형태를 갖고, 다음과 같은 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 이차전지.
(이 때, l1, l2는 임의의 채널 1, 2의 길이, D1, D2는 임의의 채널 1, 2의 직경)A separator, a first electrode and a second electrode disposed opposite to each other with the separator interposed therebetween, first and second electrodes respectively connected to the first and second electrodes for flowing an electrolyte solution into the first and second electrodes, A plurality of unit cells stacked with a flow frame; And
A plurality of bipolar plates interposed between the plurality of unit cells and stacked on both sides of the plurality of stacked unit cells,
Wherein the first and second flow frames each comprise:
A frame body having an electrode insertion hole in which an electrode is installed at a central portion thereof;
An injection channel formed in the frame body on one side of the electrode insertion hole to inject an electrolyte into the electrode insertion hole; And
And an outflow channel portion formed on the other side of the frame body facing the one side with respect to the electrode insertion hole and discharging the electrolyte solution from the electrode insertion hole,
And the inflow channel portion and the outflow channel portion are respectively connected to the inflow-
A manifold formed through the frame body; And
And a plurality of channels formed on the frame body and having one end connected to the manifold and the other end connected to one side of the electrode insertion hole and having different cross-sectional areas and lengths,
Wherein the plurality of channels have a shape in which a cross-sectional area and a length are increased as the distance from the manifold to a point connected to the electrode insertion hole increases, and the following relationship is satisfied: Doss flow secondary battery.
(Where l 1 and l 2 are the lengths of arbitrary channels 1 and 2, and D 1 and D 2 are the diameters of arbitrary channels 1 and 2)
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