KR101742980B1 - 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 한 쌍의 앤드플레이트, 상기 앤드플레이트 사이에 구비되는 하나 이상의 모듈러셀을 포함하는 레독스 흐름전지에 있어서, 상기 모듈러셀은 양전극과 음전극으로 구분되는 한 쌍의 전극과 상기 전극 사이에 개재되는 멤브레인 및 상기 전극의 외측 면으로 적층되는 분리판으로 구성된 하나 이상의 셀; 및 내부에 전해액 유로가 형성된 중간 매니폴드;가 적층되어 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지{REDOX FLOW BATTERY FOR REDUCING SHUNT CURRENT}
본 발명은 분로전류(shunt current)를 효과적으로 저감시킬 수 있는 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
한 쌍의 앤드플레이트가 구비되고, 상기 앤드플레이트 사이에 하나 이상의 모듈러셀이 다수 개 구비되되, 상기 모듈러셀은 하나 이상의 셀과 중간 매니폴드 구조체로 이루어지고, 상기 중간 매니폴드 구조체에 직선 형상이 아닌 굽이 형상의 유로가 형성되어 긴 형태의 유로가 형성되도록 함으로써, 분로전류를 효과적으로 저감시킬 수 있는 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
최근 에너지저장시스템(ESS:Energy storage system)의 개발이 활발히 진행되고 있는 가운데 충방전이 가능한 이차전지(Secondary battery)가 유력한 기술로 각광받고 있다.
에너지저장시스템은 화력, 수력, 원자력, 태양광, 풍력 및 조력, 열병합발전 등에 의하여 생산된 전력을 저장한 뒤에 전력이 필요한 장치나 계통에 전원을 공급하는 시스템이다. 이를 위하여 에너지저장시스템은 LiB전지, NaS 전지, 흐름전지(FB: Flow Battery), 수퍼캐패시터 등의 이차전지를 이용한 배터리를 이용한 저장방식과 비 배터리 저장방식으로 구성된다.
이중, 흐름전지 내부에는 전기활성물질을 포함하고 있는 전해질이 있으며, 해당 전해질이 전기화학반응기를 통해 흐르면서 화학적 에너지가 전기 에너지로 변환된다.(여기서 '전기활성물질'이란 전해질에 포함되어 있어 전극반응에 참여하거나 전극에 흡수될 수 있는 물질을 말한다)
보다 상세하게 설명하자면, 흐름전지는 멤브레인의 양측에 양극 전해질(Electrolyte)과 음극 전해질이 순환하면서 이온 교환이 이루어지고 이 과정에서 전자의 이동이 발생하여 충방전이 이루어진다. 이와 같은 흐름전지는 기존 이차전지에 비해 수명이 길고 kW~MW급 중대형 시스템으로 제작할 수 있기 때문에 에너지저장시스템에 가장 적합한 것으로 알려져 있다.
이러한 에너지저장시스템(ESS:Energy storage system)으로 이차전지의 용량을 늘리기 위하여 반응 물질이 내부로 순환하는 레독스 흐름전지(Redox-Flow battery)가 각광 받고 있다.
레독스 흐름전지란 reduction(환원), oxidation(산화), flow(흐름)의 단어를 합성한 것으로 전해액을 탱크에 저장하고 그 전해액을 펌프로 셀이라고 불리는 부분에 송액 하여 충전/방전하는 전지를 의미한다.
이러한 레독스 흐름전지 중 하나로, 등록특허공보 제10-1176126호에는 바이폴라 플레이트와 양전극 멤브레인 음전극이 하나의 셀로 구성되고 다수의 셀이 직렬적층된 구조에서 일측으로 주입된 전해액이 각 셀을 순차적으로 통과할 때 서로 다른 극을 갖는 바이폴라 플레이트의 유로통공에는 테프론 재질의 쇼트방지관이 내설되어 서로 다른 극을 갖는 전해액과 바이폴라플레이트의 접촉을 차단해 쇼트에 의한 효율성이 저하되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지 구조가 개시되어 있다.
한편, 레독스 흐름전지는 도 1을 참조하여 설명하면, 매니폴드(21)를 통해 각 셀(100)로 전해액이 공급된다.
그런데 매니폴드(21)에 채워진 전해액은 각 셀(100)을 잇는 전기 통로 역할을 하므로 전류의 이동 경로가 될 수 있으며, 이러한 경로를 통해 분로전류(shunt current)가 발생됨에 따라, 충방전시에 에너지의 일부가 분로전류에 의해 손실되는 문제점이 있다.
이에, 레독스 흐름전지의 효율이 감소하고, 부품 손상 및 셀 성능 저하의 원인이 되는 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-1176126호(2012.08.16.)
본 발명은 위와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 한 쌍의 앤드플레이트가 구비되고, 상기 앤드플레이트 사이에 하나 이상의 모듈러셀이 다수 개 구비되되, 상기 모듈러셀은 하나 이상의 셀과 중간 매니폴드 구조체로 이루어지고, 상기 중간 매니폴드 구조체에 직선 형상이 아닌 굽이 형상의 유로가 형성되어 긴 형태의 유로가 형성되도록 함으로써, 분로전류를 효과적으로 저감시킬 수 있는 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지를 제공하는 데 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지는 한 쌍의 앤드플레이트, 앤드플레이트 사이에 구비되는 하나 이상의 모듈러셀을 포함하는 레독스 흐름전지에 있어서, 모듈러셀은 양전극과 음전극으로 구분되는 한 쌍의 전극과 전극 사이에 개재되는 멤브레인 및 전극의 외측 면으로 적층되는 분리판으로 구성된 하나 이상의 셀; 및 내부에 전해액 유로가 형성된 중간 매니폴드;가 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지를 제공함으로써, 기술적 과제를 해결하고자 한다.
본 발명은 한 쌍의 앤드플레이트가 구비되고, 상기 앤드플레이트 사이에 하나 이상의 모듈러셀이 다수 개 구비되되, 상기 모듈러셀은 하나 이상의 셀과 중간 매니폴드 구조체로 이루어지고, 상기 중간 매니폴드 구조체에 직선 형상이 아닌 굽이 형상의 유로가 형성되어 긴 형태의 유로가 형성되도록 함으로써, 분로전류를 효과적으로 저감시킬 수 있는 현저한 효과를 보유하고 있다.
또한 기존의 유로프레임에 형성되는 유로를 변경하지 않고, 유로가 긴 형태를 갖는 중간 매니폴드 구조체가 구비됨으로써, 기존의 유로프레임에 형성되는 유로가 길게 형성되도록 변경시, 두께가 증가되어 셀 자체의 두께가 증가되고, 결과적으로 흐름전지의 두께가 두꺼워짐에 따라 발생되는 단가 상승 및 효율성 저하를 미연에 방지할 수 있는 현저한 효과를 보유하고 있다.
또한 중간 매니폴드 구조체가 한 쌍의 앤드플레이트를 결합시키는 고정부에 결합되고, 셀의 상,하,좌,우측면 중 선택된 면을 감싸도록 가이드 돌출부가 구비됨으로써, 다수 개의 셀이 앤드플레이트 사이에 구비되는 경우, 셀 간 편심을 최소화하여 셀과 셀을 잇는 유로가 연통되지 못해 전해액 흐름이 차단되는 것을 미연에 방지할 수 있는 현저한 효과를 보유하고 있다.
또한 중간 매니폴드 구조체의 상측 또는 하측에 전해액을 통과시키기 위한 전해액 유입구 및 전해액을 배출시키기 위한 전해액 배출구가 형성되되, 상기 전해액 유입구와 전해액 배출구에 각각 밸브가 구비되어 전해액의 이동을 단속함으로써, 다수 개 구비되는 모듈러셀 각각의 밸브를 선택적으로 조작하여 전해액의 흐름을 효율적으로 제어할 수 있는 현저한 효과를 보유하고 있다.
도 1은 종래 레독스 흐름전지의 개략 구조도 및 전지셀 부분의 단면구조도이다.
도 2는 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지를 나타낸 개략적인 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지에서 중간 매니폴드 구조체의 예를 나타낸 저면 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지에서 중간 매니폴드 구조체에 형성된 전해액 유로의 일 예를 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지에서 중간 매니폴드 구조체에 형성된 전해액 유로의 다른 예를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지에서 중간 매니폴드 구조체에 형성된 전해액 유로의 또 다른 예를 나타낸 평면도이다.
도 7은 도 2의 'A'에서 다수의 모듈러셀에 밸브가 구비된 예를 나타낸 개략적인 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지에서 가이드 공이 형성된 예를 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지에서 가이드 돌출부가 형성된 예를 나타낸 사시도이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지는 한 쌍의 앤드플레이트가 구비되고, 상기 앤드플레이트 사이에 하나 이상의 모듈러셀이 다수 개 구비되되, 상기 모듈러셀은 하나 이상의 셀과 중간 매니폴드 구조체로 이루어지고, 상기 중간 매니폴드 구조체에 직선 형상이 아닌 굽이 형상의 유로가 형성되어 긴 형태의 유로가 형성되도록 함으로써, 분로전류를 효과적으로 저감시킬 수 있는 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
먼저, 본 명세서에서 흐름전지에 구성되는 셀(100)은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 실시할 수 있는 구성이므로, 본 명세서에서 상세히 설명하지 않았음을 밝힌다.
따라서 본 발명에서는 하나 이상의 셀(100)과 중간 매니폴드 구조체(200)로 이루어진 모듈러셀(60)이 구비되는 것을 특징으로 한 레독스 흐름전지를 제공함으로써, 기존의 레독스 흐름전지 구성과 차별성을 두었으며, 이에 따른 효과에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 레독스 흐름전지의 구조를 설명하기 위한 개략 구조도로, 도 1을 참조하여 레독스 흐름전지에 대해 설명하면, 레독스 흐름전지는 양전극(111)과 음전극(112)으로 구분되는 한 쌍의 전극(110)과 상기 전극(110) 사이에 개재되는 멤브레인(120) 및 상기 전극(110)의 외측에 이격되어 위치하는 분리판(130)으로 구성된 셀(100)이 다수 적층되고, 적층된 상기 셀(100)에는 유로가 형성되어 음극전해액과 양극전해액이 교차 공급되는 구조로 이루어진다.
또한 전해액은 전해액탱크(30, 40)에서 펌프(50)를 통해 강제이송되어 관로(20)를 흐르다 각 셀(100)과 연결된 매니폴드(21)를 통해 각 셀(100)로 공급되어 순환하게 된다.
한편, 본 명세서에서 앤드플레이트(10), 전해액탱크(30, 40) 및 펌프(50)의 구성 및 기능에 대해서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 모두 잘 알고 있을 것이므로 본 명세서에서 이에 대해 별도로 설명하지는 않기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지를 나타낸 개략적인 개념도이다.
본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지는 하나 이상의 셀(100)과 전해액 유로(210)를 포함하는 중간 매니폴드 구조체(200)로 이루어진 모듈러셀(60)이 다수 개 구비됨으로써, 분로전류를 효과적으로 억제할 수 있도록 하는 것으로, 한 쌍의 앤드플레이트(10) 사이에 하나 이상의 모듈러셀(60)이 구비되는 것을 특징으로 한다.
앤드플레이트(10)는 하나 이상 구비되는 모듈러셀(60) 중 양측 최외곽 모듈러셀(60)의 외측 면으로 적층되며, 모듈러셀(60)을 압착시키는 기능을 수행하는 것으로, 외부에 펌프(50)와 전해액탱크(30, 40)가 연결되도록 하여, 앤드플레이트(10) 사이에 구비되는 모듈러셀(60)로 음극 전해액 또는 양극 전해액이 통과하여 순환된다.
모듈러셀(60)은 한 쌍의 앤드플레이트(10) 사이에 적어도 하나 이상 구비되는 것으로, 셀(100) 및 중간 매니폴드 구조체(200)를 포함하여 구성된다.
이러한 모듈러셀(60)은 앤드플레이트(10) 사이에 다수 개 구비되는 셀(100)과 셀(100) 사이에 중간 매니폴드 구조체(200)가 선택적으로 개재됨에 따라, 모듈러셀(60)이 다수 개 구비되는 경우, 하나의 중간 매니폴드 구조체(200)와 다른 하나의 중간 매니폴드 구조체(200) 사이에 구비된 하나 이상의 셀(100)과 하나의 중간 매니폴드 구조체(200)로 이루어진 것을 의미한다.
셀(100)은 전기화학반응이 일어나는 최소한의 구성 요소로, 상기에서 언급한 바와 같이, 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 실시할 수 있는 구성이므로, 상세히 설명하지 않았음을 밝힌다.
즉 종래에 다양한 구성으로 이루어진 셀(100)이 개시된바, 본 명세서에서는 셀(100) 자체의 구성을 한정 지을 필요가 없으며, 중간 매니폴드 구조체(200)에 기술적 특징이 있는바, 다양한 실시예의 셀(100)이 본 발명에 적용 가능한 것은 물론이다.
도 3은 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지에서 중간 매니폴드 구조체의 예를 나타낸 저면 사시도이다.
중간 매니폴드 구조체(200)는 모듈러셀(60)에 구비되는 하나 이상의 셀(100)과 함께 개재되어 상기 셀(100)과 유로를 공유하는 것으로, 매니폴드(21)로부터 이송되는 전해액이 상기 중간 매니폴드 구조체(200)를 통해 유입되어, 모듈러셀(60)에 구비되는 하나 이상의 셀(100)을 통과한뒤, 다시 중간 매니폴드 구조체(200)를 통해 배출되도록 하는 것으로, 전해액 유로(210), 전해액 유입구(220), 전해액 배출구(230), 밸브(240), 집전부재(250), 가이드 공(260) 및 가이드 돌출부(270)를 포함하여 구성된다.
전해액 유로(210)는 중간 매니폴드 구조체(200) 내부에 형성되는 것으로, 유입 유로(211) 및 배출 유로(212)를 포함하여 구성되며, 직선 형상이 아닌 굽이 형상의 유로를 형성하여, 상기 중간 매니폴드 구조체(200)의 면적 내에서 유로가 길게 형성될 수 있도록 한다.
바람직하게는, 전해액 유로(210)가 길게 형성되도록 하되, 분로전류로 인한 효율 감소 및 부품 손상이 발생하는 역치를 고려하여 상기 전해액 유로(210)의 길이가 결정되도록 이루어질 수 있다.
이를, 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 전해액 유로(210)가 모듈러셀(60)에 형성된 경우, 즉 유입 유로(211)와 배출 유로(212)를 포함하는 전해액 유로(210)가 음극 전해액이 흐르는 유로와 양극 전해액이 흐르는 유로로 각각 형성된 경우, 하나의 중간 매니폴드 구조체(200) 내부에 네 개 이상의 유로가 형성될 수 있으며, 각각의 유로에 연통되도록 후술되는 전해액 유입구(220) 및 전해액 배출구(230)가 각각 두 개 이상씩 구비될 수 있다.
이에, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 양극 전해액이 유입되는 전해액 유입구(220a)로부터 양극 전해액이 중간 매니폴드 구조체(200) 내부로 이송되어 하나의 유입 유로(211a)를 통과하고, 셀(100)로 보내지며, 상기 셀(100)를 통과한 양극 전해액은 다시 중간 매니폴드 구조체(200) 내부로 이송되어 하나의 배출 유로(212a)를 통과하고 전해액 배출구(230a)를 통해 배출된다.
또한 음극 전해액이 유입되는 전해액 유입구(220b)로부터 음극 전해액이 중간 매니폴드 구조체(200) 내부로 이송되어 다른 하나의 유입 유로(211b)를 통과하고, 셀(100)로 보내지며, 상기 셀(100)을 통과한 음극 전해액은 다시 중간 매니폴드 구조체(200) 내부로 이송되어 다른 하나의 배출 유로(212b)를 통과하고 전해액 배출구(230b)를 통해 배출된다.
이때, 양극 전해액과 음극 전해액이 각각 흐르는 전해액 유로(210)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 다수 개의 굴곡부(213)가 형성된 'ㄹ'자 형태 또는 'S'자 형태로 이루어질 수 있다.
이러한 굴곡부(213)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 중간 매니폴드 구조체(200) 내에 다수 개 형성되어, 전해액 유로(210)가 직선 형태가 아닌 굴곡진 형태를 갖도록 함으로써, 중간 매니폴드 구조체(200)의 정해진 면적 내에서 긴 유로를 확보할 수 있도록 한다.
이때, 전해액 유로(210)는 레독스 흐름전지의 구성에 따라 다수 개 형성될 수 있다.
예를 들어, 본 명세서에서는 유입 유로(211) 및 배출 유로(212)를 포함하는 전해액 유로(210)가 두 개씩 형성된 예를 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 상기 전해액 유로(210)가 다수 개 형성되도록 이루어질 수 있다.
이에 따라, 음극 전해액의 이동 또는 양극 전해액의 이동 또는 음극 전해액과 양극 전해액이 각각 이동되도록 레독스 흐름전지를 설계하기 위한 조건에 부합하여 구성될 수 있다.
유입 유로(211)는 후술되는 전해액 유입구(220)로부터 이송되는 전해액이 상기 유입 유로(211)를 지나 모듈러셀(60)에 구비되는 하나 이상의 셀(100)로 이송되도록 하는 유로를 제공한다.
배출 유로(212)는 모듈러셀(60)에 구비되는 하나 이상의 셀(100)을 통과한 전해액이 후술되는 전해액 배출구(230)를 통해 배출되도록 하는 유로를 제공한다.
이때, 모듈러셀(60)에 다수의 셀(100)이 구비되는 경우, 유입 유로(211) 및 배출 유로(212)와 다수의 셀(100) 각각에 형성된 유로와는 병렬로 연결될 수 있다.(도 2, 도 8 참조)
한편, 전지의 성능을 저하하는 분로전류는 물리적 특성상 유로의 길이에 반비례하여 감소하고, 전해액이 흐르는 유로 내에 일부의 기포가 형성되면 보다 효과적으로 분로전류를 억제할 수 있다.
이에, 도4 및 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 전해액 유로(210)가 전체적인 'ㄹ'자 형태 또는 'S'자 형태의 굴곡부(213)를 갖도록 이루어지되, 상세하게는 'U'자 형태의 굴곡부(213a)와 'ㄴ'자 형태의 굴곡부(213b)를 갖도록 이루어져, 중간 매니폴드 구조체(200)의 정해진 면적 내에서 긴 유로를 확보할 수 있도록 함으로써, 분로전류를 저감시킬 수 있다.
한편, 도 4 내지 도 6을 통해 유입 유로(211)와 배출 유로(212)를 포함하는 전해액 유로(210)가 두개로 구비된 예를 설명하였으나, 설계조건에 따라, 상기 전해액 유로(210)가 네개로 구비되도록 구성될 수 있다.
이에, 상기 전해액 유로(210)는 셀(100) 간 유체의 이동방향, 즉 셀(100)이 적층되는 방향으로 다수의 층을 갖도록 구성될 수 있으며, 일 예로, 전해액 유로(210)가 네개로 구비되는 경우, 상기 전해액 유로(210)는 2층 구조로 이루어질 수 있다.
전해액 유입구(220)는 셀(100) 간 유체의 이동방향과 수직을 이루도록 중간 매니폴드 구조체(200)의 상,하,좌,우측면 중 선택된 하나 또는 다수의 면에 구비되며, 유입 유로(211)의 일측과 연통되어 전해액을 통과시키기 위한 기능을 수행하는 것으로, 전해액 유입구(220)로 유입된 전해액이 유입 유로(211)를 통과하여 모듈러셀(60)에 구비되는 하나 이상의 셀(100)로 이송되도록 한다.
전해액 배출구(230)는 셀(100) 간 유체의 이동방향과 수직을 이루도록 중간 매니폴드 구조체(200)의 상,하,좌,우측면 중 선택된 하나 또는 다수의 면에 구비되며, 배출 유로(212)의 일측과 연통되어 모듈러셀(60)에 구비되는 하나 이상의 셀(100)과 배출 유로(212)를 통과한 전해액을 배출시키는 기능을 수행한다.
이때, 전해액 유입구(220)와 전해액 배출구(230)는 유입 유로(211) 및 배출 유로(212)를 포함하는 전해액 유로(210)가 한 쌍으로 구비된 경우, 양극 전해액이 통과되고 배출되는 유입 유로(211a) 및 배출 유로(212a)와 양극 전해액이 통과되고 배출되는 유입 유로(211b) 및 배출 유로(212b)가 각각 형성될 수 있다.
도 7은 도 2의 'A'에서 다수의 모듈러셀에 밸브가 구비된 예를 나타낸 개략적인 개념도이다.
밸브(240)는 전해액 유입구(220)와 전해액 배출구(230)에 각각 형성되어, 전해액 유입구(220)를 통해 유입 유로(211)로 유입되는 전해액의 공급을 단속하고, 전해액 배출구(230)를 통해 전해액이 배출되는 것을 단속함으로써, 다수의 모듈러셀(60) 각각으로 전해액의 유입과 배출을 조절할 수 있다.
이러한 밸브(240)는 도 7을 참조하여 설명하면, 다수의 모듈러셀(60) 각각으로 이송되는 전해액의 흐름을 단속할 수 있도록 한다.
한편, 중간 매니폴드 구조체(200)가 구비되지 않는 경우, 한 쌍의 앤드플레이트(10) 사이에 구비되는 다수의 셀(100)은 입구 및 출구 유로가 하나의 유로를 갖도록 모두 연결되어 있어, 레독스 흐름전지 조립시, 조립의 불량으로 인해 적층되는 다수의 셀(100)에 편심이 발생되어 유로가 연통되지 못하거나 또는 일부가 막히는 경우 또는 다수의 셀(100) 중 일부분의 셀(100)이 제기능을 수행하지 못하여, 유로의 전체 흐름을 방해하고, 레독스 흐름전지가 제기능을 수행하지 못하는 원인이 될 수 있다.
이에, 본 발명에서는 중간 매니폴드 구조체(200)와 하나 이상의 셀(100)을 포함하는 모듈러셀(60)이 구비되고, 관로(20)를 흐르는 전해액이 상기 밸브(240)의 제어를 통해 모듈러셀(60) 각각으로 공급되는 것을 조절함으로써, 모듈러셀(60)의 유로를 선택적으로 사용 및 중단할 수 있다.
즉 조립의 불량으로 인해 유로의 일부가 막히더라도 다수의 모듈러셀(60) 각각의 밸브(240)를 제어하여 모듈러셀(60)의 유로를 선택적으로 사용할 수 있으므로, 흐름전지를 보다 효율적으로 제어할 수 있다.
나아가, 밸브(240)를 제어하여 유량의 흐름을 단속하는 경우, 전해액의 공급이 일시적으로 단속되어 끊어지므로 분로전류의 경로 또한 끊어지게 된다. 즉 밸브(240)가 짧은 시간만 닫히더라도 분로전류의 차단이 가능하기 때문에, 밸브(240)의 개방시간과 폐쇄시간은 상이하게 설정될 수 있다.
더 나아가, 유로의 열림 또는 닫힘을 제어할 수 있는 밸브(240) 이외에도 상기 밸브(240)의 기능과 유사한 기능을 수행하는 유로를 개폐할 수 있는 구성이라면 어떠한 구성을 사용하여도 무관하다.
집전부재(250)는 중간 매니폴드 구조체(200)의 상측과 하측 각각에 구비되어, 상기 중간 매니폴드 구조체(200)의 좌측과 우측에 구비되는 셀(100)을 상호 연결하는 것으로, 유전체로 이루어져 전기가 통하지 않는 재질로 이루어진 중간 매니폴드 구조체(200)의 양쪽에 구비되는 셀(100)이 상호 전기가 통하도록 하는 기능을 수행한다.
즉 다수의 모듈러셀(60)이 구비되는 경우, 모듈러셀(60) 간 전기가 통하도록 하는 기능을 수행한다.
이때, 집전부재(250)는 전기가 통하기 쉬운 전도성 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 설계조건에 따라, 알루미늄 또는 구리 등으로 이루어진 전선이 사용될 수 있다.
나아가, 전선 자체의 강도를 확보하기 위해서 금으로 이루어진 전선이 사용될 수도 있으며, 본 발명에서는 전기가 통할 수 있는 구성이면 어떠한 도체가 사용되어도 무관하다.
나아가, 도 7에서 집전부재(250)가 중간 매니폴드 구조체(200)의 좌측면과 우측면에 각각 접촉되는 셀(100)을 잇도록 도시하였으나, 이에 한정되지 않고, 상기 중간 매니폴드 구조체(200)와 인접하지 않고 이격되어 위치되는 셀(100)과도 연결되도록 구성될 수 있음은 물론이다.
즉 집전부재(250)는 반드시 중간 매니폴드 구조체(200)의 좌측면과 우측면에 각각 접촉되도록 굽비된 셀(100)을 연결하는 것이 아닌, 유전체로 이루어진 중간 매니폴드 구조체(200)에 의해 다수의 셀(100) 간 전기가 단절되는 것을 방지하는 것에 목적이 있다.
도 8은 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지에서 가이드 공이 형성된 예를 나타낸 사시도이다.
가이드 공(260)은 도 8을 참조하여 설명하면, 중간 매니폴드 구조체(200)의 상측과 하측 각각에 형성되어, 앤드플레이트(10)를 상호 고정시키는 고정부(11)가 끼워지는 것으로, 한 쌍의 앤드플레이트(10) 사이에 모듈러셀(60)이 다수 개 개재되는 경우, 상기 모듈러셀(60) 간 편심이 발생되는 것을 방지하는 기능을 수행한다.
즉 한 쌍의 앤드플레이트(10) 사이에서 다수 개 구비되는 중간 매니폴드 구조체(200) 각각에 형성된 가이드 공(260)이 고정부(11)에 순차적으로 끼워짐으로써, 하나 이상의 셀(100)이 앤드플레이트(10)와 중간 매니폴드 구조체(200) 사이 또는 한 쌍의 중간 매니폴드 구조체(200) 사이에 위치하여, 모듈러셀(60)이 보다 견고하고 일정하게 개재되도록 할 수 있다.
이때, 가이드 공(260)이 형성되고, 상기 가이드 공(260)이 고정부(11)에 끼워지기 위해서는 도 8에 도시된 바와 같이, 중간 매니폴드 구조체(200)가 셀(100)보다 큰 크기를 갖도록 이루어질 수 있다.
이에, 한 쌍의 앤드플레이트(10) 사이에 다수 개의 모듈러셀(60)이 구비되되, 상기 모듈러셀(60) 각각에 구비된 중간 매니폴드 구조체(200)는 상기 앤드플레이트(10)를 고정하기 위한 고정부(11)가 끼워짐으로써, 다수의 셀(100)이 구비되어 앤드플레이트(10) 사이의 간격이 커져도 편심 발생을 최소화하고, 모듈러셀(60) 간의 정렬(align)을 유지하는 기능을 수행하여, 편심 발생에 의해 유로가 확보되지 못하는 문제점을 미연에 방지할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지에서 가이드 돌출부가 형성된 예를 나타낸 사시도이다.
가이드 돌출부(270)는 중간 매니폴드 구조체(200)의 일면과 반대면 중 선택된 하나의 면 또는 양쪽 면 각각에 형성되어, 상기 중간 매니폴드 구조체(200)의 측면에 적층되는 하나 이상의 셀(100)의 상,하,좌,우측면 중 선택된 하나의 면 또는 다수의 면을 감싸도록 돌출된 형태로 이루어진다.
이러한 가이드 돌출부(270)는 도 9에 도시된 바와 같이, 셀(100)의 크기에 맞추어 형성되되, 외측으로 돌출된 형태로 이루어져, 모듈러셀(60)에 구비되는 하나 이상의 셀(100)이 상기 가이드 돌출부(270)를 통해 끼워지도록 형성된다.
이에, 앤드플레이트(10) 사이에 다수의 셀(100)이 구비되는 경우, 편심에 의해 뒤틀리는 것을 방지하고, 정렬(align)을 유지하는 기능을 수행하며, 셀(100)과 셀(100) 또는 셀(100)과 중간 매니폴드 구조체(200)가 상호 정확하게 결합되도록 한다.
이때, 가이드 돌출부(270)는 모듈러셀(60)에 구비되는 셀(100)의 개수와 대응되는 길이를 갖도록 이루어질 수 있으며, 나아가, 하나의 셀(100)과 동일한 두께를 갖는 가이드 돌출부(270)를 상호간에 결합을 통해 가이드 돌출부(270)가 형성되는 길이를 조절할 수 잇도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 중간 매니폴드 구조체(200) 사이에 세개의 셀(100)이 구비되는 경우, 상기 세개의 셀(100)이 갖는 두께에 대응되도록 중간 매니폴드 구조체(200)의 측면에 가이드 돌출부(270)가 구비되되, 하나의 셀(100)과 동일한 두께를 갖는 가이드 돌출부(270) 세개를 상호 결합함으로써, 세개의 셀(100)이 이탈되거나 또는 편심 발생을 최소화하고, 나아가, 가이드 돌출부(270)가 중간 매니폴드 구조체(200)와 간섭되어 한 쌍의 중간 매니폴드 구조체(200)의 간격이 변하는 것을 미연에 방지할 수 있다.
여기에서, 가이드 돌출부(270)의 상호간에 결합은 접합, 사출, 기계적 결합 및 용접 중 선택된 하나 또는 복수의 결합을 통하여 형성될 수 있으며, 또한 하나의 가이드 돌출부(270)의 일측에 내측으로 파여진 형태의 홈(도면부호 미표시)이 형성되고, 다른 하나의 가이드 돌출부(270)의 타측에 외측으로 돌출된 형태의 돌기(도면부호 미표시)가 형성되어, 다수의 가이드 돌출부(270)가 블록 형태로 이루어져 상호 끼워 조립되도록 구성될 수 있다.
설계조건에 따라, 가이드 돌출부(270)는 중간 매니폴드 구조체(200)에 접합, 사출, 기계적 결합, 용접 및 선택된 하나 또는 복수의 결합을 통하여 형성될 수 있으며, 나아가, 가이드 공(260)이 형성된 중간 매니폴드 구조체(200)가 일체형으로 제조될 수 있음은 물론이다.
이와 같이, 중간 매니폴드 구조체(200)에 가이드 공(260) 및 가이드 돌출부(270) 중 선택된 하나 이상의 구성이 구비됨으로써, 다수의 셀(100)이 구비되어 앤드플레이트(10) 사이의 간격이 커져도 셀(100) 간 편심 발생을 최소화하고, 정렬(align)을 유지하는 기능을 수행할 수 있다.
이러한 구성에 따라, 본 발명에 따른 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지는 한 쌍의 앤드플레이트(10)가 구비되고, 상기 앤드플레이트(10) 사이에 하나 이상의 모듈러셀(60)이 다수 개 구비되되, 상기 모듈러셀(60)은 하나 이상의 셀(100)과 중간 매니폴드 구조체(200)로 이루어지고, 상기 중간 매니폴드 구조체(200)에 직선 형상이 아닌 굽이 형상의 유로가 형성되어 긴 형태의 유로가 형성되도록 함으로써, 분로전류를 효과적으로 저감시킬 수 있다.
또한 기존의 유로프레임에 형성되는 유로를 변경하지 않고, 유로가 긴 형태를 갖는 중간 매니폴드 구조체(200)가 구비됨으로써, 기존의 유로프레임에 형성되는 유로가 길게 형성되도록 변경시, 두께가 증가되어 셀(100) 자체의 두께가 증가되고, 결과적으로 흐름전지의 두께가 두꺼워짐에 따라 발생되는 단가 상승 및 효율성 저하를 미연에 방지할 수 있으며, 나아가, 중간 매니폴드 구조체(200)가 구비됨으로써, 전체적인 레독스 흐름전지의 두께가 감소되는 이점이 있다.
또한 중간 매니폴드 구조체(200)가 한 쌍의 앤드플레이트(10)를 결합시키는 고정부(11)에 결합되고, 셀(100)의 상,하,좌,우측면 중 선택된 면을 감싸도록 가이드 돌출부(270)가 구비됨으로써, 다수 개의 셀(100)이 앤드플레이트(10) 사이에 구비되는 경우, 셀(100) 간 편심을 최소화하여 셀(100)과 셀(100)을 잇는 유로가 연통되지 못해 전해액 흐름이 차단되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
또한 중간 매니폴드 구조체(200)의 상측 또는 하측에 전해액을 통과시키기 위한 전해액 유입구(220) 및 전해액을 배출시키기 위한 전해액 배출구(230)가 형성되되, 상기 전해액 유입구(220)와 전해액 배출구(230)에 각각 밸브(240)가 구비되어 전해액의 이동을 단속함으로써, 다수 개 구비되는 모듈러셀(60) 각각의 밸브(240)를 선택적으로 조작하여 전해액의 흐름을 효율적으로 제어할 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 알 수 있다.
10 : 앤드플레이트 11 : 고정부
20 : 관로 21 : 매니폴드
30, 40 : 전해액탱크 50 : 펌프
60 : 모듈러셀 100 : 셀
110 : 전극 111 : 양전극
112 : 음전극 120 : 멤브레인
130 : 분리판 200 : 중간 매니폴드 구조체
210 : 전해액 유로 211 : 유입 유로
212 : 배출 유로 213 : 굴곡부
220 : 전해액 유입구 230 : 전해액 배출구
240 : 밸브 250 : 집전부재
260 : 가이드 공 270 : 가이드 돌출부

Claims (9)

  1. 한 쌍의 앤드플레이트(10), 상기 앤드플레이트(10) 사이에 구비되는 하나 이상의 모듈러셀(60)을 포함하는 레독스 흐름전지에 있어서,
    상기 모듈러셀(60)은
    양전극(111)과 음전극(112)으로 구분되는 한 쌍의 전극(110)과 상기 전극(110) 사이에 개재되는 멤브레인(120) 및 상기 전극(110)의 외측 면으로 적층되는 분리판(130)으로 구성된 하나 이상의 셀(100); 및
    내부에 전해액 유로(210)가 형성된 중간 매니폴드 구조체(200);가 적층되어 이루어지되,
    상기 중간 매니폴드 구조체(200)는
    내부에 전해액이 셀(100)로 유입되도록 하는 유입 유로(211)와 셀(100)을 통과한 전해액이 유출되도록 하는 배출 유로(212)를 포함하는 전해액 유로(210)가 하나 이상 형성되되, 상기 유입 유로(211)의 일측과 연통되어 전해액을 통과시키기 위한 전해액 유입구(220); 및 상기 배출 유로(212)의 일측과 연통되어 전해액을 유출시키기 위한 전해액 배출구(230);가 형성되고,
    상기 중간 매니폴드 구조체(200)는
    유전체로 이루어지되, 상기 중간 매니폴드 구조체(200)의 상측과 하측 각각에 구비되어, 중간 매니폴드 구조체(200)의 좌측과 우측에 구비되는 셀(100)을 상호 전기가 통하도록 연결하는 집전부재(250)가 구비되고, 상기 집전부재(250)는 전도성 재질로 이루어지며,
    상기 중간 매니폴드 구조체(200)는
    상측과 하측 각각에 가이드 공(260)이 구비되되,
    상기 가이드 공(260)은
    상기 앤드플레이트(10)를 상호 고정시키는 고정부(11)가 끼워지는 것을 특징으로 하고,
    상기 중간 매니폴드 구조체(200)는
    상기 가이드 공(260)이 고정부(11)에 끼워질 수 있도록, 상기 중간 매니폴드 구조체(200) 사이에 구비되는 셀(100)의 상,하,좌,우측 면 보다 외측으로 연장된 형태의 큰 크기를 갖도록 이루어지며,
    상기 중간 매니폴드 구조체(200)는
    일면과 반대면 중 선택된 하나의 면 또는 양쪽 면 각각에 셀(100)의
    상,하측 면 또는 좌,우측 면 또는 상,하,좌측 면 또는 상,하,우측 면 또는 좌,우,상측 면 또는 좌,우,하측 면을 감싸도록 돌출된 형태의 가이드 돌출부(270)가 다수 개 구비되되,
    상기 가이드 돌출부(270)는
    중간 매니폴드 구조체(200)의 외측으로 돌출된 형태로 이루어져, 모듈러셀(60)에 구비되는 하나 이상의 셀(100)이 상기 가이드 돌출부(270)를 통해 끼워지도록 하고,
    상기 가이드 돌출부(270)는
    모듈러셀(60)에 구비되는 셀(100)의 개수와 대응되는 길이를 갖도록 이루어지며,
    상기 중간 매니폴드 구조체(200)와 가이드 돌출부(270)의 결합은
    접합 또는 용접되어 고정 결합되거나, 또는 사출되어 일체형으로 형성되어 이루어지고,
    상기 가이드 돌출부(270)의 상호간에 결합은
    가이드 돌출부(270)의 일측에 내측으로 파여진 형태의 홈이 형성되고, 타측에 외측으로 돌출된 형태의 돌기가 형성되어, 하나의 가이드 돌출부(270)의 일측에 형성된 홈에 다른 하나의 가이드 돌출부(270)의 타측에 형성된 돌기가 끼워져 조립되는 기계적 결합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분로전류 저감을 위한 레독스 흐름전지.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해액 유입구(220) 및 전해액 배출구(230)는
    셀(100) 간 유체의 이동방향과 수직을 이루도록 중간 매니폴드 구조체(200)의 상,하,좌,우측면 중 선택된 하나 또는 다수의 면에 구비되는 것을 특징으로 하는 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해액 유로(210)는
    굴곡부(213)가 다수 개 형성된 'ㄹ'자 형태, 'S'자 형태, 'U'자 형태 또는 'ㄴ'자 형태 중 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해액 유입구(220)와 전해액 배출구(230) 각각에는 밸브(240)가 구비되되,
    상기 밸브(240)는
    상기 전해액 유입구(220)를 통해 유입 유로(211)로 유입되는 전해액의 공급을 단속하고, 전해액 배출구(230)를 통해 전해액이 배출되는 것을 단속함으로써, 다수의 모듈러셀(60) 각각으로 전해액의 유입과 배출을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 분로전류 저감 기능이 구비된 레독스 흐름전지.
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