KR101761460B1 - 내구성을 향상시킨 레독스 흐름 전지의 셀 스택 - Google Patents

내구성을 향상시킨 레독스 흐름 전지의 셀 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이너 셀 유닛이 적층되고, 적층된 이너 셀 유닛의 양면에 엔드 셀 유닛이 적층되며, 각 셀 유닛 사이에 멤브레인이 구비되는 레독스 흐름 전지의 셀 스택에 있어서, 상기 이너 셀 유닛은 유로 프레임과, 상기 유로 프레임 내부의 전극실에 구비되는 쌍극판과, 상기 쌍극판의 양면에 적층되는 한 쌍의 전극을 포함하며, 상기 엔드 셀 유닛은 엔드 프레임과, 상기 엔드 프레임의 전극실의 외면에 구비되는 쌍극판과, 상기 쌍극판의 내면에 적층되는 전극과, 상기 쌍극판의 외면을 절연하는 절연판과, 상기 쌍극판과 면접촉하며 상기 절연판의 외측으로 돌출된 단자부를 구비하는 집전판을 포함하며, 상기 집전판은 상기 쌍극판과 면접촉하는 접속부가 상기 전극실과 중첩되는 영역이 존재하지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 셀 스택을 제공한다.

Description

내구성을 향상시킨 레독스 흐름 전지의 셀 스택{CELL STACK OF REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 레독스 흐름 전지의 셀 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 집전판이 전해액의 침투에 의하여 부식되는 것을 방지함으로써 장시간 사용하여도 집전판이 전해액에 의하여 손상되지 않도록 함으로써 내구성을 향상시킨 레독스 흐름 전지의 셀 스택에 관한 것이다.
최근 들어 바나듐 레독스-흐름 전지는 태양광 발전, 풍력 발전 등의 간헐적인 자연에너지를 이용하고 있는 발전 시스템의 원활한 운전을 위한 대용량 전력저장 또는 비상 전원용으로 기술 개발이 진행되고 있다.
바나듐 레독스-흐름 전지는 충전시에는 양극에서 4가 바나듐 이온이 5가 바나듐 이온으로, 음극에서는 3가 바나듐 이온이 2가로 변환되고, 방전시에는 역으로 바나듐 이온의 가수가 변화하여 충전 및 방전이 진행된다.
바나듐 레독스-흐름 전지는 쌍극판, 전극(카본 펠트), 쌍극판을 감싸는 프레임 및 이온 교환막(멤브레인)이 규칙적으로 배치되며, 전극에는 흐르는 전해액이 제공되는데 쌍극판의 일측에는 양극 전해액이 제공되고 쌍극판의 타측에는 음극 전해액이 제공된다.
한편, 바나늄 레독스-흐름 전지 스택의 양측단부의 쌍극판에는 집전판이 부착된다. 집전판은 쌍극판과 접촉하여 통전된다. 이러한 집전판은 접촉 저항이 적은 금속판재를 사용한다.
그런데, 레독스 흐름 전지를 장시간 운전하게 되면 전해액이 쌍극판을 확산 또는 침투하여 집전판에 도달하게 될 수 있다. 이 경우 금속재질의 집전판이 전해액에 의하여 부식 되는 문제점을 가지고 있었다.
집전판에 부식이 발생하게 되면 전기 저항이 증가하여 부식된 부분에 국부적인 발열이 발생하게 되며, 이로 인해 바나늄 레독스-흐름 전지의 내구 성능이 저하되는 문제를 가져온다.
본 발명의 목적은 레독스 흐름 전지 셀 스택의 엔드 셀에 구비되는 집전판에 전해액이 도달하지 못하게 함으로써 집전판의 부식에 의한 내구성 저하를 방지하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 레독스 흐름 전지 셀 스택의 엔드 셀에 있어서 집전판의 접촉 저항을 감소시키기 위한 것이다.
본 발명은 전극 수용공간인 전극실을 구비하는 엔드 프레임과, 상기 전극실의 개방면의 면적보다 넓은 면적으로 가지도록 형성되어 상기 전극실의 개방면을 막는 쌍극판과, 상기 쌍극판의 외면을 절연하는 절연판과, 상기 쌍극판과 면접촉하는 접속부가 상기 전극실의 개방면과 중첩되는 영역이 존재하지 않도록 형성된 집전판을 포함하는 레독스 흐름 전지의 셀 스택을 제공한다.
상기 집전판의 접속부는 상기 쌍극판에 전극이 적층되는 영역과 일정 이격거리를 유지하도록 형성되는 것이 바람직하며,
상기 이격거리는 상기 쌍극판의 두께보다 크게 형성되면 더욱 바람직하다.
상기 접속부는 상기 쌍극판 면적의 7% 이상인 것이 바람직하다.
상기 절연판은 상기 집전판의 형상에 대응하는 집전판 수용홈과, 상기 쌍극판의 형상에 대응하는 쌍극판 수용홈을 구비하며,
상기 집전판 수용홈의 두께는 상기 집전판의 두께와 상기 쌍극판의 두께의 합보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 절연판에 상기 집전판과 상기 쌍극판이 결합되며, 상기 쌍극판은 압축성 재질로 형성되어 상기 쌍극판의 표면과 상기 절연판의 표면이 동일평면 상에서 평탄하게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 쌍극판은 흑연 재질이며, 상기 집전판의 접속부와 접촉하는 부분이 4~10% 압축되도록 형성되는 것이 바람직하며, 6~8% 압축되도록 형성되면 더욱 바람직하다.
상기 집전판의 접속부는 상기 전극실을 둘러싸는 액자 형태로 형성될 수 있다.
상기 레독스 흐름 전지의 셀 스택은 이너 셀 유닛의 쌍극판과, 상기 엔드 셀 유닛의 쌍극판이 동일한 크기를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 레독스 흐름 전지의 셀 스택은 금속재질의 집전판이 전해액에 의하여 부식되지 않도록, 집전판이 전해액 침투 영역을 회피하여 배치되도록 함으로써 장시간 운전에 의하여 전해액이 쌍극판을 침투 또는 투과한다 하더라도 전해액이 집전판에 도달하지 못하게 함으로써 전해액에 의한 집전판의 손상을 방지하는 효과를 가져온다.
또한, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지의 셀 스택은 집전판과 쌍극판의 접촉면에 체결압이 인가되도록 함으로써, 쌍극판과 집전판 사이의 접촉 저항을 감소시키는 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 셀 스택의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 분리사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 셀 스택의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 분리 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 셀 스택의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 분리 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 셀 스택의 엔드 셀을 나타낸 분리 사시도이다.
도 5는 종래의 레독스 흐름 전지의 셀 스택에 있어서 장기간 운전으로 인하여 부식된 집전판을 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 셀 스택의 엔드 셀의 쌍극판, 집전판, 전극의 중첩관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 셀 스택의 엔드 셀의 쌍극판, 집전판, 전극의 중첩관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 접속부의 면적에 따른 저항값의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 흑연재질의 쌍극판의 압축비율에 따른 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 셀 스택의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 분리사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 이너 셀 유닛간의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 분리 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 이너 셀 유닛과 앤드 셀 유닛의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 분리 단면도이고,
먼저 도 1을 살펴보면, 레독스 흐름 전지 셀 스택은 복수의 이너 셀 유닛(100)과, 한 쌍의 엔드 셀 유닛(200)이 적층되어 형성되는 것으로, 각각의 셀 유닛의 사이에 멤브레인(300)이 구비되고, 엔드 셀 유닛(200)의 양측에 엔드 플레이트(400)를 배치하여, 적층된 상태로 체결하는 구조를 가진다.
레독스 흐름 전지는 전해액(양극액, 음극액) 중의 이온의 가수의 변화(산화 환원 반응)를 이용한 전지로, 전해액의 열화가 적어 전지 수명이 길고, 고속 응답성 및 고출력 대응이 가능한 장점을 가지며, 배기가스가 발생하지 않고 환경 오염이 적어 차세대 전력수단으로 주목 받고 있다.
도 2를 살펴보면, 이너 셀 유닛(100)은 내부에 전극실(112)을 구비하도록 액자 형태를 가지는 유로 프레임(110)과, 상기 유로 프레임(110)의 두께 방향 중앙에 구비되어 전극실(112)을 분할하는 쌍극판(120)과, 상기 쌍극판(120)의 양면에 적층되는 한 쌍의 전극(130,140)을 포함한다.
전극실(112)은 전극이 수용되는 공간을 제공하는 것으로, 양측에 개방면이 형성되어 있고, 중앙에 쌍극판(120)이 배치되어 전극실(112)의 공간이 양분된다. 양분된 공간에 각각 제1전극(130)과 제2전극(140)이 결합된다.
쌍극판(120)은 전극실(112)의 개방면의 크기보다 크게 형성되어 테두리부분이 유로 프레임(110)에 매립되는 형태로 유로 프레임(110)에 고정된다.
유로 프레임(110)은 제1전해액 입구유로(도 1의 101b)와, 제1전해액 출구유로(도 1의 101a)와, 제2전해액 입구유로(도 1의 102b)와, 제2전해액 출구유로(도 1의 102a)를 구비한다. 도시한 실시예의 경우 전해액이 상향의 흐름을 가지는 것으로 입구유로가 하부에 배치되고, 출구유로가 상부에 배치된 것이나, 전해액이 하향의 흐름을 가지는 경우에는 입구유로가 상부에 배치되고, 출구유로가 하부에 배치된다.
제1전해액은 제1전해액 입구유로(101b)로 유입되어 전극실의 일면으로 분배되어 제1전극(130)을 거친 후 제1전해액 출구유로(101a)로 배출되며, 제2전해액은 제2전해액 입구유로(102b)로 유입되어 전극실의 타면으로 분배되어 제2전극(140)을 거친 후 제2전해액 출구유로(102a)로 배출된다.
이너 셀 유닛(100)이 적층되면 멤브레인(300)의 양면에 제1전극(130)과 제2전극(140)이 쌍을 이루며 단위전지 셀을 구성하게 된다. 다시 말해 하나의 이너 셀 유닛(100)이 하나의 단위전지 셀을 구성하는 것이 아니라, 이너 셀 유닛의 절반이 인접한 이너 셀 유닛의 절반과 멤브레인(300)을 사이에 두고 하나의 단위 전지 셀을 구성하게 된다. 그리고, 최 외측의 이너 셀 유닛(100)의 외측 절반은 멤브레인(300)을 사이에 두고 엔드 셀 유닛(200)과 하나의 단위전지 셀을 구성하게 된다.
도 3을 살펴보면, 엔드 셀 유닛(200)은 내부에 전극 수용 공간인 전극실(212)을 구비하도록 액자 형태를 가지는 엔드 프레임(210)과, 상기 엔드 프레임(210)의 외측면에 적층되어 전극실의 개방면을 막는 쌍극판(220)과, 상기 쌍극판(220)의 내면, 즉 상기 전극실에 수용되는 전극(230)과, 상기 엔드 프레임(210)과 상기 쌍극판(220)의 외면을 절연하는 절연판(260)과, 상기 쌍극판(220)과 면접촉하며 상기 절연판(260)의 외측으로 돌출된 단자부를 구비하는 집전판(250)을 포함한다.
상기 엔드 셀 유닛(200)의 쌍극판(220)은 상기 전극실(212)의 개방면의 면적보다 넓은 면적을 가지도록 형성되고, 상기 집전판(250)과 면접촉하는 접속부(252)가 상기 전극실(212)의 개방면과 중첩되는 영역이 존재하지 않도록 형성된다.
여기서 내측면이라 함은 셀 스택의 중심을 향하는 면을 의미하며, 외측면은 그 반대면을 의미한다.
엔드 셀 유닛(200)은 하나의 전극(230)만을 구비하는 점에서, 이너 셀 유닛(100)과 차이를 가진다. 전극은 동일한 두께를 가지므로, 엔드 셀 유닛(100)의 엔드 프레임(210)의 두께는 이너 셀 유닛(100)의 유로 프레임(110)의 절반 수준의 두께를 가진다.
엔드 셀 유닛(200)의 엔드 프레임(210)은 이너 셀 유닛(100)의 유로 프레임(100)과 유사한 형태이나 이너 셀 유닛(100)이 2가지 전해액을 한 쌍의 전극으로 공급하는 구조를 가지던 것과 달리, 하나의 전해액(도시한 엔드 프레임의 경우 제2전해액, 반대편 엔드 프레임의 경우 제1전해액)을 전극실로 분배하고 배출하는 구성을 가진다.
또한, 이너 셀 유닛(100)의 경우에는 쌍극판이 전극실을 양분하는 형태로 구비되었으나, 엔드 셀 유닛(200)의 경우에는 쌍극판(220)이 전극실의 외측면 개방면을 막는 형태로 적층된다.
이러한 엔드 셀 유닛(200)은 멤브레인(300)을 사이에 두고 이너 셀 유닛(100)과 적층되어 단위전지 셀을 구성한다.
예를 들어, 5개의 이너 셀 유닛(100)의 양측에 한 쌍의 엔드 셀 유닛(200)이 적층되는 경우라면, 전극의 개수는 이너 셀 유닛에 10개 그리고 엔드 셀 유닛에 2개 이므로 총 12개가 되며, 6개의 멤브레인을 사이에 두고 7개의 셀 유닛이 적층되어, 6개의 단위 전지 셀이 구성된다. 즉 단위전지 셀의 개수는 이너 셀 유닛의 적층 개수 보다 1개가 많게 되며, 엔드 셀 유닛을 포함한 전체 셀의 개수보다는 1개가 적게 된다.
이너 셀 유닛(100)의 쌍극판(120)과 엔드 셀 유닛(200)의 쌍극판(220)은 동일한 크기를 가지는 것이 바람직하다. 이너 셀 유닛(100)의 쌍극판(120)과 엔드 셀 유닛(200)의 쌍극판(220)이 다른 크기를 가진다면, 각각을 별도로 제조해야 하므로, 동일한 크기를 가지도록 하여 쌍극판을 공용으로 사용할 수 있도록 하기 위한 것이다.
또한, 이너 셀 유닛(100)의 전극과, 엔드 셀 유닛(200)의 전극도 동일한 크기를 가지는 것이 바람직하다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 셀 스택의 엔드 셀 유닛을 나타낸 분리 사시도이다.
도시된 바와 같이, 엔드 셀 유닛(200)은 엔드 프레임(210)과, 상기 엔드 프레임(210)의 외면에 구비되는 쌍극판(220)과, 상기 쌍극판(220)의 내면에 적층되는 전극(230)과, 상기 쌍극판(220)의 외면을 절연하는 절연판(260)과, 상기 쌍극판(220)과 상기 절연판(260)의 사이에 적층되며 상기 절연판의 외측으로 연장 형성된 단자부(254)를 구비하는 집전판(250)을 포함한다.
종래에는 집전판이 쌍극판(220)의 전체 면적과 접촉하는 형태를 가지고 있었다. 그런데, 이 경우 전극(230)으로 순환되는 전해액이 쌍극판(220)을 투과 또는 확산하여 집전판(250)에 도달하여 금속재질의 집전판(250)에 손상을 주는 문제점이 발생하였다.
집전판(250)으로는 접촉저항이 낮은 금속판(예를 들면, 구리판 또는 구리도금판)을 사용하게 되는데, 레독스 흐름 전지에 사용되는 황산 전해액 등은 금속을 쉽게 부식시키므로, 장기간 운전으로 인하여 전해액이 쌍극판(220)을 투과 또는 확산하여 집전판(250)에 침투하게 되면, 이로 인해 집전판(250)이 부식되는데, 집전판(250)에 부식이 발생하게 되면 부식된 부분에서 발열 등의 문제가 발생하여 셀 스택의 내구성이 저하되는 문제가 생긴다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전해액이 쌍극판(220)을 투과 또는 침투하더라도, 전해액이 집전판(250)에 도달하지 못함으로써 집전판(250)이 전해액에 의하여 손항되지 않도록 하는 것을 특징으로 한다. 집전판(250)은 쌍극판(220)에 전원을 인가하기 위한 것으로 실질적으로 쌍극판(220)의 전체 면적과 접촉할 필요는 없으며 낮은 접촉저항을 가지는 것으로 충분하다.
본 발명은 집전판(250)이 쌍극판(220)과 접촉하는 부분을 전해액 침투에 의한 영향을 받지 않는 부분으로 한정하고, 접촉면적 감소에 따른 전기적 특성 저하를 방지하기 위하여 쌍극판(220)과 집전판(250)이 면접촉하는 부분에 압축력을 가함으로써 접촉 저항을 감소시킨 것을 특징으로 한다. 압축력에 따른 저항값의 변화에 관해서는 도 9에서 다시 자세하게 살펴본다.
도 4를 살펴보면, 절연판(260)은 집전판(250)과 접촉하는 부분에 집전판(250)의 형상에 대응하는 수용홈(262)을 구비한다.
집전판 수용홈(262)은 집전판(250)이 절연판(260)의 정위치에 정렬될 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
쌍극판 수용홈(263)은 쌍극판(220)이 절연판(260)의 정위치에 정렬될 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
또한, 집전판 수용홈(262)의 두께(t1)를 집전판(250)의 두께(t2)와 쌍극판의 두께(t4)의 두께의 합보다 작게(t1<t2+t4) 형성함으로써, 셀 스택의 체결압에 의하여 상기 접속부(252)와 쌍극판(220)의 접촉면에 압력이 가해지도록 할 수 있다.
접속부(252)와 쌍극판(220)의 접촉면에 압력을 가하면, 접촉 저항을 감소시킬 수 있다.
쌍극판(220)으로는 흑연 재질을 주로 사용하며, 흑연 재질의 쌍극판은 가압력에 의하여 압축되는 압축성을 가지고 있다.
절연판(260)에는 상술한 바와 같이 집전판 수용홈(262)과 쌍극판 수용홈(263)이 형성되어 있으며, 집전판 수용홈(262)에 집전판(250)을 부착하고, 그 위에 다시 쌍극판(220)을 부착한다. 이 때 집전판 수용홈(262)의 두께(t1)가 쌍극판(220)과 집전판(250)의 두께의 합보다 적게 형성되면(t1<t2+t4) 집전판(260)의 접속부(252)와 접촉하는 부분의 쌍극판이 압축되어 접촉 저항을 감소시킬 수 있다.
한편, 절연판(260)의 표면으로 노출되는 쌍극판(220)의 표면은 절연판의 표면과 동일 평면 상에서 평탄하게 형성되는 것이 바람직하다.
쌍극판(220)이 압축성 재질로 형성되므로, 집전판(260)의 접속부(252)와 접촉하는 부분의 쌍극판(220)이 압축되면서 전체적으로 쌍극판(220)의 표면이 평탄하게 형성될 수 있다.
도 5는 장기간 운전으로 인하여 부식된 집전판을 나타낸 사진이다.
본 발명은 종래의 레독스 흐름 전지에서 발생하는 집전판 부식의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 쌍극판과 면접촉하는 집전판의 접속부(252)가 전극이 배치되는 전극실(212)과 중첩되는 영역이 존재하지 않도록 형성함으로써, 전해액이 쌍극판(220)을 통해 집전판(250)으로 침투하는 문제점을 해결한 것이다. 접속부(252)는 도면에서 해칭으로 표시하였으나 물리적으로 별도의 처리가 되어 있거나 다른 재질로 형성되는 것은 아니고 쌍극판(220)과 스택 체결시에 쌍극판과 면접촉하는 부분을 의미한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 셀 스택의 엔드 셀의 쌍극판, 집전판, 전극의 중첩관계를 설명하기 위한 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 발명은 쌍극판(220)의 일면에는 전극(230)이 밀착되고, 타면에는 집전판(250)의 접속부(252)가 밀착되는 데, 접속부(252)가 밀착되는 영역이 전극(230)이 밀착되는 영역과 중첩되지 않도록 형성하는 것을 특징으로 한다. 이는 전극(230)을 흐르는 전해액이 쌍극판(220)을 투과하여 집전판(250)에 손상을 주지 않도록 하기 위한 것이다.
이 때, 도시한 바와 같이 접속부(252)가 밀착되는 영역과, 전극(220)이 밀착되는 영역 사이에 일정한 이격거리(d)를 확보하는 것이 바람직하다. 전해액의 투과는 쌍극판(220)에서 전방향으로 이루어지게 되므로, 이 이격거리(d)는 쌍극판(220)의 두께(도 4의 t4) 이상으로 확보되는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레독스 흐름 전지 셀 스택의 엔드 셀의 쌍극판, 집전판, 전극의 중첩관계를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예는 집전판(250)의 접속부(252a) 면적을 확보하기 위한 것으로, 접속부(252a)가 전극실을 둘러싸는 액자 형태를 가지도록 형성한 것을 특징으로 한다. 이러한 형태는 집전판(250)이 전극실과 중첩되지 않도록 하면서 집전판(250)과 접속부(252a)의 접촉면적을 확대하여 접촉면적 감소에 따른 전기적 특성 저하를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 접속부(252)가 쌍극판(220)의 전체 면적에 대응되는 면적으로 형성되는 것이 아니라, 쌍극판(220)의 면적 중 전극(230)이 배치되는 전극실(212) 이외의 영역에 형성되도록 함으로써 전해액이 집전판(250)에 영향을 미치지 못하도록 한 것인데, 이 경우 접촉 면적이 쌍극판의 전체 면적과 접촉하는 것에 비하여 감소할 수 밖에 없기 때문에 접촉면적의 감소에 따른 전기적 특성이 문제가 될 수 있고, 여기서 전기적 특성은 결국 저항값의 증가를 의미하게 된다. 이하에서 접촉면적의 감소에 따른 저항값의 변화를 살펴본다.
도 8은 접속부의 면적에 따른 저항값의 면화를 나타낸 그래프이다.
쌍극판과 면접촉하는 집전판의 접속부의 면적에 변화를 주며 저항값의 변화를 측정하였다. 동일한 면적의 쌍극판에 면접촉하는 접속부의 면적에 변화를 주며 접속부의 면적의 변화가 저항값에 미치는 영향을 살펴보기 위한 것이다.
기준이 되는 쌍극판의 면적은 15cm*15cm 로 하였고, 접속부의 면적을 쌍극판의 전체 면적에 대한 비율로 변화시키면서 측정하였다.
측정결과 도 8의 그래프에 도시한 바와 같이, 접속부 면적이 쌍극판 전체면적의 7% 이상인 경우에는 접속부와 쌍극판이 100% 접촉한 상태와 저항값이 별다른 차이를 나타내지 않았다.
따라서, 접속부의 면적이 쌍극판 면적의 7% 이상인 경우 접촉 면적 감소에 의한 성능 저하는 발생하지 않는 것으로 확인되었다.
도 9는 흑연재질의 쌍극판의 압축비율에 따른 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.
여기서 압축 비율은 압축전의 쌍극판의 두께와, 압축후의 쌍극판의 두께의 비율을 의미한다.
도 9를 살펴보면, 압축비율 증가에 따라 저항값이 감소하는 것을 알 수 있다.
집전판과 쌍극판의 접촉 저항을 감소시키기 위한 바람직한 쌍극판의 압축비율은 4~10% 범위이다. 4% 미만인 경우 저항값 감소의 효과가 적으며 10% 초과의 경우 압축비율 증가에 따른 저항값의 감소가 미미하다.
한편, 쌍극판의 압축비율을 증가시키기 위해서는 스택의 체결압의 증가시켜야 하는데, 쌍극판을 8% 이상 압축시키기 위해서는 체결압력이 압축시키지 않을 경우보다 1.4배 이상 요구된다.
이러한 점을 고려하면, 보다 바람직한 쌍극판의 압축비율은 6~8% 범위이다. 쌍극판의 압축비율이 6% 미만인 경우 가압에 의한 저항 감소 효과가 적으며, 쌍극판의 압축비율을 8% 초과로 하기 위해서는 과도한 체결압이 요구되기 때문이다.
체결압은 셀 스택 전체의 체결구조에서 기인하는 것으로 체결압을 증가시키기 위해서는 셀 스택 전체의 체결구조에 변경이 가해져야 하므로, 체결압의 과도한 증가는 전체적인 셀 스택의 구조적 안정성에 문제를 가져올 수 있으며, 제조원가를 상승시키는 원인이 될 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 레독스 흐름 전지의 셀 스택은 집전판이 전해액 투과 영역을 회피하여 배치되도록 함으로써, 전해액 침투에 따른 집전판 손상의 문제를 해결하였다. 또한 접촉면적 감소에 따른 전기적 특성 저하를 감소시키기 위하여 집전판과 쌍극판의 접촉면에 가압력을 부여함으로써 접촉면적이 감소하더라도 접촉저항을 감소시킴으로써 전기적인 성능을 유지할 수 있는 구조를 제공한다.
전술된 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 이너 셀 유닛 110 : 유로 프레임
112 : 전극실 120 : 쌍극판
130, 140 : 전극 200 : 엔드 셀 유닛
210 : 엔드 프레임 212 : 전극실
220 : 쌍극판 230 : 전극
250 : 집전판 252 : 접속부
254 : 단자부 260 : 절연판
262 : 집전판 수용홈 263 : 쌍극판 수용홈
300 : 멤브레인
400 : 엔드플레이트
t1 : 집전판 수용홈 두께
t2 : 집전판 두께
t3 : 쌍극판 수용홈 두께
t4 : 쌍극판두께

Claims (10)

  1. 전극 수용공간인 전극실을 구비하는 엔드 프레임과, 상기 전극실의 개방면의 면적보다 넓은 면적을 가지도록 형성되어 상기 전극실의 개방면을 막는 쌍극판과, 상기 쌍극판의 외면을 절연하는 절연판과, 상기 쌍극판과 면접촉하는 접속부가 상기 전극실의 개방면과 중첩되는 영역이 존재하지 않도록 형성된 집전판을 포함하는 레독스 흐름 전지의 셀 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전판의 접속부는
    상기 쌍극판에 전극이 적층되는 영역과 이격거리를 유지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 셀 스택.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이격거리는 상기 쌍극판의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 셀 스택.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 접속부는 상기 쌍극판 면적의 7% 이상인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 셀 스택.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연판은
    상기 집전판의 형상에 대응하는 집전판 수용홈과,
    상기 쌍극판의 형상에 대응하는 쌍극판 수용홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 셀 스택.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 집전판 수용홈의 두께는
    상기 집전판의 두께와 상기 쌍극판의 두께의 합보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 셀 스택.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연판에 상기 집전판과 상기 쌍극판이 결합되며,
    상기 쌍극판은 압축성 재질로 형성되어 상기 쌍극판의 표면과 상기 절연판의 표면이 동일평면 상에서 평탄하게 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 셀 스택.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 쌍극판은 흑연 재질이며,
    상기 집전판의 접속부와 접촉하는 부분이 4~10% 압축되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 셀 스택.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전판의 접속부는 상기 전극실을 둘러싸는 액자 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 셀 스택.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 레독스 흐름 전지의 셀 스택은
    이너 셀 유닛의 쌍극판과, 엔드 셀 유닛의 쌍극판이 동일한 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지의 셀 스택.
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