KR101802749B1 - 캐필러리 튜브를 포함한 흐름전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온 교환막(180); 및 상기 이온교환막(180)의 양쪽에 각각 배치되는 플로우 프레임(160A, 160B)을 포함하고, 상기 플로우 프레임(160A, 160B) 각각에는 반원형 홈을 구비하고, 상기 플로우 프레임(160A)의 반원형 홈(161A, 162A)은 조립시 대응되는 플로우 프레임(160B)의 반원형 홈(161B, 162B)과 맞추어져서 입구 포트 및 출구 포트중 적어도 하나를 형성하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 스택에 관한 것이다.

Description

캐필러리 튜브를 포함한 흐름전지 스택{Flow Battery Stack including Capillary Tube}
본 발명은 레독스 흐름 전지용 스택에 관한 것으로, 특히 캐필러리 튜브(capillary tubes)를 이용하여 전해질을 스택에 공급할 수 있도록 한 레독스 흐름 전지용 스택에 관한 것이다.
레독스 흐름전지는 최근 전 세계적으로 가장 큰 관심을 불러일으키고 있는 신재생에너지, 온실가스 감축, 2차 전지, 스마트그리드 등과 긴밀하게 연관된 핵심 제품 중 하나로서 전 세계적으로 급격한 시장의 확대가 진행중인 제품이다.
현재 인류는 대부분의 에너지를 화석 연료로부터 얻고 있으나, 이러한 화석 연료의 사용은 대기오염 및 지구 온난화같이 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 문제점이 있다. 이러한 화석 연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기위해 근래에는 신재생에너지 대한 관심이 급속도로 높아졌다. 이러한 신재생 에너지에 대한 관심 및 연구는 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
신재생에너지 시장의 경우 국내외적으로 성숙 단계에 접어들고 있지만 재생에너지의 특성상 시간 및 날씨 등의 환경 영향에 따라 발생하는 에너지의 양이 크게 변화한다는 문제점이 있어, 신재생에너지 발전의 안정화를 위해 발생된 재생 에너지를 저장하는 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)의 보급이 필요한 상황이며, 이러한 대용량 에너지 저장 시스템으로 주목받고 있는 것이 레독스 흐름전지이다.
레독스 흐름 전지의 일반적인 구조는 도 1과 같이 전기 화학 반응이 일어나는 셀을 적층한 스택(1), 전해질을 보관하는 탱크(3) 및 전해질 탱크에서 스택으로전해질을 공급하는 펌프(4)로 구성되어 있다.
도 2는 일반적인 스택(1)의 분해 사시도를 보여주고 있으며 좌측에서부터 엔드플레이트(11)-절연판(12)-전류플레이트(13)-분리판(14)-가스켓(15)-플로우프레임(16)-전극(17)-가스켓(15)-이온교환막(18)-가스켓(15)-전극(17)-플로우프레임(16)-가스켓(15)-분리판(14)-전류플레이트(13)-절연판(12)-엔드플레이트(11)를 도시하고 있다.
분리판(14) ~ 분리판(14)까지 단위셀을 이루며 사이 사이의 가스켓(15)은 필요에 따라 생략될 수 있다. 일반적으로 하나의 스택은 수십 ~ 수백 개의 단위셀을 적층하여 이루어진다.
본 발명은 캐필러리 튜브를 이용하여 전해질을 공급할 수 있는 스택구조에 관한 것으로 이와 관련하여 US 8,293,390 B2와 US 2011/0206960에 캐필러리 튜브를 이용하여 전해질을 스택에 공급할 수 있는 기술이 공개되어 있다.
그러나, US 8,293,390 B2에서는 이온교환막(separator)이 튜브에 의하여 변형되는데 이러한 경우 이온 교환막은 가스켓과 같은 역할이 가능한 물질이어야 한다.
또한, US 2011/0206960에는 캐필러리 튜브의 연결부를 실링하는 방법이 공개되어 있으나 이러한 경우 다시 분해할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 캐필러리 튜브(Capillary tube)를 이용하여 스택에 전해질을 공급하는 것으로서 실링을 견고하게 하면서도 분해조립이 용이하도록 하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명에서는 종래 발명에서처럼 이온교환막이 튜브에 의하여 변형되지 않는 구조의 스택을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 이온 교환막(180); 및 상기 이온교환막(180)의 양쪽에 각각 배치되는 플로우 프레임(160A, 160B)을 포함하고, 상기 플로우 프레임(160A, 160B) 각각에는 단면이 반원형인 홈을 구비하고, 상기 플로우 프레임(160A)의 반원형 홈(161A, 162A)은 조립시 대응되는 플로우 프레임(160B)의 반원형 홈(161B, 162B)과 맞추어져서 입구 포트 및 출구 포트중 적어도 하나를 형성하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 스택에 관한 것이다.
,
또한, 본 발명에서 상기 플로우 프레임(160B)에는 이온교환막 아래에 놓여지는 채널(168B)이 형성되고, 상기 채널(168B)은 상기 플로우 프레임(160A; 160B)의 반원형 홈(162A; 162B)에 의하여 형성되는 입구 포트와 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에서 플로우 프레임(160B)에는 이온교환막 아래에 놓여지며 출구 포트와 연결된 채널(169B)이 추가로 형성되고, 전해질은 상기 플로우 프레임(160A; 160B)의 단면이 반원형인 홈(162A; 162B)에 의하여 형성되는 입구 포트, 입구 포트에 연결된 채널(168B), 이온교환막 아래에 놓여지는 전극 및 채널(169B)을 순차적으로 통과한다.
또한, 본 발명에서 상기 플로우 프레임(160A)에는 이온교환막 위에 놓여지며 반원형 홈(161A; 161B)에 의하여 형성되는 입구 포트와 연결되는 채널(168A', 도 4b참조) 이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 플로우 프레임(160A)에는 이온교환막 위에 놓여지며 출구 포트와 연결되는 채널(169A')이 추가로 형성되고, 전해질은 상기 플로우 프레임(160A; 160B)의 반원형 홈(161A; 161B)에 의하여 형성되는 입구 포트, 상기 입구포트에 연결되는 플로우 프레임(160A)의 채널(168A'), 이온교환막 위에 놓여지는 전극 및 출구포트와 연결되는 플로우 프레임(160A)의 채널(169A')을 순차적으로 통과한다.
또한, 본 발명에서 상기 입구 포트 및 출구 포트중 적어도 하나에는 연질 튜브가 일체형으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 채널(168B)에는 연질 튜브가 연장되지 않아 이온 교환막이 연질 튜브에 의하여 변형되지 않는다.
또한, 본 발명에서 플로우 프레임(160A, 160B)의 반원형 홈(161A, 162A, 161B, 162B))의 반대쪽에는 외부로 돌출되는 돌출부(163A, 165A, 163B, 165B)가 형성되며 상기 돌출부들은 겹쳐지는 플로우 프레임(160C, 160D)의 오목부(163C, 165C, 163D, 165D)에 겹쳐질 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 일체형으로 연결되어 있는 연질 튜브는 외부의 캐필러리 튜브와 피팅에 의하여 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에서 플로우 프레임(160A, 160B)의 입구 포트 또는 출구 포트를 형성하는 반원형 홈은 직사각형 형태의 플로우 프레임에서 외부로 돌출된 부분(160Aa, 160Ab; 160Ba, 160Bb) 에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 플로우 프레임(160A, 160B)은 용제 용착(solvent welding)에 의하여 일체형으로 이루어지도록 하여 입구 포트 및 출구 포트는 원형을 유지할 수 있도록 하였다.
본 발명은 플로우 프레임에 일체형으로 결합된 튜브에 전해질을 공급하는 캐필러리 튜브를 용이하게 결합 및 분해가 가능하다.
또한, 본 발명에서 이온교환막은 변형되지 않는 구조가 되도록 하여실링이 용이하게 되도록 하였다.
도 1은 본발명이 적용되는 레독스 흐름 전지의 개략도이다.
도 2는 레독스 흐름 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 3a 및 3b는 본발명의 캐필러리 튜브를 이용할 수 있는 스택의 분해 사시도이다.
도 4a는 도 3a을 기준으로 플로우 프레임 (160A)의 하부면이 보이는 프레임 (160A)의사시도이다.
도 4b는 도 3a을 기준으로 플로우 프레임 (160A)의 하부면이다.
도 4c는 플로우 프레임 (160B)의사시도이다.
도 4d는 도 3a을 기준으로 플로우 프레임 (160B)의 상부면이다.
도 5는 본 발명 스택의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 스택에 이용되는 캐필러리 튜브 세트이다.
도 7은 본 발명의 스택의 투시 평면도이다.
도 8은 전해질 포트의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 3a는 본 발명의 캐필러리 튜브를 이용할 수 있는 스택의 분해 사시도이며 이온 교환막(180)의 양쪽에 플로우 프레임(160A, 160B)이 배치되며, 상기 플로우 프레임의 각각의 바깥쪽에는 분리판(140)이 배치된다. 상기 분리판의 양쪽에는 전극(170)이 접착된 상태로 배치되어 있다.
본 발명에서는 도 6에 도시된 캐필러리 튜브(250)가 스택에 연결되어 전해질을 스택에 공급하고자 하는 것이다 (도 7 참고).
따라서, 이온 교환막의 양쪽에 배치되는 플로우 프레임(160A; 160B)에는 튜브가 연결될 수 있는 입구 포트 및 출구 포트가 형성되어 있어야 한다 (도 7참고).
도 3a 및 도 7에 도시된 것과 같이 입구 포트는 플로우 프레임(160A)의 반원형 홈(161A; 162A)과 플로우 프레임(160B)의 반원형 홈(161B; 162B)이 서로 맞추어져 형성된다.
마찬가지 방법으로, 출구 포트가 도 7에 도시된 것과 같이 형성되어 있다.
도 3a에 도시된 것과 같이 각각의 플로우 프레임(160A; 160B)에서 입구 포트를 형성하는 반원형 홈(161A, 162A; 161B, 162B)은 직사각형 형태의 플로우 프레임에서 외부로 돌출된 부분(160Aa, 160Ab; 160Ba, 160Bb)에 형성되어 있다.
도 8은 입구 포트 및 출구포트의 단면을 보여주는 것으로 연질 재료의 튜브(280)가 상기 포트의 내면(270)에 일체형으로 접합되어 있다.
도 6에는 전해질을 스택에 공급하고자 하는 캐필러리 튜브(250)를 도시하고 있으며 상기 튜브(250)는 도 8에 도시된 연질의 튜브(280)에 피팅(210)을 사용하여 연결된다.
상기 캐필러리 튜브(250)는 폴리프로필렌 튜브(220)에 연결되어 있으며 상기 폴리프로필렌 튜브는 플랜지(230)에 의하여 폴리염화비닐(PVC) 파이프에 연결되어 전해질 순환을 위한 배관을 형성한다.
도 3a에 도시된 것처럼, 플로우 프레임 (160B)의 상부면에는 채널(168B)이 형성되어 있고 반원형 홈(162A)과 반원형 홈(162B)이 맞추어져서 형성되는 입구포트는 상기 채널(168B)에 연결되며 상기 채널(168B)은 이온교환막(180)의 아래에 설치되는 형태가 된다.
도 3b는 도 3a의 채널(168B; 169B)이 덮개(168Ba; 169Ba)에 의하여 덮혀진 구성을 도시한다.
이에 비하여, 플로우 프레임(160A)의 하부면에도 채널이 형성되며, 상기 하부면의 채널(168A', 도 4b참조)은 반원형 홈(161A)과 반원형 홈(161B)이 맞추어져서 이루어지는 입구포트와 연결된다. 또한, 플로우 프레임(160A)의 하부면에 형성되는 채널은 이온교환막(180) 위에 놓여지게 된다.
도 7에 도시된 것과 같이 음극쪽 전해질은 반원형 홈(162A)와 반원형 홈(162B)이 맞추어져서 형성되는 입구포트와 채널(168B)를 통과한 후 이온 교환막(180)의 아래에 배치되는 전극을 통과하고, 상기 전극을 통과한 전해질은 채널(169B)을 통해 반원형 홈(167B)에 의하여 이루어지는 출구 포트로 배출되게 된다.
이에 비하여, 양극쪽 전해질은 반원형 홈(161A)과 반원형 홈(161B)이 맞추어져서 형성되는 입구포트와 플로우 프레임(160A)의 하부면에 형성되고 이온 교환막 위에 놓여지는 채널(168A')을 통과하고, 그 후 이온 교환막 위에 배치하는 전극을 통과한후 플로우 프레임(160A)의 하부면에 형성되는 출구포트 쪽의 채널(169A')을 통과하여 배출된다.
도 4b는 도 3a의 사시도 기준으로 플로우 프레임 (160A)의 하부면으로 채널(168A') 및 채널(169A')을 도시하고 있으며 상기 채널(168A') 및 채널(169A')의 일부는 도 3b에서 설명한 덮개에 의하여 덮혀진 상태를 나타내고 있다.
도 5는 본 발명의 스택 구조의 측면도로서, 반원형 홈(161A)과 반원형 홈(161B)이 맞추어지고 마찬가지로 반원형 홈(162A)과 반원형 홈(162B)이 맞추어져서 입구포트를 형성하는 것을 알 수 있다.
반원형 홈(161A, 162A, 161B, 162B)이 형성되는 곳의 반대편에는 외부로 돌출되는 돌출부(163A, 165A, 163B, 165B)가 형성되며 상기 돌출부들은 겹쳐지는 플로우 프레임(160C, 160D)의 오목부(163C, 165C, 163D, 165D)에 겹쳐지게 된다.
상기 돌출부(163A, 165A, 163B, 165B)와 오목부(163C, 165C, 163D, 165D)는 이온 교환막(180)쪽에는 형성되지 않는다.
프레임(160C)과 프레임(160A)은 동일한 형태로서 도 5의 프레임(160C)을 뒤집으면 프레임(160A)과 같이 되고 마찬가지로 프레임(160D)과 프레임(160B)은 동일한 형태로서 프레임(160D)을 뒤집으면 프레임(160B)과 같이 된다.
또한, 본 발명에서 분리판(140)과 프레임(160A, 160B)의 접합, 이온교환막(180)과 프레임(160A, 160B)의 접합,　피팅(210)을 프레임에 삽입하기 위한 튜브(280)와 입구 포트 및 출구포트는 용제 용착(SOLVENT WELDING)에 의하여 이루어진다.
특히, 프레임(160A, 160B)의 접합시 용제 용착 방법에 의하여 일체형으로 이루어지도록 하여 프레임에 의하여 형성되는 입구 포트와 출구포트가 원형을 유지하도록 한다. 이와 다른 방법의 접합방법 (예를 들어, hot plate welding 및 ultrasonic welding)을 사용하면 용접살이 튀어나오는 등 프레임에 변형이 이루어질 수 있어 2개의 프레임에 의해 형성되는 입구 포트 및 출구 포트가 원형을 이루지 않을 수 있다.
11: 엔드플레이트 12: 절연판
13: 전류플레이트 14:분리판
15: 가스켓 16: 플로우프레임
16a: 플로우프레임의내부의빈공간 16b: 플로우프레임의외부프레임
17: 전극 18: 이온교환막
140: 분리판 160A, 160B: 플로우 프레임

Claims (11)

  1. 이온 교환막(180); 및
    상기 이온교환막(180)의 양쪽에 각각 배치되는 플로우 프레임(160A, 160B)을 포함하고,
    상기 플로우 프레임(160A, 160B) 각각에는 단면이 반원형인 홈을 구비하고,
    상기 플로우 프레임(160A)의 반원형 홈(161A, 162A)은 조립시 대응되는 플로우 프레임(160B)의 반원형 홈(161B, 162B)과 맞추어져서 입구 포트 및 출구 포트중 적어도 하나를 형성하고,
    상기 플로우 프레임(160B)에는 이온교환막 아래에 놓여지는 채널(168B)이 형성되고,
    상기 채널(168B)은 상기 플로우 프레임(160A; 160B)의 반원형 홈(162A; 162B)에 의하여 형성되는 입구 포트와 연결되고,
    상기 입구 포트 및 출구 포트중 적어도 하나에는 연질 튜브가 일체형으로 연결되고,
    상기 채널(168B)에는 연질 튜브가 연장되지 않아 이온 교환막이 연질 튜브에 의하여 변형되지 않는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 스택.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플로우 프레임(160B)에는 이온교환막 아래에 놓여지는 채널(169B)이 추가로 형성되고,
    전해질은 상기 플로우 프레임(160A; 160B)의 반원형 홈(162A; 162B)에 의하여 형성되는 입구 포트, 상기 채널(168B), 이온교환막 아래에 놓여지는 전극 및 채널(169B)을 순차적으로 통과하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플로우 프레임(160A)에는 이온교환막 위에 놓여지며 반원형 홈(161A; 161B)에 의하여 형성되는 입구 포트와 연결되는 채널(168A')이 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 스택.
  5. 제4항에 있어서,
    플로우 프레임(160A)에는 이온교환막 위에 놓여지며 출구 포트와 연결되는 채널(169A')이 추가로 형성되고, 전해질은 상기 플로우 프레임(160A; 160B)의 반원형 홈(161A; 161B)에 의하여 형성되는 입구 포트, 상기 입구포트에 연결되는 플로우 프레임(160A)의 채널(168A'), 이온교환막 위에 놓여지는 전극 및 출구포트와 연결되는 플로우 프레임(160A)의 채널(169A')을 순차적으로 통과하는 것을 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 스택.
  6. 삭제
  7. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    플로우 프레임(160A, 160B)의 반원형 홈(161A, 162A, (162A; 162B))의 반대쪽에는 외부로 돌출되는 돌출부(163A, 165A, 163B, 165B)가 형성되며 상기 돌출부들은 겹쳐지는 플로우 프레임(160C, 160D)의 오목부(163C, 165C, 163D, 165D)에 겹쳐지는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 스택.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 일체형으로 연결되어 있는 튜브는 외부의 캐필러리 튜브와 피팅에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 스택.
  9. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    플로우 프레임(160A, 160B)에서 입구 포트 또는 출구 포트를 형성하는 반원형 홈은 직사각형 형태의 플로우 프레임에서 외부로 돌출된 부분(168A,169A; 169B, 169B)에 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 스택.
  10. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플로우 프레임(160A, 160B)은 용제 용착(solvent welding)에 의하여 일체형으로 이루어지도록 하여 입구 포트 및 출구 포트는 원형을 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 스택.
  11. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    플로우 프레임(160A)의 바깥쪽에 놓여지는 플로우 프레임(160C) 및 프레임(160B)의 바깥쪽에 놓여지는 플로우 프레임(160D)를 추가로 포함하고,
    프레임(160C)과 프레임(160A)은 동일한 형태로서 프레임(160C)을 뒤집으면 프레임(160A)과 같이 되고,
    프레임(160D)과 프레임(160B)은 동일한 형태로서 프레임(160D)을 뒤집으면 프레임(160B)과 같이 되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지 스택.
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