KR101870099B1 - 셀 프레임, 셀 스택, 및 레독스 플로우 전지 - Google Patents

셀 프레임, 셀 스택, 및 레독스 플로우 전지 Download PDF

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마사히로 구와바라
겐지 모토이
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

정극 전극에 대향하는 면과 부극 전극에 대향하는 면에 각각, 각 전극에 전해액을 도입하는 도입 유로와, 상기 도입 유로와 연통(連通)되지 않고 독립적으로 형성되며, 각 전극으로부터 상기 전해액을 배출하는 배출 유로를 구비하고, 상기 도입 유로는, 도입측 정류(整流)홈과, 상기 도입측 정류홈에 연통되고, 서로 이격되는 복수의 도입측 분기홈을 구비하며, 상기 배출 유로는, 배출측 정류홈과, 상기 배출측 정류홈에 연통되고, 서로 이격되는 복수의 배출측 분기홈을 구비하고, 상기 도입측 분기홈은, 상기 배출측 정류홈을 향해 연장되고, 또한 상기 배출측 분기홈은, 상기 도입측 정류홈을 향해 연장되어 있으며, 상기 도입측 정류홈과 상기 배출측 분기홈의 이격 거리(X), 및 상기 배출측 정류홈과 상기 도입측 분기홈의 이격 거리(Y)는 모두, 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하인 셀 프레임.

Description

셀 프레임, 셀 스택, 및 레독스 플로우 전지{CELL FRAME, CELL STACK, AND REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 셀 프레임, 셀 스택, 및 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.
특허문헌 1∼4에는, 셀 프레임, 정극 전극, 격막, 부극 전극, 및 셀 프레임을 복수 적층하고, 그 적층체를 급배판 사이에 끼워 넣은 셀 스택, 및 그 셀 스택을 이용한 레독스 플로우 전지가 기재되어 있다. 셀 프레임은, 정극 전극과 부극 전극 사이에 끼워지는 쌍극판과, 이 쌍극판을 외주로부터 지지하는 프레임체(frame member)를 구비한다. 이 구성에서는, 인접하는 각 셀 프레임의 쌍극판 사이에 하나의 셀이 형성된다.
특허문헌 1∼4에는, 셀 내의 정극 전극과 부극 전극에 충분히 전해액을 골고루 퍼지게 하기 위해서, 쌍극판에서의 정극 전극에 대향하는 면과, 부극 전극에 대향하는 면에, 복수의 홈부를 갖는 유로를 형성한 구성이 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2015-122230호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2015-122231호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 제2015-138771호 공보 특허문헌 4: 일본 특허 공개 제2015-210849호 공보
본 개시의 셀 프레임은,
레독스 플로우 전지의 정극 전극과 부극 전극 사이에 배치되는 쌍극판, 및 상기 쌍극판을 외주측으로부터 지지하는 프레임체를 구비하는 셀 프레임으로서,
상기 셀 프레임에서의 상기 정극 전극에 대향하는 면과 상기 부극 전극에 대향하는 면에 각각, 각 전극에 전해액을 도입하는 도입 유로와, 상기 도입 유로와 연통(連通)되지 않고 독립적으로 형성되며, 각 전극으로부터 상기 전해액을 배출하는 배출 유로를 구비하고,
상기 도입 유로는, 도입측 정류(整流)홈과, 상기 도입측 정류홈에 연통되고, 서로 이격되는 복수의 도입측 분기홈을 구비하며,
상기 배출 유로는, 배출측 정류홈과, 상기 배출측 정류홈에 연통되고, 서로 이격되는 복수의 배출측 분기홈을 구비하고,
상기 도입측 분기홈은, 상기 배출측 정류홈을 향해 연장되고, 또한 상기 배출측 분기홈은, 상기 도입측 정류홈을 향해 연장되어 있으며,
상기 도입측 정류홈과 상기 배출측 분기홈의 이격 거리(X), 및 상기 배출측 정류홈과 상기 도입측 분기홈의 이격 거리(Y)는 모두, 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하이다.
본 개시의 셀 스택은,
본 개시의 셀 프레임을 구비한다.
본 개시의 레독스 플로우 전지는,
본 개시의 셀 스택을 구비한다.
도 1은 실시형태 1에 따른 레독스 플로우 전지의 동작 원리도이다.
도 2는 실시형태 1에 따른 레독스 플로우 전지의 개략 구성도이다.
도 3은 실시형태 1에 따른 셀 스택의 개략 구성도이다.
도 4는 실시형태 1에 따른 셀 프레임을 일면측에서 본 평면도이다.
도 5는 실시형태 2에 따른 셀 프레임의 쌍극판을 일면측에서 본 평면도이다.
도 6은 실시형태 3에 따른 셀 프레임을 일면측에서 본 평면도이다.
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
최근, 자연 환경을 배려한 에너지 시스템의 구축이 기대되고 있으며, 그 일환으로서 레독스 플로우 전지의 전지 성능의 향상이 기대되고 있다. 발명자들은, 레독스 플로우 전지의 셀 프레임에 구비되는 쌍극판의 유로에 주목하여, 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있는 구성을 검토하였다.
본 개시는, 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있는 셀 프레임, 및 셀 스택을 제공하는 것을 목적의 하나로 한다. 또한, 본 개시는, 전지 성능이 우수한 레독스 플로우 전지를 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
[본 개시의 효과]
본 개시의 셀 프레임, 및 셀 스택에 의하면, 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 개시의 레독스 플로우 전지는, 전지 성능이 우수하다.
[본원 발명의 실시형태의 설명]
최초로 본원 발명의 실시형태의 내용을 열기(列記)하여 설명한다.
<1> 실시형태에 따른 셀 프레임은,
레독스 플로우 전지의 정극 전극과 부극 전극 사이에 배치되는 쌍극판, 및 상기 쌍극판을 외주측으로부터 지지하는 프레임체를 구비하는 셀 프레임으로서,
상기 셀 프레임에서의 상기 정극 전극에 대향하는 면과 상기 부극 전극에 대향하는 면에 각각, 각 전극에 전해액을 도입하는 도입 유로와, 상기 도입 유로와 연통되지 않고 독립적으로 형성되며, 각 전극으로부터 상기 전해액을 배출하는 배출 유로를 구비하고,
상기 도입 유로는, 도입측 정류홈과, 상기 도입측 정류홈에 연통되고, 서로 이격되는 복수의 도입측 분기홈을 구비하며,
상기 배출 유로는, 배출측 정류홈과, 상기 배출측 정류홈에 연통되고, 서로 이격되는 복수의 배출측 분기홈을 구비하고,
상기 도입측 분기홈은, 상기 배출측 정류홈을 향해 연장되고, 또한 상기 배출측 분기홈은, 상기 도입측 정류홈을 향해 연장되어 있으며,
상기 도입측 정류홈과 상기 배출측 분기홈의 이격 거리(X), 및 상기 배출측 정류홈과 상기 도입측 분기홈의 이격 거리(Y)는 모두, 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하이다.
셀 프레임에 상기 도입 유로를 형성함으로써, 셀 프레임의 쌍극판의 전면(全面)으로 전해액을 신속히 골고루 퍼지게 할 수 있고, 쌍극판에 인접하는 전극의 전면에 전해액을 고르게 공급할 수 있다. 또한, 셀 프레임에 상기 배출 유로를 형성함으로써, 전극에 공급되고, 활물질의 가수가 변화한 전해액을, 전극의 전면으로부터 고르게 신속히 회수할 수 있다.
상기 셀 프레임에서는, 도입측 정류홈과 배출측 분기홈의 이격 거리(X), 및 배출측 정류홈과 도입측 분기홈의 이격 거리(Y)를 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하로 하고 있다. 여기서, 『이격 거리(X, Y)』란, 정류홈과 분기홈의 최단 거리를 말하며, 예컨대, 배출측 분기홈이 끝으로 갈수록 가늘어지는 형상이면, 그 끝으로 갈수록 가늘어지는 돌단(突端)으로부터 도입측 정류홈까지의 최단 거리가 이격 거리(X)가 된다. 또한, 『이격 거리(X, Y)가 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하』란, 쌍극판에서의 복수의 이격 거리(X, Y) 모두가 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하라고 하는 의미이다. 예컨대, 배출측 분기홈(도입측 분기홈)이 4개 형성되는 쌍극판에서는, 각 배출측 분기홈(도입측 분기홈)과 도입측 정류홈(배출측 정류홈)과의 4개의 이격 거리(X)[이격 거리(Y)]가 모두, 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하이다.
이격 거리(X) 및 이격 거리(Y)가 1 ㎜ 이상이면, 도입 유로로부터 전극을 통하지 않고 배출 유로로 전해액이 흐르는 누설 패스(leak path)를 억제할 수 있다. 누설 패스를 억제함으로써, 가수가 변화하지 않고 레독스 플로우 전지의 셀 내로부터 배출되는 활물질의 양을 줄일 수 있다. 그 분만큼, 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 이격 거리(X) 및 이격 거리(Y)가 30 ㎜ 이하이면, 전해액의 전지 반응에 따라 발생하는 가스나, 전해액에 원래 혼입되어 있는 가스가 레독스 플로우 전지의 셀 내로부터 빠져나가기 쉬워진다. 그 결과, 셀 내에 가스가 체류하는 것에 따르는 문제점, 예컨대 셀 내에 체류하는 가스에 의해 전해액과 전극의 접촉 면적이 감소하는 문제점을 억제할 수 있고, 그 문제점에 기인하는 레독스 플로우 전지의 셀 저항의 상승을 억제할 수 있다. 전해액에의 가스의 혼입은, 셀 스택으로부터 탱크로 전해액이 되돌아올 때나, 셀 스택으로의 전해액의 순환을 개시했을 때에도 발생할 우려가 있다. 특히, 셀 스택에 최초로 전해액을 순환시킬 때나, 전해액의 순환의 정지에 의해 셀 스택으로부터 전해액이 빠져나간 상태로부터 전해액의 순환을 재개할 때에, 셀 내의 가스가 완전히 빠져나가지 않으면, 레독스 플로우 전지의 셀 저항이 현저히 상승할 우려가 있다. 그러나, 이러한 문제는, 셀 내로부터 가스가 빠져나가기 쉽게 되어 있는 실시형태의 셀 프레임에서는 발생하기 어렵다. 이상 설명한 바와 같이, 본 예의 셀 프레임에 의하면, 레독스 플로우 전지의 셀 저항의 상승을 억제할 수 있고, 그 결과로서 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
<2> 실시형태에 따른 셀 프레임의 일 형태로서,
상기 도입측 정류홈, 상기 배출측 정류홈, 상기 도입측 분기홈, 및 상기 배출측 분기홈은 모두, 상기 쌍극판에 형성되어 있는 형태를 들 수 있다.
상기 셀 프레임을 이용하여 레독스 플로우 전지를 제조하면, 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 셀 프레임의 쌍극판에 형성한 정류홈과 분기홈의 이격 거리가 미리 정해진 범위에 있음으로써, 셀 내에서의 누설 패스와 가스의 체류가 억제되기 때문이다.
<3> 실시형태에 따른 셀 프레임의 일 형태로서,
상기 도입측 정류홈 및 상기 배출측 정류홈은, 상기 프레임체에 형성되어 있고,
상기 도입측 분기홈 및 상기 배출측 분기홈은, 상기 쌍극판에 형성되어 있는 형태를 들 수 있다.
상기 셀 프레임을 이용하여 레독스 플로우 전지를 제조하면, 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 프레임체에 형성한 정류홈과, 쌍극판에 형성한 분기홈의 이격 거리가 미리 정해진 범위에 있음으로써, 셀 내에서의 누설 패스와 가스의 체류가 억제되기 때문이다.
<4> 실시형태에 따른 셀 프레임의 일 형태로서,
상기 도입측 분기홈과 상기 배출측 분기홈이 교대로 배열되어 있고,
인접하는 상기 도입측 분기홈과 상기 배출측 분기홈의 이격 거리(Z)에 대해, 상기 이격 거리(X) 및 상기 이격 거리(Y)는 모두, 상기 이격 거리(Z)의 1/10 이상 10배 이하인 형태를 들 수 있다.
이격 거리(Z)란, 전해액의 유통 방향에 직교하는 방향에서의 도입측 분기홈과 배출측 분기홈의 거리를 말한다. 전해액의 유통 방향의 어느 위치에서의 이격 거리(Z)도, 이격 거리(X, Y)와의 관계가 상기 범위를 만족시킨다. 여기서, 전해액의 유통 방향이란, 쌍극판에서의 전체적인 전해액이 흐르는 방향을 말하며, 예컨대 직사각형 형상의 쌍극판이면, 전해액이 공급되는 측의 변으로부터, 전해액이 배출되는 측의 변으로 향하는 방향을 말한다. 예컨대, 이후에 실시형태 1의 설명에서 참조하는 도 4에서는, 굵은 화살표로 나타나는 지면(紙面) 상향의 방향을 말한다.
상기 <4>의 규정을 수식으로 하면, Z/10≤X≤10Z이고, Z/10≤Y≤10Z이다. 이격 거리(X, Y)와 이격 거리(Z)의 관계를 상기 부등식의 관계로 함으로써, 도입측 분기홈으로부터 배출측 분기홈으로의 누설 패스를 보다 효과적으로 억제하기 쉽고, 또한 셀 내에 가스가 체류하는 것을 보다 효과적으로 억제하기 쉽다. 그 결과, 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
<5> 실시형태에 따른 셀 프레임의 일 형태로서,
복수의 상기 이격 거리(X)의 변동이 3 ㎜ 이하인 형태를 들 수 있다.
각 이격 거리(X)의 변동[이격 거리(X) 중 최장의 것과, 이격 거리(X) 중 최단의 것의 차]이 3 ㎜ 이하이면, 도입측 정류홈으로부터 각 배출측 분기홈으로의 전해액의 이동이 균일적이게 되어, 전극의 전면으로 전해액이 골고루 퍼지기 쉬워진다. 변동이 작을수록, 전해액의 이동이 보다 균일적이게 되기 때문에, 예컨대, 상기 변동을 1 ㎜ 이하로 하거나, 복수의 이격 거리(X)의 평균값에 대한 각 이격 거리(X)의 차를 평균값의 ±4% 이내로 하거나 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 변동을 공차의 범위 내로 하는, 즉, 각 이격 거리(X)의 설계값을 동일하게 하여, 각 이격 거리(X)를 실질적으로 동일한 길이로 하면 좋다. 여기서, 일반적인 공차의 범위(예컨대, ±4% 이하)에서, 이격 거리(X)가 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하의 범위를 벗어나는 것은 허용된다. 예컨대, 이격 거리(X)의 설계값이 1 ㎜인 경우, 어느 하나의 이격 거리(X)가 0.96 ㎜였다고 해도, 그 이격 거리(X)는 실시형태의 범위에 포함된다고 간주한다.
<6> 실시형태에 따른 셀 프레임의 일 형태로서,
복수의 상기 이격 거리(Y)의 변동이 3 ㎜ 이하인 형태를 들 수 있다.
각 이격 거리(Y)의 변동이 3 ㎜ 이하이면, 각 도입측 분기홈으로부터 배출측 정류홈으로의 전해액의 이동이 균일적이게 되어, 전극의 전면으로부터의 전해액의 배출을 원활하게 할 수 있다. 변동이 작을수록, 전해액의 이동이 보다 균일적이게 되기 때문에, 예컨대, 상기 변동을 1 ㎜ 이하로 하거나, 복수의 이격 거리(Y)의 평균값에 대한 각 이격 거리(Y)의 차를 평균값의 ±4% 이내로 하거나 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 변동을 상기 일반적인 공차의 범위 내로 하는, 즉, 각 이격 거리(Y)의 설계값을 동일하게 하여, 각 이격 거리(Y)를 실질적으로 동일한 길이로 하면 좋다. 이격 거리(Y)도, 일반적인 공차의 범위에서, 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하의 범위를 벗어나는 것은 허용된다.
<7> 실시형태에 따른 셀 프레임의 일 형태로서,
상기 전해액의 유통 방향에서의 상이한 위치의 복수의 상기 이격 거리(Z)의 변동이 2 ㎜ 이하인 형태를 들 수 있다.
각 이격 거리(Z)의 변동이 2 ㎜ 이하이면, 도입측 분기홈으로부터 배출측 분기홈으로의 전해액의 이동이 균일적이게 되어, 전극의 전면으로 전해액이 골고루 퍼지기 쉬워진다. 이격 거리(Z)의 변동을 조사하기 위해서는, 전해액의 유통 방향에서의 상이한 복수 개소(예컨대, 등간격으로 3개소 이상) 이격 거리(Z)를 측정하여, 비교하면 된다. 이격 거리(Z)의 변동이 작을수록, 전해액의 이동이 보다 균일적이게 되기 때문에, 예컨대, 상기 변동을 1 ㎜ 이하로 하거나, 복수의 이격 거리(Z)의 평균값에 대한 각 이격 거리(Z)의 차를 평균값의 ±5% 이내로 하거나 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 변동을 상기 일반적인 공차의 범위 내로 하는, 즉, 서로 인접하는 도입측 분기홈과 배출측 분기홈이 거의 등거리로 나란히 연장되도록 하면 된다. 이격 거리(Z)의 변동도, 일반적인 공차의 범위에서, 2 ㎜ 초과가 되는 것은 허용된다.
<8> 실시형태에 따른 셀 스택은,
실시형태에 따른 셀 프레임을 구비한다.
상기 셀 스택을 이용하여 레독스 플로우 전지를 제조하면, 레독스 플로우 전지의 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 셀 스택을 구성하는 셀 프레임에 구비되는 실시형태의 쌍극판에 의해, 셀 스택에서의 셀 내에서의 누설 패스와 가스의 체류가 억제되기 때문이다.
<9> 실시형태에 따른 셀 스택의 일 형태로서,
상기 정극 전극과 상기 부극 전극의 단위 중량이 30 g/㎡ 이상인 형태를 들 수 있다.
일반적으로, 전극의 단위 중량이 높아지면, 셀 내의 가스가 빠져나가기 어려워진다. 이에 대해, 실시형태에 따른 셀 스택은, 실시형태의 셀 프레임을 채용함으로써 셀 내로부터 가스가 빠져나가기 쉬운 구성으로 되어 있다. 그 때문에, 실시형태에 따른 셀 스택의 전극으로서, 단위 중량이 30 g/㎡ 이상인 전극을 채용해도, 셀 내에 가스가 체류하기 어렵다.
<10> 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지는,
실시형태에 따른 셀 스택을 구비한다.
실시형태에 따른 레독스 플로우 전지는, 전지 성능이 우수하다.
<11> 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지의 일 형태로서,
상기 셀 스택을 순환하는 전해액의 점도가 10-2 ㎩·s 이하인 형태를 들 수 있다.
일반적으로, 전해액의 점도가 낮아지면, 전해액의 누설 패스가 발생하기 쉽다. 이에 대해, 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지는, 실시형태의 셀 프레임을 채용함으로써 누설 패스가 발생하기 어려운 구성으로 되어 있다. 그 때문에, 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지의 전해액으로서, 점도가 10-2 ㎩·s 이하인 전해액을 채용해도, 누설 패스에 기인하는 레독스 플로우 전지의 전지 성능의 저하가 발생하기 어렵다.
<12> 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지의 일 형태로서,
표면에 홈이 없는 쌍극판을 사용한 레독스 플로우 전지에 비해, 셀 저항률이 30% 이상 작은 형태를 들 수 있다.
셀 저항률이 작은 레독스 플로우 전지는, 충방전 시의 에너지 손실이 작고, 자연 에너지를 효율적으로 축전할 수 있기 때문에 바람직하다. 여기서 『표면에 홈이 없는 쌍극판을 사용한 레독스 플로우 전지』란, 홈의 유무를 제외하고, 동일한 구성, 즉 형상, 치수, 재질이 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지와 동일한 레독스 플로우 전지이다.
[본 발명의 실시형태의 상세]
이하, 본 개시의 레독스 플로우 전지(RF 전지)의 실시형태를 설명한다. 한편, 본 발명은 실시형태에 나타나는 구성에 한정되는 것은 아니며, 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내의 모든 변경이 포함되는 것을 의도한다.
<실시형태 1>
실시형태에 따른 레독스 플로우 전지(이하, RF 전지)를 도 1 내지 도 5에 기초하여 설명한다.
《RF 전지》
RF 전지는, 전해액 순환형의 축전지의 하나이며, 태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 신에너지의 축전에 이용되고 있다. 도 1의 RF 전지(1)의 동작 원리도에 나타낸 바와 같이, RF 전지(1)는, 정극용 전해액에 포함되는 활물질 이온의 산화 환원 전위와, 부극용 전해액에 포함되는 활물질 이온의 산화 환원 전위의 차를 이용하여 충방전을 행하는 전지이다. RF 전지(1)는, 수소 이온을 투과시키는 격막(101)으로 정극 셀(102)과 부극 셀(103)로 분리된 셀(100)을 구비한다.
정극 셀(102)에는 정극 전극(104)이 내장되고, 또한 정극용 전해액을 저류하는 정극 전해액용 탱크(106)가 도관(108, 110)을 통해 접속되어 있다. 도관(108)에는 펌프(112)가 설치되어 있고, 이들 부재(106, 108, 110, 112)에 의해 정극용 전해액을 순환시키는 정극용 순환 기구(100P)가 구성되어 있다. 마찬가지로, 부극 셀(103)에는 부극 전극(105)이 내장되고, 또한 부극용 전해액을 저류하는 부극 전해액용 탱크(107)가 도관(109, 111)을 통해 접속되어 있다. 도관(109)에는 펌프(113)가 설치되어 있고, 이들 부재(107, 109, 111, 113)에 의해 부극용 전해액을 순환시키는 부극용 순환 기구(100N)가 구성되어 있다. 각 탱크(106, 107)에 저류되는 전해액은, 충방전 시에 펌프(112, 113)에 의해 셀(102, 103) 내로 순환된다. 충방전을 행하지 않는 경우, 펌프(112, 113)는 정지되어, 전해액은 순환되지 않는다.
《셀 스택》
상기 셀(100)은 통상, 도 2, 도 3에 도시된 바와 같은, 셀 스택(2)이라고 불리는 구조체의 내부에 형성된다. 셀 스택(2)은, 서브 스택(200)(도 3)이라고 불리는 적층 구조물을 그 양측으로부터 2장의 엔드 플레이트(210, 220) 사이에 끼워 넣고, 체결 기구(230)로 체결함으로써 구성되어 있다[도 3에 예시하는 구성에서는, 복수의 서브 스택(200)을 이용하고 있다].
서브 스택(200)(도 3)은, 셀 프레임(3), 정극 전극(104), 격막(101), 및 부극 전극(105)을 복수 적층하고, 그 적층체를 급배판(190, 190)(도 3의 아래 도면 참조, 도 2에서는 생략) 사이에 끼워 넣은 구성을 구비한다. 상기 구성을 구비하는 본 실시형태의 RF 전지(1)의 특징의 하나로서, 셀 프레임(3)의 구성을 들 수 있다. 이하, 셀 프레임(3)의 구성을 상세히 설명한다.
《셀 프레임》
셀 프레임(3)은, 관통창을 갖는 프레임체(32)와, 관통창을 막는 쌍극판(31)을 갖고 있다. 즉, 프레임체(32)는, 쌍극판(31)을 그 외주측으로부터 지지하고 있다. 쌍극판(31)의 일면측에는 정극 전극(104)이 접촉하도록 배치되고, 쌍극판(31)의 타면측에는 부극 전극(105)이 접촉하도록 배치된다. 이 구성에서는, 인접하는 각 셀 프레임(3)에 끼워 넣어진 쌍극판(31) 사이에 하나의 셀(100)이 형성되게 된다.
도 3에 도시된 급배판(190, 190)을 통한 셀(100)에의 전해액의 유통은, 셀 프레임(3)에 형성되는 급액용 매니폴드(33, 34)와, 배액용 매니폴드(35, 36)에 의해 행해진다(도 4를 아울러 참조). 정극용 전해액은, 급액용 매니폴드(33)로부터 셀 프레임(3)의 일면측(지면 앞쪽)에 형성된 입구 슬릿(33s)(도 4)을 통해 정극 전극(104)에 공급되고, 셀 프레임(3)의 상부에 형성되는 출구 슬릿(35s)(도 4)을 통해 배액용 매니폴드(35)에 배출된다. 마찬가지로, 부극용 전해액은, 급액용 매니폴드(34)로부터 셀 프레임(3)의 타면측(지면 뒤쪽)에 형성된 입구 슬릿(34s)(도 4)을 통해 부극 전극(105)에 공급되고, 셀 프레임(3)의 상부에 형성되는 출구 슬릿(36s)(도 4)을 통해 배액용 매니폴드(36)에 배출된다. 각 셀 프레임(3) 사이에는, 평패킹 등의 환형 시일 부재(37)(도 3)가 배치되어, 서브 스택(200)으로부터의 전해액의 누설이 억제되어 있다.
본 예에서는, 도 4의 평면도에 나타낸 바와 같이, 입구 슬릿(33s)을 통해 쌍극판(31)의 표면(지면 전방측의 면)에 공급된 정극 전해액이 정극 전극(104)(도 3)의 전면으로 고르게 골고루 퍼지도록, 쌍극판(31)의 표면에 도입 유로(4)가 형성되어 있다. 또한, 정극 전극(104)(도 3)에서 가수가 변화한 정극 활물질을 포함하는 정극 전해액을 정극 전극(104)의 전면으로부터 신속히 회수하여, 출구 슬릿(35s)으로 유도하는 배출 유로(5)가 형성되어 있다. 도 4에서는, 쌍극판(31)에서의 도입 유로(4)와 배출 유로(5) 이외의 부분을 크로스 해칭으로 나타내고 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 도입 유로(4)와 배출 유로(5)는 서로 연통되지 않고 독립적으로 형성되어 있다. 이러한 쌍극판(31)에서의 전체적인 전해액이 흐르는 방향(유통 방향)은, 도 4의 좌측에 굵은 선 화살표로 나타낸 바와 같이, 지면 상방향이 된다.
여기서, 쌍극판(31)의 이면에는, 부극 전해액을 부극 전극(105)(도 3)에 공급하는 도입 유로와 부극 전해액을 배출하는 배출 유로가 형성되어 있다. 쌍극판(31)의 이면의 도입 유로와 배출 유로의 구성은, 도 4에 도시된 도입 유로(4)와 배출 유로(5)와 동일하기 때문에, 그 설명을 생략하고, 이후의 설명에서는 주로 정극측의 구성에 대해 설명한다.
도입 유로(4)는, 도입측 정류홈(40)과 복수의 도입측 분기홈(41)을 구비한다. 본 예의 도입측 정류홈(40)은, 유통 방향에 교차하는 방향(본 예에서는 직교하는 방향)으로 연장되어 있고, 입구 슬릿(33s)에 연결되어 있다. 한편, 도입측 분기홈(41)은, 도입측 정류홈(40)에 교차하는 방향(본 예에서는 직교하는 방향)으로 연장되어 있다. 이 도입측 분기홈(41)의 연신 방향은, 유통 방향을 대략 따른 방향이며, 후술하는 배출측 정류홈(50)으로 향하는 방향이다. 각 도입측 분기홈(41)은, 서로 이격되어 있다. 이러한 도입 유로(4)의 구성에 의해, 입구 슬릿(33s)으로부터 쌍극판(31)에 도입된 정극 전해액은, 도입측 정류홈(40)의 연신 방향으로 분산되고, 도입측 분기홈(41)을 통해 쌍극판(31)의 전면으로 골고루 퍼진다. 정극 전해액이 각 홈(40, 41)으로부터 각 홈(50, 51)으로 골고루 퍼지는 과정에서, 정극 전해액은, 쌍극판(31)의 표면에 배치되는 정극 전극(104)(도 3)에 스며들어, 정극 전해액에 포함되는 정극 활물질의 가수가 변화한다.
상기 도입측 분기홈(41)은, 본 예에 나타낸 바와 같이, 유통 방향에 대해 평행하게 연장되어 있어도 좋고, 사행(斜行)하고 있어도 좋으며, 혹은 사행(蛇行)하고 있어도 좋다. 또한, 도입측 분기홈(41)의 폭은, 도시된 바와 같이 똑같이 하는 것 외에, 변화시켜도 상관없다. 예컨대, 선단으로 갈수록 도입측 분기홈(41)의 폭이 좁아지도록 할 수 있고, 그 경우, 도입측 분기홈(41)은 사다리꼴 형상 또는 삼각형 형상이 된다.
배출 유로(5)는, 배출측 정류홈(50)과 복수의 배출측 분기홈(51)을 구비한다. 본 예의 배출측 정류홈(50)은, 유통 방향에 교차하는 방향(본 예에서는 직교하는 방향)으로 연장되어 있고, 출구 슬릿(35s)에 연결되어 있다. 한편, 배출측 분기홈(51)은, 배출측 정류홈(50)에 교차하는 방향(본 예에서는 직교하는 방향)으로 연장되어 있다. 이 배출측 분기홈(51)의 연신 방향은, 유통 방향과 반대 방향의 방향이며, 전술한 도입측 정류홈(40)으로 향하는 방향이다. 각 배출측 분기홈(51)은, 서로 이격되어 있고, 상기 이격 방향으로 배출측 분기홈(51)과 전술한 도입측 분기홈(41)은 교대로 배열되어 있다. 각 배출측 분기홈(51)에 의해 정극 전극(104)(도 3)으로부터 회수된 정극 전해액은, 배출측 정류홈(50)에서 합류하여, 출구 슬릿(35s)에 배출된다. 배출측 분기홈(51)이 쌍극판(31)의 전면에 분산되어 배치되어 있기 때문에, 정극 전극(104)(도 3)의 전면으로부터 정극 전해액을 회수할 수 있다.
상기 배출측 분기홈(51)은, 본 예에 나타낸 바와 같이, 유통 방향에 대해 평행하게 연장되어 있어도 좋고, 사행(斜行)하고 있어도 좋으며, 혹은 사행(蛇行)하고 있어도 좋다. 또한, 배출측 분기홈(51)의 폭은, 도시된 바와 같이 똑같이 하는 것 외에, 변화시켜도 상관없다. 예컨대, 선단으로 갈수록 배출측 분기홈(51)의 폭이 좁아지도록 할 수 있고, 그 경우, 배출측 분기홈(51)은 사다리꼴 형상 또는 삼각형 형상이 된다.
여기서, 도입측 정류홈(40)과 각 배출측 분기홈(51)의 이격 거리(X), 및 배출측 정류홈(50)과 각 도입측 분기홈(41)의 이격 거리(Y)는 모두 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하로 한다. 본 예에서는, 6개의 배출측 분기홈(51)이 있고, 각 배출측 분기홈(51)과 도입측 정류홈(40) 사이의 6개의 이격 거리(X) 모두가 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하이다. 또한, 본 예에서는, 6개의 도입측 분기홈(41)이 있고, 각 도입측 분기홈(41)과 배출측 정류홈(50) 사이의 6개의 이격 거리(Y) 모두가 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하이다. 각 이격 거리(X, Y)는, 본 예에서는 실질적으로 동일하게 하고 있으나, 상이해도 좋다. 예컨대 병렬되는 6개 중, 3개의 분기홈(51)의 이격 거리(X)가 10 ㎜이고, 나머지 이격 거리(X)가 20 ㎜ 등으로 할 수 있다[이격 거리(Y)도 동일함]. 또한, 이격 거리(X, Y)의 각각이 상이해도 좋다. 어쨌든, 모든 이격 거리(X, Y)가 1∼30 ㎜의 범위 내에 있으면 된다.
이격 거리[X(Y)]가 1 ㎜ 이상이면, 도입 유로(4)로부터 배출 유로(5)로 정극 전해액이 집중적으로 흐르는 누설 패스를 억제할 수 있다. 누설 패스를 억제함으로써, 가수가 변화하지 않고 RF 전지(1)(도 1, 2 참조)의 셀(100) 내로부터 배출되는 활물질의 양을 줄일 수 있다. 그 분만큼, RF 전지(1)의 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 이격 거리[X(Y)]가 30 ㎜ 이하이면, 정극 전해액의 전지 반응에 따라 발생하는 가스나, 정극 전해액에 원래 혼입되어 있는 가스, 정극 전해액의 순환에 따라 정극 전해액에 혼입되는 가스 등이 RF 전지(1)의 셀(100) 내로부터 빠져나가기 쉬워진다. 그 결과, 셀(100) 내에 가스가 체류하는 것에 따르는 문제점, 예컨대 가스에 의해 정극 전해액과 정극 전극(104)의 접촉 면적이 감소하는 것에 의한 RF 전지(1)의 셀 저항의 상승을 억제할 수 있다. 셀 저항의 상승을 억제한 분만큼, RF 전지(1)의 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 이격 거리(X, Y)의 바람직한 값은, 2 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하이고, 3 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
도입측 정류홈(40)과 각 배출측 분기홈(51)의 이격 거리(X)의 변동은 3 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써, 도입측 정류홈(40)으로부터 각 배출측 분기홈(51)으로의 정극 전해액의 이동이 균일적이게 되어, 정극 전극(104)(도 1-3 참조)의 전면으로 정극 전해액이 골고루 퍼지기 쉬워지기 때문이다. 이 효과는, 이격 거리(X)의 변동이 작아질수록 높아지기 때문에, 상기 변동은 1 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 실질적으로 0 ㎜로 하는[즉, 각 이격 거리(X)의 설정값을 동일하게 하는] 것이 보다 바람직하다. 또한, 배출측 정류홈(50)과 각 도입측 분기홈(41)의 이격 거리(Y)의 변동은 3 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써, 도입측 분기홈(41)으로부터 배출측 정류홈(50)으로의 정극 전해액의 이동이 균일적이게 되어, 정극 전극(104)(도 1-3 참조)의 전면으로부터의 정극 전해액의 배출을 원활하게 할 수 있다. 이 효과는, 이격 거리(Y)의 변동이 작아질수록 높아지기 때문에, 이격 거리(Y)의 변동은 1 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 실질적으로 0 ㎜로 하는[즉, 각 이격 거리(Y)의 설정값을 동일하게 하는] 것이 보다 바람직하다.
또한, 서로 인접하는 도입측 분기홈(41)과 배출측 분기홈(51)의 이격 거리(Z)는, Z/10≤X≤10Z, Z/10≤Y≤10Z를 만족시키는 것이 바람직하다. 전해액의 유통 방향의 어느 위치에서의 이격 거리(Z)도, 이격 거리(X, Y)와의 관계가 상기 범위를 만족시킨다.
이격 거리(X, Y)와 이격 거리(Z)가 상기 부등식을 만족시킴으로써, 보다 효과적으로, 도입측 분기홈(41)으로부터 배출측 분기홈(51)으로의 누설 패스를 억제하면서, 셀(100)(도 2) 내에 가스가 체류하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, RF 전지(1)(도 2)의 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 이격 거리(X)와 이격 거리(Z)는, Z/8≤X≤9Z를 만족시키는 것이 보다 바람직하고, Z/3≤X≤7Z를 만족시키는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 이격 거리(Y)와 이격 거리(Z)는, Z/8≤Y≤9Z를 만족시키는 것이 보다 바람직하고, Z/3≤Y≤7Z를 만족시키는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 이격 거리(Z)의 변동은, 2 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이격 거리(Z)의 변동을 조사하기 위해서는, 전해액의 유통 방향에서의 상이한 복수 개소(예컨대, 등간격으로 3개소 이상) 이격 거리(Z)를 측정하여, 비교하면 된다. 이격 거리(Z)의 변동이 작은 구성은 즉, 서로 인접하는 도입측 분기홈(41)과 배출측 분기홈(51)이 대략 등거리로 나란히 연장되는 구성이다. 이러한 구성으로 함으로써, 도입측 분기홈(41)으로부터 배출측 분기홈(51)으로의 정극 전해액의 이동이 균일적이게 되어, 정극 전극(104)(도 1-3 참조)의 전면으로 정극 전해액이 골고루 퍼지기 쉬워진다. 이격 거리(Z)의 변동은 작을수록 바람직하며, 예컨대 1 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 실질적으로 0 ㎜로 하는[즉, 각 이격 거리(Z)의 설정값을 동일하게 하는] 것이 보다 바람직하다.
《효과》
도 4를 참조하여 설명한 도입 유로(4)와 배출 유로(5)를 구비하는 쌍극판(31)을 이용함으로써, RF 전지(1)의 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 도입 유로(4)와 배출 유로(5)가 미리 정해진 조건을 만족시킴으로써, RF 전지(1)의 셀(100) 내에서 누설 패스가 발생하기 어렵고, 또한 전해액 중의 가스가 셀(100) 내에 체류하기 어렵기 때문이다.
《그 외의 구성》
전극(104, 105)(도 3 참조)의 단위 중량을 크게 하면, 전극(104, 105)과 전해액의 접촉 면적이 커져 RF 전지(1)(도 1, 2 참조)의 전지 성능이 향상된다. 그 반면, 전극(104, 105)의 공극이 좁고 복잡하게 되어, 셀(100) 내에 가스가 체류하기 쉬워진다. 본 예의 RF 전지(1)에서는, 도 4에 도시된 쌍극판(31)을 채용함으로써, 셀(100) 내의 가스가 빠져나가기 쉽게 되어 있기 때문에, 전극(104, 105)의 단위 중량을 크게 할 수 있다. 구체적으로는, 예컨대 전극(104, 105)의 단위 중량을 30 g/㎡ 이상으로 할 수 있다. 상기 단위 중량은 50 g/㎡ 이상으로 할 수도 있다. 상기 단위 중량의 상한값은, 500 g/㎡로 하는 것을 들 수 있다.
또한, 전해액의 점도를 낮게 하면, 전해액을 순환시키는 펌프(112, 113)(도 1, 2 참조)의 부하를 저감할 수 있어, RF 전지(1)의 러닝 코스트를 저감할 수 있다. 그 반면, 전해액의 누설 패스가 발생하기 쉬워질 가능성이 있다. 본 예의 RF 전지(1)에서는, 도 4에 도시된 쌍극판(31)을 채용함으로써, 누설 패스가 발생하기 어렵게 되어 있기 때문에, 전해액의 점도를 작게 할 수 있다. 구체적으로는, 예컨대 전해액의 점도를 10-2 ㎩·s 이하로 할 수 있다. 상기 점도는 8×10-3 ㎩·s 이하로 할 수도 있다. 상기 점도의 하한값은, 10-3 ㎩·s이다.
<실시형태 2>
실시형태 2에서는, 쌍극판(31)에서의 도입 유로(4)와 배출 유로(5)의 형성 상태가 실시형태 1과 상이한 예를 도 5에 기초하여 설명한다. 쌍극판(31) 이외의 구성은 실시형태 1과 거의 동일한 것을 이용할 수 있기 때문에, 도 5에는 쌍극판(31)만을 도시하고, 실시형태 2에서는 쌍극판(31) 이외의 설명은 생략한다.
도 5의 쌍극판(31)은, 굵은 선 화살표로 나타낸 유통 방향으로 길게 되어 있다. 이 쌍극판(31)에 구비되는 도입 유로(4)의 도입측 정류홈(40), 및 배출 유로(5)의 배출측 정류홈(50)은, 유통 방향을 따른 방향으로 연장되어 있다. 이러한 구성에 있어서도, 도입측 정류홈(40)과 배출측 분기홈(51)의 이격 거리(X), 및 배출측 정류홈(50)과 도입측 분기홈(41)의 이격 거리(Y)는, 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하로 한다. 또한, 이격 거리(X, Y)와 이격 거리(Z)는, Z/10≤X≤10Z, Z/10≤Y≤10Z로 하는 것이 바람직하다.
《효과》
본 예의 구성에 의해서도, RF 전지(1)(도 1-2 참조)의 셀(100) 내에서 누출 패스가 발생하기 어렵고, 또한 전해액 중의 가스가 셀(100) 내에 체류하기 어려워지기 때문에, 그 분만큼 RF 전지(1)의 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
<실시형태 3>
실시형태 3에서는, 프레임체(32)에 정류홈(40, 50)을, 쌍극판(31)에 분기홈(41, 51)을 형성한 셀 프레임(3)을 도 6에 기초하여 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 예의 셀 프레임(3)에서는, 프레임체(32)의 내주 가장자리부[쌍극판(31)이 끼워 넣어지는 관통창에 근접하는 부분] 중, 급액용 매니폴드(33, 34)측의 변에 도입측 정류홈(40)이 형성되고, 배액용 매니폴드(35, 36)측의 변에 배출측 정류홈(50)이 형성되어 있다. 도입측 정류홈(40)은, 급액용 매니폴드(33, 34)의 병렬 방향을 따라 연장되고, 그 상단측[배액용 매니폴드(35, 36)측]이 관통창에 연결되어 있다. 또한, 배출측 정류홈(50)은, 배액용 매니폴드(35, 36)의 병렬 방향을 따라 연장되고, 그 하단측[급액용 매니폴드(33, 34)측]이 관통창에 연결되어 있다.
한편, 쌍극판(31)에는, 도입측 분기홈(41)과 배출측 분기홈(51)이 교대로 나란히 형성되어 있다. 도입측 분기홈(41)은, 도입측 정류홈(40)에 연결되어 있으나, 배출측 정류홈(50)에는 연결되어 있지 않다. 또한 배출측 분기홈(51)은, 배출측 정류홈(50)에 연결되어 있으나 도입측 정류홈(40)에는 연결되어 있지 않다.
상기 구성에 있어서도, 이격 거리(X, Y, Z)를 실시형태 1과 동일하게 설정함으로써, 셀(100) 내에서 누설 패스와, 셀(100) 내의 가스의 체류를 억제할 수 있고, RF 전지(1)의 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 본 예에서의 이격 거리(X, Y, Z)는 각각, 실시형태 1과 마찬가지로, 도입측 정류홈(40)과 각 배출측 분기홈(51)의 이격 거리, 배출측 정류홈(50)과 각 도입측 분기홈(41)의 이격 거리, 및 인접하는 도입측 분기홈(41)과 배출측 분기홈(51)의 이격 거리이다.
《효과》
본 예의 구성에 의해서도, RF 전지(1)(도 1-2 참조)의 셀(100) 내에서 누설 패스가 발생하기 어렵고, 또한 전해액 중의 가스가 셀(100) 내에 체류하기 어려워지기 때문에, 그 분만큼 RF 전지(1)의 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
《그 외》
정류홈(40, 50)을 프레임체(32)에, 분기홈(41, 51)을 쌍극판에 형성하는 구성은, 실시형태 2에 나타낸 바와 같은, 전해액의 유통 방향으로 긴 셀 프레임에도 적용할 수 있다.
<시험예 1>
이격 거리(X, Y, Z)가 상이한 도 4의 쌍극판(31)을 구비하는 셀 프레임(3)을 이용한 복수의 RF 전지(1)(시험체 A∼G)를 제작하였다. 또한, 표면에 홈(도입 유로 및 배출 유로)을 갖지 않는 RF 전지(시험체 H)를 제작하였다. 전극(104, 105)(도 1, 2 참조)의 단위 중량은 150 g/㎡∼200 g/㎡, 전해액의 점도는 4×10-3 ㎩·s였다. 그리고, 각 RF 전지(1)를 이용하여 충방전 시험을 행함으로써, 각 RF 전지(1)의 셀 저항률을 측정하였다. 충방전 시험의 조건은, 방전 종료 전압: 1 V, 충전 종료 전압: 1.6 V로 하였다. 셀 저항률의 평가는, 충방전 시험에 기초하여 충방전 곡선을 작성하고, 그 충방전 곡선으로부터 3사이클째의 셀 저항률로 행하였다.
·시험체 A
시험체 A의 쌍극판(31)에서의 이격 거리(X, Y)는 1 ㎜, 이격 거리(Z)는 1 ㎜였다. 또한, 이격 거리(X, Y, Z)의 변동은 각각, 공차의 범위 내였다. 이 시험체 A의 셀 저항률은, 0.63 Ω·㎠였다.
·시험체 B
시험체 B의 쌍극판(31)에서의 이격 거리(X, Y)는 3 ㎜, 이격 거리(Z)는 3 ㎜였다. 또한, 이격 거리(X, Y, Z)의 변동은 각각, 공차의 범위 내였다. 그 외의 조건(형상, 치수, 재질 등)은, 시험체 A와 완전히 동일하였다. 이 시험체 B의 셀 저항률은, 0.58 Ω·㎠였다.
·시험체 C
시험체 C의 쌍극판(31)에서의 이격 거리(X, Y)는 7 ㎜, 이격 거리(Z)는 7 ㎜였다. 또한, 이격 거리(X, Y, Z)의 변동은 각각, 공차의 범위 내였다. 그 외의 조건은, 시험체 A와 완전히 동일하였다. 이 시험체 C의 셀 저항률은, 0.57 Ω·㎠였다.
·시험체 D
시험체 D의 쌍극판(31)에서의 이격 거리(X, Y)는 3 ㎜, 이격 거리(Z)는 1 ㎜였다. 또한, 이격 거리(X, Y, Z)의 변동은 각각, 공차의 범위 내였다. 그 외의 조건은, 시험체 A와 완전히 동일하였다. 이 시험체 D의 셀 저항률은, 0.65 Ω·㎠였다.
·시험체 E
시험체 E의 쌍극판(31)에서의 이격 거리(X, Y)는 3 ㎜, 이격 거리(Z)는 7 ㎜였다. 또한, 이격 거리(X, Y, Z)의 변동은 각각, 공차의 범위 내였다. 그 외의 조건은, 시험체 A와 완전히 동일하였다. 이 시험체 E의 셀 저항률은, 0.55 Ω·㎠였다.
·시험체 F
시험체 F의 쌍극판(31)에서의 이격 거리(X, Y)는 26 ㎜, 이격 거리(Z)는 4 ㎜였다. 또한, 이격 거리(X, Y, Z)의 변동은 각각, 공차의 범위 내였다. 그 외의 조건은, 시험체 A와 완전히 동일하였다. 이 시험체 F의 셀 저항률은, 0.57 Ω·㎠였다.
·시험체 G
시험체 G의 쌍극판(31)에서의 이격 거리(X, Y)는 41 ㎜, 이격 거리(Z)는 1 ㎜였다. 또한, 이격 거리(X, Y, Z)의 변동은 각각, 공차의 범위 내였다. 그 외의 조건(형상, 치수, 재질 등)은, 시험체 A와 완전히 동일하였다. 이 시험체 G의 셀 저항률은, 0.71 Ω·㎠였다.
·시험체 H
시험체 H는, 도입 유로 및 배출 유로를 갖지 않는 셀 프레임을 이용한 RF 전지이다. 유로의 유무 이외의 조건(형상, 치수, 재질 등)은, 시험체 A와 완전히 동일하였다. 이 시험체 H의 셀 저항률은, 0.97 Ω·㎠였다.
《시험 결과의 정리》
전술한 시험체의 셀 저항률의 비교에 의해, 이격 거리(X, Y)가 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하로 함으로써, RF 전지(1)의 셀 저항률을 저감할 수 있는 것이 명백해졌다. 또한, 이격 거리(X, Y)와 이격 거리(Z)가, Z/10≤X≤10Z, Z/10≤Y≤10Z를 만족시킴으로써, RF 전지(1)의 셀 저항률을 저감할 수 있는 것이 명백해졌다. 또한, 이격 거리(X, Y)가 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하인 유로(4, 5)를 갖는 시험체 A∼F와, 유로를 갖지 않는 시험체 H를 비교한 결과, 시험체 A∼F의 셀 저항률은, 시험체 H의 셀 저항률보다 30% 이상 작았다. 이와 같이, 셀 저항률이 작은 RF 전지(1)는, 충방전 시의 에너지 손실이 작고, 효율적으로 운용할 수 있다.
1: RF 전지(레독스 플로우 전지) 2: 셀 스택
3: 셀 프레임 31: 쌍극판
32: 프레임체 33, 34: 급액용 매니폴드
35, 36: 배액용 매니폴드 33s, 34s: 입구 슬릿
35s, 36s: 출구 슬릿 37: 환형 시일 부재
4: 도입 유로 40: 도입측 정류홈
41: 도입측 분기홈 5: 배출 유로
50: 배출측 정류홈 51: 배출측 분기홈
100: 셀 101: 격막
102: 정극 셀 103: 부극 셀
100P: 정극용 순환 기구 100N: 부극용 순환 기구
104: 정극 전극 105: 부극 전극
106: 정극 전해액용 탱크 107: 부극 전해액용 탱크
108, 109, 110, 111: 도관 112, 113: 펌프
190: 급배판 200: 서브 스택
210, 220: 엔드 플레이트 230: 체결 기구

Claims (12)

  1. 레독스 플로우 전지의 정극 전극과 부극 전극 사이에 배치되는 쌍극판, 및 상기 쌍극판을 외주측으로부터 지지하는 프레임체(frame member)를 구비하는 셀 프레임으로서,
    상기 셀 프레임에서의 상기 정극 전극에 대향하는 면과 상기 부극 전극에 대향하는 면에 각각, 각 전극에 전해액을 도입하는 도입 유로와, 상기 도입 유로와 연통(連通)되지 않고 독립적으로 형성되며, 각 전극으로부터 상기 전해액을 배출하는 배출 유로를 포함하고,
    상기 도입 유로는, 도입측 정류(整流)홈과, 상기 도입측 정류홈에 연통되고, 서로 이격되는 복수의 도입측 분기홈을 포함하며,
    상기 배출 유로는, 배출측 정류홈과, 상기 배출측 정류홈에 연통되고, 서로 이격되는 복수의 배출측 분기홈을 포함하고,
    상기 도입측 분기홈은, 상기 배출측 정류홈을 향해 연장되고, 또한 상기 배출측 분기홈은, 상기 도입측 정류홈을 향해 연장되며,
    상기 도입측 정류홈과 상기 배출측 분기홈의 이격 거리(X), 및 상기 배출측 정류홈과 상기 도입측 분기홈의 이격 거리(Y)는 모두, 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하인 것인 셀 프레임.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도입측 정류홈, 상기 배출측 정류홈, 상기 도입측 분기홈, 및 상기 배출측 분기홈은 모두, 상기 쌍극판에 형성되는 것인 셀 프레임.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도입측 정류홈 및 상기 배출측 정류홈은, 상기 프레임체에 형성되고,
    상기 도입측 분기홈 및 상기 배출측 분기홈은, 상기 쌍극판에 형성되는 것인 셀 프레임.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도입측 분기홈과 상기 배출측 분기홈이 교대로 배열되고,
    인접하는 상기 도입측 분기홈과 상기 배출측 분기홈의 이격 거리(Z)에 대해, 상기 이격 거리(X) 및 상기 이격 거리(Y)는 모두, 상기 이격 거리(Z)의 1/10 이상 10배 이하인 것인 셀 프레임.
  5. 제1항에 있어서, 복수의 상기 이격 거리(X) 중 최장의 것과 최단의 것의 차이는 3 ㎜ 이하인 것인 셀 프레임.
  6. 제1항에 있어서, 복수의 상기 이격 거리(Y) 중 최장의 것과 최단의 것의 차이는 3 ㎜ 이하인 것인 셀 프레임.
  7. 제4항에 있어서, 복수의 상기 이격 거리(Z) 중 최장의 것과 최단의 것의 차이는 2 ㎜ 이하인 것인 셀 프레임.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 셀 프레임을 포함하는 셀 스택.
  9. 제8항에 있어서, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극의 단위 중량은 30 g/㎡ 이상인 것인 셀 스택.
  10. 제8항에 기재된 셀 스택을 포함하는 레독스 플로우 전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 셀 스택을 순환하는 전해액의 점도는 10-2 ㎩·s 이하인 것인 레독스 플로우 전지.
  12. 제10항에 있어서, 표면에 홈이 없는 쌍극판을 사용한 레독스 플로우 전지에 비해, 셀 저항률이 30% 이상 작은 것인 레독스 플로우 전지.
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