KR101870270B1 - 전극 구조체, 이의 제조방법과 용도, 및 레독스 흐름전지의 스택 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이폴라 플레이트와 펠트 전극의 기능을 동시에 수행하는 다공성 전극으로서 표면에 유로 기능을 수행하는 패턴층 또는 메쉬층이 형성된 것을 특징으로 하는 다공성 전극을 포함하여 구성되는 전극 구조체, 이의 제조방법과 션트전류의 저감을 구현할 수 있는 레독스 흐름 전지의 스택 구조에 관한 것이다.

Description

전극 구조체, 이의 제조방법과 용도, 및 레독스 흐름전지의 스택 구조{ELECTRODE STRUCTURE, METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF AND USE THEREOF, AND STACK STRUCTURE OF REDOX FLOW BATTERY}
본 발명은 전극 구조체, 이의 제조방법과 이의 용도, 및 레독스 흐름전지의 스택 구조에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 바이폴라 플레이트와 펠트 전극의 기능을 동시에 수행하는 다공성 전극으로서 표면에 유로 기능을 수행하는 패턴층 또는 메쉬층이 형성된 것을 특징으로 하는 다공성 전극을 포함하여 구성되는 전극 구조체, 이의 제조방법과 션트전류의 저감을 구현할 수 있는 레독스 흐름 전지의 스택 구조에 관한 것이다.
일반적으로 대용량의 전력저장을 위한 이차전지로서 레독스 흐름전지(RFB, Redox Flow Battery)는 유지보수 비용이 적고 상온에서 작동 가능하며, 용량과 출력을 독립적으로 설계 할 수 있는 특징이 있기 때문에 최근 대용량 이차전지로서 많은 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 레독스 흐름전지는 양전극, 음전극, 바이폴라 플레이트 및 분리막을 포함하여 형성되며, 이를 단위셀(unit cell)이라 명명한다. 상기 단위셀은 출력 설계에 맞게 다수 적층되어 사용할 수 도 있다.
종래 레독스 흐름전지는 개략도인 도 1a 및 단면도인 도 1b에서 보는 바와 같이 최외측에 형성되는 전해액 출입구 및 배출구를 포함하는 한쌍의 엔드플레이트(1) 각각의 내측에 형성된 집전체(2), 프레임(11)에 고정된 바이폴라 플레이트(10), 펠트전극(25)을 포함하는 매니폴드(21, 22) 및 분리막(30)을 구비한 단위체를 포함하며 이루어지며, 상기 단위체는 직렬 또는 병렬로 반복 적층 될 수 있다. 구체적으로, 상기 단위체는 도 1b에서 보는 바와 같이 극성을 달리하는 펠트전극(25)을 포함하는 제1 매니폴드(21)와 제2 매니폴드(22)가 분리막(30)을 사이에 두고 형성되며, 두 매니폴드 바깥쪽으로 프레임(11)에 고정된 바이폴라 플레이트(10)가 형성된다.
이러한 종래 레독스 흐름전지는 적층시 펠트 전극과 바이폴라 플레이트를 포함하는 제 1매니폴드(21)와 다른 극을 갖는 펠트 전극을 포함하는 제2 매니폴드(22)를 분리막(30)을 기준으로 반복하여 적층하게 되는데, 이에 따라 적층체(스택)의 부피가 증가 될 뿐만 아니라, 고가의 재료가 다량으로 사용되어 가격 상승 및 적층 시간 증가의 문제점이 발생하게 된다.
이에 일본 공개 특허 제20001-196071호는 스택의 계면 저항을 낮추어 출력 특성 및 적층을 용이하게 하기 위한 방법으로 탄소섬유상의 전극과 바이폴라 플레이트를 결합하되, 별도의 결합 바인더 없이 가압식으로 접촉하는 방법이 제시되었다.
또한, 본 발명자의 선행특허인 한국 등록특허 제10-1309262호에서 레독스 흐름전지 적층체의 부피를 줄이고, 적층효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 적층 작업 시간 및 비용을 획기적으로 줄일 수 있도록 한 일체형 복합 전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지에 대하여 개시하고 있으며, 한국 등록특허 제10-1498597호에서는 셀의 계면저항을 줄이기 위한 방법으로 전극과 바이폴라 플레이트가 열경화 접촉시트에 의해 접합되는 기술을 개시하고 있다.
그러나 상기와 같은 방법들은 초기 셀 저항이 높고, 장기간 사용하는 경우 바이폴라 플레이트가 강산에 의해 부식 또는 열화되어 바이폴라 플레이트와 전극의 지속적인 접합을 유지하는 데 문제가 있다. 또한, 열 경과 접촉시트를 사용할 경우 또 하나의 계면으로 인한 계면저항이 증가하는 문제점이 있으며, 바나듐계 레독스 흐름전지 구성요소 중 펠트전극과 바이폴라 플레이트를 갖는 전극을 사용할 경우 스택의 부피를 감소시키기 어려워 스택 출력 밀도를 저하시키는 결과를 초래하는 문제점이 있었다.
또한 다른 문제점으로 상기 레독스 흐름전지의 구조에 있어서 전해액 주입구는 최외측의 엔드 플레이트에 위치하고 있어, 최외측의 전해액 주입구를 통한 배출부분은 셀의 적층수가 증가됨에 따라 전해액의 이동거리가 증가하게 된다. 전해액의 이동 거리가 증가할수록 전압분포(Voltage distribution)와 내부 전류(internal current)의 강하가 발생하는 문제점이 있다.
일본 공개특허 제2001-196071호 대한민국등록특허 제10-1309262호 대한민국등록특허 제10-1498597호
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 바이폴라플레이트의 역할과 펠트전극의 역할을 동시에 사용할 수 있는 일체형 다공성 전극으로서, 표면에 유로 기능을 수행하는 패턴층 또는 메쉬층이 형성된 다공성 전극을 포함하는 전극 구조체 및 이의 제조방법을 제공한다. 또한 션트 전류를 저감할 수 있는 레독스 흐름 전지 구조의 스택 구조를 제공한다.
본 발명은, 양전극; 상기 양전극에 대향하여 구비되는 음전극; 및 상기 양전극과 상기 음전극 사이에 구비되는 분리막을 포함하여 구성되고, 상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극인 것을 특징으로 하는 전극 구조체를 제공한다. 상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성될 수 있다.
상기 다공성 전극과 분리막은 접합되어 일체형으로 구비될 수 있다.
상기 다공성 전극은 흐름전지에서 바이폴라 플레이트와 펠트전극의 기능을 동시에 수행할 수 있다.
상기 다공성 도전재는, 다공성 구조를 가지는 제1 전도성 물질; 및 카본계 물질, 금속, 및 카본계 물질로 코팅된 금속으로 이루어진 군 중 적어도 1 이상을 포함하는 제2 전도성 물질;을 포함할 수 있다.
상기 제1 전도성 물질은 비표면적이 1m2/g 이상인 다공성 물질이다. 더욱 바람직하게는 500m2/g ~ 3000m2/g 의 다공성 물질이다.
상기 제1 전도성 물질은 카본계 물질을 포함할 수 있다.
상기 카본계 물질은 활성탄, 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어 및 플러렌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 제2 전도성 물질은 활성탄, 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 그라핀, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어 및 플러렌로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 카본계 물질; Cu, Al, Ti, Au, Pt, Fe, Ag, Si, Sn, Bi, Mg, Zn, In, Ge 및 Pb로 이루어진 군에서 선택되는 단일 금속 또는 2종 이상의 금속 합금을 포함하는 금속; 및 카본계 물질로 코팅된 금속으로 이루어진 군 중 적어도 1 이상을 포함할 수 있다.
상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐 부틸랄(PVB), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리에틸렌(PE), 당밀 및 스티렌부타디엔고무(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다.
상기 다공성 전극은, 다공성 전극의 전체 중량을 기준으로,
상기 제1 전도성 물질 40 내지 90 중량%; 상기 제2 전도성 물질 0.3 내지 30 중량%; 및 상기 바인더 1 내지 30 중량%를 포함할 수 있다.
상기 패턴층은 패턴 형성부와 패턴 미형성부를 포함하고, 상기 패턴 형성부는 적어도 1 이상의 요철부 또는 적어도 1 이상의 돌출부를 포함하는 패턴을 포함하며, 상기 패턴 미형성부가 상기 다공성 전극의 외측에 가깝도록 구비되고, 상기 패턴 형성부가 상기 다공성 전극의 내측에 가깝도록 구비되도록 구성할 수 있다.
상기 요철부 또는 돌출부의 수평단면은 원형 및 다각형으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 패턴 미형성부와 가장 인접한 패턴의 두께는 상기 패턴 미형성부의 두께의 0.5배 이상 1배 미만, 또는 1배 초과 2배 이하일 수 있다.
상기 패턴 미형성부의 너비 변동률은 0일 수 있다.
상기 다공성 전극의 두께는 0.01mm 내지 2mm일 수 있다.
상기 패턴층 또는 메쉬층은 전해액의 유로로 사용될 수 있다.
상기 전극 구조체의 두께는 0.025mm 내지 5mm일 수 있다.
상기 다공성 전극과 상기 분리막의 거리는 0 내지 3 mm일 수 있다.
또한 본 발명은, 양전극을 형성하는 단계; 상기 양전극에 대향하여 구비되는 음전극을 형성하는 단계; 및 상기 양전극과 상기 음전극 사이에 구비되는 분리막을 형성하는 단계를 포함하여 구성되고, 상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는, 다공성 도전재 및 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계(단계 a); 상기 슬리리를 캐스팅 또는 압연하여 필름으로 제조하고 건조하는 단계(단계 b); 및 상기 건조된 필름의 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층을 형성하는 단계(단계 c)를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 전극 구조체의 제조방법을 제공한다.
상기 슬러리는 상기 슬러리의 전체 중량을 기준으로,
상기 제1 전도성 물질 30 내지 70 중량%; 상기 제2 전도성 물질 0.2 내지 25 중량%; 상기 바인더 3 내지 25 중량%; 및 잔부의 용매를 포함할 수 있다.
상기 단계 b는 슬러리를 그라파이트 플레이트 및 전도성 플레이트에 캐스팅하거나 압연하는 방법으로 수행될 수 있다.
상기 단계 c는 롤 프레싱법, 프레스 압착법 또는 프린팅 법으로 수행될 수 있다.
상기 단계 c는 적어도 1 이상의 요철부 또는 적어도 1 이상의 돌출부를 포함하는 패턴층을 형성하는 방법으로 수행될 수 있다.
또한 본 발명은, 양전극; 상기 양전극에 대향하여 구비되는 음전극; 및 상기 양전극과 상기 음전극 사이에 구비되는 분리막을 포함하여 구성되고, 상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고, 상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성된 것을 특징으로 하는 전극 구조체를 포함하여 구성되는 전기화학 장치를 제공한다.
상기 전기화학 장치는 수계 또는 유기계 레독스 플로우전지, 연료전지, 플로우 축전기(flow capacitor) 또는 염도차 발전 장치일 수 있다.
전극 구조체에 대한 구체적 설명은 상기와 같다.
아울러 본 발명은, 전해액 주입구 및 배출구를 갖는 한 쌍의 엔드플레이트; 상기 엔드플레이트의 각각의 내측에 구비된 집전체; 및 상기 집전체 사이에 구비된 전극 구조체를 포함하는 레독스 플로우 전지로서, 상기 전극 구조체는, 양전극; 상기 양전극에 대향하여 구비되는 음전극; 및 상기 양전극과 상기 음전극 사이에 구비되는 분리막을 포함하여 구성되고, 상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고, 상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지를 제공한다. 전극 구조체에 대한 구체적 설명은 상기와 같다.
또한 본 발명은, 레독스 플로우 전지에서 바이폴라 플레이트와 펠트 전극의 기능을 동시에 수행하는 일체형 다공성 전극으로서, 상기 다공성 전극은 다공성 도전재 및 바인더를 포함하여 구성되고, 상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성된 것을 특징으로 하는 다공성 전극을 제공한다. 다공성 전극에 대한 구체적 설명은 상기 전극 구조체에서 설명한 내용과 같다.
또한 레독스 플로우 전지에서 바이폴라 플레이트와 펠트 전극의 기능을 동시에 수행하는 일체형 다공성 전극의 제조방법으로서, 다공성 도전재 및 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬리리를 캐스팅 또는 압연하여 필름으로 제조하고 건조하는 단계; 및 건조된 필름의 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층을 형성하는 단계를 포함하는 다공성 전극의 제조방법을 제공한다. 상기 단계에 대한 구체적 설명은 상기 전극 구조체 제조방법에서 설명한 내용과 같다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 양전극판, 음전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트에는 각각 전해액 배출구가 형성되고, 상기 적층된 전지셀의 중앙부에 전해액 주입구가 형성된 미들 플레이트가 구비되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 양전극판, 음전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 양전극판과 상기 음전극판을 구성하는 전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고, 상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되며, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트에는 각각 전해액 배출구가 형성되고, 상기 적층된 전지셀의 중앙부에 전해액 주입구가 형성된 미들 플레이트가 구비되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
상기 엔드 플레이트에는 음극 전해액 및 양극 전해액 배출구가 구비될 수 있고, 상기 미들 플레이트에는 음극 전해액 및 양극 전해액 주입구가 구비될 수 있다.
상기 레독스 흐름전지의 스택 구조는, 미들 플레이트의 전해액 주입구로 주입된 전해액이 좌측와 우측으로 이동하는 구조로 형성될 수 있다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고, 상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되고, 상기 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 제1 전극판과, 제2 양전극과 제2 음전극이 포함된 제2 전극판 사이에는 통공이 형성된 분리막이 구비되며, 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나 인접한 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응하고, 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나 인접한 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응하는 구조로 형성된 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고, 상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되고, 상기 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 제1 전극판과, 제2 양전극과 제2 음전극이 포함된 제2 전극판 사이에는 통공이 형성된 분리막이 구비되고, 상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고, 상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되며, 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나 인접한 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응하고, 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나 인접한 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응하는 구조로 형성된 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
상기 스택구조는 전해액이 하나 이상의 직렬로 연결된 전극을 흐르는 구조일 수 있다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고, 상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되며, 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제2 양전극로 유입되고, 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제2 음전극으로 유입되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고, 상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되며, 상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고, 상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되며, 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제2 양전극로 유입되고, 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제2 음전극으로 유입되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
상기 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 제1 전극판과, 제2 양전극과 제2 음전극이 포함된 제2 전극판 사이에는 통공이 형성된 분리막이 구비되고, 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 양전극으로 유입되고, 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 음전극으로 유입될 수 있다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극 전해액과 양극 전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 전지셀은 각각 제1 전극판, 분리막 및 제2 전극판 순으로 배열되며, 상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 양전극과 음전극이 포함된 형태로 구비되고, 상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 양전극과 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되며, 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액이 인접한 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나, 다른 전지셀의 양전극의 유입되고, 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액이 인접한 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나, 다른 전지셀의 음전극으로 유입되는 구조를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극 전해액과 양극 전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 전지셀은 각각 제1 전극판, 분리막 및 제2 전극판 순으로 배열되며, 상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 양전극과 음전극이 포함된 형태로 구비되고, 상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 양전극과 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되며, 상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고, 상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되며, 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액이 인접한 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나, 다른 전지셀의 양전극의 유입되고, 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액이 인접한 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나, 다른 전지셀의 음전극으로 유입되는 구조를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
상기 스택 구조는 전해액이 하나 이상의 직렬로 연결된 전극을 흐르는 구조일 수 있다.
구체적으로 제1 전지셀, 제2 전지셀, ......, 제n-1 전지셀 및 제n 전지셀로 적층된 구조에서, 제1 전지셀에서 반응한 전해액이 유로를 따라 뒤편의 제2 전지셀을 이동하는 형태로, 전해액이 직렬로 연결된 전극을 흐르는 구조일 수 있다. 또한 상기 스택 구조는 제2 전지셀을 반응한 전해액은 하나 이상의 다른 전지셀의 전극(반응부)으로 이동할 수 있는, 직렬로 연결된 구조일 수 있다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극 전해액과 양극 전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 적층된 전지셀은 제1 전지셀, 제2 전지셀, ......, 제n-1 전지셀 및 제n 전지셀로 구성되고, 상기 전지셀은 각각 제1 전극판, 분리막 및 제2 전극판 순으로 배열되며, 상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고, 상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되며, 제1 전지셀에서, 제1 양전극으로 유입된 전해액 및 제1 음전극으로 유입된 전해액은 각각 반응 후 배출되고, 제2 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제1 전지셀의 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되고, 제2 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제1 전지셀의 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되며, 제n 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제n-1 전지셀의 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고, 제n 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제n-1 전지셀의 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되며, 제n 전지셀의 제2 양전극으로 유입된 전해액 및 제2 음전극으로 유입된 전해액은 각각 반응 후 배출되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극 전해액과 양극 전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 적층된 전지셀은 제1 전지셀, 제2 전지셀, ......, 제n-1 전지셀 및 제n 전지셀로 구성되고, 상기 전지셀은 각각 제1 전극판, 분리막 및 제2 전극판 순으로 배열되며, 상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고, 상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되며, 상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고, 상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되며, 제1 전지셀에서, 제1 양전극으로 유입된 전해액 및 제1 음전극으로 유입된 전해액은 각각 반응 후 배출되고, 제2 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제1 전지셀의 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되고, 제2 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제1 전지셀의 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되며, 제n 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제n-1 전지셀의 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고, 제n 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제n-1 전지셀의 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되며, 제n 전지셀의 제2 양전극으로 유입된 전해액 및 제2 음전극으로 유입된 전해액은 각각 반응 후 배출되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 양전극, 음전극 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 분리막에는 전해액이 통과하는 통공이 형성되며, 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 인접한 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나,분리막에 형성된 통공을 통과하여 인접한 다음 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응하고, 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 인접한 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나,분리막에 형성된 통공을 통과하여 인접한 다음 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응하는 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 양전극, 음전극 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고, 상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되고, 상기 분리막에는 전해액이 통과하는 통공이 형성되며, 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 인접한 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나,분리막에 형성된 통공을 통과하여 인접한 다음 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응하고, 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 인접한 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나,분리막에 형성된 통공을 통과하여 인접한 다음 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응하는 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
상기 스택구조는 전해액이 하나 이상의 반대 전극을 건너 하나 이상의 직렬로 연결된 전극을 흐르는 구조일 수 있다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 양전극, 음전극 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 적층된 전지셀은 제1 전지셀, 제2 전지셀, ......, 제n-1 전지셀 및 제n 전지셀로 구성되고, 상기 분리막에는 전해액이 통과하는 통공이 형성되며, 제1 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고, 제1 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되며, 제n-1 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제n 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고, 제n-1 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제n 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되는 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다.
또한 본 발명은, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 양전극, 음전극 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 적층된 전지셀은 제1 전지셀, 제2 전지셀, ......, 제n-1 전지셀 및 제n 전지셀로 구성되고, 상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고, 상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되며, 상기 분리막에는 전해액이 통과하는 통공이 형성되며, 제1 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고, 제1 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되며, 제n-1 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제n 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고, 제n-1 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제n 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되는 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조를 제공한다. 다공성 전극에 관한 상세한 내용은 위에서 설명한 것과 동일하므로 생략한다.
본 발명에 따르면, 바이폴라 플레이트의 역할과 펠트 전극의 역할을 동시에 사용할 수 있는 일체형 다공성 전극으로서, 표면에 유로 기능을 수행하는 패턴층을 포함하는 다공성 전극을 포함하여 구성되는 전극 구조체를 제공할 수 있다. 바이폴라 플레이트와 펠트 전극을 일체형으로 구현가능하기 때문에 접촉저항을 줄임으로써 레독스 흐름전지와 같은 전기화학 장치의 효율을 획기적으로 개선할 수 있고 제조비용도 절감할 수 있다. 또한 다수의 단위셀이 적층된 레독스 흐름 전지를 제조하는 경우, 적층체의 부피를 획기적으로 줄여 적층 효율 및 출력 밀도를 높일 수 있다. 아울러 대면적 및 대량화가 용이한 바 경제적으로 유리하고, 스택의 적층 단계가 줄어들어 작업이 용이하며, 자동화 시스템에 용이하게 적용가능하다. 아울러 본 발명에 따른 일체형 다공성 전극을 포함한 150W급 전극 구조체를 이용하여 레독스 플로우 전지를 구성하는 경우, 기존 출력 밀도 67 W/L에서 167 W/L로 2배 이상의 출력 밀도를 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 레독스 흐름전지 스택 구조는, 스택의 좌측과 우측으로 전해액이 이동할 수 있도록 스택의 중간 부분에 전해액 주입구를 형성함으로써, 전해액의 이동거리를 종래보다 1/2정도 짧아지게 구현할 수 있다. 이에 따라 중앙부의 압력 강하 문제를 개선할 수 있고, 셀과 셀 사이의 전압과 전류의 분포를 개선함으로써, 압력 강하 및 션트 전류의 저감 효과를 구현할 수 있다. 이에 따라 결과적으로 셀의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 다른 구현예에 따른 레독스 흐름전지 스택구조는, 하나의 반응극에서 반응한 전해액이 다른 극 뒤편의 반응극(매니폴드 반응극)으로 이동할 수 있도록 구성하여 셀과 셀 사이의 전해액 노드수를 감소시킬 수 있고 유로의 길이를 증가시킴에 따라 전해액의 저항이 증가하여 유로를 통해 발생하는 션트 전류를 저감할 수 있다.
일반적인 레독스 흐름전지의 구조에서, 다수의 셀과 셀 사이의 전해액은 유로를 따라 병렬로 연결되어 있어 따른 셀과 셀 사이의 전해액 노드수가 증가한다. 셀에 형성된 유로에 전도성 물질인 전해액이 채워졌을 때 전기적으로 도선과 같은 역할을 하게 된다. 노드수가 증가하게 되면 반응부에서 반응이 된 전해액이 병렬로 연결된 유로를 따라 션트 전류로 작용하여 효율을 감소시키려는 경향이 있다. 본 발명에 따른 스택 구조는, 하나의 반응극에서 반응한 전해액이 뒤편의 다른 반응극으로 이동할 수 있도록 직렬로 연결되도록 전해액 유로를 설계 및 구성함에 따라 전해액의 노드수를 감소시켜 션트전류를 감소시킬 수 있다. 또한 반응된 전해액이 뒤편 반응부로 이동함에 따라 유로의 길이가 길어지고, 전해액이 채워진 유로의 길이가 길어짐에 따라 유로 저항이 증가되어 션트전류를 저감 할 수 있다.
도 1a는 종래 레독스 흐름전지의 적층 구조를 간략히 나타낸 것이다.
도 1b는 종래의 전극 구조체의 구조를 간략히 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체를 간략히 나타낸 것이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 스택 구조를 를 간략히 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 따른 다공성 전극 표면에 형성 가능한 패턴 형상을 간략히 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 전극의 제조 과정을 간략히 나타내는 플로우 차트이다.
도 5a는 종래 레독스 흐름전지의 스택 구조를 나타낸 것이다.
도 5b는 도 5a의 구조를 갖는 레독스 흐름전지의 전압, 전류 구배를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예예 따른 레독스 흐름전지의 스택 구조(중앙 분배형 스택구조)를 간략히 나타내는 것이다.
도 6b는 도 5a의 구조를 갖는 레독스 흐름전지, 도 6a의 구조를 갖는 레독스 흐름전지의 전압, 전류 구배를 비교한 그래프이다.
도 7a ~ 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 스택구조를 간략히 나타내는 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명하는 실시예에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예에 의해 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
본 발명에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에서 어떤 부재가 다른 부재"상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 발명에서 "전도성"이란 전기 전도성을 의미한다.
본 발명에서 "다공성"이란 2nm 이상의 크기를 갖는 미세공 또는 중기공을 포함하는 경우를 의미한다.
더 상세하게는 다공성 재료란 체적의 15~95% 정도가 기공으로 이루어진 재료이다. 대표적인 다공성 물질로는 활성탄소(Activated carbon)가 있다. 다공성 탄소는 고체 구조내의 다수의 미세공 및 중기공을 가지고 있다.
참고로, 이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 상기 [발명의 배경이 되는 기술]에서 기술한 종래기술과 동일한 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 다공성 전극(110)을 포함하여 구성되는 전극 구조체(100)이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 전극 구조체(100)를 포함하여 구성되는 레독스 흐름전지의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체(100)는, 양전극; 상기 양전극에 대향하여 구비되는 음전극; 및 상기 양전극과 상기 음전극 사이에 구비되는 분리막(130)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극(110)일 수 있고, 다공성 전극(110)은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성될 수 있다. 다공성 전극(110)은 바이폴라 플레이트와 펠트전극의 기능을 동시에 수행하는 일체형 전극으로 구성될 수 있다. 상기 패턴층 또는 메쉬층은 일체형 다공성 전극(110)의 비표면적을 증대시키고 유체의 흐름을 원활하게 할 수 있다.
상기 전극 구조체는 다공성 전극과 분리막이 접합된 일체형을 구비될 수 있다.
상기 다공성 도전재는, 다공성 구조를 가지는 제1 전도성 물질; 및 카본계 물질, 금속 및 카본계 물질로 코팅된 금속으로 이루어진 군 중 적어도 1 이상을 포함하는 제2 전도성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전도성 물질은 넓은 비표면적을 위한 제공하기 위한 다공성 물질(카본계 물질 등)일 수 있고, 제2 전도성 물질은 전도성 향상을 위한 카본계 물질일 수 있다. 상기 제1 전도성 물질과 제2 전도성 물질은 서로 다른 물질을 이용하는 것이 바람직하지만, 동일 물질의 사용이 불가능한 것은 아니다.
상기 제1 전도성 물질은 비표면적이 큰 다공성 구조를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전도성 물질은 비표면적이 1m2/g 이상이며, 바람직하게는 500m2/g 내지 3,000m2/g일 수 있다.
상기 제1 전도성 물질은 카본계 물질을 포함할 수 있다. 상기 카본계물질은 활성탄, 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌 및 슈퍼 P로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 활성탄일 수 있다.
상기 제1 전도성 물질로서 비표면적이 500m2/g 이상의 카본계 물질을 사용하는 경우 레독스(산화, 환원) 반응을 위한 충분한 면적을 확보할 수 있으며, 탄소 재료 자체의 전도성을 이용하여 펠트전극과 바이폴라 플레이트의 역할을 동시에 수행할 수 있다.
상기 제2 전도성 물질은 카본계 물질; 금속; 및 카본계 물질로 코팅된 금속으로 이루어진 군 중 적어도 1 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속은 Cu, Al, Ti, Au, Pt, Fe, Ag, Si, Sn, Bi, Mg, Zn, In, Ge 및 Pb로 이루어진 군에서 선택되는 단일 금속 또는 2종 이상의 금속 합금을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 전도성이 있는 금속 재료라면 사용가능하다.
상기 카본계 물질에 관한 내용은 전술한 바와 같다
상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐 부틸랄(PVB), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리에틸렌(PE), 당밀 및 스티렌부타디엔고무(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고 다공성 전극을 구성하는 물질을 결착할 수 결합체의 역할을 수행할 수 있는 것이라면 사용가능하다.
구체적으로, 상기 바인더는 다공성 전극(110)을 구성하는 물질 입자간의 접착력을 향상시켜 충진 밀도를 증가시키거나, 전극의 유연성을 향상시켜 취성이 증가하는 현상을 막는 역할을 수행할 수 있다.
상기 바인더의 점도가 너무 높아 다공성 전극(110)을 구성하는 물질과의 혼합이 어려운 경우 상기 바인더에 분산매를 첨가하여 바인더의 점도를 적절하게 조절할 수 있다. 상기 분산매는 용매와 혼용되는 용어일 수 있으며, 구체적으로 에탄올, 아세톤, 이소프로필알코올, 메틸 피롤리돈, 프로필렌글리콘 등의 유기용매 또는 물을 단독으로 또는 혼용하여 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다공성 전극(110)은, 다공성 전극의 전체 중량을 기준으로, 상기 제1 전도성 물질 40 내지 90 중량%; 상기 제2 전도성 물질 0.3 내지 30 중량%; 및 상기 바인더 1 내지 30 중량%를 포함할 수 있다.
상기 제1 전도성 물질이 40 중량% 미만인 경우 레독스(산화, 환원) 반응이 충분히 일어나지 않아 전지 성능이 떨어질 수 있으며, 상기 제 1전도성 물질이 90 중량%를 초과하는 경우, 상대적으로 제2 전도성 물질 및 바인더의 함량이 줄어 들어 다공성 전극(110)을 이루는 물질들 간의 결합력이 저하되고, 이에 따라 다공성 전극(110)의 내구성이 저하되는 문제점이 발생한다. 상기 제 2전도성 물질이 0.3 중량% 미만인 경우 집전체(2a, 2b)와 상기 다공성 전극(110) 사이에서의 전하 이동이 충분히 진행되지 않아 전기화학적 반응을 일으킬 수 없으며, 상기 제2 전도성 물질이 30 중량% 초과일 경우 제1 전도성 물질 및 바인더와의 혼합이 용이하지 않은 문제가 있다.
상기 바인더가 1 중량% 미만인 경우 상기 제1 전도성 물질과 상기 제 2 전도성 물질 입자간의 결합력을 부여할 수 없으며, 상기 바인더가 30 중량%를 초과하는 경우 상대적으로 상기 제1 전도성 물질 및 상기 제2 전도성 물질의 함량이 줄어들어 상기 다공성 전극(110)의 성능이 저하될 수 있다.
다공성 전극(110)의 패턴층은 패턴 형성부와 패턴 미형성부를 포함하고, 상기 패턴 형성부는 적어도 1 이상의 요철부 또는 적어도 1 이상의 돌출부를 포함하는 패턴을 포함하며, 상기 패턴 미형성부가 상기 다공성 전극의 외측에 가깝도록 구비되고, 상기 패턴 형성부가 상기 다공성 전극의 내측에 가깝도록 구비될 수 있다.
상기 요철부 또는 돌출부는 상대적인 개념일 수 있다.
상기 패턴 중 상기 패턴 미형성부와 가장 인접한 패턴의 두께가 상기 다공성 전극(110)의 두께보다 작을 경우를 요철부로 일컬으며, 상기 요철부와 인접한 요철부의 사이는 돌출부라 일컬을 수 있다. 상기 패턴 중 상기 패턴 미형성부와 가장 인접한 패턴의 두께가 다공성 전극(110)의 두께보다 큰 경우 상기 패턴은 돌출부일 수 있으며, 상기 돌출부와 인접한 두 돌출부 사이는 요철부일 수 있다.
상기 "인접한"이라는 용어는 두 개의 요철부/돌출부 사이에 다른 요철부/돌출부가 구비되지 않은 상태를 일컫는다. 요컨대, 상기 "인접한"이라는 용어는 "최인접한"이라는 용어와 혼용될 수 있다.
상기 패턴 미형성부의 가장 높은 지점에서 상기 다공성 전극(110)의 표면과 평행한 방향으로 임의의 선을 그었을 경우, 상기 패턴 중 상기 패턴 미형성부와 가장 인접한 패턴의 가장 높은 지점이 상기 임의의 선보다 낮은 위치인 경우를 요철부, 상기 패턴 중 상기 패턴 미형성부와 가장 인접한 패턴의 가장 높은 지점이 상기 임의의 선보다 높은 위치인 경우를 돌출부라 일컬을 수 있다
상기 요철부 또는 돌출부의 수평단면은 원형 및 다각형으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다(도 3 참조). 상기 "수평단면"이란, 상기 다공성 전극(110)의 표면과 평행한 방향으로 상기 패턴의 요철부 또는 돌출부를 절단한 경우의 단면을 일컬을 수 있다.
상기 패턴 미형성부와 가장 인접한 패턴의 두께는 상기 패턴 미형성부의 두께의 0.5배 이상 1배 미만, 또는 1배 초과 2배 이하일 수 있다.
패턴의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우, 다공성 전극(110)은 우수한 내구성을 구현할 수 있다.
또한 상기 패턴은 유로의 역할을 수행함으로써 전해액의 흐름을 원활하게 하여 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 패턴 형성부란, 상기 다공성 전극(110)의 중심점에서부터 상기 다공성 전극(110)의 최외곽의 네 꼭지점까지 임의의 선분을 긋고, 상기 패턴 형성부에 형성된 패턴을 모두 포함하는 사각형의 꼭지점이 상기 임의의 선분에 포함되는 경우의 사각형의 범위를 의미할 수 있다.
패턴 형성부는 레독스 흐름전지의 전해액의 산화 환원 반응이 일어나는 부분으로, 분리막을 두고 좌측과 우측에 다공성 전극(110, 일체형 전극)이 위치하고 있을 경우 분리막을 기점으로 산화 환원 반응이 발생하는 부분을 말한다.
상기 패턴 미형성부란, 다공성 전극(110)의 표면 중 상기 패턴 형성부를 제외한 범위를 의미할 수 있다. 즉, 상기 패턴 미형성부는 프레임의 형태일 수 있다.
상기 패턴 형성부의 중심이 상기 다공성 전극(110)의 정 중앙에 위치하는 것이 바람직하다. 상기 패턴 형성부의 중심은 상기 패턴 형성부를 모두 포함하는 사각형의 중심을 일컬을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 다공성 전극(110)은 패턴층을 포함하기 때문에 비표면적이 향상되고, 이에 따라 전기화학적 성능이 극대화되는 이점이 있다.
상기 패턴 미형성부의 너비 변동률은 0일 수 있다. 상기 패턴 미형성부의 너비란 상기 패턴 미형성부의 최외곽, 즉, 상기 다공성 전극(110)의 모서리에 포함되는 임의의 점으로부터 상기 패턴 형성부까지의 최단 거리를 의미할 수 있다. 상기 패턴 미형성부의 너비는 모두 같을 수 있다.
다공성 전극(110)의 두께는 0.01mm 내지 2mm일 수 있다. 상기 다공성 전극(110)의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우 스택의 부피의 감소가 가능하여 스택 출력 밀도가 저하되는 현상을 방지할 수 있는 이점이 있다.
다공성 전극(110)의 두께는 상기 패턴층을 제외한 두께를 의미할 수 있다. 상기 패턴층은 전해액의 유로로 사용될 수 있다.
전극 구조체(100)의 두께는 10mm 이하일수 있으나 보다 바람직하게는 0.025mm 내지 5mm일 수 있다. 구체적으로, 상기 구조체의 양전극 및 음전극이 모두 다공성 전극(110)일 경우, 양전극 및 음전극의 두께는 0.01mm 내지 2mm일 수 있으며, 분리막(130)의 두께는 0.005mm 내지 0.5mm일 수 있다.
전극 구조체(100)의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우 스택의 부피가 감소하여 부피 당 레독스 흐름 전지의 용량이 증가된 레독스 흐름전지 구조를 제공할 수 있는 이점이 있다. 또한, 적층이 용이하여 작업시간을 단축시킬 수 있다.
다공성 전극(110)과 분리막(130)의 거리는 0 내지 3 mm, 바람직하게는 0 내지 1mm, 더욱 구체적으로 0.1 내지 0.5mm일 수 있다. 다공성 전극(110)과 분리막(130)의 거리가 상기 범위를 만족하는 경우 전해액의 저항이 작아지게 되어 전지저항이 저감되어 고출력화가 가능한 이점이 있다. 다공성 전극(110)과 분리막(130)의 거리가 0인 경우는 다공성 전극(110)과 분리막(130)이 완전 밀착한 경우를 일컬으며, 다공성 전극(110)이 패턴층을 포함하고 있는 경우, 다공성 전극(110)과 분리막(130)의 거리란, 다공성 전극(110)의 패턴 중 가장 높은 지점과 분리막(130)의 가장 높은 지점간의 최단 거리를 일컬을 수 있다.
종래의 전극 구조체는 한 쌍의 바이폴라 플레이트와 바이폴라 플레이트 사이에 구비된 한 쌍의 펠트 전극, 그리고 한쌍의 펠트 전극 사이에 분리막을 적층시키는 구조이기 때문에 전체적인 두께(바이폴라 플레이트 두 장:6mm, 펠트전극 두 장:6mm, 분리막 0.18mm)가 12.18mm로서 두꺼운 전극 구조체를 얻었다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체(110)는 바이폴라 플레이트와 펠트전극이 하나의 박막형의 전극으로 구비되기 때문에 동일한 분리막을 사용하는 경우에도 전체적인 두께(다공성 전극 두 장: 0.4mm, 흐름용 가스켓:0.1~1mm, 분리막 0.18mm) 가 1.58mm인 종래의 전극 구조체 비하여 매우 얇은 전극 구조체(100)를 얻을 수 있으며, 부피 또한 종래의 전극 구조체의 1/10으로 줄일 수 있다. 이로 인하여 본 발명에 따른 전극 구조체(110)를 포함하는 전기화학 장치의 성능이 극대화됨은 물론, 스택 체결이 줄어들어 비용적인 면에서도 우수한 전기화학 장치의 제공이 가능하다.
상기 다공성 전극과 분리막은 접합되어 일체형으로 구비될 수 있다.
다공성 전극과 분리막이 접합된 일체형으로 제조된 전극 구조체는 연료전지용으로 사용될 있다. 이 경우 다공성 전극의 패턴층은 분리막과 접하는 측의 반대측에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체(100)의 제조방법은,
양전극을 형성하는 단계; 상기 양전극에 대향하여 구비되는 음전극을 형성하는 단계; 및 상기 양전극과 상기 음전극 사이에 구비되는 분리막을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는, 다공성 도전재 및 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계(단계 a); 상기 슬리리를 캐스팅 또는 압연하여 필름으로 제조하고 건조하는 단계(단계 b); 및 상기 건조된 필름의 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층을 형성하는 단계(단계 c)를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 다공성 도전재에 관한 내용은 전술한 내용과 동일하다.
상기 방법으로 제조된 전극은 바이폴라 플레이트와 펠트 전극의 기능을 동시에 수행하는 일체형 다공성 전극(110)일 수 있다.
상기 슬러리를 제조하는 단계는 당업계에서 통상적으로 사용하는 방법을 적용할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 전도성 물질 및 상기 제2 전도성 물질을 믹서에 넣고 혼합한 뒤, 바인더를 추가하여 교반시킴으로써 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 바인더의 점도가 높아 교반이 어려운 경우 전술한 분산매를 첨가하여 상기 슬러리의 점도를 적절히 조절할 수 있다.
상기 슬러리는 상기 슬러리의 전체 중량을 기준으로, 상기 제1 전도성 물질 30 내지 70 중량%; 상기 제2 전도성 물질 0.2 내지 25 중량%; 상기 바인더 3 내지 25 중량%; 및 잔부의 용매를 포할 수 있다. 여기서는 용매는 전술한 분산매의 내용을 동일하게 적용할 수 있다.
상기 캐스팅은, 드럼식 캐스팅 머신, 밴드식 캐스팅 머신, 스핀 코터법 등을 이용하여 수행할 수 있고, 상기 압연은 롤 프레스 법 등을 이용하여 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 단계 b는 슬러리를 그라파이트 플레이트 및 전도성 플레이트에 캐스팅하거나 압연하는 방법으로 수행될 수 있다. 구체적으로 상기 슬러리를 호일의 일면에 균일하게 도포하여 캐스팅 한 후, 다른 한쪽 면에 균일하게 도포하여 캐스팅을 하여 필름으로 제조할 수 있다. 또한, 상기 슬러리를 페이스트 형태로 만든 후, 롤 프레스에 넣어 압연하여 필름으로 제조할 수 있다.
상기 건조하는 단계의 건조 온도는 30℃ 내지 200℃, 구체적으로 캐스팅 법의 경우는 60℃ 내지 100℃, 압연 방식의 경우는 100℃ 내지 200℃일 수 있다. 상기 슬러리를 캐스팅 하는 경우, 일면에 균일하게 도포하여 캐스팅 한 후, 상기 슬러리를 건조시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 패턴층을 형성하는 단계는 적어도 1 이상의 요철부 또는 적어도 1 이상의 돌출부를 포함하는 패턴층을 형성하는 방법으로 수행될 수 있다. 상기 패턴에 관한 내용은 전술한 내용을 적용할 수 있다.
상기 패턴을 형성하는 단계는 롤 프레싱법, 프레스 압착법 또는 프린팅법으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 롤에 패턴을 형성한 후 상기 필름을 롤 프레싱하여 상기 다공성 전극(110)에 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 일반적인 플레이트에 패턴을 형성한 후, 프레스의 압착을 이용하여 패턴을 형성할 수 있으며, 상기 제조된 필름의 일면 또는 양면에 메쉬를 놓은 뒤 프레스의 압착을 이용하여 패턴을 형성할 수도 있다. 또한, 상기 필름에 직접 패턴을 프린팅 함으로써 상기 다공성 전극(110)에 패턴을 형성할 수도 있다
또한 상기 메쉬층은 테프론 메쉬(mesh)나, 전도성 메쉬(mesh) 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 메쉬층은 단계 b에서 건조된 필름에 가압 등의 방법으로 메쉬를 부착하는 방법으로 형성될 수 있다. 상기 메쉬층의 두께는 0.1~ 5 mm일 수 있고, 메쉬층의 기공크기는 0.0001~0.8mm일 수 있다. 전도성 메쉬는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr) 및 백금(Pt) 중 적어도 하나의 금속을 포함하거나 2 이상 금속의 합금 등으로 이루어질 수 있다.
상기 패턴을 형성하는 단계 중 성형온도, 압력, 및 패턴을 형성하는 방법은 한정되지 않으며, 상기 다공성 전극에 형성되는 패턴의 형태에 따라 통상의 기술자가 적절한 방법을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 방법으로 제조되는 일체형 다공성 전극(110)의 두께는 0.01 mm 내지 2mm가 되도록 형성할 수 있다 상기 전극의 두께는 건조 후의 두께를 일컬을 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 장치는, 전극 구조체(100)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 전기화학 장치는 수계 또는 유기계 레독스 플로우전지, 연료전지, 플로우 축전기(flow capacitor) 또는 염도차 발전 장치일 수 있다.
상기 레독스 플로우 전지(도 2b)는, 전해액 주입구 및 배출구를 갖는 한 쌍의 엔드플레이트(1a, 1b); 상기 엔드플레이트의 각각의 내측에 구비된 집전체(2a, 2b); 및 집전체(2a, 2b) 사이에 구비된 전극 구조체(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
전극 구조체(100)는 양전극, 음전극 및 양전극, 음전극의 사이에 구비된 분리막(130)을 포함하며, 상기 양전극 및 음전극 중 적어도 하나는 다공성 전극(110)으로 이루어 질 수 있다. 상기 도 2a 및 도 2b에는 양전극 및 음전극이 모두 다공성 전극(110)으로 이루어진 상태를 도시하였다.
다공성 전극(110)의 일면 또는 양면에는 프레임 형태의 매니폴드(120)가 구비될 수 있다. 더욱 구체적으로, 전극 구조체(100)에 포함되는 다공성 전극 (110)의 양면에 프레임 형태의 매니폴드가 구비될 수 있으며, 상기 집전체(2a, 2b)의 내측에 위치한 다공성 전극(110)에는 집전체(2a, 2b)와 접한 면의 반대면에 매니폴드가 구비될 수 있다.
상기 엔드플레이트(1a, 1b)는 전체적인 레독스 흐름전지의 스택 외곽을 형성하는 역할을 하는 것으로서 최외각에 배치되며, 각각 전해액 주입구와 배출구가 형성되는데, 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 통상의 플레이트에 전해액이 주입되거나 배출될 수 있는 통로를 형성하는 방법을 적용할 수 있다. 여기서 전해액 주입구와 전해액 배출구는 도면에 도시하지 않았지만, 양극 전해액탱크 및 음극 전해액탱크와 연결되어 있으며, 별도로 구비된 펌프의 구동에 의해 양극전해액과 음극전해액이 순환하게 된다.
엔드플레이트(1a, 1b)는 절연체를 사용하여 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 엔드플레이트(1a, 1b)는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS) 또는 염화비닐수지(PVC) 등의 고분자를 사용하여 형성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나 가격 및 구입의 용이성을 고려하였을 때 염화비닐수지(PVC, polyvinyl chloride)를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
최외곽에 배치되는 상기 엔드플레이트(1a, 1b) 각각의 내측에는 집전체(2a, 2b)가 형성되는데, 상기 집전체(2a, 2b)는 전자가 움직이는 통로로서 충전 시 외부로부터 전자를 받아들이거나 방전 시 외부로 전자를 내어주는 역할을 한다. 양 말단에 위치한 2개의 집전체(2a, 2b)는 서로 전극을 달리한다.
분리막(130)은 충전 또는 방전 시 양극 전해액과 음극 전해액을 분리시키고, 충전 또는 방전 시 선택적으로 이온만을 이동시키는 역할을 한다.
매니폴드(21,22)는 프레임 형상일 수 있으며, 일측 또는 양측에 유로가 형성될 수 있다. 상기 유로는 전해액이 이동하기 위한 통로로서 양극 전해액 또는 음극 전해액이 이동되며, 그 형상은 다양하게 변경 가능하다. 아울러 매니폴드(21,22)에는 양극 전해액 또는 음극 전해액을 상기 유로에 공급하거나 상기 유로로부터 배출하기 위한 주입구 및 배출구가 구비될 수 있으며, 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적으로 사용하는 방법을 적용하여 용이하게 형성할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 스택 구조는,
한 쌍의 엔드 플레이트(211a, 211b) 내측에, 바이폴라 플레이트(210), 양전극판(225), 음전극판(226) 및 분리막(230)을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 교차 공급되는 레독스 흐름전지 구조로서, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트(211a, 211b)에는 각각 전해액 배출구가 형성되고, 상기 적층된 전지셀의 중앙부에는 전해액 주입구가 형성된 미들 플레이트(211c)가 구비될 수 있다. 상기 전해액은 미들 플레이트에 형성된 전해액 주입구로 주입되어, 엔드 플레이트에 형성된 전해액 배출구로 배출되는 형태일 수 있다(도 6a 참조).
상기 엔드 플레이트는 앞면과 뒷면에 각각 전해액 배출구가 구비될 수 있고, 상기 미들 플레이트는 앞면과 뒷면에 각각 전해액 주입구가 구비될 수 있으며, 미들 플레이트 앞면에는 양극 전해액 또는 음극 전해액이 주입되고, 미들 플레이트의 뒷면에는 앞면의 반대극 전해액이 주입될 수 있다. 구체적으로, 미들 플레이트 앞면의 전해액 주입구로 주입된 양극 전해액은 엔드 플레이트 앞면의 전해액 배출구로 배출되고, 미들 플레이트 뒷면의 전해액 주입구로 주입된 음극 전해액은 엔드 플레이트 뒷면의 전해액 배출구로 배출되는 구조일 수 있다(도 6a 참조).
상기 레독스 흐름전지 구조는, 미들 플레이트(211c)에 구비된 전해액 주입부로 주입된 전해액이 좌측와 우측으로 이동하는 구조로 형성될 수 있다.
도 5a에서 나타내는 바와 같이, 일반적인 레독스 흐름전지(RFB)는 엔드 플레이트에 전해액 주입구가 형성되며, 펌프를 이용하여 주입구로 전해액이 이동하게 된다. 전해액은 유로를 통해 이동하게 되며, 반대편 최외측의 전해액 배출부를 통해 배출되어 전해액 탱크로 이동하게 된다. 이때 적층수가 증가됨에 따라 내부 셀과 셀간의 전압차이는 비례적으로 증가하게 된다. 도면 5b에서 나타내는 바와 같이 실제 셀의 적층수에 따라 U자형태의 전압 및 전류 구배가 발생하게 된다. 이러한 현상은 양쪽 최외측의 집전체를 통해 전류가 인가될 때, 중앙부 반응속도는 최외측에 비해 느리고 전해액의 이동시 중앙부분에서 압력강하가 발생하기 때문이다. 이러한 현상은 적층수가 증가될수록 더 큰 U자형태의 압력 및 전류 구배를 형성시키게 되고, 셀은 전압을 높이기 위해 평균 전압보다 높은 에너지를 이용하게 충전을 하게 된다. 기존의 스택구조에서 위와 같은 문제는 스택의 과전압과 과전류를 발생시키고, 과전압과 과전류에 의한 셀의 노화가 발생하며, 전류 분포에 따른 션트전류가 증가에 전류효율이 감소하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 레독스 흐름전지 구조(도 6a)는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안되었다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 6a에서 나타내는 바와 같이, 스택의 중간 부분에 전해액 주입구를 형성함으로써, 전해액이 스택의 중앙부에서 스택의 좌측과 우측으로 이동하게 된다. 따라서 이동거리는 도 5a의 구조 보다 1/2정도 짧아지게 되어 중앙부의 압력 강하를 줄이고, 짧아진 이동거리는 셀과 셀 사이의 전압과 전류의 분포를 균일하게 하여 기존보다 낮은 U자형태의 전압 및 전류 구배를 발생시키게 된다(도 6b). 즉 스택을 구성하는 셀들 간의 전압과 전류 차이를 줄임에 따라 압력 강하 및 션트전류를 감소시켜 결과적으로 셀의 성능 및 내구성을 향상 시킬 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 레독스 흐름전지 구조는, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지 구조로서, 상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고, 상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비될 수 있다. 이때 제1 양전극으로 유입되어 반응을 마친 전해액은 제1 음전극 뒤편에 구비된 제2 양전극으로 유입되고, 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제1 양전극 뒤편에 구비된 제2 음전극으로 유입되는 구조로 형성될 수 있다(도 7a 참조). 상기 구조에 따르면 하나의 전극에서 반응한 전해액이 다른 뒤편의 전극으로 이동됨에 따라 유로의 길이가 종래보다 2배 길어지는 효과를 가질 수 있다. 도 7a에서 화살표는 전해액이 유입 또는 배출되는 방향이다,
상기 제1 양전극(311)과 제1 음전극(312)이 포함된 제1 전극판과, 제2 양전극(313)과 제2 음전극(314)이 포함된 제2 전극판 사이에는 통공이 형성된 분리막(330)이 구비될 수 있다. 이 경우 제1 양전극(311)으로 유입되어 반응 한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제1 음전극(312) 뒤편에 구비된 제2 양전극으로 유입되어 반응한 수 배출될 수 있고, 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제1 양전극 뒤편에 구비된 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출될 수 있다. (도 7b 참조)
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 레독스 흐름전지의 스택 구조(도 7c)는, 한 쌍의 엔드 플레이트(301) 내측에, 바이폴라 플레이트(302), 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극 전해액과 양극 전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 적층된 전지셀은 제1 전지셀, 제2 전지셀, ......, 제n-1 전지셀 및 제n 전지셀로 구성되고, 상기 전지셀은 각각 제1 전극판, 분리막 및 제2 전극판 순으로 배열되며, 상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극(311)과 제1 음전극(312)이 포함된 형태로 구비되고, 상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극(313)과 제2 음전극(314)을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되며, 제1 전지셀에서, 제1 양전극(311)으로 유입된 전해액 및 제1 음전극(312)으로 유입된 전해액은 각각 반응 후 배출되고, 제2 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제1 전지셀의 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되고, 제2 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제1 전지셀의 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되며, 제n 전지셀의 제1 양전극(311)으로 유입되어 반응을 마친 전해액은 제n-1 전지셀의 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고, 제n 전지셀의 제1 음전극(312)으로 유입되어 반응을 마친 전해액은 제n-1 전지셀의 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되며, 제n 전지셀의 제2 양전극(313)으로 유입된 전해액 및 제2 음전극(314)으로 유입된 전해액은 각각 반응 후 배출되는 구조로 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 레독스 흐름전지의 스택 구조(도 7d)는, 한 쌍의 엔드 플레이트 내측(301)에, 바이폴라 플레이트(302), 양전극(310), 음전극(320) 및 분리막(330)을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서, 상기 적층된 전지셀은 제1 전지셀, 제2 전지셀, ......, 제n-1 전지셀 및 제n 전지셀로 구성되고, 상기 분리막에는 전해액이 통과하는 통공이 형성되며, 제1 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막(330)에 형성된 통공을 통과하여 제2 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고, 제1 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되며, 제n-1 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제n 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고, 제n-1 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제n 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되는 구조로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지의 스택구조는 하나의 반응극(전극)에서 반응한 전해액은 다른 극 뒤편의 반응극(전극)으로 이동함에 따라 셀과 셀 사이의 노드수를 감소시키며, 또한 유로의 길이를 2배 종래보다 2배 증가시킴으로써 전해액의 저항을 증가시킴으로써 유로를 통해 발생하는 션트 전류를 획기적으로 저감할 수 있다.
실시예 1 내지 6: 다공성 전극의 제조 1
비표면적이 1,200m2/g이상의 활성탄 및 아세틸렌 블랙을 믹서에 넣고 20분간 혼합한 후, 바인더로서 PTFE를 투입하여 다시 30분간 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이 때, 활성탄, 아세틸렌 블랙 및 PTFE의 배합량을 하기 표 1에 기재하였다.
다공성 도전재 바인더(PTFE)
제1 전도성 물질 제2 전도성 물질
활성탄 아세틸렌 블랙
실시예 1 90 1.0 9.0
실시예 2 90 5.0 5.0
실시예 3 80 10.0 10.0
실시예 4 90 0.5 9.5
실시예 5 90 - 10.0
실시예 6 80 5.0 15.0
제조된 슬러리를 두께 20 ㎛의 구리(Cu) 호일의 한쪽 면에 균일하게 도포하여 캐스팅 한 후, 80℃의 오븐에서 24시간 동안 건조하였다 이후 다른 한쪽 면에 슬러리를 균일하게 도포하여 캐스팅 한 후 상기와 동일하겨 건조시킨 후 롤 프레스에 넣어 압연(압력 조건은 1,000kgf/cm2)하여 0.2 mm 두께의 필름을 제조하였다. 이후, 사슬 형상의 패턴이 형성된 몰드를 이용하여 열(80℃)을 가하며 프레싱하여 패턴이 형성된 다공성 전극을 제조하였다.
실시예 7: 다공성 전극의 제조 2
상기 실시예 2와 동일하게 슬러리를 제조한 후, 제조된 슬러리를 께 20 ㎛의 구리(Cu) 호일의 한쪽 면에 균일하게 도포하여 캐스팅 한 후, 80℃의 오븐에서 24시간 동안 건조하였다. 이후 다른 한쪽 면에 슬러리를 균일하게 도포하여 캐스팅 한 후 상기와 동일하겨 건조시킨 후 롤 프레스에 넣어 압연(압력 조건은 1,000kgf/cm2)하여 0.08 mm 두께의 필름을 제조하였다. 이후, 유체가 원활히 흐를 수 있게 하기 위하여, 플레이트와 테프론 메쉬 패턴을 이용하여 표면에 패턴층을 형성된 다공성 전극을 제조하였다.
실시예 8: 다공성 전극의 제조 3
상기 실시예 2와 동일하게 슬러리를 제조한 후, 제조된 슬러리를 두께 20 ㎛의 알루미늄 호일(Al)의 한쪽 면에 균일하게 도포하여 캐스팅 한 후, 80℃의 오븐에서 24시간 동안 건조하였다. 이후 다른 한쪽 면에 슬러리를 균일하게 도포하여 캐스팅 한 후 상기와 동일하겨 건조시킨 후 롤 프레스에 넣어 압연(압력 조건은 1,000kgf/cm2)하여 0.08 mm 두께의 필름을 제조하였다. 이후, 유체가 원활히 흐를 수 있게 하기 위하여, 플레이트와 테프론 메쉬 패턴을 이용하여 표면에 패턴층을 형성된 다공성 전극을 제조하였다.
실험예 1: 충방전 테스트 1
상기 실시예 2에 따라 제조된 다공성 전극의 충반전 특성을 측정하였다. 테스트에 사용된 다공성 전극의 두께는 0.2mm였으며, 상기 다공성 전극을 포함하여 구성된 전극 구조체의 두께는 0.6mm였다. 한 쌍의 엔드플레이트 각각의 내측에 구비된 집전체 사이에 상기 전극 구조체를 구비한 뒤, 충방전을 진행하였다. 분리막으로 양이온 교환막을 사용하였고 2M VOSO4를 2M의 황산수용액에 용해하여 양극과 음극 전해액 45mL로 구성하였다.
충방전 조건은 충전전압 1.6V, 방전전압 0.8V였으며, 이 때 충방전 특성을 분석한 결과를 하기 표 2 에 나타내었다. 표 2에서 나타내는 바와 같이, 평균 전류효율 88.26%, 전압효율 84.5%, 에너지효율 74.5%, 그리고 0.1 ohm의 낮은 셀 저항을 나타내었다.
사이클 방전용량 충전
에너지량		 방전
에너지량		 전류효율 에너지효율 전압효율 저항
(mAh) (Wh) (Wh) (%) (%) (%) (ohm)
1 906.4 1.548 1.137 87.7 73.4 83.7 0.12
2 866.9 1.447 1.086 90.2 75.0 83.2 0.11
3 936.2 1.562 1.190 89.6 76.2 85.0 0.11
4 928.5 1.586 1.180 86.9 74.4 85.7 0.10
5 862.6 1.477 1.090 86.9 73.8 84.9 0.10
실험예 2: 충방전 테스트 2
상기 실시예 7에 따라 제조된 다공성 전극의 충방전 특성을 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다. 분석방법은 실험예 1과 동일하게 수행하였다.
사이클 방전
용량		 충전
에너지량		 방전
에너지량		 전류
효율		 에너지
효율		 전압
효율		 출력 저항
(mAh) (Wh) (Wh) (%) (%) (%) (W) (ohm)
1 862.7 0.9 1.0 94.5 72.2 76.4 0.3468 0.35
2 825.7 0.8 0.9 95.0 71.1 74.8 0.3417 0.39
3 853.8 0.9 1.0 95.5 71.0 74.4 0.3407 0.41
4 992.9 1.0 1.1 93.4 69.3 74.2 0.3100 0.40
5 884.5 0.9 1.0 91.2 64.5 70.7 0.3251 0.48
실험예 3: 충방전 테스트 3
상기 실시예 8에 따라 제조된 다공성 전극의 충방전 특성을 측정하고 그 결과를 표 4에 나타내었다. 분석방법은 실험예 1과 동일하게 수행하였다.
사이클 방전용량 충전
에너지량		 방전
에너지량		 전류
효율		 에너지
효율		 전압효율 출력 저항
(mAh) (Wh) (Wh) (%) (%) (%) (W) (ohm)
1 1157.7 1.2 1.4 86.5 68.5 79.2 0.1791 0.65
2 1122.0 1.1 1.3 86.2 68.2 79.1 0.1793 0.67
3 1075.4 1.1 1.3 86.4 67.4 78.1 0.1781 0.68
4 991.1 1.0 1.2 85.4 66.3 77.6 0.1773 0.72
5 975.9 1.0 1.2 84.0 65.5 77.9 0.1782 0.69
1, 1a, 1b, 211a, 211b, 301: 엔드 플레이트
211c: 미들 플레이트
2, 2a, 2b, 212a, 212b: 집전체
10, 210, 302: 바이폴라 플레이트, 11 : 바이폴라 플레이트 프레임
21, 121 : 제1 매니폴드, 22, 122 : 제2 매니폴드
25, 225, 226: 전극, 110: 일체형 다공성 전극
310: 양전극, 320: 음전극
311: 제1 양전극, 312: 제1 음전극
313: 제2 양전극, 314: 제2 음전극
30, 130, 230, 330: 분리막

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  26. 레독스 플로우 전지에서 바이폴라 플레이트와 펠트 전극의 기능을 동시에 수행하는 일체형 다공성 전극으로서,
    상기 다공성 전극은 다공성 도전재 및 바인더를 포함하여 구성되고,
    상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되며,
    상기 다공성 도전재는,
    다공성 구조를 가지는 제1 전도성 물질; 및
    카본계 물질, 금속, 및 카본계 물질로 코팅된 금속으로 이루어진 군 중 적어도 1 이상을 포함하는 제2 전도성 물질;을 포함하고,
    상기 제1 전도성 물질은 비표면적이 500m2/g 내지 3000m2/g인 것을 특징으로 하는 다공성 전극.
  27. 레독스 플로우 전지에서 바이폴라 플레이트와 펠트 전극의 기능을 동시에 수행하는 일체형 다공성 전극의 제조방법으로서,
    다공성 도전재 및 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
    상기 슬러리를 캐스팅 또는 압연하여 필름으로 제조하고 건조하는 단계; 및
    건조된 필름의 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 다공성 도전재는,
    다공성 구조를 가지는 제1 전도성 물질; 및
    카본계 물질, 금속, 및 카본계 물질로 코팅된 금속으로 이루어진 군 중 적어도 1 이상을 포함하는 제2 전도성 물질;을 포함하고,
    상기 제1 전도성 물질은 비표면적이 500m2/g 내지 3000m2/g인 것을 특징으로 하는 다공성 전극의 제조방법.
  28. 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 양전극판, 음전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서,
    상기 한 쌍의 엔드 플레이트에는 각각 전해액 배출구가 형성되고,
    상기 적층된 전지셀의 중앙부에 전해액 주입구가 형성된 미들 플레이트가 구비되며,
    상기 레독스 흐름전지의 스택 구조는, 미들 플레이트의 전해액 주입구로 주입된 전해액이 좌측과 우측으로 이동하는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조.
  29. 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 양전극판, 음전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서,
    상기 양전극판과 상기 음전극판을 구성하는 전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고,
    상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되며,
    상기 한 쌍의 엔드 플레이트에는 각각 전해액 배출구가 형성되고,
    상기 적층된 전지셀의 중앙부에 전해액 주입구가 형성된 미들 플레이트가 구비되며,
    상기 레독스 흐름전지의 스택 구조는, 미들 플레이트의 전해액 주입구로 주입된 전해액이 좌측과 우측으로 이동하는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조.
  30. 청구항 28 또는 청구항 29에 있어서,
    상기 엔드 플레이트에는 음극 전해액 및 양극 전해액 배출구가 구비되고,
    상기 미들 플레이트에는 음극 전해액 및 양극 전해액 주입구가 구비되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조.
  31. 삭제
  32. 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서,
    상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고,
    상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되고,
    상기 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 제1 전극판과, 제2 양전극과 제2 음전극이 포함된 제2 전극판 사이에는 통공이 형성된 분리막이 구비되며,
    전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나 인접한 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응하고,
    전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나 인접한 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응하는 구조로 형성된 레독스 흐름전지의 스택 구조.
  33. 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서,
    상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고,
    상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되고,
    상기 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 제1 전극판과, 제2 양전극과 제2 음전극이 포함된 제2 전극판 사이에는 통공이 형성된 분리막이 구비되고,
    상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고,
    상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되며,
    전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나 인접한 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응하고,
    전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되거나 인접한 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응하는 구조로 형성된 레독스 흐름전지의 스택 구조.
  34. 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서,
    상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고,
    상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되며,
    제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제2 양전극로 유입되고,
    제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제2 음전극으로 유입되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조.
  35. 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서,
    상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고,
    상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되며,
    상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고,
    상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되며,
    제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제2 양전극로 유입되고,
    제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제2 음전극으로 유입되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조.
  36. 청구항 34 또는 청구항 35에 있어서,
    상기 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 제1 전극판과, 제2 양전극과 제2 음전극이 포함된 제2 전극판 사이에는 통공이 형성된 분리막이 구비되고,
    제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 양전극으로 유입되며,
    제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 음전극으로 유입되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조.
  37. 삭제
  38. 삭제
  39. 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극 전해액과 양극 전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서,
    상기 적층된 전지셀은 제1 전지셀, 제2 전지셀, ......, 제n-1 전지셀 및 제n 전지셀로 구성되고,
    상기 전지셀은 각각 제1 전극판, 분리막 및 제2 전극판 순으로 배열되며,
    상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고,
    상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되며,
    제1 전지셀에서, 제1 양전극으로 유입된 전해액 및 제1 음전극으로 유입된 전해액은 각각 반응 후 배출되고,
    제2 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제1 전지셀의 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되고,
    제2 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제1 전지셀의 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되며,
    제n 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제n-1 전지셀의 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고,
    제n 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제n-1 전지셀의 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되며,
    제n 전지셀의 제2 양전극으로 유입된 전해액 및 제2 음전극으로 유입된 전해액은 각각 반응 후 배출되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조.
  40. 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 제1 전극판, 제2 전극판 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극 전해액과 양극 전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서,
    상기 적층된 전지셀은 제1 전지셀, 제2 전지셀, ......, 제n-1 전지셀 및 제n 전지셀로 구성되고,
    상기 전지셀은 각각 제1 전극판, 분리막 및 제2 전극판 순으로 배열되며,
    상기 제1 전극판은 하나의 전극판에 제1 양전극과 제1 음전극이 포함된 형태로 구비되고,
    상기 제2 전극판은 하나의 전극판에 제2 양전극과 제2 음전극을 포함하여 이루어지되, 분리막을 기준으로 제1 전극판과 대향되는 구조로 구비되며,
    상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고,
    상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되며,
    제1 전지셀에서, 제1 양전극으로 유입된 전해액 및 제1 음전극으로 유입된 전해액은 각각 반응 후 배출되고,
    제2 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제1 전지셀의 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되고,
    제2 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제1 전지셀의 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되며,
    제n 전지셀의 제1 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제n-1 전지셀의 제2 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고,
    제n 전지셀의 제1 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 제n-1 전지셀의 제2 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되며,
    제n 전지셀의 제2 양전극으로 유입된 전해액 및 제2 음전극으로 유입된 전해액은 각각 반응 후 배출되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조.
  41. 삭제
  42. 삭제
  43. 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 바이폴라 플레이트, 양전극, 음전극 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서,
    상기 적층된 전지셀은 제1 전지셀, 제2 전지셀, ......, 제n-1 전지셀 및 제n 전지셀로 구성되고,
    상기 분리막에는 전해액이 통과하는 통공이 형성되며,
    제1 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고,
    제1 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되며,
    제n-1 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제n 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고,
    제n-1 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제n 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되는 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조.
  44. 한 쌍의 엔드 플레이트 내측에, 양전극, 음전극 및 분리막을 포함하여 구성되는 전지셀이 다수 적층되고, 적층된 전지셀에 음극전해액과 양극전해액이 각각 공급되는 레독스 흐름전지의 스택 구조로서,
    상기 적층된 전지셀은 제1 전지셀, 제2 전지셀, ......, 제n-1 전지셀 및 제n 전지셀로 구성되고,
    상기 양전극과 상기 음전극 중 적어도 하나는 다공성 도전재 및 바인더를 포함하는 다공성 전극이고,
    상기 다공성 전극은 적어도 일면에 패턴층 또는 메쉬층이 형성되며,
    상기 분리막에는 전해액이 통과하는 통공이 형성되며,
    제1 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고,
    제1 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제2 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되며,
    제n-1 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제n 전지셀의 양전극으로 유입되어 반응 후 배출되고,
    제n-1 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응한 전해액은 분리막에 형성된 통공을 통과하여 제n 전지셀의 음전극으로 유입되어 반응 후 배출되는 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름전지의 스택 구조.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240008016A (ko) 2022-07-11 2024-01-18 국립창원대학교 산학협력단 유동 전지

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180337391A1 (en) * 2017-05-18 2018-11-22 GM Global Technology Operations LLC Pressing process of creating a patterned surface on battery electrodes
WO2019124599A1 (ko) * 2017-12-22 2019-06-27 스탠다드에너지(주) 레독스 흐름전지
KR101978472B1 (ko) 2017-12-22 2019-05-14 스탠다드에너지(주) 레독스 흐름전지용 복합 전극 및 이의 제조방법
CN110970647B (zh) * 2018-09-30 2021-12-03 国家能源投资集团有限责任公司 一种能够实现密封的液流电池和电池堆
KR102003541B1 (ko) 2018-12-18 2019-07-24 스탠다드에너지(주) 레독스 흐름전지용 복합 전극 및 이의 제조방법
IT202000005482A1 (it) * 2020-03-13 2021-09-13 Fondazione St Italiano Tecnologia Elettrodo per batteria a flusso e metodo di produzione
KR102617105B1 (ko) * 2021-07-07 2023-12-27 한국과학기술원 바나듐 레독스 흐름 전지용 분리판-전극 일체형 구조체 및 그 제조 방법
DE102022110114A1 (de) * 2022-04-27 2023-11-02 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Redox-Flusszelle

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002231271A (ja) * 2001-02-01 2002-08-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体電解質型燃料電池
JP2015213074A (ja) * 2015-06-03 2015-11-26 旭化成イーマテリアルズ株式会社 レドックスフロー二次電池

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4366802B2 (ja) 2000-01-12 2009-11-18 東洋紡績株式会社 炭素電極材集合体及びその製造方法
KR101335544B1 (ko) * 2011-11-17 2013-12-05 한국에너지기술연구원 레독스 흐름전지
KR101309262B1 (ko) 2012-09-10 2013-09-16 한국에너지기술연구원 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지
KR101498597B1 (ko) 2013-03-12 2015-03-04 한국에너지기술연구원 일체화된 전극-바이폴라 플레이트 및 이의 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002231271A (ja) * 2001-02-01 2002-08-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体電解質型燃料電池
JP2015213074A (ja) * 2015-06-03 2015-11-26 旭化成イーマテリアルズ株式会社 レドックスフロー二次電池

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240008016A (ko) 2022-07-11 2024-01-18 국립창원대학교 산학협력단 유동 전지

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