KR101956828B1 - Stack of redox flow batteries for uniform flow distribution - Google Patents
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Abstract
본 발명은 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되며, 상기 단위 셀들의 내부로 전해액을 공급하기 위한 유입관; 및 상기 유입관과 대향되며 상기 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되어 상기 단위 셀들의 내부로 공급된 상기 전해액을 배출하기 위한 배출관을 포함하되, 상기 유입관은 상기 전해액이 상기 단위 셀별로 균일하게 유입되도록 하기 위해 서로 다른 직경으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a redox flow cell stack for uniform flow distribution, and more particularly, to a redox flow cell stack for uniform flow distribution, and more particularly, to an inflow pipe for supplying an electrolyte solution into the unit cells, And a discharge pipe which is opposed to the inflow pipe and penetrates along the stacking direction of the unit cells and discharges the electrolyte supplied into the unit cells, To be introduced into the outer tube (2).
Description
본 발명은 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 스택 내부의 각 단위 셀로 유입되는 전해액의 유량을 균일하게 분배함으로써 스택의 전압손실 및 출력손실을 최소화할 수 있는 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a redox flow cell stack for uniform flow distribution, and more particularly, to a redox flow cell stack for uniformly distributing a flow rate of an electrolyte flowing into each unit cell in a stack, To a redox flow cell stack for uniform flow distribution.
레독스흐름전지는 기존의 전지와 달리 전하를 액체상태로 탱크에 저장하고 이를 전지 스택에 공급하여 전력을 생산하거나 저장하는 전지로, Bipolar plate를 통해 직렬연결된 flow battery는 매니폴드를 통해 각 단위 셀로 반응물질을 공급하고, 공급된 반응물질은 단위 셀 내부의 전극에서 반응을 마치고 단위 셀에서 빠져나간다.Unlike existing batteries, redox flow cells store electric charges in a tank and supply them to a battery stack to produce or store electric power. A flow battery series-connected through a bipolar plate is connected to each unit cell through a manifold The reactant is supplied, and the supplied reactant is discharged from the unit cell after completion of the reaction at the electrode inside the unit cell.
이때, 전지 스택은 여러 장의 단위 셀을 직렬로 적층하여 구성한다. At this time, the cell stack is formed by stacking a plurality of unit cells in series.
한편, 전해액 탱크에서 상기 전지 스택으로 전해액을 공급하면 전지 스택은 내부의 단위 셀들로 전해액을 분배하여 각각의 단위 셀이 일정한 전력을 생산하며 직렬연결된 단위 셀들은 동일한 전류부하를 받게 된다. On the other hand, when the electrolyte solution is supplied to the cell stack from the electrolyte tank, the cell stack distributes the electrolytic solution to the unit cells in the unit cell, and each unit cell produces a constant power, and the unit cells connected in series receive the same current load.
이때, 각 단위 셀의 전기화학반응이 동일하면 모두 동일한 출력전압을 나타내게 되며 전지 스택의 전압은 V_stack = V_cell x N(단위 셀의 수)이 된다.At this time, if the electrochemical reactions of the unit cells are the same, all the same output voltage is obtained and the voltage of the cell stack becomes V_stack = V_cell x N (the number of unit cells).
한편, 단위 셀들의 작동전압은 전류부하에 따른 과전압에 따라 결정되며 과전압은 전극 내부 반응물질의 농도의 영향을 받는다. On the other hand, the operating voltage of the unit cells is determined by the overvoltage according to the current load, and the overvoltage is influenced by the concentration of the reactant in the electrode.
즉, 동일한 전류부하를 받는 단위 셀들에 투입되는 전해질의 유량이 다를 경우 단위 셀들의 과전압이 달라지며 결국, 단위 셀들의 전압이 달라지며 전지 스택은 직렬연결된 단위 셀들의 전압의 총 합이므로 전지 스택의 전압이 저하되는 문제가 발생한다. That is, when the flow rate of the electrolyte injected into the unit cells receiving the same current load is different, the overvoltage of the unit cells is changed. As a result, the voltage of the unit cells varies, and since the cell stack is the total sum of the voltages of the unit cells connected in series, There is a problem that the voltage is lowered.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 스택 내부의 각 단위 셀로 유입되는 전해액의 유량을 균일하게 분배함으로써 스택의 전압손실 및 출력손실을 최소화할 수 있는 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택의 제공을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for uniformly distributing a flow rate of an electrolytic solution flowing into each unit cell in a stack, Flow cell stack.
한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.In the meantime, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되며, 상기 단위 셀들의 내부로 전해액을 공급하기 위한 유입관 및 상기 유입관과 대향되며 상기 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되어 상기 단위 셀들의 내부로 공급된 상기 전해액을 배출하기 위한 배출관을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electrolytic cell including: an inlet pipe for passing an electrolyte solution into the unit cells, the unit cell facing the inlet pipe, And a discharge pipe provided to pass through the unit cells to discharge the electrolyte supplied into the unit cells.
바람직하게는 상기 유입관은 상기 전해액이 상기 단위 셀별로 균일하게 유입되도록 하기 위해 서로 다른 직경으로 이루어질 수 있다.Preferably, the inlet pipe may have different diameters to allow the electrolyte to flow uniformly into the unit cells.
바람직하게는 상기 유입관의 직경은 최초 전해액이 유입되는 단위 셀에서 이웃하는 단위 셀로 갈수록 작아질 수 있다.Preferably, the diameter of the inflow pipe may become smaller toward a neighboring unit cell in the unit cell into which the initial electrolyte flows.
바람직하게는 상기 유입관의 내부에는 단위 셀별 상기 유입관의 직경을 조절하기 위한 직경 조절링이 삽입될 수 있다.Preferably, a diameter adjusting ring for adjusting the diameter of the inflow pipe for each unit cell may be inserted into the inflow pipe.
바람직하게는 상기 링은 원형 또는 다각형으로 이루어질 수 있다.Preferably, the ring may be circular or polygonal.
바람직하게는 상기 유입관의 내부는 단위 셀별 상기 유입관의 직경을 조절하기 위해 단차가 형성될 수 있다.Preferably, the inside of the inflow pipe is formed with a step to control the diameter of the inflow pipe for each unit cell.
본 발명은 스택 내부의 각 단위 셀로 유입되는 전해액의 유량을 균일하게 분배함으로써 스택의 전압손실 및 출력손실을 최소화할 수 있는 우수한 효과가 있다.The present invention has an excellent effect of minimizing the voltage loss and the output loss of the stack by uniformly distributing the flow rate of the electrolytic solution flowing into each unit cell in the stack.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 레독스흐름전지 스택의 유동분배를 도시한 개념도다.
도 2는 도 1에 도시된 레독스흐름전지 스택의 유동분배를 위한 치수 구조를 도시한 도다.
도 3은 단위 셀별로 균일한 유량 분배를 위한 유입관의 직경 구조 및 크기를 도시한 도이며, 도 4는 상기 유입관은 측단면도다.FIG. 1 is a conceptual view showing a flow distribution of a redox flow cell stack according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 2 shows a dimensional structure for the flow distribution of the redox flow cell stack shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a view showing a diameter structure and a size of an inflow pipe for uniform flow distribution for each unit cell, and FIG. 4 is a side sectional view of the inflow pipe.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. The term used in the present invention is a general term that is widely used at present. However, in some cases, there is a term selected arbitrarily by the applicant. In this case, the term used in the present invention It is necessary to understand the meaning.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical structure of the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
이와 관련하여 먼저, 도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 레독스흐름전지 스택의 유동분배를 도시한 개념도, 도 2는 도 1에 도시된 레독스흐름전지 스택의 유동분배를 위한 치수 구조를 도시한 도, 도 3은 단위 셀별로 균일한 유량 분배를 위한 유입관의 직경 구조 및 크기를 도시한 도이며, 도 4는 상기 유입관은 측단면도다.1 is a conceptual view showing a flow distribution of a redox flow cell stack according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of a redox flow cell stack shown in FIG. FIG. 3 is a view showing the diameter structure and size of the inflow pipe for uniform flow distribution for each unit cell, and FIG. 4 is a side sectional view of the inflow pipe.
상기 도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택은 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되며, 상기 단위 셀들의 내부로 전해액을 공급하기 위한 유입관 및 상기 유입관과 대향되며 상기 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되어 상기 단위 셀들의 내부로 공급된 상기 전해액을 배출하기 위한 배출관을 포함한다.Referring to FIGS. 1 to 4, the redox flow cell stack for uniform flow distribution according to an embodiment of the present invention is provided to pass through the unit cells in the stacking direction, And a discharge pipe for discharging the electrolyte supplied to the inside of the unit cells, the discharge pipe being opposed to the inflow pipe and passing through the unit cells in the stacking direction.
이때, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 유입관은 상기 전해액이 상기 단위 셀별로 균일하게 유입되도록 하기 위해 서로 다른 직경으로 이루어진다. At this time, the inlet pipe according to an embodiment of the present invention has different diameters in order to uniformly introduce the electrolyte solution into the unit cells.
이때, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 유입관의 직경은 최초 전해액이 유입되는 단위 셀에서 이웃하는 단위 셀로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하며, 상술한 상기 유입관의 직경 조절은 하기와 같다.In this case, the diameter of the inflow pipe according to an embodiment of the present invention becomes smaller as the distance from the unit cell into which the initial electrolyte flows is reduced to the adjacent unit cell, and the diameter control of the inflow pipe described above is as follows.
먼저, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 상기 유입관의 직경 조절을 위하여 상기 유입관의 내부에 단위 셀별 상기 유입관의 직경을 조절하기 위한 직경 조절링이 삽입된다. First, in an embodiment of the present invention, a diameter adjusting ring for adjusting the diameter of the inflow pipe for each unit cell is inserted into the inflow pipe for controlling the diameter of the inflow pipe.
이때, 상기 직경 조절링은 미리 계산된 직경 값을 갖도록 준비되며, 상기 직경 조절링의 형상은 원형 또는 삼각형 및 사각형을 포함하는 다각형으로 이루어질 수 있다.At this time, the diameter adjusting ring is prepared to have a previously calculated diameter value, and the shape of the diameter adjusting ring may be a circular shape or a polygon including a triangle and a square.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 있어서는 상기 유입관의 직경 조절을 위하여 상기 유입관의 내부에 단위 셀별 상기 유입관의 직경을 조절하기 위해 계산된 직경 값을 갖는 단차를 형성한다.Meanwhile, in another embodiment of the present invention, a step having a diameter value calculated to adjust the diameter of the inflow pipe for each unit cell is formed in the inflow pipe for controlling the diameter of the inflow pipe.
한편, 상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택의 각 단위 셀별 유입관 및 배출관의 직경은 하기와 같은 과정을 통해 얻어지며 이하에서는 이에 대해 상세히 설명한다.Referring to FIG. 1, the diameters of the inflow and discharge pipes for each unit cell of the redox flow cell stack for uniform flow distribution according to the embodiments of the present invention are obtained through the following process. Will be described in detail.
한편, 본 발명의 실시 예들에 따른 유동구조의 설계를 위해 다음과 같이 가정한다.On the other hand, for the design of the flow structure according to the embodiments of the present invention, the following assumption is made.
① 유입관의 입구와 배출관의 출구 길이는 동일함① The inlet and outlet lengths of the inlet and outlet pipes are the same.
② 전해액의 유동은 비 압축성 층류 유동임
③ 각 단위 셀에 걸리는 압력강하는 동일함② The flow of the electrolytic solution is an incompressible laminar flow.
③ The pressure drop across each unit cell is the same
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④ 유동 속도는 평균속도를 사용함④ Flow rate uses average speed
⑤ 각 단위 셀의 유량의 합은 전체유량과 동일(질량보존의 법칙)하며, 상술한 가정에 따라 다음과 같은 식을 이용하였다.(5) The sum of the flow rates of the unit cells is the same as the total flow rate (the law of conservation of mass), and the following equation is used according to the above assumptions.
ⅰ) 압력강하I) Pressure drop
ⅱ) 원형 파이프, 층류 유동Ii) Circular pipe, laminar flow
(여기서, L은 관의 길이, D는 관의 직경, ρ는 밀도, V는 속력, A는 관의 단면적 이며, Re는 Reynolds 수를 의미함)
(Where L is the length of the tube, D is the tube diameter, ρ is the density, V is the speed, A is the cross-sectional area of the tube, and Re is the Reynolds number)
ⅲ) 질량유량Iii) Mass flow rate
이와 관련하여 상기 도 1을 참조하면, 첫 번째 단위 셀로 흐르는 유동(실선)의 입ㆍ출구에서의 전체 압력강하와 두 번째 단위 셀로 흐르는 유동(점선)의 입ㆍ출구에서의 전체 압력강하가 같다는 가정하에 식을 세웠으며 이때, 상기‘*’표시는 출구 쪽(Oulet)을 의미한다.1, assuming that the total pressure drop at the inlet and outlet of the flow (solid line) flowing to the first unit cell and the total pressure drop at the inlet and outlet of the flow (dotted line) flowing to the second unit cell are the same , And the '*' mark means Oulet on the exit side.
(여기서, △P01, △P12는 inlet 측 0과 1 사이, inlet 측 1과 2 사이의 압력강하를 의미, △P1 * 2 *, △P2 * 3 *, △P3 * 4 *, △P4 * 0 *은 outlet 측 1*과 2*, outlet 측 2*와 3*, outlet 측 3*과 4*, outlet 측 4*와 0* 사이의 압력강하를 의미하며, △Pelec 는 세로방향의 전극을 통한 압력강하를 의미함)ΔP 1 * 2 * , ΔP 2 * 3 * , ΔP 3 * 4 * , where ΔP 01 and ΔP 12 mean the pressure drop between
이때, 상술한 가정 ③을 사용하여 상기 식을 정리하면,At this time, if the above formula is summarized using the above-mentioned
이때, 각 단위 셀의 입구와 출구의 압력강하가 동일하게 나왔다. 첫 번째와 두 번째 단위 셀 사이의 압력강하를 사용하여 식(ⅰ)을 대입 후 정리하면 다음과 같다.At this time, the pressure drop at the inlet and the outlet of each unit cell are the same. Using the pressure drop between the first and second unit cells, the equation (i) can be summarized as follows.
(여기서, V12는 도 1의 Inlet 측 1과 2사이의 유속, V1 * 2 *는 도 1의 Outlet 측 1*과 2*사이의 유속이며, D12는 도 1의 Inlet 측 1과 2사이의 관의 직경, D1 * 2 *는 도 1의 Outlet 측 1*과 2*사이의 관의 직경을 의미함)
1 where V 12 is the flow rate between the
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유동의 속도는 가정 ④의 평균속도를 의미하며, 식(ⅲ)을 이용하여 위 식에 대입 후 정리를 하여 다음과 같은 각 단위 셀 사이의 입ㆍ출구 직경 비를 얻을 수 있었다.The velocity of the flow is the average velocity of the
이때, 도 3 및 4를 참고하면, 상기 식은 유입관과 배출관의 관계를 보여주며, 배출관측의 직경을 고정하면 유입관의 직경이 위치에 따라 변하게 됨을 의미한다.
한편, 상기 식에서 n은 전체 단위 셀의 개수이며, D는 유입관 및 배출관의 수력직경, i는 해당 단위 셀과 연결되며 해당 단위 셀의 번호와 동일한 유입관의 번호, i*는 해당 단위 셀과 연결되며 해당 단위 셀의 번호와 동일한 배출관의 번호를 의미하며, (i+1) 및 (i*+1)은 상기 i 및 i*와 바로 이웃하는 유입관 및 배출관을 의미한다.
3 and 4, the above equation shows the relationship between the inlet pipe and the discharge pipe. When the diameter of the outlet pipe is fixed, it means that the diameter of the inlet pipe varies depending on the position.
D is the hydraulic diameter of the inlet pipe and the discharge pipe, i is the number of the inlet pipe connected to the corresponding unit cell and equal to the number of the corresponding unit cell, i * is the number of the unit cell, (I + 1) and (i * +1) means the inflow pipe and the discharge pipe immediately adjacent to the i and i * , respectively.
한편, 도 1에 도시된 레독스흐름전지 스택의 유동분배를 위한 치수 구조를 도시한 도 2를 참조하면, 도 2에서 L은 유입관 및 배출관의 길이, n은 단위 셀의 개수, Q는 유입되는 전해액의 총 유량이며, D는 유입관 및 배출관의 수력직경이다.2, L is the length of the inlet pipe and the outlet pipe, n is the number of unit cells, Q is the length of the inflow and outflow pipe, And D is the hydraulic diameter of the inlet pipe and the outlet pipe.
결과적으로 본 발명의 일실시 예에 다른 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택은 상술한 기술적 구성들을 통해 스택 내부의 각 단위 셀로 유입되는 전해액의 유량을 균일하게 분배함으로써, 스택의 전압손실 및 출력손실을 최소화할 수 있는 우수한 효과가 있다.As a result, according to the embodiment of the present invention, the redox flow cell stack for uniform flow distribution uniformly distributes the flow rate of the electrolyte flowing into each unit cell in the stack through the above-described technical constructions, There is an excellent effect that the output loss can be minimized.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Various changes and modifications may be made by those skilled in the art.
Claims (5)
상기 유입관과 대향되며 상기 단위 셀들의 적층방향을 따라 관통되도록 구비되어 상기 단위 셀들의 내부로 공급된 상기 전해액을 배출하기 위한 배출관을 포함하되,
상기 유입관은 상기 전해액이 상기 단위 셀별로 균일하게 유입되도록 하기 위해 서로 다른 직경으로 이루어지고, 상기 유입관의 내부에는 단위 셀별 상기 유입관의 직경을 조절하기 위한 원형 또는 다각형의 직경 조절링이 삽입되며, 상기 유입관의 내부는 단위 셀별 상기 유입관의 직경을 조절하기 위해 단차가 형성되고,
상기 유입관 및 배출관의 수력직경은,
An inlet pipe for passing electrolyte along the stacking direction of the unit cells and supplying electrolyte into the unit cells; And
And a discharge pipe which is opposed to the inflow pipe and penetrates along the stacking direction of the unit cells to discharge the electrolyte supplied into the unit cells,
Wherein the inlet pipe has a different diameter in order to uniformly introduce the electrolyte into the unit cells, and a circular or polygonal diameter adjusting ring for adjusting the diameter of the inlet pipe for each unit cell is inserted in the inlet pipe A stepped portion is formed in the inlet pipe to control the diameter of the inlet pipe for each unit cell,
The hydraulic diameter of the inlet pipe and the outlet pipe,
상기 유입관의 직경은 최초 전해액이 유입되는 단위 셀에서 이웃하는 단위 셀로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하는 균일한 유동분배를 위한 레독스흐름전지 스택.
The method according to claim 1,
Wherein the diameter of the inflow pipe is reduced from the unit cell into which the initial electrolyte flows, to the neighboring unit cell.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |