KR101980256B1

KR101980256B1 - 융착 장치

Info

Publication number: KR101980256B1
Application number: KR1020160125875A
Authority: KR
Inventors: 김세진; 정은주; 박희만; 박선아; 홍문현; 김혜선
Original assignee: 롯데케미칼 주식회사
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2019-05-20
Also published as: KR20180035587A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지의 분리막 흐름 프레임과 전극 흐름 프레임을 융착하여 단위 셀을 형성하는 융착 장치에 있어서, 단위 셀을 지지하며 서로 대향하는 하부 지지대 및 상부 지지대, 하부 지지대 위에 위치하며 개구부를 가지는 베이스, 베이스의 모퉁이에 관통 설치되어 있는 고정핀, 개구부에 위치하는 섬형 분할판을 포함하고, 섬형 분할판은 상기 고정핀의 외형을 따라 오목하게 형성되어 있는 오목부를 포함한다.

Description

융착 장치{VIBRATION WELDING DEVICE}

본 발명은 융착 장치에 관한 것으로, 특히 레독스 흐름 전지의 단위 셀을 융착하기 위한 융착 장치에 관한 것이다.

레독스 흐름 전지는 유지 보수 비용이 적고 상온에서 작동가능하며, 용량과 출력을 독립적으로 설계할 수 있어 대용량 2차 전지로 많은 연구가 진행되고 있다.

이러한, 레독스 흐름 전지는 전극 플로우 프레임(electrode flow frame) 과 멤브레인 플로우 프레임(membrane flow frame)이 단위 셀로 구성되며, 이러한 단위 셀이 복수로 적층되고, 적층된 스택의 최외곽의 양측에 집전판과 앤드 캡을 차례로 적층하여 형성되는 스택, 및 스택에 전해액을 공급하고 스택에서 내부 반응 후, 유출되는 전해액을 저장하는 전해액 탱크를 포함한다.

멤브레인이 양측에 양극 및 음극 전해액 저장 탱크에서 공급된 애노드 전해액과 캐소드 전해액이 순환하면서 이온 교환이 이루어지고, 이 과정에서 전자의 이동이 발생하여 충방전이 이루어진다.

한편, 전극 플로우 프레임과 멤브레인 플로우 프레임을 포함하는 단위 셀은, 진동 융착(vibration welding) 방식으로 상호 융착되며 스택으로 구성될 수 있는데, 이를 위해서 전극 플로우 프레임과 멤브레인 플로우 프레임에는 반응 영역의 외측으로 융착살이 형성될 수 있다.

융착살은 전해액이 이동하는 주입구 및 유로와 인접하게 형성될 수 있으며 융착시 가압에 의해서 주입구 및 유로의 크기가 변형될 수 있다. 이처럼, 주입구 또는 유로의 크기가 변형되면 위치에 따라서 전해액의 이동량이 달라지고 이로 인해서 전지의 반응이 불균일하게 되어 충,방전 효율이 저하될 수 있다.

따라서, 본 발명은 융착 시에 단위 셀에 균일하게 압력을 가하여 전해액 주입구가 변형되는 것을 최소화하여 균일한 반응 특성을 가지는 레독스 흐름 전지의 스택을 제조할 수 있는 스택 융착 장치를 제공하는 것이다.

상기 고정핀은 원통형이고, 오목부의 평면 모양은 상기 고정핀의 외주를 둘러싸는 반원일 수 있으며, 오목부의 경계선으로부터 상기 고정핀의 외측면까지의 거리는 0.5mm 내지 2mm일 수 있다.

상기 베이스는 복수로 분할 된 분할판을 포함하고, 섬형 분할판은 상기 베이스의 모퉁이에 위치하는 분할판에 위치할 수 있다.

상기 섬형 분할판은 체결 부재로 상기 베이스에 결합되어 있을 수 있다.

본 발명에서와 같이 스택 융착 장치를 이용하면 단위 셀의 주입구가 변형되지 않으므로, 복수로 단위 셀을 적층하더라도 주입구의 크기가 균일하므로 레독스 흐름 전지의 충방전 특성이 균일한 레독스 흐름 전지를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 융착 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 적용한 단위 셀의 개략적인 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 적용된 하부 지지대를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3에 적용한 고정핀과 분할판을 도시한 평면도이다.
도 6은 도 5의 VI-VI선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 7은 종래 기술에 따라서 형성한 스택의 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 단위 셀의 일부분을 촬영한 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에서, 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.또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 융착 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 적용한 단위 셀의 개략적인 도면이고, 도 3 및 도 4는 도 1에 적용된 하부 지지대를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 3에 적용한 고정핀과 분할판을 도시한 평면도이고, 도 6은 도 5의 VI-VI선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 레독스 흐름 전지용 스택 융착 장치(100)는 하부 지지대(10), 상부 지지대(40) 및 진동원(70)을 포함한다.

레독스 흐름 전지용 스택 융착 장치(100)는 단위 셀(1)들을 융착하여 스택을 구성하는 징크-브로민 흐름 전지용 스택 제조 시스템에 적용될 수 있다.

레독스 흐름 전지는 양극 전해액 및 음극 전해액에 따라 징크-브로민 흐름 전지를 포함할 수 있는데, 징크-브로민 흐름 전지는 전극 플로우 프레임(1a)과 멤브레인 플로우 프레임(1b)으로 이루어진 단위 셀(1)을 포함하며, 다수 매의 단위 셀(1)을 연속적으로 배치하여 전기 발생 집합체인 스택을 구성할 수 있다.

이때, 전극 플로우 프레임(1a)과 멤브레인 플로우 프레임(1b)을 포함하는 단위 셀(1)은 진동 융착 방식으로 상호 융착되면서 복수로 적층된 스택으로 구성되며, 이를 위해 전극 플로우 프레임(1a)과 멤브레인 플로우 프레임(1b)에는 반응 영역의 외측으로 융착살(도시하지 않음)이 형성될 수 있다.

도 2를 참조하면, 전극 플로우 프레임(1a)과 멤브레인 플로우 프레임(1b)이 융착살에 의해서 융착되면, 융착살 주위에 전해액이 주입되는 주입구(52)를 가지는 전해액 유로(9)가 형성된다.

본 발명의 한 실시예에 따른 스택 융착 장치(100)는 진동 융착에 따른 단위 셀(1)들의 전해액 주입구(52)가 가압되어 주입구 크기가 변화하는 것을 방지하여, 전해액이 원활하게 주입될 수 있도록 전극 플로우 프레임(1a)과 멤브레인 플로우 프레임(1b)을 융착 할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 스택 융착 장치(100)의 하부 지지대(10)는 적어도 하나의 단위 셀(1)을 지지하는 것으로, 프레임(11)에 고정되어 설치된다. 하부 지지대(10)의 프레임(11)은 슬라이딩 구동 장치(도시하지 않음)를 통해서 상하 방향으로 승강 가능하게 구성될 수 있다.

상부 지지대(40)는 하부 지지대(10) 위의 단위 셀(1)을 가압하는 것으로, 하부 지지대(10)의 상측에서 프레임(41)에 고정되게 배치된다. 상부 지지대(40)는 하부 지지대(10)가 상승함에 따라 그 하부 지지대(10) 위의 단위 셀(1)을 가압할 수 있다.

여기서 프레임(11, 41)은 하부 지지대(10) 및 상부 지지대(40)를 각각 지지하기 위한 브라켓, 바아, 로드, 플레이트, 레일, 하우징, 격벽, 케이스, 블록, 칼라 등과 같은 각종 부속 요소들을 포함할 수 있다. 그러나 상기한 부속 요소들은 하부 지지대(10) 및 상부 지지대(40), 그리고 주변 설비등을 설치하기 위한 것으로, 본 발명의 실시예에서는 예외적인 경우를 제외하고 상기한 부속 요소들을 프레임(11, 41)으로 통칭한다.

진동원(도 1참조, 70)은 하부 지지대(10)가 상승함에 따라 상부 지지대(40)를 통해 그 하부 지지대(10) 상의 단위셀(1)을 가압한 상태에서, 상부 지지대(40)에 진동을 가하는 것으로, 통상적인 구조의 바이브레이션 장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 하부 지지대(10) 및 상부 지지대(40)의 상호 대응하는 대응면에는 플레이트 형상의 베이스(13, 43)가 설치될 수 있으며, 베이스(13, 43)는 복수의 분할된 분할판(15, 45)을 포함할 수 있다. 분할판(15, 45)들은 단위 셀(1)을 평면적으로 지지하는 것으로, 볼트 등과 같은 체결 수단(도시하지 않음)에 의해서 하부 지지대(10) 및 상부 지지대(40)의 베이스(13, 43)에 고정되게 결합될 수 있다.

단위 셀(1)과 접촉하는 분할판들(15, 45)의 표면에는 하부 지지대(10)의 상승에 의한 상부 지지대(40)의 가압 시, 이들 지지대(10, 40) 사이에서 가압되는 단위 셀(1)이 유동되는 것을 방지하기 위한 널링부(16, 46)가 형성될 수 있다. 널링부(16, 46)는 통상적인 널링 가공을 통해 분할판들(15, 45)의 표면에 형성될 수있다.

본 발명의 실시예에 따른 하부 지지대(10)의 상승에 의한 상부 지지대(40)의 가압 시, 단위 셀(1)을 고정하기 위한 고정핀(20)을 더 포함할 수 있다.

고정핀(20)은 하부 지지대(10) 및 상부 지지대(40) 중 적어도 어느 하나에 구성될 수 있으며,상부 및 하부 각각 또는 동시에 이동 가능하다. 따라서, 고정핀(20)은 하부 지지대(10) 및 상부 지지대의 베이스(13) 모퉁이 측에 대응하는 분할판(15)에 각각 설치될 수 있다. 고정핀(20)은 베이스(13)의 모퉁이에서 상하방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되는 바, 하부 지지대(10)에 고정되게 설치된 작동 실린더(21)에 의해 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치될 수 있다.

작동 실린더(21)는 유압 또는 공압에 의해 작동하며 고정핀(20)을 상하 방향으로 전지 및 후진 이동 시킬 수 있다.

고정핀(20)은 하부 지지대(10)에 적층된 단위 셀(1)의 높이에 따라 작동 실린더(21)에 의해 상측 방향으로 이동하며, 단위 셀(1)을 고정하는데 단위 셀(1)을 관통하여 고정될 수 있다.

고정핀(20)이 설치되는 베이스의 모퉁이에 위치하는 분할판(15)은 섬형 분할판(50)을 더 포함할 수 있다.

이에 대해서는 도 5 및 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 5는 도 4의 AA 부분을 확대 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 VI-VI선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 섬형 분할판(50)은 모퉁이에 위치하는 분할판(15) 내의 절개부(51)에 섬(island)의 형태로 위치할 수 있다. 절개부(51)는 섬형 분할판(50)의 외형과 같은 평면 모양을 가질 수 있다.

섬형 분할판(50)은 판형 부재로 고정핀(20)의 외측에 맞물리는 형태로 설치될 수 있다. 따라서 판형 부재는 고정핀(20)의 외형을 따라 오목한 오목부(S)를 가질 수 있다.

섬형 분할판(50)은 단위 셀(1)의 전해액 주입구와 중첩할 수 있으며, 섬형 분할판(50)의 오목부(S)는 주입구의 끝단과 중첩하거나, 주입구의 끝단보다 고정핀(20)에 더 인접하게 배치될 수 있다. 이때, 오목부와 고정핀(20)의 외측면 사이의 거리(D)는 2mm이하일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.5mm 내지 2mm일 수 있다.

이처럼, 섬형 분할판(50)을 형성하면, 단위 셀(1)을 융착할 때 프레임에 각각 형성되어 있는 융착살(55a, 55b)과 인접하게 위치하는 전해액 주입구(52)의 크기가 변형 되는 것을 방지할 수 있다.

섬형 분할판(50)의 오목부가 주입구의 끝단보다 고정핀(20)으로부터 더 멀리 위치하면, 섬형 분할판(50)이 주입구의 일부분 및 단위 셀(1)의 가장자리의 일부분만을 가압하여, 상대적으로 가압되지 않는 단위 셀(1)의 가장자리가 도 7에서와 같이 벌어질 수 있다.

도 7은 종래 기술에 따라서 형성한 스택의 개략적인 단면도이다.

도 7에서와 같이 종래 기술에 따라서 단위 셀(1)을 형성한 후 복수로 적층하여 스택을 구성하면, 전해액 주입구가 좁아져 전해액이 용이하게 이동할 수 없다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 섬형 분할판(50)을 주입구의 끝단과 중첩하도록 설치함으로써, 단위 셀(1)의 가장자리가 벌어져 주입구의 크기가 변경되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 복수의 단위 셀을 적층하여 스택을 구성하더라도 전해액 주입구의 크기는 일정하므로 전해액을 균일하게 스택에 주입할 수 있다.

융착 후 단위 셀의 위치에 따른 두께 비교

도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 단위 셀의 주입구 부분을 촬영한 사진이다.

융착 후 도 8에 도시한 단위 셀의 제1 영역(A)가 제2 영역(B)에서의 두께(도 6 참조, T1, T2)를 각각 측정하였다. 제1 영역(A)은 융착살(55a, 55b)과 대응하는 영역의 단위 셀(1)의 두께(T1)이고, 제2 영역(B)은 주입구(52)와 대응하는 단위 셀의 두께(T2)이다.

[비교예]

종래 기술에 따른 융착 장치를 사용하여 융착하였으며, 융착 장치는 섬형 분할판을 포함하지 않으며, 베이스의 관통 구멍의 경계선과 주입구의 경계선 사이의 거리는 3mmm이다.
[표1]은 비교예에 따른 융착 장치를 이용하여, 도 8의 제1 영역(A)과 제2 영역(B)에서의 두께를 측정한 표이다.

	1	2	3	4	5	6	7	8
A	3.155	3.184	3.174	3.179	3.184	3.178	3.176	3.210
B	3.267	3.213	3.228	3.223	3.249	3.235	3.249	3.255

[표 1]을 참조하면, 제2 영역의 두께가 제1 영역의 두께보다 두꺼워 두께 편차가 발생한 것을 확인할 수 있다.

[실시예]

본 발명에 따른 융착 장치를 사용하여 융착하였으며, 분할판은 섬형 분할판을 포함하고, 고정핀과 주입구의 경계선 사이의 거리는 1mm이다.
[표2]는 실시예에 따른 융착 장치를 이용하여, 도 8의 제1 영역(A)과 제2 영역(B)에서의 두께를 측정한 표이다.

	1	2	3	4	5	6	7	8
A	3.166	3.167	3.173	3.161	3.166	3.168	3.191	3.179
B	3.219	3.119	3.106	3.126	3.117	3.130	3.137	3.142

[표 2]를 참조하면, 제2 영역의 두께와 제1 영역의 두께 편차가 종래에 비해서 줄어들어 제1 영역과 제2 영역의 두께가 유사한 것을 확인할 수 있다.

스택 효율 비교

[표 3]은 비교예에 따른 융착 장치를 이용하여 융착한 단위 셀을 포함하는 스택으로 레독스 흐름 전지를 제조하여 전기적 특성을 측정하였다.

	효율 [ % ]
	전하량	전압	에너지
1	86.0	83.8	72.1
2	85.3	85.1	72.6
3	85.8	85.4	73.2
4	84.9	85.2	72.3
평균	85.5	84.9	72.6

[표 4]는 실시예에 따른 융착 장치를 이용하여 융착한 단위 셀을 포함하는 스택으로 레독스 흐름 전지를 제조하여 전기적 특성을 측정하였다.

	효율 [ % ]
	전하량	전압	에너지
1	84.9	84.9	72.1
2	87.2	86.0	75.0
3	86.8	86.7	75.2
4	86.1	87.0	74.9
평균	86.3	86.2	74.3

[표 3] 및 [표 4]를 참조하면, 실시예에 따른 융착 장치를 이용하여 융착한 단위 셀을 포함하는 전지의 전하량 효율, 전압 효율 및 에너지 효율이 종래 기술에 따른 단위 셀을 포함하는 흐름 전지의 전하량 효율, 전압 효율 및 에너지 효율보다 증가한 것을 확인할 수 있다. 이처럼, 본 발명의 실시예에서와 같이, 융착 장치를 이용하면 전해액이 주입되는 주입구의 크기가 균일하게 형성되므로 흐름 전지의 전하량 효율, 전압 효율 및 에너지 효율이 증가한다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims

레독스 흐름 전지의 분리막 흐름 프레임과 전극 흐름 프레임을 융착하여 원형 주입구를 가지는 단위 셀을 형성하는 융착 장치에 있어서,
상기 단위 셀을 지지하며 서로 대향하는 하부 지지대 및 상부 지지대,
상기 하부 지지대 위에 위치하며 복수로 분할된 분할판을 포함하는 베이스,
상기 베이스의 모퉁이에 위치하는 모퉁이 분할판에 관통 설치되어 있는 원통형 고정핀
을 포함하고,
상기 모퉁이 분할판은
상기 모퉁이 분할판에 형성된 개구부에 위치하며 상기 고정핀의 외형을 따라 오목한 호형(弧形)의 오목부를 가지는 섬(island)형(形) 분할판을 포함하고,
상기 호형의 오목부, 상기 주입구 및 상기 원통형 고정핀은 동심을 이루도록 배치되며, 상기 호형의 오목부의 반지름은 상기 주입구의 반지름과 같거나, 상기 주입구의 반지름보다 작은 융착 장치.
삭제
제1항에서,
상기 오목부로부터 상기 고정핀의 외측면까지의 거리는 0.5mm 내지 2mm인 융착 장치.
삭제
제1항에서,
상기 섬형 분할판은 체결 부재로 상기 베이스에 결합되어 있는 융착 장치.