KR102283441B1

KR102283441B1 - 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀

Info

Publication number: KR102283441B1
Application number: KR1020180170960A
Authority: KR
Inventors: 김기현; 김부기; 이동영; 최담담; 박상현; 최강영
Original assignee: 스탠다드에너지(주)
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2021-07-30
Also published as: KR20200080949A

Abstract

본 발명은 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀에 관한 것이다. 이러한 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀은, 양극과 음극을 갖는 제1 단위셀과, 상기 제1 단위셀에 인접하여 배치되며 양극이 상기 제1 단위셀의 음극과 인접하도록 직렬로 배치되는 제1 인접단위셀을 포함하는 제1 직렬모듈; 양극과 음극을 갖는 제2 단위셀과, 상기 제2 단위셀에 인접하여 배치되며음극이 상기 제2 단위셀의 양극과 인접하도록 직렬로 배치되는 제2 인접단위셀을 포함하는 제2 직렬모듈; 상기 제2 직렬모듈은 상기 제2 단위셀의 음극이 상기 제1 인접단위셀의 음극과 인접하도록, 상기 제1 직렬모듈에 대하여 병렬로 배치되고, 상기 제1 직렬모듈의 외측에 배치되는 제1 양극집전판; 상기 제2 직렬모듈의 외측에 배치되는 제2 양극집전판; 및 상기 제1,2 직렬모듈 사이에 배치되는 음극용 중간집전판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀{A Battery Cell for Redox flow battery having a mixed serial and parallel structure}

본 발명은 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀에 관한 것으로, 특히 전해 반응이 일어나는 전지셀 내부에서 분로전류(shunt current)의 발생을 줄여서 전지의 효율을 향상시키고, 구조가 단순해지며, 외부회로와의 연결이 용이하도록 한 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀에 관한 것이다.

도1에 도시된 바와 같이, 전해액이 순환됨에 따라 충방전이 이루어지는 레독스 흐름전지는, 일반적으로 화학반응을 통해 전력이 저장되는 역할을 하는 양극전해액(121a)과 음극전해액(122a)과, 두 전해액의 반응을 유도하여 전력이 충전 또는 방전되도록 하는 전지셀(110)과, 상기 양극전해액(121a) 및 음극전해액(122a)을 상기 전지셀(110) 내부로 유통시키는 전해액유로(130)를 포함한다. 또한, 상기 전지셀(110)은 이온이 교환되며 화학반응이 일어나도록 하는 이온교환막(111)과, 다공성 물질로 이루어져 각 극 전해액이 유통되며 화학 반응이 일어나는 사이트(site)를 제공하는 양극전극(112) 및 음극전극(113)과, 외부로 전기가 통전되도록 도전성을 갖는 양극집전판(114) 및 음극집전판(115)을 포함한다. 상기 양극전극(112) 및 음극전극(113)이 상기 양극집전판(114) 및 음극집전판(115)에 직접 닿는 것을 방지하고 동시에 전기적으로 통전되도록, 상기 양극전극(112) 및 음극전극(113)과 상기 양극집전판(114) 및 음극집전판(115) 사이에는 각각 분리판(116)이 배치된다.

레독스 레독스 흐름전지의 출력을 높이기 위해서, 상기 전지셀(100)을 적층한 직렬적층구조 또는 병렬적층구조가 사용된다.

상기 직렬적층구조는, 양극과 음극이 서로 교차하여 반복되기 때문에 셀 내부의 구조가 단순하고 출력을 쉽게 늘릴 수 있는 장점이 있으나, 적층되는 전지셀의 수가 늘어남에 따라 셀과 셀 사이의 전위차가 발생하게 되고, 이에 상기 전해액유로를 따라 흐르는 분로전류(shunt current)로 인한 효율 저하와 셀 내부의 손상이 발생할 가능성이 높아진다.

반면에 병렬적층구조는, 인접한 셀이 서로 같은 극을 마주하도록 배치함으로써, 각 셀이 전기적으로 동등한 전위를 갖게 한 구조이다. 상기 병렬적층구조는, 전기적 전위가 각 셀 별로 동등하기 때문에 분로전류가 발생하기 어려운 구조를 가지고 있으나, 인접한 셀이 같은 극을 마주하고 있기 때문에 셀 내부의 구조가 복잡해진다. 또한 매 셀마다 2개씩의 집전판이 필요하기 때문에 외부의 회로와 전기적으로 연결하는 것이 복잡해지는 단점이 존재한다. 또한, 출력 대비 전류량이 커지기 때문에 저항손실(ohmic loss)이 발생할 가능성이 존재한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 전해 반응이 일어나는 전지셀 내부에서 분로전류(shunt current)의 발생을 줄여서 전지의 효율을 향상시키고, 구조가 단순해지며, 외부회로와의 연결이 용이하도록 한 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀을 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명의 일측면에 따른 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀은, 양극과 음극을 갖는 제1 단위셀과, 상기 제1 단위셀에 인접하여 배치되며 양극이 상기 제1 단위셀의 음극과 인접하도록 직렬로 배치되는 제1 인접단위셀을 포함하는 제1 직렬모듈; 양극과 음극을 갖는 제2 단위셀과, 상기 제2 단위셀에 인접하여 배치되며 음극이 상기 제2 단위셀의 양극과 인접하도록 직렬로 배치되는 제2 인접단위셀을 포함하는 제2 직렬모듈; 상기 제2 직렬모듈은 상기 제2 단위셀의 음극이 상기 제1 인접단위셀의 음극과 인접하도록, 상기 제1 직렬모듈에 대하여 병렬로 배치되고, 상기 제1 직렬모듈의 외측에 배치되는 제1 양극집전판; 상기 제2 직렬모듈의 외측에 배치되는 제2 양극집전판; 및 상기 제1,2 직렬모듈 사이에 배치되는 음극용 중간집전판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 양극집전판과 상기 제2 양극집전판을 서로 연결하는 공통양극집전판을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 직렬모듈은, 상기 제1 단위셀과 상기 제1 인접단위셀 사이에 배치되며, 양극이 상기 제1 단위셀의 음극과 인접하게 배치되고 음극이 상기 제1 인접단위셀의 양극과 인접하게 배치되도록 직렬로 배치되는 제1 추가단위셀을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 직렬모듈은, 상기 제2 단위셀과 상기 제2 인접단위셀 사이에 배치되며, 음극이 상기 제2 단위셀의 양극과 인접하게 배치되고 양극이 상기 제2 인접단위셀의 음극과 인접하게 배치되도록 직렬로 배치되는 제2 추가단위셀을 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따른 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀은, 양극과 음극을 갖는 제1 단위셀과, 상기 제1 단위셀에 인접하여 배치되며 음극이 상기 제1 단위셀의 양극과 인접하도록 직렬로 배치되는 제1 인접단위셀을 포함하는 제1 직렬모듈; 양극과 음극을 갖는 제2 단위셀과, 상기 제2 단위셀에 인접하여 배치되며 양극이 상기 제2 단위셀의 음극과 인접하도록 직렬로 배치되는 제2 인접단위셀을 포함하는 제2 직렬모듈; 상기 제2 직렬모듈은 상기 제2 단위셀의 양극이 상기 제1 인접단위셀의 양극과 인접하도록, 상기 제1 직렬모듈에 대하여 병렬로 배치되고, 상기 제1 직렬모듈의 외측에 배치되는 제1 음극집전판; 상기 제2 직렬모듈의 외측에 배치되는 제2 음극집전판; 및 상기 제1,2 직렬모듈 사이에 배치되는 양극용 중간집전판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 음극집전판과 상기 제2 음극집전판을 서로 연결하는 공통음극집전판을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 직렬모듈은, 상기 제1 단위셀과 상기 제1 인접단위셀 사이에 배치되며, 음극이 상기 제1 단위셀의 양극과 인접하게 배치되고 양극이 상기 제1 인접단위셀의 음극과 인접하게 배치되도록 직렬로 배치되는 제1 추가단위셀을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 직렬모듈은, 상기 제2 단위셀과 상기 제2 인접단위셀 사이에 배치되며, 양극이 상기 제2 단위셀의 음극과 인접하게 배치되고 음극이 상기 제2 인접단위셀의 양극과 인접하게 배치되도록 직렬로 배치되는 제2 추가단위셀을 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀은, 전지셀이 직렬 및 병렬 구조를 혼합하여 배치함으로써, 전해 반응이 일어나는 전지셀 내부에서 분로전류(shunt current)의 발생을 줄여서 전지의 효율을 향상시키고, 구조가 단순해지며, 외부회로와의 연결을 용이하게 하는 효과를 제공한다.

도1은 일반적인 레독스 흐름전지를 개략적으로 도시한 도면,
도2는 직렬로 적층한 전지셀을 도시한 도면,
도3은 병렬로 적층한 전지셀을 도시한 도면,
도4는 본 발명 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 전지셀을 도시한 도면,
도5은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 전지셀을 도시한 도면,
도6은 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 레독스 흐름전지용 전지셀을 도시한 도면,
도7은 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 레독스 흐름전지용 전지셀을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나 이는 본 발명의 다양한 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 다양한 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.

본 발명의 다양한 실시 예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 발명(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.

본 발명의 다양한 실시 예에서 사용한 용어는 단지 특정일 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 다양한 실시 예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 다양한 실시 예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도1은 일반적인 레독스 흐름전지를 개략적으로 도시한 도면이고, 도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 전지셀을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 전지셀은 레독스 흐름전지에 사용된다. 먼저 도1을 참고하여 일반적인 레독스 흐름전지의 구성에 대하여 설명한다. 레독스 흐름전지(100)는, 전지셀(110), 전해액저장탱크(120), 전해액유로(130)를 포함한다.

상기 전지셀(battery cell;110)은 전해액을 통해 충전 및 방전이 일어나는 구성으로서, 이온교환막(111), 양극(112), 음극(113), 양극집전판(114), 음극집전판(115), 분리판(116)를 포함한다.

상기 이온교환막(111)은 화학 반응이 일어나도록 이온 교환이 가능한 막으로 이루어진다. 상기 양극(112) 및 음극(113)은, 상기 이온교환막(111)의 양측에 배치되는데, 다공성 물질로 이루어져 각 극 전해액이 유통되고, 화학 반응이 일어나는 사이트(site)로서 제공된다. 상기 양극집전판(114) 및 음극집전판(115)은, 외부로 전기를 통전시키기 위해서 마련된다. 상기 분리판(116)은, 상기 양극(112)과 상기 양극집전판(114) 사이 및 상기 음극(113)과 상기 음극집전판(115) 사이에 배치되어, 전해액이 집전판에 직접 닿는 것을 방지하면서 동시에 전기적으로 통전시키기 위해서 마련된다.

상기 전해액저장탱크(120)는 상기 전지셀(110)에 전해액을 공급하기 위해 마련된다. 상기 전해액저장탱크(120)는 상기 양극에 공급되는 양극전해액(121a)을 저장하는 양극용 전해액저장탱크(121)과, 상기 음극에 공급되는 음극전해액(122a)을 저장하는 음극용 전해액저장탱크(122)를 포함한다.

상기 전해액유로(130)는 전해액이 순환되는 유로로서 제공된다. 상기 전해액유로(130)는 제1 전해액유로(131)와 제2 전해액유로(132)를 포함한다.

상기 제1 전해액유로(131)는 상기 양극용 전해액저장탱크(121)와 상기 전지셀(110)을 연결하여 상기 전해액이 순환되는 유로이다. 상기 제1 전해액유로(131)는, 상기 양극전해액(121a)을 상기 전지셀(110)로 공급하기 위해서 상기 양극용 전해액저장탱크(121)와 상기 전지셀(110)을 연결하는 제1 공급유로(1311)와, 상기 양극전해액(121a)을 상기 양극용 전해액저장탱크(121)로 회수하기 위해서 상기 전지셀(110)과 상기 양극용 전해액저장탱크(121)를 연결하는 제1 회수유로(1312)를 포함한다. 상기 양극(112)에 공급되는 상기 양극전해액(121a)은, 상기 양극용 전해액저장탱크(121), 제1 공급유로(1311), 전지셀(110), 제1 회수유로(1312)를 거쳐 다시 상기 양극용 전해액저장탱크(121)로 들어오면서 순환된다.

상기 제2 전해액유로(132)는 상기 음극용 전해액저장탱크(122)와 상기 전지셀(110)을 연결하여 상기 전해액이 순환되는 유로이다. 상기 제2 전해액유로(132)는, 상기 음극전해액(122a)을 상기 전지셀(110)로 공급하기 위해서 상기 음극용 전해액저장탱크(122)와 상기 전지셀(110)을 연결하는 제2 공급유로(1321)와, 상기 음극전해액(122a)을 상기 음극용 전해액저장탱크(122)로 회수하기 위해서 상기 전지셀(110)과 상기 음극용 전해액저장탱크(122)를 연결하는 제2 회수유로(1322)를 포함한다. 상기 음극(113)에 공급되는 상기 음극전해액(122a)은, 상기 음극용 전해액저장탱크(122), 제2 공급유로(1321), 전지셀(110), 제2 회수유로(1322)를 거쳐 다시 상기 음극용 전해액저장탱크(122)로 들어오면서 순환된다. 상기 양극전해액(121a) 및 음극전해액(122a)을 순환시키기 위해서 펌프 등이 구비될 수 있으며, 이러한 구성은 이미 공지된 바 구체적인 설명은 생략한다.

상기와 같은 레독스 흐름전지에 있어서, 본 발명의 일 측면에 따른 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀은, 직렬 및 병렬 구조가 혼합된 전지셀 구조를 제안한다.

구체적으로, 도4를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀은, 제1 직렬모듈(10), 제2 직렬모듈(20), 제1 양극집전판(30), 제2 양극집전판(40), 및 음극용 중간집전판(50)을 포함한다.

상기 제1 직렬모듈(10)은 제1 단위셀(11)과 제1 인접단위셀(12)을 포함한다. 상기 제1 단위셀(11) 또는 상기 제1 인접단위셀(12)은 각각 충전 및 방전이 일어나는 최소 단위로서, 양극(101)과 음극(102)을 각각 포함한다.

구체적으로, 상기 제1 단위셀(11) 및 상기 제2 인접단위셀(12)은 양극(101), 음극(102), 이온교환막(103), 및 분리판(104)를 포함한다. 상기 양극(101), 음극(102), 이온교환막(103), 및 분리판(104)의 구성은, 도1의 양극(112), 음극(113), 이온교환막(111), 및 분리판(116)과 실질적으로 동일하므로, 그 구체적인 설명은 생략한다.

도4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 단위셀(11)은 양극(101)이 최외측에 위치하도록 배치된다. 상기 제1 인접단위셀(12)은 상기 제1 단위셀(11)에 인접하여 배치되는데, 상기 제1 인접단위셀(12)의 양극(101)은 상기 제1 단위셀(11)의 음극(102)과 인접하여 직렬로 배치된다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 상기 제1 직렬모듈(10)은 실질적으로 동일한 구성을 갖는 2개의 단위셀[제1 단위셀(11)과 제1 인접단위셀(12)]이 서로 직렬로 배치되는 구조를 갖는다.

상기 제2 직렬모듈(20)은 제2 단위셀(21)과 제2 인접단위셀(22)을 포함한다. 상기 제2 단위셀(21) 또는 제2 인접단위셀(22)은, 상기 제1 단위셀(11) 또는 상기 제1 인접단위셀(12)과 마찬가지로 각각 충전 및 방전이 일어나는 최소 단위로서, 양극(101)과 음극(102)을 각각 포함한다.

상기 제2 단위셀(21) 또는 제2 인접단위셀(22)의 각각의 구조는, 상기 제1 단위셀(11) 또는 상기 제1 인접단위셀(12)과 실질적으로 동일하다. 즉, 상기 제2 단위셀(21) 또는 제2 인접단위셀(22)은 양극(101), 음극(102), 이온교환막(103), 및 분리판(104)를 포함한다. 상기 제2 단위셀(21) 또는 제2 인접단위셀(22)의 양극(101), 음극(102), 이온교환막(103), 및 분리판(104)의 구성은, 도1의 양극(112), 음극(113), 이온교환막(111), 및 분리판(116)과 실질적으로 동일하므로, 그 구체적인 설명은 생략한다.

도4에 도시된 바와 같이, 상기 제2 단위셀(21)은 제1 직렬모듈(10)의 제1 인접단위셀(12)과 인접하여 배치되고, 제2 인접단위셀(22)은 최외측에 배치된다. 특히, 상기 제2 인접단위셀(22)의 양극(101)이 최외측에 위치하도록 배치된다.

상기 제2 인접단위셀(22)은 상기 제2 단위셀(21)에 인접하여 배치되는데, 상기 제2 인접단위셀(22)의 음극(102)이 상기 제2 단위셀(21)의 양극(101)과 인접하여 직렬로 배치된다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 상기 제2 직렬모듈(20)은, 상기 제1 직렬모듈(10)과 마찬가지로, 실질적으로 동일한 구성을 갖는 2개의 단위셀[제2 단위셀(21) 및 제2 인접단위셀(22)]이 서로 직렬로 배치되는 구조를 갖는다.

본 발명에 따르면, 상기 제1 직렬모듈(10)와 상기 제2 직렬모듈(20)은 서로 병렬로 배치된다. 구체적으로, 상기 제2 직렬모듈(20)의 제2 단위셀(21)은 상기 제1 직렬모듈(10)의 제1 인접단위셀(12)과 인접하여 배치되는데, 상기 제2 단위셀(21)의 음극(102)이 상기 제1 인접단위셀(12)의 음극(102)과 인접하도록 배치된다.

상기 제1 양극집전판(30), 상기 제2 양극집전판(40), 및 음극용 중간집전판(50)은 외부로 전기를 통전시키기 위해서 마련된다. 예컨대, 상기 제1,2 양극집전판(30,40) 및 음극용 중간집전판(50)은 레독스 흐름전지의 충전시 외부전원을 인가하는 단자로서 제공된다.

상기 제1 양극집전판(30)은, 상기 제1 직렬모듈(10)의 외측에 배치된다. 구체적으로, 본 실시예에 따르면 상기 제1 양극집전판(30)은 제1 단위셀(11)의 양극(101)과 마주하여 배치된다.

상기 제2 양극집전판(30)은, 상기 제2 직렬모듈(20)의 외측에 배치된다. 구체적으로, 본 실시예에 따르면 상기 제2 양극집전판(40)은 제2 인접단위셀(22)의 양극(101)과 마주하여 배치된다.

상기 음극용 중간집전판(50)은, 상기 제1,2 직렬모듈(10,20) 사이에 배치된다. 상술한 바와 같이, 상기 제1 직렬모듈(10)과 상기 제2 직렬모듈(20)이 서로 인접하여 배치될 때, 상기 제1 인접단위셀(12)의 음극(102)과 상기 제2 단위셀(21)의 음극(102)이 서로 마주하여 배치되므로, 상기 제1 인접단위셀(12)의 음극(102)과 상기 제2 단위셀(21)의 음극(102) 사이에 음극용 중간집전판(50)이 배치된다.

본 발명 실시예에 따르면, 공통양극집전판(60)을 포함한다.

도4에 도시된 바와 같이, 상기 공통양극집전판(60)은 상기 제1 양극집전판(30)과 상기 제2 양극집전판(40)을 서로 연결한다. 외부로 전기를 통전시킬 때, 상기 공통양극집전판(60)의 임의의 지점을 연결할 수 있다.

도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 전지셀을 도시한 도면이다. 도5의 실시예에 따른 전지셀에 있어서, 도4의 실시예와 동일한 작용을 하는 구성에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하고, 그 구체적인 설명은 생략한다. 도5의 실시예는, 도4와 비교하여, 제1 직렬모듈(10)은 제1 추가단위셀(13)을 더 포함하고, 제2 직렬모듈(20)은 제2 추가단위셀(23)을 더 포함하는 것이 상이하다. 이하, 상기 차이점에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 실시예에 따르면, 상기 제1 직렬모듈(10)은 제1 추가단위셀(13)을 더 포함한다. 상기 제1 추가단위셀(13)은 상기 제1 단위셀(11)과 상기 제1 인접단위셀(12)의 사이에 배치된다. 상기 제1 추가단위셀(13) 자체는 상기 제1 단위셀(11) 또는 제1 인접단위셀(12)의 구성과 동일한 구성을 갖는다.

상기 제1 추가단위셀(13)의 양극(101)은 상기 제1 단위셀(11)의 음극(102)과 인접하게 배치되고, 상기 제1 추가단위셀(13)의 음극(102)은 상기 제1 인접단위셀(12)의 양극(101)과 인접하게 배치된다. 상기 제1 추가단위셀(13)은 상기 제1 단위셀(11) 및 제1 인접단위셀(12)과의 관계에서 직렬로 배치된다.

상기 제2 직렬모듈(20)은 상기 제2 추가단위셀(23)을 더 포함한다. 상기 제2 추가단위셀(23)은 상기 제2 단위셀(21)과 상기 제2 인접단위셀(22)의 사이에 배치된다. 상기 제2 추가단위셀(23) 자체는 상기 제2 단위셀(21) 또는 제2 인접단위셀(22)의 구성과 동일한 구성을 갖는다.

상기 제2 추가단위셀(23)의 음극(102)은 상기 제2 단위셀(21)의 양극(101)과 인접하게 배치되고, 상기 제2 추가단위셀(23)의 양극(101)은 상기 제2 인접단위셀(22)의 음극(102)과 인접하게 배치된다. 상기 제2 추가단위셀(23)은 상기 제2 단위셀(21) 및 제2 인접단위셀(22)과의 관계에서 직렬로 배치된다.

한편, 도6은 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 레독스 흐름전지용 전지셀을 도시한 도면이다. 도6의 실시예에 있어서, 도4의 실시예와 동일한 작용을 하는 구성에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하고 그 구체적인 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 전지셀은, 제1 직렬모듈(10), 제2 직렬모듈(20), 제1 음극집전판(70), 제2 음극집전판(80), 및 양극용 중간집전판(90)을 포함한다.

상기 제1 직렬모듈(10)은 제1 단위셀(11)과 제1 인접단위셀(12)을 포함하며, 실질적으로 도4의 제1 직렬모듈(10)과 동일하다. 구체적으로, 상기 제1 단위셀(11) 및 상기 제2 인접단위셀(12)은 양극(101), 음극(102), 이온교환막(103), 및 분리판(104)를 포함한다. 본 실시예에 따른 제1 직렬모듈(10)은, 도4의 제1 직렬모듈(10)과 비교하여 양극(101)과 음극(102)의 배치가 상이하다.

도6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 단위셀(11)은 음극(102)이 최외측에 위치하도록 배치된다. 상기 제1 인접단위셀(12)은 상기 제1 단위셀(11)에 인접하여 배치되는데, 상기 제1 인접단위셀(12)의 음극(102)은 상기 제1 단위셀(11)의 양극(101)과 인접하여 직렬로 배치된다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 상기 제1 직렬모듈(10)은 실질적으로 동일한 구성을 갖는 2개의 단위셀[제1 단위셀(11)과 제1 인접단위셀(12)]이 서로 직렬로 배치되는 구조를 갖는다.

상기 제2 직렬모듈(20)은 제2 단위셀(21)과 제2 인접단위셀(22)을 포함하며, 실질적으로 도4의 제2 직렬모듈(20)과 동일하다. 상기 제2 단위셀(21) 또는 제2 인접단위셀(22)의 각각의 구조는, 상기 제1 단위셀(11) 또는 상기 제1 인접단위셀(12)과 실질적으로 동일하다. 즉, 상기 제2 단위셀(21) 또는 제2 인접단위셀(22)은 양극(101), 음극(102), 이온교환막(103), 및 분리판(104)를 포함한다. 본 실시예에 따른 제2 직렬모듈(20)은, 도4의 제2 직렬모듈(20)과 비교하여 양극(101)과 음극(102)의 배치가 상이하다.

도6에 도시된 바와 같이, 상기 제2 단위셀(21)은 제1 직렬모듈(10)의 제1 인접단위셀(12)과 인접하여 배치되고, 상기 제2 인접단위셀(22)의 음극(102)이 최외측에 위치하도록 배치된다.

상기 제2 인접단위셀(22)은 상기 제2 단위셀(21)에 인접하여 배치되는데, 상기 제2 인접단위셀(22)의 양극(101)이 상기 제2 단위셀(21)의 음극(102)과 인접하여 직렬로 배치된다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 상기 제2 직렬모듈(20)은, 상기 제1 직렬모듈(10)과 마찬가지로, 실질적으로 동일한 구성을 갖는 2개의 단위셀[제2 단위셀(21) 및 제2 인접단위셀(22)]이 서로 직렬로 배치되는 구조를 갖는다.

본 발명에 따르면, 상기 제1 직렬모듈(10)와 상기 제2 직렬모듈(20)은 서로 병렬로 배치된다. 구체적으로, 상기 제2 직렬모듈(20)의 제2 단위셀(21)은 상기 제1 직렬모듈(10)의 제1 인접단위셀(12)과 인접하여 배치되는데, 상기 제2 단위셀(21)의 양극(101)이 상기 제1 인접단위셀(12)의 양극(101)과 인접하도록 배치된다.

상기 제1 음극집전판(70), 상기 제2 음극집전판(80), 및 양극용 중간집전판(90)은 외부로 전기를 통전시키기 위해서 마련된다. 예컨대, 상기 제1,2 음극집전판(60,70) 및 양극용 중간집전판(90)은 레독스 흐름전지의 충전시 외부전원을 인가하는 단자로서 제공된다.

상기 제1 음극집전판(70)은, 상기 제1 직렬모듈(10)의 외측에 배치된다. 구체적으로, 본 실시예에 따르면 상기 제1 음극집전판(70)은 제1 단위셀(11)의 음극(102)과 마주하여 배치된다.

상기 제2 음극집전판(80)은, 상기 제2 직렬모듈(20)의 외측에 배치된다. 구체적으로, 본 실시예에 따르면 상기 제2 음극집전판(80)은 제2 인접단위셀(22)의 음극(102)과 마주하여 배치된다.

상기 양극용 중간집전판(90)은, 상기 제1,2 직렬모듈(10,20) 사이에 배치된다. 상술한 바와 같이, 상기 제1 직렬모듈(10)과 상기 제2 직렬모듈(20)이 서로 인접하여 배치될 때, 상기 제1 인접단위셀(12)의 양극(101)과 상기 제2 단위셀(21)의 양극(101)이 서로 마주하여 배치되므로, 상기 제1 인접단위셀(12)의 양극(101)과 상기 제2 단위셀(21)의 양극(101) 사이에 음극용 중간집전판(50)이 배치된다.

본 발명 실시예에 따르면, 공통음극집전판(140)을 포함한다.

도6에 도시된 바와 같이, 상기 공통음극집전판(140)은 상기 제1 음극집전판(70)과 상기 제2 음극집전판(80)을 서로 연결한다. 외부로 전기를 통전시킬 때, 상기 공통음극집전판(140)의 임의의 지점을 연결할 수 있다.

도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 전지셀을 도시한 도면이다. 도7의 실시예에 따른 전지셀에 있어서, 도6의 실시예와 동일한 작용을 하는 구성에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하고, 그 구체적인 설명은 생략한다. 도7의 실시예는, 도6와 비교하여, 제1 직렬모듈(10)은 제1 추가단위셀(13)을 더 포함하고, 제2 직렬모듈(20)은 제2 추가단위셀(23)을 더 포함하는 것이 상이하다. 이하, 상기 차이점에 대하여 구체적으로 설명한다.

상기 제1 추가단위셀(13)의 음극(102)은 상기 제1 단위셀(11)의 양극(101)과 인접하게 배치되고, 상기 제1 추가단위셀(13)의 양극(101)은 상기 제1 인접단위셀(12)의 음극(102)과 인접하게 배치된다. 상기 제1 추가단위셀(13)은 상기 제1 단위셀(11) 및 제1 인접단위셀(12)과의 관계에서 직렬로 배치된다.

상기 제2 추가단위셀(23)의 양극(101)은 상기 제2 단위셀(21)의 음극(102)과 인접하게 배치되고, 상기 제2 추가단위셀(23)의 음극(102)은 상기 제2 인접단위셀(22)의 양극(101)과 인접하게 배치된다. 상기 제2 추가단위셀(23)은 상기 제2 단위셀(21) 및 제2 인접단위셀(22)과의 관계에서 직렬로 배치된다.

이하, 상기 구성에 따른 레독스 흐름전지용 전지셀의 작용 내지 효과에 대하여 구체적으로 설명한다. 도4 및 도5의 실시예의 작용 내지 효과에 대하여 설명하며, 도6 및 도7의 실시예에 따른 작용 내지 효과는 도4 및 도5의 실시예와 동일하다.

본 발명에 따른 레독스 흐름전지용 전지셀의 효과를 이해하기 위해서, 먼저 도2 및 도3에 따른 직렬 및 병렬 구조의 장단점에 대하여 설명한다.

도2는 단위셀을 직렬로 적층한 전지셀 구조를 도시한 것이다. 도2에 도시된 바와 같이, 전지셀(110)의 양극(112)과 음극(113)이 번갈아 적층된다. 이러한 직렬 적층 구조는, 양극(112)과 음극(113)을 반복하여 동일하게 구성하므로, 전지셀(110) 내부의 유로를 구성하는 것이 간단하고, 외부로 노출되는 양극집전판(114) 및 음극집전판(115)은 전지셀(110)의 양측에 각각 하나씩 구비하면 되므로 구성이 간단해질 수 있다.

그러나, 제1 전해액유로(131)의 제1 공급유로(1311)과 제2 전해액유로(132)의 제2 공급유로(1321)는 각 전지셀(110)에 공통적으로 연결되기 때문에, 유로를 통한 분로전류(shunt current)가 발생한다. 즉, 복수의 제1 분기유로(1313)는 제1 공급유로(1311)로부터 분기하고, 복수의 제2 분기유로(1323)는 상기 제2 공급유로(1321)로부터 분기하므로, 상기 제1 공급유로(1311) 또는 제2 공급유로(1321)가 공유되어 분로전류가 발생한다.

또한, 직렬 적층 구조는 단위셀이 추가될 때마다 전지셀 한 개분의 전위차가 상기 전해액유로의 양단에 작용하게 된다. 상기 전해액유로의 양단에는 (적층된 셀 개수 - 1)×(각 전지셀 한 개분의 전위차) 만큼의 총 전위차가 발생되어 분로전류가 발생을 유도하는 또 다른 요인 된다. 분로전류는 전지의 효율을 감소시키고, 전지셀 내부의 전기 화학적인 손상을 유발하므로, 이를 최소화할 필요가 있다.

도3은 단위셀을 병렬로 적층한 전지셀 구조를 도시한 것이다. 도3에 도시된 바와 같이, 전지셀(110)의 맞닿는 부분의 극이 양극(102) 또는 음극(103)으로 일치하도록 전지셀(110)을 배치한다. 인접한 각 전지셀(110)은 서로 같은 극을 마주하므로, 전지셀(110)을 연속적으로 배치할 때 상하가 반전되는 구조가 반복된다. 따라서, 전지셀(110) 내부로 전해액이 유통하는 구조가 상대적으로 복잡해 진다.

또한, 각 전지셀(110) 사이에는 외부의 전기회로와 연결을 위한 양극집전판(114)과 음극집전판(115)이 돌출되어 형성되므로, 구조가 복잡해진다. 이를 위해서 공통음극전극(118)과 공통양극전극(117)을 구성할 수 있으나, 상기 공통음극전극(118)에는 상기 각 음극집전판(115)을 연결시켜야 하며, 상기 공통양극전극(117)에는 상기 각 양극집전판(114)을 연결시켜야 하므로, 여전히 내부구조가 복잡한 단점이 있다.

병렬 적층 구조는, 전해액유로 상에서 전위차가 발생하지 않기 때문에 분로전류의 발생을 억제할 수 있으나, 상술한 바와 같이 내부 유로 구성이 복잡하기 때문에 적층하는 전지셀(110)의 개수를 늘리는데 한계가 있다. 또한 전압은 높아지지 않고 전류만 높아지기 때문에, 같은 출력의 전지셀을 제작하더라도 저항 손실이 상대적으로 큰 단점이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 레독스 흐름전지용 전지셀은, 직렬 구조와 병렬 구조를 혼합한 구조를 가지므로, 직렬 및 병렬 구조가 각각 갖는 단점을 최소화하고 장점을 최대한 살릴 수 있는 효과를 제공한다.

본 발명에 따른 전지셀에 따르면, 상기 제1 직렬모듈(10)을 구성하는 단위셀과 제2 직렬모듈(20)을 구성하는 단위셀은 직렬로 연결되므로, 단위셀이 직렬로 연결될 때의 효과를 제공한다. 즉, 상기 제1 직렬모듈(10) 및 제2 직렬모듈(20)에 의해 레독스 흐름전지의 출력을 늘릴 수 있다. 또한, 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)은 각각 2개 또는 3개로 구성하여 전위차 발생을 줄임으로써, 분로 전류의 발생을 최소화한다.

또한, 제1 직렬모듈(10)과 제2 직렬모듈(20)은 병렬로 연결되므로, 분로 전류의 발생을 억제하고, 집전판의 개수를 획기적으로 줄일 수 있기 때문에 전지셀 구조를 단순화시킬 수 있다. 또한, 집전판의 개수가 획기적으로 줄어들기 때문에, 공통집전판에 연결되는 양극집전판 또는 음극집전판의 개수가 줄어들어 전지셀의 구조가 단순화된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다.

10... 제1 직렬모듈 11... 제1 단위셀
12... 제1 인접단위셀 13... 제1 추가단위셀
20... 제2 직렬모듈 21... 제2 단위셀
22... 제2 인접단위셀 23... 제2 추가단위셀
101... 양극 102... 음극
103... 이온교환막 104... 분리판
30... 제1 양극집전판 40... 제2 양극집전판
50... 음극용 중간집전판 60... 공통양극집전판
70... 제1 음극집전판 80... 제2 음극집전판
90... 양극용 중간집전판 140... 공통음극집전판
100.. 레독스 흐름전지

Claims

양극과 음극을 갖는 제1 단위셀(11)과, 상기 제1 단위셀(11)에 인접하여 배치되며 양극이 상기 제1 단위셀(11)의 음극과 인접하도록 직렬로 배치되는 제1 인접단위셀(12)을 포함하는 제1 직렬모듈(10);
양극과 음극을 갖는 제2 단위셀(21)과, 상기 제2 단위셀(21)에 인접하여 배치되며 음극이 상기 제2 단위셀(21)의 양극과 인접하도록 직렬로 배치되는 제2 인접단위셀(22)을 포함하는 제2 직렬모듈(20);
상기 제2 직렬모듈(20)은 상기 제2 단위셀(21)의 음극이 상기 제1 인접단위셀(12)의 음극과 인접하도록, 상기 제1 직렬모듈(10)에 대하여 병렬로 배치되고,
상기 제1 직렬모듈(10)의 외측에 배치되는 제1 양극집전판(30);
상기 제2 직렬모듈(20)의 외측에 배치되는 제2 양극집전판(40);
상기 제1,2 직렬모듈(10,20) 사이에 배치되는 음극용 중간집전판(50);
상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 양극에 양극전해액을 공급하는 양극용 전해액저장탱크(121)와, 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 음극에 음극전해액을 공급하는 음극용 전해액저장탱크(122)를 갖는 전해액저장탱크(120);
상기 양극전해액을 공급하기 위해서 상기 양극용 전해액저장탱크(121)와 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 양극의 일측을 연결하기 위한 공통의 제1 공급유로(1311)와 상기 제1 공급유로(1311)로부터 분기하여 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 상기 일측과 연결되는 제1 분기유로(1313), 및 상기 양극전해액을 회수하기 위해서 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 양극의 타측과 상기 양극용 전해액저장탱크(121)를 연결하기 위한 공통의 제1 회수유로(1312)를 포함하는 제1 전해액유로(131); 및
상기 음극전해액을 공급하기 위해서 상기 음극용 전해액저장탱크(122)와 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 음극의 일측을 연결하기 위한 공통의 제2 공급유로(1321)와 상기 제2 공급유로(1321)로부터 분기하여 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 상기 일측과 연결되는 제2 분기유로(1323), 및 상기 음극전해액을 회수하기 위해서 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 음극의 타측과 상기 음극용 전해액저장탱크(122)를 연결하기 위한 공통의 제2 회수유로(1322)를 포함하는 제2 전해액유로(132);를 포함하는 것을 특징으로 하는 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀.
제1항에 있어서,
상기 제1 양극집전판(30)과 상기 제2 양극집전판(40)을 서로 연결하는 공통양극집전판(60)을 포함하는 것을 특징으로 하는 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀.
제1항에 있어서,
상기 제1 직렬모듈(10)은, 상기 제1 단위셀(11)과 상기 제1 인접단위셀(12) 사이에 배치되며, 양극이 상기 제1 단위셀(11)의 음극과 인접하게 배치되고 음극이 상기 제1 인접단위셀(12)의 양극과 인접하게 배치되도록 직렬로 배치되는 제1 추가단위셀(13)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀.
제1항에 있어서,
상기 제2 직렬모듈(20)은, 상기 제2 단위셀(21)과 상기 제2 인접단위셀(22) 사이에 배치되며, 음극이 상기 제2 단위셀(21)의 양극과 인접하게 배치되고 양극이 상기 제2 인접단위셀(22)의 음극과 인접하게 배치되도록 직렬로 배치되는 제2 추가단위셀(23)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀.
양극과 음극을 갖는 제1 단위셀(11)과, 상기 제1 단위셀(11)에 인접하여 배치되며 음극이 상기 제1 단위셀(11)의 양극과 인접하도록 직렬로 배치되는 제1 인접단위셀(12)을 포함하는 제1 직렬모듈(10);
양극과 음극을 갖는 제2 단위셀(21)과, 상기 제2 단위셀(21)에 인접하여 배치되며 양극이 상기 제2 단위셀(21)의 음극과 인접하도록 직렬로 배치되는 제2 인접단위셀(22)을 포함하는 제2 직렬모듈(20);
상기 제2 직렬모듈(20)은 상기 제2 단위셀(21)의 양극이 상기 제1 인접단위셀(12)의 양극과 인접하도록, 상기 제1 직렬모듈(10)에 대하여 병렬로 배치되고,
상기 제1 직렬모듈(10)의 외측에 배치되는 제1 음극집전판(70);
상기 제2 직렬모듈(20)의 외측에 배치되는 제2 음극집전판(80);
상기 제1,2 직렬모듈(10,20) 사이에 배치되는 양극용 중간집전판(90);
상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 양극에 양극전해액을 공급하는 양극용 전해액저장탱크(121)와, 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 음극에 음극전해액을 공급하는 음극용 전해액저장탱크(122)를 갖는 전해액저장탱크(120);
상기 양극전해액을 공급하기 위해서 상기 양극용 전해액저장탱크(121)와 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 양극의 일측을 연결하기 위한 공통의 제1 공급유로(1311)와 상기 제1 공급유로(1311)로부터 분기하여 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 상기 일측과 연결되는 제1 분기유로(1313), 및 상기 양극전해액을 회수하기 위해서 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 양극의 타측과 상기 양극용 전해액저장탱크(121)를 연결하기 위한 공통의 제1 회수유로(1312)를 포함하는 제1 전해액유로(131); 및
상기 음극전해액을 공급하기 위해서 상기 음극용 전해액저장탱크(122)와 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 음극의 일측을 연결하기 위한 공통의 제2 공급유로(1321)와 상기 제2 공급유로(1321)로부터 분기하여 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 상기 일측과 연결되는 제2 분기유로(1323), 및 상기 음극전해액을 회수하기 위해서 상기 제1,2 직렬모듈(10,20)의 음극의 타측과 상기 음극용 전해액저장탱크(122)를 연결하기 위한 공통의 제2 회수유로(1322)를 포함하는 제2 전해액유로(132);를 포함하는 것을 특징으로 하는 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀.
제5항에 있어서,
상기 제1 음극집전판(70)과 상기 제2 음극집전판(80)을 서로 연결하는 공통음극집전판(140)을 포함하는 것을 특징으로 하는 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀.
제5항에 있어서,
상기 제1 직렬모듈(10)은, 상기 제1 단위셀(11)과 상기 제1 인접단위셀(12) 사이에 배치되며, 음극이 상기 제1 단위셀(11)의 양극과 인접하게 배치되고 양극이 상기 제1 인접단위셀(12)의 음극과 인접하게 배치되도록 직렬로 배치되는 제1 추가단위셀(13)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀.
제5항에 있어서,
상기 제2 직렬모듈(20)은, 상기 제2 단위셀(21)과 상기 제2 인접단위셀(22) 사이에 배치되며, 양극이 상기 제2 단위셀(21)의 음극과 인접하게 배치되고 음극이 상기 제2 인접단위셀(22)의 양극과 인접하게 배치되도록 직렬로 배치되는 제2 추가단위셀(23)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직병렬 구조가 혼합된 레독스 흐름전지용 전지셀.