KR102379880B1 - 프레임, 레독스 플로우 전지용 셀 프레임 및 레독스 플로우 전지 - Google Patents

Abstract

슬릿 내의 전해액의 방열을 개선할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있는 레독스 플로우 전지의 셀에 이용되는 프레임을 제공한다. 레독스 플로우 전지의 셀에 이용되는 프레임으로서, 상기 프레임의 내측에 형성된 개구와, 전해액이 유통되는 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 개구를 접속하여, 상기 매니폴드와 상기 개구 사이에서 상기 전해액의 유로를 형성하는 슬릿을 구비하고, 상기 슬릿은, 상기 전해액의 유통 방향에 직교하는 단면에 있어서, 서로 대향하는 한쌍의 측벽을 가지며, 상기 슬릿의 깊이 방향의 적어도 일부에, 상기 측벽의 간격이 깊이 방향으로 좁아지는 협폭부를 갖는 프레임.

Description

프레임, 레독스 플로우 전지용 셀 프레임 및 레독스 플로우 전지{FRAME BODY, CELL FRAME FOR REDOX FLOW BATTERY, AND REDOX FLOW BATTERY}

본 발명은 레독스 플로우 전지의 셀에 이용되는 프레임, 레독스 플로우 전지용 셀 프레임 및 레독스 플로우 전지에 관한 것이다. 특히, 프레임에 마련된 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있는 레독스 플로우 전지용 셀의 프레임에 관한 것이다.

대용량의 축전지의 하나로서, 레독스 플로우 전지(이하, 「RF 전지」라고 부르는 경우가 있음)가 알려져 있다(특허문헌 1, 2를 참조). 레독스 플로우 전지의 용도로서는, 부하 평준화 용도 외에, 순시 전압 저하 보상이나 비상용 전원 등의 용도, 대량 도입이 진행되고 있는 태양광 발전이나 풍력 발전 등의 자연 에너지의 출력 평활화 용도 등을 들 수 있다.

RF 전지는, 정극 전해액 및 부극 전해액에 산화 환원에 의해 가수가 변화하는 금속 이온(활물질)을 함유하는 전해액을 사용하여 충방전을 행하는 전지이다. 도 10에, 정극 전해액 및 부극 전해액에 활물질이 되는 V 이온을 함유하는 바나듐 전해액을 사용한 바나듐계 RF 전지(300)의 동작 원리도를 나타낸다. 도 10 중의 전지 셀(100) 내의 실선 화살표는 충전 반응을, 파선 화살표는 방전 반응을 각각 나타낸다.

RF 전지(300)는, 수소 이온을 투과시키는 이온 교환막(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 정극 전해액을 저류하는 정극 전해액용 탱크(106)가 도관(108, 110)을 통해 접속되어 있다. 한편, 부극 셀(103)에는 부극 전극(105)이 내장되고, 또한 부극 전해액을 저류하는 부극 전해액용 탱크(107)가 도관(109, 111)을 통해 접속되어 있다. 그리고, 펌프(112, 113)에 의해, 각 탱크(106, 107)에 저류되는 전해액을 셀(100)[정극 셀(102) 및 부극 셀(103)]에 순환 유통시켜, 충방전을 행한다.

상기 RF 전지(300)에는, 통상, 복수의 셀(100)이 적층된 셀 스택을 구비하는 구성이 이용되어 있다. 도 11은 셀 스택의 개략 구성도이다. 도 11에 예시하는 셀 스택(10S)은, 직사각 프레임형의 프레임(22)의 내측에 쌍극판(21)이 마련된 셀 프레임(20), 정극 전극(104), 이온 교환막(101) 및 부극 전극(105)을 각각 복수 적층하여 이루어지고, 그 적층체를 2장의 엔드 플레이트(250)로 사이에 끼워 체결함으로써 형성되어 있다. 프레임(22)은, 그 내측에 개구가 형성되어 있고, 셀 프레임(20)은, 프레임(22)의 개구에 쌍극판(21)이 감입되어 구성되어 있다. 셀 프레임(20)은, 프레임(22)의 내주면 및 쌍극판(21)의 표면에 의해 프레임(22)의 내측에 오목부(챔버)(24)가 형성되고, 쌍극판(21)의 일면측에 정극 전극(104)이 배치되며, 타면측에 부극 전극(105)이 배치된다. 프레임(22)의 내측에 형성된 챔버(24)에는, 전극[정극 전극(104) 또는 부극 전극(105)]이 수납되고, 쌍극판(21)과 프레임(22)과 이온 교환막(101)으로 둘러싸이는 챔버(24)의 내부 공간이 셀(정극 셀 또는 부극 셀)을 구성한다. 상기 셀 스택(10S)에서는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 인접하는 셀 프레임(20) 사이에, 이온 교환막(101)을 끼워 정부 한쌍의 전극(104, 105)이 배치됨으로써, 하나의 셀(단셀)(100)이 형성되게 된다.

셀 스택(10S)에 있어서의 전해액의 유통은, 프레임(22)에 관통하여 형성된 매니폴드(200) 및 프레임(22)의 표면에 형성되어, 매니폴드(200)와 챔버(24) 사이를 접속하는 슬릿(210)에 의해 행해진다. 도 11에 예시하는 셀 스택(10S)에서는, 정극 전해액은, 급액 매니폴드(201)로부터 프레임(22)의 일면측(지면 표면측)에 형성된 급액 슬릿(211)을 통해 정극 전극(104)이 수납되는 챔버(24)에 공급되고, 이 챔버(24) 내를 유통하여, 배액 슬릿(213)을 통해 배액 매니폴드(203)에 배출된다. 마찬가지로, 부극 전해액은, 급액 매니폴드(202)로부터 프레임(22)의 타면측(지면 이면측)에 형성된 급액 슬릿(212)을 통해 부극 전극(105)이 수납되는 챔버에 공급되고, 배액 슬릿(214)을 통해 챔버로부터 배액 매니폴드(204)에 배출된다. 셀 프레임(20) 사이에는, 전해액의 누설을 억제하기 위해, 프레임(22)의 외연부를 따라 O 링이나 평패킹 등의 환형의 시일 부재(50)가 배치되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2013-80613호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2002-246061호 공보

RF 전지에서는, 슬릿 내에 충전 상태의 전해액이 채워져 있으면, 슬릿 내의 전해액을 통하여 션트 전류가 흘러, 션트 전류에 의한 손실(션트 전류 손실)이 생긴다. 이 션트 전류에 기인하여 전해액이 발열하여, 전해액의 온도가 상승하는 경우가 있다. 예컨대, RF 전지의 대기 시는, 슬릿 내에 전해액이 머물러 있기 때문에, 전해액을 유통시키는 운전 시와 비교하여, 슬릿 내에서 전해액의 온도가 상승하기 쉽다. 전해액의 온도가 상승하면, 전해액에 석출물이 생기는 경우가 있어, 전해액이 열화하는 등 전지 성능의 저하를 초래할 우려가 있다. 또한, 전해액의 온도 상승에 의해, 그 열에 의해 프레임이 연화하여 변형되는 등 프레임(셀 프레임)에 손상을 부여할 우려가 있다. 따라서, 슬릿 내의 전해액의 온도 상승을 억제하기 위해, 전해액의 방열을 개선하는 것이 요구된다.

종래의 RF 전지의 셀에 이용되고 있는 프레임에서는, 일반적으로, 슬릿의 단면 형상이 대략 정사각 형상이다. 종래, 슬릿의 단면 형상에 대해서, 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선하는 관점에서, 반드시 충분한 검토가 행해져 있는 것은 아니었다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적의 하나는, 레독스 플로우 전지용 셀의 프레임에 있어서, 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선할 수 있고, 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있는 프레임을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일양태에 따른 프레임은, 레독스 플로우 전지의 셀에 이용되는 프레임으로서, 상기 프레임의 내측에 형성된 개구와, 전해액이 유통되는 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 개구를 접속하여, 상기 매니폴드와 상기 개구 사이에서 상기 전해액의 유로를 형성하는 슬릿을 구비한다. 상기 슬릿은, 상기 전해액의 유통 방향에 직교하는 단면에 있어서, 서로 대향하는 한쌍의 측벽을 가지며, 상기 슬릿의 깊이 방향의 적어도 일부에, 상기 측벽의 간격이 깊이 방향으로 좁아지는 협폭부를 갖는다.

본 발명의 일양태에 따른 레독스 플로우 전지용 셀 프레임은, 상기 본 발명의 일양태에 따른 프레임과, 상기 프레임의 개구에 감입되는 쌍극판을 구비하고, 상기 프레임 및 상기 쌍극판에 의해 상기 프레임의 내측에 챔버가 형성되어 있다.

본 발명의 일양태에 따른 레독스 플로우 전지는, 상기 본 발명의 일양태에 따른 레독스 플로우 전지용 셀 프레임을 구비한다.

상기 프레임은, 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있다. 상기 레독스 플로우 전지용 셀 프레임 및 레독스 플로우 전지는, 셀을 구성하는 프레임에 마련된 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있다.

도 1은 실시형태 1에 따른 프레임의 개략 정면도이다.
도 2는 실시형태 1에 따른 프레임을 구비하는 셀 프레임의 개략 정면도이다.
도 3은 실시형태 1에 따른 프레임에 있어서의 슬릿의 단면 형상을 나타내는 개략 단면도이다.
도 4는 실시형태 2에 따른 프레임에 있어서의 슬릿의 단면 형상을 나타내는 개략 단면도이다.
도 5는 실시형태 3에 따른 프레임에 있어서의 슬릿의 단면 형상을 나타내는 개략 단면도이다.
도 6은 실시형태 4에 따른 프레임에 있어서의 슬릿의 단면 형상을 나타내는 개략 단면도이다.
도 7은 실시형태 5에 따른 프레임에 있어서의 슬릿의 단면 형상을 나타내는 개략 단면도이다.
도 8a는 슬릿의 단면 형상의 변형예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 8b는 슬릿의 단면 형상의 다른 변형예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 8c는 슬릿의 단면 형상의 또 다른 변형예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 9는 슬릿의 단면 형상의 다른 변형예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 10은 레독스 플로우 전지의 동작 원리도이다.
도 11은 셀 스택의 개략 구성도이다.

[본 발명의 실시형태의 설명]

본 발명자들은 프레임에 마련된 슬릿에서의 전해액 성분의 석출을 억제하기 위해, 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선하여 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있는 슬릿의 단면 형상에 대해서 검토를 시도하였다. 「슬릿의 단면 형상」이란, 전해액의 유통 방향에 직교하는 단면의 형상을 의미하고, 그 단면에 있어서, 슬릿을 구성하는 벽면과 개구부로 둘러싸이는 폐쇄 영역으로 나타낸다. 이하의 설명에 있어서, 특별히 양해를 구하지 않는 한, 「슬릿의 단면」이란, 전해액의 유통 방향에 직교하는 단면을 의미한다.

션트 전류에 의한 발열에 의해 슬릿 내의 전해액의 온도가 상승한 경우, 전해액의 열은 전해액이 접하는 슬릿의 벽면으로부터 방열되어, 냉각된다. 그 때문에, 슬릿 내에 있어서, 슬릿의 벽면에 접하고 있는 부분에서는, 열 전도에 의해 전해액의 온도가 낮아져, 온도차에 의해 전해액의 대류가 발생한다. 이 대류를 촉진시킬 수 있으면, 전해액으로부터 슬릿 벽면에의 열의 이동이 촉진되어, 전해액의 방열 효율이 향상된다고 생각된다. 그래서, 본 발명자들은 전해액의 대류를 촉진시킬 수 있는 슬릿의 단면 형상에 대해서 여러 가지 검토하였다.

종래의 슬릿의 단면 형상은, 저술한 바와 같이 대략 정사각 형상이며, 프레임의 표면에 평행한 하부벽과, 프레임의 표면으로부터 하부벽에 대하여 수직 방향으로 연장되어, 서로 평행하게 대향하는 한쌍의 측벽을 갖는 형상이다. 즉, 종래의 슬릿은, 슬릿의 깊이 방향의 전체에 걸쳐 측벽의 간격이 실질적으로 일정하며, 측벽과 하부벽이 이루는 각도가 직각(90°)이다. 「슬릿의 깊이 방향」이란, 전해액의 유통 방향에 직교하는 단면에 있어서, 슬릿의 개구부로부터 바닥부를 향하여 프레임의 표면에 대하여 수직인 방향(즉, 프레임의 두께 방향)을 의미한다.

본 발명자들은 전해액의 대류를 촉진시키기 위해, 슬릿의 단면 형상을, 측벽의 간격이 깊이 방향으로 좁아지는 협폭부를 갖는 형상으로 하는 것을 생각하였다. 이 슬릿은, 협폭부에 있어서 측벽 중 적어도 한쪽이 깊이 방향에 대하여 경사하고 있어, 슬릿 내의 전해액에 대류가 생겼을 때에 측벽을 따라 이동하는 전해액의 대류가 촉진된다고 생각된다. 따라서, 이러한 단면 형상의 슬릿은, 측벽이 서로 대향하며, 또한 깊이 방향에 평행한 종래의 슬릿과 비교하여, 전해액의 대류가 촉진되기 때문에, 전해액의 방열을 개선할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있다고 생각된다.

본 발명자들은 전술한 생각에 기초하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 우선 본 발명의 실시양태를 열기하여 설명한다.

(1) 본 발명의 일양태에 따른 프레임은, 레독스 플로우 전지의 셀에 이용되는 프레임으로서, 상기 프레임의 내측에 형성된 개구와, 전해액이 유통되는 매니폴드와, 상기 매니폴드와 상기 개구를 접속하여, 상기 매니폴드와 상기 개구 사이에서 상기 전해액의 유로를 형성하는 슬릿을 구비한다. 상기 슬릿은, 상기 전해액의 유통 방향에 직교하는 단면에 있어서, 서로 대향하는 한쌍의 측벽을 가지며, 상기 슬릿의 깊이 방향의 적어도 일부에, 상기 측벽의 간격이 깊이 방향으로 좁아지는 협폭부를 갖는다.

상기 프레임에 따르면, 슬릿이, 그 단면에 있어서, 슬릿의 깊이 방향의 적어도 일부에 측벽의 간격이 깊이 방향으로 좁아지는 협폭부를 갖기 때문에, 전해액의 대류가 촉진된다. 구체적으로는, 협폭부에 있어서, 측벽 중 적어도 한쪽이 깊이 방향에 대하여 경사하고 있어, 이 측벽의 경사면을 따라 이동하는 전해액의 대류를 촉진시킬 수 있다. 그 결과, 대류에 의한 전해액의 방열 효과가 향상된다. 따라서, 종래와 비교하여, 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있기 때문에, 전해액 성분의 석출을 억제할 수 있다. 또한, 전해액의 열의 영향에 의한 프레임의 연화, 변형을 억제할 수 있다.

「협폭부」란, 측벽의 간격이, 슬릿의 깊이 방향(개구부측으로부터 바닥부측)을 향하여 서서히 좁아지도록 연속적으로 변화하는 부분이다. 협폭부에 있어서, 측벽 중 적어도 한쪽이 깊이 방향에 대하여 경사하고 있으면 좋고, 한쪽의 측벽이 깊이 방향에 대하여 경사하며, 다른쪽의 측벽이 깊이 방향을 따르고 있어도 좋고, 양방의 측벽이 깊이 방향에 대하여 경사하고 있어도 좋다. 「깊이 방향을 따르고」란, 깊이 방향에 대하여 실질적으로 평행(즉, 개구부측으로부터 바닥부측을 향하여 프레임 표면에 대하여 수직)인 것을 의미한다. 또한, 협폭부는, 슬릿의 깊이 방향의 적어도 일부에 있으면 좋고, 깊이 방향의 일부에 협폭부가 형성되며, 그 외의 부분은 측벽의 간격이 실질적으로 일정하여도 좋다. 예컨대, 개구부로부터 깊이 방향의 도중 위치까지 측벽의 간격이 실질적으로 일정하며, 개구부의 폭과 동일한 부분이 존재하여도 좋다. 협폭부의 수는 하나여도 좋고, 복수여도 좋다. 깊이 방향의 전체에 걸쳐 협폭부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

(2) 상기 프레임의 일형태로서, 상기 슬릿은, 하부벽을 가지고, 상기 하부벽은, 상기 프레임의 표면에 평행한 평탄면을 갖는 것을 들 수 있다.

상기 형태에 따르면, 하부벽이 프레임의 표면에 평행한 평탄면을 가짐으로써, 종래의 단면 정사각 형상의 슬릿과 비교하여, 슬릿의 단면적을 동일하게 한 경우, 슬릿의 둘레 길이를 길게 할 수 있다. 슬릿의 둘레 길이가 길어지면, 그 만큼, 전해액과의 접촉 면적이 커져, 전해액으로부터 슬릿 벽면에의 열의 이동이 많아지기 때문에, 열 전도에 의한 전해액의 방열 효과가 향상된다. 따라서, 슬릿 내의 전해액의 방열을 보다 개선할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 보다 억제할 수 있다. 「슬릿의 둘레 길이」란, 전해액의 유통 방향에 직교하는 단면에 있어서의 둘레 길이를 의미하며, 그 단면에 있어서, 슬릿을 구성하는 벽면의 둘레 길이(측벽 및 하부벽의 전체 길이)와, 개구부의 폭을 합계한 길이로 나타난다.

(3) 상기 (2)에 기재된 프레임의 일형태로서, 적어도 한쪽의 상기 측벽과 상기 하부벽이 이루는 각도가 91°이상 120°이하인 것을 들 수 있다.

종래의 단면 정사각 형상의 슬릿과 같이, 측벽과 하부벽이 이루는 각도가 직각(90°)이면, 측벽과 하부벽의 코너부를 따른 대류가 생기기 어려워, 코너부 근방에 있어서, 대류에 의한 전해액의 방열이 촉진되기 어렵다. 측벽과 하부벽이 이루는 각도가 91°이상임으로써, 측벽과 하부벽의 코너부에 있어서, 측벽의 경사면을 따라 전해액이 대류하기 쉬워, 코너부 근방에서의 전해액의 방열이 촉진된다. 측벽과 하부벽이 이루는 각도가 120°이하임으로써, 슬릿의 단면적을 일정하게 한 경우, 슬릿의 둘레 길이가 지나치게 길어지지 않아, 전해액이 유통할 때의 압력 손실이 과도하게 커지는 것을 억제할 수 있다. 슬릿의 단면적이 클수록, 혹은 슬릿의 둘레 길이가 짧을수록, 압력 손실은 작아지기 때문에, 단면적을 동일하게 한 경우, 둘레 길이가 짧은 쪽이 압력 손실을 작게 할 수 있다. 그 외, 측벽과 하부벽이 이루는 각도가 120°이하임으로써, 슬릿의 깊이가 지나치게 얕아지지 않아, 슬릿을 형성하기 쉽다. 슬릿은, 예컨대, 프레임을 사출 성형에 의해 형성할 때에 동시에 형성하거나, 절삭 가공에 의해 형성하는 것을 들 수 있다. 또한, 측벽과 하부벽이 이루는 각도가 120°이하이면, 슬릿의 개구부의 폭이 지나치게 넓어지지 않아, 프레임의 폭을 작게 할 수 있어, 프레임의 소형화를 도모할 수 있다. 측벽과 하부벽이 이루는 각도는, 예컨대 95°이상 110°이하인 것이 바람직하다.

(4) 상기 (2) 또는 (3)에 기재된 프레임의 일형태로서, 적어도 한쪽의 상기 측벽과 상기 하부벽의 코너부가 곡면형으로 형성되어 있는 것을 들 수 있다.

측벽과 하부벽의 코너부가 곡면형으로 형성되어 있기 때문에, 코너부를 따라 전해액이 대류하기 쉬워, 코너부 근방에서의 전해액의 방열이 촉진된다. 예컨대, 코너부의 곡률 반경은 0.1 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하, 더욱 0.2 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하인 것을 들 수 있다.

(5) 상기 프레임의 일형태로서, 상기 협폭부에 있어서, 상기 측벽 중 적어도 한쪽은, 깊이 방향에 대하여 경사져 있는 경사면을 가지고, 상기 경사면이 평면인 것을 들 수 있다.

협폭부에 있어서의 측벽의 경사면이 평면이기 때문에, 슬릿을 절삭 가공에 의해 형성하는 경우 등, 정밀도 좋게 형성하기 쉽다.

(6) 상기 프레임의 일형태로서, 상기 협폭부에 있어서, 상기 측벽 중 적어도 한쪽은, 깊이 방향에 대하여 경사져 있는 경사면을 가지고, 상기 경사면이 곡면인 것을 들 수 있다.

협폭부에 있어서의 측벽의 경사면이 곡면이기 때문에, 경사면을 따라 이동하는 전해액의 대류가 보다 촉진되기 쉬워, 대류에 의한 전해액의 방열 효율이 보다 향상된다.

(7) 상기 프레임의 일형태로서, 상기 슬릿은, 하부벽을 가지고, 상기 하부벽은, 상기 슬릿의 깊이 방향으로 돌출하는 곡면을 갖는 것을 들 수 있다.

상기 형태에 따르면, 하부벽이 슬릿의 깊이 방향으로 돌출하는 곡면을 가짐으로써, 하부벽의 곡면을 따라 전해액이 대류하기 쉬워, 하부벽 근방에서의 전해액의 방열이 촉진된다.

(8) 상기 (7)에 기재된 프레임의 일형태로서, 상기 측벽과 상기 하부벽의 전체면이 곡면형으로 형성되어 있는 것을 들 수 있다.

측벽과 하부벽의 전체면이 곡면형, 즉 슬릿의 벽면 전체가 곡면으로 형성되어 있기 때문에, 슬릿의 벽면(측벽 및 하부벽)을 따라 전해액이 대류하기 쉬워, 대류에 의한 전해액의 방열 효율이 보다 향상된다.

(9) 상기 프레임의 일형태로서, 상기 슬릿의 깊이 방향의 임의의 위치에 있어서의 상기 측벽의 간격이, 그 위치보다 개구부측에 있어서의 상기 측벽의 간격에 대하여 동등 이하인 것을 들 수 있다.

상기 형태에 따르면, 측벽의 간격이, 슬릿의 깊이 방향의 전체에 걸쳐 개구부의 폭 이하이며, 또한, 개구부에서 가장 넓고, 바닥부에서 가장 좁아진다. 측벽의 간격이, 개구부로부터 바닥부를 향하여 좁아지고, 깊이 방향의 도중에 넓어지는 부분이 없기 때문에, 슬릿을 형성하기 쉽다. 예컨대, 바닥부로부터 슬릿의 깊이의 절반의 위치에 있어서의 측벽의 간격이 개구부보다 좁아져 있거나, 바닥부로부터 슬릿의 깊이의 1/4의 위치보다 바닥부측의 부분에서 측벽의 간격이 서서히 좁아져 있는 것을 들 수 있다.

(10) 본 발명의 일양태에 따른 레독스 플로우 전지용 셀 프레임은, 상기 (1)∼(9) 중 어느 하나에 기재된 프레임과, 상기 프레임의 개구에 감입되는 쌍극판을 구비하고, 상기 프레임 및 상기 쌍극판에 의해 상기 프레임의 내측에 챔버가 형성되어 있다.

상기 셀 프레임에 따르면, 본 발명의 일양태에 따른 상기 프레임을 구비하기 때문에, 레독스 플로우 전지의 셀을 구성하는 프레임에 있어서, 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있다. 따라서, 전해액 성분의 석출을 억제하거나, 전해액의 열의 영향에 의한 프레임의 연화, 변형을 억제할 수 있다.

(11) 본 발명의 일양태에 따른 레독스 플로우 전지는, 상기 (10)에 기재된 레독스 플로우 전지용 셀 프레임을 구비한다.

상기 레독스 플로우 전지에 따르면, 본 발명의 일양태에 따른 상기 셀 프레임을 구비하기 때문에, 셀을 구성하는 프레임에 있어서, 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있다. 따라서, 전해액 성분의 석출을 억제하거나, 전해액의 열의 영향에 의한 프레임의 연화, 변형을 억제할 수 있다.

[본 발명의 실시형태의 상세]

본 발명의 실시형태에 따른 프레임 및 레독스 플로우 전지용 셀 프레임의 구체예를, 이하에 도면을 참조하면서 설명한다. 도면 중의 동일 부호는 동일 또는 상당 부분을 나타낸다. 또한, 본 발명은 이들 예시에 한정되는 것이 아니며, 특허청구의 범위에 의해 나타나며, 특허청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

[실시형태 1]

〈프레임〉

도 1∼도 3을 참조하여, 실시형태 1에 따른 프레임 및 셀 프레임에 대해서 설명한다. 도 1에 예시하는 프레임(22)은, 서로 대향하는 한쌍의 장편(22L)과, 장편(22L)의 단부끼리를 연결하는 한쌍의 단편(22S)을 갖는 직사각 프레임형이며, 그 내측에 개구(22o)가 형성되어 있다. 이 개구(22o)에는, 후술하는 쌍극판(21)이 감입된다. 프레임(22)은, 예컨대 염화비닐 수지, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 불소 수지, 에폭시 수지 등의 플라스틱이나 고무로 형성하는 것을 들 수 있다.

프레임(22)은, 그 표리를 관통하여, 전해액이 유통되는 매니폴드(200)[매니폴드(201∼204)]와, 그 표면에 형성되어, 매니폴드(200)와 개구(22o) 사이에서 전해액의 유로를 형성하는 슬릿(210)[슬릿(211∼214)]을 구비한다. 매니폴드(200) 및 슬릿(210)은, 예컨대, 프레임(22)을 사출 성형에 의해 형성할 때에 동시에 형성할 수 있다.

(매니폴드·슬릿)

매니폴드(201, 202)는 프레임(22)의 한쪽의 장편(22L)(도 1에서는 하측의 장편)에 형성되고, 매니폴드(203, 204)는 프레임(22)의 다른쪽의 장편(22L)(도 1에서는 상측의 장편)에 형성되어 있다. 슬릿(211, 213)은 프레임(22)의 일면측에 형성되고, 슬릿(212, 214)은 프레임(22)의 타면측에 형성되어 있다. 각 슬릿(211∼214)의 일단은 각각 각 매니폴드(201∼204)에 연결되며, 타단은 개구(22o)에 연결되어 있고, 각 슬릿(211∼214)은 각각, 각 매니폴드(201∼204)와 프레임(22)의 내측에 형성된 개구(22o)를 접속한다.

〈셀 프레임〉

도 2를 참조하여, 도 1에 나타내는 실시형태 1에 따른 프레임을 구비하는 셀 프레임에 대해서 설명한다. 도 2에 예시하는 셀 프레임(20)은, 프레임(22)과, 프레임(22)의 개구(22o)(도 1 참조)에 감입되는 쌍극판(21)을 구비한다. 셀 프레임(20)은, 쌍극판(21)의 둘레 가장자리부를 표리로부터 사이에 끼우도록 프레임(22)이 형성되고, 쌍극판(21)의 외주에 프레임(22)이 사출 성형 등에 의해 일체화되어 있다. 프레임(22)의 개구(22o)에 쌍극판(21)이 감입됨으로써, 프레임(22) 및 쌍극판(21)에 의해 오목부[챔버(24)]가 형성된다. 구체적으로는, 셀 프레임(20)은, 프레임(22)의 내주면 및 쌍극판(21)의 표면에 의해 프레임(22)의 내측에 전극(도시하지 않음)이 수납되는 챔버(24)가 형성되어 있다. 도 2에서는, 셀 프레임(20)의 일면측(지면 표면측)의 챔버(24)만 도시하고 있지만, 타면측(지면 이면측)에도 챔버가 형성되어 있다. 셀 프레임(20)의 일면측의 챔버에 정극 전극, 타면측의 챔버에 부극 전극이 수납되고, 쌍극판(21)의 일면측에 정극 전극, 타면측에 부극 전극이 배치된다(도 11 참조). 쌍극판(21)에는, 플라스틱 카본제의 것을 이용할 수 있다.

도 2에 예시하는 셀 프레임(20)[프레임(22)]의 경우, 매니폴드(201 및 203)가 정극 전해액용의 급액 매니폴드 및 배액 매니폴드이고, 슬릿(211 및 213)이 정극 전해액용의 급액 슬릿 및 배액 슬릿이다. 매니폴드(202 및 204)가 부극 전해액용의 급액 매니폴드 및 배액 매니폴드이고, 슬릿(212 및 214)이 부극 전해액용의 급액 슬릿 및 배액 슬릿이다. 각 급액 매니폴드(201, 202)로부터 연장되는 각 급액 슬릿(211, 212)이 챔버(24)[개구(22o)(도 1 참조)]의 하측 가장자리부에 연결되어 있고, 각 배액 매니폴드(203, 204)로부터 연장되는 각 배액 슬릿(213, 214)이 챔버(24)[개구(22o)]의 상측 가장자리부에 연결되어 있다. 즉, 챔버(24)의 하측으로부터 챔버(24) 내에 전해액이 도입되고, 챔버(24)의 상측으로부터 전해액이 배출된다. 챔버(24)의 하측 가장자리부 및 상측 가장자리부에는, 가장자리부를 따라 정류부(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 정류부는, 급액 슬릿(211, 212)으로부터 도입된 전해액을 챔버(24)의 하측 가장자리부를 따라 확산시키거나, 챔버(24)의 상측 가장자리부로부터 배출되는 전해액을 배액 슬릿(213, 214)에 집약하는 기능을 갖는다. 이 정류부에 의해, 챔버(24)의 하측 가장자리부로부터 상측 가장자리부를 향하여 챔버(24) 내를 전해액이 유통되도록 되어 있다.

정부의 전해액에는, 공지의 전해액을 이용할 수 있다. 예컨대, 정부의 전해액으로서는, 정극 및 부극의 활물질로서 V 이온을 함유하는 V계 전해액, 정극 활물질로서 Fe 이온, 부극 활물질로서 Cr 이온을 함유하는 Fe/Cr계 전해액의 조합, 정극 활물질로서 Mn 이온, 부극 활물질로서 Ti 이온을 함유하는 Ti/Mn계 전해액 등을 들 수 있다.

(보호판)

셀 프레임(20)에는, 프레임(22)의 슬릿(211∼214)이 형성된 부분에, 이온 교환막(도 11 참조)을 보호하는 플라스틱제의 보호판(40)이 배치되어 있어도 좋다. 보호판(40)은, 각 슬릿(211∼214)을 덮도록 프레임(22)의 장편(22L)의 표면에 각각 배치되고, 각 보호판(40)에는, 각 매니폴드(201∼204)에 대응하는 위치에 관통 구멍 또는 절결이 형성되어 있다. 도 2에 예시하는 보호판(40)의 경우, 정극 전해액용의 슬릿(211, 213)이 형성된 프레임(22)의 일면측에 배치되는 보호판(40)에 대해서는, 정극 전해액용의 매니폴드(201, 203)에 대하여 원 형상의 관통 구멍이 형성되고, 부극 전해액용의 매니폴드(202, 204)에 대해서는 직사각 형상의 절결이 형성되어 있다. 반대로, 부극 전해액용의 슬릿(212, 214)이 형성된 프레임(22)의 타면측에 배치되는 보호판(40)에서는, 정극 전해액용의 매니폴드(201, 203)에 대하여 직사각 형상의 절취가 형성되고, 부극 전해액용의 매니폴드(202, 204)에 대해서는 원 형상의 관통 구멍이 형성되어 있다. 이 보호판(40)에 의해, 셀 프레임(20)을 이용하여 레독스 플로우 전지의 셀(도 11 참조)을 구성하였을 때, 각 슬릿(211∼214)이 이온 교환막에 접촉하는 일이 없어져, 슬릿의 요철에 의해 이온 교환막이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 도 2에서는, 프레임(22)의 일면측에 형성된 슬릿(211, 213)을 덮는 보호판(40)만 도시하고 있지만, 프레임(22)의 타면측에도 보호판이 배치되어 있고, 슬릿(212, 214)이 보호판으로 덮어져 있다.

(슬릿의 단면 형상)

도 3은 실시형태 1에 따른 프레임(셀 프레임)에 있어서의 슬릿(210)의 단면 형상을 나타내고 있다. 슬릿(210)은, 전해액의 유통 방향에 직교하는 단면에 있어서, 서로 대향하는 한쌍의 측벽(31)을 가지고, 슬릿(210)의 깊이 방향의 적어도 일부에, 측벽(31)의 간격이 깊이 방향으로 좁아지는 협폭부(310)를 갖는다. 이하, 실시형태 1의 슬릿(210)의 단면 형상에 대해서, 보다 자세하게 설명한다.

실시형태 1의 슬릿(210)은, 한쌍의 측벽(31)의 하단(바닥부측)끼리를 연결하는 하부벽(32)을 갖는다. 이 하부벽(32)은, 프레임(22)의 표면에 평행한 평탄면을 갖는다. 한쌍의 측벽(31)은, 깊이 방향에 대하여 경사하고 있고, 측벽(31)의 간격이 깊이 방향[개구부(33)로부터 하부벽(32)]을 향하여 서서히 좁아져 있다. 각 측벽(31)은, 개구부(33)로부터 하부벽(32)에 걸쳐 전체면이 경사면으로 되어 있고, 경사면이 평면이다. 각 측벽(31)(경사면)의 깊이 방향에 대한 경사 각도(β)는 대략 같다. 따라서, 실시형태 1의 슬릿(210)에서는, 깊이 방향의 전체에 걸쳐 협폭부(310)가 형성되어 있고, 슬릿의 단면 형상이, 개구부(33)를 장변, 하부벽(32)을 단변으로 하는 사다리꼴 형상(구체적으로는 등각 사다리꼴 형상)이다.

이 슬릿(210)은, 깊이 방향의 임의의 위치에 있어서의 측벽(31)의 간격이, 그 위치보다 개구부(33)측에 있어서의 측벽(31)의 간격에 대하여 동등 이하이다. 즉, 측벽(31)의 간격이, 깊이 방향의 전체에 걸쳐 개구부(33)의 폭 이하이며, 또한, 개구부(33)에서 가장 넓고, 하부벽(32)측에서 가장 좁아진다.

슬릿(210)에 있어서, 측벽(31)과 하부벽(32)이 이루는 코너부(34)의 각도(α)는, 90°초과 180°미만이며, 예컨대 91°이상 120°이하, 바람직하게는 95°이상 110°이하인 것을 들 수 있다. 측벽(31)(경사면)의 깊이 방향에 대한 경사 각도(β)는, 예컨대 1°이상 45°이하, 더욱 30°이하, 바람직하게는 5°이상 20°이하인 것을 들 수 있다. 개구부(33)의 폭(w)은, 예컨대 0.1 ㎜ 이상, 특히 0.5 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하, 더욱 1.0 ㎜ 이상 8.0 ㎜ 이하인 것을 들 수 있다. 깊이(h)[개구부(33)로부터 하부벽(32)까지의 깊이 방향의 길이]는, 예컨대 0.1 ㎜ 이상, 특히 0.5 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하, 더욱 1.0 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하인 것을 들 수 있다.

{작용 효과}

실시형태 1에 따른 프레임(22)[셀 프레임(20)]은, 슬릿(210)의 깊이 방향의 적어도 일부에 협폭부(310)를 가지고 있어, 측벽(31)의 경사면을 따라 이동하는 전해액의 대류를 촉진시킬 수 있다. 대류에 의한 전해액의 방열 효율이 향상하기 때문에, 슬릿 내의 전해액의 방열을 개선할 수 있어, 전해액의 온도 상승을 억제할 수 있다. 그 결과, 전해액 성분의 석출을 억제할 수 있다. 특히, 측벽(31)이 깊이 방향에 대하여 경사하여, 측벽(31)의 전체면이 경사면으로 되어 있고, 깊이 방향의 전체에 걸쳐 협폭부(310)가 형성되어 있기 때문에, 측벽(31)을 따라 전해액이 대류하기 쉬워, 대류에 의한 전해액의 방열 효과가 높다. 또한, 측벽(31)과 하부벽(32)이 이루는 각도(α)가 91°이상 120°이하이기 때문에, 코너부(34)에 있어서, 측벽(31)의 경사면을 따라 전해액이 대류하기 쉬워, 코너부(34) 근방에서의 전해액으로부터의 방열을 촉진시킬 수 있다.

실시형태 1의 슬릿(210)은, 단면 형상이 사다리꼴 형상(구체적으로는 등각 사다리꼴 형상)이며, 단면 형상이 정사각 형상인 종래의 슬릿과 비교하여, 단면적을 동일하게 한 경우, 슬릿의 둘레 길이가 길어진다. 그 때문에, 전해액과의 접촉 면적이 커져, 열전도에 의한 전해액의 방열 효율이 향상된다.

또한, 측벽(31)의 간격이, 개구부(33)로부터 하부벽(32)을 향하여 좁아져 있으므로, 깊이 방향의 도중에 넓어지는 부분이 없기 때문에, 슬릿(210)을 형성하기 쉽다.

[변형예]

실시형태 1에서는, 슬릿(210)의 단면 형상이 등각 사다리꼴 형상이며, 협폭부(310)를 구성하는 한쌍의 측벽(31)이 깊이 방향에 대하여 서로 경사하여, 측벽(31)의 간격이 깊이 방향을 향하여 좁아지는 형태를 설명하였다. 실시형태 1의 변형예로서, 한쌍의 측벽(31) 중, 한쪽의 측벽(31)이 깊이 방향에 대하여 경사하고, 다른쪽의 측벽(31)이 깊이 방향을 따르고 있어도 좋다. 또한, 각 측벽(31)의 경사 각도(β)가 상이하여도 좋다.

다음에, 도 4∼도 7에 기초하여, 슬릿(210)의 단면 형상의 다른 형태예를 설명한다. 이하에서는, 슬릿(210)에 대해서, 전술한 실시형태 1와 동일한 구성에는 동일 부호를 붙이고 그 설명을 생략하며, 실시형태 1와의 상위점을 중심으로 설명한다.

[실시형태 2]

도 4에 나타내는 실시형태 2에서는, 측벽(31)과 하부벽(32)의 코너부(34)가 곡면형으로 형성되어 있다.

실시형태 2의 슬릿(210)은, 코너부(34)가 곡면형으로 형성되어 있기 때문에, 코너부(34)를 따라 전해액이 대류하기 쉬워, 코너부(34) 근방에서의 전해액의 방열이 촉진된다. 코너부(34)의 곡률 반경(r)은, 예컨대 0.1 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하, 더욱 0.2 ㎜ 이상 5.0 ㎜ 이하인 것을 들 수 있다.

[실시형태 3]

도 5에 나타내는 실시형태 3에서는, 협폭부(310)를 구성하는 측벽(31)의 경사면이 곡면이다.

실시형태 3의 슬릿(210)은, 측벽(31)의 경사면이 곡면이기 때문에, 경사면을 따라 이동하는 전해액의 대류를 보다 촉진시킬 수 있어, 대류에 의한 전해액의 방열 효율이 보다 향상된다. 곡면의 형상으로서는, 예컨대, 원호 형상, 타원호 형상 등을 들 수 있다.

[실시형태 4]

도 6에 나타내는 실시형태 4에서는, 하부벽(32)이 깊이 방향으로 돌출하는 곡면을 갖는다.

실시형태 4의 슬릿(210)은, 하부벽(32)이 곡면을 갖기 때문에, 하부벽(32)의 곡면을 따라 전해액이 대류하기 쉬워, 하부벽(32) 근방에서의 전해액의 방열이 촉진된다.

[실시형태 5]

도 7에 나타내는 실시형태 5에서는, 측벽(31)과 하부벽(32)의 전체면이 곡면형으로 형성되어 있다.

측벽(31)과 하부벽(32)의 전체면이 곡면형, 즉 슬릿(210)의 벽면 전체가 곡면으로 형성되어 있기 때문에, 벽면[측벽(31) 및 하부벽(32)]을 따라 전해액이 대류하기 쉬워, 대류에 의한 전해액의 방열 효율이 보다 향상된다. 슬릿(210)의 단면 형상으로서는, 반원 형상, 반타원 형상 등을 들 수 있고, 도 7에 나타내는 슬릿(210)의 경우, 반타원 형상이다.

(그 외)

전술한 실시형태에서는, 하부벽(32)을 갖는 형태를 설명하였지만, 하부벽을 갖지 않는 형태, 예컨대, 슬릿의 단면 형상이, 바닥부를 정점으로 하고, 개구부(33)를 저변으로 하는 삼각 형상(구체예, 이등변 삼각 형상)이어도 좋다.

전술한 실시형태에서는, 측벽(31)의 전체면이 경사면이고, 깊이 방향의 전체에 걸쳐 협폭부(310)를 갖는 형태를 설명하였지만, 측벽(31)의 일부가 경사면이며, 깊이 방향의 일부에 협폭부(310)가 형성되고, 그 외의 부분은 측벽(31)의 간격이 실질적으로 일정하여도 좋다. 예컨대, 도 8a에 나타내는 바와 같이, 측벽(31)의 상단[개구부(33)측]이 경사하여, 개구부(33)측에 협폭부(310)를 갖는 형태나, 도 8b에 나타내는 바와 같이, 측벽(31)의 하단[하부벽(32)측]이 경사하여, 하부벽(32)측에 협폭부(310)를 갖는 형태를 들 수 있다. 도 8a의 경우, 협폭부(310)보다 하부벽(32)측의 부분에서 측벽(31)의 간격이 일정하고, 도 8b의 경우, 개구부(33)로부터 협폭부(310)까지의 부분에서는, 측벽(31)의 간격이 개구부(33)의 폭과 동등하다. 또한, 도 8c에 나타내는 바와 같이, 측벽(31)의 중앙이 경사하여, 깊이 방향의 도중에 협폭부(310)가 형성되어 있어도 좋다.

또한, 협폭부(310)의 수는 하나에 한정되지 않고, 복수여도 좋다. 예컨대, 도 9에 나타내는 바와 같이, 개구부(33)측과 하부벽(32)측에 각각 협폭부(310)를 갖는 형태를 들 수 있다. 이 경우, 각 협폭부(310)에 있어서의 측벽(31)(경사면)의 경사 각도는 동일하여도 좋고, 상이하여도 좋다.

이상 설명한 실시형태에 따른 셀 프레임을 구비하는 레독스 플로우 전지에 대해서 설명한다. 셀 프레임을 레독스 플로우 전지에 적용하는 경우는, 셀 프레임과, 정극 전극과, 이온 교환막과, 부극 전극을 각각 복수 적층하여 이루어지는 셀 스택(도 11 참조)의 형태로 이용된다. 그리고, 레독스 플로우 전지는, 이 셀 스택을 구비하는 구성으로 하는 것을 들 수 있다.

본 발명의 프레임 및 셀 프레임은, 레독스 플로우 전지의 구성 부품에 적합하게 이용 가능하다.

100 셀
101 이온 교환막
102 정극 셀 104 정극 전극
103 부극 셀 105 부극 전극
106 정극 전해액용 탱크
108, 110 도관 112 펌프
107 부극 전해액용 탱크
109, 111 도관 113 펌프
20 셀 프레임
21 쌍극판 22 프레임
22L 장편 22S 단편 22o 개구
24 챔버
200 매니폴드
201, 202 급액 매니폴드
203, 204 배액 매니폴드
210 슬릿
211, 212 급액 슬릿
213, 214 배액 슬릿
31 측벽 310 협폭부
32 하부벽
33 개구부 34 코너부
40 보호판
50 시일 부재
10S 셀 스택
250 엔드 플레이트
300 레독스 플로우 전지(RF 전지)

Claims (11)

1. 레독스 플로우 전지의 셀에 이용되는 프레임에 있어서,
   상기 프레임의 내측에 형성되고, 상기 프레임의 두께 방향으로 연장되는 개구;
   전해액이 유통되는 매니폴드; 및
   상기 매니폴드와 상기 개구를 접속하여, 상기 매니폴드와 상기 개구 사이에서 상기 전해액의 유로를 형성하는 슬릿
   을 포함하고,
   상기 슬릿은, 상기 전해액의 유통 방향에 직교하는 단면에 있어서, 서로 대향하는 한쌍의 측벽을 가지며,
   상기 슬릿의 깊이 방향의 적어도 일부에, 상기 측벽의 간격이 상기 슬릿의 상기 깊이 방향을 따라 좁아지는 협폭부를 갖고,
   상기 슬릿의 상기 깊이 방향은 상기 프레임의 상기 두께 방향과 평행인, 프레임.
2. 제1항에 있어서,
   상기 슬릿은, 하부벽을 가지고,
   상기 하부벽은, 상기 프레임의 표면에 평행한 평탄면을 갖는 것인, 프레임.
3. 제2항에 있어서,
   적어도 한쪽의 상기 측벽과 상기 하부벽이 이루는 각도가 91°이상 120°이하인 것인, 프레임.
4. 제2항에 있어서,
   적어도 한쪽의 상기 측벽과 상기 하부벽의 코너부가 곡면형으로 형성되어 있는 것인, 프레임.
5. 제1항에 있어서,
   상기 협폭부에 있어서, 상기 측벽 중 적어도 한쪽은, 깊이 방향에 대하여 경사져 있는 경사면을 가지고, 상기 경사면은 평면인 것인, 프레임.
6. 제1항에 있어서,
   상기 협폭부에 있어서, 상기 측벽 중 적어도 한쪽은, 깊이 방향에 대하여 경사져 있는 경사면을 가지고, 상기 경사면은 곡면인 것인, 프레임.
7. 제1항에 있어서,
   상기 슬릿은, 하부벽을 가지고,
   상기 하부벽은, 상기 슬릿의 깊이 방향으로 돌출하는 곡면을 갖는 것인, 프레임.
8. 제7항에 있어서,
   상기 측벽과 상기 하부벽의 전체면이 곡면형으로 형성되어 있는 것인, 프레임.
9. 제1항에 있어서,
   상기 슬릿의 깊이 방향의 임의의 위치에 있어서의 상기 측벽의 간격이, 그 위치보다 개구부측에 있어서의 상기 측벽의 간격에 대하여 동등하거나 그 미만인 것인, 프레임.
10. 레독스 플로우 전지용 셀 프레임에 있어서,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 프레임; 및
    상기 프레임의 개구에 감입되는 쌍극판
    을 포함하고,
    상기 프레임 및 상기 쌍극판에 의해 상기 프레임의 내측에 챔버가 형성되는 것인, 레독스 플로우 전지용 셀 프레임.
11. 제10항에 기재된 레독스 플로우 전지용 셀 프레임을 구비하는 레독스 플로우 전지.

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