KR102645988B1 - 바이폴라 플레이트, 이를 포함하는 레독스 흐름 전지용 단위셀 및 레독스 흐름 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전극과 대면하는 유로부가 형성된 바이폴라 플레이트로, 상기 바이폴라 플레이트의 가장자리 이온 교환막 결합면은 상기 유로부의 유로 형성 격벽의 상부면보다 높게 형성되어 전극 수용홈을 형성하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트, 이를 포함하는 단위 셀 및 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 바이폴라 플레이트, 이를 포함하는 레독스 흐름 전지용 단위셀 및 레독스 흐름 전지에 관한 것이다.
레독스 흐름 전지는 기존 이차전지와는 달리 전해액 중의 활물질(active material)이 산화·환원되어 충·방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다. 이러한 전지는 대용량 전력 저장용으로 용이하고, 높은 에너지 밀도와 효율을 가지며 수명이 길고 안전하다는 이점이 있다. 또한, 상기 전지는 잦은 교체가 필요 없어 유지 보수 비용이 적고 상온에서 작동하며 특히 용량과 출력을 다양하게 설계할 수 있는 이점이 있어, 차세대 대용량 저장 장치로서 각광받고 있다.
레독스 흐름 전지의 기본 구조는 바이폴라 플레이트/전극/이온 교환막/전극/바이폴라 플레이트의 구조를 포함하는 스택과 함께 산화 상태가 각각 다른 활물질이 저장되어 있는 전해액 탱크와 이를 순환시키기 위한 펌프를 구비한다.
실제 전기화학적 반응은 스택(stack)에서 일어나며, 펌프를 이용하여 전해액을 스택 내부에 지속적으로 순환시킴으로써 작동한다. 상기 전해액 내 활물질로 사용되는 레독스 쌍으로는 V/V, Zn/Br, Fe/Cr 및 Zn/air 등이 있으며, 이 중 V/V 및 Zn/Br 레독스 쌍이 가장 널리 사용되고 있다.
전기화학적 반응은 스택 내 바이폴라 플레이트를 따라 흐르는 전해액과 전극간의 상호 작용에 따라 결정된다.
도 1은 종래 기술에 따른 바이폴라 플레이트와 전극 간의 접촉을 보여주는 단면도로서, 위에서부터 바이폴라 플레이트(11)/전극(12)/이온 교환막(13)/전극(14)/바이폴라 플레이트(15)가 적층된 구조를 갖는다. 이러한 구조는 바이폴라 플레이트(11, 15)에 직접적으로 전해액을 흘리는 방식으로서, 구조가 간단하다는 이점이 있다. 그러나 고출력 조건으로 충·방전하거나 전지의 크기를 증가시킬 때 전해액이 고유량으로 수반됨에 따라 전해액 유입구와 배출구 간 높은 차압이 생겨나게 되고 이에 따라 막대한 에너지 손실이 발생하는 문제가 발생한다.
상기 문제를 해결하기 위한 시도로서 바이폴라 플레이트 내부에 전해액이 흐를 수 있는 유로를 형성한 구조가 제시되었다.
미국특허공개 제2012-0244395호에서는 맞물림형(interdigitated type, 또는 깍지형) 유로가 형성된 바이폴라 플레이트의 구성을 제시하였다.
도 2 미국특허공개 제2012-0244395호에서 제시한 바이폴라 플레이트와 전극간의 접촉을 보여주는 단면도로서, 위에서부터 바이폴라 플레이트(21)/전극(22)/이온 교환막(23)/전극(24)/바이폴라 플레이트(25)가 적층된 구조를 가지며, 상기 바이폴라 플레이트(21, 25) 각각에 유로(27, 29)가 형성된 구조를 갖는다. 이러한 구조의 바이폴라 플레이트를 사용하는 경우 전지 모듈에 인가하는 유입구와 배출구 간의 차압을 어느 정도 저감시켰다.
그러나 도 2를 보면, 도 1 대비 유로로 인해 전극과 전해액과의 접촉 면적이 줄어드는 문제가 발생하였다. 이로 인해 전기 발생을 위한 전기화학 반응이 충분히 일어나지 못하게 되고, 그에 따라 전지의 충·방전 용량 및 속도가 저감되는 문제가 발생한다.
더욱이, 내부 차압을 감소시키기 위한 유로 구조를 가지고 있다 하더라도 전해액의 유량을 모든 범위에서 안정적으로 제어하는 것에는 일정 부분 한계가 존재하였으며 전해액이 유로 내 머무르는 시간이 짧아 충분한 반응 시간을 확보하지 못하는 문제 또한 발생하였다.
또한, 종래의 레독스 흐름 전지는 스택 적층시 전해액 누출을 방지하기 위하여 오링(O-ring) 또는 면 가스켓을 사용하였으나, 조립 공정의 난이도가 높으며, 면압 분포가 불균일하게 발생하였을 뿐만 아니라, 전해액 누출을 방지하는데 한계를 보였다.
따라서, 전해액 누출을 방지할 수 있도록 기밀이 향상되고, 조립 편의성이 우수하면서도, 충·방전 용량 및 효율을 향상시킬 수 있는 레독스 흐름 전지에 대한 수요가 증대하고 있다.
본 발명자들은 압력의 손실을 저감시키고, 스택의 기밀성을 높여 전해액의 누출을 방지하며, 스택의 조립이 용이하며, 스택의 변형을 방지 할 수 있는 새로운 구조의 바이폴라 플레이트를 설계하였고, 이를 레독스 흐름 전지에 적용한 결과 에너지 효율이 증가하는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 새로운 구조를 갖는 바이폴라 플레이트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 바이폴라 플레이트를 포함하는 레독스 흐름 전지용 단위 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 단위 셀을 복수개로 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 전극과 대면하는 유로부가 형성된 바이폴라 플레이트로,
상기 바이폴라 플레이트의 가장자리 이온 교환막 결합면은 상기 유로부의 유로 형성 격벽의 상부면보다 높게 형성되어 전극 수용홈을 형성하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트를 제공한다.
또한, 본 발명은 이온 교환막;
상기 이온 교환막의 양측에 각각 배치된 전극층; 및
상기 전극층의 일측면에 각각 배치된 바이폴라 플레이트;를 포함하고,
상기 바이폴라 플레이트는 상기 본 발명의 바이폴라 플레이트인 레독스 흐름 전지용 단위 셀을 제공한다.
또한, 본 발명은 전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 전지 모듈;
상기 전지 모듈에 전해액을 공급하고, 상기 모듈에서 유출되는 전해액을 저장하기 위한 전해액 탱크; 및
상기 모듈과 전해액 탱크 간 전해액을 순환시키기 위한 전해액 펌프;를 포함하며,
상기 단위 스택은 상기 본 발명의 레독스 흐름 전지용 단위 셀을 복수개로 포함한 레독스 흐름 전지를 제공한다.
본 발명의 바이폴라 플레이트는 압력의 손실을 저감시킬 수 있어 전해액의 유량을 증가시키고, 스택의 기밀성을 높여 전해액의 누출을 방지할 수 있으며, 스택의 조립이 용이하며, 스택의 변형을 방지할 수 있는 효과를 지니고 있다.
또한, 상기 본 발명의 바이폴라 플레이트를 포함하는 레독스 흐름 전지는 에너지 효율이 우수한 효과를 지니고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 레독스 흐름 전지용 단위셀의 단면도이다.
도 2는 미국 공개특허 제2012-0244395호에서 제시한 레독스 흐름 전지용 단위셀의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 레독스 흐름 전지의 구조의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 단위 스택의 입체 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바이폴라 플레이트의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 바이폴라 플레이트의 전극 수용홈을 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예 1의 레독스 흐름 전지용 단위 셀의 단면도이다.
도 8은 비교예 1의 레독스 흐름 전지용 단위 셀의 단면도이다.
도 9는 비교예 2의 레독스 흐름 전지용 단위 셀의 단면도이다.
도 10은 실험예 1의 에너지 효율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 미국 공개특허 제2012-0244395호에서 제시한 레독스 흐름 전지용 단위셀의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 레독스 흐름 전지의 구조의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 단위 스택의 입체 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바이폴라 플레이트의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 바이폴라 플레이트의 전극 수용홈을 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예 1의 레독스 흐름 전지용 단위 셀의 단면도이다.
도 8은 비교예 1의 레독스 흐름 전지용 단위 셀의 단면도이다.
도 9는 비교예 2의 레독스 흐름 전지용 단위 셀의 단면도이다.
도 10은 실험예 1의 에너지 효율을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.
도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였고, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 사용하였다. 또한, 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 실제 축척과는 무관하며, 설명의 명료성을 위해 축소되거나 과장된 것일 수 있다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 생략된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 레독스 흐름 전지를 보여주는 모식도이고, 도 4는 단위 스택을 보여주는 입체 사시도이다.
도 3을 참조하면, 레독스 흐름 전지(1000)는 전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈(101, 102, 103, 104)을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 전지 모듈(100); 상기 전지 모듈(100)에 전해액을 공급하고 상기 전지 모듈(100)에서 유출되는 전해액을 저장하기 위한 전해액 탱크(202, 204); 상기 전지 모듈(100)과 전해액 탱크(202, 204) 간 전해액을 순환시키기 위한 전해액 펌프(302, 304)를 포함한다.
이때 단위 스택은 단위 셀(130)을 복수로 적층하여 형성된다. 편의상, 도 4에서는 하나의 단위 셀(130)을 적층하여 형성된 단위 스택을 예시한다.
도 4를 참조하면, 단위 셀(130)은 중앙에 이온 교환막(123)이 배치되고, 이의 양측에 좌우 대칭 구조로 전극(120, 121) 및 바이폴라 플레이트(118, 119)가 각각 대칭하여 배치된다.
상기 단위 셀(130)은 1개 또는 그 이상의 복수 개로 적층된 구조를 가지며, 상기 바이폴라 플레이트(118, 119)와 접하도록 집전 플레이트(115,117) 및 엔드 플레이트(111, 113)가 적층된다.
상기 각각의 구성은 각각의 일측을 천공한 후 관통홀을 통해 연결부재(예, 볼트/너트)를 이용하여 서로 접합하여 단위 셀(130)을 구비하고, 이 단위 셀(130)을 복수 개 배치한 후 전기적 연결을 통해 단위 스택을 형성한다.
상기 이온 교환막(123), 전극(120, 121), 바이폴라 플레이트(118, 119), 집전 플레이트(115, 117) 및 엔드 플레이트(111, 113) 사이에는 전해액의 흐름이나 결합을 위해 스페이서(미도시)를 각각 개재할 수 있으며, 일례로 이온 교환막(123)과 전극(120, 121) 사이에 배치하는 것이 바람직하다.
상기 이온 교환막(123)은 판 형태의 셀 프레임과 이의 중앙에 이온 교환막이 장착된 구조를 갖는다.
복수 개의 단위 셀(130)이 도 3과 같이 직렬로 연결되거나 병렬로 연결된 구조를 가지며, 전해액의 순환으로 전류를 발생시키도록 구성한다. 단위 스택은 버스바(미도시)를 통해 이웃하는 다른 단위 스택과 전기적으로 연결된다. 단위 모듈(101,102,103,104) 및 전지 모듈(100)은 단위 스택들의 내부에서 생성된 전류를 방전하거나 외부 전원에 연결된다.
본 발명에서는 단위 셀(130)을 구성하는 바이폴라 플레이트(118, 119)의 구성을 변경하여 레독스 흐름 전지(1000)의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 전극과 대면하는 유로부가 형성된 바이폴라 플레이트로,
상기 바이폴라 플레이트의 가장자리 이온 교환막 결합면은 상기 유로부의 유로 형성 격벽의 상부면보다 높게 형성되어 전극 수용홈을 형성하는, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.
전극(120, 121)과 접하는 바이폴라 플레이트(118, 119)는 전기화학적 반응을 위해 전해액 탱크(202, 204)로부터 전해액을 공급받고, 이를 전극(120, 121)으로 균일한 압력과 양으로 공급한다.
도 5는 본 발명의 바이폴라 플레이트를 보여주는 정면도이다.
본 발명의 유로부(F)는 바이폴라 플레이트(118, 119)에 일체로 형성된 유로를 포함하거나, 바이폴라 플레이트(118, 119)에 수용된 별도의 유로 형성 분리판(153)에 의해 형성된 것일 수 있다.
상기 유로부(F)는 전해액이 이동할 수 있도록 형성된 유로를 포함하는 것으로, 상기 유로는 맞물림형(interdigitated flow field, IDFF) 패턴을 갖는 것이 바람직하다.
상기 맞물림형 패턴은 서로 맞물려 있는 형태의 유로들이 연속 배치되고, 각 유로들은 일면이 폐쇄되어 있는 구조로, 번갈아서 유로의 입구 또는 출구가 개방되는 형태를 의미한다. 상기 맞물림형 유로 구조의 경우 전해액이 유로를 따라 흐르는 것뿐만 아니라 유로를 타고 흘러 전극 반응의 기회를 더욱 높여 레독스 흐름 전지의 충·방전 용량을 증가시킬 수 있다.
상기 유로는 유로 형성 격벽(154)을 통해 형성되며, 이 때 격벽(154)의 폭 및 두께는 바이폴라 플레이트의 크기에 따라 적절히 조절할 수 있다. 일반적으로 격벽(154) 사이의 간격은 유로 채널 폭으로 정의하며, 격벽(154)의 두께는 유로 채널의 깊이로 정의한다.
상기 격벽(154)의 단면은 직사각형, 정사각형, 삼각형, 트렌치 구조, 반구형 및 다각형 등 다양한 형태가 가능하며, 통상적으로 전해액의 흐름을 위해 직사각형 형태를 갖도록 한다.
예를 들어, 5 내지 10cm2 면적의 바이폴라 플레이트를 제작할 경우, 격벽(154)의 폭은 3 내지 8mm, 두께는 1 내지 3.5mm, 유로 채널 폭은 3 내지 8mm 및 유로 체널의 깊이는 1 내지 3.5mm가 될 수 있다.
종래의 유로를 포함하지 않는 바이폴라 플레이트는 상대적으로 높은 스택 차압이 발생하여 동일한 유량의 전해액을 공급하더라도 펌프 구동에 의한 전력 손실이 상대적으로 크게 발생하였다. 그러나 본 발명에서는 상기 맞물림형 패턴의 유로를 형성함에 따라 스택 차압을 감소시킬 수 있어 동일한 펌프 구동 전력 조건에서도 높은 유량을 공급할 수 있어 스택의 효율을 향상시킬 수 있으며, 펌프 및 스택을 포함하는 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 동일한 유량의 전해액 공급시 펌프 구동 전력량을 보다 적게 소모하므로 시스템의 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 바이폴라 플레이트(118, 119)는 전도성 또는 비전도성 재질이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않는다. 전도성 재질의 경우 금속, 그라파이트 등의 카본재 또는 전도성 고분자 등으로 셀 프레임 표면을 코팅할 수 있으며, 비전도성 재질의 경우 ETFE(ethylene-tetrafluoroethylene), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PFA(Perfluoroalkoxy), FEP(fluorinated ethyleneepropylene polymer), ECTFE(Ethylene ChloroTriFluoroEthylene), PVDF(Polyvinylidene fluoride) 등의 불소 수지를 코팅하여 사용할 수 있다.
상기 바이폴라 플레이트는 일측 상부에 전극에 전해액을 공급할 수 있도록 전해액을 유입하기 위한 유입구(161), 일측 하부에 전해액을 배출할 수 있는 배출구(162), 상기 유입구(161)와 유로부(F) 사이에 위치하여 전해액의 균등 분배를 위한 공급 유로(171) 및 상기 배출구(162)와 유로부(F) 사이에 위치하여 전해액의 균등 분배를 위한 배출 유로(172)를 포함한다.
바이폴라 플레이트(118, 119)의 말단 일측에는 연결 부재(181, 182, 183, 184)가 배치되어 레독스 흐름 전지용 단위 셀 형성시 이온 교환막을 기준으로 좌우 대칭하는 두 개의 바이폴라 플레이트(118, 119)가 물리적으로 접합될 수 있다.
또한, 상기 공급유로(171) 및 배출유로(172)는 전해액 유량을 균등하게 분배하여 공급 또는 배출시킬 수 있도록 다양한 형태를 가지며, 일례로 다수개의 분지를 갖는 분배 유로 형태를 구비할 수 있다.
상기 바이폴라 플레이트(118, 119)는 전해액의 누출을 방지하는 띠 형태의 가스켓을 하나 이상 포함하며, 상기 가스켓은 이온 교환막 결합면(152)에 위치하고 있다.
종래에는 면 형태의 가스켓이나 오링(O-ring)을 사용하였으나, 이들은 스택에 불균일한 체결 압력이 가해지면 변형 또는 틀어짐이 발생하여 스택 전체의 변형을 유발하며, 스택 내부에서 밀착력이 낮아 전해액의 누출을 효과적으로 방지할 수 없으며, 스택 조립이 용이하지 못한 문제가 있다. 보다 구체적으로, 상기 면 형태의 가스켓은 얇고 넓어 말리거나 접히는 현상으로 인해 다루기 어려워 바이폴라 플레이트(118, 119)의 형상에 맞추어 조립하는 것이 용이하지 못하다. 또한, 스택 조립시 바이폴라 플레이트(119)를 뒤집어 조립하는 경우 고정이 어려운 문제가 있다. 상기 오링은 접촉면이 좁아 대면적 스택 조립시 면압 균일도가 낮아 기밀을 유지하도록 조립하는 것이 어려운 문제가 있다.
그러나, 본 발명의 띠 형태의 가스켓은 상기 면 가스켓 및 오링 사용으로 인해 나타나는 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 면 가스켓과 비교하였을 때 취급이 용이하고, 바이폴라 플레이트(118, 119)의 이온 교환막 결합면(152)에 용이하게 부착할 수 있어 스택 조립의 편의성이 우수하다. 또한, 상기 오링과 비교하였을 때 접촉 면적이 넓고, 편평도가 낮은 면에 유연하게 적용이 가능하여 스택 내부에서 밀착력을 높일 수 있어 기밀성을 향상시킬 수 있으며, 그로 인하여 전해액의 누출을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 바이폴라 플레이트의 가장자리 이온 교환막 결합면(152)은 상기 유로부(F)의 유로 형성 격벽(154)의 상부면 보다 높게 형성되어 전극 수용홈(미도시)이 형성되어 있다.
상기 전극 수용홈은 전극(120, 121)을 삽입하기 위하여 형성한 것이며, 상기 전극 수용홈의 면적은 유로부(F)의 면적과 동일하다. 상기 전극 수용홈에 전극(120, 121)이 삽입될 수 있다. 즉, 본 발명의 단위 셀(130)에 있어서, 상기 유로부(F)의 상부면은 전극(120, 121)과 접촉될 수 있다.
상기 전극 수용홈에 전극(120, 121)이 삽입됨에 따라 레독스 흐름 전지용 단위 셀 형성시 이온 교환막을 기준으로 좌우 대칭하는 두 개의 바이폴라 플레이트 가장자리의 이온 교환막 결합면(152)은 유격없이 물리적으로 밀착될 수 있어 스택의 기밀성을 높이고, 전해액의 누출을 방지할 수 있으며, 스택의 변형을 방지할 수 있다.
일반적으로 스택 조립시 연결부재인 볼트의 위치는 스택의 가장자리에 위치하므로, 바이폴라 플레이트(118, 119)간의 유격이 형성되면 스택 체결에 따라 가장자리는 압축되고, 중간 부분은 볼록한 형태가 되어 스택의 변형이 발생할 수 있다. 상기와 같이 변형이 발생하면 면압 불균일, 접촉 저항 증가 및 전해액 누출 등의 문제가 발생할 수 있다. 본 발명의 바이폴라 플레이트(118, 119)는 바이폴라 플레이트 가장자리의 이온 교환막 결합면(152)이 유격없이 밀착되는 구조를 가지므로 상기의 문제점을 모두 해결할 수 있다.
상기 유로 형성 격벽(154)의 상부면과 바이폴라 플레이트의 가장자리의 이온 교환막 결합면(152)의 높이 차이는 0.5 내지 1.5mm일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 1.5mm일 수 있다. 상기 높이 차이가 0.5mm 미만이면 높이가 너무 낮아 조립이 매우 어려우며, 1.5mm를 초과하면 스택의 두께가 증가하여 스택의 부피 및 중량이 증가하게 되고, 그로 인하여 출력 감소, 에너지 밀도 감소 및 저항이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명은 레독스 흐름 전지용 단위 셀에 관한 것으로, 상기 단위 셀은
이온 교환막;
상기 이온 교환막의 양측에 각각 배치된 전극층; 및
상기 전극층의 일측면에 각각 배치된 바이폴라 플레이트;를 포함하고,
상기 바이폴라 플레이트는 상술한 본 발명의 바이폴라 플레이트이다.
상기 이온 교환막(123)은 이온 투과막 또는 세퍼레이터라하며, 전해액 내 이온을 통과시키도록 구성되며, 상기 전해액을 통해 양측에 위치한 전극(120, 121)의 전기화학적 반응을 통해 전기를 발생한다. 이 때 이온 교환막의 재질, 두께 및 각 구성 요소는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지의 것이 사용될 수 있다. 상기 이온 교환막(123)은 판 형태의 셀 프레임과 이의 중앙에 이온 교환막이 장착된 구조를 갖는다.
상기 전극(120, 121)은 전해액의 조성에 따라 전극 (120, 121) 중 하나는 양극, 다른 하나는 음극으로서의 기능을 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바이폴라 플레이트의 가장자리 이온 교환막 결합면(152)은 유로부(F)의 유로 형성 격벽(154)의 상부면 보다 높게 형성되어 전극 수용홈이 형성되어 있다. 상기 전극(120, 121)은 형성된 전극 수용홈에 삽입된다.
상기 전극 수용홈에 삽입되기 전의 전극(120, 121)의 두께는 바이폴라 플레이트(118, 119)의 전극 수용홈의 깊이 보다 두꺼우며, 단위 셀(130) 조립시 바이폴라 플레이트(118, 119) 간의 결합에 의해 압축되어 삽입될 수 있다.
상기 바이폴라 플레이트(118, 119)에 형성된 유로부(F)로 인하여 바이폴라 플레이트의 두께가 증가하고, 그로 인하여 스택의 두께가 증가하여 스택의 부피 및 중량이 증가하게 되고, 그로 인하여 출력 감소, 에너지 밀도 감소 및 저항이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 종래의 레독스 흐름 전지의 전극층 대비 얇은 두께의 전극층을 사용하고, 이를 압축하여 전극 수용홈에 삽입함으로써, 두께 증가로 인한 문제점을 방지할 수 있다.
상기 전극 수용홈에 삽입되기 전의 전극(120, 121)의 두께는 1 내지 2mm일 수 있다. 또한, 상기 전극 수용홈의 높이는 0.5 내지 1.5mm일 수 있다. 따라서, 상기 전극은 전극 수용홈의 높이만큼 압축되어 전극 수용홈에 삽입될 수 있다.
상기 전극(120, 121)이 전극 수용홈의 높이만큼 압축되어 삽입되기 위해서는 전극(120, 121)은 압축율의 조절이 용이한 도전성 재질을 사용해야 하며, 바람직하게는 카본 펠트일 수 있다.
또한, 본 발명의 전극(120, 121)은 유로부(F)의 유로 형성 격벽(154)의 상부면과 바이폴라 플레이트의 가장자리의 이온 교환막 결합면(152)의 높이 차에 의해 형성된 전극 수용홈에 삽입되는 것이므로, 전극(120, 121)의 면적은 유로부(F)의 면적과 동일하며, 그로 인하여 전해액과 충분히 반응하는 것이 가능하다.
상기 전극(120, 121)이 상기 전극 수용홈에 삽입됨에 따라 전극의 일 측면에 배치된 각각의 바이폴라 플레이트의 가장자리 이온 교환막 결합면(152)은 유격없이 밀착될 수 있다. 상기 밀착된 구조로 인하여 기밀성을 증가시킬 수 있어 전해액의 누출을 방지할 수 있으며, 스택의 변형을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 레독스 흐름 전지에 관한 것으로,
전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 전지 모듈;
상기 전지 모듈에 전해액을 공급하고, 상기 모듈에서 유출되는 전해액을 저장하기 위한 전해액 탱크; 및
상기 모듈과 전해액 탱크 간 전해액을 순환시키기 위한 전해액 펌프;를 포함하며,
상기 단위 스택은 상술한 본 발명의 레독스 흐름 전지용 단위 셀을 복수개로 포함한 것이다.
본 발명의 레독스 흐름 전지(1000)를 구성하는 다른 요소, 구체적으로, 전지 모듈(100)을 구성하기 위한 여러 요소, 전해액 탱크(202, 204) 및 전해액 펌프(302, 304)와 같은 구성 요소는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 내용을 따른다.
전해액 탱크(202, 204)에서 저장되는 전해액은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야에서 공지된 바의 전해액이 사용될 수 있다.
전해액은 활물질 및 용매를 포함하고, 이때 활물질은 전기화학적으로 안정하게 반응하는 레독스 커플 유기물을 포함하고, 용매는 수계 용매, 유기계 용매 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 전해액은 양극의 기능을 위한 양극 전해액 또는 음극의 기능을 위한 음극 전해액일 수 있으며, 이들은 산화·환원쌍 구성을 포함한다. 즉, 상기 양극활물질의 경우, 양극 전해액에 용해시키는 산화·환원쌍을 지칭하며, 산화·환원쌍이 2개의 산화상태(oxidation state) 중 높은 쪽으로 변할 때, 즉, 산화가 일어날 때 충전이 되는 것을 의미한다. 상기 음극 활물질의 경우, 음극 전해액에 용해시키는 산화·환원쌍을 지칭하며, 산화·환원쌍의 2개의 산화상태 중 낮은 쪽으로, 즉 환원될 때 충전이 되는 것을 의미한다.
본 발명에서 사용되는 활물질은 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 활물질을 사용할 수 있다. 예를 들면, V, Fe, Cr, Cu, Ti, Sn, Zn, Br 등을 들 수 있다. 이러한 활물질은 산화·환원 차이에 의한 조합에 의해 V/V, Zn/Br, Fe/Cr 등 다양한 레독스쌍을 얻을 수 있는데 본 발명에서는 V/V로이루어진 레독스쌍을 사용한다. 이와 같이 양극과 음극에서 동일 종류의 레독스 쌍을 사용하여 두 전극 사이에서의 혼합 현상에 의한 비가역적 오염을 극복할 수있는 이점이 있으며, 예를 들어 양극 전해액은 V4+/V5+을 사용하고, 음극 전해액은 V2+/V3+을 레독스 쌍으로 사용할 수 있다.
상기 수계 용매는 황산, 염산 또는 인산 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물이고, 상기 유기계 용매는 아세토나이트릴, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸술폭사이드, 디메틸포름아미드, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, N-메틸-2-피롤리돈, 플루오로에틸렌카보네이트, 에탄올, 메탄올 및 감마-부티로락톤 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
추가적으로, 상기 전해액은 지지 전해질을 더욱 포함할 수 있다.
지지 전해질은 알킬암모늄계 염, 리튬염 및 소듐염으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 전해액에 있어서, 상기 알킬암모늄계 염은, PF6 -, BF4 -, AsF6 -, ClO4 -, CF3SO3 -, CF3SO3 -, C(SO2CF3)3, N(CF3SO2)2 및 CH(CF3SO2)2 중에서 선택되는 하나의 음이온과, 테트라알킬암모늄 양이온에서 알킬은 메틸, 에틸, 부틸 또는 프로필인 암모늄 양이온의 조합으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 전해액에 있어서, 상기 리튬염은 LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiCF3SO3, LiC(SO2CF3)3, LiN(CF3SO2)2 및 LiCH(CF3SO2)2 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 본 발명에 따른 레독스 플로우 전지용 전해액에 있어서, 상기 소듐염은, NaPF6, NaBF4, NaAsF6, NaClO4, NaCF3SO3, NaCF3SO3, NaC(SO2CF3)3, NaN(CF3SO2)2 및 NaCH(CF3SO2)2 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
전해액 펌프(302, 304)는 본 발명에서 특별히 언급하지 않으며, 공지된 바의 것을 사용할 수 있다.
상기의 구성을 포함하는 레독스 흐름 전지(1000)는 바이폴라 플레이트(118, 119)의 유로부(F)가 형성됨에 따라 압력의 손실을 저감시킬 수 있어 공급되는 전해액의 유량을 증가시킬 수 있으며, 펌프 손실 감소에 따른 스택 및 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 바이폴라 플레이트의 이온 교환막 결합면(152)에 띠 형태의 가스켓을 하나 이상 포함함에 따라 스택 기밀성을 향상시켜 전해액의 누출을 방지할 수 있으며, 스택의 조립 편의성을 증가시킬 수 있다. 또한, 바이폴라 플레이트(118, 119)의 전극 수용홈에 전극 (120, 121)이 압축되어 삽입되어, 스택의 두께가 증가되지 않으며, 바이폴라 플레이트(118, 119)가 유격없이 밀착될 수 있어 전해액의 누출을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 레독스 흐름 전지(1000)는 향상된 에너지 효율을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1.
분리판에 맞물림형 유로를 형성하였다. 상기 유로를 형성하기 위한 격벽의 폭은 7mm, 유로 채널 폭은 4mm, 유로 채널의 깊이는 1.5mm이었다.
바이폴라 플레이트의 이온 교환막 결합면은 띠 형태의 가스켓을 1개 포함하고 있다.
상기 바이폴라 플레이트의 이온 교환막 결합면과 상기 유로 형성 격벽의 높이 차이가 1mm 형성되도록 하였다.
1.5mm 두께의 카본 펠트를 상기 높이 차이에 의해 형성된 전극 수용홈에 삽입하였다.
상기 과정을 동일하게 반복하여 전극 수용홈에 카본 펠트가 삽입된 바이폴라 플레이트를 2개 준비하였다.
이온 교환막(나피온 212, 50μm)을 사이에 두고 상기 카본 펠트가 삽입된 바이폴라 플레이트를 각각 배치하고, 이들을 체결하여 레독스 흐름 전지를 제조하였다. 바이폴라 플레이트의 이온 교환막 결합면은 유격없이 서로 밀착되었으며, 체결 과정에서 카본 펠트가 압축되었으며, 압축된 카본 펠트의 두께는 전극 수용홈의 높이와 동일하였다(도 7).
상기 바이폴라 플레이트의 유입구 및 배출구 각각에 전해액을 주입하였으며, 이때 전해액으로는 1.6M 바나듐 황산 수용액(3M H2SO4) 3L를 사용하였고, 유량은 75cc/min으로 하였다.
비교예 1.
바이폴라 플레이트의 이온 교환막 결합면에 오링 형태의 가스켓을 1개 포함하고 있는 바이폴라 플레이트를 준비하였다.
상기 바이폴라 플레이트의 이온 교환막 결합면과 전극 수용홈의 높이 차이가 2.5mm 형성되도록 하였다.
3.5mm 두께의 카본 펠트를 상기 전극 수용홈에 삽입하였다.
상기 과정을 동일하게 반복하여 전극 수용홈에 카본 펠트가 삽입된 바이폴라 플레이트를 2개 준비하였다.
이온 교환막(나피온 212, 50μm)을 사이에 두고 상기 카본 펠트가 삽입된 바이폴라 플레이트를 각각 배치하고, 이들을 체결하여 레독스 흐름 전지를 제조하였다. 바이폴라 플레이트의 이온 교환막 결합면은 유격없이 서로 밀착되었으며, 체결 과정에서 카본 펠트가 압축되었으며, 압축된 카본 펠트의 두께는 전극 수용홈의 높이와 동일하였다(도 8).
상기 바이폴라 플레이트의 유입구 및 배출구 각각에 전해액을 주입하였으며, 이때 전해액으로는 1.6M 바나듐 황산 수용액(3M H2SO4) 3L를 사용하였고, 유량은 75cc/min으로 하였다.
비교예 2.
분리판에 맞물림형 유로를 형성하였다. 상기 유로를 형성하기 위한 격벽의 폭은 7mm, 유로 채널 폭은 4mm, 유로 채널의 깊이는 2.5mm이었다.
바이폴라 플레이트의 이온 교환막 결합면은 띠 형태의 가스켓을 1개 포함하고 있다.
바이폴라 플레이트의 상기 이온 교환막 결합면의 높이와 유로 형성 격벽의 높이는 동일하였다.
이온 교환막(나피온 212, 50μm)을 사이에 두고 양측에 카본 페이퍼를 적층하여 이루어진 전극층을 각각 배치하고, 각각의 외부에 바이폴라 플레이트를 배치시킨 후 이들을 체결하여 레독스 흐름 전지를 제작하였다. 상기 바이폴라 플레이트의 이온 교환막 결합면은 이온 교환막 및 카본 페이퍼의 높이만큼 유격되었다(도 9).
상기 카본 페이퍼의 두께는 0.6mm 이었다.
상기 바이폴라 플레이트의 유입구 및 배출구 각각에 전해액을 주입하였으며, 이때 전해액으로는 1.6M 바나듐 황산 수용액(3M H2SO4) 3L를 사용하였고, 유량은 75cc/min으로 하였다.
실험예 1. 레독스 흐름 전지의 에너지 효율 측정
상기 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 제작한 단위 셀을 이용하여 에너지 효율을 측정하였다. 활성 면적은 325cm2, 전류 밀도 200mA/cm2 로 충·방전을 실시하여 에너지 효율을 측정하였다.
그 결과, 실시예 1은 79.5%, 비교예 1은 71% 및 비교예 2는 77.5%로 측정되었다(도 10).
맞물림 패턴을 갖는 유로부가 형성되고, 띠 형태의 가스켓을 포함하며, 전극 수용홈에 전극이 삽입된 본 발명의 실시예 1의 레독스 흐름 전지는 유로로 인하여 공급되는 전해액의 유량이 증가되었으며, 띠 형태의 가스켓을 포함하며, 전극이 전극 수용홈에 삽입됨으로 인하여 전해액의 누출을 방지할 수 있어 에너지 효율이 가장 우수하게 측정되었다. 또한, 기밀성 및 스택 조립 편의성도 매우 우수하였으며, 스택의 변형이 발생하지 않았다.
반면, 비교예 1의 레독스 흐름 전지는 전극인 카본 펠트의 두께가 두꺼워 단위 셀 전체의 두께가 증가하였다. 또한, 유로를 포함하고 있지 않아 전해액 흐름에 따른 압력 손실이 크게 나타나 상기의 전류 밀도 조건에서 물질 전달 손실이 크게 발생하였다. 이로부터 출력 운전시 효율이 저조하고, 펌프 작동에 의한 전력 손실이 크게 발생할 수 있음을 알 수 있다.
비교예 2의 레독스 흐름 전지는 전극으로 카본 페이퍼를 사용하였다. 상기 카본 페이퍼는 카본 펠트에 비하여 압축율 조절이 어려우므로, 활성 면적 증가 및 스택 제작이 어려웠으며, 활성 면적이 증가시 에너지 효율이 감소하는 결과를 보였다.
따라서, 고유량 및 고전류 밀도를 타겟으로 하는 레독스 흐름 전지에 본 발명의 구조를 도입하는 것이 매우 효과적인 것을 알 수 있다.
11. 15. 21. 25 : 바이폴라 플레이트
12: 14, 22, 24 : 전극
13, 23 : 이온 교환막
27 : 유로
1000 : 레독스 흐름 전지
100 : 전지 모듈
101, 102, 103, 104 : 단위 모듈
202, 204 : 전해액 탱크
302, 304 : 전해액 펌프
111, 113 : 엔드 플레이트
115, 117 : 집전 플레이트
118: 119 : 바이폴라 플레이트
120, 121 : 전극
123 : 이온 교환막
130 : 단위 셀
152 : 이온 교환막 결합면
153 : 분리판
154 : 유로 형성 격벽
155 : 가스켓
161 : 유입구
162 : 배출구
171 : 공급 유로
172 : 배출 유로
181, 182, 183, 184 : 연결 부재
F : 유로부
12: 14, 22, 24 : 전극
13, 23 : 이온 교환막
27 : 유로
1000 : 레독스 흐름 전지
100 : 전지 모듈
101, 102, 103, 104 : 단위 모듈
202, 204 : 전해액 탱크
302, 304 : 전해액 펌프
111, 113 : 엔드 플레이트
115, 117 : 집전 플레이트
118: 119 : 바이폴라 플레이트
120, 121 : 전극
123 : 이온 교환막
130 : 단위 셀
152 : 이온 교환막 결합면
153 : 분리판
154 : 유로 형성 격벽
155 : 가스켓
161 : 유입구
162 : 배출구
171 : 공급 유로
172 : 배출 유로
181, 182, 183, 184 : 연결 부재
F : 유로부
Claims (10)
- 전극과 대면하는 유로부가 형성된 바이폴라 플레이트로,
상기 바이폴라 플레이트의 가장자리 이온 교환막 결합면은 상기 유로부의 유로 형성 격벽의 상부면보다 높게 형성되어 전극 수용홈을 형성하며,
상기 전극 수용홈에 전극이 삽입되며,
상기 전극 수용홈에 삽입되기 전의 전극의 두께는 전극 수용홈의 깊이 보다 두꺼워 전극은 압축되어 전극 수용홈에 삽입되며, 압축된 전극의 두께는 전극 수용홈의 깊이와 동일한, 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트. - 제1항에 있어서, 상기 유로 형성 격벽의 상부면과 바이폴라 플레이트의 가장자리의 이온 교환막 결합면의 높이 차는 0.5 내지 1.5mm인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
- 제1항에 있어서, 상기 유로부는 바이폴라 플레이트에 일체로 형성된 유로를 포함하거나, 바이폴라 플레이트에 수용된 별도의 유로 형성 분리판에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
- 제1항에 있어서, 상기 바이폴라 플레이트는 이온 교환막 결합면에 띠 형태의 가스켓을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 바이폴라 플레이트.
- 이온 교환막;
상기 이온 교환막의 양측에 각각 배치된 전극; 및
상기 전극의 일측면에 각각 배치된 바이폴라 플레이트;를 포함하고,
상기 바이폴라 플레이트는 제1항의 바이폴라 플레이트인 레독스 흐름 전지용 단위 셀로,
상기 전극은 단위 셀 조립시 바이폴라 플레이트 간의 결합에 의해 압축되어 바이폴라 플레이트의 전극 수용홈에 삽입되며,
상기 전극 수용홈에 삽입되기 전의 전극의 두께는 상기 바이폴라 플레이트의 전극 수용홈의 깊이 보다 두꺼우며,
상기 압축된 전극의 두께는 전극 수용홈의 깊이와 동일한, 레독스 흐름 전지용 단위 셀. - 삭제
- 삭제
- 제5항에 있어서, 상기 전극 수용홈에 삽입되기 전의 전극의 두께는 1 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 단위 셀.
- 제5항에 있어서, 상기 전극은 카본펠트인 것을 특징으로 하는 레독스 흐름 전지용 단위 셀.
- 전류를 생성하는 단위 스택들을 포함하는 단위 모듈을 서로의 측면에 배치하여 전기적으로 연결하여 형성되는 전지 모듈;
상기 전지 모듈에 전해액을 공급하고, 상기 모듈에서 유출되는 전해액을 저장하기 위한 전해액 탱크; 및
상기 모듈과 전해액 탱크 간 전해액을 순환시키기 위한 전해액 펌프;를 포함하며,
상기 단위 스택은 제5항의 레독스 흐름 전지용 단위 셀을 복수개로 포함한 레독스 흐름 전지.
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| KR1020180138732A KR102645988B1 (ko) | 2018-11-13 | 2018-11-13 | 바이폴라 플레이트, 이를 포함하는 레독스 흐름 전지용 단위셀 및 레독스 흐름 전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020180138732A KR102645988B1 (ko) | 2018-11-13 | 2018-11-13 | 바이폴라 플레이트, 이를 포함하는 레독스 흐름 전지용 단위셀 및 레독스 흐름 전지 |
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|---|---|
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| KR102645988B1 true KR102645988B1 (ko) | 2024-03-08 |
Family
ID=70910295
Family Applications (1)
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| KR1020180138732A KR102645988B1 (ko) | 2018-11-13 | 2018-11-13 | 바이폴라 플레이트, 이를 포함하는 레독스 흐름 전지용 단위셀 및 레독스 흐름 전지 |
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-
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| KR20200055274A (ko) | 2020-05-21 |
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