KR20090046087A - A separator structure and redox flow battery containing the separator membrane - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온교환막의 양쪽에 다공성 고분자막이 부착된 레독스 플로우 전지용 격리막 구조 및 상기 격리막 구조를 포함하는 레독스 플로우 전지에 관한 것으로,The present invention relates to a separator structure for a redox flow battery having a porous polymer membrane attached to both sides of an ion exchange membrane, and a redox flow battery including the separator structure.

이러한 격리막 구조는 이온교환막만의 양측에 다공성 고분자막을 부착하여 얇은 두께를 갖는 이온교환막의 취약점이었던 기계적 강도를 향상시키고, 이에 따라 레독스 플로우 전지에 적용되어, 전해액의 흐름현상에 발생되는 압력차를 이온교환막에 직접적으로 미치는 영향을 감소하여 전지의 수명과 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 셀의 내부 저항 증가 없이 양극과 음극을 구별 짓는 전해질 격리막의 보호와 셀의 단락이 일어나는 것을 방지할 수 있다.Such a membrane structure attaches a porous polymer membrane to both sides of the ion exchange membrane to improve mechanical strength, which is a weak point of a thin ion exchange membrane, and thus is applied to a redox flow battery, thereby reducing the pressure difference generated in the flow of electrolyte. In addition to reducing the direct impact on the ion exchange membrane, battery life and efficiency can be improved, as well as protection of the electrolyte separator that distinguishes the positive and negative electrodes without increasing the internal resistance of the cell and prevention of cell short circuits.

레독스 플로우 전지, 이온교환막, 격리막, 다공성 고분자막, 하우징셀 Redox flow battery, ion exchange membrane, separator, porous polymer membrane, housing cell

Description

레독스 플로우 전지용 격리막 구조 및 그 격리막 구조를 포함하는 레독스 플로우 전지{A separator structure and redox flow battery containing the separator membrane}Redox flow battery comprising a separator structure for a redox flow battery and the separator structure {A separator structure and redox flow battery containing the separator membrane}

본 발명은 레독스 플로우 전지에 사용되는 격리막의 구조에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 레독스 플로우 전지에 있어 양극 및 음극 전해질이 혼합되지 않도록 구분하고 이온의 통과만 이루어지도록 하는 이온교환막의 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 격리막 구조 및 그 격리막 구조를 포함하는 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.The present invention relates to the structure of the separator used in the redox flow battery, and more particularly, in the redox flow battery, the mechanical strength of the ion exchange membrane which distinguishes the positive and negative electrolytes from mixing and only allows the passage of ions. It relates to a separator structure and a redox flow battery comprising the separator structure capable of improving.

현대사회는 전기 및 전자분야의 고도성장에 의존하여 전지산업 또한 함께 비약적으로 발전하여 왔으며, 특히 전기에너지를 화학에너지로 변환하여 저장하였다가 필요시 다시 전기에너지로 변환하여 쓸 수 있을 뿐만 아니라 획기적인 용량의 개선을 통해 소형 및 경량의 전지에서 고용량의 전기를 사용할 수 있는 2차전지의 개발이 활발히 이루어져 왔다.In modern society, the battery industry has also developed remarkably, depending on the high growth of the electric and electronic fields. In particular, it is possible not only to convert electrical energy into chemical energy and store it, but also to convert it into electrical energy and use it as a breakthrough. Through the improvement of the secondary battery that can use a high capacity of electricity in small and light battery has been actively developed.

이러한 2차 전지는 높은 효율의 에너지저장시스템으로 소형 모바일용으로터 중대형 ups나 전력 저장용의 다양한 용도에 사용되어 왔으며, 그 용도로서 반도체 및 액정분야, 오디오와 같은 음향분야, 휴대전화, PDA, 노트북과 같은 정보통신분야에서 주요 핵심부품으로 사용되어 왔을 뿐만 아니라, 특히 최근 친환경적 하이브리드 전기자동차의 연료전지로서 배터리와 함께 조합하여 load levelling 등으로의 응용이 활발하게 진행되고 있다. These secondary batteries have been used in a variety of applications such as small mobiles, medium and large-sized ups and power storage as high-efficiency energy storage systems, and are used in semiconductors and liquid crystals, acoustics such as audio, mobile phones, PDAs, Not only has been used as a key core component in the field of information and communication, such as notebooks, but also as a fuel cell of an environmentally friendly hybrid electric vehicle, the application to load leveling, etc. in combination with a battery is being actively progressed.

상기와 같이 다양한 용도로 사용되고 있는 2차 전지들은 더욱 안정한 에너지 공급과 효율이 높은 에너지 변환시스템의 개발을 요구받고 있으며, 이에 최근 전력 저장등 대형화 시스템에 가장 적합한 고용량 및 고효율의 2차 전지로서 레독스 플로우 전지(redox flow battery)가 각광받고 있다.As described above, secondary batteries used in various applications are required to develop a more stable energy supply and high efficiency energy conversion system, and thus, redox as a high capacity and high efficiency secondary battery that is most suitable for a large-sized system such as power storage. Redox flow batteries are in the spotlight.

이러한 레독스 플로우 전지는 다른 전지와는 다르게 활성물질이 고체가 아닌 수용액 상태의 이온으로 존재하며 양극과 음극에서 각 이온들의 산화/환원 반응에 의해 에너지를 저장하는 메카니즘을 가진다.Unlike other batteries, such a redox flow battery has a mechanism for storing an active material as ions in an aqueous solution rather than a solid state and storing energy by oxidation / reduction reactions of respective ions at the cathode and the anode.

도 1은 종래 레독스 플로우 전지를 간략하게 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a conventional redox flow battery.

이에 도시된 바와 같이, 소정의 크기를 갖는 셀하우징(1)은 그 중심을 가로지르며 설치된 이온교환막(10)에 의해 분리되고, 상기와 같이 분리된 셀하우징(1)의 좌. 우 양쪽에 각각 양극(21)과 음극(22)이 위치하고 있으며, 셀하우징(1)의 상.하 단에는 각각의 전극반응에 사용되는 전해액의 유입구(31,32)와 유출구(41,42)가 형성되어 있다. As shown therein, the cell housing 1 having a predetermined size is separated by an ion exchange membrane 10 installed across the center thereof, and left of the cell housing 1 separated as described above. The positive electrode 21 and the negative electrode 22 are located at both sides of the right side, respectively, and the upper and lower ends of the cell housing 1 have inlets 31 and 32 and outlets 41 and 42 of the electrolyte used for the respective electrode reactions. Is formed.

이 때 외부에 별도로 장착된 탱크에 보관된 양극 전해질(catholyte)과 음극 전해질(anolyte)이 셀하우징(1)에 유입됨에 따라 충방전이 일어나게 되며, 상기 양 극 및 음극 전해질은 이온교환막(10)에 의해서 서로 분리되어 전해액간의 혼합이 방지되고 이온의 전달만 허용되며, 충전과 방전시에 각 전극의 적층전지 또는 단위 전지의 전해질 통로를 따라 흐르면서 순환된다.At this time, the charge and discharge occurs as the positive and negative electrolytes (catholyte) and the negative electrolyte (anolyte) stored in the tank separately mounted to the outside of the cell housing (1), the positive and negative electrolytes are ion exchange membrane (10) It is separated from each other by to prevent the mixing between the electrolyte solution, and only the transfer of ions is allowed, it is circulated while flowing along the electrolyte passage of the laminated battery or unit cell of each electrode during charging and discharging.

이러한 레독스 플로우 전지는 전기 부하를 포함하는 외부 회로에 전기적 부하를 연결하여 전류를 흐르게 함으로서 방전되며, 반대로 전지에 외부 전원을 연결하여 전류를 유입되게 함으로서 충전이 진행된다. Such a redox flow battery is discharged by connecting an electrical load to an external circuit including an electrical load and allowing a current to flow therein, and conversely, charging is performed by connecting an external power source to the battery to allow a current to flow therein.

일반적으로 양극 전해질 용액(catholyte)은 레독스 커플이 두가지 가전자 상태 중 높은 쪽으로 산화될 때 충전되며, 레독스 커플이 두가지 가전자 상태 중 낮은 쪽으로 환원될 때 방전이 된다. 역으로 음극 전해질 용액(anolyte)은 레독스 커플이 두가지 가전자 상태 중 낮은 쪽으로 환원될 때 충전되며, 레독스 커플이 두가지 가전자 상태 중 높은 쪽으로 산화될 때 방전된다. In general, a catholyte is charged when the redox couple is oxidized to the higher of the two valence states, and discharges when the redox couple is reduced to the lower of the two valence states. Conversely, an anode electrolyte is charged when the redox couple is reduced to the lower of the two valence states, and is discharged when the redox couple is oxidized to the higher of the two valence states.

이러한 양극 전해질과 음극 전해질은 전해질 탱크의 외부에서 펌프를 통하여 셀로 순환되어지는 순환식 (flow mode) 전지 시스템이 있으며, 반면 전해질을 순환시키지 않고 전해액이 전극에 함침되고 셀 내부에 정치되어 작동이 되는 배치 모드(batch mode) 전지 시스템으로도 사용 가능하다.Such a cathode electrolyte and a cathode electrolyte have a flow mode battery system circulated into a cell through a pump outside of an electrolyte tank, whereas an electrolyte solution is impregnated in an electrode and left standing inside a cell to operate without circulating the electrolyte. It can also be used as a batch mode battery system.

한편, 상기와 같은 레독스 플로우 전지는 그 출력을 증가시키기 위하여 보다 얇은 이온교환막의 사용이 요구되는데, 이러한 이온교환막은 그 두께가 얇을수록 기계적 강도는 떨어지게 되는 문제점이 있기 때문에 그 기계적 강도를 유지하면서 두께를 얇게 할 수 있는 격리막 구조에 관한 연구가 시급한 실정이다. 이온교환막의 두께가 약 100um이하일 경우에는 셀 제조시 멤브레인이 파손되는 경우가 종종 있었다.On the other hand, the redox flow battery as described above requires the use of a thinner ion exchange membrane to increase the output, the thinner the ion exchange membrane has a problem that the mechanical strength is lowered, while maintaining the mechanical strength There is an urgent need to study the structure of the separator that can be reduced in thickness. When the thickness of the ion exchange membrane was about 100 μm or less, the membrane was often broken during cell manufacture.

아울러, 레독스 플로우 전지에서 전해질의 반응은 양극과 음극에서 서로 다르며 전해액의 흐름현상이 존재함에 따라 양극쪽과 음극쪽에서 압력차가 발생하게 되는데, 이러한 압력차이는 중간의 이온교환막의 물성에 영향을 주어 전지의 수명과 효율 등에 악영향을 미치기 때문에 이를 해결할 수 있는 방안도 모색 중에 있는 실정이다.In addition, the reaction of the electrolyte in the redox flow battery is different from the positive electrode and the negative electrode, the pressure difference occurs in the positive electrode side and the negative electrode side as the flow of the electrolyte is present, this pressure difference affects the physical properties of the intermediate ion exchange membrane Since it adversely affects the life and efficiency of the battery, there is also a way to solve this problem.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 구성된 것으로, 레독스 플로우 전지의 구성요소로 사용되는 이온교환막에 전기화학적인 활성이 없으며 화학적으로 안정한 다공성 고분자막을 부착시켜 이온교환막의 기계적 강도를 증가시키고 이온교환막의 열화를 억제할 수 있는 격리막 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.Therefore, the present invention is configured to solve the above problems, by attaching a chemically stable porous polymer membrane to the ion exchange membrane used as a component of the redox flow battery to increase the mechanical strength of the ion exchange membrane and An object of the present invention is to provide a separator structure capable of suppressing deterioration of an ion exchange membrane.

또한, 본 발명은 상기와 같이 다공성 고분자막이 부착된 이온교환막을 격리막의 구조를 포함하는 레독스 플로우 전지를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to provide a redox flow battery comprising a structure of a membrane separating an ion exchange membrane having a porous polymer membrane as described above.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above object,

이온교환막의 양쪽에 샌드위치형으로 다공성 고분자막이 부착된 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 격리막 구조를 제공함으로써 달성된다.It is achieved by providing a separator structure for a redox flow battery, characterized in that a porous polymer membrane is attached to both sides of the ion exchange membrane in a sandwich form.

또한, 본 발명은 전술한 격리막 구조에 있어서, 상기 고분자막은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐디플루오라이드(PVdF), 폴리아크릴로니트릴(PAN)계의 고분자 물질을 필름이나 부직포, 펠트(felt)의 형태로 제작된 것임을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 격리막 구조를 제공한다.In addition, in the above-described separator structure, the polymer membrane is a film or non-woven fabric of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinyl difluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN) -based polymer material It provides a separator structure for a redox flow battery, characterized in that it is manufactured in the form of a felt (felt).

또한, 본 발명은 셀하우징 내부에 그 중심을 가로지르며 설치된 이온교환막 과, 상기 이온교환막에 의해 분리된 셀하우징의 내부에 각각 위치되는 양극 및 음극과, 상기 셀하우징의 상. 단에 전극별로 형성되어 각각의 전극에 사용되는 전해액의 유입 및 유출을 수행하는 각각의 유입구 및 유출구를 포함하는 레독스 플로우 전지에 있어서, 상기 이온교환막의 양쪽에는 다공성 고분자막이 부착된 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지를 제공한다.In addition, the present invention is an ion exchange membrane installed across the center of the cell housing, the anode and cathode are respectively located inside the cell housing separated by the ion exchange membrane, the image of the cell housing. In the redox flow battery is formed for each electrode at each end and the inlet and outlet to perform the inflow and outflow of the electrolyte used for each electrode, characterized in that the porous polymer membrane is attached to both sides of the ion exchange membrane Provided is a redox flow battery.

또한, 본 발명은 전술한 레독스 플로우 전지에 있어서, 양극 전해질로 V(IV)/V(V) 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용한 전바나듐계 레독스 플로우 전지인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지를 제공한다.In the redox flow battery described above, the present invention uses a V (IV) / V (V) redox couple as a cathode electrolyte and a V (II) / V (III) redox couple as a cathode electrolyte. It provides a redox flow battery, which is an all-vanadium redox flow battery.

또한, 본 발명은 전술한 레독스 플로우 전지에 있어서, 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용한 전바나듐계 레독스 플로우 전지인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지를 제공한다.In the redox flow battery described above, the present invention is an all-vanadium redox flow battery using a halogen redox couple as a cathode electrolyte and a V (II) / V (III) redox couple as a cathode electrolyte. Provided is a redox flow battery.

또한, 본 발명은 전술한 레독스 플로우 전지에 있어서, 양극 전해질로 할로겐을 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 설퍼이드 레독스 커플을 사용한 폴리설퍼이드브로민(PSB) 레독스 플로우 전지인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지를 제공한다.In addition, the present invention, in the above-described redox flow battery, it is a polysulfide bromine (PSB) redox flow battery using a redox couple as a cathode electrolyte and a sulfide redox couple as a cathode electrolyte. A redox flow battery is provided.

또한, 본 발명은 전술한 레독스 플로우 전지에 있어서, 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을 사용하고, 음극전해질로 아연(Zn) 레독스 커플을 사용한 아연-브롬(Zn-Br) 레독스 플로우 전지인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지를 제공한 다.In addition, the present invention is a zinc-bromine (Zn-Br) redox flow battery using a halogen redox couple as the cathode electrolyte, and a zinc (Zn) redox couple as the cathode electrolyte in the above-described redox flow battery It provides a redox flow battery, characterized in that.

또한, 본 발명은 다수의 바이폴라 플레이트가 직렬로 연결되어 있고, 상기 바이폴라 플레이트들 사이에 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 설치된 레독스 플로우 적층전지에 있어서, 상기 양이온 교환막과 음이온 교환막은 양쪽에 샌드위치형의 다공성 고분자막이 부착된 격리막 구조가 적용된 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 적층전지를 제공한다.In addition, the present invention is a redox flow laminated battery in which a plurality of bipolar plates are connected in series, and a cation exchange membrane and an anion exchange membrane are alternately disposed between the bipolar plates, wherein the cation exchange membrane and the anion exchange membrane are sandwiched at both sides. It provides a redox flow laminated battery characterized in that the separator structure is applied with a porous polymer membrane attached.

상술한 바와 같이 본 발명의 레독스 플로우 전지용 격리막 구조는 이온교환막의 양측에 다공성 고분자막을 부착하여 얇은 두께를 갖는 이온교환막의 취약점이었던 기계적 강도를 향상시키고, 전해액의 흐름현상에 발생되는 압력차를 이온교환막(10)에 직접적으로 미치는 영향을 감소하여 전지의 수명과 출력특성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 셀의 내부 저항 증가 없이 양극과 음극을 구별 짓는 전해질 격리막의 보호와 셀의 단락이 일어나는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.As described above, the separator structure for a redox flow battery of the present invention attaches a porous polymer membrane to both sides of the ion exchange membrane to improve mechanical strength, which is a weak point of the ion exchange membrane having a thin thickness, and improves the pressure difference generated by the flow phenomenon of the electrolyte. In addition to improving the life and output characteristics of the battery by directly reducing the influence on the exchange membrane 10, the protection of the electrolyte separator that distinguishes the positive electrode and the negative electrode without increasing the internal resistance of the cell and the prevention of a short circuit of the cell can be prevented. It can be effective.

이하에서는 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 도시된 실시예에 따라 구체적으로 설명하기는 하나, 본 고안이 도면에 도시된 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the accompanying drawings, but the present invention is not limited to the embodiments shown in the drawings.

도 2는 본 발명의 격리막 구조를 갖는 레독스 플로우 전지를 간략하게 나타 낸 도면이다. 2 is a view schematically showing a redox flow battery having a separator structure of the present invention.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 격리막 구조는 이온교환막(10)의 양쪽, 즉 양극 전해질 및 음극 전해질과 접촉되는 좌. 우면에 샌드위치형으로 다공성 고분자막(51,52)이 부착된 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 다공성 고분자 막의 부착은 젖음성이 좋은 막의 특성상 수용성 전해액이나 순수 증류수에 함침시킨 후 부착을 시키면 용이하게 이루어진다. 경우에 따라서는 소량의 고분자 결합제를 이온교환막의 네 귀퉁이와 중앙부분에 사용하여 부착을 시킬 수도 있다. As shown therein, the separator structure of the present invention is left in contact with both sides of the ion exchange membrane 10, i.e., the positive and negative electrolytes. Sandwich type on the right side is characterized in that the porous polymer membrane (51, 52) is attached. The adhesion of the porous polymer membrane as described above is easily achieved by impregnating it with an aqueous electrolyte solution or pure distilled water due to the property of the membrane having good wettability. In some cases, a small amount of polymeric binder may be used at the four corners and at the center of the ion exchange membrane for adhesion.

이러한 다공성 고분자막(51,52)은 고출력을 위하여 이온교환막(10)의 두께를 얇게 하였을 경우 필연적으로 떨어지는 기계적 강도를 보강하며, 이와 같이 이온교환막(10)에 강도를 충분히 발현시킴과 동시에 그 외부면을 보호하는 역할을 수행하게 되는데, 이에 전지에 사용시 양극과 음극에서 서로 다른 전해액의 흐름현상에 발생되는 압력차를 이온교환막(10)에 직접적으로 미치는 영향을 감소하여 전지의 수명과 효율을 향상시킬 수 있다.The porous polymer membranes 51 and 52 reinforce mechanical strength inevitably falling when the thickness of the ion exchange membrane 10 is reduced for high output, and thus sufficiently express the strength in the ion exchange membrane 10 and at the same time the outer surface thereof. In this case, the pressure difference generated in the flow of different electrolytes in the positive electrode and the negative electrode when used in the battery is directly reduced on the ion exchange membrane 10 to improve the life and efficiency of the battery. Can be.

상기와 같이 사용되는 다공성 고분자막(51,52)으로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐디플루오라이드(PVdF), 폴리아크릴로니트릴(PAN)계의 고분자 물질을 필름이나 부직포, 펠트(felt) 등의 형태로 제작된 것을 사용되며, 이러한 고분자막(51,52)의 기공크기는 사용되는 전해액에 따라 그 이온 크기가 다르기 때문에 크게 한정되지 않으나, 다만 상기 전해액의 이동에 방해되지 않을 정도의 크기를 갖도록 하는 것이 바람직하다.Examples of the porous polymer membranes 51 and 52 used as described above include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinyl difluoride (PVdF), and polyacrylonitrile (PAN) -based polymer materials such as films, nonwoven fabrics, It is used in the form of a felt (felt) or the like, the pore size of the polymer membrane (51, 52) is not limited because the ionic size is different depending on the electrolyte used, but will not interfere with the movement of the electrolyte It is desirable to have a degree of size.

상기한 격리막 구조에서 다공성 고분자막(51,52)의 두께가 5~50um 되도록 하 는 것이 바람직하며, 이에 이온교환막(10)은 그 두께가 25~125um가 되더라도 충분한 기계적 강도를 갖게 된다. 이는 종래 통상적으로 125um 이상의 두께를 갖던 이온교환막과 비교하여 그 두께를 현저하게 줄일 수 있다.In the above-described separator structure, the thickness of the porous polymer membranes 51 and 52 is preferably 5 μm to 50 μm, and thus the ion exchange membrane 10 may have sufficient mechanical strength even if its thickness is 25 μm to 125 μm. This can significantly reduce the thickness compared to the ion-exchange membrane conventionally had a thickness of 125um or more.

이와 같은 고분자막(51,52)이 부착되는 이온교환막(10)으로는 종래 레독스 플로우 전지에 사용되던 나피온(Nafion) 양이온 교환막이 바람직하나, 슬폰산기 또는 카르복실산기를 가지는 양이온 교환막이나 암모늄기 또는 포스포늄기를 가지는 음이온 교환막 모두에 적용 가능한 기술이다.As the ion exchange membrane 10 to which the polymer membranes 51 and 52 are attached, a Nafion cation exchange membrane used in a conventional redox flow battery is preferable, but a cation exchange membrane or an ammonium group having a sulfonic acid group or a carboxylic acid group or It is a technique applicable to both the anion exchange membrane which has a phosphonium group.

한편, 이와 같은 다공자 고분자막(51,52)을 이온교환막(10)에 부착시킴에 따라 셀하우징(1)과 이격으로 인해 전해액의 누수가 발생될 수 있으며, 이에 다공성 고분자막(51,52)과 셀하우징(1) 사이에 가스켓(미도시)을 사용할 수 있으며, 이는 당해분야에서 밀폐 및 누수방지를 위해 통상적으로 사용되는 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.Meanwhile, as the porous polymer membranes 51 and 52 are attached to the ion exchange membrane 10, leakage of the electrolyte may occur due to separation from the cell housing 1. Thus, the porous polymer membranes 51 and 52 may be separated from each other. A gasket (not shown) may be used between the cell housings 1, and a detailed description thereof will be omitted since it is a technique commonly used in the art for sealing and preventing leakage.

아울러, 본 발명은 전술한 바와 같이 이온교환막(10)의 양쪽에 샌드위치형의 다공성 고분자막(51,52)이 부착된 격리막 구조를 포함하는 레독스 플로우 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a redox flow battery including a separator structure having sandwiched porous polymer membranes 51 and 52 attached to both sides of the ion exchange membrane 10 as described above.

도 2에 도시된 바와 같이, 그 구성요소로서 소정의 크기를 갖는 셀하우징(1)과, 상기 셀하우징(1)의 중심을 가로지르며 설치되고 양쪽면에 다공성 고분자막(51,52)이 부착된 이온교환막(10)과, 상기 이온교환막(10)의 분리된 셀하우징(1)의 내부 좌. 우 양쪽에 각각 위치하는 양극(21)과 음극(22)과, 상기 셀하우징(1)의 상. 단에 형성되어 각각의 전극에 사용되는 전해액의 유입 및 유출을 수행하는 유입구(31,32)와 유출구(41,42)가 구비되어 있다. 상기 양극(21)과 음극(22)은 통상적인 재질인 탄소펠트, 탄소부직포, 그라파이트 펠트, 그라파이트 플레이트 등이 사용된다. As shown in FIG. 2, a cell housing 1 having a predetermined size as a component thereof, and a porous polymer membrane 51 and 52 are attached to both sides of the cell housing 1 having a predetermined size. An inner seat of the ion exchange membrane 10 and the separated cell housing 1 of the ion exchange membrane 10. An image of the cell housing 1 and the positive electrode 21 and the negative electrode 22 positioned on both sides thereof. Inlets 31 and 32 and outlets 41 and 42 which are formed at the stage and perform inflow and outflow of the electrolyte solution used for the respective electrodes are provided. The positive electrode 21 and the negative electrode 22 include carbon felt, carbon nonwoven fabric, graphite felt, graphite plate, and the like, which are conventional materials.

이와 같은 레독스 플로우 전지의 반응 메카니즘은 상기 양극(21) 및 음극(22)의 산화/환원반응에 의해 이루어지며, 상기와 같은 반응을 일으키기 위한 양극 전해질과 음극 전해질은 별도의 보관탱크(미도시)에 각각 보관되어 셀하우징(1)에 각각 형성된 전해질 유입구(31,32)를 통해 셀하우징(1) 내부로 유입되어 양극(21) 및 음극(22)과 접촉하여 반응을 일으킨 후, 각각의 전해질 유출구(41,42)를 통해 외부로 유출되는 순환시스템을 갖는다.The reaction mechanism of the redox flow battery is formed by the oxidation / reduction reaction of the positive electrode 21 and the negative electrode 22, and the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte for causing the above reaction are stored in separate storage tanks (not shown). Stored in the cell housing 1 and introduced into the cell housing 1 through the electrolyte inlets 31 and 32 formed in the cell housing 1 to contact the positive electrode 21 and the negative electrode 22 to cause a reaction. It has a circulation system that flows out through the electrolyte outlet (41, 42).

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 레독스 플로우 전지는 양극 전해질로 V(IV)/V(V) 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용한 전바나듐계 레독스 플로우 전지에 적용될 수 있다.The redox flow battery of the present invention having the above-described configuration uses V (IV) / V (V) redox couple as the cathode electrolyte and V (II) / V (III) redox couple as the cathode electrolyte. It can be applied to all-vanadium redox flow battery.

또한, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 레독스 플로우 전지는 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용한 전바나듐계 레독스 플로우 전지에 적용될 수 있다.In addition, the redox flow battery of the present invention having the configuration described above uses a halogen redox couple as the cathode electrolyte, and an all-vanadium redox flow using the V (II) / V (III) redox couple as the cathode electrolyte. It can be applied to a battery.

또한, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 레독스 플로우 전지는 양극 전해질로 할로겐을 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 설퍼이드 레독스 커플을 사용한 폴리설퍼이드브로민(PSB) 레독스 플로우 전지에 적용될 수 있다.In addition, the redox flow battery of the present invention having the configuration as described above is a polysulfide bromine (PSB) redox flow battery using a halogen redox couple as a cathode electrolyte, and a sulfide redox couple as a cathode electrolyte Can be applied to

또한, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 레독스 플로우 전지는 양극 전해질 로 할로겐 레독스 커플을 사용하고, 음극전해질로 아연(Zn) 레독스 커플을 사용한 아연-브로민(Zn-Br) 레독스 플로우 전지에 적용될 수 있다.In addition, the redox flow battery of the present invention having the configuration described above uses a halogen redox couple as a cathode electrolyte, and zinc-bromine (Zn-Br) redox using a zinc (Zn) redox couple as a cathode electrolyte. It can be applied to the flow battery.

아울러, 본 발명의 이온교환막(10)의 양쪽에 샌드위치형의 다공성 고분자막(51,52)이 부착된 격리막 구조는 단전지 및 바이폴라 플레이트에 의해 직렬로 연결된 레독스 플로우 적층전지에도 적용이 가능하다.In addition, the separator structure having sandwiched porous polymer membranes 51 and 52 attached to both sides of the ion exchange membrane 10 of the present invention may be applied to a redox flow stacked battery connected in series by a single cell and a bipolar plate.

도 3은 본 발명의 격리막 구조를 갖는 적층전지에 적용된 것을 간략하게 나타낸 도면이다.3 is a view showing briefly applied to the laminated battery having a separator structure of the present invention.

이에 도시된 바와 같이, 다수의 바이폴라 플레이트(B)가 직렬로 연결되어 있고, 상기 바이폴라 플레이트(B) 간의 양이온 교환막 또는 음이온 교환막으로 이온교환막의 양쪽에 샌드위치형의 다공성 고분자막이 부착된 격리막 구조(M)가 적용된 레독스 플로우 적층전지를 보여주고 있다. 미설명 부호인 (E1)과 (E2)는 각각 양극 전해액(catholyte)과 음극 전해액(anolyte)을 나타낸 것이고, (P1)과 (P2)는 각각 전해액 펌프를 나타낸 것이다.As shown therein, a plurality of bipolar plates (B) are connected in series, and a separator structure (M) in which a sandwich-type porous polymer membrane is attached to both sides of an ion exchange membrane by a cation exchange membrane or an anion exchange membrane between the bipolar plates (B). ) Shows a redox flow stacked battery applied. Unexplained reference numerals (E1) and (E2) indicate a cathode electrolyte and a cathode electrolyte, respectively, and (P1) and (P2) indicate an electrolyte pump, respectively.

즉, 본 발의 격리막 구조는 레독스 플로우 전지 시스템의 순환모드 또는 배치 모드(batch mode)에 모두 적용 가능하며, 특히 적층전지(스택 모듈단위의 스택전지)뿐만 아니라 단위전지에서도 모두 적용 가능한 기술이다.That is, the separator structure of the present invention is applicable to both the circulation mode and the batch mode of the redox flow battery system, and is particularly applicable to not only a stacked battery (stack cell in a stack module unit) but also a unit cell.

이하 본 발명을 하기 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아 니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, which are only presented to aid the understanding of the present invention, but the present invention is not limited thereto.

<실시예1>Example 1

나피온(Nafion)을 가로 및 세로 45mmx60mm 크기로 잘라 3% 과산화수소수에 넣어 100℃로 1시간 동안 가열한 후 실온까지 냉각하고 증류수로 세척하여 이온교환막을 만든 다음, 상기 이온교환막의 양면에 동일한 크기의 다공성 폴리에틸렌/폴리프로필렌 고분자막(Celgard 3501)을 부착하여 격리막을 제조하였다. 이때 제조된 격리막은 하나의 다공성 고분자막의 두께가 25um이고, 이온교환막은 두께가 180um이도록 제작되었다.Cut Nafion into 45mmx60mm horizontally and vertically, put it in 3% hydrogen peroxide water, heat it to 100 ° C for 1 hour, cool it to room temperature and wash it with distilled water to make an ion-exchange membrane. The porous polyethylene / polypropylene polymer membrane (Celgard 3501) was attached to prepare a separator. In this case, the prepared membrane was made of one porous polymer membrane having a thickness of 25 μm and the ion exchange membrane having a thickness of 180 μm.

이와 같이 양면에 고분자막이 부착된 이온교환막을 도 1과 같이 제작된 시험용 셀에 장착하고, 전극으로 그라파이트 펠트(graphite felt)를 사용한 다음, 전해질에서의 임피던스를 측정하여 격리막에 따른 저항특성을 분석하여 그 결과를 첨부된 도 4에 나타내었다. As described above, an ion exchange membrane having polymer membranes attached to both surfaces thereof was mounted in a test cell manufactured as shown in FIG. 1, graphite graphite was used as an electrode, and the impedance characteristics of the electrolyte were measured to analyze resistance characteristics of the separator. The results are shown in Figure 4 attached.

아울러, 비교예로서 고분자막이 부착되지 않고 단지 180um의 두께를 갖는 나피온 이온교환막으로만 이루어진 격리막에 대해서도 동일한 조건에서 동일한 방법으로 저항특성을 측정하여 그 결과를 도 4에 함께 나타내었다. In addition, as a comparative example, even for a separator formed of a Nafion ion exchange membrane having a thickness of only 180 μm without a polymer membrane attached thereto, resistance characteristics were measured in the same manner under the same conditions, and the results are shown in FIG. 4.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이온교환막에 대한 임피던스 측정결과를 나타낸 그래프로서, (a)는 비교예로서 단지 이온교환막으로만 이루어진 격리막에 대한 측정결과이며, (b)는 본원발명의 다공성 고분자막이 양면에 부착된 격리막에 대한 측정결과를 나타낸 것이다.Figure 4 is a graph showing the impedance measurement results for the ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention, (a) is a measurement result for the separator consisting of only the ion exchange membrane as a comparative example, (b) is a porous of the present invention It shows the measurement results for the separator attached to the polymer film on both sides.

상기 도 4의 측정결과를 통해 알 수 있듯이, 이온교환막을 단독으로 사용한 (a)의 경우 Rs값은 0.19이며 Rp값은 0.38이었으나, 본 발명에 해당하는 고분자막이 부착된 이온교환막을 사용한 (b)의 경우 Rs값이 0.21이며 Rp값은 0.37임을 확인하였으며, 이는 본원발명에 해당하는 격리막의 경우 고분자막이 두께만큼 비교예보다 약 1.3배 두껍지만 저항의 증가는 크게 없는 것을 알 수 있으며, 이는 이온교환막의 두께가 동일할 경우 저항의 증가는 없으며 다공성 고분자 막으로 인한 기계적 강도의 증가 효과가 있어 셀의 수명특성에 긍정적인 효과가 있다.As can be seen from the measurement result of FIG. 4, in the case of (a) using the ion exchange membrane alone, the Rs value was 0.19 and the Rp value was 0.38, but the ion exchange membrane with the polymer membrane according to the present invention was used (b). In the case of Rs value is 0.21 and Rp value is 0.37, which indicates that the polymer membrane of the present invention is about 1.3 times thicker than the comparative example by the thickness, but there is no significant increase in resistance. If the thickness of is the same, there is no increase in resistance, there is an increase in mechanical strength due to the porous polymer membrane has a positive effect on the life characteristics of the cell.

또한, 다공성 고분자막에 의한 저항 증가가 없으므로 이온교환막의 두께를 줄이고 다공성 고분자막으로 대체하게 되면 저항이 감소한다는 것을 알 수 있다. 동일한 전해질 용액내에서 Rs값이 이온교환막에 의해서 결정된다는 것을 감안하면 같은 종류의 이온교환막에서 두께가 얇을 수록 저항은 적어진다는 것은 자명한 사실이다. 따라서 본 발명에서 고안된 격리막을 사용할 경우 동일한 격리막의 두께를 가지게 되면 셀의 저항이 감소하여 출력이 증가하게 되는 효과가 있다.In addition, since there is no increase in resistance by the porous polymer membrane, it can be seen that the resistance decreases when the thickness of the ion exchange membrane is reduced and the substitution by the porous polymer membrane. Considering that the Rs value is determined by the ion exchange membrane in the same electrolyte solution, it is obvious that the thinner the thickness of the same type of ion exchange membrane, the lower the resistance. Therefore, when using the separator designed in the present invention having the same thickness of the separator has the effect of reducing the resistance of the cell to increase the output.

도 1은 종래 레독스 플로우 전지를 간략하게 나타낸 도면1 is a view schematically showing a conventional redox flow battery

도 2는 본 발명은 격리막 구조를 갖는 레독스 플로우 전지를 간략하게 나타낸 도면2 is a schematic view of a redox flow battery having a separator structure according to the present invention.

도 3은 본 발명의 격리막 구조를 갖는 적층전지에 적용된 것을 간략하게 나타낸 도면3 is a view briefly applied to a laminated battery having a separator structure of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이온교환막에 대한 임피던스 측정결과를 나타낸 그래프Figure 4 is a graph showing the impedance measurement results for the ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention

<도면의 주요부호에 대한 상세한 설명><Detailed description of the major symbols in the drawings>

1 : 셀하우징1: Cell Housing

10 : 이온교환막  10: ion exchange membrane

21 : 양극 22 : 음극   21: anode 22: cathode

31 : 양극 전해액 유입구 32 : 음극 전해액 유입구  31: anode electrolyte inlet 32: cathode electrolyte inlet

41 : 양극 전해액 유출구 42 : 음극 전해액 유출구  41: anode electrolyte outlet 42: cathode electrolyte outlet

51,52 : 다공성 고분자막   51,52: Porous polymer membrane

Claims (8)

이온교환막의 양쪽에 샌드위치형으로 다공성 고분자막이 부착된 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 격리막 구조.Separator structure for a redox flow battery, characterized in that the porous polymer membrane is attached to both sides of the ion exchange membrane in a sandwich form. 청구항 1에 있어서, 상기 고분자막은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐디플루오라이드(PVdF), 폴리아크릴로니트릴(PAN)계의 고분자 물질 또는 그 혼합체를 다공성 필름이나 부직포, 펠트(felt)의 형태로 제작된 것임을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지용 격리막 구조.The method of claim 1, wherein the polymer membrane is polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinyl difluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN) -based polymer material or a mixture thereof is a porous film, nonwoven fabric, felt ( Separator structure for a redox flow battery, characterized in that it is manufactured in the form of (felt). 셀하우징 내부에 그 중심을 가로지르며 설치된 이온교환막과, 상기 이온교환막에 의해 분리된 셀하우징의 내부에 위치되는 양극 및 음극과, 상기 셀하우징의 상. 단에 전극별로 형성되어 각각의 전극에 사용되는 전해액의 유입 및 유출을 수행하는 각각의 유입구 및 유출구를 포함하는 레독스 플로우 전지에 있어서,An ion exchange membrane disposed across the center of the cell housing, an anode and a cathode positioned inside the cell housing separated by the ion exchange membrane, and an image of the cell housing. In the redox flow battery which is formed for each electrode in the stage and each inlet and outlet for performing the inflow and outflow of the electrolyte used for each electrode, 상기 이온교환막의 양쪽에는 다공성 고분자막이 부착된 청구항 1 또는 청구항 2의 격리막 구조가 적용된 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지.Redox flow battery, characterized in that the separator structure of claim 1 or 2 is applied to both sides of the ion exchange membrane is attached to the porous polymer membrane. 청구항 3에 있어서, 상기 양극 전해질로 V(IV)/V(V) 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용한 바나듐계 레독스 전지인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지.The vanadium-based redox battery according to claim 3, wherein V (IV) / V (V) redox couple is used as the cathode electrolyte and V (II) / V (III) redox couple is used as the cathode electrolyte. Redox flow battery made. 청구항 3에 있어서, 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 V(II)/V(III) 레독스 커플을 사용한 바나듐계 레독스전지인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지.The redox flow battery according to claim 3, wherein the halogen redox couple is used as the positive electrolyte and the vanadium redox battery is used using the V (II) / V (III) redox couple as the negative electrolyte. 청구항 3에 있어서, 양극 전해질로 할로겐을 레독스 커플을 사용하고, 음극 전해질로 설퍼이드 레독스 커플을 사용한 폴리설퍼이드브로민(PSB) 레독스 전지인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지.The redox flow battery according to claim 3, wherein the redox flow battery is a polysulfide bromine (PSB) redox battery using a halogen as a cathode electrolyte and a redox couple as a cathode electrolyte. 청구항 3에 있어서, 양극 전해질로 할로겐 레독스 커플을 사용하고, 음극전해질로 아연(Zn) 레독스 커플을 사용한 아연-브로민(Zn-Br) 레독스 전지인 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 전지.The redox flow battery according to claim 3, which is a zinc-bromine (Zn-Br) redox battery using a halogen redox couple as a cathode electrolyte and a zinc (Zn) redox couple as a cathode electrolyte. 다수의 바이폴라 플레이트가 직렬로 연결되어 있고, 상기 바이폴라 플레이트들 사이에 양이온 교환막과 음이온 교환막이 교대로 설치된 레독스 플로우 적층전지에 있어서,In a redox flow stacked battery in which a plurality of bipolar plates are connected in series, and a cation exchange membrane and an anion exchange membrane are alternately disposed between the bipolar plates. 상기 양이온 교환막과 음이온 교환막은 양쪽에 샌드위치형의 다공성 고분자막이 부착된 청구항 1 또는 청구항 2의 격리막 구조가 적용된 것을 특징으로 하는 레독스 플로우 적층전지.The cation exchange membrane and the anion exchange membrane is a redox flow laminated battery, characterized in that the separator structure of claim 1 or 2, wherein a sandwich type porous polymer membrane is attached to both sides.
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