KR20140018902A - 전지용 시일 구조, 전해액 유통형 전지용 셀 프레임, 전해액 유통형 전지용 셀 스택, 및 전해액 유통형 전지 - Google Patents

전지용 시일 구조, 전해액 유통형 전지용 셀 프레임, 전해액 유통형 전지용 셀 스택, 및 전해액 유통형 전지 Download PDF

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히로유키 나카이시
야스미츠 츠츠이
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

조립성이 뛰어난 전지용 시일 구조 및 이 전지용 시일 구조를 구비하는 전해액 유통형 전지용 셀 프레임, 전해액 유통형 전지용 셀 스택, 및 전해액 유통형 전지를 제공한다. 셀 프레임(10)은, 전지용 판형 부재(쌍극판)(11)와, 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부를 표리로부터 압박하여 사이에 두는 한 쌍의 프레임(12a, 12b)과, 탄성 재료로 이루어지는 고리형의 패킹(20)을 구비한다. 프레임(12a, 12b)에는 서로의 대향면 사이에 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부를 수용하는 고리형의 홈(14)이 형성되어 있다. 패킹(20)은, 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부에 부착되어 있으며, 고리형의 홈(14) 내에 배치되고, 프레임(12a, 12b)과 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부의 사이에서 압접된다. 패킹(20)은, 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부를 협지하는 한 쌍의 다리부(21)와, 이들 다리부(21)를 연결하는 베이스부(22)를 갖는다. 상기 구성에 의해, 각 프레임(12a, 12b)의 개구의 내부에 형성되는 공간을 밀봉하는 전지용 시일 구조가 형성된다.

Description

전지용 시일 구조, 전해액 유통형 전지용 셀 프레임, 전해액 유통형 전지용 셀 스택, 및 전해액 유통형 전지{BATTERY SEALING STRUCTURE, ELECTROLYTE CIRCULATION TYPE BATTERY CELL FRAME, ELECTROLYTE CIRCULATION TYPE BATTERY CELL STACK, AND ELECTROLYTE CIRCULATION TYPE BATTERY}
본 발명은 조립성이 뛰어난 전지용 시일 구조 및 이 전지용 시일 구조를 구비하는 전해액 유통형 전지용 셀 프레임, 전해액 유통형 전지용 셀 스택 및 전해액 유통형 전지에 관한 것이다.
대용량 축전지 중 하나로, 레독스 플로우 전지 등의 전해액 유통형 전지가 있다. 레독스 플로우 전지는, 격막과, 격막을 사이에 두고 대향하는 양극 전극 및 음극 전극을 포함하는 셀에 양극 전해액 및 음극 전해액을 각각 공급하여 충방전을 수행한다. 전해액에는, 산화 환원에 의해 가수가 변화하는 금속 이온을 함유하는 수용액이 일반적으로 사용되고 있다. 레독스 플로우 전지로는, 예컨대, 양극 전해액에 철 이온 수용액, 음극 전해액에 크롬 이온 수용액을 사용한 철-크롬계 레독스 플로우 전지 외에, 양음극의 전해액에 바나듐 이온 수용액을 사용한 바나듐계 레독스 플로우 전지가 잘 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1∼3 참조).
도 8은 전해액 유통형 전지(레독스 플로우 전지)를 설명하기 위한 개요도이다. 레독스 플로우 전지(100)는 셀(110)을 구비한다. 셀(110)은 이온을 투과할 수 있는 격막(111)으로 양극 셀(112)과 음극 셀(113)로 구획되고, 양극 셀(112)에는 양극 전극(114)이, 음극 셀(113)에는 음극 전극(115)이 각각 수용되어 있다. 또한, 레독스 플로우 전지(100)는, 양극용 및 음극용에 각각, 전해액을 저장하는 전해액 탱크(120)와, 전해액을 전해액 탱크(120)와 전지 셀(110)[양극 셀(112), 음극 셀(113)] 사이에서 순환시키기 위한 순환 경로(130)와, 순환 경로(130)에 전해액을 순환시키는 순환 펌프(140)를 구비한다. 순환 경로(130)는, 전해액을 전해액 탱크(120)로부터 전지 셀(110)[양극 셀(112), 음극 셀(113)]로 보내는 왕로 배관(131)과, 전해액을 전지 셀(110)[양극 셀(112), 음극 셀(113)]로부터 전해액 탱크(120)로 되돌리는 복로 배관(132)을 갖는다. 또한, 도 8에 도시한 레독스 플로우 전지(100)에서는, 양음극의 전해액에 바나듐 이온 수용액을 사용한 경우를 예로 들고 있다. 또한, 도 8에서의 전지 셀 내의 실선 화살표는 충전 반응을, 파선 화살표는 방전 반응을 각각 나타낸다.
레독스 플로우 전지의 셀은, 일반적으로, 격막과, 격막을 사이에 두고 대향하는 양극 전극 및 음극 전극을 포함하는 셀을 복수개 적층시킨 셀 스택이라 불리는 형태로 이용된다. 도 9는 셀 스택을 설명하기 위한 개요도이다. 셀 스택(200)에는 쌍극판(211)과 쌍극판(211)을 고정하는 프레임(212)을 구비하는 셀 프레임(210)이 이용되고 있으며, 셀 스택(200)은 양극 전극(114), 격막(111), 음극 전극(115)을 포갠 셀을 셀 프레임(210)을 사이에 두고 복수개 적층한 구조로 되어 있다. 즉, 셀 프레임(210)[쌍극판(211)] 사이에 하나의 셀이 형성되게 되고, 셀 프레임(210)[프레임(212)]의 개구의 내부에 형성되는 공간에는 쌍극판(211)을 사이에 두고 표리에 서로 이웃하는 셀의 음극 전극(음극 셀)과 양극 전극(양극 셀)이 배치되게 된다. 이 셀 프레임(210)의 프레임(212)에는, 각 전극에 전해액을 공급 및 배출하기 위해, 표리에 관통하는 급액용 매니폴드(213, 214) 및 배액용 매니폴드(215, 216)와, 표리면에 엇갈리게 형성되며, 각 매니폴드로부터 각 전극으로 전해액을 안내하는 안내 홈이 마련되어 있다. 또한, 경우에 따라서는, 안내 홈을 덮 도록 플라스틱으로 된 보호판(도시하지 않음)을 배치하고, 안내 홈과 격막(111)이 직접 접촉하지 않도록 하여, 적층했을 때 격막(111)에 깨짐이 잘 발생하지 않게 할 수도 있다. 그리고, 셀 스택(200)은 양극 전극(114), 격막(111), 음극 전극(115)을 포함하는 셀이 셀 프레임(210)을 사이에 두고 복수개 적층된 적층체의 양측에 한 쌍의 엔드 플레이트(220)를 배치하고, 볼트 등의 체결 기구(230)에 의해 양 엔드 플레이트(220)를 적층체의 적층 방향으로 체결함으로써 구성되어 있다(예컨대, 특허문헌 1의 단락 0004∼0005, 도 9 등).
상기한 셀 프레임에는, 플라스틱 카본(예, 흑연 함유 수지)으로 된 쌍극판과, 플라스틱(예, 염화 비닐)으로 된 프레임이 많이 사용되고 있다. 이 셀 프레임은, 통상적으로, 한 쌍의 프레임 사이에 쌍극판의 둘레 가장자리부를 사이에 두며, 유기 용제를 이용하여 프레임과 쌍극판을 용착하여 일체화함으로써 조립할 수 있다(예컨대, 특허문헌 3의 단락 0028 등). 이 경우, 한 쌍의 프레임이 프레임을 구성하게 된다. 그리고, 프레임과 쌍극판을 유기 용제로 용착함으로써, 프레임의 개구의 내부에 형성되는 쌍극판에 의해 격리된 공간을 밀봉하는 시일 구조를 형성하고 있다.
일본 특허 공개 2002-367659호 공보 일본 특허 공개 2002-367660호 공보 일본 특허 공개 2001-189156호 공보
상기한 종래 기술에서는, 유기 용제를 이용하여 용착함으로써, 한 쌍의 프레임과 전지용 판형 부재(쌍극판)의 둘레 가장자리부 사이를 밀봉하는 시일 구조로 하고 있다. 그러나, 종래의 전지용 시일 구조에서는 다음과 같은 과제가 있다.
용착 작업은 작업자의 스킬에 의존하기 때문에, 품질에 불균일이 생기기 쉬우므로, 조립성에 과제가 있다.
또한, 한 쌍의 프레임과 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부를 유기 용제로 용착하는 전지용 시일 구조의 경우, 프레임과 전지용 판형 부재 사이의 경계부에 응력이 집중되기 쉽고, 내부 손상을 받기 쉽다는 과제가 있다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적의 하나는 조립성이 뛰어난 전지용 시일 구조를 제공하는 것이다. 또한, 다른 목적은 이 전지용 시일 구조를 구비하는 전해액 유통형 전지용 셀 프레임, 전해액 유통형 전지용 셀 스택, 및 전해액 유통형 전지를 제공하는 것이다.
본 발명은, 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부의 표리를 협지하는 한 쌍의 다리부와, 전지용 판형 부재의 바깥 가장자리에서 이들 다리부를 연결하는 베이스부를 갖는 탄성 재료로 이루어지는 고리형의 패킹을 이용함으로써 상기 과제를 해결한다.
본 발명의 전지용 시일 구조는, 전지용 판형 부재와, 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부를 사이에 두는 한 쌍의 프레임을 구비하며, 각 프레임의 개구의 내부에 형성되는 공간을 밀봉한다. 한 쌍의 프레임은 표리로부터 압박되며, 한 쌍의 프레임에는, 압박 방향으로 서로 대향하는 대향면 사이에 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부를 수용하는 고리형의 홈이 형성되어 있다. 그리고, 이 고리형의 홈 내에 배치되며, 한 쌍의 프레임과 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부의 사이에서 압접되는 탄성 재료로 이루어지는 고리형의 패킹을 구비한다. 이 패킹은, 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부의 표리를 협지하는 한 쌍의 다리부와, 전지용 판형 부재의 바깥 가장자리에서 이들 다리부를 연결하는 베이스부를 갖는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 따르면, 한 쌍의 프레임 사이에 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부를 두고, 한 쌍의 프레임을 표리로부터 압박함으로써, 프레임과 전지용 판형 부재를 일체화하고 있다. 따라서, 용착 작업이 필요하지 않게 되어, 작업자의 스킬에 의존하지 않는 전지용 시일 구조로 할 수 있고, 조립성이 뛰어나다. 또한, 탄성 재료로 이루어지는 고리형의 패킹을 구비함으로써 패킹이 한 쌍의 프레임과 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부의 사이에서 압접됨으로써 변형되어 양자에 밀착되므로, 높은 시일성을 확보할 수 있다. 또한, 패킹이 한 쌍의 다리부와 이들 다리부를 연결하는 베이스부를 가짐으로써, 패킹을 넓혀 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부에 감입만 하는 간단한 작업으로 부착할 수 있으면서, 패킹이 틀어지거나 빠지지 않고 확실하게 부착할 수 있다.
여기서, 패킹은 단면이 대략 V자형이고, 베이스부로부터 뻗는 한 쌍의 다리부의 선단끼리의 간격이 밑동끼리의 간격(즉, 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부의 두께)보다 넓어지도록 형성되어 있으면, 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부에 패킹을 부착할 때, 양 다리부 사이에 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부를 감입하기 쉬워, 패킹 감입 작업을 하기가 용이하다. 예컨대, 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부에 대한 부착전의 상태에서, 양 다리부의 선단끼리의 간격이 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부의 두께에 비해 2배 이상이 바람직하고, 3배 이상이 더 바람직하다.
패킹이 탄성 재료로 이루어짐으로써, 전지용 판형 부재가 팽창·수축 변형하는 사태가 발생해도 패킹이 전지용 판형 부재를 추종하여 신축한다. 또한, 예컨대 전해액 유통형 전지와 같이 전해액의 유통에 따라, 전지용 판형 부재가 변형되거나 응력을 받더라도 패킹이 추종하여 응력을 완화하는 효과가 있다. 따라서, 프레임 또는 전지용 판형 부재가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 전지용 판형 부재의 재료가 한정되지 않고, 전지용 판형 부재의 재료의 선택지가 확대된다.
패킹에 사용하는 탄성 재료로는, 예컨대, 에틸렌­프로필렌­디엔고무(EPDM), 불소 고무, 실리콘 고무 등의 고무를 들 수 있으며, 용도에 따라 적절하게 선택하면 된다. 예컨대, 본 발명의 전지용 시일 구조를 상기한 전해액 유통형 전지(레독스 플로우 전지)의 셀 프레임에 적용하는 경우, 내전해액성이 뛰어난 EPDM이나 불소 고무를 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명의 전지용 시일 구조의 일 형태로는, 패킹의 다리부 중 적어도 하나가 프레임에 대향하는 외면 또는 전지용 판형 부재에 대향하는 내면 중 어느 한면 또는 양면에 돌기를 갖는 것을 들 수 있다.
각 다리부는 프레임과 전지용 판형 부재 사이에서 압접된다. 이 구성에 따르면, 다리부에 돌기를 가짐으로써, 압접되었을 때 돌기가 눌려 찌부러져 압축 변형되어 시일성을 높일 수 있다. 보다 구체적으로는, 전지용 시일 구조로 했을 때, 돌기가 압축 변형됨으로써, 프레임 및 전지용 판형 부재와의 접촉 개소에서 면압이 생겨 높은 시일 기능을 발휘한다. 다리부의 치수나 돌기의 개수는 특별히 한정되지 않으며, 적당히 설정하면 된다. 예컨대, 본 발명의 전지용 시일 구조를 상기한 전해액 유통형 전지(레독스 플로우 전지)의 셀 프레임에 적용하는 경우, 다리부는 비압축 상태에서 두께(외면부터 내면까지의 거리)를 0.2 ㎜∼0.5 ㎜로 하고, 폭(선단부터 베이스부까지의 거리)을 1.0 ㎜∼10 ㎜로 하는 것을 들 수 있다. 또한, 돌기는 고리형의 패킹의 둘레 방향으로 일련하게 형성하고, 개수를 다리부의 한면에 대해 1∼5개로 하고, 비압축 상태에서 높이를 0.1 ㎜∼0.5 ㎜로 하는 것을 들 수 있다. 다리부에 돌기를 갖는 패킹에서는, 돌기의 압축량(찌부러짐률)에 의해 접촉 면압이 결정되고, 압축량이 커질수록 접촉 면압이 높아진다. 돌기의 높이를 상기한 범위로 함으로써, 충분한 접촉 면압을 확보하여 시일성을 높이고, 과대한 접촉 면압이 생김에 따른 프레임 또는 전지용 판형 부재의 손상이나 변형을 억제할 수 있다. 또한, 복수의 돌기를 갖는 경우, 다리부의 폭방향에 걸쳐 프레임 또는 전지용 판형 부재와의 접촉 개소가 증가하여 시일성의 신뢰성을 높이는 것이 가능하다. 다리부의 돌기는 패킹(다리부)을 보강하는 리브로서 작용하며, 형태를 보존하는 기능도 겸비한다.
여기서, 다리부의 돌기는 한 쌍의 다리부 중 적어도 한쪽에 가지면 되며, 양쪽에 형성해도 좋고, 한쪽에만 설치해도 좋다. 또한, 다리부의 돌기는 하나의 다리부에서 외면과 내면 중 어느 한면에 가지면 되며, 양면에 형성해도 좋고, 한면에만 형성해도 좋다. 예컨대, 한쪽 다리부에는 외면에 돌기를 형성하고, 다른쪽 다리부에는 내면에 돌기를 형성하거나, 양쪽 다리부의 외면 또는 내면 중 어느 한면에만 돌기를 형성해도 좋다. 한쪽 다리부에서 외면과 내면의 양면에 돌기를 형성하는 경우, 돌기는 외면과 내면에서 다리부의 폭방향으로 위치를 옮겨 형성해도 좋고, 다리부의 폭방향의 동일한 위치에 형성해도 좋다. 양쪽 다리부에 돌기를 형성하는 경우, 한쪽 다리부와 다른쪽 다리부에서 돌기의 위치를 서로 다르게 해도 좋고, 돌기의 위치를 일치시켜도 좋다.
본 발명의 전지용 시일 구조의 일 형태로는, 패킹의 다리부 중 적어도 하나는 베이스부로부터 직선형으로 뻗는 밑동부와, 이 밑동부로부터 선단에 걸쳐 형성된 적어도 하나의 굴곡부를 갖는 것을 들 수 있다.
각 다리부는 프레임과 전지용 판형 부재 사이에서 압접된다. 이 구성에 따르면, 다리부에 굴곡부를 가짐으로써, 압접되었을 때에 굴곡부의 절곡 상태가 넓어져서 편평하게 탄성 변형되어 시일성을 높일 수 있다. 보다 구체적으로는, 전지용 시일 구조로 했을 때, 굴곡부가 탄성 변형됨으로써, 프레임 및 전지용 판형 부재와의 접촉 개소에서 면압이 생겨 높은 시일 기능을 발휘한다. 굴곡부의 치수·형상이나 굴곡부의 개수는 특별히 한정되지 않으며, 적당히 설정하면 된다. 예컨대, 본 발명의 전지용 시일 구조를 상기한 전해액 유통형 전지(레독스 플로우 전지)의 셀 프레임에 적용하는 경우, 다리부는 비압축 상태에서 두께(외면부터 내면까지의 거리)를 0.2 ㎜∼0.5 ㎜로 하고, 폭(선단부터 베이스부까지의 거리)을 1.0 ㎜∼10 ㎜로 하는 것을 들 수 있다. 또한, 굴곡부는 고리형의 패킹의 둘레 방향으로 일련하게 형성하고, 개수를 1∼5개로 하며, 비압축 상태에서 굴곡 각도를 80°∼150°, 굴곡 높이를 0.3 ㎜∼3 ㎜로 하는 것을 들 수 있다. 굴곡부의 형상은 V자형이어도 U자형(원호형, 활형)이어도 좋으며, 복수의 굴곡부를 형성하여 물결 형상으로 하여도 좋다. 복수의 굴곡부를 가짐으로써 다리부의 폭방향에 걸쳐 프레임 또는 전지용 판형 부재와의 접촉 개소가 증가하여, 시일성의 신뢰성을 높이는 것이 가능하다.
또한, 굴곡부의 굴곡 각도란, 굴곡부를 형성하는 2변(면)이 이루는 각도를 말한다. 이 굴곡 각도가 너무 작으면 압접되었을 때에 굴곡부가 좌굴될 우려가 있다. 한편, 굴곡 각도가 너무 크면 굴곡 높이를 일정하게 한 경우, 다리부의 폭을 길게 취할 필요가 있어, 압접되었을 때에 다리부의 선단이 고리형의 홈으로부터 비어져나올 우려가 있다. 또한, 굴곡부의 굴곡 높이란, 밑동부를 기준으로 하여, 프레임에 대향하는 외면측으로 볼록해지는 굴곡부인 경우에는, 밑동부에서의 전지용 판형 부재에 대향하는 내면부터 굴곡부의 꼭지점까지의 거리를 말하며, 내면측으로 볼록해지는 굴곡부인 경우에는, 밑동부에서의 외면부터 굴곡부의 꼭지점까지의 거리를 말한다. 다리부에 굴곡부를 갖는 패킹에서는 굴곡부의 압축량(굴곡 높이의 변형량)에 의해 접촉 면압이 결정되며, 압축량이 커질수록 접촉 면압이 높아진다. 굴곡부의 굴곡 높이를 상기한 범위로 함으로써, 충분한 접촉 면압을 확보하여 시일성을 높일 수 있다. 이 굴곡 높이가 너무 높으면 다리부의 폭이 길어져 압접되었을 때에 다리부의 선단이 고리형의 홈으로부터 비어져나올 우려가 있다.
여기서, 굴곡부는, 다음 조건을 만족시키는 것이 포함된다.
(1) 밑동부에 연속되며, 밑동부에 대해 경사지는 제1 변부와, 이 제1 변부에 연속되며, 제1 변부에 대해 경사지는 제2 변부로 형성되어 있다.
(2) 상기 제2 변부의 선단측이 밑동부의 적어도 연장선 상까지 뻗어 있다.
(3) 다리부는 패킹의 지름 방향 안쪽을 향해 뻗으며, 굴곡부에서 베이스부측(패킹의 지름 방향 바깥쪽)으로 접히지 않는다.
다리부에 굴곡부를 가지며, 굴곡부의 탄성 변형을 이용하여 시일 기능을 발휘하는 타입의 상기한 패킹은, 압축 변형을 이용하여 시일 기능을 발휘하는 타입의 패킹(예컨대 O링)과 비교하여 다음과 같은 이점이 더 있다. 압축량을 결정하는, 다리부가 배치되는 프레임과 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부 사이의 거리는 이들 부재의 제조 공차나 조립 오차로 기인한 불균일이 생길 수가 있다. 다리부에 굴곡부를 갖는 패킹의 경우, O링과 비교하여 압축량의 차(상기한 거리의 불균일)에 따른 접촉 면압의 변화가 작아 안정된 접촉 면압을 얻을 수 있다. 따라서, 굴곡부의 굴곡 높이를 상기한 거리의 설계치보다 충분히 높게 함으로써, 상기한 거리에 불균일이 있어도 안정된 접촉 면압에 의해 시일성을 확보할 수 있고, 또한, 제조 공차나 조립 오차를 흡수할 수 있기 때문에, 각 부재의 제조 공차를 크게 설계할 수 있다. 또한, 예컨대 전지 운전시에, 프레임과 전지용 판형 부재 사이의 열팽창 계수차로 기인하는 응력에 의해, 프레임에 대해 전지용 판형 부재가 상대적으로 이동하는 사태가 생길 수 있다. 다리부에 굴곡부를 갖는 패킹의 경우, 상기한 거리의 불균일과 관계없이 안정된 접촉 면압을 얻을 수 있기 때문에, 전지용 판형 부재의 이동이 저해되는 경우가 적다. 그 결과, 상기한 열팽창 계수차로 기인하는 응력에 의해, 전지용 판형 부재가 손상되는 것을 억제할 수 있다. 이에 비해, O링의 경우, 상기한 거리에 불균일이 있으면, 접촉 면압이 너무 작아지거나 너무 커져, 접촉 면압의 변화가 커서 안정된 접촉 면압을 얻을 수 없다. 따라서, 제조 공차나 조립 오차를 고려하여, O링의 직경(높이)을 상기한 거리의 설계치보다 크게 한 경우, 과대한 접촉 면압이 생겨, 프레임 또는 전지용 판형 부재가 손상되거나 변형될 우려가 있다. 나아가, O링의 경우, 상기한 거리의 불균일에 의해 과대한 접촉 면압이 생길 수 있으므로, 전지용 판형 부재의 이동이 저해되고, 상기한 열팽창 계수차로 기인하는 응력에 의해 전지용 판형 부재가 손상될 우려가 있다.
이와 같이, 다리부에 굴곡부를 갖는 패킹을 사용함으로써, (1) 안정된 접촉 면압을 얻을 수 있다. (2) 시일성을 확보하면서, 프레임이나 전지용 판형 부재의 제조 공차나 조립 오차를 흡수할 수 있다. (3) 과대한 접촉 면압이 생기는 것을 억제하여, 전지용 판형 부재의 이동을 원활하게 할 수 있다는 유리한 효과를 기대할 수 있다. 그리고, 각 부재의 제조 공차를 크게 하는 것이 가능하므로, 전지용 시일 구조의 저비용화를 도모할 수 있다. 또한, 전지용 판형 부재가 손상될 리스크가 보다 경감되므로, 전지용 판형 부재의 요구 강도를 더 저감할 수 있고, 전지용 판형 부재의 재료의 선택지가 보다 확대된다.
본 발명의 전지용 시일 구조의 일 형태로는, 패킹의 베이스부가 한 쌍의 프레임에 대향하는 표리 중 적어도 한쪽 면에 돌기를 갖는 것을 들 수 있다.
베이스부는, 한 쌍의 프레임 사이에서 압접된다. 이 구성에 따르면, 베이스부에 돌기를 가짐으로써, 압접되었을 때에 돌기가 눌려 찌부러져 압축 변형되어 시일성을 높일 수 있다. 보다 구체적으로는, 전지용 시일 구조로 했을 때, 돌기가 압축 변형됨으로써 프레임과의 접촉 개소에서 면압이 생겨 높은 시일 기능을 발휘한다. 베이스부의 치수나 돌기의 개수는 특별히 한정되지 않으며, 적당히 설정하면 된다. 예컨대, 본 발명의 전지용 시일 구조를 상기한 전해액 유통형 전지(레독스 플로우 전지)의 셀 프레임에 적용하는 경우, 베이스부는 비압축 상태에서 두께(표면부터 이면까지의 거리)를 0.5 ㎜∼1.2 ㎜로 하고, 폭(전지용 판형 부재의 바깥 가장자리에 접하는 내주 가장자리부터 외주 가장자리까지의 거리)을 0.5 ㎜∼1.5 ㎜로 하는 것을 들 수 있다. 또한, 돌기는 고리형의 패킹의 둘레 방향으로 일련하게 형성하고, 개수를 다리부의 한면에 대해 1∼3개로 하며, 비압축 상태에서 높이를 0.1 ㎜∼0.5 ㎜로 하는 것을 들 수 있다. 이 돌기의 압축량(찌부러짐률)에 의해 접촉 면압이 결정되고, 압축량이 커질수록 접촉 면압이 높아진다. 돌기의 높이를 상기한 범위로 함으로써, 충분한 접촉 면압을 확보하여 시일성을 높이고, 과대한 접촉 면압이 생김에 따른 프레임의 손상이나 변형을 억제할 수 있다. 또한, 복수의 돌기를 갖는 경우, 베이스부의 폭방향에 걸쳐 프레임과의 접촉 개소가 증가하여 시일성의 신뢰성을 높이는 것이 가능하다. 베이스부의 돌기는 패킹(베이스부)을 보강하는 리브로서 작용하며, 형태를 보존하는 기능도 겸비한다.
여기서, 베이스부의 돌기는, 표리 중 적어도 한면에 가지면 되며, 양면에 형성해도 좋고, 한면에만 형성해도 좋다. 베이스부에 있어서 표리의 양면에 돌기를 형성하는 경우, 돌기는 표면과 이면에서 베이스부의 폭방향으로 위치를 옮겨 형성해도 좋고, 베이스부의 폭방향의 동일한 위치에 형성해도 좋다.
본 발명의 전해액 유통형 전지용 셀 프레임은, 전지용 판형 부재와, 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부를 사이에 두는 한 쌍의 프레임을 구비한다. 그리고, 전지용 판형 부재가 쌍극판이고, 상기한 본 발명의 전지용 시일 구조를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 따르면, 상기한 본 발명의 전지용 시일 구조를 구비함으로써, 전술한 바와 같이, 조립성이 뛰어나다. 또한, 패킹이 탄성 재료로 이루어짐으로써, 전술한 바와 같이, 패킹이 프레임과 쌍극판 사이의 경계부에서의 응력 집중을 완화하여, 프레임 또는 쌍극판이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 쌍극판의 재료가 한정되지 않아, 쌍극판의 재료의 선택지가 확대된다. 예컨대, 흑연을 10질량%∼50질량% 정도 함유하는 플라스틱 카본 외에, 흑연 함유량이 높은(예컨대 60질량% 이상) 플라스틱 카본, 혹은 흑연으로만 이루어지는 카본판을 쌍극판에 사용하는 것도 용이하다.
본 발명의 전해액 유통형 전지용 셀 스택은, 격막과, 격막을 사이에 두고 대향하는 양극 전극 및 음극 전극을 포함하는 셀이 셀 프레임을 사이에 두고 복수개 적층된 적층체를 구비한다. 그리고, 셀 프레임은 상기한 본 발명의 전해액 유통형 전지용 셀 프레임이다. 또한, 적층체의 양끝에 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트와, 양 엔드 플레이트를 적층체의 적층 방향으로 체결하는 체결 기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 따르면, 셀 프레임이 상기한 본 발명의 셀 프레임이므로 조립성이 뛰어나고, 셀 프레임을 구성하는 프레임과 쌍극판 사이의 경계부에서의 응력 집중으로 기인하는 손상을 방지할 수 있다. 또한, 엔드 플레이트와 체결 기구에 의해 체결함으로써 셀 프레임을 구성하는 한 쌍의 프레임을 표리로부터 압박할 수 있다.
본 발명의 전해액 유통형 전지는 상기한 본 발명의 전해액 유통형 전지용 셀 스택을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 따르면, 상기한 본 발명의 전해액 유통형 전지용 셀 스택을 구비함으로써 조립성이 뛰어나다. 또한, 셀 프레임을 구성하는 프레임과 쌍극판 사이의 경계부에서의 응력 집중으로 기인하는 손상을 방지할 수 있어, 전지의 운전 조건이나 보관 조건이 급격하게 변화하는 환경에 설치해도 안정적으로 동작할 수 있다.
본 발명의 전해액 유통형 전지의 일 형태로는, 레독스 플로우 전지인 것을 들 수 있다.
레독스 플로우 전지로는, 특별히 한정되지 않으며, 예컨대, 양음극의 전해액이 이하의 (1)∼(2) 중 어느 하나인 것을 들 수 있다.
(1) 양음극의 전해액은 각각 바나듐 이온을 함유한다.
(2) 양극 전해액은 철이온을 함유하고, 음극 전해액은 바나듐 이온, 크롬 이온, 아연 이온 및 주석 이온으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 이온을 함유한다.
본 발명의 전지용 시일 구조는 한 쌍의 다리부와 이들 다리부를 연결하는 베이스부를 갖는 탄성 재료로 이루어지는 고리형의 패킹을 이용함으로써, 조립성이 뛰어나면서 높은 시일성을 확보할 수 있다. 또한, 프레임과 전지용 판형 부재 사이의 경계부에서의 응력 집중으로 기인하는 손상을 방지할 수 있어, 전지용 판형 부재의 재료의 선택지가 확대된다. 또한, 본 발명의 전해액 유통형 전지용 셀 프레임, 전해액 유통형 전지용 셀 스택 및 전해액 유통형 전지는 상기한 본 발명의 전지용 시일 구조를 구비함으로써 조립성이 뛰어나고, 프레임과 쌍극판 사이의 경계부에서의 응력 집중으로 기인하는 손상을 방지할 수 있어, 쌍극판의 재료의 선택지가 확대된다.
도 1은 실시형태 1에 따른 셀 프레임을 구비하는 셀 스택을 설명하기 위한 개략 일부 확대 단면도이다.
도 2는 실시형태 1에 따른 셀 프레임에 이용한 패킹을 설명하기 위한 개략 일부 확대 단면도이다.
도 3은 실시형태 1에 따른 셀 프레임의 조립 순서를 설명하기 위한 개략 일부 확대 단면도로서, (A)는 조립 전의 상태를 나타내고, (B)는 조립 후의 상태를 나타낸다.
도 4는 실시형태 2에 따른 셀 프레임에 이용한 패킹을 설명하기 위한 개략 일부 확대 단면도이다.
도 5는 실시형태 2에 따른 셀 프레임의 조립 순서를 설명하기 위한 개략 일부 확대 단면도로서, (A)는 조립 전의 상태를 나타내고, (B)는 조립 후의 상태를 나타낸다.
도 6은 실시형태 2에 따른 셀 프레임의 조립 후의 상태의 일례를 설명하기 위한 개략 일부 확대 단면도이다.
도 7은 프레임의 변형예를 설명하기 위한 개략 일부 확대 단면도로서, (A)는 그 일례를 나타내고, (B)는 다른 일례를 나타낸다.
도 8은 레독스 플로우 전지를 설명하기 위한 개요도이다.
도 9는 셀 스택을 설명하기 위한 개요도이다.
본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시 형태에서는 전해액 유통형 전지(레독스 플로우 전지)의 셀 프레임을 예로 들어 설명한다. 도면에서, 동일 부호는 동일 또는 해당 부분을 나타낸다.
(실시형태 1)
도 1은 실시형태 1에 따른 셀 프레임(10)을 구비하는 셀 스택을 도시하는 도면이다. 이 셀 스택은, 격막(111), 격막(111)을 개재하여 대향하는 양극 전극(114) 및 음극 전극(115)을 포함하는 셀을 셀 프레임(10)을 사이에 두고 복수개 적층하고 있으며, 셀 프레임(10)을 제외하고 그 밖의 구성은 도 9를 이용하여 설명한 셀 스택(200)과 동일한 구성이므로 여기서는 설명을 생략한다.
셀 프레임(10)은 전지용 판형 부재(쌍극판)(11)와, 한 쌍의 프레임(12a, 12b)과, 패킹(20)을 구비한다. 이하, 각 구성 부재에 대해 상세하게 설명한다.
쌍극판(11)은 직사각형 판형상이며, 예컨대 플라스틱 카본이나 카본판이 이용되고 있다. 본 예에서는 두께를 0.6 ㎜로 설계하고 있다.
프레임(12a, 12b)은 각각 직사각형 프레임형이며, 예컨대, 염화비닐로 된 것이다. 본 예에서는 단면이 대략 L자형인 동일 형상으로 하며, 또한 쌍극판(11)을 사이에 두고 대칭 배치되어 있다. 또한, 여기서 말하는 단면은 프레임(12a, 12b)의 둘레 방향에 직교하는 단면이다. 프레임(12a, 12b)은 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부를 사이에 두고, 표리로부터 압박되고 있다(여기서는, 도 1에서, 상측을 "표측", 하측을 "이측"으로 한다). 프레임(12a, 12b)의 압박 방향으로 서로 대향하는 대향면에는 각각 내주 가장자리의 두께가 얇아지도록 단차면(13)이 형성되어 있으며, 프레임(12a)과 프레임(12b)과의 대향면 사이에 고리형의 홈(14)이 형성되어 있다. 그리고, 이 고리형의 홈(14) 내에 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부가 수용된다.
패킹(20)은 직사각형 고리형이며, 예컨대, EPDM이나 불소 고무 등의 탄성 재료로 이루어지고, 본 예에서는 EPDM으로 형성되어 있다. 패킹(20)은 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부에 감입되어 부착되며, 고리형의 홈(14) 내에 배치되고, 프레임(12a, 12b)과 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부와의 사이에서 압접되어 있다. 이 패킹(20)은 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부의 표리를 협지하는 한 쌍의 다리부(21)와, 쌍극판(11)의 바깥 가장자리에서 이들 다리부(21)를 연결하는 베이스부(22)를 갖는다. 다리부(21)는 프레임[12a(12b)]에 대향하는 외면과 쌍극판(11)에 대향하는 내면을 가지며, 베이스부(22)는 프레임(12a)에 대향하는 표면과 프레임(12b)에 대향하는 이면을 갖는다. 다리부(21)와 베이스부(22)는 일체로 형성되어 있다.
도 2는 셀 프레임을 조립하기 전의 패킹을 도시하는 도면이다. 패킹(20)은 도 2에 도시하는 바와 같이, 단면이 대략 V자형이며, 다리부(21)와 베이스부(22) 각각에는 돌기(23)가 형성되어 있다. 또한, 여기서 말하는 단면은 패킹(20)의 둘레 방향에 직교하는 단면이다. 본 예에서는 양쪽의 다리부(21)에 돌기(23)가 형성되고, 양쪽의 다리부(21)에 있어서 외면과 내면의 양면에 돌기(23)가 형성되어 있으며, 베이스부(21)에 있어서도 표면과 이면의 양면에 돌기(23)가 형성되어 있다. 또한, 다리부(21)의 돌기(23)는 한쪽 면에 대해 3개씩(양면에서 총 6개), 베이스부(22)의 돌기(23)는 한쪽 면에 대해 2개씩(양면에서 총 4개) 각각 형성되어 있으며, 다리부(21)와 베이스부(22)의 어느 것에서나 그 폭방향의 동일한 위치에 양면에 돌기(23)가 형성되어 있다. 양쪽의 다리부(21)에 있어서 돌기(23)의 위치는 일치하며, 각 다리부(21)끼리는 대칭 형상이다. 또한, 다리부(21) 및 베이스부(22)의 돌기(23)는 고리형의 패킹(20)의 둘레 방향을 따라 일련하게 형성되어 있다.
본 예에서는, 패킹(20)이 비압축 상태일 때, 다리부(21)는 두께(T1)를 0.3 ㎜, 폭(W1)을 3.0 ㎜, 다리부(21)의 돌기(23)의 높이(H1)를 0.3 ㎜로 설계하고, 베이스부(22)는 두께(T2)를 1.0 ㎜, 폭(W2)을 1.0 ㎜, 베이스부(22)의 돌기(23)의 높이(H2)를 0.3 ㎜로 설계하고 있다. 또한, 베이스부(22)의 내주 가장자리로부터 뻗는 한 쌍의 다리부(21)의 밑동끼리의 간격(C1)을 0.6 ㎜로 설계하고 있다.
다음으로, 도 1에 도시한 셀 프레임(10)의 조립 순서를 도 3을 이용하여 설명한다. 먼저, 패킹(20)의 지름을 확장하고, 양 다리부(21) 사이에 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부를 두고, 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부에 패킹(20)을 부착한다[도 3의 (A) 참조]. 이어서, 한 쌍의 프레임(12a, 12b) 사이에, 패킹(20)을 장착한 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부를 두고, 프레임(12a, 12b)을 표리로부터 압박한다[도 3의 (B) 참조. 도면에서, 흰색 화살표는 압박 방향을 나타낸다]. 이에 따라, 패킹(20)이 프레임(12a, 12b)과 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부의 사이에서 압접됨으로써 변형되어 양자에 밀착하고, 각 프레임(12a, 12b)의 개구의 내부에 형성되는 공간[쌍극판(11)을 사이에 두고 음극 전극(115)과 양극 전극(114)이 배치되는 공간(도 1 참조)]을 밀봉하는 전지용 시일 구조가 형성된다. 또한, 다리부(21) 및 베이스부(22)에 돌기(23)를 가짐으로써 패킹(20)이 압접되었을 때, 다리부(21) 및 베이스부(22)의 돌기(23)가 눌려 찌부러져 시일성을 높일 수 있다.
본 예에서는 프레임(12a, 12b)의 단차면(13)[고리형의 홈(14)]의 폭에 비해 패킹(20) 전체의 폭이 짧아, 고리형의 홈(14) 내에 패킹(20)이 배치되었을 때, 베이스부(22)의 외주 가장자리면이 고리형의 홈(14)의 바닥면에 접하지 않고, 또한, 다리부(21)의 선단이 고리형의 홈(14)으로부터 돌출되지 않는다. 따라서, 프레임(12a, 12b)을 도 3의 (B)의 흰색 화살표 방향으로 압작하여 패킹(20)이 압접되었을 때, 다리부(21) 및 베이스부(22)가 압축되어 폭방향[도 3의 (B) 중, 검정 화살표 방향]으로 뻗어도 고리형의 홈(14) 내의 공간으로 도피시킬 수 있다. 이러한 도피 마진을 확보함으로써 압박 하중을 높게 해도 패킹(20)의 이상 변형을 방지하기가 용이하다.
이상 설명한 실시형태 1에 따른 셀 프레임의 시일 구조는 용착 작업이 필요하지 않아, 작업자의 스킬에 의존하지 않는 전지용 시일 구조로 할 수 있어 조립성이 뛰어나다. 또한, 패킹이 프레임과 쌍극판의 둘레 가장자리부의 사이에서 압접됨으로써 변형되어 양자에 밀착하고, 높은 시일성을 확보하면서 다리부 또는 베이스부에 돌기를 가짐으로써, 시일성을 높일 수 있다. 다리부 또는 베이스부의 돌기는 패킹을 보강하는 리브로서 작용하며, 형태를 보존하는 기능도 겸비한다. 나아가, 패킹은 쌍극판의 둘레 가장자리부에 감입하기만 하는 간단한 작업으로 부착할 수 있어, 다리부와 베이스부를 가짐으로써, 틀어지거나 떨어지지 않고 확실하게 부착할 수 있다.
그 밖에, 이 시일 구조는 쌍극판이 팽창ㆍ수축 변형하는 사태가 생겨도 패킹이 쌍극판을 추종하여 신축한다. 따라서, 패킹이 프레임과 쌍극판 사이의 경계부에서의 응력 집중을 완화하여, 프레임 또는 쌍극판이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 쌍극판의 재료가 한정되지 않아 쌍극판의 재료의 선택지가 확대된다.
그리고, 이러한 셀 프레임을 구비하는 셀 스택, 및 이 셀 스택을 구비하는 전해액 유통형 전지(레독스 플로우 전지)는 조립성이 뛰어나, 셀 프레임을 구성하는 프레임과 쌍극판 사이의 경계부에서의 응력 집중으로 기인하는 손상을 방지할 수 있다. 또한, 이 전해액 유통형 전지(레독스 플로우 전지)는 전지의 운전 조건 등이 급격하게 변화하는 환경에 설치해도 안정적으로 동작할 수 있다.
(실시형태 2)
실시형태 1에서는, 도 1∼도 3을 이용하여, 다리부에 돌기를 갖는 패킹을 이용한 셀 프레임의 시일 구조에 대해 설명했다. 본 실시형태 2에서는, 도 4∼도 6을 이용하여, 다리부에 굴곡부를 갖는 패킹을 이용한 셀 프레임의 시일 구조에 대해 설명한다. 또한, 실시형태 2에 있어서, 셀 스택(셀 프레임)의 개략적인 구성이나, 셀 프레임의 구성 부재인 쌍극판, 한 쌍의 프레임 및 패킹의 기본 구성은 실시형태 1과 동일하므로 설명을 생략한다.
도 4는 셀 프레임을 조립하기 전의 패킹을 도시하는 도면이다. 패킹(20)은 도 4에 도시하는 바와 같이, 단면이 대략 V자형이며, 다리부(21)에는 굴곡부(25)가 마련되고, 베이스부(22)에는 돌기(23)가 형성되어 있다. 또한, 여기서 말하는 단면은, 패킹(20)의 둘레 방향에 직교하는 단면이다. 본 예에서는, 양쪽의 다리부(21)에 굴곡부(25)가 형성되고, 양쪽 다리부(21)에 있어서 베이스부(22)로부터 직선형으로 뻗는 밑동부(26)가 마련되며, 이 밑동부(26)로부터 선단에 걸쳐 굴곡부(25)가 형성되어 있고, 각 다리부(21)끼리는 대칭 형상이다. 또한, 다리부(21)의 굴곡부(25)는 밑동부(26)를 기준으로 하여 외면측으로 볼록해지도록 1개 마련되어 있다. 한편, 베이스부(22)의 돌기(23)는 한쪽 면에 대해 1개씩(양면에서 총 2개) 형성되어 있고, 베이스부(22)에 있어서, 그 폭방향의 동일한 위치에 양면에 돌기(23)가 형성되어 있다. 또한, 다리부(21)의 굴곡부(25) 및 베이스부(22)의 돌기(23)는 고리형의 패킹(20)의 둘레 방향을 따라 일련하게 형성되어 있다.
본 예에서는, 패킹(20)이 비압축 상태일 때, 다리부(21)는 두께(T1)를 0.3 ㎜, 굴곡부(25)에서의 굴곡 각도(θ) 및 굴곡 높이(H3)를 각각 98°, 0.99 ㎜로 설계하고, 베이스부(22)는 두께(T2)를 1.0 ㎜, 폭(W2)을 1.0 ㎜, 돌기(23)의 높이(H2)를 0.3 ㎜로 설계하고 있다. 또한, 베이스부(22)의 내주 가장자리로부터 뻗는 한 쌍의 다리부(21)의 밑동끼리의 간격(C1)을 0.6 ㎜로 설계하고 있다.
다음으로, 셀 프레임의 조립 순서를 도 5을 이용하여 설명한다. 먼저, 패킹(20)의 지름을 확장하고, 양 다리부(21) 사이에 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부를 두고, 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부에 패킹(20)을 부착한다[도 5의 (A) 참조]. 다음, 한 쌍의 프레임(12a, 12b) 사이에, 패킹(20)을 장착한 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부를 두고, 프레임(12a, 12b)을 표리로부터 압박한다[도 5의 (B) 참조. 도면에서, 흰색 화살표는 압박 방향을 나타낸다]. 이에 따라, 패킹(20)이 프레임(12a, 12b)과 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부의 사이에서 압접됨으로써 변형되어 양자에 밀착되고, 각 프레임(12a, 12b)의 개구의 내부에 형성되는 공간[쌍극판(11)을 사이에 두고 음극 전극(115)과 양극 전극(114)이 배치되는 공간(도 1 참조)]을 밀봉하는 전지용 시일 구조가 형성된다. 또한, 다리부(21)에 굴곡부(25) 및 베이스부(22)에 돌기(23)를 가짐으로써, 패킹(20)이 압접되었을 때, 다리부(21)의 굴곡부(25)가 직선형으로 편평하게 탄성 변형되고, 베이스부(22)의 돌기(23)가 눌려 찌부러져 압축 변형됨으로써 시일성을 높일 수 있다.
본 예에서도, 실시형태 1과 마찬가지로, 프레임(12a, 12b)의 단차면(13)[고리형의 홈(14)]의 폭에 비해 패킹(20) 전체의 폭이 짧다. 그리고, 고리형의 홈(14) 내에 패킹(20)이 배치되었을 때, 베이스부(22)의 외주 가장자리면이 고리형의 홈(14)의 바닥면에 접하지 않고, 또한, 다리부(21)의 선단이 고리형 홈(14)으로부터 돌출되지 않는다. 따라서, 프레임(12a, 12b)을 도 5의 (B)의 흰색 화살표 방향으로 압박하여 패킹(20)이 압접되었을 때, 다리부(21) 및 베이스부(22)가 압축되어 폭방향[도 5의 (B) 중, 검정 화살표 방향]으로 뻗어도 고리형의 홈(14) 내의 공간으로 도피시킬 수 있다. 이러한 도피 마진을 확보함으로써, 압박 하중을 높게 해도 패킹(20)의 이상 변형을 방지하기가 용이하다.
이상 설명한 실시형태 2에 따른 셀 프레임의 시일 구조는 실시형태 1의 셀 프레임의 시일 구조와 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 다음과 같은 효과를 더 발휘한다. 다리부(21)에 굴곡부(25)를 갖는 패킹(20)의 경우, 압축량의 차에 따른 접촉 면압의 변화가 작아, 안정된 접촉 면압을 얻을 수 있다. 예컨대, 프레임[12a(12b)] 또는 쌍극판(11)의 제조 공차나 조립 오차로 기인하여, 패킹(20)의 다리부(21)가 배치되는 프레임[12a(12b)]과 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부의 사이의 거리(d)가, 도 6에 도시하는 바와 같이, 설계치보다 커졌다고 하기로 한다. 구체적인 예로는, 거리(d)의 설계치가 0.3 ㎜일 때, 제조 공차 등으로 기인하여 실제의 거리(d)가 0.8 ㎜인 것으로 한다. 이 때, 굴곡부(25)의 높이를 거리(d)의 설계치보다 높게(예컨대 0.9 ㎜ 이상) 설계해 둠으로써, 도 6에 도시하는 바와 같이, 굴곡부(25)의 탄성 변형에 의해, 프레임[12a(12b)] 및 쌍극판(11)과의 접촉 개소에서 면압이 생겨 시일 기능을 발휘할 수 있다.
여기서, 실시형태 2에 따른 셀 프레임의 시일 구조(시험예 1)에서의 상기한 거리(d)와 접촉 면압과의 관계를 표 1에 나타낸다. 또한, 비교로서, 다리부에 굴곡부를 갖는 패킹 대신, 프레임과 쌍극판의 둘레 가장자리부의 사이에 O링을 배치한 시일 구조(비교예 1)에서의 거리(d)와 접촉 면압과의 관계를 표 1에 함께 나타낸다. 또한, 표 1에서, 각 접촉 면압은 시험예 1에서의 거리(d)=0.3 ㎜일 때의 접촉 면압을 1로 하는 상대치로 나타낸다. 또한, 시험예 1에서는 굴곡부의 두께를 0.25 ㎜로 하였고, 비교예 1에서는, O링의 직경을 0.55 ㎜로 하였다.
Figure pct00001
표 1의 결과로부터, 다리부에 굴곡부를 갖는 패킹을 사용한 시험예 1은 O링을 사용한 비교예 1과 비교하여, 거리(d)가 변화하여도 접촉 면압의 변화가 작아 안정적인 접촉 면압을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 구체적으로는, 시험예 1의 경우, 거리(d)가 0.25 ㎜일 때의 접촉 면압의 증가율은 50% 정도, 거리(d)가 0.8 ㎜일 때의 접촉 면압의 저하율은 50% 정도로서, 거리(d)가 작아져도 과대한 접촉 면압이 생기는 것을 억제할 수 있고, 한편, 거리(d)가 커져도 어느 정도의 접촉 면압을 확보할 수 있다. 따라서, 거리(d)에 다소의 불균일이 있어도, 안정된 접촉 면압에 의해 시일성을 확보할 수 있고, 또한, 제조 공차나 조립 오차를 흡수할 수 있기 때문에 각 부재의 제조 공차를 크게 설계할 수 있다. 이에 반해, 비교예 1의 경우, 거리(d)가 작아지면 접촉 면압이 대폭으로 증가하여 과대한 접촉 면압이 생김으로써, 프레임 또는 쌍극판에 손상이나 변형이 발생할 가능성이 있다. 한편, 거리(d)가 0.55 ㎜(O링의 직경) 이상이 되면 접촉 면압이 0이 되어 시일성을 얻을 수 없다. 즉, 비교예 1에서는 거리(d)의 변화에 대한 접촉 면압의 변화가 커서 거리(d)를 엄밀하게 관리할 필요가 있다.
나아가, 시험예 1에서는, 상기한 거리(d)의 불균일에 의한 과대한 접촉 면압이 생기는 것을 억제할 수 있기 때문에, 예컨대 전지 운전시에 프레임과 쌍극판 사이의 열팽창 계수차로 기인하는 응력이 발생했을 때에 쌍극판이 프레임에 대해 상대적으로 이동하기 쉽다. 따라서, 상기한 열팽창 계수차로 기인하는 응력에 의해 쌍극판이 손상되는 것을 회피하기 쉽다. 한편, 비교예 1에서는 과대한 접촉 면압이 생길 수 있으므로, 쌍극판의 이동이 저해되고, 상기한 열팽창 계수차로 기인하는 응력에 의해 쌍극판이 손상될 가능성이 있다. 따라서, 시험예 1에서는 쌍극판이 손상될 리스크가 보다 경감되므로, 쌍극판의 요구 강도를 보다 저감할 수 있고, 쌍극판의 재료의 선택지가 보다 확대된다.
(변형예 1)
상기한 실시 형태에 따른 셀 프레임(10)에서는 한 쌍의 프레임(12a, 12b)이 단차면(13)을 갖는 동일 형상으로 하고, 또한 대칭 배치되어 있는 경우를 예로 들어 설명했지만, 한 쌍의 프레임의 형상은 서로 다른 형상으로 하여도 좋다.
도 7의 (A)에 도시하는 한 쌍의 프레임(12a, 12b)은 한쪽 프레임(12a)이 평판 프레임 형상이고, 이 프레임(12a)의 프레임(12b)에 대향하는 대향면이 평면이다. 또한, 다른쪽 프레임(12b)은 단면이 대략 L자형이며, 이 프레임(12b)의 프레임(12a)에 대향하는 대향면에는 내주 가장자리의 두께가 얇아지도록 단차면(13)이 형성되어 있다. 나아가, 프레임(12a)의 폭은 프레임(12b)의 단차면(13)의 폭과 거의 같다. 그리고, 프레임(12a)과 프레임(12b)의 대향면 사이에 고리형의 홈(14)이 형성되고, 이 고리형의 홈(14) 내에 패킹(20)을 장착한 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부가 수용된다.
도 7의 (B)에 도시하는 한 쌍의 프레임(12a, 12b)은 한쪽 프레임(12a)이 평판 프레임 형상이고, 이 프레임(12a)의 프레임(12b)에 대향하는 대향면이 평면이다. 또한, 다른쪽 프레임(12b)은 단면이 대략 L자형이고, 이 프레임(12b)의 프레임(12a)에 대향하는 대향면에는, 외주 가장자리측으로부터 내주 가장자리측을 향해 단계적으로 두께가 얇아지도록 제1 단차면(13a) 및 제2 단차면(13b)이 형성되어 있다. 또한, 프레임(12a)의 폭은 프레임(12b)의 제1 및 제2 단차면(13a, 13b)을 합한 폭과 거의 같으며, 프레임(12a)의 일부가 프레임(12b)의 제1 단차면(13a)에 맞닿는다. 그리고, 프레임(12a)과 프레임(12b)의 대향면 사이에 고리형의 홈(14)이 형성되고, 이 고리형의 홈(14) 내에 패킹(20)을 장착한 쌍극판(11)의 둘레 가장자리부가 수용된다.
또한, 본 발명은 전술한 실시 형태에 한정되지 않으며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 적당히 변경하는 것이 가능하다. 예컨대, 셀 프레임을 구성하는 쌍극판, 프레임 및 패킹의 재질을 적당히 변경해도 좋다. 또한, 패킹의 다리부 및 베이스부의 치수나, 다리부 또는 베이스부에 형성하는 돌기의 개수 및 위치를 적당히 변경해도 좋다.
본 발명의 전지용 시일 구조는 전해액 유통형 전지(레독스 플로우 전지), 연료 전지 등의 각종 전지의 시일 구조에 이용할 수 있다. 이 전지용 시일 구조는 전해액 유통형 전지용 셀 프레임, 전해액 유통형 전지용 셀 스택, 전해액 유통형 전지에 적합하게 이용할 수 있다. 본 발명의 전해액 유통형 전지는, 부하 평준화, 출력 안정화용의 대용량 축전지로서 적합하게 이용할 수 있다.
10: 셀 프레임 11: 전지용 판형 부재(쌍극판)
12a, 12b: 프레임 13: 단차면
13a: 제1 단차면 13b: 제2 단차면
14: 고리형의 홈 20: 패킹
21: 다리부 22: 베이스부
23: 돌기 25: 굴곡부
26: 밑동부
100: 전해액 유통형 전지(레독스 플로우 전지)
110: 셀 111: 격막
112: 양극 셀 113: 음극 셀
114: 양극 전극 115: 음극 전극
120: 전해액 탱크 130: 순환 경로
131: 왕로 배관 132: 복로 배관
140: 순환 펌프 200: 셀 스택
210: 셀 프레임 211: 쌍극판
212: 프레임 213, 214: 급액용 매니폴드
215, 216: 배액용 매니폴드 220: 엔드 플레이트
230: 체결 기구

Claims (8)

  1. 전지용 판형 부재와, 상기 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부를 사이에 두는 한 쌍의 프레임을 구비하며, 그 각 프레임의 개구의 내부에 형성되는 공간을 밀봉하는 전지용 시일 구조에 있어서,
    상기 한 쌍의 프레임은 표리로부터 압박되고,
    상기 한 쌍의 프레임에는, 압박 방향으로 서로 대향하는 대향면 사이에 상기 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부를 수용하는 고리형의 홈이 형성되며,
    상기 고리형의 홈 내에 배치되며, 상기 한 쌍의 프레임과 상기 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부의 사이에서 압접되는 탄성 재료로 이루어지는 고리형의 패킹을 구비하고,
    이 패킹은,
    상기 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부의 표리를 협지하는 한 쌍의 다리부와,
    상기 전지용 판형 부재의 바깥 가장자리에서 이들 다리부를 연결하는 베이스부를 갖는 것을 특징으로 하는 전지용 시일 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패킹의 상기 다리부 중 적어도 하나는, 상기 프레임에 대향하는 외면 또는 상기 전지용 판형 부재에 대향하는 내면 중 어느 한면 또는 양면에 돌기를 갖는 것을 특징으로 하는 전지용 시일 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 패킹의 상기 다리부 중 적어도 하나는, 상기 베이스부로부터 직선형으로 뻗는 밑동부와, 이 밑동부로부터 선단에 걸쳐 형성된 적어도 하나의 굴곡부를 갖는 것을 특징으로 하는 전지용 시일 구조.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패킹의 상기 베이스부는, 상기 한 쌍의 프레임에 대향하는 표리 중 적어도 한면에 돌기를 갖는 것을 특징으로 하는 전지용 시일 구조.
  5. 전지용 판형 부재와, 상기 전지용 판형 부재의 둘레 가장자리부를 사이에 두는 한 쌍의 프레임을 구비하는 전해액 유통형 전지용 셀 프레임에 있어서,
    상기 전지용 판형 부재는 쌍극판이고,
    제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 전지용 시일 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 전해액 유통형 전지용 셀 프레임.
  6. 격막과, 격막을 사이에 두고 대향하는 양극 전극 및 음극 전극을 포함하는 셀이 셀 프레임을 사이에 두고 복수개 적층된 적층체를 구비하는 전해액 유통형 전지용 셀 스택에 있어서,
    상기 셀 프레임은 제5항에 기재된 전해액 유통형 전지용 셀 프레임이고,
    상기 적층체의 양끝에 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트와,
    그 양 엔드 플레이트를 상기 적층체의 적층 방향으로 체결하는 체결 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 전해액 유통형 전지용 셀 스택.
  7. 제6항에 기재된 전해액 유통형 전지용 셀 스택을 구비하는 것을 특징으로 하는 전해액 유통형 전지.
  8. 제7항에 있어서, 레독스 플로우 전지인 것을 특징으로 하는 전해액 유통형 전지.
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