KR20140084011A - 레독스 흐름 배터리 반응기 셀을 조립하는 시스템 및 방법 - Google Patents

레독스 흐름 배터리 반응기 셀을 조립하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 레독스 흐름 배터리 시스템을 위한 반응기 조립체가 개시되어 있다. 반응기 조립체는 복수개의 외부 프레임, 복수개의 내부 프레임 그리고 복수개의 외부 프레임 및 복수개의 내부 프레임 내에 합체되는 리브 및 채널 인터로킹 시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 리브 및 채널 인터로킹 시스템은 복수개의 내부 프레임 및 복수개의 외부 프레임이 적층 구성에서 함께 압축될 때에 전해질 구획부의 외주부를 포위하는 복수개의 밀봉 시스템을 생성하도록 구성될 수 있다.

Description

레독스 흐름 배터리 반응기 셀을 조립하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR ASSEMBLING REDOX FLOW BATTERY REACTOR CELLS}
본 발명은 레독스 흐름 배터리 시스템에 관한 것으로, 특히 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템 반응기 셀을 위한 설계에 관한 것이다.
도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 포함하는 본 발명의 비-제한 및 비-한정 실시예가 설명될 것이다.
도 1은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 레독스 배터리 에너지 저장 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템의 반응기 셀 조립체의 분해도이다.
도 3은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 복수개의 반응기 적층 셀을 도시하고 있다.
도 4는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 다중 밀봉 시스템의 블록도이다.
도 5는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 일체형 밀봉부를 포함하는 반응기 적층체의 외부 프레임의 일부의 상부 사시도이다.
도 6은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 일체형 밀봉부를 포함하는 복수개의 반응기 적층 셀의 단면도이다.
도 7은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 내부 o-링 채널을 포함하는 반응기 적층 셀의 외부 프레임의 상부 사시도이다.
도 8은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 내부 o-링 채널을 포함하는 반응기 적층 셀의 외부 프레임의 단면도이다.
도 9는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 외부 o-링 채널을 포함하는 반응기 적층 셀의 외부 프레임의 저부 사시도이다.
도 10은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 외부 o-링 채널을 포함하는 반응기 적층 셀의 외부 프레임의 단면도이다.
도 11은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 복수개의 반응기 셀을 포함하는 조립된 흐름 셀 배터리의 단면도이다.
도 12는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 복수개의 반응기 셀을 포함하는 조립된 흐름 셀 배터리의 사시도이다.
도 13은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 반응기 적층 셀을 통한 음 전해질의 흐름의 사시도이다.
도 14는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 반응기 적층 셀을 통한 양 전해질의 흐름의 사시도이다.
도 15는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 가요성 코너를 포함하는 반응기 적층 셀의 내부 프레임을 도시하고 있다.
도 16은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 반응기 적층 셀을 위한 멤브레인 고정 설계의 단면도이다.
도 17은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 반응기 적층 셀을 위한 전극 고정 설계의 단면도이다.
도 18은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 다른 반응기 적층 셀 구성 요소를 위치시키는 안내부를 포함하는 반응기 적층 셀의 외부 프레임의 사시도이다.
도 19는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 다른 반응기 적층 셀 구성 요소를 위치시키는 안내부를 포함하는 반응기 적층 셀의 내부 프레임의 사시도이다.
도 20은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 반응기 적층 셀의 밀봉 영역을 위한 개스킷 시스템(gasket system)의 사시도이다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하면 가장 잘 이해될 것이다. 본 명세서에서 대체로 설명되고 도면에 도시된 것과 같은 개시된 실시예의 구성 요소는 광범위한 상이한 구성으로 배열 및 설계될 수 있다는 것이 용이하게 이해될 것이다. 이와 같이, 본 발명의 시스템 및 방법의 실시예의 다음의 상세한 설명은 청구된 것과 같은 본 발명의 범주를 제한하도록 의도되지 않고, 본 발명의 가능한 실시예를 대표할 뿐이다. 추가로, 방법의 단계는 그렇지 않은 것으로 특정되지 않으면 반드시 임의의 특정한 순서로 또는 심지어 순차적으로 실행될 필요도 없고 1회만 실행될 필요도 없다.
일부 경우에, 주지된 특징, 구조 또는 동작은 상세하게 예시 및 설명되지 않을 것이다. 나아가, 설명된 특징, 구조 또는 동작은 1개 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 본 명세서에서 대체로 설명되고 도면에 도시된 것과 같은 실시예의 구성 요소는 광범위한 상이한 구성으로 배열 및 설계될 수 있다는 것이 또한 용이하게 이해될 것이다.
재충전 가능한 배터리 등의 에너지 저장 시스템은 전력 시스템 특히 풍력 터빈 발전기, 광전지 셀 등에 의해 공급되는 전력 시스템의 중요한 부분이다. 에너지 저장 시스템은 또한 전원 품질 분야에서 무정전 전원(UPS)으로서 오프 피크 상태 중에 전력을 판매 및 구매하는 에너지 차익 거래를 가능케 하는 데 그리고 예비 전력을 제공하는 데 이용될 수 있다. 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템 특히 바나듐 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템(VRB-ESS)이 이러한 전력 시스템에서 사용될 수 있다. 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템은 UPS 및 전력 품질 분야에서 종래로부터 요구되는 것과 같이 가변 부하에 신속하게 응답할 수 있고, 에너지 차익 거래 및 예비 전력 분야에서 종래로부터 요구되는 것과 같이 큰 용량을 갖도록 추가로 구성될 수 있다.
레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템은 반응기 셀에 애노드 및 캐소드 액을 통과시킴으로써 전력을 발생시킨다. 애노드 및 캐소드 액은 반응물 또는 반응물 전해질로서 본 명세서에서 집합적으로 설명될 수 있다. 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템은 시스템의 전력 수요에 따라 1개 이상의 반응기 셀을 포함할 수 있고, 본 명세서에서 개시된 실시예에 따르면, 시스템의 에너지 용량 요구를 기초로 하여 가변량의 전해질 용액을 이용할 수 있다. 일부 실시예에서, 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템 내의 반응기 셀의 개수 및 단면적은 시스템이 생성할 수 있는 순간 전력량을 결정할 수 있다. 나아가, 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템에 이용 가능한 애노드 및 캐소드 액의 체적은 그 전력 저장 및 생산 용량을 결정할 수 있다.
도 1은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템(100) 특히 VRB-ESS의 블록도이다. 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템(100)은 음 전극(108)을 보유한 음 구획부(104) 및 양 전극(112)을 보유한 양 구획부(110)를 각각 갖는 1개 이상의 반응기 셀(102)을 포함할 수 있다. 음 구획부(104)는 음 전극(108)과 전기 연통되는 애노드 액(114)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 액(114)은 환원된 상태에 있고 셀(102)의 방전 과정 중에 산화되거나 산화된 상태에 있고 셀(102)의 충전 과정 중에 환원되거나 이들 후자의 환원된 이온 및 환원될 이온의 혼합물인 특정된 레독스 이온을 함유하는 전해질이다. 양 구획부(110)는 양 전극(112)과 전기 연통되는 캐소드 액(116)을 수용한다. 캐소드 액(116)은 산화된 상태에 있고 셀(102)의 방전 과정 중에 환원되거나 환원된 상태에 있고 셀(102)의 충전 과정 중에 산화되거나 이들 산화된 이온 및 산화될 이온의 혼합물인 특정된 레독스 이온을 함유하는 전해질이다. 일부 실시예에서, 애노드 및 캐소드 액(114, 116)은 온전히 참조로 본 명세서에 합체되어 있는 미국 특허 제4,786,567호, 제6,143,443호, 제6,468,688호 및 제6,562,514호의 개시 내용에 따라 또는 다른 공지된 기술에 의해 제조될 수 있다. 도 1에 도시된 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템은 바나듐-계열의 시스템인 것으로서 예시 목적을 위해 본 명세서에서 설명되지만, 다른 반응물 용액이 이용될 수 있다.
레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템(100)의 각각의 셀(102)은 그 사이의 이온 연통을 제공하도록 음 및 양 구획부(104, 110) 사이에 배치되고 애노드 및 캐소드 액(114, 116)과 접촉되는 이온 전도성 분리기(118)(예컨대, 멤브레인)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 분리기(118)는 양성자 교환 멤브레인으로서 작용할 수 있다.
일부 실시예에서, 추가의 애노드 액(114)이 애노드 전해질 공급 라인(122) 및 애노드 전해질 복귀 라인(124)을 통해 음 구획부(104)와 유체 연통되는 애노드 전해질 보관 저장조(120) 내에 보유될 수 있다. 애노드 전해질 보관 저장조(120)는 탱크, 블래더(bladder) 또는 임의의 다른 유사한 저장 용기를 포함할 수 있다. 애노드 전해질 공급 라인(122)은 펌프(126) 및 열 교환기(128)와 연통될 수 있다. 펌프(126)는 애노드 전해질 저장조(120), 공급 라인(122), 음 구획부(104) 및 복귀 라인(124)을 통한 애노드 액(114)의 유체 이동을 가능케 할 수 있다. 일부 실시예에서, 펌프(126)는 일반화된 흐름률에서의 변화를 가능케 하는 가변 속도를 가질 수 있다. 열 교환기(128)는 유체 또는 가스 매체로 애노드 액(114)으로부터 발생되는 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 공급 라인(122)은 애노드 액(114)의 체적 흐름을 제어하는 1개 이상의 공급 라인 밸브(130)를 포함할 수 있다. 복귀 라인(124)은 복귀 체적 흐름을 제어하는 1개 이상의 복귀 라인 밸브(132)와 연통될 수 있다.
일부 실시예에서, 추가의 캐소드 액(116)이 캐소드 전해질 공급 라인(136) 및 캐소드 전해질 복귀 라인(138)을 통해 양 구획부(110)와 유체 연통되는 캐소드 전해질 보관 저장조(134) 내에 보유될 수 있다. 캐소드 전해질 공급 라인(136)은 펌프(140) 및 열 교환기(142)와 연통될 수 있다. 일부 실시예에서 일반화된 흐름률에서의 변화를 가능케 하는 가변 속도 펌프일 수 있는 펌프(140)는 캐소드 전해질 저장조(134), 공급 라인(136), 양 구획부(110) 및 복귀 라인(138)을 통한 캐소드 액(116)의 유체 이동을 가능케 할 수 있다. 열 교환기(142)는 유체 또는 가스 매체로 캐소드 액(116)으로부터 발생되는 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 공급 라인(136)은 캐소드 액(116)의 체적 흐름을 제어하는 1개 이상의 공급 라인 밸브(144)를 포함할 수 있다. 복귀 라인(138)은 복귀 체적 흐름을 제어하는 1개 이상의 복귀 라인 밸브(146)와 연통될 수 있다.
음 및 양 전극(108, 112)은 전원(148) 및 부하(150)와 전기 연통될 수 있다. 전원 스위치(152)가 전원(148)과 각각의 음 전극(108) 사이에 직렬로 배치될 수 있다. 마찬가지로, 부하 스위치(154)가 부하(150)와 각각의 음 전극(108) 사이에 직렬로 배치될 수 있다. 대체 구성이 가능하고, 도 1에 도시된 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템(100)의 특정한 구성은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 많은 가능한 구성들 중 예시 구성으로서 제공된다.
레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 충전 중인 동안에, 전원 스위치(152)가 폐쇄될 수 있고, 부하 스위치(154)가 개방될 수 있다. 펌프(126)가 애노드 전해질 공급 및 복귀 라인(122, 124)을 거쳐 음 구획부(104) 및 애노드 전해질 보관 저장조(120)를 통해 애노드 액(114)을 펌핑할 수 있다. 동시에, 펌프(140)가 캐소드 전해질 공급 및 복귀 라인(136, 138)을 거쳐 양 구획부(110) 및 캐소드 전해질 보관 저장조(134)를 통해 캐소드 액(116)을 펌핑할 수 있다. 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템(100)의 각각의 셀(102)은 예컨대 애노드 액(114) 내에 2가 바나듐 이온을 그리고 캐소드 액(116) 내에 동등한 5가 바나듐 이온을 유도함으로써 음 및 양 전극(108, 112)으로 전원(148)으로부터의 전기 에너지를 전달함으로써 충전될 수 있다.
전기는 부하 스위치(154)를 폐쇄하고 전원 스위치(152)를 개방함으로써 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템(100)의 각각의 반응기 셀(102)로부터 인출될 수 있다. 이것은 애노드 액 및 캐소드 액이 셀(102)을 통해 각각 펌핑될 때에 음 및 양 전극(108, 112)과 전기 연통되는 부하(150)가 전기 에너지를 인출하게 한다. 일부 실시예에서, 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템(100)의 다양한 구성 요소의 동작이 전자 제어 및 감시 시스템(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다. 나아가, 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템(100)으로부터 인출되는 전력이 부하(150)로 공급되기 전에 전력 조절 장비(도시되지 않음)를 사용하여 조절될 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 변환 시스템(도시되지 않음)이 또한 반응기 셀(102)로부터 출력되는 DC 전력을 부하(150)에 의해 요구되는 AC 전력으로 변환하도록 합체될 수 있다.
도 2는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템의 반응기 셀 조립체(200)의 분해도이다. 도시된 것과 같이, 반응기 적층 조립체(200)는 외부 프레임(202), 펠트 시트(204), 이온 전도성 분리기(예컨대, 멤브레인)(206), 내부 프레임(208) 및 전극(210)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 반응기 셀 조립체(200)의 구성 요소(202-210)는 제1 레벨 빌의 재료(first level bill of material) 내에 포함될 수 있다. 이와 같이, 반응기 셀 조립체(200)는 하위 블록-조립(즉, 최종 조립 전의 구성 요소의 하위 블록-조립) 없이 조립될 수 있고, 그에 의해 더 적은 구성 요소 및 더 간결한 제조 공정을 가능케 한다.
반응기 셀 조립체(200)는 도 2에 도시된 순서로 조립될 수 있다. 펠트 시트(204)가 외부 프레임(202) 내에 위치될 수 있고, 그에 의해 펠트 시트(204)의 상부에 위치되는 멤브레인(206)과 또 다른 적층 조립체(도시되지 않음) 사이에 투과성 구획부(예컨대, 음 또는 양 구획부)를 생성한다. 내부 프레임(208)이 그 다음에 외부 프레임(202)의 외부 모서리의 상부에 위치될 수 있고, 외부 프레임(202)과 내부 프레임(208) 사이에 멤브레인(206)을 고정하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 프레임(202) 및 내부 프레임(208)은 아래에서 상세하게 설명되는 것과 같이 1개 이상의 리브 및 채널을 사용하여 결합될 수 있다. 제2 펠트 시트(204)가 그 다음에 조립체 상에 위치될 수 있고, 그에 의해 멤브레인(206)과 전극(210)(예컨대, 애노드 또는 캐소드) 사이에 또 다른 투과성 구획부(예컨대, 음 또는 양 구획부)를 한정한다. 일부 실시예에서, 구성 요소(202-210)는 아래에서 설명되는 것과 같이 외부 프레임(202) 및 내부 프레임(208) 내로 합체되는 안내부 또는 다른 장치를 사용하여 반응기 셀 조립체(200) 내에 정렬될 수 있다. 양호한 실시예에서, 반응기 셀 조립체(200)의 구성 요소(202-210)는 다른 반응기 셀 조립체와 직렬로 결합되도록 구성될 수 있고, 그에 의해 다중-셀 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템을 생성한다.
일부 실시예에서, 외부 프레임(202) 및 내부 프레임(208)은 플라스틱 및/또는 다른 중합체 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 프레임(202) 및 내부 프레임(208)은 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템의 정상 동작 하에서 상당히 열화되지 않는 재료로 구성될 수 있다. 예컨대, 외부 프레임(202) 및 내부 프레임(208)은 전해질 용액과의 접촉으로부터 기인하여 시간에 따라 상당히 열화되지 않는 재료로 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 외부 프레임(202) 및 내부 프레임(208)은 사출 성형 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 프레임(202) 및 내부 프레임(208)은 프레임(202, 208)의 임의의 부분의 재료 벽 두께가 프레임(202, 208)의 일관된 성형을 가능케 할 정도로 실질적으로 유사하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208) 내에 합체되는 리브 및 채널은 외부 프레임(202)이 내부 프레임(208)과 결합될 때에 인터로킹되도록 구성될 수 있다. 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208) 내에 합체되는 리브 및 채널을 인터로킹함으로써, 더 두꺼운 및/또는 구조적인 프레임 부분이 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208)은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐 클로라이드 및/또는 다른 유사한 재료를 포함할 수 있다. 추가 실시예에서, 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208)은 기계 가공 공정을 사용하여 제조될 수 있다.
펠트 시트(204)는 전해질 용액(예컨대, 애노드 및/또는 캐소드 액)에 의해 투과 가능한 반응기 셀 조립체(200) 내의 구획부(예컨대, 음 또는 양 구획부)를 한정하도록 구성될 수 있다. 펠트 시트(204)는 양극 전극[예컨대, 전극(210)]과 전해질 용액 사이의 전도성 경로를 제공하도록 추가로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 펠트 시트(204)는 복수개의 전도성 섬유를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 액으로써 포화될 때에, 펠트 시트(204)는 이들이 한정하는 셀 구획부를 통한 액의 균일한 흐름을 가능케 할 수 있다. 펠트 시트(204)는 예컨대 그래파이트 및/또는 탄소 섬유를 포함하는 재료를 포함할 수 있다.
멤브레인(206)은 멤브레인(206)의 각각의 측면 상에 배치되는 애노드 및 캐소드 전해질 용액 사이의 이온 연통을 제공하도록 구성되는 이온 전도성 분리기일 수 있다. 일부 실시예에서, 멤브레인(206)은 양성자 교환 멤브레인으로서 구성될 수 있다. 나아가, 일부 실시예에서, 멤브레인(206)은 멤브레인(206)의 어느 한쪽의 측면 상에 배치되는 전해질 용액(예컨대, 애노드 및 캐소드 액)의 혼합을 방지하도록 구성될 수 있다.
전극(210)은 적층된 조립체 내의 각각의 셀 사이의 전도성 경로를 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전극(210)은 전도성 금속 재료로 구성될 수 있다. 나아가, 전극(210)은 셀들 사이의 전극(210)의 어느 한쪽의 측면 상에 배치되는 전해질 용액의 혼합을 방지하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전극(210)은 그래파이트 및/또는 탄소 분말, 섬유, 및/또는 중합체 재료와 접합되는 플레이크로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 중합체 재료는 에틸렌 테트라플루오로에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리프로필렌, 에폭시 및/또는 다른 유사한 재료를 포함할 수 있다.
도 3은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 복수개의 반응기 적층 셀(300)을 도시하고 있다. 위에서 논의된 것과 같이, 양호한 실시예에서, 도 2에 도시된 반응기 셀 조립체(200)의 구성 요소(202-210)는 다른 반응기 셀 조립체와 직렬로 결합되도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 도 3에 도시된 것과 같이, 외부 프레임(202), 펠트 시트(204), 멤브레인(206), 내부 프레임(208), 또 다른 펠트 시트(204) 및 전극(210)을 포함하는 개별의 반응기 셀 조립체(200)는 임의의 개수의 다른 반응기 셀 조립체와 직렬로 적층되어 다중-셀 적층체를 형성할 수 있다.
일부 실시예에서, 외부 프레임(202) 및 내부 프레임(208)은 프레임(202, 208) 내에 합체되는 1개 이상의 리브 및 채널 연결부를 사용하여 결합될 수 있고, 그에 의해 프레임(202, 208) 내의 적층 조립체의 다른 구성 요소[예컨대, 펠트 시트(204), 멤브레인(206) 및 전극(210)]을 고정한다. 프레임(202, 208) 내에 합체되는 리브 및 채널 연결부는 반응기 적층 셀(300) 내에 포함된 반응기 셀 조립체(200)의 구성 요소(202-210)를 정렬하도록 추가로 기능할 수 있다. 일부 실시예에서, 리브 및 채널 연결부를 이용하는 것은 또한 반응기 적층 셀(300)이 프레임(202, 208) 사이에서 접착제를 사용하기보다는 기계 클램핑 시스템(도시되지 않음) 또는 다른 기계 수단을 사용하여 확실하게 결합되게 할 수 있다. 기계 클램핑 시스템을 이용하는 것은 일부 실시예에서 반응기 적층 셀(300)의 간결한 제조를 가능케 하여 접착제 경화와 관련된 제조 시간을 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 다중 밀봉 시스템(400)의 블록도이다. 일부 실시예에서, 도시된 밀봉 시스템(400)은 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208) 내로 합체될 수 있고, 반응기 셀 조립체(200)의 음 및/또는 양 구획부 내에 전해질 용액을 실질적으로 구속하는 데 사용될 수 있다. 즉, 도시된 밀봉 시스템(400)은 반응기 셀 조립체로부터의 전해질 용액의 외부 누출을 방지하는 데 이용될 수 있다.
도시된 것과 같이, 밀봉 시스템(400)은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따르면 전해질 용액(예컨대, 애노드 또는 캐소드 액)을 수용하여 반응기 셀의 음 또는 양 구획부로서 기능할 수 있는 1차 구획부(406)를 포위하는 1차 밀봉부(402)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 1차 구획부(406)는 주위 구획부보다 높은 압력 및/또는 외부 대기압에 있을 수 있다. 따라서, 1차 밀봉부(402)는 높은 압력에서 전해질 용액을 수용하도록 구성되는 높은 압력의 밀봉부일 수 있다. 일부 실시예에서, 더 높은 압력은 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템의 동작 중에 1차 구획부(406)를 통해 펌핑될 전해질 용액에 기인 가능할 수 있다. 전해질 용액이 1개 이상의 전해질 입구 매니폴드(도시되지 않음)를 거쳐 1차 구획부(406) 내로 펌핑될 수 있다. 마찬가지로, 전해질 용액이 1개 이상의 전해질 용액 출구 매니폴드(도시되지 않음)를 거쳐 1차 구획부(406) 외부로 펌핑될 수 있다.
2차 밀봉부(404)가 1차 밀봉부(402)를 포위할 수 있고, 그에 의해 1차 밀봉부(402)와 2차 밀봉부(404) 사이에 2차 구획부(408)를 생성한다. 일부 실시예에서, 2차 밀봉부(404)는 1차 밀봉부(402)를 통해 누출되는 전해질 용액을 포획하여 2차 구획부(408) 내에 누출된 전해질 용액을 저장하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 2차 구획부(408)는 1차 밀봉부(402)로부터의 임의의 누출물을 위한 "드립 트레이(drip tray)"로서 기능할 수 있다. 일부 실시예에서, 2차 구획부(408)는 긴 기간(예컨대, 12-개월의 기간)에 걸쳐 하루에 전해질 용액의 여러 개의 누출된 액적에 대응하는 전해질 용액의 양을 포획하도록 구성될 수 있다.
추가 실시예에서, 2차 구획부(408)는 1차 구획부(406)보다 낮은 압력에 있을 수 있고, 그에 의해 전해질 용액이 2차 밀봉부(404)를 통해 누출될 가능성을 감소시킨다. 일부 실시예에서, 2차 구획부(408)는 주변 또는 외부 대기압에 있을 수 있다.
선택적으로-폐쇄 가능한 접근 포트(410)가 2차 밀봉부(404) 내로 합체될 수 있고, 그에 의해 2차 구획부(408)로의 외부 접근을 제공한다. 일부 실시예에서, 접근 포트(410)는 밸브 시스템 등을 거쳐 2차 구획부(408) 내로 1차 밀봉부(402)를 통해 누출된 전해질 용액으로의 접근을 가능케 할 수 있다. 접근 포트(410)를 통해, 이러한 누출된 전해질 용액이 2차 구획부(408)로부터 제거(즉, 배출)되어 폐기될 수 있다. 대체예에서, 접근 포트(410)를 거쳐 2차 구획부(408)로부터 제거되는 누출된 전해질 용액이 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템으로 재순환 및 재유입될 수 있다.
리브 및 채널 인터로킹 설계가 반응기 셀 조립체(200) 내에 포함되는 1차 밀봉부(402), 2차 밀봉부(404) 및/또는 다른 구조물을 형성하는 데 사용될 수 있다. 나아가, 위에서 논의된 것과 같이, 외부 프레임(202) 및 내부 프레임(208) 내로 합체되는 리브 및 채널 인터로킹부는 기계 클램핑 시스템과 연계하여 반응기 셀 조립체(200)를 기계적으로 결합하는 데, 더 두꺼운 및/또는 구조적인 프레임 부분을 생성하는 데 그리고 조립 중에 반응기 셀 조립체(200)의 구성 요소(202-210)를 정렬하는 데 사용될 수 있다.
리브 및 채널 인터로킹 시스템은 제1 프레임 부분[예컨대, 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208)] 내로 합체되는 2개의 채널 리브에 의해 형성되는 채널 그리고 제2 프레임 부분[예컨대, 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208)] 내로 합체되는 밀봉 리브를 포함할 수 있다. 밀봉 리브는 2개의 채널 리브에 의해 형성된 채널 내에 배치될 수 있고, 힘(예컨대, 300 KN)이 채널 리브를 포함하는 제2 프레임 부분에 대해 제1 프레임 부분을 압축하는 밀봉 리브를 포함하는 제1 프레임 부분에 가해질 때에, 채널 내에 고정될 수 있다. 일부 실시예에서, 채널 리브들 사이에 밀봉 리브를 고정하는 것은 밀봉 리브를 지지하고 밀봉 리브가 채널 내로 압축될 때에 버클링될 가능성을 감소시킬 수 있다. 나아가, 채널 리브는 밀봉 리브를 지지하고 밀봉 리브가 채널 내로 과도-압축되는 것을 방지할 수 있다. 밀봉 리브는 채널 리브에 의해 형성된 채널의 저부에 대해 가압될 때에 전해질 용액이 밀봉부를 통과하는 것을 실질적으로 방지할 수 있는 밀봉부를 형성하는 팁을 포함할 수 있다.
도 5는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 일체형 밀봉부(402, 404, 502)를 포함하는 반응기 적층체의 외부 프레임(202)의 일부(500)의 상부 사시도이다. 위에서 논의된 것과 같이, 외부 프레임(202)은 전해질 용액(예컨대, 애노드 또는 캐소드 액)을 수용하는 반응기 셀의 1차 구획부(예컨대, 음 또는 양 구획부)를 포위하도록 구성되는 1차 밀봉부(402)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 1차 밀봉부(402)는 2개의 프레임 부분이 리브 및 채널 인터로킹 설계를 사용하여 결합될 때에 형성될 수 있다.
전해질 용액이 1개 이상의 전해질 입구 매니폴드(504)를 거쳐 1차 구획부 내로 펌핑될 수 있다. 마찬가지로, 전해질 용액이 1개 이상의 전해질 용액 출구 매니폴드(도시되지 않음)를 거쳐 1차 구획부 외부로 펌핑될 수 있다. 1차 밀봉부(402)는 입구 매니폴드(504) 및/또는 출구 매니폴드를 포위 및/또는 격리하도록 구성될 수 있다. 나아가, 1차 밀봉부(402)는 입구 매니폴드로부터 1차 구획부까지 연장되는 입구 채널(508)을 한정할 수 있고, 그에 의해 전해질 용액이 1개 이상의 특정한 위치에서 1차 구획부 내로 펌핑될 수 있게 한다. 마찬가지로, 1차 밀봉부(402)는 출구 매니폴드로부터 1차 구획부까지 연장되는 출구 채널을 한정할 수 있고, 그에 의해 전해질 용액이 1개 이상의 특정한 위치에서 1차 구획부 외부로 펌핑될 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 외부 프레임(202)은 2차 밀봉부(404)를 추가로 포함할 수 있고, 2차 밀봉부(404)는 1차 밀봉부(402)를 포위하여 1차 밀봉부(402)와 2차 밀봉부(404) 사이에 2차 구획부(408)를 생성하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 2차 밀봉부(404)는 2개의 프레임 부분이 리브 및 채널 인터로킹 설계를 사용하여 결합될 때에 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 2차 밀봉부(404)는 1차 밀봉부(402)를 통해 누출되는 전해질 용액을 포획하여 2차 구획부(408) 내에 누출된 전해질 용액을 저장하도록 구성될 수 있다. 2차 구획부(408) 내에 수용되는 전해질 용액이 폐기 및/또는 접근 포트(도시되지 않음)를 통한 시스템 내로의 재차의 재순환을 위해 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 2차 구획부(408)는 1차 구획부보다 낮은 압력에 있을 수 있고, 그에 의해 전해질 용액이 2차 밀봉부(404)를 통해 누출될 가능성을 감소시킨다.
션트 채널(shunt channel)(506)이 외부 프레임(202) 내에 합체되는 1개 이상이 션트 채널 밀봉부(502)에 의해 한정될 수 있다. 션트 채널 밀봉부(502)는 2개의 프레임 부분이 리브 및 채널 인터로킹 설계를 사용하여 결합될 때에 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 션트 채널(506)은 그 길이를 증가시키고 및/또는 그 흐름-단면을 감소시킴으로써 반응기 셀 조립체의 셀들 사이의 전기 저항을 상승시키도록 설계될 수 있다. 이러한 방식으로, 션트 채널(506)은 반응기 셀들 사이에 흐르는 션트 전류를 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 1차 밀봉부(402)와 독립적인 션트 채널 밀봉부(502)를 합체함으로써, 1차 밀봉부(402)의 일체성이 상승될 수 있다.
도 6은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 일체형 밀봉부(402, 404)를 포함하는 복수개의 반응기 적층 셀의 단면도(600)이다. 도시된 것과 같이, 외부 프레임(202), 펠트 시트(204), 멤브레인(206), 내부 프레임(208), 또 다른 펠트 시트(204) 및 전극(210)을 포함하는 개별의 반응기 셀 조립체가 임의의 개수의 다른 반응기 셀 조립체와 병렬로 적층되어 다중-셀 적층체를 형성할 수 있다. 외부 프레임(202)은 일부 실시예에서 전해질 용액(예컨대, 애노드 또는 캐소드 액)을 수용하는 반응기 셀의 투과성 펠트 시트(204)가 충전될 수 있는 1차 구획부(예컨대, 음 또는 양 구획부)를 포위하도록 구성되는 1차 밀봉부(402)를 포함할 수 있다. 도시된 것과 같이, 1차 밀봉부(402)는 2개의 프레임 부분이 리브 및 채널 인터로킹 설계를 사용하여 결합될 때에 형성될 수 있다.
외부 프레임(202)은 1차 밀봉부(402)를 포위하는 2차 밀봉부(404)를 추가로 포함할 수 있고, 그에 의해 1차 밀봉부(402)와 2차 밀봉부(404) 사이에 2차 구획부(408)를 생성한다. 일부 실시예에서, 2차 구획부(408)는 1차 밀봉부(402)를 통해 누출되는 전해질 용액을 포획하도록 구성될 수 있다. 2차 구획부(408) 내에 수용되는 전해질 용액이 폐기 및/또는 접근 포트(도시되지 않음)를 통한 시스템 내로의 재차의 재순환을 위해 제거될 수 있다. 도시된 것과 같이, 2차 밀봉부(404)는 2개의 프레임 부분이 리브 및 채널 인터로킹 설계를 사용하여 결합될 때에 형성될 수 있다.
도 7은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 내부 o-링 채널을 포함하는 반응기 적층 셀의 외부 프레임(202)의 상부 사시도(700)이다. 일부 실시예에서, 도 8에 더 상세하게 도시된 내부 o-링 채널은 외부 프레임(202) 내로 합체될 수 있고, 강성 구조 포위체에 대해 다중-셀 반응기 적층 조립체[예컨대, 반응기 적층 셀(300)]의 말단 외부 프레임(202)을 밀봉하도록 적절한 크기의 o-링(예컨대, 고무 o-링 등)과 연계하여 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 내부 o-링 채널은 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템 내에 포함되는 다중-셀 반응기 적층 조립체의 말단 단부 상에 위치되는 강성 포위체에 대한 외부 밀봉부를 생성하도록 o-링과 연계하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 o-링 채널은 보관 저장조(즉, 입구/출구 및/또는 급송 단부)에 대해 전해질 용액을 수용 및/또는 제공하는 다중-셀 반응기 적층체의 단부에서 말단 프레임을 밀봉하도록 o-링과 연계하여 사용될 수 있다.
도 8은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 내부 o-링 채널(702)을 포함하는 반응기 적층 셀의 외부 프레임(202)의 단면도(800)이다. 도시된 것과 같이, 내부 o-링 채널(702)은 적절한 크기의 o-링을 보유 및/또는 고정하도록 구성되는 외부 프레임(202)의 내주부를 포위하는 채널을 한정할 수 있다. 일부 실시예에서, o-링은 강성 프레임이 내부 o-링 채널(702) 내의 o-링에 대해 가압될 때에 펌핑 압력에서 전해질 용액을 실질적으로 수용하는 밀봉부가 생성되도록 된 크기로 형성될 수 있다.
도 9는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 외부 o-링 채널을 포함하는 반응기 적층 셀의 외부 프레임(202)의 저부 사시도(900)이다. 일부 실시예에서, 도 10에 더 상세하게 도시된 외부 o-링 채널은 외부 프레임(202) 내로 합체될 수 있고, 강성 구조 포위체에 대해 다중-셀 반응기 적층 조립체[예컨대, 반응기 적층 셀(300)]의 말단 외부 프레임(202)을 밀봉하도록 적절한 크기의 o-링(예컨대, 고무 o-링 등)과 연계하여 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 외부 o-링 채널(902)은 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템 내에 포함되는 다중-셀 반응기 적층 조립체의 말단 단부 상에 위치되는 강성 포위체에 대한 외부 밀봉부를 생성하도록 o-링과 연계하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 o-링 채널(902)은 다중-셀 반응기 적층체의 단부에서 말단 프레임을 밀봉하도록 o-링과 연계하여 사용될 수 있다.
도 10은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 외부 o-링 채널(902)을 포함하는 반응기 적층 셀의 외부 프레임(202)의 단면도(1000)이다. 도시된 것과 같이, 외부 o-링 채널(902)은 적절한 크기의 o-링을 보유 및/또는 고정하도록 구성되는 외부 프레임(202)의 외주부를 포위하는 채널을 한정할 수 있다. 일부 실시예에서, o-링은 강성 프레임이 외부 o-링 채널(902) 내의 o-링에 대해 가압될 때에 펌핑 압력에서 전해질 용액을 실질적으로 수용하는 밀봉부가 생성되도록 된 크기로 형성될 수 있다.
도 11은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 복수개의 반응기 셀(1102)을 포함하는 조립된 흐름 셀 배터리(1100)의 단면도이다. 복수개의 반응기 셀(1102)은 직렬로 결합되는 구성 요소(202-210)를 각각 포함하는 여러 개의 반응기 셀 조립체[즉, 도 2에 도시된 반응기 셀 조립체(200)]를 포함할 수 있다. 이와 같이, 외부 프레임(202), 펠트 시트(204), 멤브레인(206), 내부 프레임(208), 또 다른 펠트 시트(204) 및 전극(210)을 포함하는 개별의 반응기 셀 조립체가 다른 반응기 셀 조립체와 직렬로 적층되어 복수개의 반응기 셀(1102)을 포함하는 다중-셀 적층체를 형성할 수 있다.
복수개의 반응기 셀(1102)은 1개 이상의 강성 구조 단부 판(1104)과 연계하여 기계 클램핑 시스템(도시되지 않음)을 사용하여 함께 고정될 수 있다. 도시된 것과 같이, 단부 판(1104)은 복수개의 반응기 셀(1102)의 각각의 단부 상에 위치될 수 있고, 복수개의 반응기 셀(1102)을 고정, 정렬 및 보유하도록 기능할 수 있다. 기계 클램핑 시스템과 연계하여 사용될 때에, 단부 판(1104)은 복수개의 반응기 셀(1102) 내의 외부 프레임(202) 및 내부 프레임(208) 내로 합체되는 리브 및 채널 인터로킹부를 사용하여 밀봉부 및 다른 구조 프레임 부분을 생성하도록 기능할 수 있다.
강성 절연체(1106)가 조립된 흐름 셀 배터리(1100) 내의 강성 구조 단부 판(1104)과 복수개의 반응기 셀(1102) 사이에 포함될 수 있다. 강성 절연체(1106)는 단부 판(1104)을 위한 평면형 표면을 제공하여 복수개의 반응기 셀(1102)의 말단 셀 조립체의 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208)과 인터페이싱되도록 구성될 수 있고, 그에 의해 기계 클램핑 시스템(도시되지 않음)이 반응기 셀(1102)을 고정하는 데 사용될 때에 외부 프레임(202) 및 내부 프레임(208)을 횡단하여 균일한 압축을 가능케 한다. 이러한 방식으로, 도 11에 도시된 것과 같이, 강성 절연체(1106)는 조립된 복수개의 반응기 셀(1102)의 말단 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208)의 임의의 리브 및/또는 채널과 인터페이싱되도록 구성되는 채널 및/또는 리브를 이용할 수 있다. 나아가, 절연체(1106)는 전기 활성 구성 요소 및 금속 단부 판의 전기 절연 및/또는 감쇠 시스템을 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 절연체(1106)는 비-전도성 재료를 포함할 수 있다.
1개 이상의 입력/출력 매니폴드 끼움부(1108)가 반응기 셀(1102)의 외부 프레임(202)의 전해질 입구 매니폴드(504) 또는 출력 매니폴드와 인터페이싱되도록 구성될 수 있다. 외부 펌핑 기구(도시되지 않음)가 입력 매니폴드 끼움부(1108)를 거쳐 반응기 셀(1102)의 외부 프레임(202)의 전해질 입구 매니폴드(504)를 통해 반응기 셀의 1차 구획부 내로 전해질 용액을 펌핑할 수 있다. 마찬가지로, 전해질 용액이 출력 매니폴드 끼움부(1108)를 거쳐 반응기 셀(1102)의 외부 프레임(202)의 전해질 출구 매니폴드를 통해 반응기 셀의 1차 구획부로부터 펌핑될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하여 위에서 논의된 것과 같이, 내부 o-링(도시되지 않음)이 반응기 셀(1102)의 적층체의 말단 단부에서 외부 프레임(202) 내에 포함되는 내부 o-링 채널(702) 내에 배치될 수 있다. 내부 o-링은 단부 판(1104) 및/또는 강성 절연체(1106)에 대해 반응기 셀(1102)의 적층체의 말단 외부 프레임(202)[즉, 도 11에 도시된 반응기 셀(1102)의 적층체의 상부 외부 프레임(202)]을 밀봉하도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 외부 o-링(1112)이 반응기 셀(1102)의 적층체의 다른 말단 단부에서 외부 프레임(202) 내에 포함되는 외부 o-링 채널(902) 내에 배치될 수 있다. 외부 o-링(1112)은 단부 판(1104) 및/또는 강성 절연체(1106)에 대해 반응기 셀(1102)의 적층체의 말단 외부 프레임(202)[즉, 도 11에 도시된 반응기 셀(1102)의 적층체의 저부 외부 프레임(202)]을 밀봉하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 입력/출력 매니폴드 끼움부(1108)는 또한 도시된 것과 같이 입력/출력 매니폴드 끼움 o-링(1114)을 사용하여 외부 프레임(202)에 대해 밀봉될 수 있다.
도 12는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 복수개의 반응기 셀(1102)을 포함하는 조립된 흐름 셀 배터리(1200)의 사시도이다. 도시된 것과 같이, 복수개의 반응기 셀(1102)은 기계 클램핑 시스템(1202)을 사용하여 함께 고정될 수 있다. 기계 클램핑 시스템(1202)은 복수개의 반응기 셀(1102)을 횡단하여 실질적으로 균일한 압축을 가하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 단부 판(1104)이 복수개의 반응기 셀(1102)을 횡단하여 균일한 압축을 가하도록 기계 클램핑 시스템(1202)과 연계하여 사용될 수 있다.
도시된 것과 같이, 기계 클램핑 시스템(1202)은 복수개의 반응기 셀(1102)의 각각의 측면 상에서 단부 판(1104)에 평행으로 배치되는 강성 부재를 포함할 수 있다. 기계 클램핑 시스템(1202)은 복수개의 반응기 셀(1102)에 직각으로 연장되는 교차 부재를 추가로 포함할 수 있다. 교차 부재는 복수개의 반응기 셀(1102)의 각각의 측면 상에서 단부 판(1104)에 평행으로 배치되는 강성 부재에 결합될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 교차 부재는 강성 부재 및/또는 단부 판(1104) 사이에 압축력을 가하는 데 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 교차 부재는 이러한 압축력을 가하는 데 볼팅(bolting), 잭스크루(jackscrew) 또는 유사한 기구를 이용할 수 있다. 도시된 기계 클램핑 시스템(1202)은 압축력을 가하는 데 강성 부재 및 교차 부재를 이용하지만, 복수개의 반응기 셀(1102)에 압축력을 제공하도록 구성되는 임의의 기계 시스템이 조립된 흐름 셀 배터리(1200)에서 이용될 수 있다.
도 13은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 반응기 적층 셀을 통한 음 전해질의 흐름의 사시도(1300)이다. 도시된 것과 같이, 전해질 용액이 전해질 입구 매니폴드(504)를 거쳐 외부 프레임(202)에 의해 부분적으로 한정되는 1차 구획부 내로 펌핑될 수 있다. 일부 실시예에서, 전해질 용액은 도 5를 참조하여 위에서 설명된 것과 같이 션트 채널을 통해 1차 구획부 내로 펌핑될 수 있고, 입구 채널(508)을 거쳐 1차 구획부 내로 진입될 수 있다.
일부 실시예에서, 1차 구획부의 모서리를 한정하는 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208)의 내주부를 따라 합체되는 급송 채널이 입구 채널(508)로부터 진입된 후에 1차 구획부를 통해 전해질 용액의 더 균일한 흐름을 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 도시된 것과 같이, 전해질 용액이 입구 채널(508)을 거쳐 1차 구획부 내로 급송될 수 있고, 급송 채널에 의해 1차 구획부의 모서리를 따라 분배될 수 있고, 그에 의해 1차 구획부를 통한 전해질 용액의 실질적으로 균일한 흐름을 가능케 한다.
일부 경우에, 레독스 흐름 배터리 에너지 저장 시스템의 동작 중에, 전해질 용액이 1차 구획부를 횡단하여 균일하게 흐르기보다는 1차 구획부의 외부 모서리 주위에서 흐르는 경향을 가질 수 있다. 예컨대, 펌핑 압력 하에서, 전해질 용액이 펠트 시트(204)와 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208) 사이의 계면 등의 더 낮은 흐름 저항의 경로를 통해 1차 구획부를 횡단하여 흐르는 경향을 가질 수 있다. 이들 효과를 보상하기 위해, 펠트 시트(204)는 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208)에 의해 한정된 1차 구획부의 크기보다 약간 큰 크기로 형성될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 펠트 시트(204)는 1차 구획부 내로 견고하게 끼워지도록 약간 넓게 절단될 수 있다. 더 좁은 구획부 내로 "과도한 크기의" 펠트 시트(204)를 압축함으로써, 1차 구획부의 모서리를 따른 흐름 저항이 상승될 수 있고, 그에 의해 전해질 용액이 1차 구획부의 모서리를 따라 더 용이하게 흐르는 경향을 감소시킨다.
1차 구획부의 모서리를 한정하는 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208)의 내주부를 따라 합체되는 급송 채널이 1차 구획부를 통해 흐르는 전해질 용액을 수집하여 출구 채널(1302)로 전해질 용액을 유도하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전해질 용액은 그 다음에 션트 채널을 통해 그리고 출구 매니폴드(1304)를 통해 반응기 셀 외부로 지나갈 수 있다.
도 14는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 반응기 적층 셀을 통한 양 전해질의 흐름의 사시도(1400)이다. 1차 구획부를 통한 양 전해질 용액의 흐름은 도 13을 참조하여 위에서 설명된 것과 같이 1차 구획부를 통한 음 전해질 용액의 흐름과 유사할 수 있다. 도 14에 도시된 것과 같이, 양 전해질 용액이 입구 매니폴드(504), 션트 채널, 입구 채널, 급송 채널, 출구 채널(1302), 또 다른 션트 채널 및 출구 매니폴드(1304)를 거쳐 1차 구획부를 통해 흐를 수 있다. 일부 실시예에서, 양 전해질 용액의 흐름을 유도하는 데 사용된 프레임 구조물은 음 전해질 용액의 흐름을 유도하는 데 사용된 프레임 구조물에 대한 외부 및/또는 내부 프레임(202, 208)의 대향 측면 상에 배치될 수 있다.
도 15는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 가요성 코너(1502)를 포함하는 반응기 적층 셀의 내부 프레임(208)의 사시도(1500)이다. 제조 중에 도입되는 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208)의 작은 치수 변화로 인해, 외부 프레임(202)에 내부 프레임(208)을 고정하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 내부 프레임(208)의 코너(1502)는 가요성[내부 프레임(208)의 측면보다 덜 강성]이도록 구성될 수 있고, 그에 의해 외부 프레임(202) 내에 고정될 때에 내부 프레임(208)이 내부 프레임(208) 및/또는 외부 프레임(202)의 작은 제조 변화에 맞게 조정되게 한다. 일부 실시예에서, 내부 프레임(208)의 가요성 코너(1502)가 내부 프레임(208)의 측면보다 얇고 및/또는 낮은 강성인 내부 프레임(208)의 코너(1502)에서 부분들을 합체함으로써 설계될 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 프레임(208) 및/또는 외부 프레임(202)은 프레임(202, 208)의 가요성을 상승시켜 작은 치수 변화에도 불구하고 프레임이 확실하게 결합되게 하도록 가열될 수 있다.
도 16은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 반응기 적층 셀을 위한 멤브레인 고정 설계의 단면도(1600)이다. 도시된 것과 같이, 멤브레인(206)은 외부 프레임(202)과 내부 프레임(208) 사이에 고정될 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 프레임(208) 및/또는 외부 프레임(202) 내로 합체되는 상승 리브(1602)가 외부 프레임(202)과 내부 프레임(208) 사이에 압축될 때에 멤브레인(206)의 모서리 내로 가압되도록 구성될 수 있고, 그에 의해 외부 프레임(202)과 내부 프레임(208) 사이에 멤브레인(206)을 고정한다. 일부 실시예에서, 상승 리브(1602)는 외부 프레임(202), 내부 프레임(208) 및 멤브레인(206)의 모서리 사이에 밀봉부를 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉부는 낮은 또는 킬로파스칼-이하의 압력 차이(예컨대, 5 ㎪ 또는 15 ㎪)를 수용할 수 있는 낮은 압력의 밀봉부일 수 있다.
도 17은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 반응기 적층 셀을 위한 전극(210) 고정 설계의 단면도(1700)이다. 도시된 것과 같이, 전극(210)은 외부 프레임(202)과 내부 프레임(208) 사이에 고정될 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 프레임(208) 및/또는 외부 프레임(202) 내로 합체되는 상승 리브(도시되지 않음)가 외부 프레임(202)과 내부 프레임(208) 사이에 압축될 때에 전극(210)의 모서리 내로 가압되도록 구성될 수 있고, 그에 의해 외부 프레임(202)과 내부 프레임(208) 사이에 전극(210)을 고정한다. 일부 실시예에서, 상승 리브는 외부 프레임(202), 내부 프레임(208) 및 전극(210)의 모서리 사이에 밀봉부를 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 밀봉부는 낮은 또는 킬로파스칼-이하의 압력 차이를 수용할 수 있는 낮은 압력의 밀봉부일 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 밀봉제가 외부 프레임(202), 내부 프레임(208) 및 전극(210)의 모서리의 계면들 사이에서 사용되어 밀봉부를 생성할 수 있다.
도 18은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 다른 반응기 적층 셀 구성 요소를 위치시키는 안내부(1802)를 포함하는 반응기 적층 셀의 외부 프레임(202)의 사시도(1800)이다. 도시된 것과 같이, 외부 프레임(202)은 조립 중에 반응기 셀의 구성 요소(202-210)를 안내, 정렬 및/또는 위치 설정하도록 구성되는 일체형 안내부(1802)를 포함할 수 있다. 도시된 안내부(1802)는 구체적으로 반응기 셀 적층체의 조립 중에 멤브레인(206)을 안내, 정렬 및/또는 위치 설정하도록 구성될 수 있다. 안내부(1802)를 이용하는 것은 잠재적으로 분해 및 재정렬을 초래할 수 있는 구성 요소(202-210)가 정렬되지 않을 가능성을 감소시킴으로써 반응기 셀 적층체의 더 효율적인 조립을 가능케 할 수 있다.
도 19는 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 다른 반응기 적층 셀 구성 요소를 위치시키는 안내부(1902)를 포함하는 반응기 적층 셀의 내부 프레임(208)의 사시도(1900)이다. 도시된 것과 같이, 내부 프레임(208)은 조립 중에 반응기 셀의 구성 요소(202-210)를 안내, 정렬 및/또는 위치 설정하도록 구성되는 일체형 안내부(1902)를 포함할 수 있다. 도시된 안내부(1902)는 구체적으로 반응기 셀 적층체의 조립 중에 전극(210)을 안내, 정렬 및/또는 위치 설정하도록 구성될 수 있다. 안내부(1902)를 이용하는 것은 잠재적으로 분해 및 재정렬을 초래할 수 있는 구성 요소(202-210)가 정렬되지 않을 가능성을 감소시킴으로써 반응기 셀 적층체의 더 효율적인 조립을 가능케 할 수 있다.
도 20은 본 명세서에서 개시된 실시예에 따른 반응기 적층 셀의 밀봉 영역을 위한 개스킷 시스템(2002)의 사시도(2000)이다. 도 13 및 도 15를 참조하여 위에서 논의된 것과 같이, 양 전해질 용액의 흐름을 유도하는 데 사용된 프레임 구조물은 음 전해질 용액의 흐름을 유도하는 데 사용된 프레임 구조물에 대한 외부 및/또는 내부 프레임(202, 208)의 대향 측면 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 프레임(208) 및/또는 외부 프레임(202) 상으로 고정되도록 구성되는 개스킷(2002)(예컨대, 고무 개스킷 등)이 일체형 프레임 구조물과 연계하여 전해질 용액의 흐름을 유도하는 데 이용될 수 있다. 예컨대, 도시된 것과 같이, 개스킷(2002)이 외부 프레임(202) 및/또는 내부 프레임(208) 내에 한정되는 양 전해질 입구 채널과 음 전해질 입구 채널 사이에 실질적으로 불투과성의 밀봉부를 생성하는 데 이용될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 접착제 및/또는 비-접착성 밀봉제가 별개의 개스킷(2002)의 사용 없이 유사한 밀봉부를 생성하는 데 이용될 수 있다.
많은 변화가 본 발명의 기초 원리로부터 벗어나지 않으면서 위에서-설명된 실시예의 세부 사항에 대해 수행될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범주는 다음의 특허청구범위에 의해서만 결정되어야 한다.

Claims (15)

  1. 복수개의 외부 프레임과;
    복수개의 내부 프레임과;
    복수개의 외부 프레임 및 복수개의 내부 프레임 내에 합체되는 리브 및 채널 인터로킹 시스템으로서, 리브 및 채널 인터로킹 시스템은 복수개의 밀봉 시스템을 생성하도록 구성되고, 각각의 밀봉 시스템은 복수개의 외부 프레임 및 복수개의 내부 프레임이 적층 구성에서 함께 압축될 때에 전해질 구획부의 외주부를 포위하는, 리브 및 채널 인터로킹 시스템
    을 포함하는 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 복수개의 외부 프레임 및 복수개의 내부 프레임은 중합체 재료로 구성되는 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 각각의 밀봉 시스템은 리브 및 채널 인터로킹 시스템에 의해 부분적으로 한정되는 1차 밀봉부 및 2차 밀봉부를 포함하는 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 각각의 밀봉 시스템은 전해질 구획부 내에 전해질 용액을 실질적으로 구속하도록 구성되는 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  5. 제3항에 있어서, 1차 밀봉부는 높은 압력의 밀봉부인 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  6. 제3항에 있어서, 2차 밀봉부는 1차 밀봉부보다 낮은 압력의 밀봉부인 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  7. 제3항에 있어서, 각각의 밀봉 시스템은 1차 밀봉부와 2차 밀봉부 사이에 배치되는 2차 구획부를 포함하고, 2차 구획부는 1차 밀봉부를 통해 누출되는 임의의 전해질 용액을 실질적으로 포획하도록 구성되는, 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 2차 구획부는 주변 공기 압력에 있도록 구성되는 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 리브 및 채널 인터로킹 시스템은 복수개의 밀봉 리브 및 복수개의 채널 리브를 포함하고, 각각의 밀봉 리브는 한 쌍의 채널 리브에 의해 형성되는 채널 내에 배치되도록 구성되는, 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 리브 및 채널 인터로킹 시스템은 복수개의 외부 프레임 및 복수개의 내부 프레임이 적층 구성에서 함께 압축될 때에 리브 및 채널을 사용하여 구조 프레임 부분을 생성하도록 추가로 구성되는 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 복수개의 외부 프레임 및 복수개의 내부 프레임은 사출 성형된 재료로 구성되는 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 복수개의 외부 프레임 및 복수개의 내부 프레임은 일관된 벽 두께를 갖는 재료로 구성되는 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  13. 제1항에 있어서, 복수개의 외부 프레임 및 복수개의 내부 프레임은 전해질 용액에 노출될 때에 상당히 열화되지 않는 재료로 구성되는 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  14. 제7항에 있어서, 각각의 밀봉 시스템은 2차 구획부 내에 포획되는 전해질 용액에 접근하도록 구성되는 접근 포트를 추가로 포함하는 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 조립체.
  15. 레독스 흐름 배터리 시스템 반응기 셀을 조립하는 방법에 있어서,
    복수개의 내부 프레임과 복수개의 외부 프레임을 정렬하는 단계로서, 복수개의 외부 프레임 및 복수개의 내부 프레임은 일체형 리브 및 채널 인터로킹 시스템을 포함하는, 단계와;
    리브 및 채널 인터로킹 시스템을 사용하여 복수개의 밀봉 시스템을 생성하도록 적층 구성에서 복수개의 내부 프레임과 복수개의 외부 프레임을 압축하는 단계로서, 각각의 밀봉 시스템은 전해질 구획부의 외주부를 포위하는, 단계와;
    압축된 상태에서 압축된 복수개의 외부 프레임 및 복수개의 내부 프레임을 고정하는 단계
    를 포함하는 방법.
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