KR20150020884A - 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극에 관한 것으로서, 바이폴라 플레이트, 전극, 이온교환막 등으로 구성된 산화환원 유동 에너지 저장장치에서, 상기 전극은 카본 펠트와 카본 페이퍼를 포함하며, 상기 카본 페이퍼는 카본 펠트와 이온교환막 사이에 배치하여 구성한 것이며, 카본 페이퍼만 사용하는 단일 전극 구조의 산화환원 유동 에너지 저장장치의 단점인 전해액의 낮은 흐름성을 개선하여 셀 내부에 전해액이 골고루 퍼질 수 있게 하는 효과가 있다.

Description

산환환원 유동 에너지 저장장치용 전극{Electrode for redox flow energy storage device}
본 발명은 산환환원 유동 에너지 저장장치용 전극에 관한 것으로서, 상세하게는 바이폴라 플레이트, 전극, 이온교환막 등으로 구성된 산환환원 유동 에너지 저장장치에서, 상기 전극은 카본 펠트와 카본 페이퍼로 이루어지고, 카본 페이퍼는 카본 펠트와 이온교환막 사이에 배치하여 적층한 산환환원 유동 에너지 저장장치용 전극에 관한 것이다.
일반적인 산환환원 유동 에너지 저장장치는 도 2에 도시한 바와 같이, 전류집전체(20)가 부착된 양쪽 엔드 플레이트(10)의 사이에서 바이폴라 플레이트(11), 카본펠트(15a)(15b), 바이폴라 가스켓(12), 플로우 프레임(13), 양쪽 막 가스켓(14a)(14b)과 이온교환막(16)으로 구성된 하나의 셀, 즉 단셀이 여러 개 겹쳐 쌓여진 형태로 구성되는 스택으로 만들어진다.
이와 같은 산환환원 유동 에너지 저장장치는 대용량 전력 저장 이차전지로 활발히 연구되고 있다. 특히 출력 변동성이 큰 신 재생에너지와 연계하기 위하여 장수명, 대용량 및 고출력의 특성이 필요하다. 따라서 전극은 산환환원 유동 에너지 저장장치의 효율 및 출력에 관련되는 중요한 요소이다.
이러한 추세에 맞추어 산환환원 유동 에너지 저장장치의 효율 및 출력을 향상시키기 위해 전극으로 사용하는 이온교환막에서 전해액의 흐름을 좋게 하는 카본 펠트나 또는 카본 페이퍼를 상기 이온교환막과 함께 적층하여 사용하고 있다.
그런데, 상기 카본 페이퍼만 사용하는 경우 카본 페이퍼는 밀도가 높아 이온교환막과 접촉할 때에 접촉저항이 카본 펠트에 비해 작으며, 미시적을 볼 때 무수히 많은 구멍이 있는 카본 페이퍼는 단위 면적당 비표면적이 카본 펠트 보다 매우 높아 반응성이 우수하다는 장점이 있다. 하지만 산화환원 유동 에너지 저장장치의 특성상 전극 내부로 전해액의 흐름성이 우수하여야 하는데 카본 페이퍼는 친수성이 좋지 않아 흐름성이 매우 나쁘다는 단점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2012-0130953호
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제를 해결하기 위한 것으로, 바이폴라 플레이트, 카본 펠트, 이온교환막 및 카본 펠트 등의 스택으로 구성된 산환환원 유동 에너지 저장장치의 전극에서, 전극으로 사용하는 상기 각 카본 펠트와 이온교환막 사이에 카본 페이퍼를 각각 추가하여 배치한 후 적층함으로써, 상기 이온교환막에 카본 페이퍼와 카본 펠트의 이중구조를 가지는 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극은, 바이폴라 플레이트, 전극, 이온교환막 등으로 구성된 산화환원 유동 에너지 저장장치의 전극에 있어서, 상기 전극은 카본 펠트와 카본 페이퍼를 포함하며, 상기 카본 페이퍼는 카본 펠트와 이온교환막 사이에 배치하는 것을 특징으로 하고 있다.
또 상기 카본 페이퍼와 카본 펠트는 전처리로써 열처리를 실시하는 것이 바람직하다.
또 상기 전극을 포함하는 산화환원 유동 에너지 저장장치인 것이 바람직하다.
본 발명의 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극에 의하면, 카본 페이퍼만 사용하는 단일 전극 구조의 산화환원 유동 에너지 저장장치의 단점인 전해액의 낮은 흐름성을 개선하여 셀 내부에 전해액이 골고루 퍼질 수 있게 하는 효과가 있다.
또 카본 펠트만 사용하는 단일 전극 구조의 산화환원 유동 에너지 저장장치보다 상기 카본 페이퍼에 의해 이온교환막과의 접촉저항이 감소하여 반응성이 우수해지는 효과가 있고, 단단한 재질의 카본 페이퍼가 이온교환막을 밀착하게 되므로 상기 이온교환막이 접혀 우글우글해지는 것을 방지하는 효과가 있다.
또한 이온교환막을 통과한 이온들이 카본 페이퍼 층의 반응기에 빨리 반응하여 전지의 효율 및 출력이 증가하게 되는 효과가 있다.
또한 카본 펠트만 사용하는 단일 전극 구조의 산화환원 유동 에너지 저장장치보다 반응기가 많아 효율 및 출력이 증가하는 효과가 있고, 상기 카본 펠트는 섬유와 같기 때문에 표면적이 넓어져 전해액의 이온의 교환을 위한 전자의 이동이 활발해져 반응성이 좋아지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극의 이온교환막의 개략적인 분리 단면도
도 2는 일반적인 산화환원 유동 에너지 저장장치의 스택 구조를 보여주는 분해 사시도
이하, 본 발명에 따른 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극의 이온교환막의 개략적의 분리 단면도를 도시한 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극은 상기 전극을 구성하는 스택 구조의 적층 순서를 바이폴라 플레이트(1a), 카본 펠트(2a), 카본 페이퍼(3a), 이온교환막(4), 카본 페이퍼(3b), 카본 펠트(2b), 바이폴라 플레이트(1b) 순으로 적층하여 하나의 셀을 구성하는 방법을 사용한다.
즉 상기 바이폴라 플레이트(1a)(1b)와 카본 펠트(2a)(2b) 및 이온교환막(4)은 산화환원 유동 에너지 저장장치의 전해액이 이동하여 전기를 발생시키는 전극으로 사용되고 있는데, 전해액의 흐름성을 좋게 하는 카본 펠트(2a)(2b)에 더하여 상기 카본 펠트(2a)(2b)와 이온교환막(4) 사이에 카본 페이퍼(3a)(3b)를 추가로 배치하여 적층함으로써, 상기 이온교환막(4)에 카본 펠트(2a)(2b)와 카본 페이퍼(3a)(3b)를 조합한 이중구조로 전극을 구성한 것이다.
이러한 본 발명의 전극에 의한 적층 순서는 전해액이 먼저 카본 펠트(2a)(2b) 층으로 원활히 순환되게 하며, 카본 페이퍼(3a)(3b) 층은 열처리와 같은 전처리를 한 카본 페이퍼를 사용하기 때문에 친수성이 높아 상기 카본 펠트(2a)(2b) 층에 흐르는 전해액을 잘 흡수하게 된다. 또한 카본 페이퍼(3a)(3b) 층에 흡수된 전해액은 유속이 카본 펠트(2a)(2b) 층보다 느리기 때문에, 다시 상기 카본펠트(2a)(2b) 층으로 확산이 원활히 이루어져 셀 내부에 전해액이 골고루 퍼질 수 있게 된다. 이렇게 전해액이 카본 펠트(2a)(2b) 층과 카본 페이퍼(3a)(3b) 층 사이에서 순환이 원활하게 이루어지는 이유는 상기 카본 페이퍼(3a)(3b) 층이 전해액을 흡수하여 카본 페이퍼 내의 전해액 압력이 높아지고, 반대로 상기 카본 펠트(2a)(2b) 층은 전해액 유속이 빨라 상대적으로 압력이 낮아진다. 이러한 압력차로 인해 압력이 높은 카본 페이퍼에서 압력이 낮은 카본 펠트로 자연스럽게 전해액이 이동하고, 이렇게 이동한 이후에는 상기한 바와 같이 다시 카본 펠트(2a)(2b) 층에서 카본 페이퍼(3a)(3b) 층으로 다시 전해액이 이동하기 때문이다.
또한 카본 페이퍼(3a)(3b) 층은 밀도가 높고 구조가 카본 펠트(2a)(2b) 층보다 단단하기 때문에 상기 카본 펠트(2a)(2b) 단일 구조의 전극보다 이온교환막(4)과의 접촉저항이 감소하게 되고, 상기 이온교환막(4)을 통과한 수소 이온들이 카본 페이퍼(3a)(3b) 층의 반응기에 빨리 반응하여 전지의 효율 및 출력 또한 증가하게 된다.
상기 카본 페이퍼(3a)(3b)의 전처리로써 실시하는 열처리는 400~600℃에서 실시하며, 열처리 후 카본 페이퍼(3a)(3b)의 중량감소가 2% 미만이 되는 시간까지 열처리를 하는 것이 바람직하다. 카본 페이퍼(3a)(3b)의 전처리로써 상기 열처리 외 화학적처리나 전기화학적처리도 실시할 수 있다.
상기 카본 펠트(2a)(2b)는 카본을 사용하여 섬유와 같이 직조한 것으로 그래파이트(graphite) 계열의 탄소 또는 탄소나노튜브 계열의 탄소를 포함하여 만들어지는 모든 카본 펠트를 포함한다. 상기 카본 펠트(2a)(2b)도 카본 페이퍼(3a)(3b)와 같이 열처리와 같은 전처리를 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
1a,1b : 바이폴라 플레이트 2a,2b : 카본 펠트
3a,3b : 카본 페이퍼 4 : 이온교환막

Claims (4)

  1. 바이폴라 플레이트, 전극, 이온교환막 등으로 구성된 산화환원 유동 에너지 저장장치의 전극에 있어서,
    상기 전극은 카본 펠트와 카본 페이퍼를 포함하며, 상기 카본 페이퍼는 카본 펠트와 이온교환막 사이에 배치하는 것을 특징으로 하는 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카본 페이퍼는 전처리로써 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카본 펠트는 전처리로써 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화환원 유동 에너지 저장장치.
KR20130097943A 2013-08-19 2013-08-19 산화환원 유동 에너지 저장장치용 전극 KR20150020884A (ko)

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